지열원 열펌프식 열풍건조기의 지중 열교환기의 설계 및 경제성 분석에 관한 연구 A study on the Design of Underground Heat Exchanger and Economic Analysis of Geothermal Heat Pump Type Hot Air Dryer원문보기
건조기는 건조물의 수분 제거를 위해 많은 에너지가 소비된다. 건조기는 오랫동안 전기히터 방식으로 많이 사용해 왔는데, 많은 에너지 소비는 비용 증가에 원인이 된다. 따라서 전기히터 방식에 비해 약 80% 이상의 에너지 절약이 가능한 열펌프 방식의 건조기는 비용 절감에 매우 도움이 된다. 특히 열펌프 방식의 열원으로 지열원은 연중 온도가 거의 일정하게 유지되는 장점이 있다. 건축물에서는 오래 전부터 지열 시스템을 적용하고 있는데, 실제로 공공기관에서는 태양광과 지열원이 ...
건조기는 건조물의 수분 제거를 위해 많은 에너지가 소비된다. 건조기는 오랫동안 전기히터 방식으로 많이 사용해 왔는데, 많은 에너지 소비는 비용 증가에 원인이 된다. 따라서 전기히터 방식에 비해 약 80% 이상의 에너지 절약이 가능한 열펌프 방식의 건조기는 비용 절감에 매우 도움이 된다. 특히 열펌프 방식의 열원으로 지열원은 연중 온도가 거의 일정하게 유지되는 장점이 있다. 건축물에서는 오래 전부터 지열 시스템을 적용하고 있는데, 실제로 공공기관에서는 태양광과 지열원이 신재생에너지 설비에 투입금액의 약 96.6%를 차지한다. 반면 에너지 사용량이 많은 건조기에 지열원 열펌프 시스템을 적용하는 사례는 국내·외에서도 거의 찾아보기 힘들다. 이는 지열원을 이용하기 위한 지중열교환기의 설치작업으로 인해 초기투자비가 높기 때문이다. 게다가 농산물 건조기를 취급하는 업체들은 그 규모가 작은데다 기업에서는 소비자들의 요구에 맞도록 저렴한 비용 및 간단한 설치가 가능한 제품을 제공하려고 한다. 따라서 초기비용이 높고 설치가 비교적 어려운 지열원 열펌프 시스템을 적용한 제품은 찾아보기 힘들다. 하지만 에너지 소모가 많은 건조기의 특성에 따라 에너지 절감효과가 좋고, 고효율 제품을 사용하여 온실가스 감축을 고려한다면 지열원 열펌프 시스템의 적용은 의미가 있다고 판단하였다. 따라서 지열원 열펌프 농산물 건조기를 장기적으로 경제성이 있는지 확인해 볼 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 GLD 프로그램을 사용하여 건조 용량에 따라 적절한 지중열교환기를 설계하고 소용량 지열원 열펌프 건조기에 적용하여 건조실험을 하였다. 그리고 중규모 및 대규모의 지열원 열펌프 시스템의 지중열교환기의 적절한 천공 길이를 알기 위해 실험결과를 TRNSYS 시뮬레이션 모델링 및 수행하였다. 그리고 중규모 이상일 때 지중열교환기 적절한 천공 길이를 시뮬레이션 하고. 소용량(1 HP)과 대용량(20 HP) 열풍건조기와 기존 전기히터 열풍건조기의 경제성 분석을 통해 경제적으로 유리한 방식을 제안하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 1 HP 지열원 열펌프 열풍건조기 사이클 해석 결과 건조기 설정온도가 55℃이고 외기온도 26 ℃인 공기를 20% 혼합하였을 때, 건조실 내부의 공기는 49.74 ℃이며, 공기의 COPc는 1.74, COPh는 2.74로 나타났다. 건조실험 설정온도에 비해 약 5℃ 높게 설정되었으나 있으나 실제 건조에서 외기의 혼합을 조절 하였을 때 건조 설정온도를 맞출 수 있을 것으로 판단된다.
