히트펌프

1. 개요

2. 종류

2.1. 목적에 따른 분류

• 흡열 반응 쪽만 이용 (냉각)
• 냉방 - 냉장고, 냉풍기
• 냉동 - 냉동수면, 제빙기, 동결건조, 드라이아이스 제조, 눈 제조, 백신 보관, 초전도체 냉각, 입자가속기 냉각, 핵융합 발전 냉각, 기체 액화[1]
• 방열 - 냉각기, 수랭, 컴퓨터 쿨러, 데이터센터
• 결로 - 제습기, 식수 제조

• 발열 반응 쪽만 이용 (가열)
• 공기 - 건조기, 온풍기
• 급탕 - 라디에이터, 온돌

• 둘 다 이용가능하지만 한 번에 한 쪽만 이용 - 에어컨 (여름엔 냉방, 겨울엔 난방)

• 둘 다 동시에 이용 - 정수기, 한국지역난방공사(열병합발전소), 에너지 저장 체계(ESS), 산업용 증기생산, 냉온음료 자판기

• 에어컨 - 히트펌프는 냉난방 모두 이용할 수 있으므로 필요하다면 (예컨대 에어컨으로 여름엔 냉방, 겨울엔 난방하기) 응축기(발열)-증발기(흡열)의 역할을 바꾸고자 '냉매를 거꾸로 돌리면'(reversible) 된다. 다만 팽창밸브-열교환기는 출입구가 따로 없지만, 압축기는 출입구가 분명 구분되므로 거꾸로 돌릴 수 없다. 이를 위해서 4-way 밸브를 이용해 냉매의 흐름을 바꾸면서 압축기에서의 흐름 방향은 같게 만든다.

• 전기교통수단(전기자동차, 전동차, 수소자동차 등)의 냉난방 및 방열 - 기존 화석연료 교통수단의 엔진 폐열에 비하면 배터리나 연료전지[2]의 폐열이 매우 적으므로, 히트펌프를 이용하여 겨울철 난방을 한다.[3] 여름철 냉방, 겨울철 난방 부하는 전기교통수단의 주행거리를 40~50%나 감소시킬 수 있어, 히트펌프의 효율이 전기교통수단의 주요 성능지표가 되기도 한다. 또한 히트펌프의 부피가 전기교통수단의 상당량을 차지한다.

• 식수 제조 - 2004년, 스페인의 한 발명가가 '공기에서 식수 만드는 장치'라는 스타트업 회사을 차렸으며 2021년 8월에 로이터에 소개되었다. ## 히트펌프(에어컨, 제습기)의 차가운 부분에 맺히는 물을 대한민국처럼 물이 풍부한 나라는 그냥 배수관을 달아 버리지만, 건조한 국가들에선 식수로 팔아도 될만큼 경제성이 나온다는 것. 소형 (0.75 마력) 마력은 하루 75리터, 2대형(20 마력)은 하루 10,000리터의 물을 만들 수 있으며#, 온도 40도에 습도 10~15%인 지역에서 하루 5000L의 물을 제공할 수 있을 거라고.

• 냉동수면 - 냉동수면은 수십년의 지속적인 히트펌프의 가동을 필요로 한다.

• 컴퓨터 쿨러, 데이터 센터 냉각 - 컴퓨팅에 100의 에너지가 들면, 냉각에 30~60의 에너지가 든다. 즉 냉각효율이 곧 데이터센터 에너지효율.

• 핵융합 발전, 입자가속기, 초전도체, 기체 액화 - 극저온 냉각이 필요하다.

• 올림픽, 스키장, 썰매 - 인공으로 눈과 얼음을 만들곤 한다.

• 정수기 - 펠티어 소자를 이용해서 동시에 온수와 냉수를 만든다.

• 에너지 저장 체계 - 간헐적이고 불규칙적인 신재생에너지의 보급으로 인해, 2020년대 ESS가 필수요소로 주목받고 있는데, 전기화학적 방식으로는 지역-국가 단위의 대규모 저장은 어려워[4], 유력한 한 방식으로 주목받고 있다. 히트펌프 사이클로 전기를 고온-저온 형태로 저장하고, 이 온도차를 이용해 다시 발전하는 방식.

