2.1 재배작물 및 기후조건

지구온난화에 따른 긍정적인 측면으로 제주지역 특화작물로 한정되었던 만감류와 참다래, 바나나 등 아열대 작물의 재배가 중부 이남 지역으로 확대되며 생산 농가에게 새로운 소득원으로 관심이 높아지고 있다. 따라서 본 연구에서는 아열대 재배면적 증가세가 뚜렷한 경상북도 영천지역 온실을 대상으로 재배작물을 애플망고 로 선정하였다.

Table 1과 Table 2는 표준 가온상태의 애플망고 생육조건 및 영천지역의 기후조건⁽¹⁰⁾을 각각 나타낸 것이다. 애플망고의 생육 적정 온도는 20~30℃ 내외이고, 최저 한계온도는 8℃, 저온 피해온도는 5℃ 이하로 동절기 온도관리가 중요하다. 영천시의 기후조건을 고려할 때 11월부터 4월까지 지속적인 난방공급이 요구되는 것을 알 수 있다.

2.2 온실구조

본 연구에서는 측고가 높고 지붕에 개폐창이 많아 환기효율이 높은 벤로형 비닐온실을 대상으로 애플망고 재배를 검토하였다. 2,300 m²의 면적을 갖는 온실은 반 밀폐형 구조로 동절기 열손실 방지를 위하여 온실내부에 개폐 가능한 단열커튼과 하절기 과도한 일사유입 방지하기 위한 가동형 외부 차양막을 설치하였다.

Table 3은 온실의 주요 사양을 나타낸 것이다. 농촌진흥청의 내재해형 비닐온실 규격으로 외피는 1중 폴리에틸렌(Polyethylene) 필름이 사용되었으며, 동절기 열손실을 감소시키기 위한 단열커튼은 온실 내부의 상부와 측면에서 일출 및 일몰 시에 개폐되며 하절기에는 냉방공급없이 자연환기나 강제환기 시스템 및 가동형 외부차양 작동을 통해 과열을 억제하게 된다.

2.3 태양열 연계 지열히트펌프 융복합 난방시스템

Fig. 1은 지중 계간축열을 갖는 온실의 태양열 연계 지열히트펌프 융복합 난방시스템의 계통도를 나타낸 것이다. 여기서 동절기 GSHP는 운전은 버퍼탱크(Solar storage tank) 추종방식으로, 태양열집열기에 의해 가열되는 태양열 축열조의 온도가 난방공급 최저온도 이하가 되면 GSHP가 작동하게 된다. 난방부하가 없는 중간기와 하절기의 잉여 태양열은 보어홀로 공급되어 지중온도 저하를 보상하게 된다.

Fig. 2는 태양열시스템이 설치된 온실의 전경을 나타낸 것이다. 태양열 집열기는 남북으로 설치된 온실의 북쪽에 설치된다. 그 하부 공간은 기계실과 준비실 등으로 활용되고, 계간축열을 위한 보어홀은 온실이나 기계실 지하에 설치될 수 있다.

Fig. 1 Schematic diagram of hybrid solar assisted GSHP heating system with seasonal storage for greenhouse.

Fig. 2 View of a greenhouse with solar heating system.

3.1 온실 난방부하 해석모델

온실에 대한 현열 난방부하는 애플망고의 최저 생육온도(Table 1)를 설정조건으로 지중 및 외피를 통한 관류열전달 및 침기, 일사 등을 고려하여 비정상 해석된다. Table 4는 온실의 난방부하 해석을 위해 사용된 TRNSYS의 주요 컨포넌트를 나타낸 것이다. 온실의 부하는 Type 56(Multi-zone building)의 energy rate control mode 중간기 및 하절기 온실의 과열방지를 위한 강제환기는 Type 684의 이코노마이저를 통해 구현하였으며, 온실 바닥 지중열전달은 장방향 슬래브에 대해 ASHRAE의 근사법(Simplified method)이 적용된 Type 714을 사용하였다.

3.2 태양열시스템 해석모델

본 연구에서 저온 응용분야(100℃ 이하)에 적합하며 입사각 손실이 적은 이중 진공관형 집열기를 적용하였다. 이 집열기은 국내 S사의 인증 집증기로서 주요 사양은 Table 5와 같다. 집열기는 연간 집열량이 연간 난방부하를 100% 공급할 수 있는 규모로 설정하였으며, 이에 따른 전면적 기준 집열기 총 설치면적은 약 380 m²로 166장이 설치된다. 여기서 정남향으로 배치된 집열기의 경사각은 30°로 설정하였다. 시스템 제어는 정유량의 차온제어 (On/off differential controller)를 사용하였으며, 태양열 축열조는 수직 원통형 모델로 용량은 100 m³로 설계하였다.

Table 6은 태양열시스템 해석을 위해 사용된 TRNSYS의 주요 컴포넌트를 정리한 것이다.

