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문제 정의
- 주간의 유입되는 태양복사는 내부의 토양표면을 먼저 가열시키고 그다음에 실내공기가 가열되는데 실내의 토양표면온도는 외부의 토양보다 높게 유지된다. 즉, 외기에 노출된 토양보다 온실 내부의 토양이 일사 에너지 축적이 용이하다고 볼 수 있는데 이와 같은 열적 특성을 지열원 히트펌프에 이용하고자 토양에 매립되는지중열교환기를 비교적 얇게 수평으로 매립하여 히트펌프의 성능을 알아보고자 하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 수평형 지열원 히트펌프시스템을 온실에 적용하였다. 일반적으로 시설 하우스는 작물을 재배하기 위한 비교적 넓은 면적을 가지고 있고 대부분 비닐하우스나 유리하우스로 되어있는데 일반건물과는 달리 실내 전체로 태양복사에너지가 용이하게 유입되도록 되어있다.
- 비닐하우스 온실에 수평식 지열원 히트펌프 시스템을 적용하여 난방실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 시스템은 토양과 열교환을 하는 지중열교환부, 증기 압축 사이클, 열을 저장하는 축열부, 공조 공간으로 열을 공급하는 장치로 나눌 수 있는데 실내로 열을 공급하는 장치는 팬코일유닛(FCU)으로 하였다.
- 축열조에는 데이터 측정용과 제어용 온도 센서를 각각 설치하였다. 온실 내부의 열부하에 의한 소모되는 난방열량을 측정하기 위해서 실내로 공급되는 온수 배관에 유량계와 온도 센서를 설치하였다. 실내에는 공기 온도를 측정하기 위한 온도 센서와 히터펌프시스템을 운전하기 위한 제어용 온도 센서를 각각 설치하였고, 히트펌프 장치에는 온도 센서와 압력 센서, 냉매유량계를 설치하여 실시간으로 작동상태를 확인할 수 있게 하였다.
- 지중 열교환기 순환 유체는 동절기와 증발기 과냉에 의한 동파를 방지하기 위해서 일반적으로 부동액을 혼합하여 사용하지만 본 실험에서는 지중 열교환기내부의 유처)가 누설이나 유지보수 시 유출될 수 있는 점을 감안하여, 작물에 영향이 없는 물을 순환 유체로 하였다.
- 지중에서 열을 회수하여 증발기로 들어가는 지열 수의 온도가" 4℃ 미만이면 압축기가 정지되고 지열 수가 6℃ 이상이 되면 압축기가 다시 기동된다. 축열조 온도가 설정 온도에 도달하면 압축기 및 응축기 측 순환 펌프는 정지하는데, 지열측 순환 펌프는 지열순환수온도를 즉정하기 위해서 계속 운전되게 하였고 전체 시스템 운전은 PLC로 제어하였다.
- 해외의 최근 연구 경향을 살펴보면, Zeng et 以眺은수직형 지중 열교환기에 있어서 단일 U자 관과 2중 U자 관을 사용했을 때의 보어 홀의 열전달을 해석하였고, Hepbasli et d.me 밀폐 수직형 지열원 히트펌프의 실험적 연구를 수행하였다. Bi et 说은 지중 열교환기 주위의 온도분포를 이론과 실험을 통하여 해석하였으며, [tialll and Esen%은 수평형 지열원 열펌프 시스템의 지증 열교환기 매립 깊이를 다르게 했을 때의 열적 성능을 조사하였다.
- 히트펌프의 흡수열과 방출 열을 측정하기 위해서 증발기와 응축기에 물용유량계를 부착하고 각각 입출구에 온도 센서를 설치하였다. 온 도세 서로는 T 타입 열전대를 사용하였다.
대상 데이터
- 본 연구는 비닐하우스 450평(18 mX 78 m)을 대상으로 하였다. 내부는 150평씩 3 연동으로 되어있고 2 m 높이에서 다중보온덮게를 사용하여 보온을 할 수 있도록 되어있다.
- 실내에는 공기 온도를 측정하기 위한 온도 센서와 히터펌프시스템을 운전하기 위한 제어용 온도 센서를 각각 설치하였고, 히트펌프 장치에는 온도 센서와 압력 센서, 냉매유량계를 설치하여 실시간으로 작동상태를 확인할 수 있게 하였다. 압축기, 각각의 순환 펌프, FCU에 소모되는 전력을 측정하였는데, 모든 측정 데이터는 AD board인 34970® GP1B 를 통해서 PC에 저장된다. 측정 프로그램은 Labviewf- 사용하였다.
- 내부는 150평씩 3 연동으로 되어있고 2 m 높이에서 다중보온덮게를 사용하여 보온을 할 수 있도록 되어있다. 재배작물은 가시오이이며, 재배에 필요한 실내유지온도는 15T 내외이다.
- 총 설치된 배관 길이는 1608 m이며 트렌치 길이는 804 m이다. 매립된 지중 배관 헤드와 펌프까지의 주 배관 길이는 무시하였다.
- 히트펌프의 작동 유체는 R-22를 사용하였고, 증발기 및 응축기는 판형 열교환기를 사용하였다. 순환펌프는 지중 열교환기 , 축열조, FCU에 각각 1개씩 설치하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 적용한 매립방식은 수평매립방식이다. 비닐하우스 내부에 50 cm 폭으로 트렌치 작업을 하고 PE(Poly Ethylene)파이프를 땅속에 설치하였다.
- 압축기, 각각의 순환 펌프, FCU에 소모되는 전력을 측정하였는데, 모든 측정 데이터는 AD board인 34970® GP1B 를 통해서 PC에 저장된다. 측정 프로그램은 Labviewf- 사용하였다.
성능/효과
- 7은 히트펌프 시스템의 성능을 나티낸 것이다. 히터펌프자체의 성능계수(COPQ 는 3.6"로 나타났고, 시스템의 성능계수(COPQ는 3.31 로 나타났다. 이는 Inalli図가 실험한 수평형 시스템의 압축기와 지열순환수펌프의 동력만을 고려한 성능계수(CORQ 2.
- (1) 히트펌프 자체만 고려한 성능계수(COPQ는 3.64 이고, 지열순환수펌프를 고려한 시스템 성능계수(CO%, ) 는 3.31로 나타났다.
- (2) 응축기 제거 열량세 대한 지열순환펌프의 소요 동력은 28.0W/kW으로 나타났고, 이때 지열 수 유량은 5.25 Ipm/kW 이었다.
- (3) 지중 열교환기의 길이당 평균 채 열량은 14.5 W/m 으로 나타났다.
- (4) 응축기 제거 열량에 대한 지중 열교환기 길이는 53.3 tn/kW으로 나타났고, 트렌치 길이는 27.7 m休W로 나타났다.
- 6은 응축기제거열과 증발기 흡수열을 나타낸다. 응축기 제거 열은 평균 59.0 kW이고 증발기 흡수열은 45.9 kW로 나타났으며 압축기 소요 동력은 16.2kW로 나타났다. Fig.
- 5는 지열 수가 열펌프의 증발기를 통과할 때 증발기 입구온도와 출구 온도를 나타낸다. 평균 입구온도는 5.(TC이고, 지열순환수온도가 6>C가 되면 기동하였다가 4℃ 이하로 내려가면 작동이 멈추게 되고 다시 지열 수온 도가 상승하게 되는데 이를 반복함으로써 주기적인 동작 그래프가 나타났음을 알 수 있다. 열펌프가 작동될 때 지열수 입출구온도차는 2.
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