열 펌프는 어떻게 작동합니까?

사람들이 석유와 가스에 대한 대안을 찾으면서 열 펌프는 집을 따뜻하게 유지하는 기후 친화적인 옵션으로 선전되고 있습니다. DW는 그 뒤에 숨겨진 미스터리를 설명합니다.

독일 주택의 약 절반은 천연가스로 난방을 하고 4분의 1은 석유로 난방을 합니다. 기후 위기에 직면하여 국가가 화석 연료에서 벗어나면서 많은 사람들이 대안을 찾고 있습니다.

열 펌프는 널리 논의되고 있는 기술 중 하나입니다. 하지만 정확히 어떻게 작동합니까?

열 펌프는 증발 냉각이라는 방법을 사용하여 외부 공기, 땅 또는 인근 수원에서 따뜻함을 추출하여 열을 생성합니다. 무더운 날씨에 차가운 천을 피부에 대고 있는 것이 얼마나 만족스러운지 아실 겁니다. 같은 효과입니다. 차가운 물은 증발하여 기체가 되어 몸을 식힙니다.

그 뒤에 숨겨진 과학은 다음과 같습니다. 물에서 증기로의 전환에는 많은 에너지가 필요합니다. 상태를 변경하기 위해 물 분자는 주변 환경(이 경우 따뜻한 피부)에서 에너지를 끌어옵니다. 그 과정에서 냉각 효과가 발생합니다. 반대로, 증발된 물이 다시 액체가 되면 이 에너지의 대부분은 열의 형태로 공기 중으로 다시 방출됩니다.

열 펌프, 냉장고 및 에어컨은 모두 이러한 전환을 활용합니다. 냉장고는 내부가 시원하고 외부가 따뜻해집니다. 히트펌프의 경우에는 그 반대이다.

히트펌프의 경우 특수 냉매가 폐쇄형 배관 시스템을 순환합니다. 냉매는 매우 낮은 온도, 때로는 섭씨 영하 50도(화씨 영하 58도) 이하에서 증발합니다.

예를 들어, 지면이나 공기의 열은 냉매를 데우고 회로에서 증발합니다. 압축기는 냉매 가스 분자를 함께 압착하여 온도를 더욱 높입니다. 그런 다음 다시 액화되면 추가 열을 난방 시스템으로 방출합니다. 이는 열 펌프를 사용하여 집, 사무실 또는 기타 실내 공간을 따뜻하게 하거나 식힐 수 있음을 의미합니다.

다양한 종류의 열 펌프가 있지만 모두 환경에서 열 에너지를 추출하는 동일한 원리로 작동합니다.

수열펌프는 지하수나 강이나 호수의 물을 사용할 수 있습니다. 공기 공급 장치는 외부에서 흡입되는 일반 공기 또는 산업 현장이나 데이터 센터에서 생성되는 뜨거운 배기 공기로 작동됩니다.

지열 히트펌프의 경우 암석의 밀도에 따라 탐사선을 지면에 100미터(328피트) 이상 뚫습니다. 시추공이 땅속으로 깊을수록 따뜻해집니다.

지하수 히트펌프는 더 효율적이지만 가격도 더 비쌉니다. 다양한 공기 소스는 거의 모든 곳에서 작동하지만 시끄러울 수 있습니다.

건물을 난방하는 과정에서 히트펌프는 지하수를 4도 정도 냉각시키거나 주변 공기 온도를 10도 정도 낮출 수 있다.

추운 겨울날에도 지하나 공기, 지하수에는 건물을 데울 만큼 충분한 열 에너지가 있습니다. 예를 들어, 스칸디나비아에서는 혹독한 겨울에도 많은 사람들이 공기열 히트펌프를 사용하여 난방을 합니다. 이는 섭씨 영하 20도의 낮은 온도에서 공기로부터 열 에너지를 추출합니다.

그럼에도 불구하고 추운 날씨에 작동하고 따뜻한 날씨에 더 잘 작동하려면 더 많은 에너지가 필요합니다. 열 펌프에는 백업용으로 전기를 사용하는 가열 막대도 장착되어 있습니다.

대부분의 에너지는 환경에서 얻어지지만 장치에는 압축기, 펌프 및 팬용 전기 모터를 작동시키기 위해 추가 전력이 필요합니다. 좋은 조건에서 1kWh의 구동 전기는 약 6kWh의 열을 생성할 수 있습니다. 80㎡의 단열 아파트에는 연간 1,000kWh 미만의 전력이 필요합니다.

열 펌프는 새로운 단열 건물, 특히 바닥 난방과 대형 라디에이터가 있는 건물에서 더 효율적입니다. 프라이부르크에 본사를 둔 프라운호퍼 태양 에너지 시스템 연구소(Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems)의 연구에 따르면 독일의 오래된 가정에서 공기 공급원 열 펌프는 1kWh의 전기로 약 3kWh의 열을 생성한다고 합니다. 지하수를 에너지원으로 사용하면 평균적으로 비교 시 4배의 열이 발생합니다.