1 개요
특정 장소의 열을 다른 곳으로 옮기는 데 사용하는 기계. 열은 열평형에 도달할 때 까지 자연적으로 고온에서 저온으로 흐르는데, 히트펌프는 이를 거슬러 저온에서 고온으로 열을 퍼올리는 장치다.
가장 기본적인 히트펌프의 시스템 으로는 증기압축사이클 시스템이 있다.
증기압축사이클 시스템은 냉매를 압축기 -> 열교환기1(응축기) -> 팽창밸브 -> 열교환기2(증발기) -> 압축기 순서로 통과시킨다.
냉매가 거치는 과정을 보면 다음과 같다.
- 기체상태의 냉매는 압축기에서 압축되면서 에너지를 받아 압력과 온도가 증가한다.
- 위의 과정을 거쳐 온도가 올라간 냉매는 응축기에 들어가 상대적으로 온도가 낮은 외부에다가 열을 버리게 된다. 기체상태의 냉매는 열을 방출하며 액체상태로 상전이 하게 되며, 이상적인 히트펌프의 경우 응축기의 입구부터 출구까지 상전이만을 거치므로 온도가 변화하지 않고 입구에서의 고온을 유지할 수 있다. 따라서 고온부에 열을 방출할 수 있다.
- 응축기에서 나온 냉매는 팽창밸브로 들어가게 되며, 팽창밸브를 거치며 감압된다. 이상적인 히트펌프는 팽창밸브에서 냉매의 엔탈피가 일정하게 유지된다고 가정하므로, 팽창밸브 출구에서 냉매의 엔탈피는 팽창밸브 입구에서의 엔탈피와 동일한 값이 되며, 감압된 상태에서 동일한 엔탈피를 가지기 위해서는 냉매의 건도(기체상태인 냉매량과 전체 냉매량의 비)가 증가하게 되며. 이 경우 현열이 잠열로 전환되면서 냉매의 온도가 감소한다.
- 저온 상태가 된 냉매는 증발기를 지나면서 열을 흡수하게 된다. 이 또한 응축기 에서와 같이 저온상태를 유지하므로 저온부에서 열을 빼앗을 수 있다.
- 증발기를 빠져나온 냉매는 다시 압축기로 들어가 위의 사이클을 반복한다.
냉장고나 에어컨의 성능을 보면 냉방능력이 소비전력보다 큰 것을 볼 수 있는데, 간혹 이를 보고 히트펌프의 효율이 100%를 넘는다고 착각하는 사람들이 존재한다. 훌륭한 위키러라면 이런 발언은 하지 않도록 하자. 열역학 제 1법칙을 생각해봐도 알 수 있듯이 효율은 절대 100%를 넘길 수 없고, 열기관에서 이론상 최대의 효율을 뽑아낼 수 있는 카르노 기관을 생각해봐도 100%이상의 효율은 말이 되지 않는 것을 알 수 있다. 이는 사람들이 냉장고나 에어컨이 냉방을 수행할 때에는 외부에 뱉어내는 열이 있다는 사실을 간과하기 때문이며, 사실 냉방은 에너지를 빼앗는 행위인데, 이것을 효율계산에서 분자에 올린다는 것 부터가 넌센스이다.
따라서 히트펌프의 경우에는 효율을 사용하지 않고 COP를 이용한다. COP는 제공한 에너지 대비 얻은 효용으로, 냉방의 경우에는 냉방부하/전력 난방의 경우에는 난방부하/전력 으로 계산한다. 일반적인 효율과는 정의가 다름을 알 수 있다. 보통의 기계적인 효율을 계산하자면 난방부하/(전력+냉방부하) 정도가 되어야 겠지만 별 의미가 없으니 무시하도록 하자.
압축기는 일반적으로는 전기를 사용한다. 엔진을 사용하는 경우도 있으나 상식적으로 집에 있는 냉장고에 주유를 해본적은 없지않은가? 또한 압축기의 경우 냉장고 껍대기를 뜯자마자 보이도록 배치하면 냉매유설 문제가 발생하므로 대부분은 냉매통에 매설해버리고 전기선을 집어 넣는것이 유리하다.
히트펌프는 냉난방 사이클 모두로 이용할 수 있으므로 필요에 따라 응축기가 증발기가 되고 증발기가 응축기가 되도록 역할을 교환해 줄 수 있다. 이런 경우 보통 냉매를 거꾸로 돌려주면 되는데, 팽창밸브나 열교환기는 출입구 구분이 특별히 없지만, 압축기는 출입구가 분명히 구분되므로 냉매를 거꾸로 돌릴 수 없다. 따라서 이런 경우 보통 4-way 밸브를 이용하여 냉매흐름을 바꿔준다.
2 펠티에
펠티에 효과를 사용하여 냉각하는것도 히트펌프의 한 종류이다.
해당 항목을 확인하도록 하자.