히트펌프

온도는 어떤 물질이나 공간 안에 있는 열에너지의 농도라고 볼 수 있습니다. 특정 공간이나 물체에 에너지가 많이 몰려 있으면 뜨겁습니다. 에너지가 비교적 퍼져 있으면 차갑습니다.

온도가 높을수록 물질을 이루는 분자는 더 많은 운동 에너지를 가집니다 - 즉, 고체에서는 더 빠르게 진동하고, 액체나 기체에서는 더 빠르게 움직이며 더 자주 충돌합니다. 분자가 진동하거나 충돌할 때, 우리는 이 운동 에너지를 열에너지(즉, 열)로 느낍니다. 따라서 외부에서 에너지를 더하거나, 더 작은 공간에 (더 많은) 분자를 밀어 넣어 에너지를 집중시키면 온도를 올릴 수 있습니다.

열역학의 기본적인 보편 법칙에 따라 에너지는 항상 퍼지거나, 에너지 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동해 모든 것이 균형을 이루고 같아지려 합니다(이를 엔트로피라고 합니다 - 추가 영상 보기). 그래서 추운 날에는 열에너지가 따뜻한 집에서 차가운 바깥으로 빠져나갑니다. 단열재로 이런 열 이동을 늦출 수는 있지만, 히트펌프는 같은 원리와 냉매라는 특수한 가압 유체를 영리하게 활용해 그 이동 자체를 뒤집습니다.

여기서 냉매가 특히 유용한 이유는 끓는점을 쉽게 바꿀 수 있기 때문입니다.

끓는점

이제 끓는점의 과학을 살펴봅시다. 끓음은 분자가 액체를 붙잡고 있는 분자 간 힘에서 벗어날 만큼 충분한 운동 에너지를 얻어, 액체가 기체로 증발하는 것을 말합니다. 액체에서는 이 힘이 계속 끊어졌다 다시 만들어지며, 분자들이 서로를 지나 움직일 수 있게 합니다. 액체가 기체가 되려면 분자가 완전히 떨어져 나갈 만큼의 에너지가 필요합니다. 물에서 보통 그렇듯 꼭 정확히 100°C(212°F)에서 일어날 필요도 없고, 심지어 뜨거울 때 일어날 필요도 없습니다…

예를 들어 산 위에서 주전자를 가열하면, 실제로 더 낮은 온도에서 끓는다는 걸 알 수 있습니다. 높은 고도에서는 대기압이 해수면보다 낮아 분자가 더 쉽게 퍼지고 빠져나갈 수 있으므로, 물이 끓는 데 필요한 에너지도 더 적기 때문입니다. 반대로 압력이 높으면 물 분자는 서로 더 바짝 눌리고, 끓어 자유롭게 빠져나가려면 더 많은 에너지 - 따라서 더 높은 온도 - 가 필요합니다. 따라서 압력은 물의 끓는점을 바꿀 수 있습니다.

현열과 잠열

보통 물 같은 것을 가열(또는 냉각)하면, 에너지를 더하거나(또는 빼면) 먼저 분자의 운동 에너지가 늘어나거나(또는 줄어들어) 분자가 더 빠르게(또는 느리게) 움직이거나 진동하면서 온도가 바뀝니다. 이런 에너지를 현열이라고 하며, 무언가를 만졌을 때 뜨겁거나 차갑게 느껴지는 에너지입니다.

하지만 또 다른 묘기가 있습니다 - 물이 끓는점에 도달하면 온도는 더 이상 올라가지 않습니다. 대신 그 모든 열에너지는 갑자기 분자를 붙들고 있는 결합을 끊고 분자들을 서로 떼어 내, 물을 수증기로 바꾸는 데 쓰입니다. 물의 온도(정확히는 만들어진 수증기의 온도)는 모든 물이 증발하기 전까지 다시 오르지 않습니다. 고체 얼음이 액체로 녹을 때도 마찬가지입니다. 이를 잠열이라고 하며, 엄청난 양의 에너지입니다. 실제로 물을 증발시키는 데는 처음에 물의 온도를 끓는점까지 올리는 데 든 에너지의 7배가 필요합니다.

