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문제 정의
- 본 연구에서는 공기열원 히트펌프의 성능 향상과 환기지연이 가능한 온실 공조시스템을 개발하기 위한 기초연구로서 온실내부의 태양 잉여열과 외부 공기열을 선택적으로 집열 및 축열하여 온실 난방에 사용할 수 있는 공기열원 온실 공조 시스템을 설계하였으며, 온실에 대한적용시험을 통해 히트펌프의 성능개선 효과 및 시스템가동 시의 온실 내부 환경변화를 분석하였다.
- 본 연구에서는 온실 내부의 태양 잉여열과 외부의 공기열을 선택적으로 열원으로 이용함으로써 히트펌프의 성능을 향상시키고, 온실의 환기 지연을 통해 이산화탄소 시용비용을 절감할 수 있는 온실 공조시스템을 개발하고자 하였다.
제안 방법
- 이와 같이 온실 내부온도에 따른 축열모드 절환을 통해 상대적으로 고온인 태양 잉여열을 열원으로 이용함으로써 히트펌프의 성능을 높이고, 무환기 조건에서도 온실 내부 온도를 작물의 생육적온 범위 내에서 유지할 수 있도록 하였다. 가온재배 시설작목의 야간 설정온도 범위인 약 8 ~18℃의 중간정도 온도를 고려하여 난방 설정온도는 14℃를 기준으로 온실 내부 온도가 13℃에 도달하면 팬코일유닛과 방열펌프가 작동하고 15℃에서는 정지하도록 하였다.
- 각각의 운전모드에서 공기유동을 분리하기 위해 히트펌프 상부에 내부순환 및 외부순환용 덕트를 설치하였다. 덕트는 600 × 600mm 단면의 아연도금강판 재질로 각 덕트에는 순환팬과 모드 절환용 댐퍼를 설치하여 각각의 운전모드에서 해당 덕트의 순환팬 가동과 댐퍼 개방이이루어진다.
- 2m 높이에 온도센서(PT100, Ahlborn, Germany)를 설치하였으며, 출구 물배관에는 유량계(FVA915, Ahlborn, Germany)를 설치하였다. 내부순환 및 외부순환용 덕트의 입, 출구와온실 내 중앙부의 0.5m, 2.5m 높이에 각각 온습도센서(FHA646, Ahlborn, Germany)를 설치하여 히트펌프 증발기 통과 전후의 공기 온습도와 축열 및 난방 시의 온실내부 온습도 변화를 측정하였다. 태양 잉여열의 분석을 위하여 온실 내, 외부에 각각 일사량계(LP02, Hukseflux, Netherlands)를 설치하였으며, 전체 시스템의 난방성능계수를 측정하기 위하여 시스템의 주전원부에 전력량계(CW240, Yokogawa, Japan)를 설치하였다.
- 본 시스템은 히트펌프 가동, 축열모드 절환, 난방 가동을 제어하기 위해 각각 2개씩, 총 6개의 온도값을 제어기에 입력하면 시스템의 축열 및 난방 운전이 자동으로 수행되도록 하였으며, 본 성능시험에 적용한 제어용 온도값들을 Table 2에 나타내었다.
- 본 시스템의 축열 과정은 태양 잉여열을 이용하는 내부순환모드와 외기열을 이용하는 외부순환모드가 온실 내부온도에 따라 자동으로 절환되도록 구성하였으며, 히트펌프 가동, 축열모드 절환, 난방 가동을 위한 6개의 온도값을 입력함으로써 축열과 난방이 자동으로 수행되도록 설계하였다.
- 본 시스템의 축열 성능을 분석하기 위해 히트펌프의 응축기 입, 출구 물배관과 축열조 내부 중앙 1.2m 높이에 온도센서(PT100, Ahlborn, Germany)를 설치하였으며, 출구 물배관에는 유량계(FVA915, Ahlborn, Germany)를 설치하였다. 내부순환 및 외부순환용 덕트의 입, 출구와온실 내 중앙부의 0.
