뉴스 - 히트펌프를 이용한 난방 및 냉방

소개

집을 난방 및 냉방하거나 에너지 비용을 절감할 수 있는 옵션을 찾고 있다면 열 펌프 시스템을 고려해 볼 수 있습니다. 히트 펌프는 캐나다에서 검증되고 신뢰할 수 있는 기술로, 겨울에는 열을 공급하고 여름에는 냉각하며 경우에 따라 집에 온수를 가열하여 일년 내내 집에 편안함을 제공할 수 있습니다.

히트 펌프는 다양한 응용 분야와 신규 주택 및 기존 난방 및 냉방 시스템의 개조 모두에서 탁월한 선택이 될 수 있습니다. 또한 냉각 전용 시스템에서 열 펌프로 전환하는 데 드는 증분 비용이 매우 낮기 때문에 기존 에어컨 시스템을 교체할 때도 옵션이 됩니다. 다양한 시스템 유형과 옵션을 고려할 때 열 펌프가 귀하의 집에 적합한 옵션인지 결정하는 것이 종종 어려울 수 있습니다.

열 펌프를 고려하고 있다면 다음을 포함하여 여러 가지 질문이 있을 수 있습니다.

어떤 유형의 히트펌프를 사용할 수 있나요?
히트펌프가 연간 난방 및 냉방 수요를 얼마나 제공할 수 있나요?
우리 집과 응용 분야에 어떤 크기의 히트 펌프가 필요합니까?
다른 시스템에 비해 히트펌프 비용은 얼마이며, 에너지 비용을 얼마나 절약할 수 있습니까?
집에 추가적인 개조를 해야 합니까?
시스템에 얼마나 많은 서비스가 필요합니까?

이 책자는 귀하가 더 많은 정보를 얻을 수 있도록 열 펌프에 대한 중요한 사실을 제공하여 귀하의 주택에 대한 올바른 선택을 하도록 지원합니다. 이 책자는 이러한 질문을 지침으로 삼아 가장 일반적인 유형의 열 펌프를 설명하고 열 펌프의 선택, 설치, 작동 및 유지 관리와 관련된 요소에 대해 논의합니다.

대상 청중

이 책자는 시스템 선택 및 통합, 운영 및 유지 관리에 관한 현명한 의사 결정을 지원하기 위해 열 펌프 기술에 대한 배경 정보를 찾고 있는 주택 소유자를 위해 작성되었습니다. 여기에 제공된 정보는 일반적인 정보이며 구체적인 세부 정보는 설치 및 시스템 유형에 따라 다를 수 있습니다. 이 책자는 귀하의 설치가 귀하의 필요와 원하는 목표를 충족하는지 확인하는 계약자 또는 에너지 자문가와의 협력을 대체해서는 안 됩니다.

가정의 에너지 관리에 관한 참고 사항

히트펌프는 매우 효율적인 난방 및 냉방 시스템이며 에너지 비용을 크게 절감할 수 있습니다. 집을 하나의 시스템으로 생각할 때 공기 누출(균열, 구멍을 통한), 단열이 잘 되지 않은 벽, 천장, 창문 및 문과 같은 부분에서 집의 열 손실을 최소화하는 것이 좋습니다.

이러한 문제를 먼저 해결하면 더 작은 열 펌프 크기를 사용할 수 있으므로 열 펌프 장비 비용을 줄이고 시스템을 보다 효율적으로 작동할 수 있습니다.

이를 수행하는 방법을 설명하는 여러 간행물은 캐나다 천연자원(Natural Resources Canada)에서 구할 수 있습니다.

열 펌프란 무엇이며 어떻게 작동합니까?

열 펌프는 건물에 난방, 냉방 및 경우에 따라 온수를 효율적으로 공급하기 위해 캐나다와 전 세계에서 수십 년 동안 사용되어 온 입증된 기술입니다. 실제로 우리는 매일 열 펌프 기술과 상호 작용할 가능성이 높습니다. 냉장고와 에어컨은 동일한 원리와 기술을 사용하여 작동합니다. 이 섹션에서는 히트펌프 작동 방식에 대한 기본 사항을 제시하고 다양한 시스템 유형을 소개합니다.

히트펌프 기본 개념

히트펌프는 낮은 온도의 장소(소스)에서 열을 추출하여 높은 온도의 장소(싱크대)로 전달하는 전기 구동 장치입니다.

