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히트펌프란 무엇인가? 원리부터 장단점까지 쉽게 정리

최근 에너지 산업에서 히트펌프가 다시 주목받고 있다. 이름만 들으면 어렵게 느껴질 수 있지만, 원리는 생각보다 단순하다.

히트펌프는 말 그대로 열을 한 곳에서 다른 곳으로 옮기는 장치다. 난방할 때는 바깥의 열을 실내로 끌어오고, 냉방할 때는 실내의 열을 바깥으로 내보낸다. 즉, 열을 새로 만들어내기보다 이미 존재하는 열을 이동시키는 방식이기 때문에 효율이 높다.

쉽게 말하면 냉장고와 에어컨, 그리고 난방기의 원리가 하나의 시스템 안에서 응용된 것이라고 볼 수 있다.

냉장고는 내부의 열을 밖으로 빼내고, 에어컨도 실내의 열을 밖으로 내보낸다. 반대로 히트펌프는 외부의 열을 실내로 가져와 난방에도 활용할 수 있다. 그래서 하나의 장치로 냉방과 난방을 모두 수행할 수 있다는 점이 큰 특징이다.

이 장치의 핵심은 바로 냉매다.

냉매는 액체와 기체 상태를 오가면서 열을 흡수하거나 방출하는 물질이다. 우리가 땀을 흘리고 나서 몸이 시원해지는 이유도 비슷하다. 땀이 증발하면서 우리 몸의 열을 빼앗아 가기 때문이다. 히트펌프 역시 이와 유사하게 냉매가 증발할 때 주변의 열을 흡수하고, 응축할 때는 그 열을 다시 방출한다.

히트펌프의 작동 과정은 크게 네 단계로 정리할 수 있다.

첫째, 압축기(컴프레서) 에서 냉매를 압축한다.

냉매가 압축되면 압력과 온도가 함께 올라간다. 즉, 차갑던 냉매가 뜨겁고 고압의 상태로 바뀌는 것이다.

둘째, 응축기(컨덴서) 에서 열을 방출한다.

압축되어 뜨거워진 냉매는 실내 열교환기를 지나면서 열을 내놓는다. 이때 실내는 따뜻해지고, 냉매는 다시 액체 상태로 변한다.

셋째, 팽창밸브 를 통과하면서 압력과 온도가 떨어진다.

고압 상태의 냉매가 좁은 통로를 지나 급격히 압력이 낮아지면 온도도 함께 떨어진다. 분무기나 스프레이를 오래 사용하면 차가워지는 현상과 같은 원리다.

넷째, 증발기 에서 외부의 열을 흡수한다.

차가워진 냉매는 바깥 공기나 물, 지열 등으로부터 열을 흡수하면서 다시 기체가 되고, 이 과정이 반복된다.

이 네 단계가 순환하면서 히트펌프는 열을 계속 이동시킨다.

난방 시에는 외부의 열을 실내로 가져오고, 냉방 시에는 이 과정을 반대로 돌려 실내의 열을 외부로 배출한다. 그래서 최근 가정용 냉난방기나 온수 시스템, 산업 설비 등 다양한 분야에서 활용이 늘고 있다.

그렇다면 히트펌프가 왜 이렇게 효율적일까.

가장 큰 이유는 전기를 사용해 직접 열을 만드는 것이 아니라, 주변에 이미 존재하는 열을 옮겨오기 때문이다. 일반적인 전기난방은 1의 전기를 써서 1 정도의 열을 만드는 구조에 가깝지만, 히트펌프는 1의 전기로 그 이상의 열을 이동시킬 수 있다.

보통 성능계수(COP)는 약 3.5~4.5 수준으로 알려져 있으며, 이는 전기 1만큼을 사용해 3~4배 이상의 열 효과를 얻을 수 있다는 의미다.

장점도 분명하다.