- 본 연구에서 주간에는 온실내부 태양 잉여열과 외기열을 주로 이용하는 전축열 운전을, 야간에 축열조의 열을 이용한 온실 난방과 외기열에 의한 축열을 동시에 수행하는 부분축열 운전을 모두 이용하여 24시간 가동하는 온실 난방시스템을 고려하였으므로 히트펌프는 계산된 최대 난방부하의 50%인 35kW(10RT)급 공기 대 물 히트펌프(삼영종합기기, SY-HS010AC)로 선정하였다.
- 태양 잉여열의 분석을 위하여 온실 내, 외부에 각각 일사량계(LP02, Hukseflux, Netherlands)를 설치하였으며, 전체 시스템의 난방성능계수를 측정하기 위하여 시스템의 주전원부에 전력량계(CW240, Yokogawa, Japan)를 설치하였다. 상기의 모든 데이터는 1분 간격으로 측정하였으며, 모든 측정값을 데이터수집기(Almemo, Ahlborn, Germany)로 수집하여 분석하였다.
- 태양 잉여열을 이용하는 내부순환모드 축열과 외기열을 이용하는 외부순환모드 축열은 온실 내부의 온도를 기준으로 자동절환 되도록 하였다. 시설원예에서 가온재배를 하는 채소류 및 화훼류는 대부분 20~30℃의 생육적온 범위를 가지며 최고한계온도는 약 35℃ 정도이므로 모드 전환 시 온도변화는 지연시간을 가지고 후행하는 조건을 고려하여 일출 후 온실 내부온도가 27℃가 되기 전까지는 외부순환모드로 축열하며, 27℃에 도달하면 다시 22℃로 하강할 때 까지 내부순환모드로 자동절환 되도록 하였다. 이와 같이 온실 내부온도에 따른 축열모드 절환을 통해 상대적으로 고온인 태양 잉여열을 열원으로 이용함으로써 히트펌프의 성능을 높이고, 무환기 조건에서도 온실 내부 온도를 작물의 생육적온 범위 내에서 유지할 수 있도록 하였다.
- 시스템의 축열운전은 야간 및 오전의 외부순환모드 과정을 거쳐 2월 23일10시 57분에 온실 내부온도가 27℃에 도달함으로서 내부순환모드로 절환되었으며, 11시 05분에 온실 내부온도가 22℃로 하강하며 다시 외부순환모드로 절환되었다. 이 후 축열모드 간 절환을 5회 반복한 후 일사량이 최대에 근접하는 12시부터 3시간 32분 동안 내부순환모드로 축열을 수행하였으며, 약 28분간의 외기순환모드 축열과정을 거친 후 16시 1분에 축열조 온도가 상한온도인 45℃에 도달하여 히트펌프는 37분간 가동을 중단하였다. 이 후 축열조 온도가 하강함에 따라 다시 외기순환모드 축열과정을 다시 시작하여 익일 온실 내부온도가 27℃에 도달할 때까지 외부순환모드를 유지하였다.
- 이 후 축열조 온도가 하강함에 따라 다시 외기순환모드 축열과정을 다시 시작하여 익일 온실 내부온도가 27℃에 도달할 때까지 외부순환모드를 유지하였다. 이와 유사한 축열과정이 24일과 25일에도 반복되었으며 24일에는 최초 10시 48분부터 3시간 25분간, 25일에는 최초 11시 27분부터 3시간 4분간 내부순환모드로 태양 잉여열을 이용한 축열을 수행하였다. 이 때 주간의 온실은 환기를 실시하지 않음에도 불구하고 내부순환모드를 통해 흡기온도보다 약 9℃ 정도 낮아진 저온공기가 온실내부로 배기되어 내부온도는 작물생육적온 범위 이내인 20~28℃를 유지하였으나, 25일 주간에는 온실 내부의 잉여열이 존재함에도 불구하고 축열조 온도가 상한온도에 일찍 도달하여 히트펌프는 가동을 중지하였다.
- 히트펌프와 축열펌프는 축열조의 상한 설정온도에서 정지하고, 하한 설정온도에서 가동하도록 하였으며, 상, 하한 설정온도는 히트펌프의 토출가스 고온 조건을 고려하여 각각 45℃, 40℃로 설정하였다. 태양 잉여열을 이용하는 내부순환모드 축열과 외기열을 이용하는 외부순환모드 축열은 온실 내부의 온도를 기준으로 자동절환 되도록 하였다. 시설원예에서 가온재배를 하는 채소류 및 화훼류는 대부분 20~30℃의 생육적온 범위를 가지며 최고한계온도는 약 35℃ 정도이므로 모드 전환 시 온도변화는 지연시간을 가지고 후행하는 조건을 고려하여 일출 후 온실 내부온도가 27℃가 되기 전까지는 외부순환모드로 축열하며, 27℃에 도달하면 다시 22℃로 하강할 때 까지 내부순환모드로 자동절환 되도록 하였다.