이 과정을 이해하려면 언덕 위로 자전거를 타는 것을 생각해 보세요. 자전거와 라이더가 자연스럽게 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하기 때문에 언덕 꼭대기에서 아래로 이동하는 데 노력이 필요하지 않습니다. 그러나 언덕을 오르려면 자전거가 자연스러운 운동 방향과 반대 방향으로 움직이기 때문에 훨씬 더 많은 작업이 필요합니다.

비슷한 방식으로 열은 자연스럽게 온도가 높은 곳에서 온도가 낮은 곳으로 흐릅니다(예: 겨울에는 건물 내부의 열이 외부로 손실됩니다). 열 펌프는 추가적인 전기 에너지를 사용하여 자연적인 열 흐름에 대응하고 더 추운 곳에서 사용 가능한 에너지를 더 따뜻한 곳으로 펌핑합니다.

그렇다면 열 펌프는 어떻게 집을 가열하거나 냉각합니까? 에너지원에서 에너지가 추출되면 소스의 온도가 감소합니다. 집을 원천으로 사용하면 열 에너지가 제거되어 이 공간이 냉각됩니다. 이는 냉방 모드에서 히트펌프가 작동하는 방식으로, 에어컨이나 냉장고에서 사용하는 원리와 동일하다. 마찬가지로 싱크대에 에너지가 추가되면 온도가 상승합니다. 집을 싱크대로 사용하는 경우 열 에너지가 추가되어 공간을 가열합니다. 열 펌프는 완전히 뒤집을 수 있습니다. 즉, 집을 난방하고 냉방할 수 있어 일년 내내 편안함을 제공합니다.

히트펌프의 소스 및 흡수원

열 펌프 시스템의 소스와 싱크를 선택하면 시스템의 성능, 자본 비용 및 운영 비용을 결정하는 데 큰 도움이 됩니다. 이 섹션에서는 캐나다의 주거용 애플리케이션에 대한 일반적인 소스 및 흡수원에 대한 간략한 개요를 제공합니다.

출처: 캐나다에서는 열 펌프를 사용하여 주택을 난방하는 데 가장 일반적으로 두 가지 열 에너지원이 사용됩니다.

공기 공급원: 열 펌프는 난방 시즌 동안 외부 공기로부터 열을 끌어오고 여름 냉방 시즌 동안 외부 열을 거부합니다.
실외 온도가 낮은 경우에도 추출하여 건물로 전달할 수 있는 상당량의 에너지를 여전히 사용할 수 있다는 사실을 알면 놀랄 수도 있습니다. 예를 들어, -18°C에서 공기의 열 함량은 21°C에서 포함된 열의 85%에 해당합니다. 이를 통해 히트펌프는 추운 날씨에도 상당한 양의 난방을 제공할 수 있습니다.
공기 공급 시스템은 캐나다 시장에서 가장 일반적이며 캐나다 전역에 700,000개 이상의 장치가 설치되어 있습니다.
이러한 유형의 시스템은 공기 공급원 열 펌프 섹션에서 자세히 설명합니다.
지열원(Ground-Source): 지열원 히트펌프는 겨울에는 흙, 지하수 또는 두 가지 모두를 열원으로 사용하고 여름에는 집에서 제거된 열을 저장하는 저장소로 사용합니다.
이러한 열 펌프는 공기 공급 장치보다 덜 일반적이지만 캐나다의 모든 지역에서 점점 더 널리 사용되고 있습니다. 주요 장점은 극심한 온도 변동에 영향을 받지 않고 지면을 일정한 온도 공급원으로 사용하여 가장 에너지 효율적인 유형의 히트 펌프 시스템을 제공한다는 것입니다.
이러한 유형의 시스템은 지열원 열 펌프 섹션에서 자세히 설명합니다.

싱크대: 열 에너지를 위한 두 개의 싱크대는 캐나다에서 열 펌프를 사용하여 주택을 난방하는 데 가장 일반적으로 사용됩니다.

실내 공기는 히트펌프에 의해 가열됩니다. 이는 다음을 통해 수행할 수 있습니다. 건물 내부의 물이 가열됩니다. 이 물은 순환수 시스템을 통해 라디에이터, 복사 바닥 또는 팬 코일 장치와 같은 터미널 시스템을 제공하는 데 사용될 수 있습니다.
- 중앙 덕트 시스템 또는
- 벽걸이형 장치와 같은 덕트가 없는 실내 장치입니다.