그래서 바깥 온도가 같아도 습한 날에는 공기가 더 따뜻하게 느껴집니다(또는 일기예보에서 한 온도를 말하면서도 다른 온도처럼 ‘느껴진다’고 하는 이유입니다) - 공기 속 추가 수증기에는 건조한 공기보다 더 많은 열에너지가 들어 있기 때문입니다(즉, 이 추가 잠열이 모두 들어 있습니다).

땀이 몸을 식히는 원리도 이렇습니다: 땀이 증발하면 엄청난 양의 체열을 잠열로 흡수해 피부에서 열을 가져갑니다. 공기 중에 이미 증발한 물이 많은 습한 환경에서는 이 과정이 느려져, 훨씬 더 덥게 느껴집니다.

물이 수증기에서 다시 액체로 응축될 때는 반대가 일어납니다. 물을 끓이려고 열을 가했을 때처럼, 응축될 때도 엄청난 양의 에너지를 다시 내보냅니다. 이렇게 무엇이든 상을 바꿀 때 - 즉, 끓거나, 녹거나, 응축되거나, 얼 때 - 결합이 끊어지거나 만들어지면서 ‘잠열’ 에너지를 흡수하거나 방출해야 합니다.

온도와 압력

그러니 열을 더하거나 빼면 온도가 바뀌지만, 압력을 바꿔도 비슷한 일이 일어납니다.

압력은 고체, 액체, 기체에 가할 수 있지만, 기체는 분자 사이에 공간이 있고 분자가 비교적 퍼져 있어서 쉽게 압축됩니다. 반면 액체와 고체는 분자를 지금보다 더 가까이 밀어 붙일 수 없기 때문에 같은 방식으로 압축할 수 없습니다. 액체에 압력을 가하면 대신 분자가 기체로 떨어져 나가기가 더 어려워집니다. 증기는 임계온도 아래에서 적극적으로 냉각하지 않아도 바로 액체로 압축할 수 있는 기체의 한 종류입니다. 모든 기체에서 가능한 것은 아닙니다 즉, 모든 증기는 기체지만 모든 기체가 증기는 아닙니다.

수증기가 압력을 받으면 분자들이 서로 더 가까이 밀려 더 쉽게 응축된다는 것을 알고 있습니다. 하지만 압력을 충분히 높이면 냉각할 필요 없이 수증기를 바로 액체로 압축할 수 있습니다. 그러면 증기가 액체로 응축되면서 잠열을 모두 방출합니다. 반대로 압력이 충분히 낮으면 액체 분자는 열이 전혀 필요하지 않아도 퍼집니다. 그러다 분자가 떨어져 나가 증발하면 주변에서 잠열을 흡수합니다.

하지만 여기에는 약간의 줄다리기가 생깁니다. 기체와 증기를 압축할 때 압력을 가하면 온도도 올라갑니다. 분자를 더 작은 공간에 밀어 넣거나(또는 같은 공간에 더 많은 분자를 넣으면) 분자 농도가 높아집니다 - 분자 사이가 더 가까워지고, 충돌은 더 자주 일어나며, 더 많은 운동 에너지가 그 공간에 집중됩니다.

그래서 여기서 복잡해집니다 - 압력을 높이면 서로 반대되는 효과가 생깁니다: 증기 분자는 함께 눌려 응축될 가능성이 커지지만, 동시에 온도도 올라가 응축될 가능성은 낮아집니다.

이제 압력 때문에 증기의 끓는점(또는 응축점)이 올라갔다는 것은, 이 새로운 고압 조건에서 증기를 기체 상태로 유지하려면 더 많은 에너지 투입과 더 높은 온도가 필요하다는 뜻입니다.

그러니 증기 자체의 온도가 바뀌지 않았다면, 압력이 추가된 상태에서는 새 끓는점 아래로 내려가 응축되기에 훨씬 가까워졌을 것입니다.

