최근 수정 시각 : 2022-08-01 14:46:52

히트펌프


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1. 개요2. 종류
2.1. 목적에 따른 분류2.2. 수단에 따른 분류2.3. 원리에 따른 분류
3. 성능
3.1. 지구 온난화의 해결수단
4. 유관 기관5. 기타

1. 개요

특정 장소의 열을 다른 곳으로 옮기는 데 사용하는 기계. 냉동 기관이라고도 한다. 열은 열평형에 도달할 때까지 자연적으로 고온에서 저온으로 흐르는데, 히트펌프는 이를 거슬러 저온에서 고온으로 열을 퍼올리는 장치다.

18~26℃( 에어컨, Air conditioner), -100~4℃( 냉장고, Refrigerator), 26~140℃(히트펌프, Heat pump)로 사용하는 목적과 생산하는 온도영역별로 나누어, "따뜻한 공기와 물을 만들어내는 목적"에 한정해서 좁은 의미로 히트펌프라고 하기도 한다.

2. 종류

2.1. 목적에 따른 분류

  • 둘 다 이용가능하지만 한 번에 한 쪽만 이용 - 에어컨 (여름엔 냉방, 겨울엔 난방)

  • 에어컨 - 히트펌프는 냉난방 모두 이용할 수 있으므로 필요하다면 (예컨대 에어컨으로 여름엔 냉방, 겨울엔 난방하기) 응축기(발열)-증발기(흡열)의 역할을 바꾸고자 '냉매를 거꾸로 돌리면'(reversible) 된다. 다만 팽창밸브-열교환기는 출입구가 따로 없지만, 압축기는 출입구가 분명 구분되므로 거꾸로 돌릴 수 없다. 이를 위해서 4-way 밸브를 이용해 냉매의 흐름을 바꾸면서 압축기에서의 흐름 방향은 같게 만든다.
  • 전기교통수단( 전기자동차, 전동차, 수소자동차 등)의 냉난방 및 방열 - 기존 화석연료 교통수단의 엔진 폐열에 비하면 배터리나 연료전지의 폐열이 매우 적으므로, 히트펌프를 이용하여 겨울철 난방을 한다.[2] 여름철 냉방, 겨울철 난방 부하는 전기교통수단의 주행거리를 40~50%나 감소시킬 수 있어, 히트펌프의 효율이 전기교통수단의 주요 성능지표가 되기도 한다. 또한 히트펌프의 부피가 전기교통수단의 상당량을 차지한다.
  • 식수 제조 - 2004년, 스페인의 한 발명가가 '공기에서 식수 만드는 장치'라는 스타트업 회사을 차렸으며 2021년 8월에 로이터에 소개되었다. # # 히트펌프(에어콘, 제습기)의 차가운 부분에 맺히는 물을 한국처럼 물이 풍부한 나라는 그냥 배수관을 달아 버리지만, 건조한 국가들에선 식수로 팔아도 될만큼 경제성이 나온다는 것. 소형 (0.75 마력) 마력은 하루 75리터, 2대형(20 마력)은 하루 10,000리터의 물을 만들 수 있으며 #, 온도 40도에 습도 10~15%인 지역에서 하루 5000L의 물을 제공할 수 있을 거라고.
  • 냉동수면 - 냉동수면은 수십년의 지속적인 히트펌프의 가동을 필요로 한다.
  • 컴퓨터 쿨러, 데이터센터 냉각 - 컴퓨팅에 100의 에너지가 들면, 냉각에 30~60의 에너지가 든다. 즉 냉각효율이 곧 데이터센터 에너지효율.
  • 한국지역난방공사 - 한국은 일정 규모 이상의 아파트단지나 신도시는 국가 에너지 차원에서 천연가스 화력발전소에 기반한 지역 냉난방을 의무화하고 있다. 신도시들의 '열병합발전소 주거근접 반대' 등의 플래카드와 논쟁이 이와 관련 있다. 첫번째 반론은, 앞으로 인구감소 등으로 빈집도 늘어날텐데 집마다 개별난방을 하는 것이 낫지 않겠느냐는 반론이다. 2018년 고양 백석동 온수배관 파열 사고로 더욱 이런 반론이 거세졌다. 두번째 반론은, 천연가스 화력발전소를 신설하는 것은 탄소를 배출하므로 금지되어야 한다는 것이다. 다만 화력발전소와 달리 태양광발전 등은 지역난방을 할만큼의 열이 생기진 않는다. 따라서 천연가스 화력발전소 대신 그 자리에 열을 많이 배출하는 데이터센터를 설치하는 등의 창의적 접근이 필요하겠다.
  • 에너지 저장 체계 - 간헐적이고 불규칙적인 신재생에너지의 보급으로 인해, 2020년대 ESS가 필수요소로 주목받고 있는데, 전기화학적 방식으로는 지역-국가 단위의 대규모 저장은 어려워[3], 유력한 한 방식으로 주목받고 있다. 히트펌프 사이클로 전기를 고온-저온 형태로 저장하고, 이 온도차를 이용해 다시 발전하는 방식.
  • 산업용 증기 생산 - 산업분야에서 온수 및 증기를 만드느라 소비하는 에너지가 절반을 넘는다. 이를 생산함에 있어 보일러가 아닌 히트펌프를 쓰자는 것. 히트펌프는 냉각하는 열교환기도 갖게 되는데, 이를 통해선 공장의 방류수도 냉각이 가능하다. 환경규제상 40도 이하로 물을 낮춰야 해서 (안 그러면 하천의 물고기가 익는다) 기존엔 저류조에 뒀다가 방류하거나, 양식을 하기도 했다.