에너지 효율이 높고, 탄소배출을 줄이는 데 유리하며, 난방과 냉방을 하나의 시스템으로 통합할 수 있다. 특히 가스 의존도를 낮추려는 국가나 지역에서는 매우 중요한 대안으로 떠오르고 있다.

하지만 한계도 있다.

우선 초기 설치비가 높다. 일반 보일러보다 훨씬 큰 비용이 들 수 있고, 설치 공간도 필요하다. 또한 매우 추운 지역에서는 외부에서 가져올 수 있는 열이 줄어들어 성능이 떨어질 수 있다. 국내처럼 아파트 비중이 높은 주거 환경에서는 설치와 적용 방식에 제약이 생기기도 한다.

결국 히트펌프는 완벽한 만능 장치라기보다,

고효율·저탄소 시대에 가장 현실적인 냉난방 기술 중 하나라고 보는 것이 맞다.

이미 존재하는 열을 어떻게 더 똑똑하게 이동시킬 것인가. 히트펌프는 그 질문에 대한 매우 설득력 있는 답이다.

■ 특징 1 : 친환경, 운전비 절감

■ 특징 2 : 설치, 시공 편리성 증대

■ 특징 3 : -25℃에서 우수한 난방성능

플래쉬 인젝션 회로는 높은난방성능의 핵심 구성품입니다. 이기술은 영하의 실외온도에서 운전되는 경우에도 난방용량을 30% 능가하여 운전범위가 -25℃까지 확대되었습니다. 

한랭지역에서도 안전하게 난방에 이용.

■ PUHZ SERIES 사양

※ 표준적용온도 : 난방능력 : 외기온도 : 7℃ , 온수입구 : 40℃, 온수출구 : 45℃

※ 표준적용온도 : 냉각능력 : 외기온도 : 35℃ , 냉수입구 : 12℃, 냉수출구 : 7℃

※ 규격 및 사양은 제품의 개량으로 사전 예고없이 변경될 수 있습니다.

※상기 사진은 표준제품 이미지로 현장의 설계사양 및 옵션 조건에 따라서 일부 변경 될 수 있습니다

주요사용처

수영장

목욕사우나

리조트

호텔

체육시설

지열 에너지란?

지열 시스템의 작동 방식

지열 시스템의 종류

지열 에너지의 장점과 단점 

지열 에너지란?

지열 에너지는 지구 내부의 열 에너지를 이용하는 재생 가능 에너지입니다. 태양열의 약 47%가 지표면을 통해 지하에 저장되며, 이렇게 태양열을 흡수한 땅속의 온도는 지형에 따라 다르지만 지표면 가까운 땅속의 온도는 개략 10℃∼20℃정도 유지할 수 있습니다. 또한 지구 내부는 지구 형성 과정에서 발생한 열과 방사성 물질의 붕괴로 인해 매우 높은 온도를 유지하고 있습니다.

이러한 열 에너지는 지표면으로 올라오면서 온천, 지열 증기, 뜨거운 지하수 등의 형태로 나타납니다. 쉽게 말해서 지열 시스템은 이러한 지표면 아래의 지열 에너지를 이용하여 난방과 냉방 또는 발전을 하는 시스템입니다. 특히 우리나라 일부지역의 심부(지중 1 ~ 2 km) 지중온도는 80 ℃ 정도로서 직접 냉난방에 이용 가능합니다.

여름에 냉방으로 지열 이용(출처: 한국에너지 공단)

겨울에 난방으로 지열 이용 (출처: 한국에너지 공단)

지열 시스템의 작동 방식

• 지열 에너지 흡수:지열 시스템은 지중에 매설된 파이프나 지열 탐침을 통해 지열 에너지를 흡수합니다. 파이프나 지열 탐침 안에는 순환수가 흐르고 있으며, 이 순환수가 지열 에너지를 흡수하여 따뜻해집니다.

• 열 교환:따뜻해진 순환수는 실내에 설치된 열 교환기를 통해 열을 방출합니다. 열 교환기는 순환수의 열을 실내 공기에 전달하여 실내를 따뜻하게 합니다.

