양원석
(Won Suk Yang)
1
김영일
(Young Il Kim)
2†
박승태
(Seung Tae Park)
3
-
서울과학기술대학교 일반대학원 박사과정 대학원생
(
Ph.D. Candidate, Graduate School, Seoul National University of Science & Technology,
Seoul, 01811, Korea
)
-
울과학기술대학교 건축학부 교수
(
Professor, Schcool of Architecture, Seoul National University of Science & Technology,
Seoul, 01811, Korea
)
-
㈜에이티이엔지 대표
(
President, ATENG, 14, Emtibeuibuk-ro 193beon-gil, Siheung-si, Gyeonggi-do 15118,
Korea
)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
Air source(공기열원), Cycle analysis(사이클 해석), Electric heater(전기히터), Geothermal source (지열원), Heat pump(열펌프), Hot air dryer(열풍건조기)
기호설명
$C$：
시료의 비열 [kJ/kg·℃]
$D$：
1년 중 날짜
$d$：
직경 [m]
$L$：
손실계수
$M$：
수분의 질량당 잠열 [kJ/kg]
$m$：
시료의 질량 [kg]
$Q$：
건조열량 [kJ]
$q$：
열량 [kJ]
$S$：
안전계수
$t$：
온도 [℃]
$W$：
소비전력 [kW]
$w$：
시료의 함수율 [\%]
하첨자
$a$：
평균
$ah$：
공기열원 열펌프
$c$：
압축기
$cf$：
순환팬
$cp$：
순환펌프
$e$：
전기히터
$ea$：
개수
$ef$：
증발기 팬
$ewt$：
지중입구온도
$gh$：
지열원 열펌프
$i$：
초기
$lh$：
잠열
$r$：
홍고추
$s$：
건조기 설정 값
$sh$：
현열
$t$：
전체
$w$：
수분
1. 서 론
농산물 열풍건조는 농산물 내부의 수분을 제거함으로써 농산물의 신선도를 장기간 유지시키고, 체적과 중량을 줄여 보관을 용이하게 해주는 중요한 식품 가공
방법이다.(1) 농산물 건조기는 사용하는 에너지원에 따라 유류, 가스, 전기히터, 전기식 열펌프 등으로 구분하는데, 그 중 전기를 사용하는 전기히터식 열풍건조가
주류를 이루고 있다.(2) 전기히터식 열풍건조는 공기 가열을 위해 많은 전기에너지가 소비되는데, Bannister et al.(3)는 열펌프식 열풍건조가 전기히터식에 비해 약 80% 이상 에너지를 절약할 수 있다고 기술하고 있다.
열펌프 시스템은 유지관리가 편하고 다양한 환경에서 손쉽게 적용이 가능한 공기열원을 주로 이용하는데, 외기의 온도 조건에 따라 열펌프 성능이 크게 좌우되는
문제점도 있다.(4) 이에 반하여 지중과 열교환하는 지열원 설비는 지중 열교환기가 지중에 설치되므로 설치공간에 이점이 있을 뿐 아니라 외기 온도에 의한 영향이 적어 열펌프
성능을 지속적으로 높게, 일정하게 유지할 수 있다.(5)
본 연구에서는 농산물 열풍건조에 가장 많이 이용되는 전기히터식 열풍건조기와 공기 및 지열원 열펌프식 농산물 열풍건조기의 에너지 성능을 비교하기 위하여
사이클 해석을 수행하였다. 사이클 해석에서 입력 조건은 선행연구에서 취득한 실험데이터를 사용하였고, 건조 기준은 KS 기준 농산물건조기 시험방법(6)과 농업기술실용화재단의 농산물 건조기 성능시험 검정기준(7)을 참고하여 진행하였다.
Fig. 1 Schematic diagram of three types of hot air dryers.