2.2. 수단에 따른 분류

  • 사용하는 매체에 따라 '공랭식 히트펌프', '수랭식 히트펌프', '유랭식 히트펌프'라고 한다. 냉각 문서 참고. 2016년 알파고는 기존의 CPU가 아닌 TPU를 이용했는데, 발열량을 공랭으로 감당할 수 없어 유랭을 도입했다.
  • 사용하는 열원에 따라 '공기열 히트펌프', '지열 히트펌프', '수열 히트펌프'라고 한다. 사용 목적의 반대편인 열을 버리거나 가져올 열원을 공기로 하느냐(우리가 흔히 접하는 냉장고-정수기의 뒤통수, 에어콘의 실외기), 땅으로 하느냐, 하천으로 하느냐를 의미한다. 대한민국 기준 지열 히트펌프는 2017년 포항 지진 이후 투자가 급감했고, 수열 히트펌프는 같은 해 2017년 롯데월드타워의 완공으로 투자가 늘었다.

2.3. 원리에 따른 분류

대학교 공과대학 기계공학과의 열역학에서 배울 수 있다.
  • 증기 압축 사이클 방식: 가장 기본적인 히트펌프의 시스템이다. 전기 에너지 또는 내연기관의 연소를 통해 압축기가 회전하는 운동 에너지를 만들고, 폐회로에서 냉매가 압축과 팽창을 반복하며 상변화로 흡열과 발열을 반복하는 방식이다.
    1. 압축기: 기체상태의 냉매가 압축되면서 압력-온도가 증가한다. 압축기의 동력은 일반적으로 전기를 사용한다. 일반 가전인 에어컨-냉장고-정수기 등은 기름-LPG-LNG를 동력으로 하는 방식은 소음, 내구성, 설치유지의 어려움[4]으로 인해 잘 사용하지 않는다. 딱 하나 일반인들이 흔히 보는 것 중 가스를 이용해 내연기관 힘으로 돌리는 히트펌프(GHP, Gas Heat Pump)가 있으니, 바로 자동차용 에어컨이다.

    2. 응축기 (열교환기1): 기체상태의 냉매가 상대적으로 온도가 낮은 2차유체[5]로 열을 방출하여, 액체가 된다.[6]

    3. 팽창밸브: 액체상태의 냉매가 감압되면서 압력-온도가 감소하고, 기체와 액체가 공존하는 상태가 된다.[7]

    4. 증발기 (열교환기2): 저온 상태가 된 냉매는 상대적으로 온도가 높은 2차유체[8]로부터 열을 흡수하여, 기체가 된다.