- 5m 높이에 각각 온습도센서(FHA646, Ahlborn, Germany)를 설치하여 히트펌프 증발기 통과 전후의 공기 온습도와 축열 및 난방 시의 온실내부 온습도 변화를 측정하였다. 태양 잉여열의 분석을 위하여 온실 내, 외부에 각각 일사량계(LP02, Hukseflux, Netherlands)를 설치하였으며, 전체 시스템의 난방성능계수를 측정하기 위하여 시스템의 주전원부에 전력량계(CW240, Yokogawa, Japan)를 설치하였다. 상기의 모든 데이터는 1분 간격으로 측정하였으며, 모든 측정값을 데이터수집기(Almemo, Ahlborn, Germany)로 수집하여 분석하였다.
- 4와 같이 설계하였다. 히트펌프와 축열펌프는 축열조의 상한 설정온도에서 정지하고, 하한 설정온도에서 가동하도록 하였으며, 상, 하한 설정온도는 히트펌프의 토출가스 고온 조건을 고려하여 각각 45℃, 40℃로 설정하였다. 태양 잉여열을 이용하는 내부순환모드 축열과 외기열을 이용하는 외부순환모드 축열은 온실 내부의 온도를 기준으로 자동절환 되도록 하였다.
대상 데이터
- 1에 점선으로 나타내었다. 공시온실은 수원시 입북동에 소재한 07-단동-3형의 작물을 재배하지 않는 비닐하우스(폭 7.0m, 측고 1.4m, 동고 3.3m, 길이 50m)로 폴리에틸렌 필름으로2중 피복되어 있으며 보온커튼은 설치되어 있지 않다. 공조시스템의 용량을 결정하기 위해 식(1)을 이용하여 온실의 최대 난방부하를 계산하였다.
- 5에 나타내었다. 시험은 2013년 2월 20일부터 26일까지 7일간 수행하였으며 시험 기간 중 온실은 주야간 모두 환기를 하지 않는 밀폐형 온실로 운용하였다. 측정 데이터는 축열조 온도가 안정화되고 청명일이 유지된 2월 22일 18시부터25일 16시까지 약 3일간의 결과를 나타내었다.
- 히트펌프를 이용하여 태양 잉여열 및 외기열로부터 흡수한 열량은 축열펌프로 축열조에 저장한 후 야간에 방열펌프와 팬코일유닛을 이용하여 온실내부로 공급한다. 축열조는 디퓨져가 설치되지 않은 혼합 개방형으로 용량은 15t이며, 온실내부의 팬코일유닛은 9.3kW 용량으로 온실 길이방향으로 8대를 설치하였다
성능/효과
- 5(d)에는 온실 내부의 상대습도와 온실 내, 외부의 일사량의 변화를 나타내었다. 3일간 온실 내부의 상대습도는 평균 76%였으며, 일몰 약 1시간 전부터는90%를 상회하고 야간 난방 시간대에도 85%에 근접하는 과습 환경이 조성되는 것으로 나타났다. 이는 축열기간 동안 온실을 무환기로 운용함으로서 온실 내 토양에서증발한 수분이 내부에 축적된 결과이며, 실제 작물재배 시 작물의 증산량이 더해지면 온실 내부는 더욱 과습해질 것으로 예상된다.
- 상대적으로 고온의 공기를 히트펌프 열원으로 사용하는 내부순환모드가 외부순환모드에 비해 응축기 토출열량 뿐 아니라 전력소비량도 높게 나타난 것은 증발기의 열교환 증가가 압축기의 압축부하증가를 수반하기 때문이다. 그러나 내부순환모드의 응축기 토출열량이 외부순환모드보다 약 24~49% 상승한 반면 전력소비량의 증가는 약 8~14%에 그쳐 내부순환모드에서 시스템의 성능이 향상되는 것으로 나타났다.
