[논문]발전소 온배수 폐열을 이용한 제주 시설온실 냉난방용 열펌프 시스템의 난방성능 평가

문성부; 현명택; 허재혁; 이동원; 이연건

doi:10.5855/energy.2019.28.1.022

[국내논문] 발전소 온배수 폐열을 이용한 제주 시설온실 냉난방용 열펌프 시스템의 난방성능 평가
An Evaluation of Heating Performance of the Heat Pump System Using Wasted Heat from Thermal Effluent for Greenhouse Facilities in Jeju 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.28 no.1, 2019년, pp.22 - 29

문성부 (제주대학교 기계공학과) , 현명택 (제주대학교 기계공학과) , 허재혁 (한국에너지기술연구원 신재생에너지연구소) , 이동원 (한국에너지기술연구원 신재생에너지연구소) , 이연건 (제주대학교 에너지공학과)

초록
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발전소 온배수의 폐열을 회수하여 인근 농가에 난방 에너지를 공급하는 열펌프 시스템은 기존 난방방식 대비 에너지 사용량을 획기적으로 절감하고 온실가스의 배출을 줄이는 데에 기여할 수 있다. 제주대학교 컨소시움은 한국중부발전 제주화력본부에서 약 3 km의 원거리에 위치하고 있는 시설온실로 냉온수를 공급하기 위한 열펌프 시스템을 구축하였다. 본 논문에서는 열펌프 시스템의 구성과 더불어, 2018년 동절기에 수행된 난방성능 평가 실증운전 결과를 기술하였다. 열펌프 가동운전 시 대부분의 공급열 수송배관 내 담수의 온도강하는 $2^{\circ}C$ 이하로 유지됨을 확인하였다. 난방운전 시 열펌프의 성능계수는 4.0 보다 크며, 온배수를 열원으로 활용하여 최대 $50^{\circ}C$의 온수를 농가로 지속적으로 공급할 수 있음을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A heat pump system using wasted heat from thermal effluent to supply the heating energy can reduce energy consumption and emissions of greenhouse gases by greenhouse facilities nearby. The Jeju National University consortium constructed a heat pump system using the thermal effluent from the Jeju thermal power plant of KOMIPO to provide with cool or hot water to greenhouse facilities located 3 km from the power station. In this paper, the system configuration of the heat pump system was summarized, and the results of operations for demonstration of a heating performance carried out during the winter season in 2018 were investigated. The preoperational tests proved that the water temperature drop through the pipeline transporting extracted heat was less than $2^{\circ}C$. The COP (coefficient of performance) of the heat pump was higher than 4.0, and hot water with the maximum temperature of $50^{\circ}C$ could be supplied to greenhouse facilities by utilizing wasted heat from thermal effluent.

주제어

표/그림 (14)

그림 그림 1. 제주화력본부 온배수 열원 공급대상지 [5]
그림 그림 2. 제주 시설온실 냉난방용 열펌프 시스템 개념도
그림 그림 3. 제주 시설온실 냉난방용 열펌프 시스템의 주요 구성요소
표 표 1. 열펌프 시스템 주요설비 제원
그림 그림 4. 인근 해수온도 및 저류조 내 온배수 온도
표 표 2. 계측기기 제원
그림 그림 5. 유입된 온배수의 열교환기 입・출구 온도
그림 그림 6. 열원 이송관로 내 담수의 열교환기 입・출구 온도
그림 그림 7. 열원 이송관로 내 담수의 순환유량
그림 그림 8. 열원 이송관로 내 담수의 온도강하
그림 그림 9. 열펌프에서 생산된 온수 온도 및 열펌프에서 반송되는 담수 온도
그림 그림 10. 시설온실로 이송되는 온수 온도 및 저류조로 반송되는 온수 온도
그림 그림 11. 시설온실로의 온수 공급유량
그림 그림 12. 열펌프 난방 성능계수

AI 본문요약
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문제 정의

특히 3 km의 원거리에 열원을 수송하는 이송관로의 열손실에 따른 담수의 온도강하를 측정하고, 운전기간 동안의 시설온실 온수 공급온도와 열펌프 성능계수 등을 분석하였다. 본 논문에서는 열펌프 시스템의 구성과 더불어, 난방성능 평가 실증운전의 주요 결과를 분석하였다.
본 연구에서는 구축된 열펌프 시스템의 난방성능을 평가하기 위한 실증운전을 2018년 동절기에 수행하였다. 열펌프 시스템의 주요 위치에서 측정된 유체의 온도와 유량, 그리고 냉방 성능계수를 분석하여, 구축된 열펌프 시스템의 안정성과 난방성능을 검증하였다.