    5. 압축기: 증발기를 나온 냉매는 다시 압축기로 들어가 위의 사이클을 반복한다.
  • 흡수식(Absorption) 방식: 전기가 아닌 열을 이용해 구동한다. 효율은 증기압축식보다 낮지만 대용량이 가능해 신도시 지역냉난방에 도입한다. 대표적으로 2011년 마곡도시개발사업이 있다. #
  • 열전소자(Thermo-electric) 방식: 펠티어 소자 문서 참고. 1993년에 김치냉장고(...) 적용 사례도 있었으나, 대용량으론 경제성이 없다는 결론이 나온다. 와인셀러나 미니냉장고 정도에 적용되어 '무소음 냉장고'를 마케팅하기도 한다. 소니가 '입는 에어콘'이라며 티셔츠의 등 쪽에 붙이는 형태의 제품 'REON POCKET'을 출시하기도 했다. #
  • 자기(Magnetic) 방식: 전자레인지의 역방식은 아니다(...). 자성을 띈 물질이 자기장에 들어가거나 나올 때 온도 변화가 있는데, 차가워졌을 때 냉각이 필요한 물질에 접촉하고, 뜨거워졌을 때 열을 방출할 물질에 접촉시키는 방식이다.
  • 열-음향(Thermo-acoustic) 방식: 비활성 기체가 담긴 통을 사용한다. 음파를 쏘면 공명하는 위치에 따라 온도가 다르게 분포되므로, 이를 이용한다.
  • 막(Membrane) 방식: 2014년 미국 DOE에서 COP를 10을 넘겨 크게 주목받았다. 그냥 제습냉방-증발냉각의 연장으로 보기도 한다. #
  • 열탄성(Thermo-Elastic) 방식: 고무줄을 늘리면 뜨거워지듯, 탄성체를 늘리거나 줄이며 발생하는 흡열-발열을 이용하려는 방식.

3. 성능

냉장고, 에어컨 등의 냉난방능력이 소비전력보다 큰 것을 보고 히트펌프의 효율이 100%를 넘는다고 착각하는 사람들이 존재한다. 훌륭한 위키러라면 이런 발언은 하지 않도록 하자. 열역학 제1법칙을 생각해보면 알 수 있듯이 효율은 절대 100%를 초과할 수 없고, 열기관에서 이론상 최대의 효율을 뽑아낼 수 있는 카르노 기관을 생각해봐도 100% 이상의 효율은 말이 되지 않는 것을 알 수 있다. 이는 사람들이 냉장고나 에어컨이 냉방을 수행할 때에는 외부에 뱉어내는 열이 있다는 사실을 간과하기 때문이며, 사실 냉방은 에너지를 빼앗는 행위인데, 이것을 에너지 효율 계산에서 분자에 올린다는 것 자체가 넌센스이다.

그렇기 때문에 히트펌프의 경우에는 일반적인 열효율 공식을 사용하지 않고 성능계수(COP, Coefficient of Performance)를 이용한다. COP는 투입한 에너지 대비 얻은 효용으로, 냉방이 목적인 경우에는 냉방부하/투입전력, 난방이 목적인 경우에는 난방부하/투입전력 으로 계산한다.
  • 일반적인 가정/차량의 냉장고/에어컨은 COP가 4~6 가량인데, 이는 1의 전기를 투입하여 3~5만큼 냉방하고 4~6만큼 난방을 한다는 것이다. 이를 COP 4~6 또는 냉방COP 3~5라고 일컫는다.
  • 가스로 열을 만들면 100의 1차에너지로 95~99의 열을 생산하고(일부 손실), 전기로 열을 만들면 100의 1차에너지로 30~40의 열을 생산한다(발전 효율). 하지만 히트펌프는 그 40의 전기로 100을 이상의 열을 얻을 수 있다. COP가 3이면 120의 난방과 80의 냉방을, COP가 4면 160의 난방과 120의 냉방을 제공하는 식.
파일:cop5.png
"COP = 5"의 의미

순간의 COP보단 계절 내지 일정 기간 전체의 평균이 더 중요하므로, 계절난방성능지표 (SCOP, Seasonal coefficient of performance), 기간에너지소비효율 (SPF, Seasonal performance factor) 계절에너지효율등급 (SEER, Seasonal Energy Efficiency Ratio) 등의 지표가 상업적으로 더 쓰이기도 한다.