2. 건조시료 미역 50 kg을 20년 동안 1일 1회, 2일 1회 건조한다고 가정하였을 때 시추공 길이는 GLD 시뮬레이션 결과 지중열교환기 길이는 각각 92.2 m, 76.9 m으로 나타났다. 건조를 처음 시작하였을 때에 비해 20년 후 지중온도는 1일 1회 건조 시 약 2℃, 2일 1회 건조 시 약 1℃하락하여, 지중에서 열을 계속 취득하더라도 지중온도의 변화는 크지 않을 것으로 판단되었다. 지중열교환기는 50 m, 100 m, 150 m의 기준으로 시공하므로 시뮬레이션 결과에 따라 건조실험에서는 50 m와 100 m로 설계하는 것이 적절하다고 판단하였다.
3. 건조실험에서 지중열교환기 길이 50m일 때 건조시간은 약 14시간, 100 m일 때 약 13시간으로 100 m 천공 길이의 건조 종료시간이 약 1시간 빨랐다. 반면 지중열교환기 순환수 온도차는 천공 길이 50 m일 때 1.55℃, 천공 길이 100 m일 때 2.09℃로 약 0.5℃ 차이나는 것을 확인하였다. 지중열교환기 길이가 길수록 순환수 온도차가 크고, 열용량이 크기 때문에 건조시간이 더욱 빨라질 것으로 판단된다.
4. 건조실험 결과 평균 TEWT와 TLWT는 천공 길이 50 m는 각각 17.27℃, 15.72℃이고, 천공 길이 100 m는 17.41℃, 15.32℃로 건조시작 전과 후의 온도차는 크게 다르지 않았다, 천공 길이 50 m와 100 m 모두 건조 시간이 약 5시간 지났을 때 TEWT와 TLWT 온도의 상승과 하강이 반복되기 시작하였는데, 온도차는 점점 줄어들었다. 이는 건조시료의 수분이 상당량 제거되어 건조 부하가 크게 감소하였으므로 지열원 열펌프의 On/Off 작동이 진행되었다고 판단된다.
5. 건조실험 결과를 TRNSYS 시뮬레이션 모델링하여 TEWT를 결과를 확인하였을 때 17.54℃로 실험에서 측정된 17.42℃에 비해 오차는 0.12℃이며, 큰 차이가 나지 않음을 확인하였다. 따라서 TRNSYS 모델링을 바탕으로 중규모 이상의 건조용량을 시뮬레이션 할 경우 큰 오차가 없을 것으로 판단하였다.
6. 중규모 이상의 건조 질량 300 kg, 500 kg, 1,000 kg의 지중열교환기 길이를 시뮬레이션 한 결과 건조 질량 300 kg일 때 천공 길이는 300 m, 건조 질량 500 kg일 때 천공 길이 450 m, 건조 질량 1,000 kg일 때 천공 길이는 750 m로 나타났다. 천공 길이 증가에 따라 COP는 증가하였으나 일정한 천공 길이 이상에서는 COP의 증가폭이 1% 내외로 크게 다르지 않은 것을 확인하여 적절한 천공 길이로 선정하였다. 건조 질량이 커질수록 천공 길이는 길어지지만 천공 길이 상승률 하락하여 시공비 절감이 가능할 것으로 생각된다. 특히 대용량 건조기에 지열원 열펌프 시스템을 적용할 경우 경제적으로 유리할 것으로 판단되었다.
