공기열원 히트펌프 동절기 운전

왜 배우는가: 공기열원 히트펌프는 국내 중·소형 건물 난방에서 가장 널리 쓰이는 열원 방식이지만, 외기가 영하로 내려가면 성능계수가 떨어지고 제상운전이 필요해 동절기 운전이 실무와 시험에서 반복적으로 문제가 된다. 제상 원리와 저온 성능 저하의 원인을 이해해야 대책을 논리적으로 쓸 수 있다.

출제 이력: 제135회 2교시 5번, 제129회 4교시 2번, 제109회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

공기열원 히트펌프는 외기(공기)를 저열원으로 하여 증발기에서 열을 흡수하고 응축기에서 난방열을 방출하는 냉난방 장치다.

• 공기열원 히트펌프(ASHP)
• 증발기·응축기 기능 전환
• 성에 발생과 제상운전
• 성능계수(COP)
• 저온 외기 성능 저하
• 사방밸브(4-way valve)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 히트펌프는 냉동기의 원리를 거꾸로 이용해 밖의 공기에서 열을 모아 실내로 옮기는 장치다. 냉동기는 저온부의 열을 빼서 고온부로 버리지만, 히트펌프는 같은 사이클을 쓰면서 고온부(실내)에 열을 공급하는 것이 목적이다. 그래서 난방 능력은 압축기 일과 흡수한 저열원 열을 합한 값이다.

정식으로는 증기압축식 냉동사이클에서 압축기가 토출한 고온고압 냉매 증기가 응축기에서 방열·액화될 때 나오는 응축열로 실내 공기나 물을 가열하는 장치를 히트펌프라 한다. 대부분의 히트펌프는 사방밸브(4-way valve) 로 냉매 흐름 방향을 바꿔 증발기와 응축기의 기능을 교체하므로 한 대로 냉방과 난방을 겸한다.

공기열원 방식에서는 겨울철 난방 시 실외기 코일이 증발기 역할을 한다. 외기 중 수분이 코일 표면에서 결빙해 성에가 쌓이면 열교환 능력이 떨어지므로, 일정 조건에서 냉방 사이클로 잠시 전환해 실외기 코일을 응축기로 만들어 녹이는 제상운전(defrost) 이 필요하다. 이때 실내 측에는 찬바람이 나올 수 있어 제상 중 보조 전기히터를 쓰는 경우가 있다.

성능계수(COP)는 공급한 전기 에너지 대비 얻은 열량의 비다. 공기열원 히트펌프는 외기온도가 내려가면 증발 온도가 낮아져 냉매 밀도와 질량유량이 줄고 난방 능력이 감소한다. 따라서 동절기 저온 운전이 설계와 운전의 핵심 쟁점이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

전기식 난방기기는 전기를 직접 열로 바꾸므로 COP가 1을 넘지 못한다. 반면 히트펌프는 저열원의 열을 함께 끌어와 COP를 1보다 크게 만들 수 있다.

공기는 열용량이 작고 열전달 성능이 낮아 열교환기가 커진다. 그럼에도 공기는 어디서나 얻을 수 있어 설치가 쉽고 설치비가 상대적으로 낮다. 그래서 물이나 지열 열원에 비해 보급이 빠르게 늘었다. 국내에서도 난방기기 전력 소비를 줄이기 위해 고효율 히트펌프(EHP)로 대체하는 방향이 강조되고 있다.

그러나 외기 온도가 영하로 떨어지는 지역에서는 성능과 신뢰성이 함께 문제가 된다. 공기 열원은 외기 온도가 낮을수록 가열 능력은 떨어지는데 실내 가열 부하는 커지는 구조적 모순이 있다. 이 때문에 한랭지 적용에서는 제상, 보조열원, 저온용 압축기 등의 대책이 함께 필요하다는 인식이 생겼다.

4. 구성요소·원리·절차

공기열원 히트펌프(ASHP)는 증기압축식 냉동사이클로 동작하며, 같은 장치가 사방밸브(4-way valve)로 냉매 흐름 방향을 바꿔 냉방과 난방을 모두 수행한다. 동절기 난방에서는 실외기 코일이 증발기가 되어 외기의 열을 흡수한다.

구성요소는 다음과 같다.

원리는 다음과 같다. 외기 온도가 낮아지면 증발 온도가 내려가고, 압축기로 흡입되는 냉매 밀도와 질량유량이 줄어 난방능력이 떨어진다. 실외기 코일 표면 온도가 외기 노점 이하로 내려가면 수분이 결빙되어 열교환 면적과 공기 유동을 막는다. 이 때문에 성능계수(COP)가 급격히 낮아진다.

동절기 운전 절차는 다음과 같다.

• 난방 운전 중 실외기 코일 온도와 압력을 감시하여 서리 생성을 판단한다.
• 성능 저하가 확인되면 제상 운전 조건(코일 온도·시간)에 들어간다.
• 사방밸브를 냉방 방향으로 전환하여 실외기 코일을 응축기로 바꾼다.
• 고온 냉매로 코일의 얼음을 녹인다. 이때 실내기는 냉방 상태가 되어 찬바람이 나오므로 보조 전기히터를 함께 가동하거나 실내 송풍을 제어한다.
• 코일 온도가 설정값에 도달하면 제상을 종료하고 난방 운전으로 복귀한다.

제상 방식은 역사이클 제상, 제상용 전기히터 내장, 고온 냉매 바이패스 제상으로 나뉜다. 고온 냉매 바이패스 방식은 압축기 토출 가스 일부를 실외기 코일 표면으로 직접 보내 제상 중 실내 냉방을 줄인다.

히트펌프의 난방 성능은 다음 식으로 정의한다.

$\text{COP}_{h}=\frac{Q_{h}}{W_{c}}$

여기서 Q_{h}는 응축기 방열량(kW), W_{c}는 압축기 소요동력(kW)이다. 외기 온도가 낮아지면 Q_{h}와 \text{COP}_{h}가 함께 감소한다.

다음은 동절기 난방 및 제상 운전의 흐름이다.

5. 관련 법령·기준·표준

공기열원 히트펌프의 동절기 운전을 직접 규정한 법령·고시는 확인되지 않았다. 설계와 제품 선정에서는 제조사 운전 한계와 KS 성능 시험 조건, 건축물 에너지 관련 기준을 함께 본다. 아래 표는 동절기 운전 판단에 쓰는 기준값이다.

위 표의 외국 기준값(-10°C, -25°C, 4°C)은 외국 자료의 개념값이다. 국내 설계 적용 시에는 제품 사양과 KS 시험 조건을 확인하여 쓴다.

국내 적용 기준으로는 한랭 지역 설계 외기온도와 제조사 난방 능력표(외기 온도별 용량)를 함께 사용한다. 외기 온도별 용량이 난방 부하보다 작은 구간에서는 보조 열원(전기히터, 가스보일러, 열병합 폐열)을 병행한다.

6. 유형과 비교

공기열원 히트펌프는 열원 측 열교환 방식과 제상 방식에 따라 여러 형태로 나뉜다. 동절기 운전 관점에서는 제상 방식의 차이가 성능 차이를 가장 크게 만든다. 아래 표는 제상 방식과 그 특징을 비교한다.

역사이클 제상은 과거 방식으로, 제상 동안 실내기에 찬바람이 나와 쾌적성이 떨어진다. 근래에는 실외기 코일 제상 방식을 전기코일 또는 고온냉매 바이패스로 바꾸는 추세다. 이 차이를 알면 답안에서 제상 대책을 방식별로 나눠 쓸 수 있다.