• 냉각 및 재순환:실내 공기를 가열한 순환수는 다시 지중으로 보내져 냉각됩니다. 냉각된 순환수는 다시 지열 에너지를 흡수하여 1번 과정을 반복하게 됩니다.

지열 시스템의 종류

자세히 알아보기

물

생수

물 공급 및 처리

폐쇄형 지열 시스템

지중에 매설된 파이프나 지열 탐침 안에 순환하는 물은 지하수와 직접 접촉하지 않고 밀폐된 시스템을 유지합니다. 폐쇄형 시스템은 지하수 오염 우려가 적지만, 설치 비용이 다소 높습니다. 폐회로시스템(폐쇄형)은 루프의 형태에 따라 수직, 수평루프시스템으로 구분되는데 수직으로 100~150m, 수평으로는 1.2~1.8m 정도 깊이로 묻히게 되며 상대적으로 냉난방부하가 적은 곳에 쓰입니다.

폐쇄형 지열 에너지

개방형 지열 시스템

지중에 매설된 파이프나 지열 탐침 안에 순환하는 물은 지하수와 직접 접촉합니다. 개방형 시스템은 설치 비용이 저렴하지만, 지하수 오염 우려가 존재합니다. 개방회로는 온천수, 지하수에서 공급받은 물을 운반하는 파이프가 개방되어 있는 것으로 풍부한 수원지가 있는 곳에서 적용 될 수 있습니다. 

지열 에너지의 장점과 단점 

지열 에너지의 장점

• 재생 가능 에너지: 지열 에너지는 지구 내부의 열 에너지라는 지속 가능한 에너지원으로, 고갈될 염려가 없습니다. 또한, 태양광이나 풍력과 달리 기상 조건에 영향을 받지 않고 안정적으로 에너지를 공급할 수 있습니다.

• 친환경적인 에너지: 지열 발전은 화석 연료를 사용하지 않아 온실 가스를 배출하지 않고 환경오염을 일으키지 않습니다.

• 에너지 효율성: 지열 시스템은 전기 에너지를 사용하는 난방/냉방 시스템에 비해 에너지 효율성이 매우 높습니다. 즉, 같은 양의 에너지를 생산하는데 지열 에너지가 훨씬 적은 비용이 듭니다. 

• 운영비 절감: 지열 시스템은 설치 후 운영비가 저렴한 편입니다. 초기 투자 비용은 다소 높지만, 장기적으로 보면 에너지 비용을 절감할 수 있습니다.

• 기타: 지열 에너지는 온천의 열원으로도 활용되고 있으며, 농업, 축산, 수산업 등 다양한 산업 분야에서도 활용될 수 있습니다.

지열 에너지의 단점

• 초기 투자 비용이 높음: 지열 발전소나 지열 시스템을 설치하는 초기 투자 비용이 많이 소요됩니다.

• 지열 자원의 분포 제한: 지열 자원이 풍부한 지역이 제한적입니다. 한국의 경우 지열 자원이 풍부한 지역은 제주도와 일부 내륙 지역에 국한되어 있습니다.

• 환경 오염 가능성: 지열 발전 과정에서 미량의 유황이나 온실 가스가 배출될 수 있습니다. 또한, 지열 시스템의 경우 지하수 오염 가능성이 존재합니다.

• 기타: 지열 발전은 지진 발생 가능성을 조금 높일 수 있다는 지적도 있습니다.

건축물 화재안전성 강화에 총력을 기울이다

건축물 마감재료 화재안전성능 규제 및 법령 개정

실제 화재상황을 구현해 건축자재의 화재 안전성을 시험하는 대형화재시험방식을 도입하는 등 제조·유통단계부터 시공·감리 단계까지 건축 전 과정에 걸친 건축자재 화재안전성능 강화가 추진되고 있다.

