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히트펌프는 저온의 열을 흡수하여 고온으로 열을 끌어 올린다는 의미로 펌프가 유체를 이송시키는데 사용된다면 히트펌프는 열을 높은 곳에서 낮은 곳으로 오는 반대로 열을 운송하는 기계장치이다. 히트펌프를 가동하여 응축기에서 방출되는 고온의 열을 난방 및 온수에 이용하고 증발기에서 차가워진 냉열을 냉방에 이용하는 기계장치로 구동에 필요한 동력에너지보다 훨신 더 많은 에너지를 열에너지 형태로 공급하는 에너지 절약적인 열공급 장치이다.
 
 
냉각된 액체상태의 냉매가 낮은 압력 상태인 증발기로 들어가면 액체에서 기체로 증발한다.(A) 주변의 공기나 물의 열을 전달하여 차갑게 한 후에 냉매가 증발된다. (B) 압축기에 의하여 압축되어 증발된 기체는 압력과 온도가 올라간다. 고온에 높은 압력의 상태의 기체가 (C) 주위의 공기나 물에 열을 전달하고, 응축기 안에서 낮은 온도에서 냉매를 응축하여 액체로 된다. 이 액체의 냉매가(D)가 응축기로부터 팽창밸브로 냉매가 흐른다.
 
히트펌프는 열전달이 한 물질에서 다른 물질로 이루어지는 것을 기본으로 착안한 것이다. 또한 냉동장치를 구성하고 있는 압축기, 응축기, 증발기 및 팽창밸브는 일반 에어컨과 구성장치가 같다. 단지 두개의 열교환기 기능을 전환시켜 냉방뿐만 아니라 난방을 할 수 있는 냉동사이클로 전환할 수 있다는 것이다.
그림에서 공기에서 물로, 또한 반대로 열전달 되는 것으로 이것이 냉방모드이다. 앞에서 검토한 것과 같이 압축기에서 압축된 고압의 냉매가스가 냉매와 물의 열교환기로 이동하여 냉방모드에서 응축기로 같은 기능을 하고, 이 열교환기에서 열이 냉매가 증발하여 낮은 온도의 물로 되고, 냉매는 응축되어 액체로 변한다.
액체냉매는 팽창밸브로 흘러가 냉매의 압력과 온도가 감소되어 냉매가 증발을 하면서 냉매와 공기의 열교환기에서 냉방모드의 경우에 증발기 기능을 한다.
 
열교환기에서 냉매는 뜨거운 공기에서 열을 흡수하고, 냉매는 증발한다. 증발된 냉매는 압축기로 다시 들어가 압축을 한다. 즉 다시 반복해서 압력과 온도가 증가한다.
 
히트펌프는 난방모드에 있어서 기능을 전환하는 전환밸브가 설치되어 있다. 난방모드에서는 그림에서와 같이 고온 고압의 냉매가 압축기에서 압축이 되어 전환밸브의 조작에 의하여 냉매와 공기의 열교환기로 이동한다. 이때에 난방모드에서 냉매와 공기의 열교환기는 응축기 역할을 하고, 열은 기체의 냉매에서 낮은 온도의 공기로 이동한다. 공기는 가열되었고, 냉매는 액체로 응축이된다.

액체의 냉매는 팽창밸브를 거쳐서 냉매와 물의 열교환기로 이동하고, 이때에 열교환기는 난방모드에서 증발기 역할을 하여 냉매와 물의 열교환기에서는 냉매가 상대적으로 온도가 높은 물에서 열을 흡수하여 증발이된다. 증발된 전환밸브를 거쳐서 압축기로 돌아가는 사이클이 반복된다. 전환밸브는 히트펌프에서 배관과 제어에서 냉방과 난방의 기능을 수행할 수 있도록 하는 역할을 한다.