하지만 물론 증기 자체의 온도도 바뀌었습니다, 압력 때문에 역시 올라갑니다. 따라서 압력은 끓는점을 높이지만 증기의 온도도 높이고, 이와 동시에 오르는 온도는 응축 과정을 막아 증기가 계속 높아지는 끓는점보다 높은 온도에서 기체 상태를 유지하게 합니다.

증기를 실제로 응축시키려면 압력을 더 높여야 합니다 - 올라가는 끓는점이 동시에 오르는 온도를 앞지를 때까지 - 또는 열을 적극적으로 빼내 식혀서, 추가된 운동 에너지가 모두 흩어지고 온도가 새 끓는점 아래로 내려가게 해야 합니다.

이것은 온도, 끓는점, 압력이 얼마나 긴밀하게 연결돼 있는지 보여 줍니다. 1) 현열(또는 잠열) 에너지를 적극적으로 더하거나 빼거나 2) 압력을 바꿔서, 그 결과 잠열이 흡수되거나 방출되게 만들어 무언가의 온도(또는 상)를 강제로 바꿀 수 있습니다. 그리고 액체나 기체에 압력을 가하면 끓는점이 올라갑니다(즉, 증발하거나 응축되는 온도입니다).

물론 이 모든 것은 물 말고 다른 화합물에도 적용됩니다: 가압식 데오도란트 캔을 뿌리면 피부에 차갑게 느껴지는 이유입니다 - 분사되며 빠르게 감압되면 액체 에어로졸 분자(와 그 에너지)가 기체로 퍼질 수 있고, 온도가 급격히 떨어집니다.

히트펌프는 기존의 보일러, 온풍기, 전기히터처럼 열을 만들어내지 않습니다. 대신 이런 열역학 원리를 이용해 이미 있는 열을 자연스러운 흐름과 반대로 이동시킵니다. 즉, 밖에서 낮은 등급의 (즉, 넓게 퍼진) 열에너지를 모아 실내에 집중시키는 것입니다. 이는 폐쇄 순환 시스템 안의 냉매를 이용해 이뤄지며, 네 가지 핵심 부품이 작동을 이끕니다: 압축기, 팽창 밸브, 그리고 증발기와 응축기로 알려진 두 개의 열교환기입니다. 사실 이는 냉장고와 에어컨에 쓰이는 시스템과 정확히 같고, 단지 반대 방향으로 작동할 뿐입니다 (즉, 열을 밖으로 내보내는 대신 집 안에 모읍니다). 먼저 본질적으로 거꾸로 작동하는 에어컨인 공기-공기 히트펌프를 살펴보겠습니다:

• 1단계: 일반 대기압에서 냉매는 끓는점이 약 -50°C (-58°F)로 아주 낮습니다. 냉매는 아주 낮은 압력에서 끓는점에 가까운 매우 차가운 액체-증기 혼합물 상태로 순환을 시작합니다.
  냉매는 증발기라고 하는 관 코일을 지나며 실외 공기에서 열을 흡수하기 시작합니다 (팬이 공기를 코일 위로 불어 보냅니다). 냉매가 아주 차갑기 때문에, 밖이 비교적 추워도 열을 흡수합니다 - 영하(°C) 공기 온도에서도^† 가능합니다 - 공기가 냉매 자체보다는 따뜻하기만 하면 됩니다. 열을 흡수하면서 냉매는 따뜻해지고, 곧 낮은 끓는점을 넘어서 기체로 증발합니다. 이 과정에서 더 많은 에너지, 즉 잠열을 흡수합니다.
• 2단계: 이제 냉매는 낮은 압력의 완전한 기체 증기입니다. 여전히 비교적 차갑지만 (기껏해야 실외 공기 온도입니다), 추가로 흡수한 잠열 덕분에 상당한 양의 에너지를 담고 있습니다.
  그다음 냉매 가스는 압축기를 통과합니다. 이 장치는 가스에 압력을 가하고 압축해 분자를 더 가까이, 그리고 분자의 모든 에너지를 더 작은 공간에 밀어 넣습니다 (즉, 분자들이 더 자주 충돌해 운동에너지가 커집니다), 그러면 온도가 올라갑니다.
  바로 이 압축 과정이 증기를 뜨겁게 만듭니다. 이제 냉매는 꽤 뜨거워지며, 보통 약 50-70°C (120-160°F)입니다 - 끓는점도 높아졌지만 여전히 기체로 있을 만큼 뜨겁습니다.
• 3단계: 이후 냉매는 실내 장치로 들어가 응축기.라는 또 다른 코일을 통과합니다. 이제 냉매는 실내 공기보다 훨씬 뜨겁기 때문에 (에너지가 더 집중돼 있기 때문에), 열이 자연스럽게 방출돼 방 안으로 흘러갑니다. 그러면서 냉매는 식습니다. 응축기 코일의 높아진 압력 때문에 새 끓는점 아래로 내려가는 데는 많이 식을 필요도 없습니다. 그러면 냉매는 쉽게 다시 액체로 응축되고, 방 하나나 집 전체를 데울 만큼 많은 잠열을 방출합니다.
• 4단계: 이제 냉매는 대부분의 열에너지를 내보낸, 높은 압력의 시원한 (실온에 가까운) 액체이며, 압력을 낮추는 팽창 밸브를 통과합니다. 이 밸브는 관 안의 압력을 낮추고 냉매가 팽창하게 합니다 - 그래서 분자들이 퍼지고 남은 에너지가 바깥으로 흩어질 수 있습니다. 그러면 냉매는 다시 액체-증기 혼합물이 되고 갑자기 아주 차가워져, 다시 순환을 시작하고 증발기로 돌아가 더 많은 열을 모을 준비를 합니다.

