열펌프의 구조 및 원리

[야간비행사]

1. 열펌프의 구조 및 원리   열은 그 자신만으로는 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동이 불가능하며, 열의 이동에는 반드시 일(work)이 소요된다. 물펌프가 물을 낮은 위치에서 높은 위치로 퍼올리는 기계라는 의미와 마찬가지로, 열펌프란 열을 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동시킬 수 있는 장치를 의미한다. 사이클의 구성과 작동방법은 냉동기와 같으며 단지 저온열의 사용을 목적으로 하는 경우에는 냉동기, 고온열의 사용을 목적으로 하는 경우에는 열펌프(heat pump)가 되는 것이다.   열펌프는 열을 흡수하고 방열하는 원리의 구분에 따라 압축식, 화학식, 흡수식, 흡착식 등으로 분류되며, 그 중 가장 많이 적용되는 형식은 압축식 열펌프이다. 이 압축식 열펌프는 에어컨이라 불리우는 냉방장치의 역사이클로 생각하면 된다. 즉 냉방전용의 에어컨은 실내에 설치된 실내기의 열교환기에서 열을 흡수하여 실외에 설치된 실외기의 열교환기를 이용하여 열을 방열시키는 원리이며, 열펌프는 반대로 실외기의 열교환기에서 열을 흡수하여 실내에 설치된 실내기의 열교환기를 이용하여 열을 방열시키는 원리다. 압축식 열펌프 사이클의 기본적인 구성요소는 그림 1에서 보는 바와 같이 저온부 열교환기인 증발기, 압축기, 고온부 열교환기인 응축기, 팽창밸브의 4개 요소로 구분되며 작동유체인 냉매는 증발, 압축, 응축, 팽창의 변화를 계속하면서 순환한다. 저온저압의 습 증기상태의 냉매가 증발기에서 기화되면서 주변에서 증발잠열을 흡수하며 증발된 저온저압의 건조 포화증기상태의 냉매로 배출된다. 증발기에서 배출된 저온저압의 건조포화증기상태의 냉매는 압축기에서 단열 압축하여 고온고압의 과열 증기상태의 냉매로 되어 응축기로 유입된다. 그림 1. 열펌프의 기본 사이클
	응축기로 유입된 고온고압의 과열증기상태의 냉매는 응축잠열을 방출시키며 고온고압의 포화액체상태의 냉매로 되어 팽창변으로 유입된다. 고온고압의 포화액체상태의 냉매는 팽창변에서 등엔탈피 팽창을 하고 저온저압의 습증기상태의 냉매로 증발기로 유입된다. 일반적으로 저온부 열교환기인 증발기는 실외에 설치되며, 고온부 열교환기인 응축기 실내에 설치된다. 저온부 증발기는 실외에 설치되어 주변에서 열을 흡수하게 되며(열원이라 하며 공기가 일반적으로 많이 적용된다), 고온부 응축기는 실내에 설치되어 주변으로 열을 방출(히트싱크라 하며 공기가 일반적으로 많이 적용된다)하여 난방에 사용하게 된다. 2. 열펌프의 성능 향상 기술   시설원예에 이용가능한 열펌프의 대표적인 열원은 공기와 지하수이며, 설비비와 내구성면에서 공기를 이용하는 방식이 냉난방 겸용으로 이용하기에 적합한 것으로 보고되고 있다.   공기열원 열펌프를 냉방으로 이용하는 경우에는 증발기측(실내)의 공기온도가 15~30℃, 응축기측(실외)의 공기온도는 25~35℃에서 운전하게 되므로 시스템의 특성상 기계적인 문제가 발생하지 않는다.   그러나 난방으로 이용하는 경우에는 증발기측(실외)의 공기온도가 -15~5℃, 응축기측(실내)의 공기온도가 10~20℃이며, 증발기측 공기온도가 낮은 경우 증발기로부터의 흡수열이 감소하면서 난방성능이 급격히 떨어지고, 증발기에 성에가 형성되어 열전달을 방해한다. 이때 증발기에서 기화되지 못한 액체냉매가 컴푸레서로 유입되면 과부하가 발생하여 컴푸레서 고장의 원인이 되기도 한다.   공기를 열원으로 하는 냉난방겸용 열펌프를 난방으로 이용하는 경우에 외기온이 -5.0℃이하로 떨어지면 증발기에 성에가 형성되어 난방효율이 급격히 떨어지게 된다. 이와 같은 효율저하를 방지하기 위한 연구가 냉난방겸용 열펌프 연구의 주류를 이루고 있다. 