Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 2288-0992(Print)
ISSN : 2288-100X(Online)
Protected Horticulture and Plant Factory Vol.22 No.1 pp.19-25
DOI : https://doi.org/10.12791/KSBEC.2013.22.1.019

수직형 지열히트펌프 시스템의 육묘 온실 냉방 효과 분석

강연구, 유영선*, 김종구, 김영화, 장재경
농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부 에너지환경공학과
본 연구에서는 농가현장에 보급되어 있는 350kW(175kW × 2대)급 수직형 지열히트펌프시스템으로 1,650m2 면적의 육묘온실에 2011년 6월 7일부터 9월 18일까지 냉방실험을 수행하여 냉방성능을 분석하고, 농가현장에서 지열히트펌프를 가동함에 있어 보다 효과적인 운용방법을 고려해보고자 하였다.
증발기측 물 온도차는 증발기 입구 물온도가 26.4℃에서 17.1℃로 변할 때 최대 1.7℃, 최소 0.9℃ 차이(평균 1.3℃)를 보였으며, 증발기 입구 물온도가 16.6℃에서 13.1℃로 변할 때 최대 1.1℃, 최소 0.8℃(0.9℃) 차이를 보였다.
히트펌프를 1대(175kW × 1대) 가동하는 경우, 증발기 입구에 유입되는 물온도 13.0~15.5℃(응축기 입구에 유입되는 물온도 19.4~21.2℃) 범위에서 냉방성능계수는 1.1~1.8, 발생한 냉방열량은 68.2~106.8kW, 소비전력은 61.0kW, 히트펌프를 2대(175kW × 2대) 가동하는 경우, 증발기 입구 물온도 10.0~13.0℃(응축기 입구에 유입되는 물온도 18.5~22.2℃) 범위에서 냉방성능계수는 2.0~2.7, 냉방열량은 203.9~262.0kW, 소비전력은 95~98kW이었다.
6월의 누적 냉방열량은 14,718.6kWh(12,657,996kcal), 누적소비전력은 6,352.0kWh이었으며, 7월은 각각 26,765.1, 11,600.0kWh, 8월은 각각 28,437.2, 12,508.0kWh, 9월은 10,065.0, 5,125.0kWh로 8월이 가장 큰 냉방열량을 나타내었다.

Analysis on Cooling Effects of the Vertical Type Geothermal Heat Pump System Installed in a Greenhouse for Raising Seedling

Young Sun Ryou*, Youn Ku Kang, Jong Goo Kim, Young Hwa Kim, Jae Kyoung Jang
Energy & Environmental Engineering Division, NAAS, RDA, Suwon 441-100, Korea
Received October 25, 2011; Revised January 22, 2013; Accepted January 31, 2013

Abstract

In this study, the cooling experiment was carried out in 1,650 m2 area of the seedling greenhouse fromJune 6, 2011 to september 18, 2011 with the vertical type geothermal heat pump system of 350 kW scale (175 kW ×2 units) installed in the greenhouse, cooling effects were analyzed and we tried to find more effective operationmethods of the geothermal heat pump system. In case of one unit heat pump (175 kW) operation, when evaporatorinlet water temperature changed from 13.0℃ to 15.5℃, cooling COP of the system was in 1.1~1.8 range and in caseof two unit heat pump (350 kW) operation, when evaporator inlet water temperature changed from 13.0 to 15.5,cooling COP of the system was in 2.0~2.7 range. The accumulated cooling heat quantity of June, July, August andSeptember was 14,718.6, 26,765.1, 28,437.2 and 10,065.0 kWh, respectively.

22(1) 019-025.pdf4.26MB

서 론

우리나라의 시설원예 면적중 가온면적은 16,263ha('11)로 약 89.3%(경유 비중 74.1%)가 유류난방에 의존하고 있다(Mifaff, 2012). 또한 경영비중 난방비가 차지하는 비중은 다른 나라에 비해 높은 수준이다. 이와 같이 난방비가 차지하는 비율이 상당하기 때문에 시설원예에 투입되는 난방에너지 및 난방비를 절감하기 위하여 우리나라에서는 2009년부터 지열히트펌프시스템을 시설원예 농가에 보급하기 시작하여, 지속적으로 보급면적을 늘여가고 있다. 