• 산업용 증기 생산 - 산업분야에서 온수 및 증기를 만드느라 소비하는 에너지가 절반을 넘는다. 이를 생산함에 있어 보일러가 아닌 히트펌프를 쓰자는 것. 히트펌프는 냉각하는 열교환기도 갖게 되는데, 이를 통해선 공장의 방류수도 냉각이 가능하다. 환경규제상 40도 이하로 물을 낮춰야 해서 (안 그러면 하천의 물고기가 익는다) 기존엔 저류조에 뒀다가 방류하거나, 양식을 하기도 했다.

• 해군 함정, 민간 선박 - 해군 함정에서 변소, 샤워장, 조리장의 온수는 기름 or 액화석유가스보일러[5]를 쓰는데 보일러 대신 가스터빈과 내연엔진의 냉각수와 배기가스, 함정의 에어컨 냉각수, 폐열을 히트펌프로 열교환해 온수를 얻을 수 있으나 고속정은 공간 문제로 히트펌프 탑재가 힘들다. 이는 해군 함정만이 아닌 크루즈선 등 민간 선박에도 사용 가능하다.

2.2. 수단에 따른 분류

• 사용하는 냉각 매체에 따라 '공랭식 히트펌프', '수랭식 히트펌프', '유랭식 히트펌프'라고 한다. 냉각 문서 참고. 2016년 알파고는 기존의 CPU가 아닌 TPU를 이용했는데, 발열량을 공랭으로 감당할 수 없어 유랭을 도입했다.

• 사용하는 열원에 따라 '공기열 히트펌프', '지열 히트펌프', '수열 히트펌프'라고 한다. 사용 목적의 반대편인 열을 버리거나 가져올 열원을 공기로 하느냐(우리가 흔히 접하는 냉장고-정수기의 뒷면, 에어컨의 실외기), 땅으로 하느냐, 하천으로 하느냐를 의미한다. 대한민국 기준 지열 히트펌프는 2017년 포항 지진 이후 투자가 급감했고, 수열 히트펌프는 같은 해 2017년 롯데월드타워의 완공으로 투자가 늘었다. 하수처리장(물재생센타)에서 버려지는 하수열 에너지로 돌리는 히트펌프가 주목된다.

2.3. 원리에 따른 분류

• 증기 압축 사이클 방식: 가장 보편적인 히트펌프 시스템이다. 전동기 또는 내연기관의 연소를 통해 압축기가 회전하는 운동 에너지를 만들고, 폐회로에서 냉매가 압축과 팽창을 반복하며 상변화로 흡열과 발열을 반복하는 방식이다. 적당한 가격, 적당한 출력, 적당한 효율을 내어 주는데다가 운전이나 유지관리에 있어 크게 까다롭지도 않기 때문에 가장 보편적이나 기계식 부품을 사용하는지라 소음이 심하다.
  
  1. 컴프레서: 기체상태의 냉매가 압축되면서 압력-온도가 증가한다. 압축기의 동력은 일반적으로 전기모터를 사용한다. 일반 가전인 에어컨, 냉장고, 정수기 등은 유류[6]나 가스[7]내연엔진, 가스터빈을 동력으로 하는 방식은 소음, 내구성, 설치유지의 어려움[8]으로 인해 잘 사용하지 않는다. 딱 하나 일반인들이 흔히 보는 것 중 가스를 이용해 내연기관의 힘으로 돌리는 히트펌프(GHP, Gas Heat Pump)가 있으니, 바로 자동차용 에어컨이다.
  
  
  2. 응축기 (열교환기 1): 기체상태의 냉매가 상대적으로 온도가 낮은 2차유체[9]로 열을 방출하여, 액체가 된다.[10]
  
  
  3. 팽창밸브: 액체상태의 냉매가 감압되면서 압력-온도가 감소하고, 기체와 액체가 공존하는 상태가 된다.[11]
  
  
  4. 증발기 (열교환기 2): 저온 상태가 된 냉매는 상대적으로 온도가 높은 2차유체[12]로부터 열을 흡수하여, 기체가 된다.
  
  
  5. 압축기: 증발기를 나온 냉매는 다시 압축기로 들어가 위의 사이클을 반복한다.