여담으로, 여름철 냉방이 시원찮다면 실외기에 물을 뿌리거나 통풍을 막지 않는 한에서 그늘을 만들어주는 것이 성능을 높이고 전기를 아끼는 팁이 될 수 있다. 히트펌프는 응축기-증발기의 온도 차가 클수록 효율이 떨어진다. 여름철 외부 온도가 뜨거워지면, 열을 방출하기 위해 실외기는 그보다 더 고온이 되어야 하고, 히트펌프의 온도 차가 커지면서 효율이 떨어지기 때문. 2017년 기사 훌륭한 위키러라면 실외기의 통풍을 막는 그늘을 만들거나, 실외기 팬 앞에 풍력발전을 달아 열 배출을 방해하는 아하 에너지 같은 짓은 하지 않도록 하자.

이론상 최고 효율을 가지는 히트펌프는 역 카르노 사이클을 따르는 카르노 냉장고이다. 이때 COP는 아래와 같이 절대온도로 나타내어진다.

COPH=QHW=QHQHQC=THTHTC=1+TCTHTC{COP_{\text H}}=\frac{ Q_{\text H} }{ W }=\frac{ Q_{\text H} }{ Q_{\text H}-Q_{\text C} }=\frac{ T_{\text H} }{ T_{\text H}-T_{\text C} }=1+\frac{ T_{\text C} }{ T_{\text H}-T_{\text C} }
COPC=QCW=QCQHQC=TCTHTC{COP_{\text C}}=\frac{ Q_{\text C} }{ W }=\frac{ Q_{\text C} }{ Q_{\text H}-Q_{\text C} }=\frac{ T_{\text C} }{ T_{\text H}-T_{\text C} }

3.1. 지구 온난화의 해결수단

흔히 에너지 하면 '전기'만 생각하는데, 세계 에너지 사용량의 50%가 열(25%가 산업용, 25%가 건물용), 30%가 교통, 전기는 20%다. 산업 분야로 좁혀 보면 온수와 증기 제작이 산업분야 에너지 사용량의 대부분을 차지한다. 그런데 온수와 증기를 만드는 방식으로 기존의 연소( 보일러)나 전기 저항(전기히터)는 100의 1차 에너지로 100 미만의 열을 만들지만, 히트펌프를 사용하면 100 이상의 열을 만들 수 있다. 히트펌프를 돌릴 전기를 만드는 발전소의 효율에 의해, 연료의 1차에너지가 40%로 더 낮아지지 않느냐는 반론이 있으나, 히트펌프의 성능계수(COP)가 3 이상이면 다시 그 전기로 120% 이상의 열을 만들 수 있기 때문이다.

