뉴스 - 히트펌프를 이용한 난방 및 냉방

난방 주기 동안 실외 공기에서 열을 빼앗아 실내로 "펌프"합니다.

먼저, 액체 냉매는 팽창 장치를 통과하여 저압 액체/증기 혼합물로 변합니다. 그런 다음 증발기 코일 역할을 하는 실외 코일로 이동합니다. 액체냉매는 실외공기의 열을 흡수하여 끓어오르면서 저온의 증기가 됩니다.
이 증기는 역방향 밸브를 통해 어큐뮬레이터로 전달되며, 어큐뮬레이터는 증기가 압축기에 들어가기 전에 남은 액체를 수집합니다. 그런 다음 증기가 압축되어 부피가 줄어들고 가열됩니다.
마지막으로 역전 밸브는 이제 뜨거워진 가스를 응축기인 실내 코일로 보냅니다. 뜨거운 가스의 열이 실내 공기로 전달되어 냉매가 액체로 응축됩니다. 이 액체는 팽창 장치로 돌아가고 사이클이 반복됩니다. 실내 코일은 화로에 가까운 덕트에 위치합니다.

외부 공기의 열을 집으로 전달하는 히트펌프의 능력은 외부 온도에 따라 달라집니다. 이 온도가 떨어지면 히트펌프의 열 흡수 능력도 떨어진다. 많은 공기 소스 히트펌프 설치의 경우 이는 히트펌프의 난방 용량이 주택의 열 손실과 동일할 때 온도(열 균형점이라고 함)가 있음을 의미합니다. 이 실외 주변 온도 이하에서는 히트펌프가 생활 공간을 쾌적하게 유지하는 데 필요한 열의 일부만 공급할 수 있으며, 보충 열이 필요합니다.

대다수의 공기열 히트펌프에는 최소 작동 온도가 있으며, 그 온도 이하에서는 작동할 수 없다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 최신 모델의 경우 온도 범위는 -15°C ~ -25°C입니다. 이 온도 이하에서는 건물에 난방을 제공하기 위해 보조 시스템을 사용해야 합니다.

냉각 사이클

위에서 설명한 주기는 여름 동안 집을 시원하게 하기 위해 반대가 됩니다. 장치는 실내 공기에서 열을 제거하고 외부로 배출합니다.

가열 사이클과 마찬가지로 액체 냉매는 팽창 장치를 통과하여 저압 액체/증기 혼합물로 변합니다. 그런 다음 증발기 역할을 하는 실내 코일로 이동합니다. 액체냉매는 실내공기의 열을 흡수하여 끓어오르면서 저온의 증기가 됩니다.
이 증기는 역방향 밸브를 통해 어큐뮬레이터로 전달되어 남은 액체를 수집한 다음 압축기로 전달됩니다. 그런 다음 증기가 압축되어 부피가 줄어들고 가열됩니다.
마지막으로 이제 뜨거워진 가스는 역전 밸브를 통과하여 응축기 역할을 하는 실외 코일로 전달됩니다. 뜨거운 가스의 열은 실외 공기로 전달되어 냉매가 액체로 응축됩니다. 이 액체는 팽창 장치로 돌아가고 사이클이 반복됩니다.

냉방 사이클 동안 히트펌프는 실내 공기의 제습도 수행합니다. 실내 코일 위를 통과하는 공기 중의 수분은 코일 표면에 응축되어 코일 바닥에 있는 팬에 모입니다. 응축수 배수구는 이 팬을 주택 배수구에 연결합니다.

제상 주기

히트펌프가 난방 모드로 작동할 때 실외 온도가 영하로 떨어지면 실외 코일을 통과하는 공기 중의 수분이 응결되어 얼어붙게 됩니다. 서리가 쌓이는 정도는 실외 온도와 공기 중의 수분량에 따라 달라집니다.

이러한 성에 축적은 냉매에 열을 전달하는 능력을 감소시켜 코일의 효율을 감소시킵니다. 어느 시점에서는 성에를 제거해야 합니다. 이를 위해 히트펌프는 제상 모드로 전환됩니다. 가장 일반적인 접근 방식은 다음과 같습니다.

먼저 역방향 밸브는 장치를 냉각 모드로 전환합니다. 이것은 성에를 녹이기 위해 실외 코일에 뜨거운 가스를 보냅니다. 동시에, 일반적으로 코일 위로 찬 공기를 불어넣는 실외 팬은 성에를 녹이는 데 필요한 열량을 줄이기 위해 꺼집니다.
이런 일이 발생하는 동안 열 펌프는 덕트 내부의 공기를 냉각시킵니다. 난방 시스템은 일반적으로 이 공기가 집 전체에 분산되므로 따뜻하게 합니다.

장치가 제상 모드로 전환되는 시점을 결정하는 데는 두 가지 방법 중 하나가 사용됩니다.