제안 방법

한국중부발전 제주화력본부에서 방류되는 온배수로부터 폐열을 회수하여 약 3 km 떨어진 “신촌백 합영농조합법인”의 시설온실에 냉온수를 공급하기 위한 열펌프 시스템의 난방성능을 평가하였다. 2018 년 12월에 수행된 48시간의 실증운전 결과를 토대 로 열펌프 시스템의 안전성과 공정별 주요 계측자료를 분석하였다. 제주화력본부의 온배수를 이용하여 동계에도 20 ℃ 가량의 열원을 지속적으로 확보 할 수 있었다.
Roll 타입의 폐열 회수용 열교환기를 이용하여 온배수로부터 열을 흡수하여 150 m 가량 떨어진 열펌프로 수송하고, 생산된 난방수를 축열탱크에 저장하였다가 온실내부에 설치된 FCU 를 통해 온풍을 만들어 온실을 난방한다.
열펌프 시스템에는 관로누수 탐지, 열교환기 파울링 감지, 온배수 열원 공급 공정별 데이터 수집, 사용전력 및 성능계수 산출 등을 위한 통합 모니터링 시스템이 적용되었다. 개발된 웹 기반 모니터링 시스템은 위치별, 기능별, 장비별 실시간 상태 계측 자료 수집 및 DB화 기능을 수행한다. 모니터링 시스템에 적용된 주요 센서의 제원은 표 2와 같다.
발전소에서 수용가 근처까지 열원을 이송하기 위해 제 1기계실과 제 2기계실 사이에 구축된 담수수송관로는 추후 3 ~ 5 ha 규모 시설온실로의 추가 확장을 고려하여 250A의 배관을 시공하였다. 공급열 수송배관은 단열재를 시공하여 수송과정에서 담수의 온도 강하를 최소화하도록 하였다. 관로공사 시, 사용 가능성이 있는 농가 근처에 분배가 용이하도록 7개소의 점검구를 설치하였고, 지중관의 누수 탐지를 위해 온습도 센서가 설치되었다.
그림 7은 열원 이송관로 내 담수의 순환유량을 나타낸다. 난방운전 시 열펌프 시스템을 지속적으로 가동하는 것이 아니라, 축열조 하단의 온도가 설정 온도 이상으로 상승하면 담수의 순환 및 열펌프의 가동을 중지하였다가, 축열조 상단의 온도가 설정 하한치 미만으로 떨어지면 다시 열펌프 시스템의 운전을 재개하는 방식으로 제어한다. 앞에서 언급하였듯이 난방운전 시에는 대용량 수조 내부에서 발생하는 열성층을 고려하여, 축열조 상단에서 온수를 흡입하여 시설온실로 공급한다.
면적 5,280m2 의 아열대작물 (망고) 재배온실 인근에 용량이 각각 30, 40, 50 RT인 열펌프 세대를 설치하여 온수를 공급하는 시스템을 구축하였다.
본 연구에서는 구축된 열펌프 시스템의 난방성능을 평가하기 위한 실증운전을 2018년 동절기에 수행하였다. 열펌프 시스템의 주요 위치에서 측정된 유체의 온도와 유량, 그리고 냉방 성능계수를 분석하여, 구축된 열펌프 시스템의 안정성과 난방성능을 검증하였다. 특히 3 km의 원거리에 열원을 수송하는 이송관로의 열손실에 따른 담수의 온도강하를 측정하고, 운전기간 동안의 시설온실 온수 공급온도와 열펌프 성능계수 등을 분석하였다.
제주화력본부의 온배수 활용 열펌프 시스템의 난 방성능을 평가하기 위한 실증운전을 2018년 동계에 수행하였다. 2018년 12월 30일 오전 12시부터 48시간의 운전을 통해 수행한 난방성능 평가 결과를 그림 4 – 12에 나타내었다.
구축된 열펌프 시스템 내 주요 구성기기의 사진을 그림 3에 나타내었으며, 주요 설비의 제원을 표 1에 정리하였다. 추후 적용대상지 확장을 고려하여 10 ha에 대한 공급열량(3,000 RT)을 기준으로 저류조의 용량을 산출하였다. 제 1기계실 내에 설치된 판형 열교환기의 전열판은 집적도를 높이고, 해수에 대한 내부식성을 강화하기 위하여 티타늄 재질로 제작되었다.
열펌프 시스템의 주요 위치에서 측정된 유체의 온도와 유량, 그리고 냉방 성능계수를 분석하여, 구축된 열펌프 시스템의 안정성과 난방성능을 검증하였다. 특히 3 km의 원거리에 열원을 수송하는 이송관로의 열손실에 따른 담수의 온도강하를 측정하고, 운전기간 동안의 시설온실 온수 공급온도와 열펌프 성능계수 등을 분석하였다. 본 논문에서는 열펌프 시스템의 구성과 더불어, 난방성능 평가 실증운전의 주요 결과를 분석하였다.
한국중부발전 제주화력본부에서 방류되는 온배수로부터 폐열을 회수하여 약 3 km 떨어진 “신촌백 합영농조합법인”의 시설온실에 냉온수를 공급하기 위한 열펌프 시스템의 난방성능을 평가하였다.
그림 2는 제주화력본부 인근에 구축된 시설온실 냉난방용 열펌프 시스템의 개념도를 보여준다. 해수 누수에 따른 경작지 변질을 방지하기 위하여, 발전소 인근에 저류조를 설치하고 온배수 방류채널로부터 온배수를 공급받아 열교환 후, 담수를 원거리의 적용대상지로 수송하는 계통으로 설계되었다. 저류조에서 일부 우회유량을 지속적으로 순환시켜 발전소 인근의 제 1기계실에서 판형 열교환기를 통해 담수로 열원을 공급한다.

