열펌프(heat pump)는 저온의 열원에서 고온의 열원으로 열을 전달하는 장치를 말한다. 열펌프는 다양한 온도 범위 안에서 실내 냉난방, 물 가열, 냉각 등 주거용, 상업용, 산업용 용도로 냉방과 난방을 공급하는데 사용된다.

 

최신 개발된 열펌프는 최대 165℃ 온도에서 공기 및 증기를 생산할 수 있다. 열펌프는 기본적으로 압축기 팽창밸브, 열 교환기 2개(증발기, 응축기), 냉매(프로세스 유체)로 구성된다. 열펌프는 저온 열원에서 고온 열원으로 프로세스를 가동하는데 에너지가 소비되면서 수차례 열을 전달한다.

 

열원으로써 실외 공기, 지열(underground heat), 물(예 : 해수, 하천수), 모든 종류의 폐열(예 : 산업열, 하수처리시 발생하는 열)을 사용할 수 있다. 냉난방을 위한 열펌프는 20 세기 후반 처음 상용화되었으나, 한랭 기후에서는 실외 공기 온도가 낮아 지열원 열펌프에 한정되었다.

 

오늘날 공기열원 펌프는 -25℃ 실외공기에서도 열을 공급할 수 있다. 냉방 및 난방 열펌프 시장 점유율은 에너지 효율과 이산화탄소 배출 측면에서 성능이 향상되어 급격히 성장하고 있다.

 

■ 기술성과 및 비용
 
열펌프 효율은 기술적 향상과 더불어 인버터(inverter) 및 통제 시스템 사용으로 수십 년간 상당히 개선되었다. 냉방 및 난방기간에너지효율(SPF, Seasonal Performance Factor, 특정 기간 동안 입력 에너지 대비 출력된 열의 비율)이 기술 및 열원, 운전 조건에 따라 변하기는 하지만, 최근 가장 효율적인 상용 열펌프의 SPF는 6~7 레벨을 기록했다.

 

지열원열펌프(GSHP, ground-source heat pumps)의 경우 대부분의 지역에서 지온(ground temperature)이 10~15℃로 연중 안정하기 때문에  효과적인 실내 냉방(여름) 및 난방(겨울) 시스템이 될 수 있다.

 

한편, 공기열원펌프(ASHP, air-source heat pumps)는 에어컨디셔닝(air-conditioning)에 적합한 기술로, 실내 난방 및 난방이 연중 필요한 지역에서 경제적 대안이 될 수 있다. 최근 개발된 장비들은 성능계수(COP, Coefficients of Performance, 입력 에너지 대비 출력된 열의 비율)가 6 을 넘어서는 것도 있다.

 

중형 건물의 실내 냉난방 냉매유량가변형(VRF, Variable refrigerant flow) ASHP는 온화한 기후에서 COP 5 이상, -10℃ 실외 온도에서 3 이상이다. 대형 건물 혹은 산업 공정용 대형 ASHP의 경우 COP가 6 이상이다. 이산화탄소를 냉매로 하는 온수난방(water heating) ASHP인 Eco Cute는 COP 5.1에 달한다(평균연간성능평가 요소에서는 약 4에 달함).

 

터보냉동기(centrifugal chillers)와 같은 대형 장비는 대형 빌딩 에너컨디셔닝 혹은 공업 냉각에 높은 성능을 보인다(COP 7까지 달함). 현재 상용화되고 있는 인버터 장착 터보냉동기는 특정 운전 조건에서 COP 20 까지 달한다.

 

비용면에서 볼 때, ASHP는 지하 혹은 급탕 설비가 필요하지 않기 때문에 GSHP와 수열원열펌프(water-source heat pumps)보다 상대적으로 저렴하다. 특히 실내 에어컨과 VRF-ASHP는 가격이 저렴하고 설치가 용이하여 대중화되고 있다.

 

GSHP는 친환경적이기는 하지만 열 교환기를 지하에 묻어야하고 열을 추출할 우물(well) 굴착 작업이 필요하므로 더욱 비싼 편이다. 그러나 운영비용은 더 낮다.

 

 

실내 냉난방 및 온수 공급은 현재 세계 건물 에너지 소비의 약 절반을 차지하고 있으며, 그 수요가 빠르게 증가하고 있다(특히 신흥국에서 그러하다). 이 에너지 수요 중 대부분은 이산화탄소 배출을 유발하는 화석 연료 연소로 충족된다.

 

따라서 고효율 열펌프는 주거 및 상업 부문에서 화석연료 사용과 이산화탄소 배출을 줄이는데 핵심 역할을 한다. 열펌프는 냉난방 서비스 에너지 소비를 줄일뿐더러, 화석연료에서 전기로 에너지 전환을 가능하게 하고, 여러 국가에서 신재생에너지에 기반을 둔 에너지 생산을 늘린다.

 

현재 세계 전력 생산의 약 1/3이 비화석(non-fossil) 1차 에너지(예 : 신재생에너지 및 원자력에너지)를 에너지원으로 하고 있으며, 많은 국가에서 세계  전력 생산 탄소 집약도(carbon intensity of electricity production)가 (2007년 0.507 kgCO2/kWh) 신재생 전력의 빠른 성장으로 급격히 감소할 것으로 전망된다.

 

[목  차]
 
요  약
열펌프 공정 및 기술 현황
기술성과 및 비용
기술 진보 및 개발
효율 및 열펌프 비용
잠재력 및 장애물
참고 문헌 및 기타 정보