[국내논문]충적대수층 계간축열 냉난방 시스템의 온실 난방 효과 Effects of the Cooling and Heating System with Seasonal Thermal Storage in Alluvial Aquifer on Greenhouse Heating원문보기
문종필
(National Institute of Agriculture Science)
,
강금춘
(National Institute of Agriculture Science)
,
김형권
(National Institute of Agriculture Science)
,
이태석
(National Institute of Agriculture Science)
,
오성식
(National Institute of Agriculture Science)
,
진병옥
(National Institute of Agriculture Science)
In this study, a cold well and a warm one with the distance of 100 m were installed in the alluvial aquifer. Groundwater used as the heat and the cold source of heat pump was designed to flow into the warm and the cold well with a diameter of 200 mm. In order to increase the heat and cold storage in...
In this study, a cold well and a warm one with the distance of 100 m were installed in the alluvial aquifer. Groundwater used as the heat and the cold source of heat pump was designed to flow into the warm and the cold well with a diameter of 200 mm. In order to increase the heat and cold storage in aquifer, six auxiliary wells with the diameter of 50 mm and the depth of 30 m were installed at an interval of 5 m from the main well. Also, heat pump 50 RT, the thermal tank $40m^3$, and a remote control and monitoring system were installed in three single-span greenhouses ($2,100m^2$) for growing tomato in Buyeo, Chungcheongnam-do. According to the aquifer heat storage test which had been conducted from Aug. 31 to Sep. 22, 2016, warm water of $850m^3$ was found to flow into warm well. The temperature of the injected water was $30^{\circ}C$ (intake temperature : $15^{\circ}C$), and the heat of 12.8 Gcal was stored. The greenhouse heating test in winter had been conducted from Nov. 21, 2016 to Apr. 30, 2017. On Nov. 21, 2016 when heating greenhouse started, the aquifer temperature of the warm well was $18.5^{\circ}C$. The COP for heating with water source at $18.5^{\circ}C$ was 3.8. The intake water temperature of warm well was gradually lowered to the temperature of $15^{\circ}C$ on Jan. 2, 2017 and the heat pump COP was measured to be 3.2 at that time. As a result, the heat pump COP was improved by 18 %. and retrieval heat was 8 Gcal, the retrieval rate of heat stored in aquifer was estimated at 63 %.
In this study, a cold well and a warm one with the distance of 100 m were installed in the alluvial aquifer. Groundwater used as the heat and the cold source of heat pump was designed to flow into the warm and the cold well with a diameter of 200 mm. In order to increase the heat and cold storage in aquifer, six auxiliary wells with the diameter of 50 mm and the depth of 30 m were installed at an interval of 5 m from the main well. Also, heat pump 50 RT, the thermal tank $40m^3$, and a remote control and monitoring system were installed in three single-span greenhouses ($2,100m^2$) for growing tomato in Buyeo, Chungcheongnam-do. According to the aquifer heat storage test which had been conducted from Aug. 31 to Sep. 22, 2016, warm water of $850m^3$ was found to flow into warm well. The temperature of the injected water was $30^{\circ}C$ (intake temperature : $15^{\circ}C$), and the heat of 12.8 Gcal was stored. The greenhouse heating test in winter had been conducted from Nov. 21, 2016 to Apr. 30, 2017. On Nov. 21, 2016 when heating greenhouse started, the aquifer temperature of the warm well was $18.5^{\circ}C$. The COP for heating with water source at $18.5^{\circ}C$ was 3.8. The intake water temperature of warm well was gradually lowered to the temperature of $15^{\circ}C$ on Jan. 2, 2017 and the heat pump COP was measured to be 3.2 at that time. As a result, the heat pump COP was improved by 18 %. and retrieval heat was 8 Gcal, the retrieval rate of heat stored in aquifer was estimated at 63 %.
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문제 정의
0 ℃정도로 항온대를 유지하고 있다. 그러므로 본 연구에서는 시설원예재배지역이 대부분 충적층에 위치하고 있고, 대수층이 잘 발달되어 있어 지하수를 함양하는데 매우 유리한 점을 이용하고자 한다. 하절기에 생성되는 온열을 지하수층에 저장하였다가 동절기에 난방용으로 사용하고 동절기에 생성되는 냉열를 지하수층에 저장하여 하절기에 냉방용으로 사용하므로써 계절에 따라 발생되는 에너지 불균형을 해소하고자 한다.