수요 성에 제어 장치는 공기 흐름, 냉매 압력, 공기 또는 코일 온도, 실외 코일 전체의 압력 차이를 모니터링하여 성에 축적을 감지합니다.
시간-온도 제상은 미리 설정된 간격 타이머 또는 외부 코일에 있는 온도 센서에 의해 시작되고 종료됩니다. 주기는 기후와 시스템 설계에 따라 30분, 60분 또는 90분마다 시작될 수 있습니다.

불필요한 제상 주기는 히트펌프의 계절적 성능을 저하시킵니다. 결과적으로, 수요-제상 방법은 필요할 때만 제상 주기를 시작하므로 일반적으로 더 효율적입니다.

보조 열원

공기열원 히트펌프는 최소 실외 작동 온도(-15°C ~ -25°C)와 매우 추운 온도에서 난방 용량이 감소하므로 공기열원 히트펌프 작동을 위한 보조 열원을 고려하는 것이 중요합니다. 히트펌프가 성에를 제거할 때 추가 가열이 필요할 수도 있습니다. 다양한 옵션을 사용할 수 있습니다:

완전 전기식: 이 구성에서는 열 펌프 작동이 덕트에 있는 전기 저항 요소나 전기 베이스보드로 보완됩니다. 이러한 저항 요소는 열 펌프보다 효율성이 떨어지지만 난방을 제공하는 능력은 실외 온도와 무관합니다.
하이브리드 시스템: 하이브리드 시스템에서는 공기열 히트펌프가 용광로나 보일러와 같은 보조 시스템을 사용합니다. 이 옵션은 신규 설치에 사용할 수 있으며, 예를 들어 중앙 에어컨 대신 히트 펌프를 설치하는 경우와 같이 기존 시스템에 히트 펌프를 추가하는 경우에도 좋은 옵션입니다.

보조 열원을 사용하는 시스템에 대한 자세한 내용은 이 책자의 마지막 섹션인 관련 장비를 참조하십시오. 여기서는 열 펌프 사용과 보조 열원 사용 간에 전환하도록 시스템을 프로그래밍하는 방법에 대한 옵션에 대한 논의를 찾을 수 있습니다.

에너지 효율성 고려 사항

이 섹션에 대한 이해를 돕기 위해 HSPF 및 SEER가 나타내는 내용에 대한 설명을 보려면 열 펌프 효율성 소개라는 이전 섹션을 참조하세요.

캐나다에서는 에너지 효율 규정에 따라 캐나다 시장에서 제품을 판매하기 위해 달성해야 하는 난방 및 냉방의 계절별 최소 효율이 규정되어 있습니다. 이러한 규정 외에도 귀하의 주 또는 준주에는 더 엄격한 요구 사항이 있을 수 있습니다.

캐나다 전체의 최소 성능과 시중에서 판매되는 제품의 일반적인 범위가 가열 및 냉각에 대해 아래에 요약되어 있습니다. 시스템을 선택하기 전에 해당 지역에 추가 규정이 있는지 확인하는 것도 중요합니다.

냉각 계절 성능, SEER:

최소 SEER(캐나다): 14
범위, 시장 내 SEER 사용 가능한 제품: 14 ~ 42

난방계절성능, HSPF

최소 HSPF(캐나다): 7.1(지역 V의 경우)
범위, 시장에서 사용 가능한 제품의 HSPF: 7.1 ~ 13.2(지역 V의 경우)

참고: HSPF 계수는 오타와와 기후가 유사한 AHRI 기후 구역 V에 대해 제공됩니다. 실제 계절별 효율성은 지역에 따라 다를 수 있습니다. 캐나다 지역에서 이러한 시스템의 성능을 더 잘 나타내기 위한 새로운 성능 표준이 현재 개발 중입니다.

실제 SEER 또는 HSPF 값은 주로 히트펌프 설계와 관련된 다양한 요소에 따라 달라집니다. 현재의 성능은 압축기 기술, 열교환기 설계, 냉매 흐름 및 제어 개선의 새로운 발전에 힘입어 지난 15년 동안 크게 발전했습니다.

단일 속도 및 가변 속도 히트 펌프

효율성을 고려할 때 특히 중요한 것은 계절별 성능 개선에 있어 새로운 압축기 설계의 역할입니다. 일반적으로 규정된 최소 SEER 및 HSPF에서 작동하는 장치는 단일 속도 열 펌프가 특징입니다. 이제 주어진 순간에 주택의 난방/냉방 수요에 더욱 근접하게 일치하도록 시스템 용량을 변경하도록 설계된 가변 속도 공기 소스 열 펌프를 사용할 수 있습니다. 이는 시스템에 대한 수요가 낮은 온화한 조건을 포함하여 항상 최고 효율성을 유지하는 데 도움이 됩니다.