대상 데이터

제 2기계실 내에는 수송배관을 통해 공급된 담수로부터 열을 회수하기 위하여 150 RT 용량의 열펌프 2 대가 설치되었다. 냉매로는 R-410A를 사용하였고, 순환수 배관경은 120A로 선정되었다. 제작된 열펌프의 성능시험 결과 열원의 온도가 15℃, 부하 의 온도가 40℃인 경우를 기준으로 난방 열량은 601 KW(171 RT), 난방 성능계수는 4.
발전소에서 수용가 근처까지 열원을 이송하기 위해 제 1기계실과 제 2기계실 사이에 구축된 담수수송관로는 추후 3 ~ 5 ha 규모 시설온실로의 추가 확장을 고려하여 250A의 배관을 시공하였다. 공급열 수송배관은 단열재를 시공하여 수송과정에서 담수의 온도 강하를 최소화하도록 하였다.
그림 1에 나타난 사업대상지인 신촌백합영농조합법인의 화훼단지는 모두 11농가 9만5,000여㎡ 규모이며, 고온성 작물인 백합과 더불어 아열대과수인 블러드오렌지, 한라봉 등을 재배하고 있다. 실증 대상 농가에서는 비닐하우스와 유리온실 세 개 동으로 구성된 총 2,400평 규모의 시설온실을 갖추고 있으며, 전체 난방부하는 415 RT, 냉방부하는 139 RT로 추산된다. 기존에는 농업용 유류온풍기(중유 사용)를 이용하여 고온성 화훼작물의 생육조건을 유지하였다.
추후 적용대상지 확장을 고려하여 10 ha에 대한 공급열량(3,000 RT)을 기준으로 저류조의 용량을 산출하였다. 제 1기계실 내에 설치된 판형 열교환기의 전열판은 집적도를 높이고, 해수에 대한 내부식성을 강화하기 위하여 티타늄 재질로 제작되었다. 설치 면적은 1.