2. 열풍건조기의 구성 요소
열품건조기는 전기히터식, 공기열원 열펌프식, 지열원 열펌프식 3가지에 대하여 사이클 해석을 실시하였다. Fig. 1은 3가지 방식에 대한 구성도이다. 사이클 해석의 입력 조건을 위해 열풍건조기 시제품이 제작되었다. Fig. 2(a)는 전기히터식 및 공기열원 열펌프식, Fig. 2(b)는 지열원 열펌프식 열풍건조기의 모습이다. Fig. 2(b) 사진의 좌측에 지중과 연결된 배관이 보인다.
Fig. 2 Prototypes of hot air dryer.
2.1 전기히터식 열풍건조기
전기히터식 열풍건조기는 건조실, 전기히터, 순환팬, 댐퍼 등으로 구성된다. Fig. 1(a)는 전기히터식 열풍 건조기의 구성을 나타낸다. 전기히터를 통해 가열된 공기는 순환팬을 통해 건조실로 공급된다. 건조실을 통과한 습한 공기의 일부는
외부로 배출되고, 배출된 공기만큼 외기가 유입되어 가열 공기와 혼합된 후 전기히터를 통해 가열된다. 건조는 이러한 사이클을 반복하면서 진행된다.
2.2 열펌프식 열풍건조기
열펌프식 열풍건조기는 열원 종류에 따라 공기열원과 지열원으로 구분된다.
2.2.1 공기열원
공기열원 열펌프식 열풍건조기는 건조실과 열펌프를 구성하는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기와 순환팬, 댐퍼 등으로 구성된다. Fig. 1(b)는 공기열원 열펌프식 열풍건조기의 구성을 나타낸다. 건조 사이클은 전기 히터식 열풍건조기와 동일하다. 이때 공기의 가열은 열펌프의 응축열을 사용하며,
열원으로는 외부공기를 이용한다.
2.2.2 지열원
지열원 열펌프식 열풍건조기는 건조실과 열펌프를 구성하는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 판형열교환기와 지열을 이용하기 위한 지중열교환기, 순환펌프, 댐퍼
등으로 구성된다. Fig. 1(c)는 지열원 열펌프식 열풍건조기의 구성을 나타낸다. 건조 사이클은 전기히터식과 동일하며, 공기열원 열펌프 열풍건조기와 마찬가지로 응축열을 이용하여 공기를
가열한다. 차이점은 열원으로 공기 대신 지중을 이용한다는 점이다.
Fig. 3 Major components of hot air dryer.
3. 요소기기
Fig. 3은 열풍건조기에 사용된 전기히터, 증발기, 응축기, 지중열교환기 순환 물 펌프, 압축기 및 판형열교환기이다. 각 요소기기의 사양은 다음과 같다.
3.1 전기히터
전기히터는 U-type으로 전압 220 V, 가열용량 3.5 kW, 크기 Ø28 100×64×58 mm이다.
3.2 열펌프
3.2.1 압축기
열펌프에 사용된 압축기는 왕복동식으로 상호 및 모델명은 Danfoss MTZ 018-1이며 정격용량은 1.5 HP, 냉매는 R-134a를 사용한다.
압축기의 기준 과열도와 과냉도는 각각 11.1℃, 8.3℃이며 Table 1은 증발온도와 응축온도에 따른 증발용량, Table 2는 압축기 소비동력, Table 3은 공학 계산 프로그램인 EES(8)을 사용하여 계산한 압축기의 단열효율을 나타내었다.