• 흡수식(Absorption): 열 에너지를 이용해 구동한다. 최초의 히트펌프가 이 방식이었으며, 효율이나 최저온도 등은 보통 증기압축식보다 좋지 못하지만, 고출력 혹은 저출력으로 만들기 유리하고, 저출력으로 만들 경우 소음도 적기 때문에 지역 냉난방이나 대규모 공조시설, 소형 냉장고 등에 여전히 쓰인다. 대표적으로 2011년 마곡도시개발사업이 있다. #

• 열전소자(Thermo-electric) 방식: 펠티어 소자 문서 참고. 1993년에 김치냉장고(...) 적용 사례도 있었으나, 효율이 낮아 고출력에서는 경제성이 없다. 당장 일반 냉장고만 해도 쓸만한 물건의 경우 전부 증기압축식이고 펠티어 방식은 간이 냉장고 수준이다. 와인셀러나 미니냉장고 정도에 적용되어 '무소음 냉장고'를 마케팅하기도 한다. 소니가 '입는 에어콘'이라며 티셔츠의 등 쪽에 붙이는 형태의 제품 'REON POCKET'을 출시하기도 했다. # 효율은 낮지만 소음이 적고, 크기가 작으며, 반응속도가 높고, 가격이 싸며 전기를 사용하기에 제어 용이성이 높아 소형 가전에 주로 사용되며, 과학 실험용 기기, 군사 또는 항공우주용 장비를 냉각하기 위해 사용되기도 한다.

• 자기(Magnetic) 방식: 전자레인지의 역방식은 아니다(...). 자성을 띈 물질이 자기장에 들어가거나 나올 때 온도 변화가 있는데, 차가워졌을 때 냉각이 필요한 물질에 접촉하고, 뜨거워졌을 때 열을 방출할 물질에 접촉시키는 방식이다.

• 열-음향(Thermo-acoustic) 방식: 비활성 기체가 담긴 통을 사용한다. 음파를 쏘면 공명하는 위치에 따라 온도가 다르게 분포되므로, 이를 이용한다.

• 막(Membrane) 방식: 2014년 미국 DOE에서 COP를 10을 넘겨 주목받았고, 일반적으로 6~7에 달한다. 그냥 제습냉방-증발냉각의 연장으로 보기도 하며, 냉난방이 아닌 제습용으로 사용한다. 물을 냉매로 사용한다. #

• 열탄성(Thermo-Elastic) 방식: 고무줄을 늘리면 뜨거워지듯, 탄성체를 늘리거나 줄이며 발생하는 흡열-발열을 이용하려는 방식.

2.4. 구성에 따른 분류

• 인버터 히트펌프 : '정속형'과 달리, 전자적으로 압축기(증기압축사이클방식 히트펌프인 경우)의 동력을 조절하는 경우.
• 듀얼 인버터 히트펌프 : 압축기가 직렬 또는 병렬로 2개를 사용하는 경우.[13]
• 무풍 히트펌프 : 열교환기와 공기를 열 교환하는 팬이 없거나(자연대류), 극도로 소음이 적은 경우.
• 멀티 히트펌프 : 하나의 사이클에 냉각측 또는 가열측 열교환기가 여럿인 경우.
• 거꾸로 히트펌프 : 사방밸브(4-way valve)를 이용해 압축기로부터의 두 열교환기를 향하는 냉매 흐름을 바꾸어, 냉난방 방향을 바꿀 수 있는 경우.

2.5. 온도에 따른 분류

3. 성능 및 효율

• 일반적인 가정·차량의 냉장고·에어컨은 COP가 4~6 가량인데, 이는 1의 전기·가스·기름을 투입하여 3~5만큼 냉방하고 4~6만큼 난방을 한다는 것이다. 이를 COP 4~6 또는 냉방COP 3~5라고 일컫는다.
• 가스로 열을 만들면 100의 1차에너지로 95~99의 열을 생산하고(일부 손실), 전기로 열을 만들면 100의 1차에너지로 30~40의 열을 생산한다(발전 효율). 하지만 히트펌프는 그 40의 전기로 100을 이상의 열을 얻을 수 있다. COP가 3이면 120의 난방과 80의 냉방을, COP가 4면 160의 난방과 120의 냉방을 제공하는 식.

