2.1 기준 건물 제원 및 부하량 산출 조건

기준 건물은 비 공조 구역을 제외한 공조 면적이 800 m (40 m × 20 m), 높이 8 m의 스마트팜으로 구성하였다. 지붕 형상은 박공형으로 구성하였으며, 400 m의 구역(ZONE) 2개를 동쪽과 서쪽으로 배치하여 진행하였다. 벽체와 창 조건의 경우 에너지절약설계계획서(고시 2017-881)에 근거하여 중부 1 지역의 주거용 건물 외의 열관류율과 표면열전달저항 기준을 적용하였으며, 창은 내부 차양하여 빛을 차단하였다. 기상 조건의 경우 일사량은 태백시 자료가 존재하지 않아 2020년도 태백시의 온ㆍ습도와 2020년도 원주시의 일사를 기상청에서 제공받아 적용하였다. 조명의 경우 작물 재배 단을 10단으로 구성하여 암기 시간인 11~19시를 제외하고 16시간 동안 가동하였다. 실내 설정온도는 상추의 적정생육온도를 기준으로 15~20℃로 제어하였으며, 또한 습도 조건의 경우 식물의 적정 생육 습도인 상대습도 50~80% 이내로 제어하였다. 이때 재배방식에 따른 잠열 부하는 배제하고 진행하였다. 시뮬레이션에 적용한 냉ㆍ난방 일정 및 실내ㆍ외 부하, 기상자료 등의 시뮬레이션에 적용한 값들과 기준 건물 모델링 형상은 각각 Table 1과 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 1 Schematic diagram of combined heat source heat pump system.

Fig. 2 Smart Farm modeling.

2.2 시스템 제원 및 제어 조건

시뮬레이션에 적용한 히트펌프의 경우 수-수 방식의 히트펌프를 적용하였으며, 생산된 에너지는 수축열조에 저장하고 8개의 FCU를 통하여 실내로 공급하였다. 환기 방식은 FCU 가동 시에는 OA와 RA을 섞고 난 후 FCU를 통과하는 방식을 적용하였으며, 가동하지 않을 시에는 OA가 따로 공급되는 방식으로 진행하였다.

시스템 제어는 온도에 따른 단속 운전으로 설정하였다. 그 중, 1, 2차 측의 순환수 펌프와 히트펌프 제어는 수축열조 내 순환수 평균 온도가 냉방 시 7℃ 이상일 때, 난방 시 50℃ 이하일 때 운전하도록 설정하였다. FCU와 FCU 펌프의 제어는 실내온도가 냉방 시 19℃ 이상일 때, 난방 시 16℃ 이하일 때 운전하도록 설정하였다. 또한 에너지 소비량을 낮추기 위해 겨울철 냉방이 필요한 경우에는 외기 냉방을 진행하였으며, 실내온도가 19℃ 이상일 때 가동하도록 설정하였다. 이때 냉ㆍ난방 및 습도 제어는 24시간 상시 가동하였다. 시뮬레이션에 적용된 장치 제원들은 Table 2에 나타내었다.

2.3 Case 별 히트펌프와 열원 구성

본 연구의 모든 Case는 열원을 제외한 모든 조건 및 시스템 구성을 동일하게 진행하였다. 히트펌프 구성의 경우 산출한 냉방 최대 부하인 567.7 kW에 안전율을 고려하여 158.12 kW 4대의 히트펌프로 구성하였으며, 해당 히트펌프를 시뮬레이션에 적용하여 성능곡선을 산출하였다(Fig. 3 참조). 열원은 지열원과 수열원을 적용하였으며, 지열원의 경우 1 m 당 58.6 W로 계산하여 한 공당 8.79 kW의 능력을 생산할 수 있는 150 m의 수직 밀폐형 지중열교환기(천공)를 히트펌프 대수당 18개를 적용하였다. 수열원은 지엔원 사에서 제공한 히트펌프의 규격에 명시되어 있는 유량을 직접열교환 방식으로 적용하였다. 사용한 수열원 온도의 경우 태백시의 황지천의 시간별 수온 자료의 부재로 인하여 같은 낙동강 수계인 봉화군의 분천 수온 자료를 활용하였으며, 국립환경과학원 물환경평가연구과로부터 제공 받았다. 적용된 열원들의 제원은 Table 3에 나타내었다. 열원의 비율에 따른 성능 비교를 위해 각 열원의 비중이 0%, 25%, 50%, 75%, 100%로 총 다섯 가지의 Case(Case 1 ~ Case 5)를 구성하였다. Case 별로 적용한 지열원 히트펌프 대수와 수열원 히트펌프 대수 및 지중열교환기 개수를 Table 4에 나타내었다. TRNSYS18로 구성한 시스템을 Fig. 4에 나타내었으며, Source 부분에 있는 수열원과 지열원의 컴포넌트 및 연결을 변경하여 Case 1~5를 시뮬레이션하였다.