이는 압력 조절, 상변화, 잠열을 이용하면 현열만으로 기본적인 온도 차를 통해 옮길 수 있는 양보다 훨씬 많은 에너지를 이동시킬 수 있음을 보여줍니다. 반대로 라디에이터 속 뜨거운 물은 느낄 수 있는 현열을 빠르게 흩어버리므로 (잠열에 비하면 상대적으로 아주 적습니다), 방 전체를 데우려면 라디에이터를 통해 더 많은 뜨거운 물이 계속 공급돼야 합니다. 히트펌프의 냉매 유량은 같은 양의 열을 전달하면서도 훨씬 낮을 수 있습니다. 다행히 히트펌프는 보일러와 물 기반 난방 시스템에 함께 연결해 라디에이터, 바닥난방, 가정용 급수에 순환하는 물로 열을 옮길 수도 있습니다 (히트펌프 종류 참조).

^† 참고: 온도가 0°C 아래여도 열 또는 열에너지는 여전히 존재합니다 - 단지 아주 넓게 퍼져 있을 뿐입니다. 0°C 자체는 일반 대기압에서 물의 녹는점/어는점을 기준으로 한 연속적인 온도 척도 (섭씨 온도) 위의 임의의 표시입니다. 따라서 섭씨 온도는 0 아래의 음수까지 내려갈 수 있습니다.

진정한 ‘절대영도’는 에너지의 절대 척도 (켈빈 온도)를 바탕으로 하며, 에너지가 절대 최소인 모든 물질이 이론적으로 도달할 수 있는 가장 낮은 온도를 뜻합니다. 켈빈 온도는 음의 에너지가 있을 수 없기 때문에 -273°C에 해당하는 0K 아래로 내려가지 않습니다. 이 온도보다 높다면 히트펌프는 이론적으로 작동할 수 있습니다. 실제로 현대 히트펌프는 -20°C (즉, 253K)만큼 차가운 공기에서도 에너지를 뽑아낼 수 있습니다. 이런 조건보다 높은 온도에서 성능이 나쁘다면, 보통 기술 자체보다 설계나 설치 문제 때문입니다.

히트펌프는 열을 만들어내는 대신, 전기를 써서 열을 한곳에서 다른 곳으로 옮깁니다. 반대로 기존 난방 시스템은 전기 저항(전기히터에 쓰이는 ‘저항 난방’)을 이용하거나, 온풍기나 보일러에서 석탄이나 가스 같은 화석연료를 태워 열을 만듭니다.