지열히트펌프시스템은 미국 환경보호국(EPA)로부터 “현존하는 건물의 냉, 난방기술 중에서도 에너지 소비가 적고 환경친화적이며 비용효과가 가장 높은 시스템이다”라는 평가를 받고 있으며, 선진외국은 지열이용에 대한 연구가 일찍부터 활성화되어 지열히트펌프시스템의 설계에 대한 기준을 제시하였고, 많은 설치사례들에 대한 자료를 엔지니어들에게 보급함으로써 지열히트펌프시스템의 이용을 촉진시켰다(Cane Morrison과 Christopher, 1997; Kavnaugh와 Rafferty, 1997). 

 지열히트펌프시스템은 초기투자비용이 높다는 단점이 있으나, 투입된 에너지에 대해 방출된 에너지의 비가 크기 때문에 에너지 및 에너지비용을 절약할 수 있다는 장점 외에 1대의 장치로 냉방과 난방을 모두 할 수 있다는 장점이 있다.

일반적으로 PE나 유리로 피복되어있는 재배시설은 여름철에 온실 내부의 온도가 35~40℃까지 높아져 작물생육에 악영향을 미친다(Kim 등, 2011). 이와 같이 우리나라의 기상조건상 여름철의 온실내 기온은 현저하게 높아서 작물의 정상적인 생육이 불가능하므로 여름철에 휴경하는 곳이 많아 연간 이용율이 저하하게 된다(Nam, 2000). 

 우리나라에서 사용하고 있는 대표적인 냉방방법으로는 냉동기에 의한 냉각, 증발냉각, 지열냉각, 환기, 차광 등을 꼽을 수 있다. 그러나 냉각장치로 냉매를 순환시키는 것은 에너지가 소요되므로 비용이 많이 든다(Kim 등, 2006).

 그런데 일부 고부가가치 작물을 시작으로 냉방이 단지 작물의 고사를 예방하는 차원을 넘어서, 이제는 열적 스트레스를 방지함으로써 생장을 촉진하고, 상품율 및 상품수량을 증가시키기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다(Yu 등, 2006; Nam 등, 2000; Ryu 등, 1999; Moon, 1999; Lee, 1994; Kim 등, 2011). 또한 온실냉방 및 이에 따른 육묘효과와 폐쇄형 묘생산시스템의 전력소모 및 에너지수지 분석에 관한 연구도 볼 수 있으며(Lee 등, 2006; Kim 등, 2003, 2002), 시설의 유효이용이나 수익성의 측면에서 볼 때 여름철 온실내 환경의 적정화(냉방)를 통한 주년재배의 달성은 온실재배에 있어서 당면과제라 할 수 있다(Nam, 2000).

 본 연구의 목적은 농가현장에 보급되어 있는 수직형 지열히트펌프시스템의 여름철 냉방성능을 분석하고, 농가현장에서 지열히트펌프를 가동함에 있어 보다 효과적인 운용방법을 고려해보고자 하였다.

재료 및 방법

1. 실험장치

 지열교환시스템은 수직밀폐형으로 직경 15cm, 깊이 200m로 땅을 천공한 후, 외경 27mm, 내경 21mm의 HDPE 파이프를 삽입한 형태이며, 공과 공사이는 거리는 5m이고 총 26개를 설치하였다. 히트펌프는 물 대 물 방식의 냉방용량 175kW(50RT)급 2대가 설치되었으며, 축열조는 FRP소재로 외부는 5cm 두께의 우레탄폼으로 단열하였으며, 외부 직경 4.7m, 외부 높이 3.1m로 52.5톤의 냉수를 저장하였다. 또한 팬코일유닛은 직립형으로 온실의 앞뒤에 총 8개를 설치하였다. Table 1은 본 실험에서 사용된 수직밀폐형 지열히트펌프시스템의 사양을 나타낸다.

Table 1. Specifications of the vertical type geothermal heat pump system.

 지열히트펌프시스템은 경기도 이천시 소재 면적 3,300m2의 육묘온실에 설치되었다. Fig. 1은 지열교환시스템의 위치를, Fig. 2는 시스템의 개략도를 나타낸다. Fig. 3은 지열히트펌프시스템의 히트펌프 및 배관을 보여주는 사진이며, Fig. 4는 온실의 위치를 나타내는 항공사진이다.

Fig. 1. The schematic diagram of installation site of geothermal heat exchangers.

Fig. 2. The schematic diagram of the vertical type geothermal heat pump system.

Fig. 3. The photo of the heat pump system and pipe line.

Fig. 4. The aerial photo of the site.

