냉장고와 에어컨의 원리 — 열펌프

열은 저절로 차가운 쪽으로만 흐른다

뜨거운 커피는 식고 찬 음료는 미지근해집니다. 열은 저절로 언제나 따뜻한 곳에서 차가운 곳으로 흐르고, 그 반대로는 흐르지 않습니다. 그런데 냉장고는 이미 차가운 안쪽에서 열을 빼내 따뜻한 부엌으로 내보냅니다. 물을 낮은 곳에서 높은 곳으로 올리려면 펌프가 필요하듯, 열을 차가운 곳에서 따뜻한 곳으로 옮기려면 일을 해 줘야 합니다. 냉장고와 에어컨은 전기로 이 일을 하는 열펌프입니다. 즉 차가움을 만들어 넣는 기계가 아니라, 안쪽의 열을 퍼서 바깥으로 버리는 기계입니다.

증발이 열을 빼앗는다

손등에 알코올 솜을 문지르면 시원해집니다. 액체가 기체로 증발하려면 열이 필요하고, 그 열을 닿아 있는 피부에서 빼앗기 때문입니다. 땀이 체온을 낮추는 원리도 같습니다. 반대로 기체가 액체로 응축할 때는 그만큼의 열을 내놓습니다. 또 하나 중요한 사실은 액체가 끓는 온도가 압력에 따라 달라진다는 것입니다. 압력이 높으면 끓는점이 올라가고, 낮으면 내려갑니다. 압력솥이 물을 100도보다 뜨겁게 끓이는 것이 그 예입니다. 열펌프는 이 두 가지, 즉 증발과 응축의 숨은열과 압력에 따른 끓는점 변화를 이용합니다.

냉매가 한 바퀴 도는 네 단계

열펌프 안에는 냉매라는 물질이 관을 따라 계속 돕니다. 냉매는 낮은 압력에서는 아주 낮은 온도에서도 끓는 물질입니다. 압축기가 기체 냉매를 눌러 압력과 온도를 높이면, 바깥의 응축기에서 냉매가 주변보다 뜨거워져 열을 내놓으며 액체가 됩니다. 이 액체가 좁은 팽창 밸브를 지나며 압력이 뚝 떨어지면 온도도 크게 내려가고, 안쪽의 증발기에서 주변의 열을 빼앗으며 다시 기체로 증발합니다. 이 순환이 반복되며 열이 안에서 밖으로 계속 옮겨집니다.

• 압축기: 기체 냉매를 눌러 뜨겁게 만든다
• 응축기: 바깥에서 열을 내놓고 액체가 된다
• 팽창 밸브: 압력을 낮춰 차갑게 만든다
• 증발기: 안쪽의 열을 빼앗고 기체가 된다

냉장고 뒤나 옆이 따뜻한 이유

냉장고 뒤나 옆면이 따뜻한 것은 고장이 아니라 정상입니다. 안에서 빼낸 열과 압축기를 돌리는 데 쓴 전기 에너지가 모두 그곳의 응축기에서 부엌으로 나오기 때문입니다. 이 열이 잘 빠져나가지 못하면 냉매가 충분히 식지 못해 같은 일을 하는 데 전기를 더 씁니다. 그래서 냉장고는 벽과 옆면에 제조사가 안내하는 만큼 틈을 두고, 뒤쪽 응축기나 바닥 통풍구에 먼지가 쌓이지 않게 가끔 청소하는 편이 좋습니다. 햇빛이 드는 자리나 가스레인지 바로 옆도 효율을 떨어뜨립니다.

문을 열어 두면 방이 시원해질까

더운 날 냉장고 문을 열어 두면 방이 시원해질 것 같지만, 결과는 반대입니다. 문을 열면 냉장고는 방의 열을 빼내 다시 방으로 내보낼 뿐이고, 그 과정에서 압축기를 돌리는 데 쓴 전기 에너지가 열로 더해집니다. 문 앞은 잠깐 시원해도 방 전체로는 오히려 더워집니다. 에어컨이 실외기를 반드시 밖에 두는 이유가 여기에 있습니다. 열을 버리는 쪽이 방 안에 있으면 열을 방 안에서 방 안으로 옮기는 셈이어서 냉방이 되지 않습니다. 이동식 에어컨에 배기관이 달린 것도 같은 이유입니다.

에어컨과 난방용 열펌프

에어컨은 냉장고와 같은 원리로 실내기가 증발기, 실외기가 응축기 역할을 합니다. 실내 공기가 차가운 증발기를 지나면 공기 속 수증기가 이슬처럼 맺혀 물이 되는데, 에어컨에서 물이 빠지는 배수관이 있는 것과 제습이 함께 되는 것이 이 때문입니다. 밸브로 냉매의 흐름을 뒤집으면 실외의 열을 실내로 옮기는 난방기가 됩니다. 열펌프는 열을 만들어 내는 대신 옮기기 때문에, 조건이 맞으면 쓰는 전기 에너지보다 몇 배 많은 열을 옮길 수 있습니다. 다만 바깥이 아주 추우면 옮길 열을 얻기 어려워 효율이 떨어집니다.

효율 있게 쓰는 요령

원리를 알면 전기를 아끼는 요령이 보입니다. 열을 덜 들이고, 열을 잘 버리게 하는 것이 핵심입니다. 식품 보관 온도는 냉장 4도 이하, 냉동 영하 18도 이하가 널리 쓰이는 기준이니 온도 설정을 가끔 확인하세요. 뜨거운 음식은 한 김 식혀서 넣되, 상온에 너무 오래 두지는 않습니다.

• 냉장실은 너무 꽉 채우지 않아 찬 공기가 돌게 한다
• 문을 여는 횟수와 시간을 줄인다
• 에어컨 필터를 주기적으로 청소한다
• 커튼으로 햇빛을 막고 선풍기로 공기를 돌린다
• 실외기 주변을 막지 않고 통풍을 확보한다

흔한 오해와 주의

선풍기는 공기를 차갑게 만들지 않습니다. 오히려 모터의 열이 조금 더해지지만, 바람이 피부의 땀을 빨리 증발시켜 시원하게 느끼게 합니다. 사람이 없는 방에 선풍기를 틀어 두는 것은 냉방 효과가 없습니다. 냉매 배관을 직접 손보거나 냉매를 보충하는 일은 고압 기체를 다루는 작업이어서 자격을 갖춘 전문가에게 맡겨야 합니다. 냉장고나 에어컨에서 타는 냄새, 이상한 소리, 물이 새는 현상이 있으면 전원을 끄고 제조사 서비스에 점검을 요청하세요. 오래된 기기는 효율이 떨어질 수 있으니, 교체를 고민한다면 에너지 효율 등급 같은 공식 표시를 비교해 보는 편이 좋습니다.