Table 1 Evaporation capacity [kW]
|
|
Evaporating temperature [℃]
|
|
-25
|
-20
|
-10
|
-5
|
0
|
5
|
10
|
15
|
20
|
|
Condensation temperature
(℃)
|
35
|
0.5
|
0.8
|
1.8
|
2.4
|
3.1
|
4.0
|
5.0
|
6.2
|
7.6
|
|
40
|
0.4
|
0.7
|
1.6
|
2.2
|
2.9
|
3.7
|
4.6
|
5.8
|
7.0
|
|
45
|
0.3
|
0.6
|
1.4
|
1.9
|
2.6
|
3.3
|
4.2
|
5.3
|
6.5
|
|
50
|
-
|
0.5
|
1.2
|
1.7
|
2.3
|
3.0
|
3.8
|
4.8
|
5.9
|
|
55
|
-
|
-
|
1.1
|
1.5
|
2.0
|
2.7
|
3.4
|
4.3
|
5.3
|
|
60
|
-
|
-
|
-
|
1.3
|
1.8
|
2.3
|
3.0
|
3.8
|
4.8
|
|
65
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
2.0
|
2.6
|
3.4
|
4.2
|
|
70
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
1.9
|
2.4
|
3.1
|
Table 2 Compressor power consumption [kW]
|
|
Evaporating temperature [℃]
|
|
-25
|
-20
|
-10
|
-5
|
0
|
5
|
10
|
15
|
20
|
|
Condensation temperature
(℃)
|
35
|
0.6
|
0.6
|
0.8
|
0.9
|
0.9
|
0.9
|
1.0
|
0.9
|
0.9
|
|
40
|
0.6
|
0.7
|
0.8
|
0.9
|
1.0
|
1.0
|
1.0
|
1.0
|
1.0
|
|
45
|
0.6
|
0.7
|
0.9
|
0.9
|
1.0
|
1.1
|
1.1
|
1.1
|
1.1
|
|
50
|
-
|
0.7
|
0.9
|
1.0
|
1.0
|
1.1
|
1.2
|
1.2
|
1.3
|
|
55
|
-
|
-
|
0.9
|
1.0
|
1.1
|
1.2
|
1.3
|
1.3
|
1.4
|
|
60
|
-
|
-
|
-
|
1.0
|
1.1
|
1.2
|
1.4
|
1.4
|
1.5
|
|
65
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
1.3
|
1.4
|
1.5
|
1.6
|
|
70
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
1.5
|
1.7
|
1.8
|
Table 3 Compressor isentropic efficiency [%]
|
|
Evaporation temperature [℃]
|
|
-25
|
-20
|
-10
|
-5
|
0
|
5
|
10
|
15
|
20
|
|
Condensation temperature (℃)
|
35
|
28.4
|
34.8
|
43.8
|
46.7
|
48.7
|
49.8
|
49.6
|
48.0
|
44.4
|
|
40
|
25.6
|
33.1
|
43.4
|
46.8
|
49.4
|
51.0
|
51.7
|
51.2
|
49.3
|
|
45
|
22.1
|
30.9
|
42.5
|
46.4
|
49.3
|
51.3
|
52.4
|
52.7
|
51.9
|
|
50
|
-
|
28.3
|
41.3
|
45.4
|
48.4
|
50.7
|
52.2
|
52.9
|
52.7
|
|
55
|
-
|
-
|
39.5
|
43.9
|
47.1
|
49.5
|
51.1
|
52.1
|
52.4
|
|
60
|
-
|
-
|
-
|
42.0
|
45.2
|
47.6
|
49.3
|
50.5
|
51.0
|
|
65
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
45.3
|
47.0
|
48.2
|
48.9
|
|
75
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
40.6
|
41.9
|
42.8
|
3.2.2 응축기
응축기는 핀-관형으로 핀 방식은 slit & louver, 응축기 크기는 356×356×70 mm이다. Fig. 4(a)는 선행연구(9)에서 실험을 통해 측정된 냉매 응축온도와 건조실 내부의 공기온도이다. 측정 결과에 따라 공기와 냉매의 평균 응축온도차는 약 14.6℃로 나타났다.
3.2.3 증발기
3.2.3.1 공기열원
증발기는 핀-관형으로 신우공조에서 제작한 SFC-20CM 모델로 정격용량은 3.47 kW이다. 증발기 팬은 천장 매입형으로 크기는 Ø145×L165
mm이며 정격소비전력은 0.04 kW, 풍량은 5.7 m³/min이다. Fig. 4(b)는 선행 연구(9)에서 실험을 통해 측정된 외기온도에 따른 냉매 증발온도를 나타낸다. 측정 결과에 의하면 평균 증발온도차는 약 14.2℃로 나타났다.
Fig. 4 Temperature difference between air and refrigerant-air source heat pump.