7. 1 HP 용량의 전기히터 열풍건조기와 지열원 열펌프 열풍건조기의 연간 균등 부담법을 적용한 결과 월 상환비용은 전기히터 열풍건조기 79,766원, 지열원 열펌프 열풍건조기 117,909원으로 지열원 열펌프 열풍건조기가 38,143(약 47.8%)원 많게 나타났다. 지열원 열펌프 열풍건조기의 지중열교환기 설치에 신재생에너지 주택 지원 사업 보조금을 받을 경우 월 상환비용은 94,815원으로 보조금을 받지 않았을 때에 비해 23,094원(약 19.6%) 적었으나 전기히터 열풍건조기에 비해 15,049원(약 18.9%) 많았다. 1 HP의 소용량 건조기에는 지열원 열펌프 열풍건조기에 비해 전기히터 건조기가 경제적으로 더 유리한 것으로 판단된다.
8. 20 HP 용량의 전기히터 열풍건조기와 지열원 열펌프 열풍건조기의 연간 균등 부담법을 적용한 결과 월 상환비용은 전기히터 열풍건조기 921,614원, 지열원 열펌프 열풍건조기 596,114원으로 전기히터 열풍건조기가 325,500원(약 54.6%) 많게 나타났다. 지열원 열펌프 열풍건조기의 지중열교환기 설치에 신재생에너지 주택 지원 사업 보조금을 받을 경우 월 상환비용은 480,711원으로 보조금을 받지 않았을 때에 비해 115,403원(약 19.4%) 적고, 전기히터 열풍건조기에 비해 440,903원(약 47.8%) 적었다. 20 HP의 대용량 건조기는 전기히터 열풍건조기에 비해 지열원 열펌프 열풍건조기가 월등하게 경제적으로 더 유리한 것으로 나타났는데 이는 전기히터 열풍건조기에 투입되는 에너지 소모가 월등하게 많기 때문으로 판단되었다.
건조기는 건조물의 수분 제거를 위해 많은 에너지가 소비된다. 건조기는 오랫동안 전기히터 방식으로 많이 사용해 왔는데, 많은 에너지 소비는 비용 증가에 원인이 된다. 따라서 전기히터 방식에 비해 약 80% 이상의 에너지 절약이 가능한 열펌프 방식의 건조기는 비용 절감에 매우 도움이 된다. 특히 열펌프 방식의 열원으로 지열원은 연중 온도가 거의 일정하게 유지되는 장점이 있다. 건축물에서는 오래 전부터 지열 시스템을 적용하고 있는데, 실제로 공공기관에서는 태양광과 지열원이 신재생에너지 설비에 투입금액의 약 96.6%를 차지한다. 반면 에너지 사용량이 많은 건조기에 지열원 열펌프 시스템을 적용하는 사례는 국내·외에서도 거의 찾아보기 힘들다. 이는 지열원을 이용하기 위한 지중열교환기의 설치작업으로 인해 초기투자비가 높기 때문이다. 게다가 농산물 건조기를 취급하는 업체들은 그 규모가 작은데다 기업에서는 소비자들의 요구에 맞도록 저렴한 비용 및 간단한 설치가 가능한 제품을 제공하려고 한다. 따라서 초기비용이 높고 설치가 비교적 어려운 지열원 열펌프 시스템을 적용한 제품은 찾아보기 힘들다. 하지만 에너지 소모가 많은 건조기의 특성에 따라 에너지 절감효과가 좋고, 고효율 제품을 사용하여 온실가스 감축을 고려한다면 지열원 열펌프 시스템의 적용은 의미가 있다고 판단하였다. 따라서 지열원 열펌프 농산물 건조기를 장기적으로 경제성이 있는지 확인해 볼 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 GLD 프로그램을 사용하여 건조 용량에 따라 적절한 지중열교환기를 설계하고 소용량 지열원 열펌프 건조기에 적용하여 건조실험을 하였다. 그리고 중규모 및 대규모의 지열원 열펌프 시스템의 지중열교환기의 적절한 천공 길이를 알기 위해 실험결과를 TRNSYS 시뮬레이션 모델링 및 수행하였다. 그리고 중규모 이상일 때 지중열교환기 적절한 천공 길이를 시뮬레이션 하고. 소용량(1 HP)과 대용량(20 HP) 열풍건조기와 기존 전기히터 열풍건조기의 경제성 분석을 통해 경제적으로 유리한 방식을 제안하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 1 HP 지열원 열펌프 열풍건조기 사이클 해석 결과 건조기 설정온도가 55℃이고 외기온도 26 ℃인 공기를 20% 혼합하였을 때, 건조실 내부의 공기는 49.74 ℃이며, 공기의 COPc는 1.74, COPh는 2.74로 나타났다. 건조실험 설정온도에 비해 약 5℃ 높게 설정되었으나 있으나 실제 건조에서 외기의 혼합을 조절 하였을 때 건조 설정온도를 맞출 수 있을 것으로 판단된다.
