에어컨 실외기는 왜 더 뜨거운가

여름밤 26도로 맞춰 둔 거실에서 잠들었다가, 새벽에 베란다 쪽이 후끈한 기운에 깬 적이 있을 것이다. 창턱 온도계는 31도, 실외기 팬에서는 40도를 넘는 바람이 뿜어져 나온다. 실내는 26도인데 실외기가 40도라면, 에어컨은 대체 어디서 그 14도를 만든 것일까.

실외기가 뜨거운 것은 정상이다

많은 사람이 에어컨을 "공기를 차갑게 만드는 기계"로 이해한다. 그런데 차가운 공기를 만들어내는 기계라면, 그 일에 쓴 에너지가 어딘가로 사라져야 한다. 열역학 제1법칙은 에너지가 사라지지 않고 형태만 바뀐다고 말한다. 실내에서 빼낸 열은 분명히 존재해야 하고, 실제로 그것은 실외기 뒷면의 코일을 통해 바깥 공기로 배출된다.

그래서 실외기가 뜨거운 것은 고장이 아니라 설계다. 에어컨은 냉동기(heat pump)이고, 냉동기의 일은 "열을 만드는 것"이 아니라 "열을 한쪽에서 다른 쪽으로 옮기는 것"이다. 냉장고 뒤판이 따뜻한 이유도, 에어컨 실외기가 뜨거운 이유도 같은 원리다. 다만 에어컨은 그 반대쪽 끝, 즉 차가운 쪽을 실내에 두고 쓴다.

증기압축 냉동 사이클의 네 단계 — 압축기(Compressor)·응축기(Condenser)·팽창밸브(Expansion Valve)·증발기(Evaporator). 실외기는 이 그림의 오른쪽 절반인 압축기와 응축기를 담고 있다 — دكتورة ميسون, CC BY-SA 4.0 (Wikimedia Commons)

통념: 실외기는 그냥 열을 버리는 상자다

"실내에서 뺀 열을 바깥에 버린다"는 설명은 절반만 맞다. 만약 정말로 열을 버리기만 한다면, 실내에서 빼낸 열만큼만 실외기가 더워져야 한다. 그런데 실외기는 그보다 훨씬 뜨겁다. 이유는 에어컨이 열을 옮기면서 동시에 일을 하고, 그 일에 쓴 전기 에너지가 결국 전부 열로 바뀌어 같은 쪽으로 쏟아지기 때문이다.

즉 실외기가 내보내는 열은 실내에서 뺀 열 + 압축기가 쓴 전기 에너지다. 이것이 "열을 옮기는 기계"라는 설명과 "열을 만드는 기계"라는 오해를 가르는 지점이다. 실외기를 가동 중인 방 옆에 두면 방이 더워지는 것도, 에어컨을 켜면 실외기 쪽 복도가 찜통이 되는 것도 모두 이 덧셈에서 나온다.

숫자로 확인하는 에너지 장부

예를 들어 실내에서 2.0kW의 열을 뺐다고 하자. 압축기가 1.0kW의 전력을 쓰는 모델이라면, 실외 방열량은 3.0kW가 된다. 실외기 입장에서는 "실내에서 빼온 열의 1.5배"를 내보내는 셈이다. 실제 가정용 인버터 에어컨의 냉방 성능계수(COP, 넣은 전기 1kW당 옮길 수 있는 열의 kW)는 공칭 조건에서 3~4 수준으로 알려져 있다. COP 3이면 1kW 전기로 3kW를 옮기지만, 실외에서는 3kW가 아니라 4kW(옮긴 3 + 쓴 1)가 나온다. 방열량은 냉방량보다 언제나 전력 사용량만큼 크다.

그래서 문을 열어두고 에어컨을 틀면 벌어지는 일도 계산이 된다. 냉방 능력만큼의 열이 실외로 나가지만, 실외기는 냉방 능력 + 소비 전력만큼의 열을 내보낸다. 실외기가 바깥 대기 중에 있는 정상 조건이라면 이 초과분은 바깥으로 흩어진다. 하지만 실외기가 좁은 베란다 안에 있거나, 창문을 열고 실외기 바람이 다시 실내로 들어오는 구조라면 그 초과 열이 실내로 돌아온다. 이때 방 전체의 열수지는 플러스가 되어, 방은 에어컨을 켜기 전보다 더워진다.

기구: 냉매가 도는 네 단계

핵심 부품은 냉매(냉동 사이클을 도는 유체)다. 압축기 바로 뒤에서 냉매는 높은 압력과 높은 온도의 기체가 된다. 이 기체가 실외기의 응축기 코일을 지나면서 바깥 공기에 열을 빼앗기고 액체로 응축된다. 이 단계가 바로 "실외기가 뜨거운" 단계다. 뜨거운 기체를 더 차가운 바깥 공기 쪽으로 밀어내야 열이 흐르므로, 냉매 온도는 바깥 기온보다 반드시 높아야 한다.