Fig. 5 Temperature difference between entering water and refrigerant-geothermal source heat pump.
3.2.3.2 지열원
판형열교환기는 태봉산업에서 생산한 K070-14C 모델로 정격용량은 3.50 kW이다. 크기는 H304×W124×L12.4 mm 이며, 판 재질은
STS316으로 장당 전열면적은 0.032 m2, 채널당 유량은 3~4 m3/h이다. Fig. 5는 선행연구(10)에서 실험을 통해 측정된 냉매 증발온도와 EWT(Entering water temperature)이다. 측정 결과에 의하면 평균 증발온도차는 약 4.73℃로
나타났다.
3.2.4 순환펌프
순환펌프는 Hanil사의 PH-125 W 모델로 정격소비전력 0.35 kW, 양정 21 m, 유량은 1,900 liter/h이다.
3.2.5 순환팬
순환팬은 경진부로아사의 AOB2S-250-52 모델로 정격운전시 사양은 소비전력 0.22 kW, 정압 1,098 Pa, 풍량은 14.8 m3/min이다.
4. 건조열량
전기히터식, 공기열원 및 지열원 열펌프 열풍건조기의 공정한 사이클 비교를 위해 건조시료의 건조열량을 계산하여 동일하게 적용하였다. 건조열량 산출을
위해 건조시료를 선정하여야 한다. 농업기술실용화재단의 농산물 건조기 성능시험에 대한 검정기준(7)에 의거하면 건조시료의 초기함수율은 70% 이상의 홍고추를 사용해야 하며, 건조 종료함수율은 14%가 요구된다. 홍고추의 초기, 종료함수율은 Hong의
건조실험(11)에서 측정된 데이터를 참고하였다. Table 4는 건조열량 산출을 위한 건조시료 및 조건들을 나타낸다. 건조열량은 초기함수율 85%의 홍고추를 건조시켜 종료함수율이 14%가 되기까지 필요한 열량으로
나타냈다.
Table 4 Drying sample and condition
|
Item
|
Value
|
Item
|
Value
|
|
Drying sample
|
Red pepper
|
Drying time [h]
|
24
|
|
Total sample mass [kg]
|
100
|
Safety factor
|
1.1
|
|
Red pepper specific heat [kJ/kg·℃]
|
3.9
|
Initial moisture content [%]
|
85
|
|
Water specific heat [kJ/kg·℃]
|
4.19
|
Final moisture content [%]
|
14
|
|
Drying temperature [℃]
|
60
|
|
|
건조열량을 계산하기 위해서는 건조 시 필요한 현열량과 잠열량이 요구된다. 식(1)은 현열량 계산하는 식을 나타내며, 이때 건조시료 홍고추의 평균비열 $C_{a}$은 식(2)와 같이 계산할 수 있다. 여기서 시료의 초기온도는 외기온도, 건조 설정온도는 Hong의 건조실험(11)을 참조하여 Table 4와 같이 60℃로 하였다.
식(3)은 잠열량을 계산하는 식을 나타내며, 초기함수율이 Table 4와 같이 초기함수율이 85%인 건조시료 홍고추가 종료함수율이 14%가 될 때까지 증발한 수분의 질량 $m_{w}$은 식(4)와 같이 계산할 수 있다. 이때 종료 후 시료의 질량은 식(5)를 통해 계산이 가능하다.
건조열량은 건조시 필요한 총 열량으로 현열량과 잠열량의 합으로 나타낼 수 있다. 이때 건조 과정에서 건조실 내․외부 열손실이 약 10%(12) 발생하므로 이를 고려하였다. 식(6)은 열손실을 포함한 건조열량을 계산하는 식을 나타낸다.
Table 5는 식(1)~식(6)을 적용하여 건조열량을 산출한 결과이다. 외기온도에 따라 시료의 초기온도가 변화하므로 기상청에서 제공하는 2017년 월별 서울의 평균 외기온도를 적용하였다.
산출된 건조열량은 전기히터, 공기열원 및 지열원 열펌프 열풍건조기에 동일하게 적용하였다.
