가스 히트펌프 GHP

가스 히트펌프 GHP (Gas engine-driven Heat pump)

가스 히트펌프는 가스(LNG, LPG)를 연료로 하여 냉난방을 수행하는 기기이다. 

가스엔진과 배열회수 열교환장치를 제외하면 전기식 히트펌프(EHP)와 거의 동일한 시스템이다. 

GHP는 가스엔진의 동력으로 구동되는 압축 압축기에 의해 

냉매를 실내기와 실외기 사이의 냉매관으로 흐르게 하여 액화와 기화를 반복시켜 

여름에는 냉방기로, 겨울에는 난방기로 이용한다. 

냉매는 R-22 , R-407C(신냉매)를 사용한다. 

냉방운전일 경우 팽창변을 지나 낮아진 냉매가 증발기(실내기)에서 실내공기와 열교환을 하여 실내를 냉방한다.

반대로 난방일 경우에는 압축기에서 토출한 냉매를 응축기(실내기)를 통해 실내 공기를 가열한다.

가스히트펌프(GHP)의 특징

GHP의 가장 큰 특징의 하나는 엔진의 배열을 유효하게 이용할 수 있는 것이다.

  

엔진 배가스(450 ～ 600 ℃)및 엔진 냉각수 보유열(70 ～ 95 ℃)을 이용하여 

히트펌프로부터 얻어진 50 ～ 60 ℃의 온수를 더 높은 70 ～ 90 ℃ 정도까지 가열 , 승온시킬 수 있다 . 

- 겨울철 제상운전이 불필요

- 실내온도에 따라 엔진 회전수를 컨트롤

- 항상 쾌적한 실내온도 유지

EHP(전기모터에 의한 히트펌프)나 보일러 등과 같은 다른 열원 방식에 비해 열수지(heat balance) 를 계산해 보면 

엔진 구동 열펌프 시스템은 다른 시스템에 비해 1.4 ～ 3 배에 달하는 에너지 이용 효율을 보인다. 

그리고 가스 냉방이 가능한 이점으로 인해 동일 용량의 EHP 대비 전기 소비량은 1/10 정도, 운영비는 약 70% 정도 수준이다.

- 낮은 전기소비량

- 저운전비로 높은 경제성

 전기히트펌프(EHP)와 비교할 때 가스히트펌프(GHP)의 장단점은 다음과 같다. 

2차에너지인 전력을 기준으로 기기효율을 계산하는 COP는 가스히트펌프가 낮지만, 

1차에너지로 환산을 하면 

종합효율은 가스히트펌프가 더욱 높다.

가스히트펌프는 

하나의 실외기에 여러대의 실내기를 연결할 수 있다.

실내기와 실외기의 위치, 고저차에 따른 능력변화이다. 

^[각주:1]

GHP는 건물규모가 500 ~ 5,000 m2가 적당하다. 

아래 그림에서 보는 바와 같이 가스엔진의 동력으로 구동되는 압축기에 의해 고온 고압의 기체상태로 된 냉매(R-22)는 실외 열교환기에서 응축되면서 방열을 하게된다.

 액냉매는 팽창밸브를 지나면서 압력과 온도가 강하되고 다시 실내 열교환기에서 증발되면서 공기로부터 증발열(흡열)을 빼앗아 냉방이 되도록 해준다. 

난방시는 사방밸브를 사용하여 사이클을 냉방사이클과 반대로 해준다. 압축기에 의해 고온 고압의 기체상태로 된 냉매가 실내 열교환기를 지나면서 실내 공기를 데워주고(방열) 냉매는 응축된다.

 즉 실내 공기는 냉매의 응축열만큼 열을 흡수하여 가열되는 것이다. 응축된 냉매는 팽창밸브를 지나면서 압력과 온도가 강하되고 실외 열교환기에서는 외부 공기로부터 열을 흡수하여 냉매가 증발된다. 

GHP의 가장 큰 특징은 가스엔진에서 발생되는 연소배열(Exhaust gas)과 엔진 냉각수의 열을 회수하여 열효율을 높일 수 있는 점이다. 이러한 폐열을 이용하는 방 법에 따라 시스템 구성이 달라지고 열효율에도 큰 영향을 미친다.

