태양열 계절 간 열저장․이용 기반 열 공급 모델 비교․분석 연구 (A Comparative Analysis of Heat Supplying Models with Seasonal Heat Storage for a Greenhouse)

서지정보

· 발행기관 : 대한설비공학회
· 수록지 정보 : 설비공학 논문집 / 35권 / 10호 / 505 ~ 518페이지
· 저자명 : 윤시원, 임용훈

초록

본 연구에서는 온실 난방공급에 대한 재생 열원 활용에 있어 태양열을 계절 간 저장하여 동절기 난방에 활용하는 대안 모델에 대한 기술적 타당성을 시뮬레이션 분석을 통해 고찰하였다. 잉여 태양열을 직접 축열 후 이용하는 Model I과 재생 열원 중 하나로 분류되는 지열을 이용하는 히트펌프와 연계한 지열 재생 활용 Model II 간 에너지 절감 성능 비교를 통해 향후 스마트 팜 시장 확대에 따른 적정 모델에 대한 비교 분석을 수행하였다. 당 시뮬레이션 분석을 통해 도출된 주요 결과를 정리하면 다음과 같다.
(1) 전통적인 보일러를 이용하는 현행 온실 난방공급 방식과 비교할 때 기준 온실 면적의 3%, 6%, 그리고 12%에 해당하는 태양열 패널 설치 규모에 따른 Model I의 에너지 절감효과는 각각 76.5%, 77.9%, 그리고 81.5%로 분석되었으며 태양열 패널 설치 규모가 일정 수준 이상 증가할 경우 에너지 절감효과 증가율을 감소세로 전환되는 특징을 갖는 것으로 분석되었다.
(2) 지열 히트펌프 열원 재생의 경우, 기준 방식 대비 지열 재생이 없는 경우의 에너지 절감효과는 78.4%, 온실 면적의 3%, 6%, 12%에 해당하는 경우의 지열 재생 효과는 각각 81.0%, 83.3%, 그리고 86.9%로써 잉여 태양열을 직접 활용하는 Model I보다 동일한 태양열 패널 규모 간 비교에 있어 에너지절감 성능이 더 우수한 것으로 분석되었다.
(3) 태양열을 직접 저장․이용하는 Model I의 경우에는 축열조의 열 손실 변수가 전체 성능에 큰 영향을 끼치고 있음을 확인할 수 있었으며, 따라서 기존 단기간, 순시 열저장․이용의 경우와 달리 축열조 단열 성능 개선을 위한 방안 수립이 중요함을 알 수 있었다.
(4) 지중 열저장을 통한 간접 활용모델인 Model II의 경우, Model I과 달리 1월 이후의 히트펌프 운영 성능 향상이 가능함을 알 수 있었으며 향후 태양열 이외의 열원, 특히 히트펌프 냉방 모드 운영시 발생하는 응축 부 폐열 등을 활용함으로써 스마트팜 보급 확대에 따른 잠재적 시장 경쟁에서 우위를 확보할 수 있을 것으로 전망된다.
본 연구를 통해 계절 간 열저장․이용 모델의 기술적 보급 타당성을 확인할 수 있었으며, 아울러 미래 기후변화 및 온난화에 대비한 시장 경쟁력을 갖추기 위해서는 당 분석에서 확인된 난방 부문에서의 높은 에너지 절감효과뿐 아니라, 냉방 수요 공급 측면에서의 전력수요관리를 통한 에너지 및 환경 편익에 관한 추가 연구가 시급할 것으로 판단된다.

영어초록

This study aimed to investigate the feasibility of employing solar energy for seasonal thermal storage and utilization in horticulture facilities. The implementation of geothermal heat pump systems in large-scale horticulture farms has encountered challenges due to the substantial investment costs and operational stability concerns related to heat source temperatures. To address these limitations, this study proposes the novel concept of seasonal thermal storage and utilization. By incorporating a suitably sized storage tank, the capacity requirements of costly energy generation facilities like heat pumps can be significantly reduced, ensuring more consistent annual operation. Nevertheless, the installation of solar collectors for seasonal thermal storage may present additional challenges due to lack of space to accommodate large collectors, particularly in urban areas where the cost of land is high. This study considered two variations of seasonal thermal storage and utilization models, and conducted a comprehensive analysis of their operational characteristics and energy utilization. Through simulations and comparative analyses using an in-house developed simulation tool, the optimal design variables are determined, and the detailed operational characteristics are evaluated. The findings of this study furnish technical evidence supporting the viability of seasonal thermal storage and utilization, offering substantial benefits that can be applied in horticulture facilities.

참고자료

· 없음