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문제 정의
- 유지하며 난방을 할 수 있었다. 따라서 온실에 수평식 지열시스템의 난방적용 가능성을 확인하였다.
- 본 연구에서는 축열조를 채용한 수평형 지열원 히트펌프 시스템을 온실에 적용하였을 때 지열원 히트펌프 시스템의 축열조에 대한 축열 능력과 축열조의 실시간 난방 부하 대응 능력을 을 살펴보고 이때의 시스템 성능을 알아보고자 하였다.
제안 방법
- 15。(3일 때의 난방부하 값을 계산하였는데 계산 방법은 시간별 설계 외기온도를 작성한 후 일몰 이후 야간에는 보온커튼이 있는 상태로 난방 부하를 계산하였다. 일출이후 주간에는 상부의 보온커튼이 없고 비닐을 투과한 태양복사가 실내온도를 상승시키는 것으로 계산하였다.
- 순환펌프는 지중 열교환기, 축열조, FCU에 각각 설치하였다. 실내에는 FCU 20대를 설치하여 내부온도를 가능한 균일하게 유지하도록 하였다. 히트펌프 시스템의 사양을 Table 1에 나타냈다.
- 온실 내부의 열부하에 의해 소모되는 난방열량을 측정하기 위해서 축열조와 FCU에 연결된 배관에 유량계와 열전대를 설치하였다. 온실 내부에 공기 온도를 측정하기 위한 열전대와 히트펌프를 운전하기 위한 제어용 온도센서를 설치하였고 FCU의 토출 측에 열전대를 설치하여 토출 공기 온도를 측정하였다. 히트펌프 장치는 압축기 및 열교환기 전후에 온도센서와 압력 센서, 냉매 유량계를 설치하여 실시간으로 작동상태를 확인하였다.
- 축열조에는 데이터 측정용 열전대와 제어용 온도 센서를 설치하였다. 온실 내부의 열부하에 의해 소모되는 난방열량을 측정하기 위해서 축열조와 FCU에 연결된 배관에 유량계와 열전대를 설치하였다. 온실 내부에 공기 온도를 측정하기 위한 열전대와 히트펌프를 운전하기 위한 제어용 온도센서를 설치하였고 FCU의 토출 측에 열전대를 설치하여 토출 공기 온도를 측정하였다.
- 온실에 축열조를 채용한 수평식 지열원 히트펌프 시스템을 적용하여 난방실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 1994년도 대구지방의 기상 데이터 중에서 11월, 12 월, 1월, 2월, 3월의 값을 적용하여, 실내온도가 15。(3일 때의 난방부하 값을 계산하였는데 계산 방법은 시간별 설계 외기온도를 작성한 후 일몰 이후 야간에는 보온커튼이 있는 상태로 난방 부하를 계산하였다. 일출이후 주간에는 상부의 보온커튼이 없고 비닐을 투과한 태양복사가 실내온도를 상승시키는 것으로 계산하였다. 설계난방 부하 값은 1월 21일 일출 직전에 최고치로 나타난 81.
- 축열조 온도■가 설정 온도에 도달하면 압축기 및 응축기 측 순환펌프는 정지한다. 지열 측 순환펌프는 순환수 온도변화를 측정하기 위해서 계속 운전되게 하였고 전체 시스템운전은 PLC로 제어하였다.
- 지중 열교환기 순환 유체는 동절기와 증발기 과냉에 의한 동파를 방지하기 위해서 일반적으로 부동액을 사용하는데, 본 실험에서는 지중 열교환기 내부의 유체가 누설이나 유지보수시 유줄될 수 있는 점을 감안하여, 작물에 영향이 없는 물을 순환 유체로 하였다.
- 온실 내부에 공기 온도를 측정하기 위한 열전대와 히트펌프를 운전하기 위한 제어용 온도센서를 설치하였고 FCU의 토출 측에 열전대를 설치하여 토출 공기 온도를 측정하였다. 히트펌프 장치는 압축기 및 열교환기 전후에 온도센서와 압력 센서, 냉매 유량계를 설치하여 실시간으로 작동상태를 확인하였다. 히트펌프의 압축기 및 각각의 순환펌프와 FCU에 소모되는 전력을 측정하였는더】, 모든 측정 데이터는 AD board인 34970A와 GPIB 를 통해서 PC에 저장된다.
