히트펌프는 어떻게 쓴 전기보다 더 많은 열을 낼까?

무에서 나오는 열?

이 상자는 무에서 열을 만드는 듯 보입니다. 전기 1단위를 넣으면 반대편으로 열이 약 3단위 나옵니다. 하지만 여기서 생겨나는 건 없습니다. 모자란 에너지는 집 밖 차가운 공기 속에 버젓이 있습니다. 유체가 부품 네 개를 도는 한 바퀴를 따라가 보면, 더 나온 열은 수수께끼가 아닙니다.

열을 만드는 난방기

대부분이 이미 아는 난방기부터 봅시다. 전기 히터는 저항선에 전류를 흘리고, 저항선은 그 전기 에너지를 열로 바꿉니다. 1단위가 들어가면 열 1단위가 나오고, 저항선만으로는 그 이상이 불가능합니다. 가스보일러는 대신 연료를 태우고, 내놓는 열은 그 연료에 담긴 에너지를 넘지 못합니다.

두 기계 모두 열을 만듭니다. 히트펌프는 주로 이미 있는 열을 옮깁니다.

차가운 공기에도 열이 있다

절대영도보다 따뜻한 것은 모두 열에너지를 품고 있습니다. 절대영도는 약 영하 273도입니다. 그러니 손이 시린 0도의 공기도 그 바닥보다 한참 위에 있습니다. 문제는 열이 저절로는 따뜻한 쪽에서 차가운 쪽으로만 흐른다는 점입니다.

차가운 바깥 공기의 열을 따뜻한 방으로 옮기려면 무언가가 열을 오르막으로 밀어야 합니다. 전기값은 바로 이 밀어 올리는 일에 드는 겁니다.

영하에서 끓는 액체

히트펌프 안을 도는 작동 유체를 냉매라고 합니다. 냉매는 물이 어는 온도보다도 낮은 온도에서 끓기 때문에 골라 씁니다. 흔한 냉매인 알삼십이는 대기압에서 약 영하 52도에 끓습니다. 끓으면 열을 빨아들입니다. 끓는 물이 더 뜨거워지지 않으면서 불의 에너지를 계속 받아들이는 것과 같죠.

그래서 실외 코일 속 냉매가 바깥 공기보다 차가우면, 냉매가 끓으면서 그 공기의 열을 뽑아냅니다. 팬이 바깥 공기를 코일에 불어 열이 계속 들어오게 합니다.

압축기

이제 냉매는 붙잡은 열을 실은, 차갑고 압력 낮은 기체입니다. 압축기는 전기가 일을 하는 곳입니다. 압축기는 기체를 더 작은 부피로 눌러 담고, 그 일 덕분에 기체의 압력과 온도가 올라갑니다. 압축기를 나온 기체는 이제 데울 방보다 뜨겁습니다.

이것이 전기의 힘으로 열을 오르막으로 미는 과정입니다.

실내로 흘러나가는 열

뜨거운 기체는 실내 코일로 갑니다. 방 공기보다 뜨거우니 열이 저절로 빠져나갑니다. 냉매는 그 열을 내주면서 다시 액체로 응축됩니다. 팬이나 물 배관이 그 열을 송풍구, 라디에이터, 바닥을 통해 방으로 보냅니다.

팽창 밸브

액체는 아직 고압이라, 지나야 할 관문이 하나 더 있습니다. 팽창밸브가 좁은 틈으로 액체를 저압 쪽으로 내보냅니다. 압력이 갑자기 떨어지면 냉매가 훨씬 차가워집니다. 다시 차가워진 냉매는 주변 공기보다 차가운 채로 실외 코일로 돌아갑니다.

그리고 시스템이 도는 동안 이 순환이 반복됩니다.

3단위는 어디서 오나

이제 에너지 계산이 맞아떨어집니다. 이 예에서 실내로 온 열 3단위 중 1단위는 압축기를 거쳐 전기로 들어왔습니다. 나머지 2단위는 차가운 코일에서 바깥 공기로부터 모은 것입니다. 공학자들은 전달한 열과 전기 일의 비율을 성능계수, 줄여서 씨오피라고 부릅니다.

이 예의 씨오피는 3입니다. 국제에너지기구는 보통 가정용 히트펌프의 씨오피를 4 안팎으로 봅니다. 에너지는 만들어지지 않습니다. 전기로 사는 건 열의 운반이고, 운반은 만드는 것보다 쌉니다.

비율에 상한이 있는 이유

하지만 이 비율이 끝없이 커지지는 못합니다. 물리학은 두 온도, 즉 열이 오는 곳과 가는 곳의 온도로 정해지는 상한을 둡니다. 완벽한 가역 히트펌프라면, 상한은 뜨거운 쪽 온도를 온도 차로 나눈 값입니다. 온도는 절대영도부터 잽니다.

바깥 0도, 실내 20도인 교과서 예에서 그 이상적인 상한은 약 14.7입니다. 바깥이 10도로 따뜻해지면 상한은 대략 두 배인 약 29가 됩니다. 실제 기계는 그보다 훨씬 낮습니다. 코일이 열을 빨리 옮기려면 온도 차가 더 필요하고, 압축기와 팬도 에너지를 잃으니까요. 쓸모 있는 교훈은 이 식의 모양입니다.