한국을 괴롭히는 중국과 북한의 미세먼지도 겨울철 석탄 난방 때문이다. 한국도 80~90년대까지 난방에 구공탄을 주로 쓰다가 도시가스로 넘어간 바 있다. 하지만 전세계는커녕 북중국의 겨울 난방에만 쓰기에도 세계의 천연가스 매장량이 없으므로, 전세계의 난방은 결국 다 히트펌프로 넘어가야만 한다.
  • 이전
    • 중국이 석탄난방 퇴출정책을 펴면서 가스보일러 시장이 2010년 연 70만대 판매에서 2017년 연 400만대 판매로 급성장한다. # #
    • 2019년, 영국 기후변화위원회가 2025년부터 신축 건물에 가스 연결 금지를 권고했다. #
    • 2019년, 미국 캘리포니아 버클리시는 신축 건물에 가스 연결을 금지했다.
  • 2021년
    • 2월, 빌 게이츠는 책 "기후재앙을 피하는 법"을 통해, 2020년 기준 510억 톤의 탄소 배출 중 7%가 물과 공기의 냉난방이기 때문에, 히트펌프 보급 확산이 탄소 중립을 위해 발전-교통분야만큼 중요하다고 언급했다.
    • 5월, 국제에너지기구(IEA)가 2025년부터 가스보일러의 판매를 중단해야 한다고 밝혔다. #
    • 7월, 2021년 한 해 유럽연합 내 히트펌프 시장이 34%나 급성장했다. #
    • 9월, 전세계 히트펌프 보급률이 2021년 5% 미만에서 2030년 44%까지 급성장하리란 전망이 나왔다. #
    • 10월, 유럽연합 집행위원회는 유럽연합 차원에서 2025년 가스보일러 중단을 결정하진 않고, 개별 국가별로 정하자고 하였다. #
    • 10월, 영국은 2035년까지 모든 가스보일러의 사용을 금지한다. 히트펌프 또는 수소열병합이 검토된다. #
    • 12월, 미국 뉴욕시는 7층 이하의 신축 건물은 오는 2024년부터, 그 이상의 고층건물은 2027년부터 가스를 이용한 난방·조리기구 등을 설치할 수 없게 법을 제정했다. #
  • 2022년
    • 3월, 국제에너지기구(IEA)가 유럽연합이 러시아 가스로부터 독립하기 위해 히트펌프 보급을 확대해야 한다고 권고했다. #
    • 5월, 네덜란드는 2026년부터 화석연료 난방을 금지한다. #
    • 6월, 오스트리아는 2023년부터 화석연료 난방을 금지한다. #
    • 6월, 벨기에는 2025년부터 가스보일러 난방을 금지한다. 이미 20% 가량이 히트펌프로 교체되었다. #
    • 7월, 독일은 2024년부터 신규 건축물의 난방을 모두 히트펌프로 교체하기로 한다. #
    • 7월, 빌 게이츠는 에어콘으로부터 나오는 온실가스를 줄이는 기술을 선보인 스타트업 '블루 프론티어'에 2000만달러를 투자했다. #

4. 유관 기관

기업으로 가정용은 한국-중국이, 상업용은 미국-일본이 앞서 있다.
전시회 순위로 미국 AHR EXPO(시카고) > 중국 제냉전(상하이) > 독일 IKK칠벤타(프랑크푸르트) > 한국 HARFKO(일산 KINTEX)
에어컨 시장의 점유율이 각국의 영향력을 만든다. 한국은 4대 히트펌프 시장 겸 전시회를 가졌다고 어필한다.

기구 및 학회
  • 국제에너지기구(IEA): 히트펌프프로그램(HPP, 표준을 만듬), 히트펌프기술(HPT, 국제연구 거버넌스)
  • 국제냉동기구(IIR): 국내 한국위원회가 한국냉동공학학술대회(KCR)을 HARFKO 전시장 내에 개최하고, 국제적으로 IIR의 이름을 딴 여러 학회가 열린다.[10][11] 그리고 IIR 본부가 여는 국제냉동공학학술대회(ICR)는 히트펌프 분야에선 가장 큰 학회다.
  • 대한설비공학회(SAREK): 국가 단위의 학회로, 타국에는 미국 냉난방공조학회(ASHRAE), 일본 공기조화위생공학회(SHASE)와 냉동공조학회(JSRAE), 스칸디나비아 공조학회연맹(SCANVAC), 독일 건물설비학회(VDI-TGA), 중국 제냉학회(CAR), 유럽연합 난방환기및공기조화협회(REHVA) 등이 있다. 대한설비공학회 기준 여름철/겨울철 2회 국내 학회를 개최한다.
  • 그 외 히트펌프 유관 학회들: 국내의 대한기계학회(KSME), 한국자동차공학회(KSAE), 신재생에너지학회(KSNRE), 한국지열수열에너지학회(KSGHE), 해외의 미국기계학회(ASME), 미국자동차공학회(SAE) 등이 있다. 3년마다 아시아 국가들이 모이는 아시아냉동공조학회(ACRA)도 규모가 크다. 미국 퍼듀 대학교가 히트펌프 분야에 앞서 있기에 단독으로 히트펌프 국제학회를 열기도 한다. 한+중+일의 서울대- 칭화대- 교토대가 매년 서로의 대학에서 번갈아 열공학 학회를 열기도 한다.