최근에는 캐나다의 추운 기후에서 작동하기에 더 적합한 공기 공급원 열 펌프가 시장에 출시되었습니다. 한랭 기후 열 펌프라고도 불리는 이러한 시스템은 가변 용량 압축기와 개선된 열 교환기 설계 및 제어 기능을 결합하여 더 추운 공기 온도에서 난방 용량을 최대화하는 동시에 온화한 조건에서 높은 효율성을 유지합니다. 이러한 유형의 시스템은 일반적으로 더 높은 SEER 및 HSPF 값을 가지며 일부 시스템은 SEER에 최대 42에 도달하고 HSPF는 13에 접근합니다.

인증, 표준 및 등급 척도

캐나다 표준 협회(CSA)는 현재 모든 히트펌프의 전기 안전을 검증합니다. 성능 표준은 히트펌프 가열 및 냉각 용량과 효율성이 결정되는 테스트 및 테스트 조건을 지정합니다. 공기원 히트펌프의 성능 시험 표준은 CSA C656이며, 이는 (2014년 현재) ANSI/AHRI 210/240-2008, 단일 공조 및 공기원 히트펌프 장비의 성능 등급과 조화를 이루고 있습니다. 이는 또한 분할 시스템 중앙 에어컨 및 히트 펌프에 대한 성능 표준인 CAN/CSA-C273.3-M91을 대체합니다.

크기 조정 고려 사항

히트 펌프 시스템의 크기를 적절하게 조정하려면 집의 난방 및 냉방 요구 사항을 이해하는 것이 중요합니다. 필요한 계산을 수행하려면 난방 및 냉방 전문가를 고용하는 것이 좋습니다. 난방 및 냉방 부하는 CSA F280-12, "주거 공간 난방 및 냉방 기기의 필요한 용량 결정"과 같이 인정된 크기 조정 방법을 사용하여 결정해야 합니다.

히트펌프 시스템의 크기는 기후, 건물 냉난방 부하, 설치 목적(예: 난방 에너지 절약 극대화 vs. 연중 특정 기간 동안 기존 시스템 교체)에 따라 결정해야 합니다. 이 프로세스를 돕기 위해 NRCan은 공기 공급원 열 펌프 크기 조정 및 선택 가이드를 개발했습니다. 동반 소프트웨어 도구와 함께 이 가이드는 에너지 자문가 및 기계 설계자를 대상으로 하며 적절한 크기 조정에 대한 지침을 제공하기 위해 무료로 제공됩니다.

열 펌프의 크기가 작으면 보충 난방 시스템이 더 자주 사용된다는 것을 알 수 있습니다. 소형 시스템은 여전히 효율적으로 작동하지만 보조 난방 시스템의 높은 사용으로 인해 예상되는 에너지 절감 효과를 얻지 못할 수도 있습니다.

마찬가지로, 열 펌프의 크기가 너무 크면 온화한 조건에서 비효율적인 작동으로 인해 원하는 에너지 절약이 실현되지 않을 수 있습니다. 보충 난방 시스템은 더 낮은 주변 조건에서 작동 빈도가 낮지만 열 펌프는 너무 많은 열을 생성하고 장치가 켜졌다 꺼졌다가 꺼지면서 불편함, 열 펌프 마모 및 대기 전력 소모를 초래합니다. 따라서 최적의 에너지 절약을 달성하려면 난방 부하와 히트펌프 작동 특성을 잘 이해하는 것이 중요합니다.

기타 선택 기준

크기 조정 외에도 몇 가지 추가 성능 요소를 고려해야 합니다.

HSPF: 실용적으로 HSPF가 높은 장치를 선택하십시오. 유사한 HSPF 등급을 가진 장치의 경우 저온 등급인 –8.3°C에서 정상 상태 등급을 확인하십시오. 값이 더 높은 장치는 캐나다 대부분의 지역에서 가장 효율적인 장치입니다.
제상: 수요-제상 제어 기능이 있는 장치를 선택합니다. 이는 제상 주기를 최소화하여 보충 및 열 펌프 에너지 사용을 줄입니다.
사운드 등급: 사운드는 데시벨(dB)이라는 단위로 측정됩니다. 값이 낮을수록 실외기에서 방출되는 음향 출력이 낮아집니다. 데시벨 수준이 높을수록 소음이 커집니다. 대부분의 히트펌프의 소음 등급은 76dB 이하입니다.

설치 고려 사항

공기열원 히트펌프는 자격을 갖춘 시공업체가 설치해야 합니다. 효율적이고 안정적인 운영을 보장하기 위해 장비 크기 조정, 설치 및 유지 관리에 대해 현지 난방 및 냉방 전문가에게 문의하세요. 중앙 용광로를 교체하거나 보완하기 위해 열 펌프를 구현하려는 경우 열 펌프는 일반적으로 용광로 시스템보다 더 높은 공기 흐름에서 작동한다는 점을 알아야 합니다. 새 열 펌프의 크기에 따라 추가 소음 및 팬 에너지 사용을 방지하기 위해 덕트 장치를 일부 수정해야 할 수도 있습니다. 귀하의 계약자는 귀하의 특정 사례에 대한 지침을 제공할 수 있습니다.