그래서 히트펌프는 훨씬 더 효율적입니다. 일반적인 가스 온풍기나 보일러의 효율은 기껏해야 약 90%에 이를 수 있습니다 - 연소 에너지 일부는 수증기가 나올 때 뜨거운 연기와 함께 빠져나갈 수밖에 없기 때문입니다(잡히지 않는 잠열 에너지의 형태로). 전기히터는 전력망의 전기 - 화석연료를 태워 만들고 발전소에서 변압기와 수 마일의 송전선을 거쳐 오는 전기 - 로 작동하므로, 현장 밖에서 쓰인 화석연료에 원래 들어 있던 화학 에너지의 약 40%만 활용합니다.

한편 히트펌프는 실내외 유닛의 팬을 돌리고 압축기에 전력을 공급하는 데 비교적 적은 양의 전기를 씁니다. 순환 회로 안의 냉매는 자연스럽고 자발적인 과정으로 상태가 바뀝니다 - 히트펌프는 그 일이 일어날 알맞은 조건만 만들어 줍니다. 따라서 잘 설계되고 -설치된 히트펌프는 전기로 소비하는 에너지의 3배가 넘는 에너지를 옮길 수 있습니다(즉, 300%). 이상적인 조건에서는(난방 시스템 참조), 효율이 5배를 넘고 많게는 8배까지 올라갈 수 있습니다(500-800%).

효율 = 에너지 출력(얻는 열) ÷ 에너지 또는 연료 투입량(돈을 내는 것)

사는 곳에 따라 전기 요금은 보통 가스 요금보다 훨씬 비쌉니다. 예를 들어 영국에서는 전기 가격이 가스의 약 3배입니다. 하지만 히트펌프는 300%가 넘는 효율로 작동할 수 있어서 가스 보일러보다 운영비가 쌀 수 있습니다 - 더 친환경적인 전력망과 정책으로 전기-가스 가격 격차가 줄고 전기 가격도 내려갈수록 특히 그렇습니다.

가장 싸고 효율적인 방법은 재생에너지 전기로 히트펌프를 돌리는 것입니다. 하지만 히트펌프가 화석연료-전력으로 작동하더라도, 기존 난방 시스템보다 더 효율적이고 저렴할 수 있습니다. 효율 지표가 2.5에 불과한 히트펌프는 발전소에서 태운 천연가스의 원래 에너지 중 40%만 쓸 수 있을지 모릅니다, 하지만 그 전력으로 소비하는 에너지의 2.5배를 옮기면 그 40%는 100%까지 올라갑니다 - 그래서 현장에서 가스를 태워 얻는 90% 효율도 넘어섭니다.

히트펌프 효율이 실제 성능과 운영비로 어떻게 이어지는지는 다음에 따라 달라집니다:

• 집 크기: 큰 집일수록 난방에 더 많은 에너지가 필요합니다.
• 단열: 단열이 잘된 집은 열을 잘 붙잡아 두고, 히트펌프가 더 낮고 효율적인 온도에서 작동하게 합니다.
• 시스템 설계와 설치: 설치가 부실하거나 오래된 기기는 성능이 나쁘고 보일러보다 비용이 더 들 수 있지만, 제대로 설치한 최신 기기는 상당한 비용을 아낄 수 있습니다.

여러 종류의 히트펌프가 있지만, 모두 같은 기본 원리를 씁니다. 가장 흔한 종류는 공기에서 열을 뽑아냅니다:

• 공기-공기 히트펌프는 기본적으로 거꾸로 작동하는 에어-컨디셔닝 시스템입니다. 둘 다 냉매가 들어 있는 각 코일 위로 팬이 공기를 불어 열을 흡수하거나 내보내는 두 개의 팬-코일 열교환기를 사용합니다. 에어컨과는 거의 차이가 없지만, 냉매가 열을 반대 방향으로 옮긴다는 점은 다릅니다 - 에어컨에서는 증발기가 실내에 있어 열을 흡수하고, 응축기는 실외에 있어 열을 내보냅니다.
  공기-공기 히트펌프는 방을 더 빨리 데울 수 있고, 때로는 냉방도 하도록 역방향 작동이 가능합니다. 여기서는 증발기와 응축기를 서로 바꿔 쓸 수 있고, 추가 밸브가 압축기를 거꾸로 돌릴 필요 없이 냉매의 흐름을 뒤집습니다. 이 방식은 에어컨과 제습 효과도 낼 수 있습니다: 증발기 코일은 주변에서 열을 흡수해 주변을 아주 차갑게 만듭니다 - 공기 중 수증기가 코일에 닿으면 응축돼 빠져나가고, 그 결과 방의 습도가 낮아집니다.
  가구 주변에 두기 쉽고 더 저렴하지만; 일반적으로 생활 공간에서는 덜 쾌적하고 (소음이 나고 바람이 세며 공기 흐름이 난류가 될 수 있고, 온도가 계속 너무 높거나 낮아질 수 있습니다), 집 전체에 열을 고르게 퍼뜨리기도 더 어렵습니다. 그래서 여러 방에 실내기를 여러 대 설치하거나, 건물 전체에 따뜻한 공기를 보내는 덕트 시스템이 필요한 경우가 많습니다. 게다가 급탕용으로는 여전히 다른 형태의 난방이 필요합니다.
• 공기-물 히트펌프는 코일이나 금속판 열교환기를 이용해 냉매의 열을 라디에이터와 바닥난방을 도는 물, 또는 급탕 탱크 안의 물로 옮깁니다 (이들은 별도 시스템입니다 - 라디에이터 물로 목욕하고 싶지는 않을 테니까요!). 이 시스템은 데워지는 속도도 느리지만 식는 속도도 느립니다. 그래서 더 편안하고 안정적인 환경에 잘 맞습니다. 이렇게 하면 온수 탱크를 에너지 저장 장치로도 쓸 수 있습니다. 하지만 훨씬 비싸고 배관과 라디에이터를 크게 교체해야 할 수 있습니다 (벽 공간을 차지하고 가구에 가려질 수 있습니다). 게다가 미국처럼 이미 습식 시스템이 설치돼 있지 않은 곳도 있습니다.
• 결합 시스템은 방에 따라 라디에이터와 팬-코일을 함께 쓸 수 있습니다. 예를 들어 욕실에는 라디에이터를 두고, 다른 방에는 팬 유닛을 둘 수 있습니다. 한편, 열회수 시스템은 여름에 에어컨 시스템이 보통 실외로 내보내는 열을 뽑아내 급탕을 데우는 데 대신 쓸 수 있습니다.

공기열 히트펌프 유닛도 여러 방식으로 구성됩니다:

• 스플릿 블록 유닛은 실내와 실외에 각각 하나씩 열교환기 유닛을 두는 방식으로, 전통적으로 가장 흔했습니다. 소음 방해를 줄이고 실내 공간을 덜 차지하도록 압축기와 팽창 밸브는 보통 실외 유닛에 들어갑니다. 냉매 배관은 실외에서 실내로 이어지며, 공간을 더 잘 활용하도록 유닛들을 서로 떨어뜨려 설치할 수 있습니다.
• 모노블록 유닛은 이제 점점 더 인기를 얻고 있습니다. 보통 공기-물 히트펌프인 이 방식은 두 열교환기와 냉매 회로 전체가 하나의 실외 유닛에 들어 있고, 배관이 뜨거운 물을 실내 라디에이터로 보냅니다. 이렇게 하면 집 안팎으로 드나드는 맞춤형 냉매 배관이 필요 없어져 시간, 비용, 위험을 줄일 수 있습니다.

공기열 히트펌프는 대부분의 조건에서 잘 작동하지만, -20°C 아래에서는 힘겨울 수 있습니다. 에어컨이 공기를 제습할 수 있는 것처럼, 겨울에는 물이 실외 코일이나 유닛에 응축되고 얼어 서리가 쌓일 수 있습니다. 이는 쉽게 해결할 수 있습니다 (예를 들어 시스템이 냉동 사이클을 자동으로 잠시 역방향으로 돌려 서리를 녹입니다) 하지만 시간이 지나며 평균 효율은 떨어질 수 있습니다 (새로운 능동 제상 또는 서리 방지 기술도 존재하지만요).