2. 건조시료 미역 50 kg을 20년 동안 1일 1회, 2일 1회 건조한다고 가정하였을 때 시추공 길이는 GLD 시뮬레이션 결과 지중열교환기 길이는 각각 92.2 m, 76.9 m으로 나타났다. 건조를 처음 시작하였을 때에 비해 20년 후 지중온도는 1일 1회 건조 시 약 2℃, 2일 1회 건조 시 약 1℃하락하여, 지중에서 열을 계속 취득하더라도 지중온도의 변화는 크지 않을 것으로 판단되었다. 지중열교환기는 50 m, 100 m, 150 m의 기준으로 시공하므로 시뮬레이션 결과에 따라 건조실험에서는 50 m와 100 m로 설계하는 것이 적절하다고 판단하였다.
3. 건조실험에서 지중열교환기 길이 50m일 때 건조시간은 약 14시간, 100 m일 때 약 13시간으로 100 m 천공 길이의 건조 종료시간이 약 1시간 빨랐다. 반면 지중열교환기 순환수 온도차는 천공 길이 50 m일 때 1.55℃, 천공 길이 100 m일 때 2.09℃로 약 0.5℃ 차이나는 것을 확인하였다. 지중열교환기 길이가 길수록 순환수 온도차가 크고, 열용량이 크기 때문에 건조시간이 더욱 빨라질 것으로 판단된다.
4. 건조실험 결과 평균 TEWT와 TLWT는 천공 길이 50 m는 각각 17.27℃, 15.72℃이고, 천공 길이 100 m는 17.41℃, 15.32℃로 건조시작 전과 후의 온도차는 크게 다르지 않았다, 천공 길이 50 m와 100 m 모두 건조 시간이 약 5시간 지났을 때 TEWT와 TLWT 온도의 상승과 하강이 반복되기 시작하였는데, 온도차는 점점 줄어들었다. 이는 건조시료의 수분이 상당량 제거되어 건조 부하가 크게 감소하였으므로 지열원 열펌프의 On/Off 작동이 진행되었다고 판단된다.
5. 건조실험 결과를 TRNSYS 시뮬레이션 모델링하여 TEWT를 결과를 확인하였을 때 17.54℃로 실험에서 측정된 17.42℃에 비해 오차는 0.12℃이며, 큰 차이가 나지 않음을 확인하였다. 따라서 TRNSYS 모델링을 바탕으로 중규모 이상의 건조용량을 시뮬레이션 할 경우 큰 오차가 없을 것으로 판단하였다.
6. 중규모 이상의 건조 질량 300 kg, 500 kg, 1,000 kg의 지중열교환기 길이를 시뮬레이션 한 결과 건조 질량 300 kg일 때 천공 길이는 300 m, 건조 질량 500 kg일 때 천공 길이 450 m, 건조 질량 1,000 kg일 때 천공 길이는 750 m로 나타났다. 천공 길이 증가에 따라 COP는 증가하였으나 일정한 천공 길이 이상에서는 COP의 증가폭이 1% 내외로 크게 다르지 않은 것을 확인하여 적절한 천공 길이로 선정하였다. 건조 질량이 커질수록 천공 길이는 길어지지만 천공 길이 상승률 하락하여 시공비 절감이 가능할 것으로 생각된다. 특히 대용량 건조기에 지열원 열펌프 시스템을 적용할 경우 경제적으로 유리할 것으로 판단되었다.