기계가 열을 끌어올려야 하는 온도 차가 클수록 상한은 낮아집니다.

가장 추운 날

그 차이는 집에 열이 가장 필요할 때 가장 큽니다. 바깥이 추울수록 공기열 히트펌프는 열을 더 높이 올려야 해서 씨오피가 떨어집니다. 학술지 줄에 실린 2023년 논평은 측정값 약 2,700개를 모았습니다. 유럽, 북미, 중국의 현장 연구 일곱 건에서 히트펌프 약 550대를 잰 값입니다.

5도에서 영하 10도 사이에서 이 시스템들의 평균 씨오피는 2.74였습니다. 그 범위에서 모든 연구의 평균이 2.4 이상이었습니다. 추운 기후용 두 모델을 핀란드에서 영하 30도로 시험했습니다. 한 모델은 전기 1단위당 열 1.5에서 2단위를, 다른 모델은 1에서 1.5단위를 냈습니다.

겨울 비용이 하나 더 있습니다. 어는점 근처에선 실외 코일에 서리가 낄 수 있어, 이를 녹이는 데 에너지를 더 씁니다. 많은 공기열 시스템은 가장 추운 때를 위한 보조 히터도 있는데, 전기 보조 히터는 처음의 저항선처럼 1을 넣으면 1이 나옵니다.

보조 난방이 있던 현장 연구에서는 대개 바깥이 영하 10도쯤 아래로 내려갈 때만 켜졌습니다.

추운 나라는 이미 쓰고 있다

추운 기후만으로 보급이 막히진 않았죠. 국제에너지기구는 노르웨이 건물의 약 60퍼센트에 히트펌프가 있다고 보고했습니다. 스웨덴과 핀란드는 그 비율이 40퍼센트가 넘었습니다. 겨울 난방이 선택이 아닌 곳들입니다.

실내 온도도 중요하다

온도 차의 다른 끝은 집 안에 있습니다. 오래된 난방 시스템 다수는 섭씨 60에서 70도의 물을 돌립니다. 그런 뜨거운 물을 대는 히트펌프는 열을 더 높이 올려야 해서 효율이 떨어집니다. 그래서 시공자들은 라디에이터를 키우거나, 바닥 난방을 넣거나, 단열을 보강하기도 합니다.

단열이 잘 된 집은 더 낮은 공급 온도로도 따뜻하게 유지돼, 안쪽에서부터 온도 차를 줄입니다.

효율과 요금은 다르다

씨오피가 높다고 난방비가 저절로 줄지는 않습니다. 요금은 집에 필요한 열의 양, 한 철 전체의 씨오피, 그리고 대체하는 연료에 비한 전기 가격에 달려 있습니다. 미국 에너지부의 계산 예를 하나 봅시다.

연간 씨오피 3인 히트펌프가 연료의 80퍼센트를 열로 바꾸는 가스 퍼니스를 대신하면, 효율이 가스 퍼니스의 3.75배입니다. 그래서 같은 양의 에너지로 따져 전기값이 가스값의 약 3.75배보다 싸면 운전비가 덜 듭니다. 전기가 그보다 비싼 곳에선 에너지를 훨씬 덜 써도 히트펌프 운전비가 더 들 수 있습니다.

설치비가 또 다른 장벽입니다. 국제에너지기구에 따르면 주요 난방 시장 대부분에서 가장 싼 공기 대 물 히트펌프도 보조금 전 가격이 가스보일러의 2배에서 4배입니다. 냉매 누출도 중요합니다. 일부 냉매는 강력한 온실가스이기 때문입니다.

그래도 이 기구는 지금 냉매로도 히트펌프가 가스보일러보다 온실가스를 최소 20퍼센트, 전기가 깨끗한 곳에선 최대 80퍼센트 줄인다고 추정했습니다.

두 가지 예외

모든 히트펌프가 바깥 공기에서 열을 가져오지는 않습니다. 지열과 수열 히트펌프는 흙, 지하수, 가까운 강에서 열을 얻는데, 이것들은 겨울에 대개 공기보다 따뜻합니다. 온도 차가 작으니 씨오피가 높고, 실외 코일 서리를 녹일 필요도 없습니다. 대가는 비용입니다. 지중 배관에는 깊은 시추공이나 넓게 묻은 배관망이 필요하니까요.

같은 기계는 거꾸로도 돌 수 있습니다. 사방밸브가 두 코일의 역할을 바꿔서, 여름엔 실내 코일이 열을 모으고 실외 코일이 내보냅니다. 에어컨처럼요.

확인할 네 가지 조건

그러니 이 상자는 물리 법칙을 깨지 않습니다. 전기 1단위로 온도 차를 넘어 열을 나를 뿐입니다. 그 1단위가 나르는 열은 따져 볼 수 있는 네 가지에 달렸습니다. 사는 곳 바깥이 얼마나 추운지.

집 안 물이나 공기가 얼마나 뜨거워야 하는지. 건물이 열을 얼마나 잘 붙드는지. 그리고 대체하는 연료에 비해 전기값이 얼마인지. 온도 차를 줄이면 전기 1단위가 집 안으로 더 많은 열을 옮깁니다.