성능/효과

공인시험 결과 각 판형 열교환기의 열량은 293.7 kW, 총괄열전달계수는 5,415 W/m²·K로 측정되었다.
그림 11의 이틀 간 온수 공급유량에서 확인할 수 있는 바와 같이 시설온실 인근에 대용량의 축열조를 구축함으로 써 열펌프 시스템의 가동유무와 상관없이 시설온실 난방을 지속할 수 있으며, 사용자의 밸브 제어에 따라 난방대상 온실을 선택하고 사용량을 조절하는 등 운전 유연성을 확보할 수 있었다.
특히 열펌프 가동운전 시 원거리 수 송관로 내 담수의 온도강하는 2 ℃ 이하였으며, 가 동 시간이 길어질수록 열손실이 더욱 줄어들어 열 펌프 시스템의 성능에 미치는 영향은 매우 제한적이었다. 난방운전 시 열펌프의 성능계수는 4.0 보다 크며, 온배수를 열원으로 활용하여 최대 50 ℃의 온수를 농가로 지속적으로 공급할 수 있음을 입증하였다. 제주화력본부의 온배수 활용 열펌프 시스템 의 누적 운전기간을 충분히 확보함으로써 농업용 유류온풍기를 사용하던 기존 난방방식 대비 에너지 사용량을 절감하고, 중유의 사용을 대폭 줄임으로 써 온실가스 배출을 감축하는 데에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
상기 동절기 난방운전 평가 운전을 통해 제주 시설온실 냉난방용 열펌프 시스템의 안정성을 확인하였고, 해수를 열원으로 활용하여 최대 50 ℃의 온수를 농가로 지속적으로 공급할 수 있음을 입증하였다. 제주화력본부의 온배수 활용 열펌프 시스템의 누적 운전기간을 충분히 확보함으로써 농업용 유류 온풍기를 사용하던 기존 난방방식 대비 에너지 사용량을 절감하고, 중유의 사용을 대폭 줄임으로써 온실가스 배출을 감축하는 데에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
그림 12는 열펌프의 난방 성능계수를 나타낸다. 열원 측의 물 온도가 17.5 ℃, 부하 측의 물 온도가 23 ~ 53 ℃인 조 건에서 난방운전 시 성능계수가 4.0 이상의 값을 가짐을 확인하였다. 열펌프 시스템의 전체 전력량을 반영한 전체 시스템 성능계수 역시 3.
냉매로는 R-410A를 사용하였고, 순환수 배관경은 120A로 선정되었다. 제작된 열펌프의 성능시험 결과 열원의 온도가 15℃, 부하 의 온도가 40℃인 경우를 기준으로 난방 열량은 601 KW(171 RT), 난방 성능계수는 4.64를 달성하였다. 열펌프에서 공급된 온수는 실증농가 인근의 축열조로 이송된 후 시설온실로 분기하여 공급된 다.
제주화력본부의 온배수를 이용하여 동계에도 20 ℃ 가량의 열원을 지속적으로 확보 할 수 있었다. 특히 열펌프 가동운전 시 원거리 수 송관로 내 담수의 온도강하는 2 ℃ 이하였으며, 가 동 시간이 길어질수록 열손실이 더욱 줄어들어 열 펌프 시스템의 성능에 미치는 영향은 매우 제한적이었다. 난방운전 시 열펌프의 성능계수는 4.
그림 4는 취수구 인근 해수온도와 저류조로 수집된 온배수 온도를 나타낸다. 하루의 기온 변화와 비교할 때 인근 해수의 온도 변화는 상당히 미미하며, 취수 해수 온도 대비 약 3 ~ 4도 승온된 온배수를 저류조에 열원으로 확보할 수 있었다. 제주화력본부의 온배수를 이용하여 동계에도 20 ℃ 가량의 열원을 지속적으로 공급할 수 있다는 점은 난방용 열펌프 시스템 실증사업 대상지로서의 적합성을 입증하는 것으로 볼 수 있다.

