가스히트펌프

왜 배우는가: 가스히트펌프(GHP)는 전기 대신 도시가스로 압축기를 구동하거나 가스 흡수식 사이클을 쓰는 설비로, 전력 피크 저감과 에너지 비용 절감 대안으로 실무에서 검토된다. 1교시 용어 문제와 3교시 시스템 종류 문제에 함께 반복해 출제되므로 개념과 특징을 정확히 정리해야 한다.

출제 이력: 제128회 1교시 9번, 제98회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

가스히트펌프(GHP)는 가스엔진으로 압축기를 구동하거나 가스를 열원으로 쓰는 냉난방 히트펌프이다. 답안 첫 줄은 이 문장으로 시작하고, 전기식 EHP와의 차이를 한 문장으로 덧붙인다.

핵심 키워드

• 가스엔진 구동(Gas Engine Driven)
• GHP(Gas Engine Driven Heat Pump)
• EHP(Electric Heat Pump)와의 대비
• 전력 피크 저감(Peak Shaving)
• 엔진 폐열 회수(Waste Heat Recovery)
• 흡수식 가스 히트펌프(Absorption Heat Pump)
• 압축식 증기 압축 사이클(Vapor Compression Cycle)
• 냉매 회로(Refrigerant Circuit)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 히트펌프는 낮은 온도의 열을 높은 온도로 끌어올려 실내를 덥히거나(난방) 실내 열을 밖으로 빼내는(냉방) 장치다. GHP는 이 압축 동력을 전기모터 대신 가스엔진이 맡는 방식이다. 엔진이 압축기를 돌리고, 엔진의 배열(냉각수·배기열)을 난방이나 급탕에 다시 쓴다.

정식 정의는 다음과 같다. GHP는 도시가스 등 연료를 연소하는 내연기관으로 증기 압축식 냉동 사이클의 압축기를 구동하고, 그 과정에서 발생하는 엔진 폐열을 냉난방에 활용하는 가스구동 히트펌프다. 실외기에 엔진과 압축기가 함께 들어가는 구조가 일반적이다.

흡수식 가스식 히트펌프는 같은 가스 연소를 쓰되 압축기 대신 흡수기·발생기가 냉매 증기를 압축하는 역할을 맡는다. 고온 열원으로 용액을 가열해 냉매를 분리하는 방식이라 구동에 기계 동력이 적게 든다. 두 방식 모두 '가스로 구동하는 히트펌프'이지만 동력을 얻는 방법이 다르므로 답안에서 구분해 쓴다.

핵심 원리는 히트펌프의 성능을 나타내는 성능계수다. 난방 성능계수는 난방능력을 투입 에너지로 나눈 값이다. GHP는 엔진 효율이 전기 발전 효율보다 높은 편이라, 같은 1차 에너지 대비 열 공급량을 늘리기 쉽다. 이 점이 GHP가 전기 피크를 줄이는 근거가 된다.

3. 등장 배경과 필요성

여름철 냉방 부하가 커지면서 전기 수요가 집중되는 전력 피크 문제가 생겼다. 교육시설처럼 전기요금이 최대 수요전력(15분 연속 평균)으로 정해지는 건물은 피크를 낮추는 것이 요금 절감의 핵심이다. 이때 냉방 동력을 가스로 돌리면 전기 피크를 줄일 수 있어 GHP가 주목받았다.

또 겨울철에는 전기 히트펌프의 난방 능력이 외기 온도 하강과 함께 떨어진다. 이 때문에 엔진 배열을 함께 쓰는 GHP가 난방 능력 확보 측면에서도 검토된다. 국내에서는 대형 건물과 학교, 체육관 등에 적용 사례가 늘었다.

에너지 측면에서는 히트펌프가 열을 옮기는 만큼 투입 에너지보다 많은 열을 공급할 수 있다는 점이 배경이다. 그러나 엔진 구동은 정비 주기와 가스 공급 설비 조건이 따르므로, 설치 전 운전 시간과 유지비를 함께 검토해야 한다. 이런 배경은 GHP의 특성과 적용 시스템 종류를 설명하는 출발점이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

가스히트펌프(GHP)는 압축기를 전동기 대신 가스엔진으로 구동하는 증기압축식 열펌프다. 냉매 순환 자체는 전기식 히트펌프(EHP)와 같고, 달라지는 것은 동력원과 그 동력원에서 나오는 폐열의 활용이다. 엔진 냉각수와 배기가스의 폐열을 난방에 더해 쓰므로 난방 성능이 특히 좋아진다.

가스엔진이 압축기를 구동하고 엔진 폐열을 회수해 난방에 이용하는 열펌프다.

구성요소는 다음과 같다.

원리는 다음과 같다. 엔진이 압축기를 돌리면 저압 냉매 증기가 고압으로 압축된다. 냉방 모드에서는 실외 열교환기가 응축기가 되어 열을 외기로 버리고, 실내 열교환기가 증발기가 되어 실내 열을 흡수한다. 난방 모드에서는 사방변이 흐름을 바꿔 실내 열교환기가 응축기가 되고 실외 열교환기가 증발기가 된다. 이때 엔진의 손실열(냉각수, 배기가스)이 추가 열원으로 더해진다.

성능은 다음 관계로 본다. 압축기 동력 W(kW), 냉방능력 Q_c(kW), 난방능력 Q_h(kW)로 두면 난방 성능계수는 COP_h = Q_h / W이고, 엔진 폐열 Q_e(kW)를 더하면 실질 난방 출력은 Q_h + Q_e 로 커진다. 이 식의 열량 항은 엔진 폐열을 포함한 값으로 해석한다.

절차(난방 운전)는 다음 순서다.

• 실내 온도 신호에 따라 사방변을 난방 위치로 전환한다.
• 가스엔진을 기동하고 회전수를 부하에 맞춘다.
• 압축기가 저압 냉매 증기를 고압으로 압축한다.
• 실내 열교환기에서 냉매가 응축하며 실내에 열을 준다.
• 팽창밸브에서 교축되고 실외 열교환기에서 외기 열을 흡수한다.
• 엔진 냉각수 폐열을 온수 회로로 회수해 난방 보조에 쓴다.

흐름을 한눈에 보면 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

GHP 는 가스를 연료로 쓰므로 가스 관련 법령과 기계설비 기준이 함께 적용된다. 건축설비 측면에서는 「건축물의 에너지절약설계기준」이 열원설비 효율을 규정하고, 가스 설비는 「도시가스사업법」과 「고압가스 안전관리법」의 적용을 받는다. 가스엔진 구동 장치의 안전 기준은 해당 법령 체계와 KS 규격을 따른다.

아래 표는 본문에서 쓴 핵심 기준을 정리한다.

개정 연혁으로는 냉매의 지구온난화지수(GWP) 기준이 강화되면서 저GWP 냉매를 쓰는 GHP 연구가 2025년 웹 자료에 보고됐다. 저GWP 냉매 적용 여부는 설계 시점의 규제 기준과 대상 장비 사양에 따라 달라지므로 개별 적용 전에 최신 개정본을 대조한다.

가스엔진, 폐열 회수, 사방변, 냉난방 전환은 답안에 반드시 쓰는 핵심어다.

6. 유형과 비교

가스히트펌프(GHP)는 구동 방식에 따라 가스엔진 구동형과 흡수식(LiBr) 가스 구동형으로 나뉜다. 가스엔진 구동형은 가스엔진으로 압축기를 직접 돌리고, 흡수식은 열에너지로 흡수기와 재생기를 구동한다. 두 방식 모두 가스를 쓰므로 전력 피크 저감에 유리하지만, 구조와 성능 특성은 다르다.