2. 실험 방법

 육묘온실은 4개의 구획(A, B, C and D zone, 3,300m2)으로 나누어 묘를 생산하는데, 이 4개의 구획은 서로 다른 온도로 관리를 할 수 있으며 4개의 구획중 주로 2개의 구획(A and B zone, 1,650m2)만 냉방하는 것으로 하였다. 또한 온실의 설정온도는 Table 2와 같다. 그리고 온실온도를 28℃로 유지하는 주간(오전 9시부터 오후 5시까지)에는 오후 1시부터 차광한 상태에서 온실을 냉방관리하였다. 냉방기간은 2011년 6월 6일에서 9월 18일까지이며, 6월의 냉방시간은 A 존은 307.3시간, B 존은 357.3시간으로 하루에 각각 12.8시간, 14.9시간이었으며, 7월은 각각 391.9시간, 393.1시간, 12.6시간, 12.7시간, 8월은 각각 358.3시간, 388.9시간, 11.6시간, 12.5시간, 9월은 각각 212.8시간, 216.3시간, 11.8시간, 12.0시간이었다. Fig. 5는 차광한 상태에서 육묘온실을 냉방하는 모습니다.

Table 2. The setting temperature of greenhouse with time.

Fig. 5. The photo of the inside of the greenhouse.

 히트펌프의 냉방열량, 냉방성능을 구하기 위해 히트펌프의 응축기, 증발기측의 입출구 물온도, 축열조의 물온도, 축열조에서 온실방향의 입출구 물온도, 온실 각 구획의 실내온도, 외기온도를 계측하였다. 그리고 지열히트 펌프시스템이 소비하는 전체 전력과 배관을 흐르는 열전달매체의 유량을 측정하였다. 온실의 온도관리는 Fig. 6에서 보는 바와 같이 지열히트펌프 설치업체가 제공하는 프로그램에 의해 제어 및 모니터링 되도록 하였다.

Fig. 6. The photo of the environmental management and monitoring system.

 또한 투입된 전기에너지에 대한 생산된 냉방열의 비로 나타나는 냉방성능은 식(1)로 산출하였다.

 

 여기서, COPC: 냉방성능계수, PHP: 지열히트펌프시스템의 전체 소비전력(kW), ρw: 열전달매체(물)의 밀도(kg/m3), Vw: 열전달매체의 체적 유량(m3/s), cw: 열전달매체의 비열(kJ/kg · ℃), Tw, i, Tw, o: 증발기측 입, 출구 열전달매체온도(℃)

결과 및 고찰

1. 냉수 축열시 히트펌프 증발기와 응축기의 입출구 물온도 변화

Fig. 7은 최초로 축열조에 냉수를 축열할 때(2011년 6월 6일, 10:28~16:19), 히트펌프의 증발기측 입출구 및 응축기측 입출구의 물 온도 변화 그리고 히트펌프의 가동상태를 보여준다. 또한 Fig. 8은 동일한 시간에 증발기측과 응축기측 입출구 물온도차를 나타낸다. Fig. 7 내의 0과 1 또는 2로 표현되는 선(Condition of #1 and #2 heat pump on/off)은 히트펌프 가동상태를 나타내는 것으로 0은 히트펌프의 정지, 1 또는 2는 히트펌프의 가동을 의미한다. 즉 냉수를 축열하는 350분중 두 선이 1과 2로 모두 중첩되는 시간은 319분에서 350분이며, 이때가 히트펌프 2대 모두 가동하였다는 것을 의미한다. 

Fig. 7. Variation of entering and leaving water temperature of evaporator and condenser in heat storage time (10:28~16:19, June 6, 2011).

Fig. 7에서 보는 바와 같이 증발기 입구온도(축열조 물온도)는 26.4℃에서 축열조 설정온도인 10℃까지 하강하였으며, 이때 응축기 출구 물온도는 17.4℃에서 25.9℃까지 상승하였다. 또한 Fig. 8에서 보는 바와 같이 증발기측 물 온도차는 증발기 입구 물온도가 26.4℃에서 17.1℃로 변할 때 최대 1.7℃, 최소 0.9℃ 차이(평균 1.3℃)를 보였으며, 증발기 입구 물온도가 16.6℃에서 13.1℃로 변할 때, 최대 1.1℃, 최소 0.8℃(0.9℃) 차이를 보였다. 그리고 증발기 입출구 온도차는 가동시간이 지나면서 조금씩 하강하였는데, 이는 히트펌프의 가동시간이 지나면서 증발기 입구로 들어오는 물의 온도가 하강하여 열전달량이 조금씩 떨어지기 때문인 것으로 생각된다. 