지열 히트펌프는 보통 더 효율적이고 낮은 온도에서도 효과가 좋습니다. 특히 난방이 가장 필요한 겨울에는 땅속 온도가 공기보다 더 안정적이고 일정하기 때문입니다. 이들은 컬렉터라 부르는 또 하나의 순환 유체 폐회로(보통 물과 부동액의 혼합물)를 써서 땅에서 열을 흡수하고 (냉방을 위해 역방향으로 작동할 때는 열을 땅에 내보내고) 증발기를 통해 냉매로 열을 옮깁니다. 컬렉터에는 크게 두 종류가 있습니다:

• 수평 배열은 얕은 도랑에 배관을 까는 방식입니다. 배관이 더 넓게 퍼질수록 (덜 밀집될수록) 더 많은 열을 뽑아낼 수 있어 더 효율적입니다. 이는 열을 너무 많이 뽑아 땅이 얼어버리는 위험도 낮춥니다 (이는 매우 큰 피해를 줄 수 있습니다). 가장 효율적인 컬렉터는 하나의 연속된 회로로 가능한 한 넓은 땅을 덮습니다.
• 수직 배열은 훨씬 적은 공간이 필요하고 땅속 깊이까지 들어갑니다 (기존 지하 기반시설이 허용하는 범위까지 - 지반 조사가 필요합니다!). 이들은 두 가지 방식으로 구성됩니다:
• • 폐회로 - 하나의 긴 배관 고리를 넣을 깊은 시추공을 뚫고, 그 뒤 되메움합니다. 각 시추공의 깊이에 따라 일반적인 주택에는 여러 개의 시추공이 필요할 수 있습니다.
  • 개방 회로는 대수층을 활용합니다, 즉 지하수를 컬렉터 회로를 도는 열-전달 유체로 직접 씁니다. 이들은 더 효율적입니다 (열전달 지점/장벽이 하나 적습니다) 하지만 더 높은 전문성과 유지관리가 필요합니다 (더러운 물은 시스템 필터를 정기적으로 청소해야 합니다).

지열 히트펌프는 열을 전달하고 보충할 땅속 물에 흔히 의존하며, 이는 토양의 공극률과 투수성에 달려 있습니다. 더 쉬운 방법은 수역에서 바로 열을 뽑아내는 것입니다.

수열 히트펌프는 지열 히트펌프보다도 더 효율적이고 안정적일 수 있으며, 같은 방식으로 폐회로 또는 개방 회로를 사용합니다: 물속을 지나는 별도의 폐회로 컬렉터 유체를 쓰거나, 열원을 이루는 물을 직접 씁니다 (이 역시 효율은 높이지만 정기적인 청소가 필요합니다). 물이 보충되는 속도 (따라서 이용 가능한 열이 보충되는 속도)는 중요합니다 - 인접한 물을 새로 채우는 활발한 흐름이 없는 고인 물보다 흐르는 물이 더 효과적일 수 있습니다. 효율을 극대화하고 이미 사용해 더 차가워진 물을 다시 순환시키지 않으려면, 상류에서 열을 얻고 사용해 열이 빠진 물은 하류로 내보내는 편도 좋습니다.

지열 및 수열 히트펌프는 설치 초기 비용이 훨씬 더 많이 들고 충분한 공간이나 물에 접근할 수 있어야 하지만, 더 높은 효율로 시간이 지나며 더 큰 운영비 절감 효과를 낼 가능성이 있습니다. 하지만 공기열 히트펌프도 크게 발전해 경쟁 구도가 평준화됐습니다 - 이제 열원의 온도와 안정성보다 수배관 설계와 난방 시스템 자체를 최적화하는 데 더 초점이 맞춰집니다.

시스템 센서와 제어:

• 스마트 온도조절기 - 난방을 껐다 켰다 반복하는 대신, 작은 조정으로 온도를 섬세하게 조절해 꾸준한 난방을 유지하는 데 도움이 됩니다.
• 외기온도 보상제어 - 실외 온도를 감지하는 센서를 이용해, 그 온도가 집 안 온도에 영향을 주기 전에 미리 난방을 조절합니다.