"COP = 5"의 의미

4. 지구 온난화 해결수단으로서의 정책 연혁

• 2020년까지
• 2008년, EU 의회는 히트펌프로 모은 열을 재생에너지에 포함하는 법 통과시켰다.#
• 중국이 석탄난방 퇴출정책을 펴면서 가스보일러 시장이 2010년 연 70만대 판매에서 2017년 연 400만대 판매로 급성장한다. # #
• 2018년, IEA(국제에너지기구), EIA(미국 에너지관리청), EPEE(유럽 에너지환경파트너십)가 공동으로 "냉방의 위기(Cold Crunch)" 보고서를 냈다. 세계적으로 8%의 인구만 에어컨(히트펌프)을 누리는데, 이미 전세계 전력수요의 20%를 차지하고 있다. 1990-2020 동안 에어컨 수요가 3배 증가했고, 2020-2050 에어컨 수요가 역시 3배 증가 예정이어서 히트펌프의 효율 개선 연구가 무척 중요하다고 강조했다. #
• 2019년, 영국 기후변화위원회가 2025년부터 신축 건물에 가스 연결 금지를 권고했다. #
• 2019년, 미국 캘리포니아 버클리시는 신축 건물에 가스 연결을 금지했다.
• 2020년, 대한민국은 온수용 히트펌프 보급 예산을 300억원에서 25억원으로 오히려 후퇴시켰다. #

• 2021년
• 2월, 빌 게이츠는 책 "기후재앙을 피하는 법"을 통해, 2020년 기준 510억 톤의 탄소 배출 중 7%가 물과 공기의 냉난방이기 때문에, 히트펌프 보급 확산이 탄소 중립을 위해 발전-교통분야만큼 중요하다고 언급했다.
• 5월, 국제에너지기구(IEA)가 2025년부터 가스보일러의 판매를 중단하고, 2045년까지 전세계 보일러의 절반을 히트펌프로 교체해야 한다고 밝혔다. #[14]
• 7월, 2021년 한 해 유럽연합 내 히트펌프 시장이 34%나 급성장했다. #
• 8월, 2050 탄소중립녹색성장위원회 문재인 정부 안은 수열(히트펌프) 도입으로 건물 분야 90만톤 탄소배출을 줄일 수 있을 것으로 예측했다.
• 9월, 전세계 히트펌프 보급률이 2021년 5% 미만에서 2030년 44%까지 급성장하리란 전망이 나왔다. #
• 10월, 유럽연합 집행위원회는 유럽연합 차원에서 2025년 가스보일러 중단을 결정하진 않고, 개별 국가별로 정하자고 하였다. #
• 10월, 영국은 2035년까지 모든 가스보일러의 사용을 금지한다. 히트펌프 또는 수소열병합이 검토된다. #
• 12월, 미국 뉴욕시는 7층 이하의 신축 건물은 오는 2024년부터, 그 이상의 고층건물은 2027년부터 가스를 이용한 난방·조리기구 등을 설치할 수 없게 법을 제정했다. #

• 2022년
• 3월, 국제에너지기구(IEA)가 유럽연합이 러시아 가스로부터 독립하기 위해 히트펌프 보급을 확대해야 한다고 권고했다. #
• 4월, 대한민국 환경부가 삼성서울병원 등 9곳에 수열에너지(히트펌프 온수난방) 시범사업을 시작한다. #
• 5월, 네덜란드는 2026년부터 화석연료 난방을 금지한다. #
• 6월, 오스트리아는 2023년부터 화석연료 난방을 금지한다. #
• 6월, 벨기에는 2025년부터 가스보일러 난방을 금지한다. 이미 20% 가량이 히트펌프로 교체되었다. #
• 7월, 독일은 2024년부터 신규 건축물의 난방을 모두 히트펌프로 교체하기로 한다. #
• 7월, 빌 게이츠는 에어컨으로부터 나오는 온실가스를 줄이는 기술을 선보인 스타트업 '블루 프론티어'에 2000만달러를 투자했다. #
• 8월, 독일은 2024년~2027년 동안 가스보일러의 히트펌프로의 교체지원사업에 270억 유로(약 39조원)을 배정했다. #
• 11월, 차년도(2023년) 예산으로 미국은 보일러의 히트펌프로의 교체지원사업에 90억달러(약 11.1조원)를, 일본은 465억엔(약 4457억원)을 편성했다. 이 와중에도 대한민국은 전기요금의 누진제로 히트펌프가 제품군조차 없어 지적이 나왔다. #