건축물 화재 안전성 강화를 위한 건축물 외벽 마감재료의 화재안전성능 규제 및 법령 개정에 대해 알아본다.

건축물 마감재료, 화재 확산 주요 원인으로 지목

최근 사회적 변화에 따라 건축 형태의 대규모화, 다양화, 다기능화 등과 더불어 새로운 공간, 새로운 구조, 새로운 재료 등이 속속 출현하고 있다. 사회양상의 다변화 및 도시화에 따른 인구 과밀화, 건축물의 대형화심층화·복잡화 등 화재환경 변화로 인해 건축물 화재는 대규모 복합재난으로 확대되고 있다. 이에 따라 종전의 법령에 국한하여 건축물 방재 계획하는 것만으로는 충분한 안전성의 확보가 어려운 실정이다. 또한, 2017년 제천 스포츠센터 화재사고, 2018년 밀양 세종병원 화재 사고 등 지난 몇 년간 대형화재로 인해 많은 인명피해가 발생했다.

이에 국토교통부는 지난 2019년 4월 건축자재의 시험, 제조, 유통 단계의 관리를 강화하기 위한 ‘건축자재 화재안전성능 고도화 방안 마련 전문가 자문단(TF)’을 구성하고 화재에 관련된 건축법령을 강화하는 법령을 제·개정했다. 화재 전문가 자문단은 KCL을 비롯하여 한국건설기술연구원, 방재시험연구원, 대한건축사협회, LH 등 12개 기관 및 협회, 30여 명의 화재공학 전문가로 구성되었다.

건축법령에는 대통령이 정하는 용도 및 규모에 대하여 건축물의 마감재료는 방화상 지장이 없는 재료로 국토교통부령이 정하는 기준에 의한 것을 사용하여야 하며, 건축물의 내부 마감재료는 건축물 내부의 천장·반자·벽(경계벽 포함)·기둥에 부착되는 마감재료로 정의하고 있으며, 외부 마감재료는 건축물의 외벽에 사용하는 마감재료로 정의하고 있다. 특히 방화상 마감을 정해야 할 부분(천장, 벽의 내장, 연소의 우려가 있는 외벽 등)에는 불연, 준불연, 난연재료를 사용하도록 규정하고 있다.

불연·준불연·난연재료의 정의 및 종류

내부 마감재료의 난연성능 대상

외부 마감재료의 난연성능 대상

건축물의 마감재료 난연성능 평가방법은 국토교통부 고시(건축물 마감재료의 난연성능 및 화재 확산방지구조 기준)에 의해 시험방법과 평가기준을 제시하고 있으며, 현재까지 9회 개정되어 시행하고 있다.

건축물 마감재료의 난연성능 및 화재 확산방지구조 기준 변경

더욱 강화된 건축물 마감재료 성능 시험 방법

모든 공장ㆍ창고까지 난연성능 마감재 적용 확대

화재 시 대형 인명피해 발생 요인으로 지목된 샌드위치패널 등 건축자재의 화재안전기준 강화된다. 현재는 600㎡ 이상 창고나 1천㎡ 이상 공장에만 마감재 화재안전기준 (난연성능 이상)을 적용하고 있으나, 앞으로는 모든 공장과 창고까지 확대 시행된다.

공장·창고 건축물 건축자재 사용기준

내단열재·창호에 대한 화재안전 기준 신설

※건축법 제52조(건축물의 마감재료 등)[시행: 2021. 6. 23.]

공장·창고 등은 내단열재에 대해서도 난연성능을 확보하도록 계획 중이며, 난연성능 미만 단열재사용이 불가피한 경우

(예: 냉장창고 우레탄 뿜칠*)에는 건축심의를 받도록 하고, 단열재 공사 중 전담감리를 배치해야 하도록 하였다.

화재안전 품질인정제도 도입

※건축법 제52조의5(건축자재등의 품질인정)[시행: 2021. 12. 23.]