Fig. 8. Temperature difference of entering water and leaving water of evaporator and condenser (10:28~16:19, June 6, 2011).

농업용 축열식 지열히트펌프의 경우, 난방시 축열온도는 대부분 45~50℃로 설정하며, 이 농가는 난방시 축열온도를 50℃로 유지하였다. 그런데 Fig. 7은 난방에서 냉방으로 전환됨에도 불구하고, 축열조 온도가 최초 26.4℃를 나타났다. 이것은 이 농가가 난방에서 냉방으로 전환하기 전에 축열조에 저장된 난방열을 최대한 외부로 방출시켰다는 것을 의미한다. 즉 난방이 필요하지 않거나 부분적인 난방이 필요한 시기인 4, 5월에 히트펌프를 가동하지 않은 상태에서 축열조에 저장된 물을 온실내 설치된 열교환기를 통해 그 온도를 최대한 낮춘 후, 히트펌프를 난방에서 냉방으로 전환한 것이다. 이렇게 난방에서 냉방으로 히트펌프를 전환할 때, 축열조 내에 저장된 물의 온도를 최대한 낮춤으로써 히트펌프의 가동시간을 최대한 줄여 전력소비를 최소화하는 것이 바람직한 것으로 생각된다. 

2. 히트펌프 가동 대수에 대한 냉방성능계수 변화

역카르노 사이클인 히트펌프의 성능계수는 카르노사이클의 효율과 같은 의미로 해석될 수 있다. 성능계수를 좌우하는 것은 여러 가지가 있을 수 있으나, 히트펌프의 외부환경만으로 볼 때 증발기(heat source)에 유입되는 유체의 온도가 높을수록, 응축기(heat sink)에 유입되는 유체의 온도가 낮을수록 난방과 냉방 성능계수가 높아진다(Lee 등, 2011; Sohn과 Choi, 2012). Fig. 9(a)와 (b)는 각각 증발기에 유입되는 물의 온도, 응축기에 유입되는 물의 온도에 따른 히트펌프를 1대 가동한 경우와 2대 모두 가동한 경우의 성능계수, 발생한 냉방열량과 소비전력을 보여준다.

Fig. 9. Variation of COP, power consumption and cooling heat according to the number of heat pumps in operation.

 비교를 위하여 히트펌프를 1대 가동하는 경우와 2대 가동하는 경우의 각각의 입구에서 물온도 분포가 비슷하여야 하나, 실험공간이 실제로 육묘를 수행하고 있는 온실이기 때문에 증발기 입구의 물온도 분포를 일치시킬 수 없었다.

 Fig. 9에서 보는 바와 같이 히트펌프를 1대 가동하는 경우, 증발기 입구에 유입되는 물온도 13.0~15.5℃(응축기 입구에 유입되는 물온도 19.4~21.2℃) 범위에서 냉방성능계수는 1.1~1.8, 발생한 냉방열량은 68.2~106.8kW, 소비전력은 61.0kW이었다. 히트펌프를 2대 가동하는 경우, 증발기 입구 물온도 10.0~13.0℃(응축기 입구에 유입되는 물온도 18.5~22.2℃) 범위에서 냉방성능계수는 2.0~2.7, 냉방열량은 203.9~262.0kW, 소비전력은 95~98kW이었다. 그리고 앞서 말한 바와 같이 증발기 입구의 물온도가 높고 응축기 입구의 물온도가 낮을수록 성능계수는 높게 나타났다. 이와 같은 결과는 Fig. 7, 8과 같이 증발기 입구의 물온도가 높을수록 증발기 입출구 물온도차가 크고, 응축기 입구의 물온도가 낮을수록 응축기 입출구 물온도차가 큰 것과 연관성이 있어 보인다.

3. 월별 사용냉방열량 및 전력소비량

 Fig. 10은 온실 냉방시 비교적 외기온이 높은 날(2011년 7월 21일)을 선정하여 냉방설정온도 및 실내온도를 나타내었다. 이 그림에서 보는 바와 같이 실내온도는 야간(21:00~익일 05:00)까지는 18℃로, 주간(09:00~17:00)에는 28℃로 유지하였다. 그림에서 보는 바와 같이 외기온이 35℃ 이상에서도 설정온도에 따라 실내온도가 양호한 상태로 유지하였다(05:00~08:00은 히트펌프를 가동하지 않았음).

Fig. 10. Variation of setting temperature and inside temperature of greenhouse according to ambient temperature (July 21, 2011).

