안녕하세요. 오늘은 열기관 또는 열펌프(히트펌프)의 성능 또는 효율을 나타내는 지표인 열효율, 성적계수, 통합성능계수에 대해 알아보려고 합니다. 현장에서 냉동기를 입고 시킬 때 항상 확인하는 것이 바로 성적계수와 같은 장비 스펙인데요. 이번 시간을 통해 보다 정확하게 파악할 수 있도록 정리해 보겠습니다.
1. 열기관(Heat Engine)과 열효율
1) 열기관
열기관이란 "높은 온도의 고열원으로부터 상대적으로 낮은 온도의 저열원으로 열이 이동하면서 발생하는 열에너지를 기계적인 일로 변환하는 장치"이다. 쉽게 말해서 고열원에서 저열원으로 이동하며 방출된 열에너지를 일에너지로 바꾸는 장치라고 이해하면 된다. 열기관의 예로는 자동차의 디젤엔지, 가솔린 기관, 증기기관 등이 있다.
보통 고열원에서부터 공급받은 열을 QH, 공급받은 열로 한 일 W, 저열원으로 방출되는 열 QL이라고 하면 다음과 같은 수식이 성립된다. 그리고 열에너지(Q)는 온도(T)와 엔트로피의 변화량(△S)의 곱으로 나타 낼 수 있는데 이 수식을 적용하게 되면 아래와 같은 수식을 얻을 수 있다.
- TH : 고열원의 온도
- TL : 저열원의 온도
- S : 엔트로피
- QH : 고열원에서 공급받은 열 (TH·△S)
- W : 고열원에서 공급받은 열로 한 일
- QL : 저열원으로 방출되는 열 (TL·△S)
2) 열효율
열효율(μ)은 열을받아 한 일을 (W)을 고열원에서 공급받은 열(QH)로 나눈 값을 의미하고, 위 수식에서 한 일(W)은 QH와 QL의 차로 나타 낼 수 있기 때문에 다음과 같이 수식을 변형할 수 도 있다. 보통 열효율이 좋다는 것은 공급받은 열(QH)을 일(W)로 많이 바꿀 수 있다는 것을 의미한다. 추가로 온도(T)와 엔트로피(S)를 적용하면 아래와 같이 수식을 변형할 수 있다.
2. 열펌프(Heat Pump)와 성적계수(COP)
1) 열펌프(Heat Pump)
열펌프(히트펌프)란 열기관과 달리 열을 저열원에서 고열원으로 이동시켜주는 장치이다. 급수펌프가 물을 낮은 곳에서 높은 곳으로 보내는 것처럼 열을 낮은 곳에서 높은 곳으로 올린다고 하여 열'펌프'라고 한다. 열을 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동시키는 것은 열역학 제2법칙을 위배하기 때문에 반드시 외부로부터 "일"을 받아야 한다. 그리고 그 일은 바로 펌프를 통해 발생된 일을 의미한다. 열펌프(히트펌프)의 예로는 냉동기, 냉장고, 에어컨 등이 있다.
고열원으로 방출된 열을 QH, 펌프를 통해 한 일 W, 저열원에서 흡수된 열 QL이라고 하면 열기관과 마찬가지로 다음과 같은 수식이 성립된다.
- QH : 고열원으로 방출된 열
- W : 펌프를 통해 열로 한 일(외부에서 해준 일)
- QL : 저열원에서 흡수된 열
2) 성적계수(COP, Coefficient of Performance)
성적계수는 열펌프의 효율을 나타내는 지표로서 QH(고열원으로 방출된 열) 또는 QL(저열원에서 흡수한 열)을 W(펌프로 한 일)로 나눈 비를 의미한다. 여기서 QH를 W로 나누느냐, QL을 W로 나누느냐에 따라 열펌프(히트펌프)의 성적계수는 두 가지의 관점으로 나눌 수 있다.
① 냉방성적계수 (COPc, cooling) : 저열원에서 열이 흡수되어 온도가 낮아진 경우의 효율 (에어컨 실내기 쪽)
② 난방성적계수 (COPh, heating) : 고열원으로 열을 방출하여 온도가 올라간 경우의 효율 (에어컨 실외기 쪽)
냉방성적계수(COPc)와 난방성적계수(COPh)는 다음과 같은 관계식이 성립하며, 냉방성적계수(COPc)에 +1을 하면 난방성적계수(COPh)가 나오는 것을 알 수 있다.
3. 통합성능계수(IPLV)
위에서 정리한 열펌프의 성능계수(COP)는 열펌프의 100% 부하를 기준으로 한다. 그러나 실제 열펌프를 가동하면 항시 100%의 부하로 작동하지 않고 부분부하의 실운전조건에서 작동하는 경우가 많다. 따라서 COP에서 부분부하 조건을 결합하여 효율을 표기한 치수가 바로 통합성능계수이며 2018년부터는 IPLV를 사용하므로 선정된 냉동기의 스펙을 보게 되면 IPLV가 계산되어 나온다. 통합성능계수의 식은 다음과 같다.
- A : 100%의 전부하 상태에서의 에너지 사용량
- B : 75%의 부분부하 상태에서의 에너지 사용량
- C : 50%의 부분부하 상태에서의 에너지 사용량
- D : 25%의 부분 부하 상태에서의 에너지 사용량
위 수식을 좀 더 쉽게 풀어서 이야기하면 전부하 100%시 능력(운전시간 1%), 부하 75%시 능력(운전시간 42%), 부하 50%시 능력(운전시간 45%), 부하 25%의 능력(운전시간 12%)의 조건으로 COP를 조합하여 산정한 값을 통합성능계수(IPLV)라고 한다.
이렇게 열기관에서의 열효율, 열펌프에서의 성적계수(COP), 그리고 통합성능계수(IPLV)의 개념 정리를 해보았습니다. 열원장비 선정 시 항상 나오는 개념이며, 특히 흡수식 냉동기를 발주하거나 지역난방 조건부승인을 받을 때 꼭 확인해야 하는 부분이므로 이번 기회에 확실히 정리하면 좋을 듯합니다. 다음에는 다른 정보로 찾아뵙겠습니다.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다.
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