히트펌프는 열역학 제2법칙에 근거하여 저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 장소로 이동시키는 기계적 장치입니다. 저온에서 고온으로 열을 흐르게 하기 위해, 히트펌프는 냉매가 증발기에서 열을 흡수하여 기체 상태로 변한 후, 이 기체 상태의 냉매를 압축기를 통해 압축하여 고온, 고압 상태로 만듭니다. 그런 다음, 고온 & 고압의 냉매는 응축기에서 열을 방출하고, 이를 통해 열이 고온의 장소로 전달됩니다. 즉, 히트펌프는 주변의 열을 흡수하여 다른 장소로 이동시키는 원리로 작동하며, 소모되는 전기 에너지 대비 훨씬 더 많은 열을 이동시킬 수 있습니다. 이러한 효율성과 에너지 절약 특성 덕분에 히트펌프는 가정 및 상업적 용도로 널리 사용되고 있습니다.
＊ 냉매 : 냉방, 난방, 냉장 등의 열 교환 시스템에서 열을 운반하는 데 사용되는 물질
※ 히트펌프의 원리
1. 증발기에서 열 흡수
- 히트펌프의 증발기(evaporator)는 저온 열원(외부 공기, 지하수 등)으로부터 열을 흡수하며, 냉매가 액체 상태에서 증발하여 주변 열을 흡수하며 기체로 변하는 과정
2. 압축기에서 압축
- 증발기에서 열을 흡수한 냉매(기체 상태)는 압축기로 이동하고 냉매를 고온, 고압의 상태로 압축하는 과정에서 냉매의 온도가 상승
3. 응축기에서 열 방출
- 압축된 고온의 냉매는 응축기(condenser)로 이동하면서 열을 방출하고, 이때 냉매는 고온 열원(실내)으로 열을 방출하며 다시 액체 상태로 응축
4. 팽창 밸브를 통한 냉매의 냉각
- 응축기에서 열을 방출한 냉매는 팽창 밸브를 통과하며 압력이 낮아지고 온도가 떨어지며, 저온 및 저압 상태의 액체 냉매는 증발기로 돌아가 열을 흡수하는 과정을 반복
<출처 : 히트 펌프의 작동 원리, 국제에너지기구(IEA)>
히트펌프는 주변의 열을 이동시키는 방식 덕분에, 전통적인 가스 보일러보다 3~5배, 전기 히터가 사용하는 에너지 대비 약 4배 가까이 에너지 효율이 높은 것으로 알려져 있습니다. 히트펌프의 효율은 COP(성능계수) 또는 SCOP(계절 성능계수)로 표현되며, 이 값이 높을수록 히트펌프의 효율성이 더 높음을 의미합니다. 초기 설치 비용은 상대적으로 높을 수 있지만, 장기적으로는 운영 비용이 낮아져 경제성이 높으며, 에너지 효율성을 통해 에너지 비용을 절감할 수 있습니다.
또한, 히트펌프는 난방뿐만 아니라 냉방에도 사용할 수 있어, 여름철에는 실내의 열을 외부로 배출하여 냉방 효과를 제공하고, 겨울철에는 외부의 열을 실내로 끌어들여 난방 효과를 제공합니다. 그리고 히트펌프는 높은 효율성에도 불구하고 화석연료를 직접 연소하지 않기 때문에 이산화탄소 배출이 적으며, 전기 에너지를 사용하므로 재생에너지와 결합하면 탄소 배출량을 더욱 줄일 수 있는 장점이 있습니다.
<출처 : ‘히트펌프란’ 냉난방 개념도, 엘지에어컨시스템>
일반적으로 히트펌프는 몇 가지 종류로 분류할 수 있습니다.
첫째, ‘공기열원 히트펌프’입니다. 이 히트펌프는 외부 공기에서 열을 흡수하거나 방출하는 방식으로 작동하며, 설치가 간편하고 초기 설치 비용이 낮아 일반 가정용으로 많이 사용됩니다. 그러나 극한의 추운 기후에서는 효율이 떨어지는 단점이 있습니다.
둘째, ‘지열 히트펌프’로 지하의 열을 이용하는 히트펌프입니다. 이 시스템은 지열 파이프를 통해 지하로부터 열을 흡수하거나 저장하며, 에너지 효율이 높고 안정적입니다. 그러나 설치 비용이 높고 넓은 설치 공간이 필요하다는 점이 단점입니다.
셋째, ‘수열원 히트펌프’로, 호수, 강, 바다 등의 물에서 열을 추출하여 일정한 온도의 물을 열원으로 사용하는 방식입니다. 이 히트펌프는 안정적인 성능을 제공하지만, 물의 접근이 제한적인 경우에는 설치가 어렵습니다.