히트펌프 효율 소개

용광로와 보일러는 천연가스나 난방유와 같은 연료의 연소를 통해 공기에 열을 추가하여 공간 난방을 제공합니다. 효율성은 지속적으로 향상되었지만 여전히 100% 미만으로 유지됩니다. 이는 연소로 인해 사용 가능한 모든 에너지가 공기를 가열하는 데 사용되지 않음을 의미합니다.

열 펌프는 다른 원리로 작동합니다. 히트펌프에 입력된 전기는 두 위치 간에 열에너지를 전달하는 데 사용됩니다. 이를 통해 열 펌프는 일반적인 효율성보다 훨씬 효율적으로 작동할 수 있습니다.

100%, 즉 펌핑하는 데 사용된 전기 에너지의 양보다 더 많은 열 에너지가 생성됩니다.

히트펌프의 효율은 소스와 싱크의 온도에 크게 좌우된다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 가파른 언덕에 자전거를 오르려면 더 많은 노력이 필요한 것처럼 열 펌프의 소스와 싱크 사이의 온도 차이가 커지면 열 펌프가 더 열심히 작동해야 하므로 효율성이 저하될 수 있습니다. 계절별 효율성을 극대화하기 위해 올바른 열 펌프 크기를 결정하는 것이 중요합니다. 이러한 측면은 공기 공급원 열 펌프 및 지상 공급원 열 펌프 섹션에서 더 자세히 논의됩니다.

효율성 용어

제조업체 카탈로그에는 다양한 효율성 지표가 사용되므로 처음 구매자가 시스템 성능을 이해하는 것이 다소 혼란스러울 수 있습니다. 다음은 일반적으로 사용되는 효율성 용어에 대한 분석입니다.

정상 상태 지표: 이러한 측정은 '정상 상태', 즉 계절과 온도의 실제 변동이 없는 열 펌프 효율을 설명합니다. 따라서 해당 값은 소스 및 싱크 온도와 기타 작동 매개변수가 변경됨에 따라 크게 변경될 수 있습니다. 정상 상태 지표에는 다음이 포함됩니다.

성능 계수(COP): COP는 열 펌프가 열 에너지를 전달하는 속도(kW)와 펌핑을 수행하는 데 필요한 전력량(kW) 사이의 비율입니다. 예를 들어 열 펌프가 1kW의 전기 에너지를 사용하여 3kW의 열을 전달하는 경우 COP는 3이 됩니다.

에너지 효율비(EER): EER은 COP와 유사하며 열 펌프의 정상 상태 냉각 효율을 설명합니다. 이는 열 펌프의 냉각 용량(Btu/h)을 특정 온도에서 입력된 전기 에너지(와트(W))로 나누어 결정됩니다. EER은 냉방뿐만 아니라 난방에서도 히트펌프의 효율을 표현하는 데 사용할 수 있는 COP와 달리 정상 상태의 냉방 효율을 설명하는 것과 엄격하게 연관되어 있습니다.

계절별 성능 지표: 이러한 측정은 계절 전반에 걸쳐 온도의 "실제" 변화를 통합하여 난방 또는 냉방 계절에 대한 성능을 더 잘 예측할 수 있도록 설계되었습니다.

계절 측정항목에는 다음이 포함됩니다.

난방 계절 성능 계수(HSPF): HSPF는 전체 난방 시즌 동안 열 펌프가 건물에 전달하는 에너지 양(Btu)과 동일한 기간 동안 사용하는 총 에너지(와트시)의 비율입니다.

장기 기후 조건의 기상 데이터 특성은 HSPF 계산 시 난방 계절을 나타내는 데 사용됩니다. 그러나 이 계산은 일반적으로 단일 지역으로 제한되며 캐나다 전체의 성과를 완전히 나타내지 못할 수도 있습니다. 일부 제조업체는 요청 시 다른 기후 지역에 대한 HSPF를 제공할 수 있습니다. 그러나 일반적으로 HSPF는 미국 중서부와 유사한 기후를 나타내는 지역 4에 대해 보고됩니다. 지역 5는 BC 내륙부터 뉴브런즈윅까지 캐나다 남부 지방의 대부분을 포괄합니다.Footnote1.

