2.1 기준 건물 모델링 및 제원

기준 건물은 바닥면적 150 m², 높이 3 m, 총 부피 450 m³로 설정하여 상업용 소형 유리온실을 모델링하였다. 지붕과 4개의 벽면은 유리로 구성하였으며, 모델링 된 기준 건물 형상은 Fig. 1에 나타내었다.

경기도 수원 지역의 TMY2 기상 자료를 기반으로 유리온실의 기상 조건을 설정하였으며, 벽체와 창호의 열관류율 값은 에너지 절약 설계 기준(고시 2017-881)⁽¹⁶⁾에 따라 지정하였다. 수원 지역은 사계절이 뚜렷하며, 연중 최고 외기 온도는 34.6℃, 최저 온도는 -14.1℃로 나타났다.

온실의 재배 작물로는 용과를 선정하였다. 용과의 적정 생육 온도는 18 ~ 30℃이며, 최저 한계 온도는 8℃, 최고 한계 온도는 40℃ 내외로, 하절기 높은 온도에서도 잘 견디는 아열대 식물이다. 그러나 하절기 온실 내부 온도가 40℃ 이상으로 상승할 가능성이 있어, 이를 방지하기 위해 하절기 강제환기 시스템을 도입하였다.

반면, 동절기에는 수원 지역의 최저 온도가 -14.1℃까지 내려가는 점을 고려하여 용과의 최저 한계 온도인 8℃ 이상을 유지하기 위한 온도 관리가 필요하다. 이에 따라, 수원 지역의 기후 조건을 반영하여 10월부터 4월까지 난방 공급이 요구되며, 적정 생육 온도를 기반으로 난방 설정 온도를 18℃로 선정하였다. 난방은 24시간 지속 공급을 계획하여 안정적이고 최적화된 생육 환경을 조성하고자 하였다. Table 1은 유리온실의 입력 조건을 나타낸 것이다.

Fig. 1 Glass greenhouse modeling.

2.2 Case 별 시스템 설명

본 연구에서는 기존의 GSHP 난방 시스템 Case 1과 PVT 시스템을 결합한 두 가지 방식 Case 2와 Case 3을 비교하였다. Case 2는 설정 온도에 따라 지열원과 태양열원을 병렬로 사용하는 PVT-GSHP 시스템이며, Case 3은 축열조 온도가 설정 온도 미만으로 떨어질 경우 GSHP가 가동하여 축열조를 가열하는 PVT-GSHP 시스템이다. 기존의 GSHP 방식인 Case 1과 비교하여 PVT 시스템 결합이 난방 성능에 미치는 영향을 분석하고, Case 2와 Case 3간의 비교를 통해 PVT-GSHP 시스템의 최적 제어 방식을 도출하고자 한다.

Fig. 2는 Case 1, 2, 3의 개략도를 나타낸다. Fig. 2(a)는 PVT가 결합되지 않은 GSHP 난방 방식인 Case 1의 개략도를 나타낸다. Case 1의 작동 모드는 온실 온도($T_{{room}}$)가 18℃ 이하로 내려가면 순환 펌프 1, 2가 동작하여 GSHP의 열원을 지열원으로 사용해 온실을 난방한다.

Fig. 2(b)는 PVT-GSHP 시스템을 나타내며, 설정 온도에 따라 지열원과 태양열원을 병렬로 사용해 히트펌프가 온실을 난방하는 Case 2의 개략도를 나타낸다. Case 2는 4가지 작동 모드로 나뉜다. 먼저 Mode 1은 $T_{{PVT},\:{out}}- T_{{PVT},\:{i}{n}}$ > 8℃인 경우 순환 펌프 1, 2가 동작하여 PVT에서 발생한 열을 ST에 축열 한다. 만약 $\Delta T$가 1℃ 미만이 되면 순환 펌프가 정지하여 집열이 중단된다. Mode 2는 $T_{{room}}\le$ 18℃ 및 $T_{{ST}}\ge$12℃일 경우 순환 펌프 5, 7이 동작하여 히트펌프가 태양열을 열원으로 사용하여 온실을 난방한다. Mode 3의 경우 $T_{{room}}\le$ 18℃ 및 $T_{{ST}}$ < 12℃일 때 순환 펌프 6, 7이 동작하여 히트펌프가 지열을 열원으로 사용하여 온실을 난방한다. Mode 4는 $T_{{ST}}\ge$20℃일 경우 순환 펌프 3, 4가 동작하여 PVT 시스템을 통해 축열 된 ST의 잉여 태양열을 BTES로 전달해 저장한다. Mode 1은 연중 지속적으로 작동하며, Mode 2와 3은 난방 시즌 동안, Mode 4는 비난방 시즌에 동작하도록 설정하였다. Case 2는 온실 난방 시 태양열원을 우선적으로 사용하며, 히트펌프의 지열원 입구 온도가 평균 12℃인 점을 고려하여 태양열원의 입구 온도도 동일하게 맞추기 위해 $T_{{ST}}$의 설정 온도를 12℃로 설정하였다.