넷째, ‘하이브리드 히트펌프’로, 공기열원 히트펌프와 전통적인 보일러를 결합한 시스템입니다. 이 시스템은 공기열원 히트펌프의 효율이 낮아지는 매우 추운 날씨에서도 보일러가 난방 성능을 안정적으로 보장해 줍니다.
히트펌프는 에너지 효율성과 경제적 이점, 그리고 환경 친화성 덕분에 건물 부문의 탄소 배출을 줄이는 주요 수단으로 각광받고 있습니다. 특히, 주거용 및 상업용 건물에서 난방과 냉방을 동시에 제공하여 에너지 관리 효율을 높이고 비용 절감에 유리한 점이 그 이유입니다.
글로벌 인포메이션에 따르면, 히트펌프의 세계 시장 규모는 2024년 687억 1000만 달러에서 2029년 1096억 6000만 달러로 성장할 것으로 예상되며, 이 기간 동안 연평균 성장률은 9.80%에 달할 것으로 보입니다. 이러한 성장 배경에는 히트펌프가 전 세계적으로 제로에너지 건축을 위한 대안 냉난방 기술로 자리 잡고 있다는 점이 있습니다. 전 세계 온실가스 배출의 약 23%가 난방에서 발생하는데, 전기를 이용하는 히트펌프가 가스보일러의 대안으로 부각되며 이 문제를 해결할 수 있는 효과적인 방안으로 평가받고 있습니다.
또한 국제에너지기구(IEA)의 ‘Renewables 2023’ 보고서에 따르면, 2022년 기준으로 전 세계 최종 에너지 소비 중 열에너지가 거의 50%를 차지하며, 이와 관련된 에너지 이산화탄소 배출도 38%에 달합니다. 이러한 상황에서 히트펌프는 대기열과 지열 등 재생에너지원 활용을 통해 화석연료 보일러에 비해 2~3배 적은 탄소 배출량을 기록하고 있어 친환경 기술로 더욱 주목받고 있습니다.
국내 시장에서는 히트펌프 기술의 중요성을 인식하고 보급 활성화를 위한 대책 마련과 함께 관련 기업 육성이 필요하다는 목소리가 나오고 있습니다. 국내 시장의 한계를 극복하기 위해서는 해외 판로 개척과 생산시설 확대가 필요하며, 이를 통해 글로벌 트렌드에 발맞춰 히트펌프 기술의 지속 가능한 성장을 이뤄나가야 합니다.
※ 참고 문헌
1. 국제에너지기구 (IEA). (2023). The future of heat pumps. 국제에너지기구.
https://iea.blob.core.windows.net/assets/4713780d-c0ae-4686-8c9b-29e782452695/TheFutureofHeatPumps.pdf
2. 국제에너지기구 (IEA). (2023). Renewables 2023. 국제에너지기구.
https://www.iea.org/reports/renewables-2023
히트펌프는 열역학 제2법칙에 근거하여 저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 장소로 이동시키는 기계적 장치입니다. 저온에서 고온으로 열을 흐르게 하기 위해, 히트펌프는 냉매가 증발기에서 열을 흡수하여 기체 상태로 변한 후, 이 기체 상태의 냉매를 압축기를 통해 압축하여 고온, 고압 상태로 만듭니다. 그런 다음, 고온 & 고압의 냉매는 응축기에서 열을 방출하고, 이를 통해 열이 고온의 장소로 전달됩니다. 즉, 히트펌프는 주변의 열을 흡수하여 다른 장소로 이동시키는 원리로 작동하며, 소모되는 전기 에너지 대비 훨씬 더 많은 열을 이동시킬 수 있습니다. 이러한 효율성과 에너지 절약 특성 덕분에 히트펌프는 가정 및 상업적 용도로 널리 사용되고 있습니다.
＊ 냉매 : 냉방, 난방, 냉장 등의 열 교환 시스템에서 열을 운반하는 데 사용되는 물질
※ 히트펌프의 원리
1. 증발기에서 열 흡수
2. 압축기에서 압축
3. 응축기에서 열 방출
4. 팽창 밸브를 통한 냉매의 냉각
<출처 : 히트 펌프의 작동 원리, 국제에너지기구(IEA)>
히트펌프는 주변의 열을 이동시키는 방식 덕분에, 전통적인 가스 보일러보다 3~5배, 전기 히터가 사용하는 에너지 대비 약 4배 가까이 에너지 효율이 높은 것으로 알려져 있습니다. 히트펌프의 효율은 COP(성능계수) 또는 SCOP(계절 성능계수)로 표현되며, 이 값이 높을수록 히트펌프의 효율성이 더 높음을 의미합니다. 초기 설치 비용은 상대적으로 높을 수 있지만, 장기적으로는 운영 비용이 낮아져 경제성이 높으며, 에너지 효율성을 통해 에너지 비용을 절감할 수 있습니다.