• 2023년
• 3월, 네이처지에 가스보일러를 히트펌프로 교체하면 독일은 2030년까지 가스수입량의 30~50%를 줄일 수 있다는 계산이 올라왔다. #
• 3월, 영국 가스전력시장국(OFGEM)은 히트펌프와 전기자동차의 보급으로 전력망을 매년 47억 파운드씩 절약해나갈 수 있다고 계산했다. #
• 4월, 2050 탄소중립녹색성장위원회 윤석열 정부 안은 수열 히트펌프 분야에 5년간 1조원의 투자가 필요하다고 보았다.[15]
• 11월, 대한민국에선 전기히트펌프, 가스히트펌프, 지역냉·난방 모두 2022-2023-2024 예산이 후퇴하는 모습을 보인다. #
• 12월, 대한민국 과학기술정보통신부의 '탄소중립 기술혁신 전략 로드맵'에 포함되었다. 히트펌프 온수난방, 건물일체형 히트펌프 공기냉난방 등을 2030년까지 수십세대 실증 예정이다. #

5. 유관기관

• 대한민국: LG전자[16], 삼성전자가 있다. 그 외 위니아전자 등이 있다.
• 미국: 캐리어, 트레인(Trane)이 있다. 그 외 Goodman, Lennox, Nordyne, Rheem, York 등이 있다.
• 중국: 그리전기, 미디어, 하이얼이 있다. 그 외 TCL, 샤오미, Chigo, Galanz, Aux 등이 있다.
• 일본: 다이킨(Daikin)이 있다. 그 외 후지쯔, 미쯔비시, 히타치 제작소, 산요전기, 파나소닉, 샤프, 토시바 등이 있다.

• 자동차용 에어컨: 해당 문서 참고. 대한민국 한온시스템, 일본 도요타 산하의 덴소 등.
• 가스 히트펌프[17]: 일본의 혼다, 얀마 등이 있다. 대한민국의 보일러사들도 관심을 갖고 추격중이다. (귀뚜라미그룹, 경동나비엔, 린나이코리아, 삼천리그룹)
• 산업용 히트펌프: 2010년대부터 논의가 커지고 있다. 일본 고베제강, 프랑스 EDF, 국내에선 LG화학이 기술을 보유하고 있다.

• 국제에너지기구(IEA): 히트펌프프로그램(HPP, 표준을 만듬), 히트펌프기술(HPT, 국제연구 거버넌스)
• 국제냉동기구(IIR): 국내 한국위원회가 한국냉동공학학술대회(KCR)을 HARFKO 전시장 내에 개최하고, 국제적으로 IIR의 이름을 딴 여러 학회가 열린다.[18][19] 그리고 IIR 본부가 여는 국제냉동공학학술대회(ICR)는 히트펌프 분야에선 가장 큰 학회다.
• 대한설비공학회(SAREK): 국가 단위의 학회로, 타국에는 미국 냉난방공조학회(ASHRAE), 일본 공기조화위생공학회(SHASE)와 냉동공조학회(JSRAE), 스칸디나비아 공조학회연맹(SCANVAC), 독일 건물설비학회(VDI-TGA), 중국 제냉학회(CAR), 유럽연합 난방환기및공기조화협회(REHVA) 등이 있다. 대한설비공학회 기준 여름철/겨울철 2회 국내 학회를 개최한다.
• 그 외 히트펌프 유관 학회들: 국내의 대한기계학회(KSME), 한국자동차공학회(KSAE), 신재생에너지학회(KSNRE), 한국지열수열에너지학회(KSGHE), 한국초전도저온학회(KSSC), 해외의 미국기계학회(ASME), 미국자동차공학회(SAE) 등이 있다. 3년마다 아시아 국가들이 모이는 아시아냉동공조학회(ACRA)도 규모가 크다. 미국 퍼듀 대학교가 히트펌프 분야에 앞서 있기에 단독으로 히트펌프 국제학회를 열기도 한다. 한+중+일의 서울대학교-칭화대학-교토대학이 매년 서로의 대학에서 번갈아 열공학 학회를 열기도 한다.