Fig. 3 Heat pump performance curve.

Fig. 4 Configuration of simulation.

3.1 단일 열원 히트펌프 시스템의 히트펌프 입ㆍ출구 순환수 온도 비교

열원에 따른 히트펌프 입ㆍ출구 순환수의 연중 온도양상을 비교 분석하기 위하여 Case 1와 Case 5의 히트펌프 입ㆍ출구 순환수의 연중 온도를 각각 Fig. 5(a), (b)에 나타내었다.

Fig. 6 Monthly average temperature and COP.

EST는 냉방 시에는 낮을 때, 난방 시에는 높을 때 히트펌프의 성능이 향상되며, ELT는 냉방 시에는 높을 때, 난방 시에는 낮을 때 히트펌프의 성능이 향상된다. 지열원의 경우 EST가 상대적으로 일정하게 유지되는 모습을 보여주며, 수열원의 경우 상대적으로 외기 온도와 비슷한 양상을 보인다. 따라서 여름철과 겨울철에는 수열원의 EST가 더 낮은 모습을 보여준다. 지열원의 열교환기를 밀폐형 지중열교환기를 적용하였기 때문에 개방형인 수열원과는 달리 EST가 LST의 영향을 받는다. 따라서 환절기에는 지열원의 경우 냉방 시 EST가 높아지고, 난방 시 EST가 낮아지는 것을 볼 수 있다. 또한 겨울철 난방부하가 여름철 냉방부하 대비 상대적으로 적어 EST가 초기 1~4월의 온도로 회복하지 못하는 것을 볼 수 있다. 지열원과 수열원의 EST에 따른 히트펌프 성능은 Fig. 6에 나타내었다.

3.2 히트펌프 에너지소요량 비교

에너지소요량은 앞서 언급하였듯이 히트펌프 4대의 소비전력 합산한 값으로 분석하였다. 간절기에는 히트펌프의 운전 횟수가 줄어 에너지소요량이 적으며, 냉방부하가 가장 큰 8월과 난방의 부하가 가장 큰 12월에 가장 높은 것을 볼 수 있다. 냉방 시 지열원을 많이 적용된 Case 순서대로 큰 값을 보이며, 난방 시에는 수열원이 많이 적용된 Case 순서대로 큰 값을 볼 수 있다. 여기서 간절기인 4월과 10월은 반대의 결과를 보이는데, 이는 4월과 10월에서 수열원의 EST가 오히려 지열원의 EST에 대비 높아 나타나는 현상으로 분석된다(Fig. 6 참조). 냉ㆍ난방 각각의 에너지소요량을 Fig. 7(a), (b)에 나타내었다.

Fig. 7 Monthly average heat pump total power consumption.

Fig. 8 Average COP of 4 heat pumps by monthly average case.

3.3 Case 별 평균 COP 비교

복합열원 시스템의 열원 적용 비율에 따른 성능 분석을 위하여 앞서 분석한 에너지소요량 외에 Case 별로 적용된 히트펌프 4대의 평균 COP 값을 비교하였으며, 냉방과 난방의 각각의 COP 값을 Fig. 8(a), (b)에 나타내었다. 냉방 시에는 수열원이 많이 적용된 Case일수록 높은 COP를 보이며, 난방 시에는 지열원이 많이 적용된 Case일수록 높은 COP를 보였다. 4월과 10월의 COP가 반대로 되는 이유는 소비전력과 마찬가지로 지열원 대비 수열원의 EST가 높아 나타나는 현상으로 분석된다(.Fig. 6 참조).

3.4 결과 및 고찰

본 연구에서는 인공광형 스마트팜에 적용한 복합열원 시스템의 성능을 비교 분석하였다. Case 1~Case 5의 월별 에너지소요량, COP와 가동 시간을 냉방과 난방으로 나눠 각각 Table 5와 Table 6에 나타내었다. 또한 Case 별 냉ㆍ난방 및 연간 종합 데이터는 Table 7에 나타내었다.

냉방 시 수열원이 지열원 대비 EST가 낮아 수열원 히트펌프 적용 비중이 높은 Case 순으로 가동 시간과 에너지소요량은 적게 나타났으며 COP는 높게 나타났다(Table 5 참조).