냉동기 내의 냉매의 변화상황을 상세하게 알기 위하여 냉매의 상태를 도시한 선도
선도상에서 냉동기의 능력, 소요동력 등을 계산 가능
압력-엔탈피 선도 (P-h diagram) : 모리엘선도(Mollier diagram)
응축 및 증발 열량, 압축일의 열당량이 엔탈피의 차로 표시
압력과 온도의 변화에 따른 엔탈피 차를 구하는데 편리 → 가장 많이 사용
온도-엔트로피 선도 (T-s diagram)
변화 중에 수수한 열량이 면적으로 표시 → T dS = delta Q
압력이나 엔탈피의 값을 읽는 것이 불편 → 별로 사용치 않음
 

증기의 비체적과 밀도
냉매증기의 온도가 높으면 비체적이 감소, 밀도 증가 → 단위부피의 흡입량에 대해 질량유량이 증가
질량유량 (mass flow, kg/s)
냉매의 시간당 질량유량은 냉동기의 냉동능력과 동력소요양의 결정 인자
압축기 흡입압력 강하 → 평행온도 저하, 극간체적효율 저하 및 비체적 증대로 질량유량 감소 → 냉동기 성능 저하
 
개념



냉동기는 증발온도, 응축온도 소요동력 등이 시스템마다 모두 다르기 때문에 냉동기의 성능 비교시 일정한 조건을 정할 필요가 있다. (응축온도=30℃ , 증발온도=-15℃ , 과냉각도=5℃)


단점 : 고온형이든 (초)저온형이든 획일적이므로 실제의 값과는 차이가 많이 발생함.
싸이클도


증발온도=-15℃ , 응축온도=30℃ , 과냉각도 = 5℃기준으로 왼쪽과 같이 작도함.
 
냉동효과, 냉동력, 냉동량(kcal/kg) : q = ho-hi   ho : 증발기 입구의 엔탈피,hi : 증발기 출구의 엔탈피
체적냉동효과(kcal/㎥) : qv = (ho-hi)/v    여기서, v : 압축기 흡입측의 냉매의 비체적
냉동능력(kcal/h) : 시간 개념이 포함됨.   Q = G(ho-hi) 여기서, G : 냉매유량(kg/h)
냉동톤(Ton of Refrigeration ; RT)
국제 냉동톤(JRT, RT, CGS 냉동톤, CGSRT) = 3,320 kcal/h
 
0℃의 순수한 물 1Ton(1,000kg)을 1일(24시간) 만에 0℃의 얼음으로 만드는데 제거해야하는 열량.
얼음의 융해열이 79.7kcal/kg 이므로, 1국제 냉동톤(JRT ,RT) = 79.68kcal/kg × 1000kg/24hr = 3,320 kcal/h
USRT(미국 냉동톤, 영국 냉동톤) = 3,024 kcal/h
 
32℉의 순수한 물 1Ton(2,000Ib)을 1일(24시간) 만에 32℉의 얼음으로 만드는데 제거해야하는 열량.
얼음의 융해열이 144 Btu/Ib 이므로, 1USRT = 144 Btu/Ib × 2000Ib/24hr =12,000 Btu/h = 3,024 kcal/h
제빙톤 : 25℃의 물 1Ton(1,000kg)을 1일(24시간) 만에 -9℃의 얼음으로 만들때 제거해야할 열량 (1제빙톤 = 1.65RT)
 
개요
기준 냉동Cycle(표준 냉동싸이클)에서의 능력을 말함.
'고압가스 안전관리법'에 저촉 여부를 결정하기위한 계산방법으로 가장 많이 활용되어진다.
계산법
물리적 계산법
 
         피스턴 압출량(V) × 냉동효과
R = --------------------------------------- × 체적효율
     비체적(-15℃의 건조포화증기) × 3,320
여기서, 체적효율은 압축기 1개 기통 체적이,
* 5,000㎤ 이하 ---> 0.75,
* 5,000㎤ 초과 ---> 0.8을 각각 적용한다
고압가스 안전관리법에서의 계산법
 
      V
R = ----
      C

R = 냉동능력 (냉동톤 , RT),   V = 피스톤 압출(토출)량 (㎥/h)
C = 기체상수 (고압가스 안전관리법에 냉매 종류별로 정해져 있음)
      일반적으로 1개의 기통체적 5,000㎤ 이하의 실린더 에서는 기체상수
      (R-22;8.5 , R407C;9.8 , R410A;5.7, NH3;8.4)