Table 5 Average outside temperature of Seoul in 2017 and dry heating rate
|
Month
|
Outside temperature
[℃]
|
Dry heating rate
[kW]
|
Month
|
Outside temperature
[℃]
|
Dry heating rate
[kW]
|
|
1
|
-1.8
|
2.95
|
7
|
26.9
|
2.80
|
|
2
|
-0.2
|
2.95
|
8
|
25.9
|
2.81
|
|
3
|
6.3
|
2.91
|
9
|
22.1
|
2.83
|
|
4
|
13.9
|
2.87
|
10
|
16.4
|
2.86
|
|
5
|
19.5
|
2.84
|
11
|
5.6
|
2.92
|
|
6
|
23.3
|
2.82
|
12
|
-1.9
|
2.96
|
5. 사이클 해석
5.1 건조기 성능계수(COP)
건조기 성능의 정량적 비교를 위해 식(7)로 정의되는 성능계수를 사용하였다.
전기히터식, 공기열원 및 지열원 열풍건조기에 따라 기기의 용량 및 개수가 다르므로 각각에 대하여 소비
전력을 산출하였다.
5.2 건조기 소비전력
5.2.1 전기히터 열풍건조기
전기히터 열풍건조기에서 전기를 소비하는 장치는 전기히터 1대, 건조기 순환팬 2대이다. 시스템에 필요한 총 에너지 소모량은 전기히터 전력량, 순환팬
전력량의 합으로 식(8)과 같이 나타낼 수 있다. 이때 전기에너지가 전기히터의 열로 바뀌는 과정에서 발생하는 기계적 손실률 10%(13)을 고려하였다.
5.2.2 공기열원 열펌프 열풍건조기
공기열원 열펌프 열풍건조기에서 전기를 소비하는 장치는 압축기 1대, 건조기 순환팬 2대, 증발기 팬 1대이다. 시스템에 필요한 총 에너지 소비량은
압축기 전력량, 순환팬 전력량, 증발기 팬 전력량의 합으로 식(9)과 같이 나타낼 수 있다.
5.2.3 지열원 열펌프 열풍건조기
지열원 열펌프 열풍건조기에서 전기를 소비하는 장치는 압축기 1대, 건조기 순환팬 2대, 지중열교환기 순환펌프 1대이다. 시스템에 필요한 총 에너지
소모량은 압축기 전력량, 순환팬 전력량, 순환펌프 전력량의 합으로 식(10)과 같이 나타낼 수 있다.
5.3 지중입구온도(EWT)
전기히터식 열풍건조기는 외기온도 변화에 민감하지 않으나 공기열원 열펌프는 외기온도에 큰 영향을 받는다.(4) 지열원 열펌프는 지열을 이용하므로 외기의 영향을 크게 받지 않으나 계절에 따라 지중 온도가 변하는 것을 실험을 통해 확인하였다.(10) Table 6은 2017년 1년 동안 실험을 통해 측정된 지중입구온도(EWT)를 나타
낸다. 측정된 날짜에 따라 지중입구온도(EWT)가 변화하는 것을 알 수 있다. 측정된 데이터를 참고하여 비선형 최소자승법으로 1년 중 날짜를 변수로
하는 EWT 예측식을 식(11)과 같이 유도하였다. Sine 함수 예측 식으로 월 평균 지중입구온도를 산출하였는데 그 결과는 Table 7과 같다.
Table 6 Measured data of EWT
|
Date
|
EWT [℃]
|
|
2017. 01. 18
|
12.57
|
|
2017. 08. 22
|
16.12
|
|
2017. 09. 28
|
21.20
|
|
2017. 10. 23
|
15.29
|
|
2017. 11. 04
|
15.19
|
Table 7 Calculation of average EWT by Eq. (11)
|
Month
|
EWT [℃]
|
Month
|
EWT [℃]
|
|
1
|
12.44
|
7
|
14.65
|
|
2
|
10.46
|
8
|
16.67
|
|
3
|
9.34
|
9
|
17.79
|
|
4
|
9.30
|
10
|
17.81
|
|
5
|
10.41
|
11
|
16.68
|
|
6
|
12.37
|
12
|
14.70
|
6. 사이클 해석결과
6.1 건조기 성능계수(COP)
Table 8과 Fig. 6(a)는 사이클 해석을 통해 산출된 전기히터식, 공기열원 및 지열원 열펌프 열풍건조기의 건조기 성능계수를 나타낸다.