7. 1 HP 용량의 전기히터 열풍건조기와 지열원 열펌프 열풍건조기의 연간 균등 부담법을 적용한 결과 월 상환비용은 전기히터 열풍건조기 79,766원, 지열원 열펌프 열풍건조기 117,909원으로 지열원 열펌프 열풍건조기가 38,143(약 47.8%)원 많게 나타났다. 지열원 열펌프 열풍건조기의 지중열교환기 설치에 신재생에너지 주택 지원 사업 보조금을 받을 경우 월 상환비용은 94,815원으로 보조금을 받지 않았을 때에 비해 23,094원(약 19.6%) 적었으나 전기히터 열풍건조기에 비해 15,049원(약 18.9%) 많았다. 1 HP의 소용량 건조기에는 지열원 열펌프 열풍건조기에 비해 전기히터 건조기가 경제적으로 더 유리한 것으로 판단된다.
8. 20 HP 용량의 전기히터 열풍건조기와 지열원 열펌프 열풍건조기의 연간 균등 부담법을 적용한 결과 월 상환비용은 전기히터 열풍건조기 921,614원, 지열원 열펌프 열풍건조기 596,114원으로 전기히터 열풍건조기가 325,500원(약 54.6%) 많게 나타났다. 지열원 열펌프 열풍건조기의 지중열교환기 설치에 신재생에너지 주택 지원 사업 보조금을 받을 경우 월 상환비용은 480,711원으로 보조금을 받지 않았을 때에 비해 115,403원(약 19.4%) 적고, 전기히터 열풍건조기에 비해 440,903원(약 47.8%) 적었다. 20 HP의 대용량 건조기는 전기히터 열풍건조기에 비해 지열원 열펌프 열풍건조기가 월등하게 경제적으로 더 유리한 것으로 나타났는데 이는 전기히터 열풍건조기에 투입되는 에너지 소모가 월등하게 많기 때문으로 판단되었다.
The dryer consumes a lot of energy to remove moisture from the dry matter. A dryer has been widely used as a method of using an electric heater since a long time ago, and the cost increases due to high energy consumption. Therefore, the heat pump type dryer, which can save about 80% or more of energ...
The dryer consumes a lot of energy to remove moisture from the dry matter. A dryer has been widely used as a method of using an electric heater since a long time ago, and the cost increases due to high energy consumption. Therefore, the heat pump type dryer, which can save about 80% or more of energy compared to the electric heater type, is very helpful in reducing costs. In particular, as a heat pump type heat source, the geothermal heat source has the advantage of maintaining almost constant temperature throughout the year. Geothermal systems have been used in buildings for a long time. In fact, in public institutions, solar and geothermal sources account for about 96.6% of the amount invested in new and renewable energy facilities. On the other hand, it is difficult to find examples of applying a geothermal heat pump system to dryers that use a lot of energy, both at home and abroad. This is because the initial investment cost is high due to the installation of a geothermal heat exchanger to use a geothermal heat source. In addition, the companies that deal with agricultural products dryers are small, and companies try to provide products that are low-cost and simple to install to meet the needs of consumers. Therefore, it is difficult to find a product that uses a geothermal heat pump system, which has a high initial cost and is relatively difficult to install. However, it is the application of a geothermal heat pump system is meaningful if the energy saving effect is good depending on the characteristics of the dryer that consumes a lot of energy and the reduction of greenhouse gas by using a high-efficiency product is considered. Therefore, it is necessary to check whether the geothermal heat pump agricultural product dryer is economical in the long term. Therefore, in this study, an appropriate geothermal heat exchanger was designed according to the drying capacity using the GLD program, and a drying experiment was conducted by applying it to a small capacity geothermal heat pump dryer. And in order to know the proper boring length of the geothermal heat exchanger of the medium and large scale geothermal heat pump system, TRNSYS simulation modeled and performed the experimental results. In addition, we simulated an appropriate boring length for a geothermal heat exchanger of a medium or larger scale. And an economically advantageous method was proposed through the economic analysis of the small capacity (1 HP) and large capacity (20 HP) hot air dryer and the existing electric heater hot air dryer. The results are summarized as follows.