- 히트펌프의 흡수열과 방출 열을 측정하기 위해서 증발기와 응축기에 물용유량계를 부착하고 각각 입출구에 열전대를 설치하였는데 증발기 측의 입구에는 시스템 제어용 온도센서를 1개 추가 설치하였다. 측정용 온도 센서는 T Type 열전대 (Omega 사)를 사용하였고 제어용 온도 센서는 PT100아을 사용하였다.
대상 데이터
- 이때부터 히트펌프 시스템을 가동하였으며 자동적 Time(day/h:m)인 연속운전을 충분히 확인한 후 데이터를 취득하였다. 데이터 분석기간은 2월 14일부터 16일까지 48시간이다. Fig.
- 본 연구는 비닐하우스 18mX78m(약 450평)을 대상으로 하였다. Fig.
- 이때부터 히트펌프 시스템을 가동하였으며 자동적 Time(day/h:m)인 연속운전을 충분히 확인한 후 데이터를 취득하였다. 데이터 분석기간은 2월 14일부터 16일까지 48시간이다.
- 5 m 간격으로 각각 4개의 트렌치를 파서 트렌치마다 PE 파이프를 설치하였다. 총 설치된 배관길이는 1608 m이며 트렌치 길이는 804 m이다. 제작된 히트펌프시스템의 개략도는 Fig.
- 온도센서를 1개 추가 설치하였다. 측정용 온도 센서는 T Type 열전대 (Omega 사)를 사용하였고 제어용 온도 센서는 PT100아을 사용하였다. 축열조에는 데이터 측정용 열전대와 제어용 온도 센서를 설치하였다.
- 히트펌프의 작동 유체는 R-22를 사용하였고, 증발기 및 응축기는 판형 열교환기를 사용하였다. 순환펌프는 지중 열교환기, 축열조, FCU에 각각 설치하였다.
데이터처리
- 히트펌프의 압축기 및 각각의 순환펌프와 FCU에 소모되는 전력을 측정하였는더】, 모든 측정 데이터는 AD board인 34970A와 GPIB 를 통해서 PC에 저장된다. 데이터 취득간격은 5초이며, 측정 프로그램은 Labview를 사용하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 적용한 매립방식은 수평매립방식이다. 비닐하우스 내부에 50 cm 폭으로 트렌치 작업을 하고 PE(Poly Ethylene)파이프를 설치하였다.
성능/효과
- (2) 히트펌프 시스템 전체의 성능계수(COPQ는 2.69 로 나타났다.
- (3) 주로 야간에 난방 부하가 발생하는 온실에 채 열 시간은 주야간 모두 가능한 지열원 히트펌프시스템을 채용하였을 때 실시간 시스템 공급량보다 많은 난방 부하를 축열시스템을 사용함으로써 난방이 가능함을 확인하였다.
- 38보다 높은 값을 보였다. 본 시스템의 응축압력은 평균 1.79 MPa이었고 증발압력은 평균 0.5 MPa인 반면, 그가 채용한 지열원 히트펌프는 응축압력과 증발압력이 각각 1.48 MPa과 0.17 MPa으로 압축비가 다소 차이가 났으며 , 난방 부하에 비해서 압축기 소요 동력이 33% 이상을 차지하였다.
- 14, 15일에 걸친 난방부하는 1886 MJ이고, 15, 16일의 난방부하는 2200 MJ이었다. 여기서 압축기에 소요된 에너지는 난방 부하에 비해서 평균 28.2%이고, 순환 펌프 및 FCU에 소요된 에너지는 평균 9.0%이었다. 전체 소요동력 중에서 압축기가 75.
- 0%이었다. 전체 소요동력 중에서 압축기가 75.6%으로 대부분 차지하였고, 다음으로 지 열 순환 펌프 12.4%, 응축기 순환 펌프 7.3%, 실내순환펌프 3.0%, FCU 1.7%로 나타났다.
후속연구
- 수평형 지열원 히트펌프 시스템의 경우 설치비용이 수직형에 비해서 저렴하지만 비교적 넓은 설치면적을 요구하는 단점을 가지고 있는데, 온실은 넓은 면적을 가지고 있기 때문에 수평형 지열원 히트 펌프 시스템 설치가 가능하다. 그리고 난방이 요구되는 시간 이주로 야간이기 때문에 채 열을를 설치하여 주야간 지중으로부터의 채열을 축열조에 저장한 후 야간에 집중적으로사용한디면 지열을 효과적으로 사용할 수 있을 것으로 본다.
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