(1) 전기히터 열풍건조기의 COP는 0.91로 연중 일정하게 나타났다. 이는 전기히터의 발열량은 외기온도에 의존
하지 않고 일정하기 때문이다.
(2) 공기열원 열펌프 열풍건조기는 외기온도가 가장 낮은 1월과 12월은 COP가 1.32, 외기온도가 가장 높은 7월은 1.68로 나타났다. 외기온도
변화에 따라 COP는 최대 27% 차이가 있다.
(3) 지열원 열펌프 열풍건조기의 지중온도가 가장 낮은 4월은 COP가 1.64, 지중온도가 가장 높은 10월에는 1.84로 나타났다. 지중온도 변화에
따라 COP는 최대 12% 차이가 있다.
(4) 전기히터 열풍건조기에 비해 공기열원 열펌프 열풍건조기의 COP는 약 45.0~84.6%, 지열원 열펌프 열풍 건조기는 약 80.2~102.2%
높게 나타났다. 공기열원 열펌프 열풍건조기에 비해 지열원 열펌프 열풍건조기의 COP는 약 9.5~24.2% 높게 나타났다.
(5) 본 건조기는 식품 건조를 위해 60℃의 고온공기를 발생시키므로 높은 응축온도가 요구되어 통상적인 난방용 열펌프에 비해서는 COP가 낮았다.
Table 8 COP and power consumption of electric heater, air and geothermal heat pump
type hot air dryers
|
Month
|
Drying
heat rate
[kW]
|
Electric heater
|
Heat pump
|
|
Air source
|
Geothermal source
|
|
COP
|
Power [kW]
|
COP
|
Power [kW]
|
COP
|
Power [kW]
|
|
1
|
2.95
|
0.91
|
3.67
|
1.32
|
2.23
|
1.75
|
1.69
|
|
2
|
2.95
|
0.91
|
3.67
|
1.33
|
2.21
|
1.70
|
1.72
|
|
3
|
2.91
|
0.91
|
3.63
|
1.42
|
2.06
|
1.66
|
1.74
|
|
4
|
2.87
|
0.91
|
3.58
|
1.48
|
1.94
|
1.64
|
1.76
|
|
5
|
2.84
|
0.91
|
3.55
|
1.54
|
1.84
|
1.65
|
1.72
|
|
6
|
2.82
|
0.91
|
3.53
|
1.61
|
1.76
|
1.69
|
1.67
|
|
7
|
2.80
|
0.91
|
3.51
|
1.68
|
1.67
|
1.73
|
1.62
|
|
8
|
2.81
|
0.91
|
3.52
|
1.66
|
1.70
|
1.78
|
1.58
|
|
9
|
2.83
|
0.91
|
3.54
|
1.59
|
1.78
|
1.82
|
1.56
|
|
10
|
2.86
|
0.91
|
3.57
|
1.51
|
1.90
|
1.84
|
1.54
|
|
11
|
2.92
|
0.91
|
3.63
|
1.42
|
2.06
|
1.83
|
1.55
|
|
12
|
2.96
|
0.91
|
3.68
|
1.32
|
2.23
|
1.80
|
1.64
|
Fig. 6 COP and power consumption of electric heater, air and geothermal heat pump hot air dryers.
6.2 건조기 소비전력
Table 8와 Fig 6의 (b)는 사이클 해석으로 산출된 전기히터식, 공기열원 및 지열원 열펌프 열풍건조기의 소비전력을 나타낸다.