액체가 된 냉매는 팽창밸브를 통과하며 압력이 급격히 떨어진다. 압력이 떨어지면 끓는점도 떨어져, 낮은 온도의 기체로 변한다. 이 차가운 냉매가 실내기의 증발기 코일을 지나면서 방의 열을 흡수한다. 이때 냉매가 액체에서 기체로 변하는 잠열(상태가 바뀔 때 흡수하거나 방출하는 열) 덕분에 같은 양으로도 많은 열을 옮길 수 있다. 기체가 된 냉매는 다시 압축기로 돌아가 같은 순환이 반복된다.

건물 외벽에 나란히 달린 실외기들. 각 실외기의 뒤쪽 코일에서 응축 열이 배출되며, 앞면 팬이 그 열을 실어 날라간다 — Dinkun Chen, CC BY-SA 4.0 (Wikimedia Commons)

실외기가 식지 못하면 성능이 떨어지는 이유

응축기는 열을 공기로 넘겨야 하므로, 바깥 공기와 냉매의 온도 차이가 클수록 유리하다. 바깥 기온이 35도까지 오르면 같은 열을 내보내는 데 더 높은 압력이 필요하고, 압축기가 더 많은 일을 해야 한다. 같은 전기로 옮길 수 있는 열의 양은 줄어든다. 이것이 폭염에 에어컨 전기요금이 유독 늘어나는 구조적 이유다.

실외기 주변에 장애물이 있거나 먼지가 코일에 껴도 같은 일이 벌어진다. 팬이 밀어내는 공기가 실제로 코일을 지나 열을 실어 날라야 하는데, 좁은 공간에 갇혀 있으면 데워진 공기가 다시 코일에 닿는다. 냉매는 그만큼 열을 못 버리고, 압축기는 더 힘을 쓴다. 실외기 설치 간격 규정이 있는 이유가 바로 이 순환 공기 문제다.

이 설명이 틀리는 경우

첫째, 히트펌프 난방 모드에서는 이야기가 뒤집힌다. 겨울에 난방을 하면 실외기는 증발기가 되어 주변 공기에서 열을 빼앗고, 스스로는 차가워진다. 서리가 낄 정도로 차가워지면 제상 운전을 하며 잠시 뜨거운 바람을 내보내는데, 이때만 예외적으로 뜨거운 바람이 나온다.

둘째, 바깥 기온이 실내 온도보다 낮은 봄·가을에는 "문 열고 에어컨"이 반드시 방을 더 덥게 만들지 않는다. 실외로 나가는 초과 열이 바깥으로 잘 흩어지고, 열린 문으로 들어오는 바깥 공기가 오히려 시원할 수 있기 때문이다. 문제가 되는 것은 창문을 막 닫은 방에서 실외기 배기 바람이 실내로 다시 들어오는 경우다.

생활에 적용되는 판단

첫째, 실외기 앞 1m 안쪽은 비워 두는 편이 좋다. 냉매가 열을 버리려면 공기가 지나갈 길이 있어야 하고, 이 간격이 확보되면 같은 설정 온도에서도 압축기의 일이 줄어든다. 둘째, 베란다에 실외기를 넣었다면 그 공간의 창을 조금이라도 열어 두고, 배기 바람이 실내 문으로 들어오지 않는지 확인한다.

셋째, 에어컨을 오래 켜 둘수록 실외기가 뜨거워지는 것을 이상 동작으로 오해하지 말아야 한다. 다만 실외기 팬이 멈췄는데도 코일이 뜨겁거나, 실내에서 냄새와 함께 냉방이 급격히 약해지면 이는 정상 범위를 벗어난 신호다. 열을 옮기는 기계는 원래 어딘가를 뜨겁게 만드는 기계이고, 그 뜨거움을 어디로 흘려보내느냐가 성능을 가른다.

독자에게

여러분 집 실외기는 지금 어디에 놓여 있나. 그 앞을 지나가는 공기가 다시 실내로 들어오고 있지는 않은가. 오늘 한 번 창밖을 내다보고 실외기 주변을 재어 보면, 올여름 전기요금이 달라질 수도 있다.

참고 자료

• Wikimedia Commons, Refrigeration Cycle — دكتورة ميسون, CC BY-SA 4.0
• Wikimedia Commons, DAIKIN / Panasonic / MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES AIR CONDITIONER OUTDOOR UNIT — Dinkun Chen, CC BY-SA 4.0
• 에너지관리공단(한국에너지공단), 가정용 에어컨 에너지소비효율 등급 기준 — 냉방 성능계수(COP) 표기 기준
• 일반물리학 교재의 열역학 제1법칙 및 잠열 항목 — 에너지 보존과 상전이 열량