Fig. 2(c)는 PVT-GSHP 시스템으로, ST 온도가 설정 온도 미만이 되면 GSHP가 작동하여 ST를 가열하는 난방 방식인 Case 3의 개략도를 나타낸다. Case 3 역시 4가지 작동 모드로 나뉜다. Case 3의 Mode 1은 Case 2의 Mode 1과 동일하며, PVT에서 발생한 열을 ST에 축열한다. Mode 2는 $T_{{room}}\le$ 18℃일 경우 순환펌프 7이 동작하여 난방이 시작되고, 이때 PVT로 축열된 $T_{{ST}}$가 45℃ 이상이면 태양열을 활용하여 난방을 진행한다. 그러나 $T_{{ST}}$< 45℃일 경우 순환펌프 3, 4 및 GSHP가 작동하여 지열원을 열원으로 ST를 가열하는 Mode 3이 동작된다. Mode 4는 $T_{{ST}}\ge$20℃일 경우 순환펌프 5, 6이 동작하여 ST의 잉여 태양열을 BTES에 저장한다. Mode 1은 연중 작동하며, Mode 2와 3은 난방 시즌에, Mode 4는 비난방 시즌에 동작하도록 설정하였다.

Fig. 2 Schematic diagram of Case 1, 2, and 3.

2.3 Case 별 시스템 제원

Case 1, 2, 3의 시스템은 동적 시뮬레이션 프로그램인 TRNSYS 18⁽¹⁷⁾을 사용하여 모델링 및 시뮬레이션 되었다. 본 연구의 모든 Case는 제어 방법을 제외한 모든 조건 및 시스템의 제원을 동일하게 진행하였다. Table 2는 시스템에 사용된 TRNSYS의 구성 요소 및 제원을 나타낸다.

PVT 모듈은 TRNSYS 18의 Type 50d 모델을 적용하였으며, 본 연구에서 사용된 PVT는 국내 A사에서 제작한 액체식 유창형 모델이다. 모듈의 전면적은 상용 제품의 일반적인 크기인 2.09 m²로 총 20장을 설치하였다. GSHP의 정격 난방 용량은 온실의 최대 난방 부하인 38.1 kW에 맞춰 설정하였으며, 정격 난방 용량과 제조사의 성능 데이터에 따른 COP 값을 기반으로 소비전력을 계산하여 시뮬레이션을 수행하였다. BTES 모듈은 TRNSYS 18의 Type 557a 모델을 적용하였으며, 한 공당 8.79 kW의 능력을 제공하는 150 m의 수직 밀폐형 지중 열교환기를 온실 최대 난방 부하에 맞춰 총 5개로 구성하였다.

2.4 PVT 및 히트펌프 성능 분석

PVT 시스템의 성능 분석은 발전량, 집열량 및 집열효율로 나타낼 수 있으며, 발전량과 집열량은 Qiu et al.⁽¹⁸⁾에서 제시한 계산식을 기반으로 산출하였다. 발전량($E_{{PV}}$)은 아래의 식(1)과 같다. 여기서 $\tau$는 투과율, $\alpha$는 흡수율, $IAM$는 입사각 수정 계수, $G_{{t}}$는 입사 태양 복사량(W/m²), $A_{{PVT}}$는 PVT 모듈의 면적(m²), $\eta_{{PV}}$는 PV 셀의 효율을 의미한다.

집열량($Q_{{u}}$) 및 집열효율($\eta_{{th}}$)은 식(2)과 식(3)에 나타내었다. 여기서 $F_{{R}}$은 집열효율 수정계수, $I_{{T}}$는 집열면 일사량(W/m²), $U_{{PVT}}$는 집열기에서 주위로 발생하는 열전달의 총괄 열전달 계수(W/m²․K), $T_{{PVT},\: {i}{n}}$는 PVT의 입구 온도(K), $T_{{amb}}$는 외기 온도(K)를 의미한다.