(1) 전기히터 열풍건조기의 소비전력은 월별 건조열량의 변화에 따라 다르게 나타났으며, 외기온도가 낮아 건조
열량이 가장 많은 1월이 3.68 kW, 외기온도가 높아 건조열량이 가장 적은 7월이 3.51 kW로 나타났다. 외기온도에 따른 건조열량 변화에 따라
전기히터의 소비전력은 최대 4.8% 차이가 있다.
(2) 공기열원 열펌프 열풍건조기의 소비전력은 외기온도가 가장 낮아 건조열량이 가장 많은 1월과 12월에 2.23 kW, 외기온도가 가장 높아 건조열량이
가장 적은 7월은 1.67 kW로 나타났다. 외기온도에 따른 건조열량 변화에 따라 공기열원 열펌프의 소비전력은 최대 33.5% 차이가 있다.
(3) 지열원 열펌프 열풍건조기의 소비전력은 지중온도가 가장 낮은 4월에 1.76 kW, 지중온도가 가장 높은 10월은 1.54 kW로 나타났다.
지열원 열펌프 열풍건조기의 소비전력은 지중온도의 변화에 따라 최대 14.3% 차이가 있다.
(4) 전기히터 열풍건조기에 비해 공기열원 열펌프 열풍건조기의 소비전력은 35.0~52.4%, 지열원 열펌프 열풍
건조기는 52.2~56.1% 낮았다. 공기열원 열펌프 열풍건조기에 비해 지열원 열펌프 열풍건조기는 7.8~21.1% 낮았다.
7. 결 론
본 연구에서는 실험데이터를 사용한 사이클 해석으로 전기히터식, 공기열원 및 지열원 열펌프 건조기 성능을 건조기 성능계수와 소비전력을 산출하여 비교하였으며
그 결과는 다음과 같다.
(1) 건조 열량은 외기온도가 가장 높은 7월에 2.80 kW로 가장 낮고 외기온도가 가장 낮은 12월에 2.96 kW로 가장 높았는데, 이는 시료의
초기온도가 외기온도의 영향을 받기 때문이다.
(2) 전기히터 열풍건조기 COP는 외기온도에 영향을 받지 않으므로 0.91로 연중 일정하게 나타났다. 반면 소비
전력은 외기온도의 변화에 따라 월별 건조열량이 달라지므로 건조열량이 가장 많은 1월이 3.68 kW, 외기
온도가 높아 건조열량 가장 적은 7월이 3.51 kW로 나타났다.
(3) 공기열원 열펌프 열풍건조기는 외기온도가 가장 낮은 1월과 12월은 COP가 1.32, 소비전력은 2.23 kW, 외기
온도가 가장 높은 7월은 COP가 1.68, 소비전력이 1.67 kW로 나타났다.
(4) 지열원 열펌프 열풍건조기의 지중온도가 가장 낮은 4월에 COP가 1.64, 소비전력은 1.76 kW, 지중온도가 가장 높은 10월에 COP는
1.84, 소비전력은 1.54 kW로 나타났다.
(5) 전기히터 열풍건조기에 비해 공기열원 열펌프 열풍건조기의 COP는 45.0~84.6%, 지열원 열펌프 열풍건조기는 80.2~102.2% 높게
나타났다. 전기히터 열풍건조기에 비해 공기열원 열펌프 열풍건조기는 에너지 성능이 1.5~1.8배, 지열원 열펌프 열풍건조기는 1.8~2.0배 높은
것을 알 수 있었다. 한편 공기열원 열펌프 열풍 건조기에 비해 지열원 열펌프 열풍건조기의 COP는 9.5~24.2% 높게 나타나 지열원 열펌프 열풍건조기의
성능이 1.1~1.2배 높은 것을 알 수 있었다.
(6) 전기히터 열풍건조기에 비해 공기열원 열펌프 열풍건조기의 소비전력은 35.0~52.4%, 지열원 열펌프 열풍 건조기는 52.2~56.1% 낮았다.
한편 공기열원 열펌프 열풍건조기에 비해 지열원 열펌프 열풍건조기는 7.8~ 21.1% 낮았다.
Acknowledgements
본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다 (No.20163030111210).
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