그림 2. 열재생 사이클을 이용한 냉난방 겸용 열펌프 시스템   농업기계화연구소에서 개발한 섬유벨트 열 재생 시스템(fiber belt heat regeneration system)을 이용한 열펌프(그림 2, 그림 3)를 기존의 분리형 열펌프와 비교분석한 결과 그림 4에서 보는 바와 같이 증발기 유입공기의 온도가 -7~-1℃까지 변화하는 동안 난방성능계수(COPh)는 열 재생시스템을 이용한 열 펌프가 3.5~4.1로서 기존의 분리형 열 펌프에 비하여 1.6~1.8정도 향상된 것으로 나타났다.   이와 같이 난방 성능계수가 향상된 원인은 열 펌프를 일체형으로 제작하여 냉매배관의 길이를 최소화 하므로써 냉매의 관내압력 손실을 작게 하였고, 섬유벨트를 이용한 열재생 시스템을 이용하여 응축기로 유입되는 실내공기로부터 흡수한 열을 증발기로 유입되는 저온의 공기에 전달하여 증발기의 성에 형성을 억제하므로서 증발기내에서 냉매의 증발이 원활하게 이루어졌기 때문인 것으로 판단된다. 그림 3. 냉난방 겸용 열펌프를 이용한 호접란 재배 그림 4. 열 재생 사이클을 이용한 열 펌프의 냉방 성능계수(COPh)   그림 4에서 보는 바와 같이 증발기 유입공기의 온도가 -1℃이상인 경우에는 냉매의 증발압력이 상승하여 컴푸레서의 소비전력이 증가하기 때문에 난방성능계수(COPh)의 증가율은 크게 둔화될 것으로 판단되며, 그래프의 경향으로 보아 증발기 유입 공기온도가 -10℃일 때의 난방 성능계수는 3.0이상으로서 최저외기온이 -10℃ 이상인 지역에서 열펌프를 난방 시스템으로 이용하는 경우 난방비용 절감에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.   열 펌프의 냉방 성능계수(COPc)는 그림 5에서 보는 바와 같이 응축기 유입공기의 온도가 30~35℃인 경우에 3.2~3.4로서 ASHRAE의 에어컨 성능기준인 COPc=3.0(외기온도 35℃)을 상회하였으며, 기존의 에어컨과 비교할 때 성능계수는 0.2 정도 향상된 것으로 나타났다. 응축기 유입공기의 온도가 31℃일 때 냉방성능계수는 3.4로서 가장 높게 나타났으며, 이와 같은 결과는 냉매가 응축기 유입공기가 31℃일 때 충진되어 최적화 되었기 때문인 것으로 판단된다. 그림 5. 열재생 사이클을 이용한 열 펌프의 냉방 성능계수(COPc)
	3. 열 펌프의 냉난방 비용 절감 효과   열 펌프를 이용하여 온실난방을 실시하는 경우에 난방비용은 경유 온풍난방기를 이용하는 경우에 비하여 약 7%절감되며, 연간 유동비는 최대 70%까지 절감이 가능하다.   또한 열 펌프를 냉방사이클로 구동하여 호접란을 저온처리하는 경우에는 100평당 5,045천원이 소요되어 고랭지에서 저온처리하는 비용(9,490천원)에 비하여 약 47%절감할 수 있는 것으로 나타났다.

내용출처 : [인터넷] "http://home.rda.go.kr/sub_menu_dip_frame.asp?m_mnu=3&s_mnu=1&c_mnu=0&mode=list&class_code=A&crop_code=9"에서 발췌

[ヌ風神]

한때 열펌프로 생계를 유지할까 했던 분야라 상당히 반가운 내용입니다. 열펌프가 상당히 많이 상용화가 되긴했지만 아직은 더욱 기술개선이나 발전가능성이 많은 개념중에 하나입니다.

[여와]

상당히 상세 하게 올렸네요 다른분야 전공인데 ㅎㅎㅎ 난 이분야에 생업를 하는 사람인데 자료 를 올리지 못했건만 수고 많았어요 작동 유체 의 선택이 어렵구요 작동 환경 변화가 문제 이구요 ㅎㅎ 응축열을 이용 하잔니 윤활유의 탄화가 문제고 정말 어렵답니다 그리고 당장 에는 상당한 이익인듯 하나 내구성 문제가 있어 얼마 안가서 유지 보수비가 더큰 비중을 찾이 한다고 한답니다