온수 시스템의 물 온도:

• 더 큰 라디에이터와 더 큰 물탱크는 같은 온도에서 더 많은 물, 따라서 더 많은 열에너지를 담을 수 있습니다. 즉, 더 작은 탱크나 라디에이터와 같은 양의 열을 저장하면서도 물 온도를 더 낮게 유지할 수 있습니다(즉, 열 밀도가 더 낮음). 그러면 물과 주변 환경의 온도 차이가 줄어들어 열 전달이 느려집니다. 이 때문에 시스템이 집을 데우는 속도는 느려지지만, 큰 라디에이터는 열을 내보내는 표면적도 더 넓어 느려진 전달 속도를 보완합니다. 또한 열을 더 꾸준히 전달하고 탱크와 연결 배관에서 생기는 원치 않는 낭비성 열 손실을 늦춰 안정성도 높입니다.
  또한 이렇게 하면 난방 시스템이 전반적으로 더 낮은 공급 온도에서 작동할 수 있습니다. 열이 물로 전달되려면 냉매가 물보다 더 뜨거워야 하므로, 물이 더 차가우면 냉매의 목표 온도도 더 낮게 유지할 수 있습니다. 열 전달을 일으키려면 열원은 항상 더 뜨거워야 하므로, 더 높은 공급수나 탱크 온도는 히트펌프를 더 뜨겁게 작동하게 만드는 반면, 더 낮은 공급수나 탱크 온도에서는 냉매 온도도 더 낮게 유지할 수 있습니다.
  냉매의 목표 온도가 낮아지면 히트펌프가 극복해야 하는 실외 열원과의 온도 차이도 작아집니다. 따라서 압축기는 냉매의 압력과 온도를 높이는 데 해야 할 일이 줄어들고, 전력 소비는 낮아지며 효율은 좋아집니다.
• 성층화(즉, 물탱크 안에 자연스럽게 온도 구배 - 또는 ‘수온약층’ - 가 형성되는 현상)는 냉매에서 열을 받는 물의 온도를 낮춰, 열 전달 속도를 높이거나 더 뜨거운 냉매의 필요성을 줄이는 데 도움이 됩니다. 따라서 더 무거운 차가운 물이 따뜻한 물 아래에 있는 탱크 바닥에 열교환기 코일을 두는 편이 좋습니다.
  이 때문에 이 수온약층을 더 뚜렷하게 만드는 길고 가는 원통형 탱크가 더 좋고, 집 안 라디에이터에서 돌아오는 차가운 물은 나머지 차가운 물과 함께 탱크 바닥으로 보내는 편이 좋습니다(탱크 안에 이미 있는 물이 섞이지 않도록 낮은 압력과 유속으로).

배관과 열교환기:

• 더 강력한 열교환기는 물을 더 빨리 데우거나 시스템 전체에서 더 작은 온도 차이로 물을 데울 수 있습니다. 예를 들어 더 길거나 리브가 있는 코일은 표면적이 더 넓어 열 전달을 높일 수 있습니다. 하지만:
• • 유로를 너무 길거나 좁게 만들면 냉매 흐름 속도가 제한되고, 따라서 열 전달도 줄어듭니다. 그러면 펌프는 더 열심히 작동해야 하며, 히트펌프 안 냉매에 필요한 입력 온도도 높아집니다.
  • 코일 내경을 너무 넓게 만들면 압력이 떨어지고 유체가 너무 느리게 이동해, 배관 가장자리에 단열층이 형성되어 열 전달을 제한하게 됩니다.
  
  이는 라디에이터까지 이어지고 라디에이터 내부를 지나는 물 배관과 코일에도 적용됩니다. 라디에이터에서의 열 전달은 최대화하고 연결 배관에서의 열 손실은 최소화하도록 배관을 세심하게 조정하고 균형을 맞춰야 합니다.

(Technology Connections & Heat Geek의 정보를 바탕으로 한 보너스 자료)