 Fig. 11은 월별 냉방열량과 소비되는 전기량을 누적한 것이다. 6월의 누적 냉방열량은 14,718.6kWh(12,657,996kcal), ,600.0kWh, 8월은 각각 28,437.2, 12,508.0kWh, 9월은 각각 10,065.0, 5,125.0kWh로 8월이 가장 큰 냉방열량을 나타내었다. 이때 6월의 최대 외기온은 35.1℃, 최저외기온은 10.5℃이었으며, 7월은 37.9℃, 17.1℃, 8월은 39.9℃, 14.2℃, 9월은 33.9℃, 15℃이었다.

Fig. 11. Variation of accumulated cooling heat and power consumption according to month.

사 사

본 연구는 농촌진흥청 공동연구사업(과제번호: PJ001514)의 지원에 의해 이루어진 것임. 

Reference

1.Baik, Y.J., M.S. Kim, K.C. Chang, Y.S. Lee, and H.J. Kim. 2012. Potential performance enhancement of dual heat pump systems through series operation. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers 36(8):797-802 (in Korean).
2.Cane, D., A. Morrison, and K. Christopher. 1998. Operating experiences with commercial ground-source heat pump systems. ASHRAE.
3.Kavanaugh, S.P. and K. Rafferty. 1997. Ground-source heat pumps:Design of geothermal systems for commercial and institutional buildings, ASHRAE.
4.Kim, J.K., Y.H. Kim, and S.H. Lee. 2002. Analysis of energy balance in closed transplants production system. Conference of the Korean Society of Bio-Environment Control 2002:326-331 (in Korean).
5.Kim, J.K., Y.H. Kim, M.G. Lee, Y.H. Choi, and S.H. Lee. 2003. Analysis of electric energy consumption in closed transplants production system as affected by photoperiod and relative humidity. Conference of the Korean Society of Agricultural Machinery 2003:145-150 (in Korean).
6.Kim, K.D., E.H. Lee, W.B. Kim, J.G. Lee, D.L. Yoo, Y.S. Kwon, J.N. Lee, S.W. Jang, and S.C. Hong. 2011. Effects of several cooling methods and cool water hose bed culture on growth and microclimate in summer season cultivation of narrowhead goldenray (Ligularia stenocephaia). Journal of Bio-Environment Control 20(2):116-122 (in Korean).
7.Lee, J.H., Y.B. Lee, J.K. Kwon, N.J. Kang, H.J. Kim, Y.H. Choi, J.M. Park, and H.C. Rhee. 2006. Effect of greenhouse cooling and transplant quality using geothermal heat pump system. Journal of Bio-Environment Control 15(3): 211-216 (in Korean).
8.Lee, J.W. 1994. Effect of root zone warming by hot water in winter season on rhizosphere environment, growth and yield of greenhouse-grown cucumber (cucuis sativus L.). PhD thesis, Kyungpook Nat'l Univ.: 51-55 (in Korean).
9.Lee, K.J., Y.C. Kwon, C.K. Chun, S.J. Park, J.T. Kwon, and C. Huh. 2011. Experimental study on heating performance characteristics of air source heat pump with air to water type. Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering 23(6):400-405 (in Korean).
10.Major statistical data of Food, Agriculture, Forestry and Fisheries (2011). 2012. The cultivation state of vegetable and flowers in Korea. Ministry for Food, Agriculture, Forestry and Fisheries, Gwacheon, Korea (in Korean)
11.Moon, J.H., S.K. Lee, and D.K. Ko, 2000. Effect of root zone cooling in summer season on yield and quality. Report of National Horticultural Research Institute: 45-48 (in Korean)
12.Nam, S.W. 2000. Actual utilization and thermal environment of greenhouses according to several cooling methods during summer Season. Journal of Bio-Environment Control 9(1):1-10 (in Korean).
13.Nam, Y.I. 2000. Automatic system of hydroponic culture and production facility. Teaching material of R. D. A.: 10-15 (in Korean).
14.Ryu, Y.S., J.T. Chang, Y.J. Kim, K.J. Lee, and J.H. Yun. 1999. Performance test of heat pump system for low temperature treatment of Phalaenopsis. Conference of the Korean Society of Bio-Environment Control 99:95-99 (in Korean).
15.Yu, I.H., Y.I. Nam, T.Y. Kim, M.Y. Roh, and M.W. Cho. 2006. Effect of newly developed fan and mist evaporative cooling system on greenhouse cooling and growth of cucumber. Journal of Bio-Environment Control 15(1):91-97 (in Korean).