GSHP 모듈에 적용된 Type 927은 1단 압축 물 대 물 방식의 히트펌프를 모델링한다. GSHP의 성능은 난방성능계수(Coefficient of performance, COP)로 나타낼 수 있으며, $COP_{{h}}$는 식(4)과 같다. 여기서 $Q_{{heating}}$은 난방 공급 열량(kW), $P_{{GSHP}}$는 GSHP의 난방 소비전력(kW)을 의미한다.

3.1 Case 1, 2, 3의 성능 비교

Fig. 3(a)는 Case 1, 2, 3의 월별 BTES 방열량과 축열량을 나타낸다. 난방 시즌 동안의 연간 방열량은 Case 1이 53.21 MWh, Case 2가 41.55 MWh, Case 3이 47.18 MWh로, GSHP 단독 운영인 Case 1에서 가장 높았다. 이는 GSHP 단독 운영으로 지중온도가 하락하며 더 많은 열이 방출된 결과이다. 비난방 시즌 동안의 연간 축열량은 Case 1이 0 MWh, Case 2가 10.48 MWh, Case 3이 16.63 MWh로 Case 3이 가장 높았다. 이는 난방 시즌 동안 Case 2 대비 BTES 방열량이 증가하면서 지중온도가 낮아졌고, 외부와의 온도 차이가 커지면서 열 교환 효율이 향상되어 비난방 시즌 동안 더 많은 열이 축적되었기 때문이다. 또한, PVT 시스템을 통한 열 저장과 하절기 자연 열 축적으로 전체 축열량이 증가하였다. 결과적으로 Case 3은 난방 시즌 동안 방출된 열만큼 더 많은 열을 비난방 시즌에 저장하여 Case 2보다 높은 축열량을 기록하였다. 연간 BTES 방열량 대비 축열량 비율도 Case 2가 25.2%, Case 3이 35.3%로, Case 3이 더 높은 비율을 보이며 BTES와 PVT 시스템의 축열 효과를 입증하였다.

Fig. 3(b)는 Case 1, 2, 3의 월별 평균 지중온도를 나타낸다. 비난방 시즌인 9월에 최대 평균 지중온도는 Case 1이 14.02℃, Case 2가 15.11℃, Case 3이 15.59℃로, Case 3이 가장 높은 온도를 기록하였다. 이는 비난방 시즌 동안 Case 3의 축열량이 가장 많았기 때문이다. 반면 난방 시즌인 12월의 최저 평균 지중온도는 Case 1이 11.38℃, Case 2가 12.45℃, Case 3이 12.54℃로 Case 1이 가장 낮은 온도를 보였다. 이는 PVT 시스템과 같은 보조 난방 없이 GSHP만 단독으로 운영한 Case 1에서 온실의 높은 난방 부하로 인해 부하 불균형이 발생하면서 지중온도가 크게 하락한 결과로 해석된다.

Fig. 3(c)는 Case 1, 2, 3의 연간 총 GSHP 난방 공급 열량, GSHP 소비전력, 그리고 평균 난방 COP를 비교한 결과를 나타낸다. GSHP가 공급한 난방 열량은 Case 1이 74.09 MWh, Case 2가 74.07 MWh, Case 3이 74.57 MWh로, 모든 Case에서 유사한 수준을 보였다. 이는 GSHP가 Case 1~3에서 난방 부하를 안정적으로 충족했음을 보여준다. 하지만 GSHP 소비전력은 Case 1이 22.58 MWh, Case 2가 20.69 MWh, Case 3이 19.99 MWh로, Case 3에서 가장 낮았다. Case 1에서는 GSHP만 단독으로 운영되어 지중온도가 지속적으로 하락했고, 열원 측 입구 온도가 낮아지면서 소비전력이 증가하였다. Case 2는 PVT 시스템과의 결합을 통해 태양열과 지열을 병렬로 사용함으로써 GSHP의 열원 측 온도를 높였으나, BTES를 제대로 활용하지 않아 지중온도 하락을 완전히 방지하지는 못했다.

