환경 친화적이고 효율적인 프로판 히트펌프

2018년 9월 4일

프라운호퍼 소사이어티

열 펌프는 환경 에너지를 사용하여 우리에게 열을 제공합니다. 그러나 일반적으로 환경에 유해한 불화 온실 가스(F-가스)를 포함하는 합성 냉매가 필요합니다. 프라운호퍼 연구진이 프로판 대신에 히트펌프를 개발하는 데 기여했다. 펌프는 기후 친화적이고 효율적입니다.

"난방과 온수는 독일 최종 에너지 소비의 약 40%를 차지합니다. 천연가스나 원유와 같은 고품질 화석 연료를 태우는 것은 에너지 측면에서 별 의미가 없을 뿐만 아니라 기후에도 해를 끼칩니다. 작동에 필요한 각 단위의 전기 에너지 종종 재생 가능한 자원에서 파생되는 열 펌프는 3~5 단위의 CO2 중립 열에너지를 생성합니다. 이는 열 펌프가 지속 가능한 에너지 시스템으로의 독일 전환을 구현하는 데 중요한 요소가 되게 합니다."라고 작업을 조정하는 Marek Miara 박사는 말합니다. 프라이부르크에 있는 프라운호퍼 태양 에너지 시스템 ISE 연구소의 열 펌프.

열 펌프는 냉장고와 비슷한 방식으로 작동합니다. 냉매는 냉장고 내부의 열을 흡수하여 외부로 운반합니다. 차이점은 냉장고 뒷면에서 자유롭게 빠져나오는 열이 열 펌프가 추출하는 열(이 경우 땅, 지하수 또는 주변 공기)이 집이나 물을 가열한다는 것입니다.

이를 달성하기 위해 가열되고 기화된 냉매가 압축되어 온도와 압력이 상승합니다. 뜨거운 냉매 가스는 열을 물로 방출하여 응축됩니다. 따뜻한 물은 바닥 난방 시스템, 라디에이터 또는 온수 저장 탱크로 흘러 들어가는 반면, 이제 냉각된 액체 냉매는 소위 증발기로 다시 흘러 들어가 다시 열 에너지를 흡수합니다. 그러면 사이클이 처음부터 다시 시작됩니다.

대부분의 경우 냉매는 환경에 유해한 불화 온실가스(F-가스)를 함유한 합성 물질의 혼합물로 구성됩니다. 2014년 6월, 유럽연합 집행위원회는 F-가스를 시장에서 단계적으로 퇴출하겠다고 발표했습니다. 합성 냉매에 대한 환경 친화적이고 자연적인 대안 중 하나는 프로판입니다. 프로판은 이미 에어컨 및 냉동 시스템에서 인기를 얻고 있습니다. 그러나 열 펌프에서의 사용은 여전히 ​​상대적으로 새로운 것입니다.

프로판은 뛰어난 열역학적 특성을 갖고 있음에도 불구하고 가연성이 매우 높아 열 사이클에 사용할 때 문제가 됩니다.

"프로판을 사용하려면 관련 위험을 최소화하기 위해 냉매의 양을 가능한 한 낮게 유지해야 합니다."라고 Fraunhofer ISE의 ​​냉난방 기술 부서 책임자인 Lena Schnabel 박사는 말합니다.

ISE 연구원과 유럽 연구 파트너의 솔루션은 소량의 액체에서도 잘 작동하는 매우 콤팩트하고 납땜된 핀형 열교환기를 사용하는 것입니다. 열에너지는 열 교환기를 통해 하나의 흐르는 물질에서 다른 물질로 전달됩니다. 이는 열을 흡수하거나("기화기"로 알려짐) 열을 방출("응축기")하는 순환 냉매를 포함하는 수많은 평행 채널로 구성됩니다. "액체는 작동 길이에 걸쳐 완전히 기화하거나 재응축해야 합니다. 효율적인 작동을 보장하려면 증기-액체 비율이 모든 채널에서 동일해야 합니다. 일반적으로 이는 달성하기 쉽지 않으며, 다음과 같은 경우 특히 까다로워집니다. 냉매의 양을 제한하려고 합니다."

문제를 해결하기 위해 Schnabel과 그녀의 팀은 생체 공학적 구조를 가진 분배기를 개발했습니다. "기존 벤투리 분배기는 기화기와 만나는 곳에서 합쳐지는 많은 얇은 튜브로 만들어진 스파게티 더미처럼 보입니다. 우리의 분배기는 다릅니다. 연속적으로 분기됩니다. 작은 양의 냉매를 사용해도 냉매가 개별 증발기 채널로 고르게 분포되도록 하는 나무 가지와 나뭇가지와 같은 구조입니다." 이러한 구조를 통해 열교환기 전체 표면을 최적으로 사용할 수 있어 효율성이 향상됩니다.