히트펌프는 추운 바깥 공기에서 어떻게 열을 가져올까?

사람이 춥다고 느끼는 공기도 열을 줄 수 있다

겨울 바깥 공기가 차갑다는 것은 우리 몸이나 따뜻한 방에 비해 온도가 낮다는 뜻입니다. 그 공기보다 더 차가운 물질이 있다면, 공기에서 그 물질로 열이 이동할 수 있습니다. 히트펌프는 이 온도 차이를 만듭니다.

관건은 냉매의 압력입니다. 물이 언제나 같은 조건에서 끓는 것은 아니듯, 냉매가 액체에서 기체로 바뀌는 온도도 압력에 따라 달라집니다. 히트펌프는 실외 쪽 냉매의 압력을 낮춰 낮은 온도에서도 냉매가 증발하도록 합니다. 그러면 냉매가 자신보다 따뜻한 바깥 공기에서 열을 받아 기체로 바뀔 수 있습니다.

즉, ‘추운 공기에서 열을 얻는다’는 말은 공기가 우리에게 따뜻하다는 뜻이 아닙니다. 공기와 냉매 중 어느 쪽이 더 따뜻한가가 열 이동을 결정합니다. 이 설명은 에너지부 안내서가 제시한 저압 냉매의 실외 증발 과정을 온도 차이의 관점에서 풀어 쓴 것입니다.

냉매가 한 바퀴 돌며 하는 일

순환에는 시작점이 없지만, 냉매가 실외로 들어가기 직전부터 따라가면 이해하기 쉽습니다.

1. 팽창밸브에서 압력을 낮춥니다. 팽창밸브는 냉매가 높은 압력 쪽에서 낮은 압력 쪽으로 넘어가게 하는 장치입니다. 이 과정을 거친 냉매는 온도가 낮아져 실외 공기에서 열을 받을 준비를 합니다.
2. 실외 열교환기에서 열을 받습니다. 열교환기는 냉매와 공기가 서로 섞이지 않으면서 열을 주고받는 부분입니다. 낮은 압력의 냉매는 바깥 공기에서 열을 흡수하며 증발합니다.
3. 압축기에서 압력과 온도를 높입니다. 이제 기체가 된 냉매를 압축합니다. 차가운 실외에서 받아온 열을 따뜻한 방에 전달하려면 실내 쪽에서는 냉매가 충분히 뜨거워야 합니다. 압축기가 전기를 사용해 이 조건을 만듭니다.
4. 실내 열교환기에서 열을 내놓습니다. 뜨거워진 냉매가 실내에 열을 전달하며 다시 액체로 응축합니다. 응축은 기체가 액체로 바뀌는 과정입니다. 냉매는 다시 팽창밸브로 돌아갑니다.

실외에서는 열을 받기 좋게, 실내에서는 열을 내놓기 좋게 냉매의 상태를 바꾸는 셈입니다. 압축기와 팽창밸브가 압력 차이를 만들기 때문에 한 냉매가 두 장소에서 서로 다른 역할을 할 수 있습니다. 위 순환의 근거는 미국 에너지부 안내서의 공기열원 히트펌프 설명입니다.

전기는 열을 옮기는 데도 필요하다

열을 가져온다고 해서 전기가 필요 없는 것은 아닙니다. 압축기 등을 움직이는 데 전기가 듭니다. 다만 전기난로처럼 전기를 열로 바꾸는 방식과는 작동 원리가 다릅니다. 히트펌프는 외부에 있던 열을 실내로 운반합니다. ENERGY STAR의 공기열원 히트펌프 안내도 연료를 태우는 대신 전기로 열을 이동시키는 장치라고 설명합니다.

이 차이를 알면 집의 난방을 검토할 때 질문도 구체적으로 바뀝니다. 단순히 ‘전기를 쓰는 난방인가’만 볼 것이 아니라, 우리 지역의 추운 날씨에서 해당 장치가 필요한 난방량을 공급할 수 있는지, 그때 전기를 얼마나 쓰는지 확인해야 합니다. 같은 열 이동 원리를 쓰더라도 제품의 설계와 용량, 설치·운전 조건에 따라 실제 성능은 달라집니다.

따라서 이 원리만으로 어느 집의 난방비가 얼마 줄어든다고 계산할 수는 없습니다. 원리는 열을 옮기는 방법을 설명하고, 실제 비용은 그 집에 필요한 난방량과 장치의 운전 성능, 적용 요금까지 알아야 판단할 수 있습니다.

추운 날 작동한다는 말과 충분히 난방한다는 말

공기에서 열을 얻는 원리가 성립한다고 해서 모든 히트펌프가 모든 겨울 날씨에서 같은 성능을 내는 것은 아닙니다. 추운 지역의 가정이라면 ‘히트펌프가 저온에서도 작동한다’는 일반 설명을 해당 제품의 난방 능력으로 바꾸어 읽지 않아야 합니다.

예를 들어 ENERGY STAR는 미국의 냉대 기후용 인증 제품을 화씨 5도, 약 영하 15도까지 시험한다고 안내합니다. 그보다 더 낮은 기온에서는 보조 열원을 함께 쓰는 것이 효율적일 수 있다는 안내도 덧붙입니다. 이는 미국 인증과 사용 안내의 맥락입니다. 영하 15도가 모든 히트펌프의 작동 한계라는 뜻도, 한국의 모든 집에서 보조 난방이 필요해지는 기준이라는 뜻도 아닙니다. ENERGY STAR 원문에서 제품별 저온 성능을 구분하는 이유를 확인할 수 있습니다.

다음에 히트펌프 난방 뉴스를 보면 두 가지를 나누어 읽으면 됩니다. 첫째는 냉매의 압력을 조절해 바깥에서 열을 받아오는 공통 원리입니다. 둘째는 특정 기온에서 특정 제품이 공급하는 난방량과 소비 전력이라는 제품별 조건입니다. 첫째를 이해하면 추운 공기에서도 난방할 수 있는 이유가 풀리고, 둘째를 확인하면 그 난방이 우리 집의 겨울에 맞는지 판단할 근거가 생깁니다.