난방 시 지열원이 수열원 대비 EST가 높아 지열원 히트펌프 적용 비중이 높은 Case 순으로 가동 시간과 에너지소요량은 적게 나타났으며 COP는 높게 나타났다. 그러나 4월과 10월의 경우는 수열원의 평균 EST가 각각 12.85℃, 17.26℃로 지열원의 4월, 10월 평균 EST의 9.36℃, 13.11℃에 대비 높아 반대로 난방에서 더 높은 성능이 산출된다(Table 6 참조). Table 6에서 소수점 2번째 자리까지만 표기하여서 3월에 모든 Case가 같은 COP로 보이지만 작은 값이지만 다른 월과 같은 형상으로 차이가 나타난다.

냉방 시 가동 시간의 경우 Case 1은 1471.9 hr, Case 2는 1463.3 hr, Case 3은 1455.7 hr, Case 4는 1447.5 hr, Case 5는 1440.8 hr로 나타난다. 에너지소요량의 경우 Case 1은 186.54 MWh, Case 2는 180.18 MWh, Case 3은 173.73 MWh, Case 4는 167.39 MWh, Case 5는 161.39 MWh로 나타나며, COP의 경우 Case 1은 4.57, Case 2는 4.75, Case 3은 4.93, Case 4는 5.11, Case 5는 5.29로 나타난다. 수열원 히트펌프 적용 비율이 높은 Case 순으로 가동 시간과 에너지소요량은 적게 나타났으며, COP는 높게 나타났다(Table 7 Cooling 참조).

난방 시 가동 시간의 경우 Case 1은 625.4 hr, Case 2는 630.4 hr, Case 3은 641.1 hr, Case 4는 652.3 hr, Case 5는 661.2 hr로 나타나며, 에너지소요량의 경우 Case 1은 165.02 MWh, Case 2는 165.61 MWh, Case 3은 167.58 MWh, Case 4는 169.73 MWh, Case 5는 171.05 MWh로 나타나며, COP의 경우 Case 1은 2.40, Case 2는 2.37, Case 3은 2.35, Case 4는 2.32, Case 5는 2.30으로 나타난다. 지열원 히트펌프 적용 비율이 높은 Case 순으로 가동 시간과 에너지소요량은 적게 나타났으며, COP는 높게 나타났다(Table 7 Heating 참조).

연중 총합 가동 시간의 경우 Case 1은 2097.3 hr, Case 2는 2093.7 hr, Case 3은 2096.8 hr, Case 4는 2099.8 hr, Case 5는 2102 hr로 나타나며, 에너지소요량의 경우 Case 1은 351.56 MWh, Case 2는 345.79 MWh, Case 3은 341.31 MWh, Case 4는 337.12 MWh, Case 5는 332.44 MWh로 나타난다. 연중에서는 Case 5의 가동 시간은 더 길지만 에너지소요량은 더 적은 것으로 나타났다(Table 7 Annual 참조).

단기간으로 보았을 때 지열원의 경우 밀폐형열교환기를 적용하여 시스템이 운전하는 시간 동안 에너지가 계속 축적되어 EST가 상승하는 것을 보여준다. 또한 장기적으로 보았을 때도 인공광형 스마트팜의 특성상 겨울철 난방부하 대비 여름철 냉방부하가 커 지중 열 축적을 해소해주지 못하는 것으로 나타나며, 1월에서 4월에 대비하여 10월에서 12월의 EST가 높은 것으로 나타난다(Fig. 5(a) 참조).

인공광형 스마트팜은 태양광을 대체하여 많은 양의 조명을 사용하며, 조명의 발열은 냉방부하로 작용하며, 외기 온도가 스마트팜의 희망 온도보다 낮을 때에도 조명 가동 시에 냉방해야 하는 경우가 발생한다. 따라서 겨울철에도 냉방을 가동해야 하며, 외기 냉방방식으로 부족할 경우 히트펌프의 냉방이 필요하다.

시뮬레이션에서 하천의 결빙 또는 장비의 동파는 고려하지 않았다. 따라서 하천수를 활용한 시스템의 경우 동파와 결빙 시를 고려해야 하며, 이에 따라 상대적으로 온도가 일정한 지열원을 사용하여 겨울철에는 지열원 위주로 가동하고 여름철엔 효율이 높은 수열원 위주의 복합열원 시스템 또는 하이브리드 히트펌프 시스템을 구성하여야 한다.