태양열시스템의 성능 평가는 집열효율(Collector efficiency), $\eta_{solar}$와 태양의존율(Solar fraction), $f_{solar}$로 다음과 같이 각각 나타낼 수 있다.

3.3 지열히트펌프

본 연구에서 TRNSYS 시뮬레이션의 GSHP 해석모델로 Type 927을 사용하였다. 이 컴포넌트는 1단 압축 (Single-stage) 물 대 물방식 히트펌프(Water to water heat pump)를 모사한 것이다. 카탈로그 데이터를 포함한 제조사 제공 데이터 파일을 기반으로, 열원(Source) 및 부하(Load)측 유입수 온도($T_{source,\: EWT}$ & $T_{load,\: EWT}$)에 따른 히트펌프의 능력(Capacity)과 동력(Power)을 선형보간(Linear interpolation)을 통해 해석하게 된다. 난방모드에서 성적계수(Coefficient of performance, 이하 COP)와 열원측 흡열량($Q_{absorbed}$), 열원 및 부하측 유출수 온도($T_{source,\: LWT}$ & $T_{load,\: LWT}$) 등은 다음과 같이 계산된다.

한편 총 난방부하에 대한 태양열시스템과 지열히트펌프시스템의 공급열량 비는 재생에너지의존율(Renewable energy fraction), $f_{RE}$로 다음 식(7)과 같이 정의할 수 있다.

본 연구에서 GSHP 총 설치용량은 버퍼탱크의 축열용량과 난방부하 발생빈도를 고려하여 피크부하의 40%인 210 kW로 70 kW 3대로 구성하였으며, TRANE사의 EXW240 모델⁽¹²⁾을 적용하였다. Table 7은 히트펌프의 주요 사양을 나타낸 것이다.

Fig. 3은 TRANE사의 카탈로그 데이터를 기반으로 선형보간(Linear interpolation)을 통해 추정된, 열원 및 부하측 열매체 입구온도(EWT)에 따른 난방 COP를 나타낸 것이다.

Fig. 3 Heaing performance of water to water heat pump.

3.4 지중 계간축열시스템(보어홀)

지중 계간축열은 현열 축열 방식으로 보어홀 축열(Borehole thermal energy storage, 이하 BTES)을 적용하였다. 이 방식은 태양열집열기가 설치되는 부지의 하부를 사용함으로써 공간 활용도를 높일 수 있으며 지하수를 제외한 광범위한 지질조건에서도 시공 가능한 장점이 있다.

TRNSYS에서 BTES 시스템은 보어홀이 원통형 지중에 균등하게 배치된 형태로 Hellström⁽¹⁴⁾이 개발한 Type 557a을 사용하였다. 이 컴포넌트는 2차원 열전달해석 기반의 DST(Duct ground heat storage) 모델로 보어홀 열저장을 갖는 지역난방시스템의 실증실험을 통해 5% 이내의 오차를 갖는 것으로 나타났다.⁽¹⁵⁾ 이 모델은 보어홀 내부 유로의 열매체 대류 열전달과 지중의 전도 열전달이 고려되며, 순환 열매체와 지중의 온도차에 따라 축열($Q_{inj}$)하거나 방열($Q_{ext}$)하게 된다. 이 과정에서 BTES 시스템의 축열효율, $\eta_{BTES}$로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

Fig. 4는 BTES 시스템의 보어홀 배치형태를 나타낸 것이다. 지면으로부터 1.5 m 하부에 150 m 깊이의 총 20개 보어홀을 5.0 m 간격으로 천공하고 병렬 연결하였다. 퇴적암층이 광범위하게 분포된 영천지역⁽¹⁵⁾의 지중 열전도율과 비열은 각각 2.56 W/mK와 2,300 kJ/m³K를 적용하였다.

Fig. 4 Borehole arrangement in BTES system.

3.5 시스템 제어

Fig. 5는 시스템의 제어 및 에너지 흐름을 나타낸 것이다. 동절기 태양열로 가열된 축열조 중단부 온도 ($T_{STNK,\: M}$)가 45℃ 이상일 때 난방으로 직접 공급되며 45℃ 미만이 될 때 GSHP를 통해 50 ~ 55℃까지 가열하게 된다. 또한 동절기 시스템 과열방지를 위해 상단부 온도($T_{STNK,\: U}$)가 60℃ 이상이 되거나 비 동절기 발생하는 잉여 태양열은 모두 지중으로 축열된다.

Fig. 6은 태양열 연계 지열히트펌프 융복합 난방시스템의 TRNSYS 시뮬레이션 모델을 나타낸 것이다.

Fig. 5 Energy flow diagram of system.

Fig. 6 TRNSYS simulation model of hybrid solar assisted GSHP heating system in Greenhouse.