반면, Case 3은 Case 2 대비 BTES 축열을 적극 활용하여 난방 시즌 동안 지중 온도를 안정적으로 유지하였다. 또한, GSHP는 $T_{{ST}}$가 45℃ 이상일 경우 가동을 중단하고, 45℃ 미만으로 떨어질 때만 보조적으로 작동하는 로직을 적용하여 불필요한 운전을 방지하였다. 이로 인해 GSHP의 압축기 부하가 감소하고 소비전력이 줄어들었다. 이러한 전략의 결과, Case 3은 GSHP의 연간 소비전력이 가장 낮았으며, 평균 난방 COP도 3.73으로 가장 높았다. 이는 PVT를 활용한 BTES 지중 축열을 효과적으로 적용하여 지중온도를 안정적으로 유지하고, GSHP 압축기 부하를 줄인 결과이다. 또한, 불필요한 운전을 최소화함으로써 소비전력 절감 효과를 극대화하였으며, 이를 통해 Case 3이 최적의 제어 방식임을 입증하였다.

Fig. 3(d)는 5년 동안 Case 1, 2, 3의 지중 온도 변화를 비교한 것이다. Case 1은 장기적으로 사용함에 따라 부하 불균형으로 인해 지중온도가 점차 하락하였으며, 최저 7.74℃까지 떨어졌다. Case 2는 Case 1 보다 지중온도가 높게 유지되었으나, 장기적인 사용에서는 여전히 온도가 하락하는 경향을 보였다. 반면 Case 3은 장기간 사용에도 지중온도가 하락하지 않고 안정적으로 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 비난방 시즌 동안 PVT 시스템을 활용한 BTES의 효율적인 열 저장과 최적화된 제어 전략을 통해 에너지를 효과적으로 활용한 결과이며, 장기적인 부하 불균형 문제를 해결하는 데 기여하였다.

Fig. 3 Performance comparison of Case 1, 2, and 3.

3.2 Case 3의 PVT 성능

Case 1, 2, 3의 전체 비교를 통해 최적의 제어 방식인 Case 3의 PVT 성능을 분석하였다. 이는 PVT 시스템과 GSHP의 결합이 난방 성능 및 시스템 효율에 미치는 영향을 파악하기 위함이다. Fig. 4는 Case 3의 월별 PVT 집열량, 발전량, 및 집열효율을 나타내며, PVT 시스템의 연간 총 집열량은 14.54 MWh, 발전량은 7.28 MWh로 분석되었다. 총 집열량 중 5.01 MWh는 난방 시즌 동안 온실 난방에 사용되었고, 나머지 9.53 MWh는 비난방 시즌 동안 BTES에 축열 되었다. 또한, PVT에서 생산된 발전량 7.28 MWh는 GSHP의 연간 총 소비전력 19.99 MWh의 36.4%를 보완하여 전력 소비 절감에 기여하였다. 이러한 결과는 PVT 시스템이 난방 및 축열을 통해 GSHP의 난방 성능을 안정적으로 유지하고, 전기와 열에너지를 효율적으로 활용하여 전체 시스템의 에너지 효율을 극대화하는 데 기여함을 입증한다.

Fig. 4 Monthly PVT Thermal energy, Electric energy and Collector efficiency of Case 3.

3.3 Case 3의 CO₂ 절감량

Case 3의 PVT 시스템에서 생산된 집열량(열에너지)과 발전량(전기에너지)이 CO₂ 절감 효과에 미치는 영향을 분석하기 위해 CO₂ 절감량을 계산하였다. 이를 위해 신재생에너지로 생산된 열과 전기에너지의 온실가스 절감량을 평가하고자 기준 에너지원으로 열에너지는 우리나라 가정부문 전체 열에너지의 71%를 차지하는 도시가스를, 전기에너지는 일반 전력망에서 공급되는 전기를 선정하였다. 본 연구에서 사용된 CO₂ 절감량 계산식은 Park et al.⁽¹⁹⁾에서 제시한 방식을 기반으로 계산되었다.

Table 3은 ST, PV에서 생산된 열에너지 및 전기에너지로 인한 월별 CO₂ 절감량과 총 CO₂ 절감량을 나타낸다. ST의 연간 총 CO₂ 절감량은 2923.2 kg_CO₂, PV의 연간 총 CO₂ 절감량은 3521.5 kg_CO₂로 계산되었다. 태양열(ST)의 CO₂ 절감 효과는 태양광(PV)보다 약 1.2배 높은 것으로 나타났다. PVT의 연간 총 CO₂ 절감량은 6444.8 kg_CO₂로 이는 ST의 열에너지와 PV의 전기에너지를 합산한 결과이다. 이 수치는 중부지방에서 25년생 소나무 658그루가 1년 동안 흡수하는 CO₂의 양과 동일하다. 이러한 결과는 PVT 시스템이 태양열과 태양광의 장점을 결합하여 온실가스 절감에 있어 가장 효과적임을 보여준다.