[전자지식] 에어컨 작동원리: 여름시즌에 전기세 폭탄 나오는 이유

[전자지식] 에어컨 작동원리: 여름시즌에 전기세 폭탄 나오는 이유

 

[전자지식] 에어컨 작동원리: 여름시즌에 전기세 폭탄 나오는 이유 에 대해 리뷰하려고 합니다.

 

에어컨 : 전기에너지의 냉각/송풍으로 전력소모 극심

2024년 미국 뉴저지 여름시즌은 바로 6월부터 화씨 80F-90F (섭씨 25-30C)를 기록하면서, 특히 6월 말에는 일주일 내내 100F (섭씨 35C)에 근접했습니다. 

 

한국보다 미국의 여름시즌이 힘든 것은 미국이 대기오염이나 미세먼지가 거의 없어서, 아침부터 낮, 저녁까지 무지막지한 태양이 내려 쪼인다는 사실입니다.

 

태양 아래에서 1시간 정도만 작업을 하면, 온몸이 땀으로 가득차게 되네요 

 

하지만, 미국에서도 실내에만 있으면, 여름의 뜨거운 열기를 피할 수 있는데, 거의 모든 미국의 빌딩 및 실내는 70F (섭씨 20C) 수준으로 일부 지역은 심지어 춥기까지 합니다.

 

올해 1월 뉴저지 북부 싱글주택으로 이사한 이후로 매월 전기세는 대략 $150 정도이었는데, 6월에는 $350 수준이 될 것이라고 전력업체가 알려주었네요.

 

미국주택에서 가장 일반적인 센터널 에어 컨디셔너 시스템이 작동되려면, 전기로 주택 외부의 콤프레샤와 주택 내부의 증발/응축 시스템을 작동시켜야 합니다.

 

콤프레샤에 채워진 냉매를 통해 열을 방출하고 냉각되도록 하고, 다시 콤프레샤와 증발/응축 시스템의 2개의 팬을 계속 가동시키는 것이 필요합니다.

 

즉, 여름 시즌에 냉장고의 문을 열어놓고, 큰 냉장 시스템에 송풍장치까지 포함해서, 하루에 거의 20시간 정도 작동되다보니, 여름 시즌이 아닌 계절 대비 전기요금을 거의 2-3배까지 급작스레 점프합니다.

 

6월에 거의 매일 하루종일 중앙 에어컨 시스템이 작동되었고, 현재 7월에도 동일합니다.   

 

 

센트럴 에어 컨디셔너 (source: www.energy.gov/)

 

에어컨의 작동 원리 : 열역학 1법칙 + 2법칙

에어컨은 특히 여름철 더위 속에서 중요한 가전제품입니다. 에어컨의 작동 원리를 이해하면 설치, 유지보수 및 에너지 소비에 대해 더 현명한 선택을 할 수 있는데, 이제 원리, 냉각 방법, 전력 소비 및 특성에 대해 자세히 알아보려 합니다.

 

에어컨의 기본 원리는 냉각 사이클이며, 이는 실내 공간의 열을 실외로 이동시키는 과정을 포함합니다. 이 과정은 기체에서 액체로, 다시 액체에서 기체로 쉽게 변하는 냉매의 물리적 특성에 의존합니다.

 

열역학 제1법칙 (에너지 보존 법칙) : 전기에너지로 냉매 기계에너지로 변환

에너지 보존 법칙은 에너지가 생성되거나 소멸되지 않고, 단지 한 형태에서 다른 형태로 변환된다는 원리입니다.

 

에어컨에서의 적용:

냉매의 압축 및 팽창: 에어컨은 냉매의 압축 및 팽창 과정을 통해 열을 이동시킵니다. 압축기에서 냉매를 압축하면 냉매의 내부 에너지가 증가하여 온도와 압력이 상승합니다. 응축기에서 냉매가 열을 방출하고 액체로 변하면 그 에너지가 방출되는데, 팽창 밸브를 통해 냉매가 팽창하면 압력과 온도가 떨어져 열을 흡수하게 됩니다.

에너지 변환: 전동 모터는 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하여 냉매를 압축하고, 팬을 작동시켜 공기를 이동시키는데, 이 과정에서 에너지가 보존됩니다.

 

열역학 제2법칙 (엔트로피 증가 법칙) : 저온변환으로 엔피로피 증가

열역학 제2법칙은 에너지가 자발적으로 이동할 때, 고온에서 저온으로 이동하며 엔트로피(무질서도)가 증가한다고 설명합니다. 또한, 어떤 시스템에서도 엔트로피는 감소할 수 없다는 법칙입니다.

 

에어컨에서의 적용:

열의 이동: 에어컨은 열을 고온에서 저온으로 이동시키는 과정에서 열역학 제2법칙을 따릅니다. 냉매가 증발기에서 실내의 열을 흡수하여 기체로 변하고, 압축기를 통해 고온 고압의 상태로 변한 후 응축기에서 열을 방출하여 외부로 내보냅니다.