그러므로 본 연구에서는 시설원예재배지역이 대부분 충적층에 위치하고 있고, 대수층이 잘 발달되어 있어 지하수를 함양하는데 매우 유리한 점을 이용하고자 한다. 하절기에 생성되는 온열을 지하수층에 저장하였다가 동절기에 난방용으로 사용하고 동절기에 생성되는 냉열를 지하수층에 저장하여 하절기에 냉방용으로 사용하므로써 계절에 따라 발생되는 에너지 불균형을 해소하고자 한다. 또한 축열 및 축냉 용량에 대한 한계를 극복하여 원예작물의 주년생산에 필요한 냉난방에너지를 효율적으로 절감하고 기후변화에 대응할 수 있는 기술을 개발하고자 한다
하절기에 생성되는 온열을 지하수층에 저장하였다가 동절기에 난방용으로 사용하고 동절기에 생성되는 냉열를 지하수층에 저장하여 하절기에 냉방용으로 사용하므로써 계절에 따라 발생되는 에너지 불균형을 해소하고자 한다. 또한 축열 및 축냉 용량에 대한 한계를 극복하여 원예작물의 주년생산에 필요한 냉난방에너지를 효율적으로 절감하고 기후변화에 대응할 수 있는 기술을 개발하고자 한다
가설 설정
0 ℃ 의 온도차이에 40,000 L (kg)의 물용량에 비열 1 kcal/kg･℃를 곱하여 저장가능한 축열조의 열량은 600 Mcal로 계산되 었다. 저녁6시부터 다음날오전 8시까지 14시간을 난방한다고 가정하면 시간당 축열조의 열량 42,857 kcal/h (14RT)를 사용할 수 있어 50 RT의 히트펌프와 동시에 가동된다면 64 RT를 공급할 수 있는 용량으로서 최대난방부하인 62 RT에 충분히 대응할 수 있도록40 m3 으로 결정하였다.
제안 방법
이때 지중측 열교환기의 필요 열량인 172,516 kcal/h (200.6 kW × 860 kcal/h)를 전달하고 배출되는 지하수의 온도가 4.7 ℃ (LWT)가 되어 얼지 않은 상태로 냉수정에 주입되도록 유량을 설계하였다.
온실 3동에 대한 최대난방부하량을 산정하기 위해 우선적으로 온실 1동에 대한 최대난방부하량을 산정하였다. 농촌진흥청에서 발행된 시설원예 에너지 절감 가이드북(RDA, 2008)과 농업시설공학(Kim et al.
또한 현장에 설치될 히트펌프의 기본사양은 Table 1과 같으며, Table 2는 냉난방시 지중에서 히트펌프 열교환기로 유입되어 배수되는 지하수의 입출구 온도와 공급 유량, 축열 (냉)을 위해 축열조에서 히트펌프 열교환기로 순환하는 축열수의 입출구 온도와 순환유량의 설계값을 제시하고 있다. 설치규모 및 작물재배 등을 고려하여 최대난방부하를 설계의 기준으로 결정하고 시스템설계를 실시하였으며 냉방부하는 Table 1에서 제시하는 히트펌프 용량을 고려하여 설계하였다.
7 ℃ (LWT)가 되어 얼지 않은 상태로 냉수정에 주입되도록 유량을 설계하였다. 산정방법은 172,516 kcal/h를 히트펌프 입출구 온도차 10.3 ℃와 60 분으로 나누면 280 kcal/min･℃가 되며 이를 물의 비열 1 kcal/kg･℃와 물의 단위중량인 1 kg/L로 나누어 공급유량을 280 L/min로 설계하였고 그 결과는 Table 2와 같다.
지하부의 구성은 온수정 (관경 200 mm), 냉수정 (관경 200 mm) 및 보조주입관정 12정 (관경 50 mm)을 30 m 깊이로 구축하였다. 또한 취수정과 주입정의 역 할이 하절기와 동절기에 상호 교체되어 온실냉난방시스템에 열원수인 지하수를 공급할 수 있도록 수중펌프를 온수정과 냉수정에 모두 설치하였다. 온수정 (P/IW1) 및 보조주입관정 (IW1~6)이 설치된 지층 단면도는 Fig.
충적대수층 계간축열 온실냉난방 시스템의 지상부 및 지하부를 모두 설치하고 시운전을 실시하여 냉수정과 온수정의 공급수량에 따른 히트펌프 입출구 온도차를 측정하여 현장에 서의 실제 공급수량을 결정하였다. 시운전 결과 냉수정은 310 m3 /day의 공급수량에서 히트펌프 입출구 온도차 15.
0 ℃를 나타냈다. 이와 같은 결과는 설계된 히트펌프 입출구 온도차보다 작은 값을 보이고 있어 이때의 공급수량을 현장 시험에 적용하기로 결정하였다.