화재 관련 건축자재(복합자재, 방화문, 자동 방화셔터, 내화채움구조, 내화인정구조, 그밖에 국토교통부형이 정하는 건축자재 등)에 대해 품질인정제도가 도입될 예정이다. 성능시험 당시와 동일한 건축자재를 제조·유통해야 적법하나, 제조 공정 등에 대한 관리·감독이 없는 제도의 사각지대를 이용하여 성능시험 당시와 다른 불법 건축자재를 공급한 사례가 다수 발견되고 있는 실정으로 공장설비 등 품질관리 능력을 함께 평가하고, 매년 제조 공장, 시공현장 등을 불시 점검하여 불량 건축자재에 대한 감시망을 촘촘히 구축하는 “품질인정제도”를 도입하기 위한 구체적인 방안을 마련할 계획이다.

• 단열재, 샌드위치 패널, 내화충전구조 등 건축자재는 ‘건축안전 모니터링’을 통하여 건축물 시공현장에 대한 불시 점검을 시행 중(2014년~)

마감재료의 실대형 화재 시험 도입

※건축물 마감재료의 난연성능 및 화재 확산방지구조 기준[시행: 2021. 12. 23.]

기존의 난연성능 평가시험은 KS F ISO 5660-1(Cone Calorimeter Test)에 규정되어 있어, 강판·심재(心材) 등 이질적인 재료로 구성된 샌드위치패널과 복합소재 등에 대해 표면강판의 영향으로 결과 재현성이 상대적으로 떨어질 수 있으며, 열방출율 값으로만 비교되어 내부 급속한 연소정도를 반영하지 못한다는 문제점과 성능판단의 한계가 지적되었다.

이러한 문제점으로 인해 국토부 전문가 자문단에서는 실물화재의 평가방법 선정 및 기준을 도입하게 되었다.

마감재료 시험방법 변경(안)

• (샌드위치패널 시험체) 2.4 m(폭) × 2.4 m(높이) × 3.6 m(깊이) (외벽마감재료 시험체) 2.6 m(주벽 폭) × 8.0 m(높이) × 1.5 m(측벽 폭)

지금까지 모든 마감재료는 소규모 샘플 시험을 통해 난연 성능만 평가해 왔으나, 실제 화재 조건을 재현하여 마감재료의 화재 위험성을 보다 명확하게 평가하기 위해 두 가지 이상 재료로 된 복합 마감재료(샌드위치패널, 외부마감재료)를 사용할 경우에는 기존 시험에 추가로 구조체 변형, 붕괴 및 화재 연소·확산성능 등을 평가하는 “실대형 화재성능시험”을 실시해야 한다. 또한, 기존 난연성능 시험(콘칼로리미터 시험, 가스유해성) 실대형 화재성능 시험을 모두 통과해야 마감재료로 사용될 수 있도록 강화되었다.

개정된 마감재료 성능 기준

• 주1) 최고온도와 최종 평형온도 차

• 주2) 8마리의 마우스 평균행동정지시간

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• 소형화재시험과 실대형화재시험 모두 통과해야 적합[시행 : 2021. 12. 23.]

또한, 샌드위치패널과 복합 외벽 마감재료는 구성하는 각 단일재료(심재)에 대해 시험하고 성능을 평가받아야 한다. 지금까지 샌드위치패널 및 복합 외벽 마감재료는 구성 재료 전체(완성품)를 하나로 보아 강판 등을 붙인 채로 시험하였으나, 앞으로 각 단일 재료(심재)에 대해 별도로 시험하여야 한다. 즉 샌드위치패널은 심재가 적합해야 하고, 복합 외벽 마감재료(6층이상 건축물 등)는 각 구성 재료가 준불연 성능 이상을 확보하여야 한다. 불에 잘 타지 않는 일정한 밀도 이상의 그라스울, 미네랄울 등 무기질재료는 가스유해성 시험과 실대형 성능시험만 실시하도록 하였다. 모든 마감 재료는 난연 성능 시험방법 중 하나인 열방출률 시험(KS F ISO 5660-1)시 두께가 20%를 초과하여 용융 및 수축하지 않아야 한다. 그러나 일부 용융 및 수축에 대한 객관적 지표 부재로 시험 기관에 따라 같은 자재에 대해서도 다른 시험 결과가 발생할 수 있는 가능성 등이 문제로 제기되어 추가 개정되었다.