공기열원 히트펌프 설치 비용은 시스템 유형, 설계 목표, 집에 있는 기존 난방 장비 및 덕트에 따라 다릅니다. 경우에 따라 새 히트펌프 설치를 지원하기 위해 덕트나 전기 서비스에 대한 추가 수정이 필요할 수도 있습니다.

작동 고려 사항

히트 펌프를 작동할 때 몇 가지 중요한 사항에 유의해야 합니다.

열 펌프 및 보충 시스템 설정점을 최적화합니다. 전기 보조 시스템(예: 덕트의 베이스보드 또는 저항 요소)이 있는 경우 보조 시스템에 대해 더 낮은 온도 설정점을 사용해야 합니다. 이는 열 펌프가 집에 제공하는 난방의 양을 최대화하고 에너지 사용 및 공공 요금을 낮추는 데 도움이 됩니다. 히트펌프 가열 온도 설정점보다 2~3°C 낮은 설정점을 권장합니다. 시스템에 대한 최적의 설정점에 대해서는 설치 계약자에게 문의하십시오.
효율적인 제상을 위한 설정. 제상 주기 동안 실내 팬을 끄도록 시스템을 설정하면 에너지 사용을 줄일 수 있습니다. 이 작업은 설치 프로그램에서 수행할 수 있습니다. 그러나 이 설정에서는 제상 시간이 조금 더 오래 걸릴 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.
온도 차질을 최소화하십시오. 히트펌프는 용광로 시스템보다 반응 속도가 느리기 때문에 온도 저하에 대응하기가 더 어렵습니다. 2°C 이하의 적당한 후퇴를 사용하거나 후퇴로부터의 회복을 예상하여 시스템을 조기에 켜는 "스마트" 온도 조절 장치를 사용해야 합니다. 시스템에 대한 최적의 세트백 온도에 대해서는 설치 계약자에게 다시 문의하십시오.
공기 흐름 방향을 최적화하세요. 벽걸이형 실내기가 있는 경우 공기 흐름 방향을 조정하여 편안함을 극대화하는 것이 좋습니다. 대부분의 제조업체에서는 난방 시 공기 흐름을 아래쪽으로, 냉방 시 탑승자 쪽으로 향하도록 권장합니다.
팬 설정을 최적화합니다. 또한 편안함을 극대화하려면 팬 설정을 조정하십시오. 히트펌프의 열 전달을 극대화하려면 팬 속도를 높음 또는 '자동'으로 설정하는 것이 좋습니다. 냉각 시 제습 성능도 향상시키려면 '낮은' 팬 속도를 권장합니다.

유지 관리 고려 사항

히트 펌프가 효율적이고 안정적으로 작동하며 긴 서비스 수명을 보장하려면 적절한 유지 관리가 중요합니다. 모든 것이 제대로 작동하는지 확인하려면 자격을 갖춘 계약자에게 장치에 대한 연간 유지 관리를 수행해야 합니다.

연간 유지 관리 외에도 안정적이고 효율적인 운영을 보장하기 위해 수행할 수 있는 몇 가지 간단한 작업이 있습니다. 공기 필터가 막히면 공기 흐름이 감소하고 시스템 효율성이 떨어지므로 3개월마다 공기 필터를 교체하거나 청소하십시오. 또한, 집 안의 통풍구와 통풍구가 가구나 카펫으로 막히지 않도록 하십시오. 장치로의 공기 흐름이 부적절하면 장비 수명이 단축되고 시스템 효율성이 저하될 수 있습니다.

운영 비용

히트펌프 설치로 인한 에너지 절약은 월별 에너지 비용을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 에너지 비용 절감을 달성하는 것은 천연가스나 난방유 등 다른 연료와 관련된 전기 가격과 개조 응용 분야의 경우 교체되는 시스템 유형에 따라 크게 달라집니다.

일반적으로 열 펌프는 시스템의 구성 요소 수로 인해 용광로 또는 전기 베이스보드와 같은 다른 시스템에 비해 비용이 더 높습니다. 일부 지역 및 경우에는 이러한 추가 비용이 유틸리티 비용 절감을 통해 상대적으로 짧은 시간 내에 회수될 수 있습니다. 그러나 다른 지역에서는 다양한 유틸리티 요율로 인해 이 기간이 연장될 수 있습니다. 해당 지역의 열 펌프 경제성과 달성할 수 있는 잠재적 절감 효과를 추정하려면 계약자 또는 에너지 자문가와 협력하는 것이 중요합니다.