1. 1 HP geothermal heat pump hot air dryer cycle analysis result, when the set temperature of the dryer is 55℃ and 20% of air with an outdoor temperature of 26℃ is mixed, the air inside the drying room is 49.74℃, the COPc of the air is 1.74, and the COPh is 2.74. Although it was set to be about 5℃ higher than the set temperature for the drying test, it is judged that the set temperature for drying can be adjusted when the mixing of outside air is adjusted in actual drying.
2. Assuming that 50 kg of dried seaweed is dried once a day and once every two days for 20 years, the GLD simulation results show that the length of the borehole is 92.2 m and the length of the geothermal heat exchanger is 76.9 m, respectively. Compared to when drying was first started, the underground temperature after 20 years will drop by about 2°C when dried once a day and by about 1°C when dried twice a day. Since the underground heat exchanger is constructed based on the standard of 50 m, 100 m, and 150 m, it was judged that it is appropriate to design 50 m and 100 m in the drying test according to the simulation results.
3. In the drying experiment, when the underground heat exchanger length was 50 m, the drying time was about 14 hours, and when the length was 100 m, the drying time was about 13 hours. On the other hand, it was confirmed that the temperature difference of the circulating water in the geothermal heat exchanger was 1.55°C when the drilling length was 50 m and 2.09°C when the drilling length was 100 m, which was about 0.5°C. The longer the underground heat exchanger, the greater the temperature difference of the circulating water and the greater the heat capacity, so it is judged that the drying time will be faster.
4. As a result of the drying test, the average TEWT and TLWT were 17.27℃ and 15.72℃ for 50 m of drilling length, and 17.41℃ and 15.32℃ for 100 m of drilling length. The temperature difference before and after the start of drying was not significantly different. After about 5 hours of drying time, the TEWT and TLWT temperatures began to rise and fall repeatedly, and the temperature difference gradually decreased. It is judged that the on/off operation of the geothermal heat pump has proceeded because a significant amount of moisture in the dried sample was removed and the drying load was greatly reduced.
5. When the drying test results were modeled with TRNSYS simulation and the TEWT results were confirmed, the error was 0.12°C and there was no significant difference at 17.54°C compared to the 17.42°C measured in the experiment. Therefore, it was judged that there would be no large error when simulating the drying capacity of medium-scale or larger based on TRNSYS modeling.
6. As a result of simulating the length of the geothermal heat exchanger for a dry mass of mesoscale or larger, the boring length was 300 m when the dry mass was 300 kg, the boring length was 450 m when the dry mass was 500 kg, and the boring length was 750 m when the dry mass was 1,000 kg. The COP increased with the increase in the perforation length, but it was confirmed that the change in COP did not differ significantly by about 1% above a certain perforation length, and this was selected as the appropriate perforation length. As the dry mass increases, the drilling length becomes longer, but it is thought that the construction cost can be reduced as the increase rate of the boring length decreases. In particular, it was judged that it would be economically advantageous to apply a geothermal heat pump system to a large-capacity dryer.
7. As a result of applying the annual equal pay method of the electric heater hot air dryer and the geothermal heat pump hot air dryer with a capacity of 1 HP , the monthly repayment cost is that the electric heater is 79,766 won and the geothermal heat pump hot air dryer is 117,909 won. The the geothermal heat pump hot air dryer was 38,143 won(about 47.8%) more expensive. The monthly repayment cost of a geothermal heat pump hot air dryer is 94,815 won when receiving a subsidy for the renewable energy housing support project. Compared to the case without subsidy, 23,094 won (about 19.6%) decreased, and 15,049 won (about 18.9%) higher than that of the electric heater hot air dryer. It is judged that the electric heater dryer is economically more advantageous than the geothermal heat pump hot air dryer for the small capacity dryer of 1 HP.