- 5(c)에는 식(2)를 통해 계산한 시스템의 난방성능계수를 나타내었다. 난방성능계수는 야간의 외부순환모드에서 약 2.46, 일출 후 주간의 외부순환모드에서 약2.67 정도의 평균값을 나타내었으며, 주간의 내부순환모드에서는 평균 약 3.35로 야간 및 주간의 외부순환모드에 비해 각각 36% 및 25% 증가함을 확인하였다. 내부순환모드에서 난방성능계수는 응축기 입구온도가 증가할수록 감소하였으며 이는 응축기의 열교환 감소로 인한 압축기의 압축부하 증가가 Fig.
- 단동온실을 대상으로 무환기 조건에서 기초시험을 수행한 결과, 태양 잉여열을 이용한 축열은 약 11시부터 시작되어 평균 3시간 30분 정도 유지되었으며, 주간의 온실 내부온도는 환기를 수행하지 않음에도 대부분 약 20~28℃ 범위를 유지하였다.
- 본 시스템의 개선사항으로 태양 잉여열의 효율적 이용을 위해 축열조 관리온도를 상승시킬 수 있는 고효율 히트펌프의 적용이 필요하며, 온실의 무환기 운용에 따른 과습환경의 조성을 방지하고 태양 잉여열 수준이 높은 시기에 온실의 온도상승을 방지하기 위해 강제환기를 운전모드에 추가할 필요가 있는 것으로 판단되었다.
- 이는 축열기간 동안 온실을 무환기로 운용함으로서 온실 내 토양에서증발한 수분이 내부에 축적된 결과이며, 실제 작물재배 시 작물의 증산량이 더해지면 온실 내부는 더욱 과습해질 것으로 예상된다. 온실 내, 외부의 일사량 측정치로 계산한 3일간의 평균 광투과율은 62%였으며, 일출 후온실 내부의 과습 환경에 의해 피복재 표면에 발생한 응축물방울이 광투과율과 온실의 온도상승을 저해하는 요인으로 판단되었다. 따라서 본 시스템의 작물재배 적용 시, 온실 내부의 상대습도가 급증하고 태양 잉여열수준이 낮아지는 오후 일몰 전 시간대에 내부순환용 덕트의 흡기구와 외부순환용 덕트의 배기구를 직결하여 온실 내부의 습공기를 외부로 강제 배출하는 배습모드를 추가할 필요가 있는 것으로 판단되었다.
- 태양 잉여열의 효율적 이용과 온실 온도관리를 위해서는 축열조의 용량을 가변적으로 운용하거나 축열조 관리온도의 범위를 넓게 운용할 필요가 있으며, 현실적으로는 중온수 제조용 고효율 히트펌프를 채용하여 축열조 관리온도를 상승시키는 방법으로 시스템을 개선하는 것이 타당할 것으로 판단되었다. 응축기 입출구 온도차는 내부순환모드의 경우 평균 약 6.7℃로 외부순환모드의 약 4.5℃보다 49% 높아 응축기 토출열량이 상승하였으며, 외부순환모드의 경우 약 40분간의 축열운전과 약 6분간의 제상운전이 반복됨을 알 수 있다.
- 시설원예에서 가온재배를 하는 채소류 및 화훼류는 대부분 20~30℃의 생육적온 범위를 가지며 최고한계온도는 약 35℃ 정도이므로 모드 전환 시 온도변화는 지연시간을 가지고 후행하는 조건을 고려하여 일출 후 온실 내부온도가 27℃가 되기 전까지는 외부순환모드로 축열하며, 27℃에 도달하면 다시 22℃로 하강할 때 까지 내부순환모드로 자동절환 되도록 하였다. 이와 같이 온실 내부온도에 따른 축열모드 절환을 통해 상대적으로 고온인 태양 잉여열을 열원으로 이용함으로써 히트펌프의 성능을 높이고, 무환기 조건에서도 온실 내부 온도를 작물의 생육적온 범위 내에서 유지할 수 있도록 하였다. 가온재배 시설작목의 야간 설정온도 범위인 약 8 ~18℃의 중간정도 온도를 고려하여 난방 설정온도는 14℃를 기준으로 온실 내부 온도가 13℃에 도달하면 팬코일유닛과 방열펌프가 작동하고 15℃에서는 정지하도록 하였다.