후속연구

상기 동절기 난방운전 평가 운전을 통해 제주 시설온실 냉난방용 열펌프 시스템의 안정성을 확인하였고, 해수를 열원으로 활용하여 최대 50 ℃의 온수를 농가로 지속적으로 공급할 수 있음을 입증하였다. 제주화력본부의 온배수 활용 열펌프 시스템의 누적 운전기간을 충분히 확보함으로써 농업용 유류 온풍기를 사용하던 기존 난방방식 대비 에너지 사용량을 절감하고, 중유의 사용을 대폭 줄임으로써 온실가스 배출을 감축하는 데에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 향후 축적된 운전 데이터를 분석하여 온배수 활용 열펌프 시스템의 경제성 평가 결과를 제시할 예정이다.
상기 동절기 난방운전 평가 운전을 통해 제주 시설온실 냉난방용 열펌프 시스템의 안정성을 확인하였고, 해수를 열원으로 활용하여 최대 50 ℃의 온수를 농가로 지속적으로 공급할 수 있음을 입증하였다. 제주화력본부의 온배수 활용 열펌프 시스템의 누적 운전기간을 충분히 확보함으로써 농업용 유류 온풍기를 사용하던 기존 난방방식 대비 에너지 사용량을 절감하고, 중유의 사용을 대폭 줄임으로써 온실가스 배출을 감축하는 데에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 향후 축적된 운전 데이터를 분석하여 온배수 활용 열펌프 시스템의 경제성 평가 결과를 제시할 예정이다.
제주화력본부의 온배수 활용 열펌프 시스템의 누적 운전기간을 충분히 확보함으로써 농업용 유류 온풍기를 사용하던 기존 난방방식 대비 에너지 사용량을 절감하고, 중유의 사용을 대폭 줄임으로써 온실가스 배출을 감축하는 데에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 향후 축적된 운전 데이터를 분석하여 온배수 활용 열펌프 시스템의 경제성 평가 결과를 제시할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열펌프 시스템이란?	발전소 온배수의 폐열을 회수하여 인근 농가에 난방 에너지를 공급하는 열펌프 시스템은 기존 난방방식 대비 에너지 사용량을 획기적으로 절감하고 온실가스의 배출을 줄이는 데에 기여할 수 있다. 제주대학교 컨소시움은 한국중부발전 제주화력본부에서 약 3 km의 원거리에 위치하고 있는 시설온실로 냉온수를 공급하기 위한 열펌프 시스템을 구축하였다.
	열펌프 시스템의 장점은?	발전소 온배수의 폐열을 회수하여 인근 농가에 난방 에너지를 공급하는 열펌프 시스템은 기존 난방방식 대비 에너지 사용량을 획기적으로 절감하고 온실가스의 배출을 줄이는 데에 기여할 수 있다. 제주대학교 컨소시움은 한국중부발전 제주화력본부에서 약 3 km의 원거리에 위치하고 있는 시설온실로 냉온수를 공급하기 위한 열펌프 시스템을 구축하였다.
	제주화력본부의 온배수 활용 열펌프 시스템이 농가로 지속적인 온수를 공급할 수 있는 방법은?	특히 열펌프 가동운전 시 원거리 수 송관로 내 담수의 온도강하는 2 ℃ 이하였으며, 가 동 시간이 길어질수록 열손실이 더욱 줄어들어 열 펌프 시스템의 성능에 미치는 영향은 매우 제한적이었다. 난방운전 시 열펌프의 성능계수는 4.0 보다 크며, 온배수를 열원으로 활용하여 최대 50 ℃의 온수를 농가로 지속적으로 공급할 수 있음을 입증하 였다. 제주화력본부의 온배수 활용 열펌프 시스템 의 누적 운전기간을 충분히 확보함으로써 농업용 유류온풍기를 사용하던 기존 난방방식 대비 에너지 사용량을 절감하고, 중유의 사용을 대폭 줄임으로 써 온실가스 배출을 감축하는 데에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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