8. As a result of applying the annual equal pay method of an electric heater hot air dryer with a capacity of 20 HP and a geothermal heat pump hot air dryer, the monthly repayment cost is 921,614 won for an electric heater hot air dryer. Compared to the geothermal heat pump hot air dryer 596,114 won, the electric heater hot air dryer showed 325,500 won (about 54.6%) more. The monthly repayment cost is 480,711 won when receiving a subsidy for a new and renewable energy housing support project for the installation of a geothermal heat exchanger for a geothermal heat pump hot air dryer. It was 115,403 won (about 19.4%) less than when no subsidy was received, and 440,903 won (about 47.8%) less than the electric heater hot air dryer. The 20 HP large-capacity dryer was found to be economically more advantageous to the geothermal heat pump hot air dryer compared to the electric heater hot air dryer.
The dryer consumes a lot of energy to remove moisture from the dry matter. A dryer has been widely used as a method of using an electric heater since a long time ago, and the cost increases due to high energy consumption. Therefore, the heat pump type dryer, which can save about 80% or more of energy compared to the electric heater type, is very helpful in reducing costs. In particular, as a heat pump type heat source, the geothermal heat source has the advantage of maintaining almost constant temperature throughout the year. Geothermal systems have been used in buildings for a long time. In fact, in public institutions, solar and geothermal sources account for about 96.6% of the amount invested in new and renewable energy facilities. On the other hand, it is difficult to find examples of applying a geothermal heat pump system to dryers that use a lot of energy, both at home and abroad. This is because the initial investment cost is high due to the installation of a geothermal heat exchanger to use a geothermal heat source. In addition, the companies that deal with agricultural products dryers are small, and companies try to provide products that are low-cost and simple to install to meet the needs of consumers. Therefore, it is difficult to find a product that uses a geothermal heat pump system, which has a high initial cost and is relatively difficult to install. However, it is the application of a geothermal heat pump system is meaningful if the energy saving effect is good depending on the characteristics of the dryer that consumes a lot of energy and the reduction of greenhouse gas by using a high-efficiency product is considered. Therefore, it is necessary to check whether the geothermal heat pump agricultural product dryer is economical in the long term. Therefore, in this study, an appropriate geothermal heat exchanger was designed according to the drying capacity using the GLD program, and a drying experiment was conducted by applying it to a small capacity geothermal heat pump dryer. And in order to know the proper boring length of the geothermal heat exchanger of the medium and large scale geothermal heat pump system, TRNSYS simulation modeled and performed the experimental results. In addition, we simulated an appropriate boring length for a geothermal heat exchanger of a medium or larger scale. And an economically advantageous method was proposed through the economic analysis of the small capacity (1 HP) and large capacity (20 HP) hot air dryer and the existing electric heater hot air dryer. The results are summarized as follows.
1. 1 HP geothermal heat pump hot air dryer cycle analysis result, when the set temperature of the dryer is 55℃ and 20% of air with an outdoor temperature of 26℃ is mixed, the air inside the drying room is 49.74℃, the COPc of the air is 1.74, and the COPh is 2.74. Although it was set to be about 5℃ higher than the set temperature for the drying test, it is judged that the set temperature for drying can be adjusted when the mixing of outside air is adjusted in actual drying.
