GHP·EHP

왜 배우는가: GHP와 EHP는 동절기 전력 피크의 원인으로 지목되는 난방 설비의 두 축이라, 구동원(전기 대 가스엔진)에 따른 구조·효율 차이를 알아야 전력 수요와 에너지 절감 방향을 설명할 수 있다. 구조와 특성을 비교하는 문제로 2개 회차에 반복 출제되었다.

출제 이력: 제108회 3교시 1번, 제99회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장:

GHP(가스엔진 구동 히트펌프)는 가스엔진으로 압축기를 구동하고 엔진 폐열을 함께 회수하는 히트펌프이며, EHP(전기 구동 히트펌프)는 전동기로 압축기를 구동하는 히트펌프이다.

핵심 키워드

• 가스엔진 구동 히트펌프(GHP)
• 전기 구동 히트펌프(EHP)
• 증기압축식 사이클
• 성적계수(COP)
• 폐열 회수
• 동절기 전력 피크
• 구동원 비교

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 히트펌프는 열을 낮은 온도에서 높은 온도로 옮기는 장치다. 같은 원리의 압축기를 무엇으로 돌리느냐에 따라 GHP와 EHP로 나뉜다. 두 장치는 냉매가 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 도는 증기압축식 사이클을 따르고, 차이는 압축기를 돌리는 동력원에 있다.

정식 정의는 다음과 같다. EHP는 전동기가 압축기를 구동하고, GHP는 가스엔진이 압축기를 구동한다. 가스엔진 구동 방식에서는 엔진의 재킷수와 배기가스에서 나오는 폐열을 난방 출력에 더할 수 있다. 이 점이 두 방식의 특성을 가르는 핵심이다.

핵심 용어는 다음과 같다. 성적계수(COP) 는 히트펌프가 투입 에너지 대비 얻는 열량의 비이다. 폐열 회수 는 엔진에서 버려지는 열을 난방에 쓰는 것이다. 전기저항 히터의 COP는 1.0이므로, 히트펌프가 전기 에너지를 열로 바꾸는 것보다 많은 열을 옮긴다는 점을 먼저 이해해야 한다.

EHP는 전력을 직접 소비하므로 전력 계통의 수요로 바로 잡힌다. GHP는 연료 가스를 쓰므로 전력 수요를 줄이는 방향으로 작동한다. 두 방식을 비교할 때는 구동원, 열 출력 구조, 전력 소비의 세 축으로 나눠 설명하면 된다.

3. 등장 배경과 필요성

히트펌프는 같은 열량을 적은 에너지로 얻기 위해 쓰인다. 전기저항 난방은 에너지 1을 열 1로 바꾸는 데 그치지만, 히트펌프는 공기나 지중의 열을 함께 옮겨 에너지보다 많은 열을 얻는다. 이 때문에 전기난방기기를 히트펌프로 바꾸면 난방 에너지 소비를 줄일 수 있다는 논리가 성립한다.

2009년 이후 동절기 전력 피크가 나타나면서 난방 부하가 전력 수급의 주요 변수로 떠올랐다. 난방 수요가 전기에 집중되면 발전 설비가 높은 출력으로 가동되고, 피크 시간대의 공급 비용도 커진다. 이 상황에서 전기 구동 방식(EHP)을 가스 구동 방식(GHP)으로 옮기면 전력 피크를 낮출 수 있다는 논리가 등장했다. 따라서 두 방식의 비교는 단순한 설비 비교가 아니라 전력 수요 관리의 문제로 이어진다.

동절기 전력 피크의 원인은 난방기기 사용이다. 근거에 따르면 동절기 전기소비 중 히트펌프 비중은 약 6.9%이고, 전기온풍기·전기판넬·전기히터 등 전기난방기기 비중은 약 84.8%이다. 따라서 피크 문제의 핵심은 EHP 자체보다 기존 전기난방기기 전체의 수요에 있다.

히트펌프 COP 약 3~5(외기 10℃, 실내 20℃ 조건)는 전기저항 히터 COP 1.0보다 훨씬 높다. 이 차이가 히트펌프를 쓰는 근거다.

4. 구성요소·원리·절차

GHP와 EHP는 모두 증기압축식 냉동사이클을 쓴다. 냉매의 압축·응축·팽창·증발 과정은 같고, 차이는 압축기를 돌리는 동력원에 있다. GHP는 가스엔진의 축동력으로, EHP는 전동기의 전력으로 압축기를 구동한다.

표의 차이는 난방 열량의 구성에 직접 영향을 준다. GHP는 엔진에서 버려지는 열을 난방수에 더할 수 있어 같은 압축 일에 대한 난방 열량이 커진다. EHP는 압축기 응축열만으로 난방하므로 전력 입력 대비 열량이 압축기 효율과 외기 조건에 좌우된다.

GHP는 엔진 배열을 회수해 난방 열량을 늘리는 구조이다.

난방 시 GHP의 동작 순서는 다음과 같다.

• 가스엔진이 연료를 연소해 압축기 축을 구동한다.
• 압축기가 저압 가스냉매를 고온고압으로 압축한다.
• 실내 측 열교환기(응축기)에서 냉매가 열을 방출하여 난방한다.
• 팽창밸브에서 냉매가 감압되고 실외 열교환기(증발기)에서 외기 열을 흡수한다.
• 엔진 재킷과 배기가스의 열을 열교환기로 회수해 난방수에 더한다.

EHP의 난방 절차는 1 단계가 인버터 전동기가 압축기 회전수를 부하에 맞추는 것이다. 나머지 압축·응축·팽창·증발 과정은 GHP와 같고 배열 회수 단계가 없다.

난방 성능은 다음 식으로 나타낸다.

$COP_h=\frac{Q_h}{W_{in}}$

여기서 Q_h는 난방 열량(kW), W_{in}은 압축기 입력(kW)이다. 엔진 구동식은 입력을 연료 투입열 Q_f로 잡고 배열 Q_w를 Q_h에 더해 평가한다. 즉 COP_{GHP}=(Q_h+Q_w)/Q_f 형태가 되며, 입력 기준이 달라 두 방식의 COP는 직접 비교할 때 주의가 필요하다.

5. 관련 법령·기준·표준

GHP와 EHP의 설치와 효율은 「에너지이용 합리화법」의 효율관리·고효율에너지기자재 제도와 「건축물의 에너지절약설계기준」의 냉난방 설비 기준을 따른다. GHP의 연료 공급은 「도시가스사업법」과 LPG 관련 가스 안전 기준의 적용을 받는다. 두 방식의 설계 기준값은 다음 표와 같이 정리된다.

표의 값은 조건이 다르면 달라진다. 특히 COP는 외기 온도, 배열 회수량, 부하율에 따라 변하므로 비교 시 동일 조건에서 평가해야 한다. 배열 감소율은 배열량 증가에 따른 압축기 소비전력 변화로, 엔진 배열의 효과를 보여 준다.

전기난방기기와 히트펌프의 비교에서는 난방 방식 차이도 함께 본다. 전기히터는 복사열 중심으로 난방 영역이 좁고, 히트펌프는 대류로 실내 전체를 균일하게 가열한다. EHP 표준 난방 조건의 COP는 외기 온도와 부하 조건이 정한 값을 따른다.

6. 유형과 비교

히트펌프 구동원에 따라 GHP와 EHP는 같은 증기압축식 냉동사이클을 쓰면서도 압축기를 구동하는 방식이 다르다. 두 방식의 구조 차이를 먼저 표로 정리한다.