SEER(계절 에너지 효율비): SEER는 전체 냉각 시즌 동안 히트펌프의 냉각 효율을 측정합니다. 이는 냉각 시즌 동안 제공되는 총 냉각량(Btu 단위)을 해당 시간 동안 열 펌프가 사용하는 총 에너지(와트시 단위)로 나누어 결정됩니다. SEER는 평균 여름 기온이 28°C인 기후를 기반으로 합니다.

히트펌프 시스템의 중요한 용어

히트펌프를 조사하면서 접할 수 있는 몇 가지 일반적인 용어는 다음과 같습니다.

히트펌프 시스템 구성요소

냉매는 히트펌프를 순환하며 열을 교대로 흡수하고 운반하고 방출하는 유체입니다. 위치에 따라 유체는 액체, 기체 또는 기체/증기 혼합물일 수 있습니다.

역방향 밸브는 히트펌프의 냉매 흐름 방향을 제어하고 히트펌프를 난방 모드에서 냉방 모드로 또는 그 반대로 변경합니다.

코일은 소스/싱크와 냉매 사이의 열 전달이 일어나는 튜브의 루프 또는 루프입니다. 튜브에는 열 교환에 사용할 수 있는 표면적을 늘리기 위해 핀이 있을 수 있습니다.

증발기는 냉매가 주변의 열을 흡수하고 끓어 저온 증기가 되는 코일입니다. 냉매가 역방향 밸브에서 압축기로 전달될 때 어큐뮬레이터는 가스로 기화되지 않은 과잉 액체를 수집합니다. 그러나 모든 히트펌프에 어큐뮬레이터가 있는 것은 아닙니다.

압축기는 냉매 가스 분자를 함께 압착하여 냉매의 온도를 높입니다. 이 장치는 소스와 싱크 사이에 열 에너지를 전달하는 데 도움이 됩니다.

응축기는 냉매가 주위에 열을 방출하여 액체가 되는 코일입니다.

팽창 장치는 압축기에 의해 생성된 압력을 낮춥니다. 이로 인해 온도가 떨어지고 냉매는 저온 증기/액체 혼합물이 됩니다.

실외기는 공기열원 히트펌프의 실외 공기와 열이 전달되는 곳입니다. 이 장치에는 일반적으로 열교환기 코일, 압축기 및 팽창 밸브가 포함됩니다. 이는 에어컨의 실외 부분과 동일한 방식으로 보이고 작동합니다.

실내 코일은 특정 유형의 공기열원 열 펌프에서 실내 공기로 열이 전달되는 곳입니다. 일반적으로 실내기에는 열교환기 코일이 포함되어 있으며, 가열되거나 냉각된 공기를 거주 공간으로 순환시키기 위한 추가 팬이 포함될 수도 있습니다.

덕트 설치에서만 볼 수 있는 플레넘은 공기 분배 네트워크의 일부입니다. 플레넘은 집 전체에 가열되거나 냉각된 공기를 분배하는 시스템의 일부를 형성하는 공기 구획입니다. 일반적으로 열 교환기 바로 위나 주변에 있는 큰 구획입니다.

기타 약관

용량 또는 전력 사용 측정 단위:

Btu/h(시간당 영국 열 단위)는 난방 시스템의 열 출력을 측정하는 데 사용되는 단위입니다. 1Btu는 일반적인 생일 촛불에서 방출되는 열 에너지의 양입니다. 이 열 에너지가 1시간 동안 방출되면 1Btu/h에 해당합니다.
kW 또는 킬로와트는 1000와트와 같습니다. 이는 100와트 전구 10개에 필요한 전력량입니다.
1톤은 히트펌프 용량의 척도이다. 이는 3.5kW 또는 12,000Btu/h에 해당합니다.

공기열 히트펌프

공기열원 히트펌프는 실외 공기를 난방 모드에서 열에너지원으로 사용하고, 냉방 모드에서는 에너지를 배출하는 흡수원으로 사용합니다. 이러한 유형의 시스템은 일반적으로 두 가지 범주로 분류될 수 있습니다.

공기-공기 히트 펌프. 이 장치는 집 안의 공기를 가열하거나 냉각하며 캐나다 공기 공급원 열 펌프 통합의 대부분을 나타냅니다. 설치 유형에 따라 다음과 같이 더 분류할 수 있습니다.