2. Assuming that 50 kg of dried seaweed is dried once a day and once every two days for 20 years, the GLD simulation results show that the length of the borehole is 92.2 m and the length of the geothermal heat exchanger is 76.9 m, respectively. Compared to when drying was first started, the underground temperature after 20 years will drop by about 2°C when dried once a day and by about 1°C when dried twice a day. Since the underground heat exchanger is constructed based on the standard of 50 m, 100 m, and 150 m, it was judged that it is appropriate to design 50 m and 100 m in the drying test according to the simulation results.
3. In the drying experiment, when the underground heat exchanger length was 50 m, the drying time was about 14 hours, and when the length was 100 m, the drying time was about 13 hours. On the other hand, it was confirmed that the temperature difference of the circulating water in the geothermal heat exchanger was 1.55°C when the drilling length was 50 m and 2.09°C when the drilling length was 100 m, which was about 0.5°C. The longer the underground heat exchanger, the greater the temperature difference of the circulating water and the greater the heat capacity, so it is judged that the drying time will be faster.
4. As a result of the drying test, the average TEWT and TLWT were 17.27℃ and 15.72℃ for 50 m of drilling length, and 17.41℃ and 15.32℃ for 100 m of drilling length. The temperature difference before and after the start of drying was not significantly different. After about 5 hours of drying time, the TEWT and TLWT temperatures began to rise and fall repeatedly, and the temperature difference gradually decreased. It is judged that the on/off operation of the geothermal heat pump has proceeded because a significant amount of moisture in the dried sample was removed and the drying load was greatly reduced.
5. When the drying test results were modeled with TRNSYS simulation and the TEWT results were confirmed, the error was 0.12°C and there was no significant difference at 17.54°C compared to the 17.42°C measured in the experiment. Therefore, it was judged that there would be no large error when simulating the drying capacity of medium-scale or larger based on TRNSYS modeling.
6. As a result of simulating the length of the geothermal heat exchanger for a dry mass of mesoscale or larger, the boring length was 300 m when the dry mass was 300 kg, the boring length was 450 m when the dry mass was 500 kg, and the boring length was 750 m when the dry mass was 1,000 kg. The COP increased with the increase in the perforation length, but it was confirmed that the change in COP did not differ significantly by about 1% above a certain perforation length, and this was selected as the appropriate perforation length. As the dry mass increases, the drilling length becomes longer, but it is thought that the construction cost can be reduced as the increase rate of the boring length decreases. In particular, it was judged that it would be economically advantageous to apply a geothermal heat pump system to a large-capacity dryer.
7. As a result of applying the annual equal pay method of the electric heater hot air dryer and the geothermal heat pump hot air dryer with a capacity of 1 HP , the monthly repayment cost is that the electric heater is 79,766 won and the geothermal heat pump hot air dryer is 117,909 won. The the geothermal heat pump hot air dryer was 38,143 won(about 47.8%) more expensive. The monthly repayment cost of a geothermal heat pump hot air dryer is 94,815 won when receiving a subsidy for the renewable energy housing support project. Compared to the case without subsidy, 23,094 won (about 19.6%) decreased, and 15,049 won (about 18.9%) higher than that of the electric heater hot air dryer. It is judged that the electric heater dryer is economically more advantageous than the geothermal heat pump hot air dryer for the small capacity dryer of 1 HP.
8. As a result of applying the annual equal pay method of an electric heater hot air dryer with a capacity of 20 HP and a geothermal heat pump hot air dryer, the monthly repayment cost is 921,614 won for an electric heater hot air dryer. Compared to the geothermal heat pump hot air dryer 596,114 won, the electric heater hot air dryer showed 325,500 won (about 54.6%) more. The monthly repayment cost is 480,711 won when receiving a subsidy for a new and renewable energy housing support project for the installation of a geothermal heat exchanger for a geothermal heat pump hot air dryer. It was 115,403 won (about 19.4%) less than when no subsidy was received, and 440,903 won (about 47.8%) less than the electric heater hot air dryer. The 20 HP large-capacity dryer was found to be economically more advantageous to the geothermal heat pump hot air dryer compared to the electric heater hot air dryer.
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