4.1 난방부하

Fig. 7과 Fig. 8은 2,300 m² 면적을 갖는 애플망고 재배 비닐온실의 연간 시간별 난방부하 발생 빈도와 월별 난방부하를 정리한 것이다. 난방부하가 11월 중순부터 3월 말까지 지속적으로 발생하는 가운데 최대 부하는 546 kW로 2월 초에 나타났다. 200 kW 이하의 부하가 90%를 차지하고 있으며 300 kW 이상은 1.8%의 발생빈도를 보이고 있다. 월별 난방부하를 살펴보면 출뢰기(Budding stage)에 해당하는 1월의 난방부하가 110 MWh로 최대가 되었으며, 연간 총 난방부하는 약 327 MWh로 분석되었다.

Fig. 7 Frequency of hourly heating load.

Fig. 8 Monthly heating load of greenhouse.

4.2 시스템 성능

Fig. 9는 시뮬레이션 기간(총 10년)의 BTES의 평균 온도를 각각 나타낸 것이다. 7년차부터 축열 및 방열의 1년 주기가 열적 평형상태에 도달하고 있다. 난방 시작 시점인 11월 말 21℃의 최고온도를 기록하였으며, 최저온도는 17℃로 난방이 종료되는 4월 초에 나타났다. 국내 200 m 깊이까지 연간 지중온도가 15℃±3℃인 점을 고려할 때 다소 높게 유지되는 것을 알 수 있다.

Fig. 10은 7년차 태양열시스템의 월별 집열열량 및 평균 집열효율을 분석한 것이다. 전술한 바와 같이 축열조에 취득된 태양열은 난방에 직접 공급되거나 지중 계간 축열조(BTES)에 축열된다. 연간 총 집열량은 309.1 MWh로 5월의 집열량이 33.8 MWh로 가장 많았으며, 가장 적은 6월의 19.4 MWh에 비해 74%가 증가하였다. 난방기(11월 ~ 3월)의 집열효율은 42.6 ~ 47.7%로 잉여 태양열의 지중 축열만이 이루어지는 비 난방기의 51.7 ~ 54.7%에 비해 평균 7% 낮은 분포를 보이고 있으며, 연평균 집열효율은 50.1%로 나타났다.

Fig. 11은 연간 태양열 축열조의 상부온도를 나타낸 것이다. 난방기 최소 난방 공급온도(45℃)를 유지하고, 과열방지 설정온도(60℃) 조건에 따라 적절하게 제어되는 것을 알 수 있다. 또한 비 동절기 축열조의 열손실을 최소화하고 잉여 태양열의 지중축열을 최대화하기 위해 35℃로 설정된 축열조 최고온도 조건에 따라 시스템 과열이 원천적으로 차단되고 있다.

Fig. 12는 GSHP의 열원 및 부하측 열매체 입구온도에 따른 연간 순간 COP를 나타낸 것이다. 난방중심의 장기운전에도 불구하고 열원측 유입수의 작동범위는 7~16.5℃로 지중 열적평형이 유지되고 있으며, 부하측 유입수의 작동범위는 37~45℃로 이에 따른 순간 COP는 2.98~3.97로 분석되었다.

Fig. 13은 시스템 월별 열전달을 분석한 것이다. 태양열 축열조를 중심으로 태양열 취득열량(Collector heat gain)과 태양열 직접 난방(Direct solar heating), GSHP 난방(GSHP heating), 음으로 표시되는 축열조로부터 BTES 축열(BTES injection), GSHP측 열원으로 공급되는 BTES 방열(BTES extraction) 등으로 구분된다. 난방 초기부터 태양열과 GSHP을 통한 난방공급이 병행되고 있다. 태양열 직접 난방공급이 거의 동일한 수준(월 평균 23.7 MWh)에서 유지되는 반면 GSHP의 작동은 전술한 난방부하와 비례하고 있다. BTES의 순 축열(축열 > 방열)은 4월부터 11월까지 이루어지고 있으며, BTES의 방열은 GSHP의 작동과 동기화되고 있다.

Fig. 14는 시스템의 연간 열전달을 정리한 것이다. 태양열시스템과 GSHP의 연간 난방공급은 98.7 MWh와 225.2 MWh로 이에 따른 태양의존율과 재생에너지의존율은 각각 30.2%와 99.1%가 되었으며, 여기서 열원 및 부하측 순환펌프을 포함한 GSHP의 연간 소비전력량은 68.6 MWh로 연평균 시스템 COP는 3.28로 나타났다. 또한 잉여 태양열의 BTES 축열량과 방열량은 각각 207.4 MWh와 161.0 MWh로 연간 축열효율은 약 77.6%로 분석되었다. 한편 태양열 집열 및 순환펌프와 BTES 축열펌프의 연간 소비전력량은 각각 7.1 MWh와 2.7 MWh가 되어 GSHP을 포함한 시스템의 연간 총 소비전력량은 78.3 MWh로 나타났다.

Fig. 9 Average underground temperature of BTES system.

Fig. 10 Solar fraction of solar heating system with BTES system.

Fig. 11 Upper temperature of solar storage tank.

Fig. 12 Instantaneous COP of GSHP.

Fig. 13 Monthly energy transfer between system components.

Fig. 14 Yearly energy transfer between system components.