가스엔진구동 열펌프(Gas Engine-Driven Heat Pump)는 1852년 W. Thomson에 의해 개념이 정립되기 시작하였으나 당시 압축기나 냉매의 부재로 실현되지 못하였고, 1870년경에 이러한 개념을 도입한 식품냉동보관용 냉동장치가 개발되었다. 1910년경에는 암모니아를 냉매로 사용하는 냉동기가 개발되었고, 1930년대에는 염화메칠을 이용한 소형냉동기가 출현하였다. 1940년경에서야 비로소 오늘날 보편적으로 사용되는 CFC계 냉매인 R-12를 사용하는 냉동기가 개발되었다. 1930년대 이전에는 수요부재로 인하여 열펌프 산업이 크게 성장하지는 못하였으나 1930년대 경제공황으로 특히 유럽에서 열펌프에 대한 관심이 고조되어 1943년까지는 냉 난방과 폐열회수 등 산업전반에 급속히 응용되었다. 1950년경에는 미국과 영국에서 지열을 이용하는 열펌프 시스템이 개발 운용되었고, 1951년에는 영국의 Merlin 항공사 엔진을 이용하여 도시가스를 연료로 하는 열펌프가 개발되었다. 1960년대 초반에 미국에서는 공기 대 공기 열펌프가 개발되어 시판되었으나 판매가 장 이루어지지 않아 성능향상에 노력한 결과 압축기의 성능개선이 이루어졌다. 1970년대에 발생한 오일쇼크를 계기로 열펌프는 에너지절약형 기기로 인식되어 전기모타 구동방식이 아닌 다른 에너지원을 사용하는 시스템의 개발이 본격화되었다. 현재 열펌프 분야에서는 WEC, IEA 등의 주도하에 신냉매, 새로운 작동사이클 등의 개발이 매우 활동적으로 이루어지고 있다. 가스엔진구동 열펌프는 1949년 영국의 Royal Festival Hotel에 최초로 500HP급 이 설치되었고, 오일쇼크 이후에 독일과 일본에 의해 본격적으로 연구개발이 이루어 졌다. 독일의 경우 Ficthel & Sachs, Man, Volkswagen 등이 개발에 참여하여 만족할만 한 성과를 거두었고, 일본의 경우 1981년부터 3개 가스회사(동경가스,오사카가스,동 방가스), 5개 엔진제작사 및 7개 전장업체가 규합하여 연구개발을 수행한 결과 큰 성공을 거두었다. 일본에서는 1987년 GHP가 출시된 이래 10년간 39기종이 개발되어 누적보급용량이 774천RT로 전체 가스냉방용량의 11.7%를 차지하였다(그림13). 특히 3,000m2미만의 소형빌딩의 경우 동경가스 공급지역을 예로 들면 가스냉방용량 407천 RT중 63%인 258천RT를 GHP가 차지하여 소형냉방기 시장에서의 독특한 입지를 구 축하였다. GHP기술개발에 있어서 국내에서의 가장 큰 장애요소는 엔진기술이다. 자 동차엔진과는 달리 정치형 엔진으로 고도의 소음 진동감쇄기술이 요구되고 다양한 기종의 GHP를 개발하기 위해서는 다양한 용량의 엔진을 구할 수 있어야 한다. 표3 은 국외 GHP제작업체 및 시판기종을 나타내고 있다.
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[그림13] 일본의 연도별 GHP 누적보급용량 및 가스냉방중 GHP의 비율
그림14는 공기예열이용형 GHP의 냉방사이클을 나타내고 있다. 가스엔진과 배열회수 열교환장치를 제외하면 전기식 히트펌프(EHP)와 거의 동일한 시스템이다. 아래 그림에서 보는 바와 같이 가스엔진의 동력으로 구동되는 압축기에 의해 고온 고압의 기체상태로 된 냉매(R-22)는 실외 열교환기에서 응축되면서 방열을 하게된다. 액냉매는 팽창밸브를 지나면서 압력과 온도가 강하되고 다시 실내 열교환기에서 증발되면서 공기로부터 증발열(흡열)을 빼앗아 냉방이 되도록 해준다. 난방시는 사방밸브를 사용하여 사이클을 냉방사이클과 반대로 해준다. 압축기에 의해 고온 고압의 기체상태로 된 냉매가 실내 열교환기를 지나면서 실내 공기를 데워주고(방열) 냉매는 응축된다. 즉 실내 공기는 냉매의 응축열만큼 열을 흡수하여 가열되는 것이다. 응축된 냉매는 팽창밸브를 지나면서 압력과 온도가 강하되고 실외 열교환기에서는 외부 공기로부터 열을 흡수하여 냉매가 증발된다. GHP의 가장 큰 특징은 가스엔진에서 발생되는 연소배열(Exhaust gas)과 엔진 냉각수의 열을 회수하여 열효율을 높일 수 있는 점이다. 이러한 폐열을 이용하는 방 법에 따라 시스템 구성이 달라지고 열효율에도 큰 영향을 미친다. 대표적인 폐열 이 용방식으로는 냉매직접가열형, 공기예열이용형, 폐열직접이용형이 있다. 냉매직접가 열형은 배기가스와 열교환을 거친 고온의 냉각수로 실외 열교환기(증발기)를 거쳐 나온 냉매를 직접 가열하여 압축기로 보내 난방효율을 높여주는 방식으로 냉방시에 는 압축기에서 토출된 고온의 냉매를 냉각시켜줌으로서 실외 열교환기(응축기)에서 의 응축능력을 높여 시스템의 성능을 향상시켜준다. 공기예열이용형은 난방시 배가 스 열교환기를 통하여 냉각수의 온도를 높여 실외 열교환기(증발기)로 유입되는 공 기를 가열시켜줌으로서 제상효과(defrost)와 더불어 시스템 성능을 높여준다. 냉방시 에는 단순히 방열기로 사용하거나 별도의 설비를 부착하여 급탕에 이용하기도 한다. 폐열직접이용형은 엔진의 폐열을 별도의 열교환기를 이용하여 응축기를 지나는 2차 작동유체와 열교환시킴으로서 난방이나 급탕에 이용한다. 전기냉방기와 비교할 때
GHP의 장단점은 다음과 같다.
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