- 이는 태양 잉여열 수준이 히트펌프의 성능을 초과하여 내부순환모드의 가동에도 불구하고 온실 내부온도가 작물 생육적온범위를 초과할 수 있는 시기에 강제환기에도 활용할 수 있을 것이다. 일반적으로 이산화탄소는 작물의 광합성속도가 높은 오전 시간대를 대상으로 일출 후 약 4시간 정도를 시용하므로 본 시스템의 내부순환모드 축열을 통해 보통의 온실에서 오전 중에 개시되는 환기를 지연시켜 오후 시간대에 배습 환기를 수행함으로써 시용된 이산화탄소의 손실과 온실의 과습을 방지할 수 있을 것으로 판단되었다.
- 주간내부순환모드에서 시스템의 난방성능계수는 약 3.35로 야간 외부순환모드의 2.46 및 주간 외부순환모드의 2.67에 비해 각각 36% 및 25% 향상됨을 확인하였다.
- 시험은 2013년 2월 20일부터 26일까지 7일간 수행하였으며 시험 기간 중 온실은 주야간 모두 환기를 하지 않는 밀폐형 온실로 운용하였다. 측정 데이터는 축열조 온도가 안정화되고 청명일이 유지된 2월 22일 18시부터25일 16시까지 약 3일간의 결과를 나타내었다.
- 이로 인해 온실 내부온도는 일반적인 작물의 최고한계온도인 35℃까지 상승하였으며 이와 같은 현상은 태양 잉여열수준이 상대적으로 높은 시기에 더욱 심화될 것으로 예상되었다. 태양 잉여열의 효율적 이용과 온실 온도관리를 위해서는 축열조의 용량을 가변적으로 운용하거나 축열조 관리온도의 범위를 넓게 운용할 필요가 있으며, 현실적으로는 중온수 제조용 고효율 히트펌프를 채용하여 축열조 관리온도를 상승시키는 방법으로 시스템을 개선하는 것이 타당할 것으로 판단되었다. 응축기 입출구 온도차는 내부순환모드의 경우 평균 약 6.
후속연구
- 온실 내, 외부의 일사량 측정치로 계산한 3일간의 평균 광투과율은 62%였으며, 일출 후온실 내부의 과습 환경에 의해 피복재 표면에 발생한 응축물방울이 광투과율과 온실의 온도상승을 저해하는 요인으로 판단되었다. 따라서 본 시스템의 작물재배 적용 시, 온실 내부의 상대습도가 급증하고 태양 잉여열수준이 낮아지는 오후 일몰 전 시간대에 내부순환용 덕트의 흡기구와 외부순환용 덕트의 배기구를 직결하여 온실 내부의 습공기를 외부로 강제 배출하는 배습모드를 추가할 필요가 있는 것으로 판단되었다. 이는 태양 잉여열 수준이 히트펌프의 성능을 초과하여 내부순환모드의 가동에도 불구하고 온실 내부온도가 작물 생육적온범위를 초과할 수 있는 시기에 강제환기에도 활용할 수 있을 것이다.
- 따라서 본 시스템의 작물재배 적용 시, 온실 내부의 상대습도가 급증하고 태양 잉여열수준이 낮아지는 오후 일몰 전 시간대에 내부순환용 덕트의 흡기구와 외부순환용 덕트의 배기구를 직결하여 온실 내부의 습공기를 외부로 강제 배출하는 배습모드를 추가할 필요가 있는 것으로 판단되었다. 이는 태양 잉여열 수준이 히트펌프의 성능을 초과하여 내부순환모드의 가동에도 불구하고 온실 내부온도가 작물 생육적온범위를 초과할 수 있는 시기에 강제환기에도 활용할 수 있을 것이다. 일반적으로 이산화탄소는 작물의 광합성속도가 높은 오전 시간대를 대상으로 일출 후 약 4시간 정도를 시용하므로 본 시스템의 내부순환모드 축열을 통해 보통의 온실에서 오전 중에 개시되는 환기를 지연시켜 오후 시간대에 배습 환기를 수행함으로써 시용된 이산화탄소의 손실과 온실의 과습을 방지할 수 있을 것으로 판단되었다.
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