덕트형: 히트펌프의 실내 코일이 덕트 내에 위치합니다. 공기는 덕트를 통해 집 안의 여러 위치로 분배되기 전에 코일을 통과하여 가열되거나 냉각됩니다.
덕트리스(Ductless): 히트펌프의 실내 코일이 실내기에 위치합니다. 이러한 실내기는 일반적으로 사람이 거주하는 공간의 바닥이나 벽에 위치하여 해당 공간의 공기를 직접 가열하거나 냉각합니다. 이러한 단위 중에서 미니 및 다중 분할이라는 용어를 볼 수 있습니다.
- 미니 분할: 단일 실내 장치가 집 내부에 위치하며 단일 실외 장치가 서비스를 제공합니다.
- 다중 분할: 집에 여러 개의 실내기가 있고 단일 실외기가 서비스를 제공합니다.

공기-공기 시스템은 내부와 외부의 온도 차이가 작을 때 더 효율적입니다. 이 때문에 공기-공기 히트펌프는 일반적으로 더 많은 양의 따뜻한 공기를 제공하고 해당 공기를 더 낮은 온도(보통 25~45°C)로 가열하여 효율성을 최적화하려고 합니다. 이는 적은 양의 공기를 전달하지만 해당 공기를 더 높은 온도(55°C~60°C)로 가열하는 용광로 시스템과 대조됩니다. 화로에서 열 펌프로 전환하는 경우 새 열 펌프를 사용하기 시작할 때 이 사실을 알 수 있습니다.

공기-물 열 펌프: 캐나다에서는 덜 일반적이며 공기-물 열 펌프는 물을 가열하거나 냉각하며 저온 라디에이터, 복사 바닥 또는 팬 코일 장치와 같은 순환수(수성) 분배 시스템이 있는 가정에서 사용됩니다. 난방 모드에서 히트펌프는 순환수식 시스템에 열 에너지를 제공합니다. 냉각 모드에서는 이 과정이 역전되어 순환수식 시스템에서 열 에너지가 추출되어 실외 공기로 배출됩니다.

공기-물 열 펌프를 평가할 때 순환수 시스템의 작동 온도는 매우 중요합니다. 공기-물 열 펌프는 물을 더 낮은 온도, 즉 45~50°C 미만으로 가열할 때 더 효율적으로 작동하므로 복사 바닥이나 팬 코일 시스템에 더 적합합니다. 60°C 이상의 수온이 필요한 고온 라디에이터와 함께 사용하는 경우 주의해야 합니다. 이러한 온도는 일반적으로 대부분의 주거용 히트 펌프의 한계를 초과하기 때문입니다.

공기열 히트펌프의 주요 장점

공기열원 히트펌프를 설치하면 여러 가지 이점을 얻을 수 있습니다. 이 섹션에서는 공기열 히트펌프가 가정의 에너지 사용량에 어떻게 도움이 되는지 살펴봅니다.

능률

공기열원 히트펌프 사용의 주요 이점은 용광로, 보일러, 전기 베이스보드와 같은 일반적인 시스템에 비해 난방 효율이 높다는 것입니다. 8°C에서 공기열원 히트펌프의 성능계수(COP)는 일반적으로 2.0~5.4 범위입니다. 이는 COP가 5인 장치의 경우 열 펌프에 공급되는 전기 kWh당 5kWh의 열이 전달된다는 의미입니다. 실외 공기 온도가 떨어지면 열 펌프가 실내 공간과 실외 공간 사이의 더 큰 온도 차이에서 작동해야 하므로 COP도 낮아집니다. -8°C에서 COP 범위는 1.1~3.7입니다.

계절에 따라 시장에서 이용 가능한 단위의 난방 계절 성능 계수(HSPF)는 7.1에서 13.2(지역 V)까지 다양합니다. 이러한 HSPF 추정치는 오타와와 유사한 기후를 가진 지역에 대한 것이라는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 실제 절감액은 히트펌프 설치 위치에 따라 크게 달라집니다.

에너지 절약

열 펌프의 효율성이 높을수록 에너지 사용이 크게 감소할 수 있습니다. 집에서 실제로 절약할 수 있는 금액은 지역 기후, 현재 시스템의 효율성, 열 펌프의 크기 및 유형, 제어 전략 등 다양한 요인에 따라 달라집니다. 특정 응용 분야에 대해 얼마나 많은 에너지 절감 효과를 기대할 수 있는지 빠르게 추정할 수 있는 온라인 계산기가 많이 있습니다. NRCan의 ASHP-Eval 도구는 무료로 제공되며 설치자 및 기계 설계자가 상황에 대한 조언을 제공하는 데 사용할 수 있습니다.