Refrigerant 화학식 분자량 비등점 동결점 임계
온도
임계
압력
임계
체적
Refrative
Index of
번호 명칭 - - 101.325kP
a,℃
kPa L/kg Liquidb.c
704 Helium He 4.0026 -268.9 None -267.9 228.8 14.43 1.021(NBP)
546.1nm
702n Hydrogen
(normal)
H2 2.0159 -252.8 -259.2 -239.9 1315 33.21 1.097(NBP)
579.1nm
702p Hydrogen
(para)
H2 2.0159 -252.9 -259.3 -240.2 1292 31.82 1.09(NBP)f
720 Neon Ne 20.183 -246.1 -248.6 -228.7 3397 2.07 -
728 Nitrogen N2 28.013 -198.8 -210 -146.9 3396 3.179 1.205(83 K)
589.3 nm
729 Air - 28.97 -194.3 - -140.53 3785 3.31
740 Argon Ar 39.948 -185.86 -189.3 -122.49 4860 1.88 1.233(84K)
589.3 nm
732 Oxygen O2 31.9988 -182.962 -218.8 -118.569 5042.9 2.293 1.221(92 K)
589.3 nm
50 Methane CH4 16.04 -161.5 -182.2 -82.5 4638 6.181
14

Tetrafluoro
methane

CF4 88.01 -127.9 -184.9 -45.7 3741 1.598
1150 Ethylene C2H4 28.05 -103.7 -169 9.3 5114 4.37 1.363(-100)l
503 R-23/13
(40.1/59.9)
- 87.5 -88.7 - 19.5 4182 2.035
170 Ethane C2H6 30.07 -88.8 -183 32.2 4891 5.182
744A Nitrous oxide N2O 44.02 -89.5 -102 36.5 7221 2.216
23 Trifluoro
methane
CHF3 70.02 -82.1 -155 25.6 4833 1.942
13 Chlorotrifluoro
methane
CCIF3 104.47 -81.4 -181 28.8 3865 1.729 1.146(25)4
744 Carbon 
dioxide
C02 44.01 -78.4d -56.6e 31.1 7372 2.135 1.195(15)
13B1 Bromotrifluoro
methane
CBrF3 148.93 -57.75 -168 67 3962 1.342 1.239(25)4
504 R-32/115
(48.2/51.82)
- 79.2 -57.2 - 66.4 4758 2.023
32 Difluoro
methane
CH2F2 52.02 -51.8 -136 78.4 5830 2.326
125 Pentafluoro
ethane
C2HF5 120.03 -48.57 -103.15 66.3 3630.6 - -
1270 Propylene C3H6 42.09 -47.7 -185 91.8 4618 4.495 1.3640(-50)l
502 R-22/115
(48.8/51.2)
- 111.63 -45.4 - 82.2 4075 1.785
290 Propane C3H8 44.1 -42.09 -187.7 96.7 4248 4.53 1.3397 (-42)
22 Chlorodifluoro
methane
CHClF2 86.48 -40.76 -160 96 4974 1.904 1.234(25)4
115 Chloropenta
fluoroethane
CCIF2CFI 154.48 -39.1 -106 79.9 3153 1.629 1.221(25)4
717 Ammonia NH3 17.03 -33.3 -77.7 133 11417 4.245d 1.325(16.5)
500 R-12/152a
(73.8/26.2)
- 99.31 -33.5 -159 105.5 4423 2.016
12 Dichlorodi
fluoromethane
CCI2F2 120.93 -29.79 -158 112 4113 1.792 1.288(25)4
134a Tetrafluoro
ethane
CF3CH2F 102.03 -26.16 -96.6 101.1 4067 1.81 -
152a Difluoro
ethane
CHF2CH3 66.05 -25 -117 113.5 4492 2.741
40 Methyl 
chloride
CH3Cl 50.49 -12.4 -97.8 143.1 6674 2.834
124 Chlorotetra
fluoroethane
CHFCICF3 136.47 -13.19 199.15 122.5 3660 - -
600a Isobutane C4H10 58.13 -11.73 160 135 3645 4.526 1.3514(-25)l
764 Sulfur  dioxide SO2 64.07 -10 -75.5 157.5 7875 1.91
142b Chlorodifluoro
ethane
CClF2CH3 100.5 -9.8 -131 137.1 4120 2.297
630 Methyl  amine CH3NH2 31.06 -6.7 -92.5 156.9 7455 1.432(17.5)
C318 Octafluoro
cyclobutane
C4F8 200.04 -5.8 -41.4 115.3 2781 1.611
600 Butane C4H10 58.13 -0.5 -138.5 152 3794 4.383 1.3562(-15)l
114 Dichlorotetra
fluoroethane
CCIF2CCIF2 170.94 3.8 -94 145.7 3259 1.717 1.294(25)
21 Dichlorotluoto
methane
CHCI2F 102.92 8.9 -135 178.5 5168 1.917 1.332(25)4
160 Ethyl chloride C2H5CI 64.52 12.4 -138.3 187.2 5267 3.028
631 Ethyl amine C2H5NH2 45.08 16.6 -80.6 183 5619
11 Trichlorofluoro
methane
CCI3F 137.38 23.82 -111 198 4406 1.804 1.362(25)4
123 Dichlorotri
fluoroethane
CHCl2CF3 152.93 27.87 -107.15 183.79 3674 - -
611 Methyl formate C2H4O2 60.05 31.8 -99 214 5994 2.866
141b Dichlorofluoro
ethane
CCl2FCH3 116.95 32 - 204.2 4250 -
610 Ethyl ether C4H10O 74.12 34.6 -116.3 194 3603 3.79 1.3526(20)
216ca Dichlorohexa
fiuoropropane
C3CI2F6 220.93 35.69 -125.4 180 2753 1.742
30 Methylene
chloride
CH2Cl2 84.93 40.2 -97 237 6077 1.4244(20)3
113 Trichlorotri
fluoroethane
CCI2FCCIF2 187.39 47.57 -35 214.1 3437 1.736 1.357(25)4
1130 Dichloroethylene CHCI=CHCI 96.95 47.8 -50 243.3 5478
1120 Trichloroethylene CHCI=CCl2 131.39 87.2 -73 271.1 5016 1.4782(20)
718 Water H2O 18.02 100 0 373.99 22064 3.11