냉매 사이클: 냉매는 증발기에서 열을 흡수하여 증발하고, 압축기를 통해 고온 고압의 기체 상태로 변합니다. 응축기에서 냉매는 열을 방출하여 다시 액체 상태로 응축되며, 팽창 밸브를 통해 압력과 온도가 낮아지면서 증발기로 이동하여 다시 열을 흡수합니다. 이 사이클을 반복하면서 엔트로피는 증가합니다.

 

에어컨의 냉각 방법

증발 및 응축 : Evaporation & Condensation

증발기 : 냉매가 증발기 코일에서 증발하면서 실내 공기에서 열을 흡수하여 실내 공기를 냉각시킵니다. 증발기 팬은 증발기 코일을 통과하는 공기를 순환시켜 건물 내부 공기를 냉각합니다.

 

응축기 : 냉매는 실외에 위치한 응축기 코일로 이동하여 흡수한 열을 방출하며 다시 액체 상태로 응축됩니다.  응축기 팬은 응축기 코일 위로 공기를 불어넣어 냉매의 열을 외부 공기로 방출합니다.

 

압축 및 팽창 : Compression & Expansion

압축기: 실외기에 위치한 압축기는 냉매를 시스템으로 펌프하여 압력과 온도를 증가시킵니다.

압축기는 냉매를 압축하여 고압의 고온 기체로 만들게 디고, 이 과정에서 전동 모터가 사용되며, 모터는 전기로 작동합니다. 전동 모터는 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하여 냉매를 압축하는데, 원심 시스템을 사용하여 냉매 증기를 압축기 챔버 외부로 밀어내는 방식으로 이루어집니다.

 

팽창 밸브: 고압 냉매는 팽창 밸브를 통해 압력과 온도가 낮아져 다시 열을 흡수할 준비를 합니다.

 

에어컨 작동원리 (source: www.archtoolbox.com/)

 

에어컨의 전력 소비

에어컨의 전력 소비는 크기, 효율 등급 및 사용 패턴을 포함한 다양한 요인에 따라 다릅니다.

 

BTU와 톤:

에어컨은 British Thermal Units (BTU) 또는 톤 단위로 평가됩니다. 1톤은 12,000 BTU에 해당합니다. BTU 등급이 높을수록 냉각 용량이 더 큽니다.

 

SEER 등급:

계절별 에너지 효율비 (SEER)는 에어컨의 효율성을 나타냅니다. SEER 등급이 높을수록 에너지 효율이 좋습니다. 최신 모델은 일반적으로 SEER 13에서 SEER 21 사이입니다.

 

전력 소비:

미국의 중앙 에어컨 유닛의 평균 전력 소비량은 시간당 약 3,000에서 5,000와트입니다. 창문형 및 휴대용 유닛은 일반적으로 더 적은 전력을 소비하며, 시간당 약 500에서 1,500와트입니다.

 

에어컨의 종류:

중앙 에어컨: 미국 가정에서 가장 일반적이며, 덕트 시스템을 통해 집 전체를 냉각합니다.

창문형 유닛: 개별 방을 냉각하는 데 이상적이며, 창문에 설치가 쉽고 저렴합니다.

휴대용 에어컨: 방에서 방으로 이동할 수 있어 유연성을 제공하지만 창문형 유닛보다 에너지를 더 많이 소비됩니다.

덕트리스 미니 스플릿 시스템: 덕트가 필요 없이 효율적인 냉각을 제공하는 중간 단계 옵션입니다.

 

 

센트널 에어컨 구조 (source: thegentlemenpros.com)

 

 

 

에어컨의 특성

소음 수준:

현대 에어컨은 조용하게 작동하도록 설계되어 있으며, 소음 수준은 일반적으로 50에서 70 데시벨 사이입니다. 중앙 유닛은 창문형 또는 휴대용 유닛보다 조용한 편입니다.

 

유지보수:

효율적인 작동을 위해 정기적인 유지보수가 중요합니다. 여기에는 필터 청소 또는 교체, 냉매 수준 점검, 증발기 및 응축기 코일 청소 등이 포함됩니다.

 

스마트 기능:

많은 최신 모델은 프로그래머블 온도 조절기, Wi-Fi 연결 및 스마트 홈 시스템과의 호환성 등 스마트 기능을 갖추고 있습니다. 이러한 기능을 통해 사용자는 원격으로 에어컨을 제어하고 모니터링할 수 있습니다.

 

환경 영향:

현대 에어컨은 오존층을 파괴하지 않는 R-410A와 같은 환경 친화적인 냉매를 사용합니다. 에너지 효율적인 모델은 전기를 덜 소비하여 전체 탄소 배출을 줄이는 데도 도움이 됩니다.

 

 

 

 

 

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