• 미국 ASHRAE의 Guideline, 대한설비공학회 설비편람 등이 '표준'을 주기적으로 업데이트하므로 눈여겨봐야 한다.
• 국내 한국설비기술협회(KARSE), 한국냉동공조산업협회(KRAIA), 한국냉동공조안전관리원(KRASI) 등 인증기관이 있다.
• 한국산업인력공단 산하의 자격증으로는 공조냉동기계, 건축설비가 있다. 유관 자격증으로는 건설기계설비[20]가 있다. 에너지관리(구 보일러관리), 신재생에너지발전설비, 건축전기설비, 산업기계설비는 관련이 없다. 각 자격증에 따라 기능사, 산업기사, 기사, 기술사 자격증이 다르게 있다.

• 학회가 운영하는 학회지: 국제냉동기구의 'IIR Newsletter', 미국냉난방공조학회의 'ASHRAE Journal', 대한설비공학회의 '설비저널', 대한기계학회의 '기계저널', 한국자동차공학회의 '오토저널' 등이 있다. 이들은 이름이 '저널'이라도 SCI논문을 싣는 그런 저널이 아니고 일반 잡지와 같은 것들이니 주의. SCI와 저널 문서 참고.
• 월간 잡지 (가나다순): 냉동공조저널, 칸(Kharn) , 콜드체인뉴스, 히트펌프공조 등이 있음.

6. 기타

• 히트펌프의 역사는 에어컨 문서 참고.
• 냉매 - 높아져가는 환경규제에 따라 계속 변화중이다. 해당 문서 참고.
• 2022년 러시아의 우크라이나 침공도 결국 서구 국가들이 천연가스 사용을 퇴출시키고 전기식 히트펌프로 전환하려 하는 것과 무관하지 않다는 주장도 있다. 천연가스 수출은 러시아의 최중요 수입원 중 하나다. 유럽 국가들이 앞으로는 천연가스를 사용하지 않고 전기식 히트펌프를 쓰겠다고 하자, 러시아가 유럽 최대 발전소가 위치한 우크라이나를 집어삼키려 한다는 주장이지만, 실제로는 전쟁 직전까지 노르드스트림 등의 러시아 가스 수입을 위한 공급수단을 계속 확대하고 있었기 때문에 이후 최소 십수년의 수출 증가를 앞두고 미리 선제적으로 손해를 본다는 것은 러시아의 입장에서도 말이 되지 않는다. [21]
• 밤에만 10시간 동안 축열해 낮에 쓰는 심야전기 히트펌프도 개발되었으나, 아직 유지·보수비용이 만만치 않아 개인적으로 운용하기에 부적합하다.#
• 드럼세탁기나 삶는 세탁기의 경우 가열세탁 시 내장된 전기히터 대신 히트펌프로 갈음해서 쓰면 전기요금이 덜 나오나 히트펌프 기기 특성상 부피와 무게, 소음 문제 등으로 아직까지도 도입하지 못했다. 다만 건조기는 히트펌프를 도입해 사용중이다.
• 신재생에너지(특히 태양광, 풍력)가 지나치게 많다보니 특정 시간대나 시기에만 전력량이 지나치게 많아짐에 따라, 출력제한(출력제어)의 대안으로 열로 변환할 수 있는 전기보일러(열선식)와 전기식 히트펌프가 제안되기도 했다.#, #, #, #, #

• 열(온수/증기/열풍)을 화석연료의 연소 대신 히트펌프로 만드는 것이 보다 효율적이다. '성능 및 효율' 문단에서 다루었듯, 기존의 연소(보일러)나 전기 저항(전기히터)는 100의 1차 에너지로 100 미만의 열을 만들지만, 히트펌프를 사용하면 100 이상의 열을 만들 수 있다. 히트펌프를 돌릴 전기를 만드는 발전소의 효율에 의해, 연료의 1차에너지가 40%로 더 낮아지지 않느냐는 반론이 있으나, 히트펌프의 성능계수(COP)가 3 이상이면 다시 그 전기로 120% 이상의 열을 만들 수 있기 때문이다.