국가의 '전력산업발전' 이바지
발전소 신규 건설억제 및 발전설비 운전효율 증대에 기여
한국전력회사의 전력수요관리에 원활
최대 전력수요 억제 및 분산에 기여
 
 
정속운전으로 효율적인 열원기기 운전가능
에너지 절감효과 탁월
 
 
심야전력 공급 2008.01.01 시행

구분

심야전력(갑) 심야전력(을)
축열방식 전축열방식 부분축열방식
기본요금 없음
5,710(원/KW) × 기타시간 사용량
-----------------
총사용량
월 최저요금 : 570원/kW
전력량요금 겨 울  철 : 52.1원
기타계절 : 37.9원
심야시간 - 겨 울  철 : 52.1원
            기타계절 : 37.9원
            기타시간 : 70.6원
설치형태 패키지형, 설비형 설비형
권장장소 주택, 오피스텔,원룸아파트, 음식업소,
기타 공공시설 등
중·대형건물, 병원, 기숙사, 교회,
시설재배하우스 등
겨울철 : 11~2월, 기타계절 : 3~10월
심야시간 : 23시~09시, 기타시간 : 09시~23시

수축열 시스템은 야간(밤시간대, 23:00~익일 09:00)에 심야전력을 사용하여 냉수(또는 온수)를 축열조에 저장하였다가 주간(낮 시간대, 09:00~23:00)에 냉방(또는 난방)에 이용하는 중앙공급방식의 시스템이다.
수축열 시스템에서의 중요 설계포인트는 냉수(또는 온수)를 물의 온도에 따른 밀도차를 이용하여 물을 분리, 저장하는 분배기(Diffuser)설계기술수축열 시스템의 운전제어 기술에 있다.
 