대표적인 폐열 이 용방식으로는 냉매직접가열형, 공기예열이용형, 폐열직접이용형이 있다. 냉매직접가 열형은 배기가스와 열교환을 거친 고온의 냉각수로 실외 열교환기(증발기)를 거쳐 나온 냉매를 직접 가열하여 압축기로 보내 난방효율을 높여주는 방식으로 냉방시에 는 압축기에서 토출된 고온의 냉매를 냉각시켜줌으로서 실외 열교환기(응축기)에서 의 응축능력을 높여 시스템의 성능을 향상시켜준다. 

 

압축기를 구동하는 원동기로 전동모터를 사용하는 전기구동 히트펌프(Electric Heat Pump)와는 달리 

엔진을 사용하는 가스엔진구동 히트펌프(Gas Engine Driven Heat Pump)를 줄여 GHP라고 합니다.

가스히트펌프 역사

가스엔진구동 열펌프(Gas Engine-Driven Heat Pump)는 1852년 W. Thomson에 의해 개념이 정립되기 시작하였으나 당시 압축기나 냉매의 부재로 실현되지 못하였고, 

1870년경에 이러한 개념을 도입한 식품냉동보관용 냉동장치가 개발되었다. 

1910년경에는 암모니아를 냉매로 사용하는 냉동기가 개발되었고,

1930년대에는 염화메칠을 이용한 소형냉동기가 출현하였다. 

1940년경에서야 비로소 오늘날 보편적으로 사용되는 CFC계 냉매인 R-12를 사용하는 냉동기가 개발되었다.

1930년대 이전에는 수요부재로 인하여 열펌프 산업이 크게 성장하지는 못하였으나 

1930년대 경제공황으로 특히 유럽에서 열펌프에 대한 관심이 고조되어 

1943년까지는 냉 난방과 폐열회수 등 산업전반에 급속히 응용되었다.

1950년경에는 미국과 영국에서 지열을 이용하는 열펌프 시스템이 개발 운용되었고,

1951년에는 영국의 Merlin 항공사 엔진을 이용하여 도시가스를 연료로 하는 열펌프가 개발되었다.

1960년대 초반에 미국에서는 공기 대 공기 열펌프가 개발되어 시판되었으나 판매가 장 이루어지지 않아 성능향상에 노력한 결과 압축기의 성능개선이 이루어졌다. 

1970년대에 발생한 오일쇼크를 계기로 열펌프는 에너지절약형 기기로 인식되어 전기모타 구동방식이 아닌 다른 에너지원을 사용하는 시스템의 개발이 본격화되었다.

1990년 대 열펌프 분야에서는 WEC, IEA 등의 주도하에 신냉매, 새로운 작동사이클 등의 개발이 매우 활동적으로 이루어지고 있다. 

가스엔진구동 열펌프는 1949년 영국의 Royal Festival Hotel에 최초로 500HP급 이 설치되었고, 

오일쇼크 이후에 독일과 일본에 의해 본격적으로 연구개발이 이루어 졌다.

독일의 경우 Ficthel & Sachs, Man, Volkswagen 등이 개발에 참여하여 만족할만 한 성과를 거두었고, 

일본의 경우 1981년부터 3개 가스회사(동경가스,오사카가스,동 방가스), 5개 엔진제작사 및 7개 전장업체가 규합하여 연구개발을 수행한 결과 큰 성공을 거두었다. 일본에서는 1987년 GHP가 출시된 이래 10년간 39기종이 개발되어 누적보급용량이 774천RT로 전체 가스냉방용량의 11.7%를 차지하였다

특히 3,000m2미만의 소형빌딩의 경우 동경가스 공급지역을 예로 들면 가스냉방용량 407천 RT중 63%인 258천RT를 GHP가 차지하여 소형냉방기 시장에서의 독특한 입지를 구 축하였다.

공기예열이용형은 난방시 배가 스 열교환기를 통하여 냉각수의 온도를 높여 실외 열교환기(증발기)로 유입되는 공 기를 가열시켜줌으로서 제상효과(defrost)와 더불어 시스템 성능을 높여준다. 냉방시 에는 단순히 방열기로 사용하거나 별도의 설비를 부착하여 급탕에 이용하기도 한다. 폐열직접이용형은 엔진의 폐열을 별도의 열교환기를 이용하여 응축기를 지나는 2차 작동유체와 열교환시킴으로서 난방이나 급탕에 이용한다.

1. http://yoonseong.syn.co.kr/catalog.pdf [본문으로]