맞춤형 원스톱 시험서비스로 화재분야

국내 최고 시험·인증기관으로 자리매김하다

KCL 화재센터 시험 인프라 소개

KCL 화재센터에서는 건축법, 소방법, 국가표준(KS)에 따라 방화문, 실내·외장재, 차량내장재 등을 포함한 건축재료 및 제품에 대한 종합적인 화재안전성능 시험서비스를 제공하고 있다. 이를 위해 충북 오창에 화재시험동에서 수직·수평 가열로 외에 20종류 이상의 최신 화재시험장비를 활용한 다양한 시험을 운영하고 있으며, 화재안전성능의 기술 개발을 위한 연구과제를 수행하고 있다.

내화성능 시험

• 내화구조, 방화문 및 셔터 성능평가

• KSF 2257 및 2258, ISO 834

• KSF 2846(차연시험)

• KSF 3109(문세트 시험)

• ASTM E 119 등(내화시험)

연소성능 시험

• 발열량, 유독가스 및 불연성 측정

• 건축물 마감재료 난연 성능 평가

• KSF 5660-1(콘칼로리미터)

• KSF 2271 (연소가스유해성 시험)

• KSF ISO 1182 (불연성 시험)

차량 실내설비의 화재안전 시험

• 철도차량 실내·외설비의 화재안전성능

• ISO 5658-2(화염전파성)

• ASTM E 662(연기밀도)

• ISO 4689-2(산소지수)

방염성능평가

• 방염대상물품의 방염성능 측정

• 소방청 고시 제 2021-7호

KCL 실화재센터 시험 인프라 소개

KCL 실화재센터에서는 건축물 내·외장재 및 단열재, 내화구조에 대한 화재 안전성능에 대한 시험평가를 수행하고 있으며, 10MW 규모의 대규모 실물화재 시험장비를 보유하고 있다. 화재시험 수행, 인증 시험 및 컨설팅뿐만 아니라 실화재 관련 표준화 및 연구개발을 수행하고 있다.

실물 화재 시험 Real Scale Fire Test

• KSF 8414, KSF ISO 13784-1

• 실대 규모 외벽구조의 수직연소 평가

• 외벽마감 및 외벽단열재

• 건축용 샌드위치 패널

실물 모형화재 시험 Room Corner Fire Test

• ISO 9705 (Room corner test)

• EN 13823 (Single Burning Item)

• 실내 실물 열방출율 (3MW급) 평가

• 플래시 오버, FIGRA, SMOGRA

• 건축 내장재, 단열재 실내가연물 등

실물 표면연소 확산시험 Steiner Tunnel Test

• ASTM E 84 / UL 723*

• 화염전파 및 연기지수(FSI, SDI)

• 건축 내·외장재, 단열재, 방수시트, 내화도료 내화피복재 등

• UL 723 : 미국의 대표적인 건축재료 화재안전시험 기준(미국 수출시 필수 인증)

• KCL은 UL로부터 국내 최초 아시아 ·중동 거점시험기관 지정

내화시험 Fire Resistance Test

• KSF 2257

• KSF 2268-1 (내화시험)

• KSF 2846 (차연시험)

• KSF 3109 (문세트시험)

• KSF 2257-8 (비내력 수직 구획 부재 내화시험)

• KS F ISO 10295-1 (설비 관통부 충전시스템 내화시험)

• 내화구조, 방화문, 방화셔터, 내화채움구조 등

문의 KCL 화재센터 043-210-8996, KCL 실화재센터 033-802-8320