또한, 히트펌프는 난방뿐만 아니라 냉방에도 사용할 수 있어, 여름철에는 실내의 열을 외부로 배출하여 냉방 효과를 제공하고, 겨울철에는 외부의 열을 실내로 끌어들여 난방 효과를 제공합니다. 그리고 히트펌프는 높은 효율성에도 불구하고 화석연료를 직접 연소하지 않기 때문에 이산화탄소 배출이 적으며, 전기 에너지를 사용하므로 재생에너지와 결합하면 탄소 배출량을 더욱 줄일 수 있는 장점이 있습니다.
<출처 : ‘히트펌프란’ 냉난방 개념도, 엘지에어컨시스템>
일반적으로 히트펌프는 몇 가지 종류로 분류할 수 있습니다.
첫째, ‘공기열원 히트펌프’입니다. 이 히트펌프는 외부 공기에서 열을 흡수하거나 방출하는 방식으로 작동하며, 설치가 간편하고 초기 설치 비용이 낮아 일반 가정용으로 많이 사용됩니다. 그러나 극한의 추운 기후에서는 효율이 떨어지는 단점이 있습니다.
둘째, ‘지열 히트펌프’로 지하의 열을 이용하는 히트펌프입니다. 이 시스템은 지열 파이프를 통해 지하로부터 열을 흡수하거나 저장하며, 에너지 효율이 높고 안정적입니다. 그러나 설치 비용이 높고 넓은 설치 공간이 필요하다는 점이 단점입니다.
셋째, ‘수열원 히트펌프’로, 호수, 강, 바다 등의 물에서 열을 추출하여 일정한 온도의 물을 열원으로 사용하는 방식입니다. 이 히트펌프는 안정적인 성능을 제공하지만, 물의 접근이 제한적인 경우에는 설치가 어렵습니다.
넷째, ‘하이브리드 히트펌프’로, 공기열원 히트펌프와 전통적인 보일러를 결합한 시스템입니다. 이 시스템은 공기열원 히트펌프의 효율이 낮아지는 매우 추운 날씨에서도 보일러가 난방 성능을 안정적으로 보장해 줍니다.
히트펌프는 에너지 효율성과 경제적 이점, 그리고 환경 친화성 덕분에 건물 부문의 탄소 배출을 줄이는 주요 수단으로 각광받고 있습니다. 특히, 주거용 및 상업용 건물에서 난방과 냉방을 동시에 제공하여 에너지 관리 효율을 높이고 비용 절감에 유리한 점이 그 이유입니다.
글로벌 인포메이션에 따르면, 히트펌프의 세계 시장 규모는 2024년 687억 1000만 달러에서 2029년 1096억 6000만 달러로 성장할 것으로 예상되며, 이 기간 동안 연평균 성장률은 9.80%에 달할 것으로 보입니다. 이러한 성장 배경에는 히트펌프가 전 세계적으로 제로에너지 건축을 위한 대안 냉난방 기술로 자리 잡고 있다는 점이 있습니다. 전 세계 온실가스 배출의 약 23%가 난방에서 발생하는데, 전기를 이용하는 히트펌프가 가스보일러의 대안으로 부각되며 이 문제를 해결할 수 있는 효과적인 방안으로 평가받고 있습니다.
또한 국제에너지기구(IEA)의 ‘Renewables 2023’ 보고서에 따르면, 2022년 기준으로 전 세계 최종 에너지 소비 중 열에너지가 거의 50%를 차지하며, 이와 관련된 에너지 이산화탄소 배출도 38%에 달합니다. 이러한 상황에서 히트펌프는 대기열과 지열 등 재생에너지원 활용을 통해 화석연료 보일러에 비해 2~3배 적은 탄소 배출량을 기록하고 있어 친환경 기술로 더욱 주목받고 있습니다.
국내 시장에서는 히트펌프 기술의 중요성을 인식하고 보급 활성화를 위한 대책 마련과 함께 관련 기업 육성이 필요하다는 목소리가 나오고 있습니다. 국내 시장의 한계를 극복하기 위해서는 해외 판로 개척과 생산시설 확대가 필요하며, 이를 통해 글로벌 트렌드에 발맞춰 히트펌프 기술의 지속 가능한 성장을 이뤄나가야 합니다.
※ 참고 문헌
1. 국제에너지기구 (IEA). (2023). The future of heat pumps. 국제에너지기구.
https://iea.blob.core.windows.net/assets/4713780d-c0ae-4686-8c9b-29e782452695/TheFutureofHeatPumps.pdf
2. 국제에너지기구 (IEA). (2023). Renewables 2023. 국제에너지기구.
https://www.iea.org/reports/renewables-2023