2016년 8월31일부터9월22일까지 Table 3과 같은 조건에서 온실냉방을 위해 히트펌프를 통과하여 15 ℃로 온도가 상승된 온배수가 온수정을 통해 충적대수층으로 주입하는 축열 시험을 실시하였다. 냉방시 일별주입량, 축열량을 측정하였으며 히트펌프가 가동될 때와 정지이후의 경과일수에 따른 온수정의 온도변화를 계측하였다.
2016년 8월31일부터9월22일까지 Table 3과 같은 조건에서 온실냉방을 위해 히트펌프를 통과하여 15 ℃로 온도가 상승된 온배수가 온수정을 통해 충적대수층으로 주입하는 축열 시험을 실시하였다. 냉방시 일별주입량, 축열량을 측정하였으며 히트펌프가 가동될 때와 정지이후의 경과일수에 따른 온수정의 온도변화를 계측하였다.
동절기 온실난방시험 및 충적대수층 축냉시험을 2016년 11월21일부터2017년 3월30일까지 수행하였다. 온실의 시설규모는 폭7.
온실난방효과 및 에너지 소비량을 계측하기 위해서 온실 내부온도와 전력소비량을 계측하였다.
대조구 온실은 온수 보일러 (600,000 kcal/h)와 팬코일유닛(FCU)을 이용한 관행 난방을 실시하였으며 온실내부온도 및 연료소비량을 Fig. 7과 같이 계측하였다.
5 m, 동고 3 m, 길이 90 m 이며 온실피복은 PE 필름 3중 온실이다. 관행적인 온수보일러와 충적대수층 계간축열 온실냉난방시스템의 에너지소비량의 비교를 위하여 시험구 및 대조구는 Fig. 7과 같이 구축하였으며, 온실 내부 온도는 12~15 ℃로 설정하고 비교시험을 실시하였 다. 또한 히트펌프를 통과하고 냉수정 및 보조관정을 통하여 충적대수층에 주입되는 냉수 유량 및 온도를 계측하여 지하 수층에 저장되는 냉열량을 계측하였다.
7과 같이 구축하였으며, 온실 내부 온도는 12~15 ℃로 설정하고 비교시험을 실시하였 다. 또한 히트펌프를 통과하고 냉수정 및 보조관정을 통하여 충적대수층에 주입되는 냉수 유량 및 온도를 계측하여 지하 수층에 저장되는 냉열량을 계측하였다. 시험구 온실은 충적 대수층 계간축열 온실냉난방 히트펌프와 팬코일유닛(FCU)을 이용한 온실난방을 실시하였다.
또한 히트펌프를 통과하고 냉수정 및 보조관정을 통하여 충적대수층에 주입되는 냉수 유량 및 온도를 계측하여 지하 수층에 저장되는 냉열량을 계측하였다. 시험구 온실은 충적 대수층 계간축열 온실냉난방 히트펌프와 팬코일유닛(FCU)을 이용한 온실난방을 실시하였다. 히트펌프 (50RT)의 난방 성능계수 (RDA, 2008)를 히트펌프 응축기 입출구 온도, 축열 유량, 소비전력을 계측하고 식 (1)에 의하여 산정하였다.
2016년 11월20일부터2017년 3월31일까지 동절기 온실 난방 비교시험을 수행하였고 지하수층 축냉시험은 2017년 4 월30일까지 실시하였다. 온실난방시험 결과 Fig.
2로 계측되어 히트펌프 효율이 18 % 향상 된 것으로 나타났다. 또한 하절기 지하수층에 축열되었던 온수가 히트펌 프에 공급된 열량을 공급수량과 온수정의 취수온도와 15.0 ℃와의 온도차로 계산하였다. 그 결과 7,957,000 kcal로 계측되어 충적대수층에 저장한 온수에 대한 온열 회수율이 63 % 로 나타났다.
대상 데이터
충적대수층에 대한 지질조사 및 재배시설에 대한 최적의 대상지역을 조사한 결과 충청남도 금강유역 충적대수층 지반에 위치한 부여 토마토 재배농가 단동온실 3동 (2,100 m2 )을 시험농가로 선정하였다
그 결과 온실 1동에 대한 최대난방부하량은 62,274 kcal/h로 산정되었으며 온실 3동에 대한 최대난방부하량은 약 187,000 kcal/h 로서 USRT (3,000 kcal/h)를 적용하여 62 RT로 산정되었다. 히트펌프 설치용량은 시험을 위해 최대난방부하의 80 %인 50 RT로 결정을 하였다. 또한 현장에 설치될 히트펌프의 기본사양은 Table 1과 같으며, Table 2는 냉난방시 지중에서 히트펌프 열교환기로 유입되어 배수되는 지하수의 입출구 온도와 공급 유량, 축열 (냉)을 위해 축열조에서 히트펌프 열교환기로 순환하는 축열수의 입출구 온도와 순환유량의 설계값을 제시하고 있다.
