스마트팜에서 지열원과 수열원으로 구성된 복합열원 히트펌프 시스템의 에너지 성능 평가 연구 (A Study on Energy Performance Evaluation of Combined Heat Source Heat Pump System Consisting of Ground and Water Sources in Smart Farm)

서지정보

· 발행기관 : 대한설비공학회
· 수록지 정보 : 설비공학 논문집 / 33권 / 11호 / 608 ~ 618페이지
· 저자명 : 박시훈, 한혜린, 홍희기, 민준기

초록

본 연구는 수열원과 지열원 적용 비율에 따른 히트펌프 시스템의 상추 생육조건을 적용한 인공광형 스마트팜에서의 성능 비교를 진행하였으며, Case 별로 동적 열부하 시뮬레이션인 TRNSYS18로 구현하여 에너지소요량 및 COP로 성능 비교 분석한 결론은 다음과 같다.
(1) 복합열원 시스템에서 지열원 비율이 가장 높은 Case 2의 경우 냉방 시 5월 평균 COP는 5.23이며, 에너지소요량은 19.69 MWh이다. 이는 수열원 비율이 높은 Case 4의 COP 5.74, 에너지소요량 17.89 MWh 대비 COP는 9.75% 낮으며, 에너지소요량은 9.14% 높게 산출되었다. 또한 Case 2의 난방 시 12월 평균 COP는 2.37이며, 월평균 최소 에너지소요량은 34.66 MWh이다. 이는 수열원 비율이 높은 Case 4의 COP 2.27, 에너지소요량 36.30 MWh 대비 COP는 4.22% 높으며, 에너지소요량은 4.52% 낮게 산출되었다. 냉방 시는 수열원 히트펌프 적용 비율이 많은 Case의 순서대로, 난방 시에는 지열원 히트펌프 적용 비율이 많은 Case의 순서대로 COP는 큰 값이 에너지소요량은 작은 값이 산출되었다.
(2) 인공광형 스마트팜은 조명부하 과다로 인하여 겨울철에도 냉방을 해야하는 경우가 발생하며, 여름철 냉방부하량이 겨울철 난방부하량 대비 많아 지중 온도가 상승하는 것으로 나타났다. 따라서 수열원과 같은 다른 열원을 활용하여 하이브리드 방식의 시스템이나, 수열원 비율이 더 높은 복합열원 시스템을 적용하는 등의 지중 온도 상승을 억제하는 방식의 시스템을 구성해야 하는 것으로 분석된다.
(3) 시뮬레이션 결과에서는 Case 5에서 332.44 MWh로 가장 낮은 에너지소요량을 나타내지만, 실증의 경우 수열원은 겨울철에 하천의 결빙과 장비의 동파 방지로 인해 가동을 중단해야 경우가 발생한다. 또한, 스마트팜은 항온항습이 중요함으로 히트펌프를 지속적으로 가동해야 하며, 지열원의 지속성과 수열원 우수한 냉방 능력을 결합하여 시스템을 구성하는 것을 제시한다. 이에 따라, 여름철에는 수열원을 주 열원으로 사용하고 지열원을 보조열원으로 사용하거나 하고 겨울철엔 지열원만 활용하는 방식이나, 두 열원을 활용하여 하이브리드 시스템으로 사용하는 것을 권장한다.
(4) 추후 연구를 통하여 대상 건물의 부하 분석을 진행할 때 필요한 값과 제어방식을 입력하여 실증지와 더욱 유사하게 시뮬레이션을 진행하고자 한다. 또한 지중 온도 상승을 보완할 시스템을 구상하여 일반적인 시스템과 비교 분석을 통해 인공광형 스마트팜에 적합한 시스템을 제시하고자 한다.

영어초록

This study conducted an energy performance evaluation by applying a composite heat source heat pump system to artificial light-type smart farms, simulating a total of five cases (Cases 1 to Case 5) including a heat pump system with Ground heat source and Water heat source, respectively. In Case 2, the average COP in May for cooling was 5.23 and the energy consumption was 19.69 MWh. This resulted in a 9.75% lower COP compared to Case 4 and a 9.14% higher energy requirement. In Case 2, the average December COP for heating was 2.37 and the monthly average minimum energy consumption was 34.66 MWh. This resulted in a 4.22% higher COP compared to Case 4 and a 4.52% lower energy requirement. Artificial light-type smart farms require cooling even in winter due to lighting loads. Underground temperature rises due to their relatively high cooling loads compared to heating loads. Therefore, it is necessary to construct a system in a way that can suppress the increase in underground temperature.

참고자료

· 없음