 
축열조의 에너지 이용 효율이 높고, 열원기기의 효율이 향상
4~5℃의 냉수를 사용하므로 냉방효과가 우수
수축열조에 저장한 냉수를 직접 공급하므로 부하대응성이 우수
기존 냉동기, 냉각탑 등의 장비를 수축열 시스템으로 적용가능
재난 및 화재시 수축열조의 물을 비상용수 또는 소방용수로 활용
냉·난방 동시 공급 등 다양한 복합 시스템을 구현할 수 있음
축열조는 건축면적에 포함되지 않음
 
축열조 축조 및 설치공간이 크게 필요함
수축열조의 수질관리가 필요함

원통형, H형, 라인(Line)형 등의 형태로 구성


이론 : 물은 4℃근처에서 최대밀도를 갖기 때문에 가장 무겁고, 온도가 높을수록 밀도가 작아져 가벼워진다.
따라서, 하부 5℃, 상부 15℃의 온도차 10℃에 의한 밀도차(差)에 의해 성층화가 가능하다.
 
 
축냉&방냉운전

   
  야간에 부하측으로 공급할 냉수를 저작하는 탱크
콘크리트, 철(steel), PDF 등의 재료로 제작
  4~5℃의 냉수를 생산하는 열원기기
스크류, 터보등의 압축기를 사용
  냉동기의 응축열을 배출하기 위한 장비
대향류형, 직교류형, 압입송풍형 등의 형태로 제작
  열원기기와 축열조 및 냉각탑과의 유체 순환용
인라인, 볼류트 펌프 등의 사양
냉동기, 축열조 및 부하측의 온도를 제어하기 위한 자동제어밸브
 
한국전력공사 자료

연면적(평)

구분 축냉식(A) 가스식(B) 차이(A-B) 지원금 투자비회수기간
1,000 투자비 99,134 69,713 29,421 17,600 3.0년
운전비 11,690 15,548 3,858  
3,000 투자비 238,614 161,470 77,144 52,800 2.8년
운전비 34,974 43,533 8,559  
5,000 투자비 346,870 205,021 141,849 98,520 2.7년
운전비 55,576 71,203 15,627  
10,000 투자비 648,560 393,267 255,293 166,140 2.7년
운전비 107,219 140,030 321,811  
20,000 투자비 1,385,200 917,948 468,252 296,550 2.5년
운전비 203,826 271,778 67,952  

공공기관에서 발주하는 연 건축면적 3천제곱미터 이상인 신건축물에 대해서는 건축공사비의 5%이상을 신·재생에너지 설치에 투자하도록 의무화하고 있다.
(신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급촉진법 제12조2항)

 
건축물에 중앙집중 냉방설비를 설치할 때에는 해당건축물에 소요되는 주간 최대 냉방부하의 60%이상을 수용할 수 있는 용량의 축냉식 또는 가스를 이용한 중앙 집중식 냉방방식의 설비를 갖추어야 함(산자부 고시 제92-44호)
 

연면적(평)

대상건축물
10,000㎡ 중앙집중식 냉난방 설비를 설치 건축물(학교, 공연장)
3,000㎡ 업무시설, 판매시설, 연구소
2,000㎡ 숙박시설, 기숙사, 유스호스텔, 병원
1,000㎡ 실내수영장, 일반목욕장, 특수목욕장
 


관공서 대상 : 지방보급보조사업(사업은 자금신청후 차년도 가능)
민간대상 : 일반보급보조사업(당 해년도 가능), 100만호 그린 빌리지 사업(마을단위)
 

한전에서 인정하는 축냉설비를 설치하여 심야전력을 공급받는 고객에 대하여 감소전력에 따라 지급

감소전력

처음200kW 201~400kW 400kW초과 상한액
지급단가 48만원/kW 42만원/kW 35만원/kW 없음
설계사무소에 대한 설계장려금 지급(한전 무상지원금의 5%)
축열조 용량 1RT.h당 약3.5~4.8만원
 


소요자금의 80%이내를 저리로 융자
동일건물당 100억원까지 지원가능(변동금리 3.5%적용, 3년거치 5년분할상환-폐열, 2007년 기준)
 
설비투자 금액의 10%에 해당하는 금액을 과세연도의 소득세(법인세)에서 공제

 
 
 
 
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