4와 같이 설치하였다. 지하부의 구성은 온수정 (관경 200 mm), 냉수정 (관경 200 mm) 및 보조주입관정 12정 (관경 50 mm)을 30 m 깊이로 구축하였다. 또한 취수정과 주입정의 역 할이 하절기와 동절기에 상호 교체되어 온실냉난방시스템에 열원수인 지하수를 공급할 수 있도록 수중펌프를 온수정과 냉수정에 모두 설치하였다.
지상부 부분인 히트펌프 50 RT, 축열조 40 m3 , 기계실 배관, 원격 제어 및 모니터링 시스템을 Fig. 6과 같이 현장에 설치하였다.
동절기 온실난방시험 및 충적대수층 축냉시험을 2016년 11월21일부터2017년 3월30일까지 수행하였다. 온실의 시설규모는 폭7.5 m, 측고 1.5 m, 동고 3 m, 길이 90 m 이며 온실피복은 PE 필름 3중 온실이다. 관행적인 온수보일러와 충적대수층 계간축열 온실냉난방시스템의 에너지소비량의 비교를 위하여 시험구 및 대조구는 Fig.
이론/모형
온실 3동에 대한 최대난방부하량을 산정하기 위해 우선적으로 온실 1동에 대한 최대난방부하량을 산정하였다. 농촌진흥청에서 발행된 시설원예 에너지 절감 가이드북(RDA, 2008)과 농업시설공학(Kim et al., 2000)에서 제시하는 계산식에 의해 산정하였으며. 1 동의 온실면적은 675 m2 , PE필름삼중 피복을 적용하였다.
성능/효과
0 ℃를 적용하였다. 그 결과 온실 1동에 대한 최대난방부하량은 62,274 kcal/h로 산정되었으며 온실 3동에 대한 최대난방부하량은 약 187,000 kcal/h 로서 USRT (3,000 kcal/h)를 적용하여 62 RT로 산정되었다. 히트펌프 설치용량은 시험을 위해 최대난방부하의 80 %인 50 RT로 결정을 하였다.
온수정과 냉수정에 대한 양수시험을 실시하여 안전취수량을 산출한 결과. 온수정, 양수정 모두400 m3 /day로 산출되어 온수정과 냉수정의 설계 유량에 근접한 것으로 나타났다.
온실난방시험 결과 Fig. 10 (a)와 같이 시험구, 대조구 모두 온실내부 야간 설정온도인 15.0 ℃에 잘 대응할 수 있었다. 충적대수층으로의 축냉시험 결과는 Fig.
0 ℃와의 온도차로 계산하였다. 그 결과 7,957,000 kcal로 계측되어 충적대수층에 저장한 온수에 대한 온열 회수율이 63 % 로 나타났다.
3개월을 적용하면 전기료 2,568,000 원으로 산정되었다. 대조구에서 사용된 온수보일러에 공급된 등유는 면세유를 적용하여 1 리터당700 원으로 계산하면 10,100,300 원을 지출한 것으로 계산되었다. 충적대수층 계간축열 온실냉난방시스템으로 온실난방을 한 결과 면세유 등유를 사용한 것보다 7,532,300 원이 절감되어 75 %의 난방비 절감이 이루어진 것으로 나타났으며 공급된 난방에너지는 61 % 절감된 것으로 나타났다.
대조구에서 사용된 온수보일러에 공급된 등유는 면세유를 적용하여 1 리터당700 원으로 계산하면 10,100,300 원을 지출한 것으로 계산되었다. 충적대수층 계간축열 온실냉난방시스템으로 온실난방을 한 결과 면세유 등유를 사용한 것보다 7,532,300 원이 절감되어 75 %의 난방비 절감이 이루어진 것으로 나타났으며 공급된 난방에너지는 61 % 절감된 것으로 나타났다.
충적대수층에 위치한 방울토마토 재배온실을 대상으로 충적대수층 계간축열 온실냉난방시스템을 설치하고 8월 31일 부터 9월 22일까지 지중 축열시험을 한 결과 850 m3 의 열원수가 지하수층에 주입되었다. 주입수의 온도는 30 ℃ (취수온 도 15 ℃)로 12,750,000 kcal의 열량이 주입되었다.