표준 및 인증 및 자격증
  • 미국 ASHRAE의 Guideline, 대한설비공학회 설비편람 등이 '표준'을 주기적으로 업데이트하므로 눈여겨봐야 한다.
  • 국내 한국설비기술협회(KARSE), 한국냉동공조산업협회(KRAIA), 한국냉동공조안전관리원(KRASI) 등 인증기관이 있다.
  • 한국산업인력공단 산하의 자격증으로는 공조냉동기계, 건축설비가 있다. 유관 자격증으로는 건설기계설비[12]가 있다. 에너지관리(구 보일러관리), 신재생에너지발전설비, 건축전기설비, 산업기계설비는 관련이 없다. 각 자격증에 따라 기능사, 산업기사, 기사, 기술사 자격증이 다르게 있다.

언론 및 잡지들은 당연히 온라인으로 볼 수 있다.
  • 학회가 운영하는 학회지: 국제냉동기구의 'IIR Newsletter', 미국냉난방공조학회의 'ASHRAE Journal', 대한설비공학회의 '설비저널', 대한기계학회의 '기계저널', 한국자동차공학회의 '오토저널' 등이 있다. 이들은 이름이 '저널'이라도 SCI논문을 싣는 그런 저널이 아니고 일반 잡지와 같은 것들이니 주의. SCI와 저널 문서 참고.
  • 월간 잡지 (가나다순): 냉동공조저널, 칸(Kharn) , 콜드체인뉴스, 히트펌프공조 등이 있음.

5. 기타

  • 히트펌프의 역사는 에어컨 문서 참고.
  • 냉매 - 높아져가는 환경규제에 따라 계속 변화중이다. 해당 문서 참고.

[1] 수소, 헬륨, 산소, 질소, 이산화 탄소 등의 액화 [2] 히트펌프를 이용하여 여름철 냉방을 하는 점은 변함이 없다. [3] 신재생에너지 비중이 약 15%가 넘어가면 과잉생산 전기를 버리는 현상이 발생한다. 예컨대 제주도에서 2020년 생산된 신재생에너지 90% 가까이가 버려졌다. # 하지만 이 전력을 배터리로 저장하기엔 세계적으로 배터리가 너무 많이 필요하다. 전세계 배터리 업체들은 전기차를 생산하기도 벅차다. [4] 일단 주기적으로 엔진오일을 갈아 주어야 하고 배기가스를 내보낼 연통도 필요하다. [5] 난방용이라면 공기, 온수용이라면 물 [6] 이상적인 히트펌프의 경우 응축기의 입구부터 출구까지 상전이만을 거치므로 온도가 변화하지 않고 입구에서의 고온을 유지할 수 있다. [7] 이상적인 히트펌프라면 팽창밸브에서 냉매의 엔탈피가 일정하게 유지된다고 가정하므로, 팽창밸브 출구에서 냉매의 엔탈피는 팽창밸브 입구에서의 엔탈피와 동일한 값이 되며, 감압된 상태에서 동일한 엔탈피를 가지기 위해서는 냉매의 건도(기체상태인 냉매량과 전체 냉매량의 비)가 증가하게 된다. [8] 역시 냉방용이라면 공기, 냉수용이라면 물 [9] 가정용열병합 겸 차량용으로 넘어갈 수도 있는 교두보라서 보일러사들이 관심 [10] 미국기계학회ASME도 부문별 학술대회가 다 시간 장소가 다르고, 대한기계학회도 부문별 학술대회가 여럿 있다. [11] 예컨대 냉매의 친환경화로 이산화탄소-물을 이용하는 히트펌프를 연구하는 사람들은 IIR - Gustav Lorentzen Conference에 모인다. [12] 일반기계와 내용이 99% 같으므로, 함께 따면 좋다.