0 ℃부근에서 수렴되는 형태로 나타났다. 2016 년 11월21일부터2017년 3월31일까지 동절기 온실난방 및 지하수층 축냉시험을 하였으며 그 결과 온실내부 야간 설정 온도인 12.0~15.0 ℃에 잘 대응하는 것으로 나타났다. 동절기 온실 난방을 시작한 날의 온수정의 온도가 18.
8로 계측되었다. 난방을 계속 진행함에 따라 온수정 주변의 충적대수층에 저장되었던 온수를 계속 취수하므로써 온수정의 온도가 서서히 하강하여 2017년 1월2일에 15.0 ℃에 도달하게 되었고, 이때 히트펌프의 성능계수 (COP)가 3.2로 계측되어 히트펌프 효율이 18 % 향상된 것으로 나타났다. 또한 하절기 지하수층에 축열되었던 온수가 히트펌프에 공급한 열량을 계산한 결과 7,957,000 kcal로 계측되어 충적대수층에 저장한 온수에 대한 온열 회수율이 63 %로 나타났다.
2로 계측되어 히트펌프 효율이 18 % 향상된 것으로 나타났다. 또한 하절기 지하수층에 축열되었던 온수가 히트펌프에 공급한 열량을 계산한 결과 7,957,000 kcal로 계측되어 충적대수층에 저장한 온수에 대한 온열 회수율이 63 %로 나타났다. 또한 동절기 난방비용 절 감효과를 분석한 결과 면세유 대비 75 %의 난방비 절감 (공급 에너지 61% 절감)이 이루어진 것으로 나타났다.
또한 하절기 지하수층에 축열되었던 온수가 히트펌프에 공급한 열량을 계산한 결과 7,957,000 kcal로 계측되어 충적대수층에 저장한 온수에 대한 온열 회수율이 63 %로 나타났다. 또한 동절기 난방비용 절 감효과를 분석한 결과 면세유 대비 75 %의 난방비 절감 (공급 에너지 61% 절감)이 이루어진 것으로 나타났다. 이와 같은 결 과로부터 하절기에 더욱 더 많은 양의 온수를 충적대수층에 저장하게 되면 히트펌프의 효율 및 난방비 절감률이 더욱 향상될 것으로 예측되었다.
또한 동절기 난방비용 절 감효과를 분석한 결과 면세유 대비 75 %의 난방비 절감 (공급 에너지 61% 절감)이 이루어진 것으로 나타났다. 이와 같은 결 과로부터 하절기에 더욱 더 많은 양의 온수를 충적대수층에 저장하게 되면 히트펌프의 효율 및 난방비 절감률이 더욱 향상될 것으로 예측되었다.
후속연구
충적대수층으로의 축냉시험 결과는 Fig. 10 (b)와 같으나 본고에서는 논의하지 않고 하절기에 수 행된 온실냉방시험에 대한 결과 분석이 완료된 후 추후 논의 하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
충적대수층의 연평균 수온은 어떠한가?
충적대수층은 보온성과 단열성이 매우 양호한 매체로서 지표 하 5~20 m 하부에 부존된 천부 (얕은)지하수층으로서 연평균 수온이 14.0 ℃정도로 항온대를 유지하고 있다. 그러므로 본 연구에서는 시설원예재배지역이 대부분 충적층에 위치하고 있고, 대수층이 잘 발달되어 있어 지하수를 함양하는데 매우 유리한 점을 이용하고자 한다.
충적대수층이란 무엇인가?
충적대수층은 보온성과 단열성이 매우 양호한 매체로서 지표 하 5~20 m 하부에 부존된 천부 (얕은)지하수층으로서 연평균 수온이 14.0 ℃정도로 항온대를 유지하고 있다.
충적대수층을 활용하여 계절에 따른 에너지 불균형 해소 방법은 무엇인가?
그러므로 본 연구에서는 시설원예재배지역이 대부분 충적층에 위치하고 있고, 대수층이 잘 발달되어 있어 지하수를 함양하는데 매우 유리한 점을 이용하고자 한다. 하절기에 생성되는 온열을 지하수층에 저장하였다가 동절기에 난방용으로 사용하고 동절기에 생성되는 냉열를 지하수층에 저장하여 하절기에 냉방용으로 사용하므로써 계절에 따라 발생되는 에너지 불균형을 해소하고자 한다. 또한 축열 및 축냉 용량에 대한 한계를 극복하여 원예작물의 주년생산에 필요한 냉난방에너지를 효율적으로 절감하고 기후변화에 대응할 수 있는 기술을 개발하고자 한다
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