Heating Performance Analysis of the Heat Pump System for Agricultural Facilities using the Waste Heat of the Thermal Power Plant as Heat Source
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(2) 강연구 · 강석원 · 백이 · 김영화 · 장재경 · 유영선. 용할 수 있는 하이브리드형 히트펌프 난방시스템을 개발, 동양란 재배 온실에 적용하여 난방성능을 검토한 바 있으 며, Kwon 등(2016)은 유리온실에 적합한 고효율 난방패키 지기술 개발을 위하여 지하수열원 히트펌프, 유리온실용 알루미늄 다겹보온커튼, 양액재배 배지 국소난방장치를 조 합하여 파프리카 재배 벤로형 온실에 적용, 대조 온실과 에너지소비량, 작물생육 등을 비교한 바 있다. 그러나 공장이나 발전소 등에서 발생하는 폐열을 농업 적으로 활용하여 난방비용을 절감하는 연구는 많지 않으 며, 특히 온배수와 같은 양이 풍부한 자원에 대해서의 연구는 많지 않다. 국내 발전소 온배수의 연간 배출량은 563억 5,400만 톤에 달하며, 2014년 1억 9,449만 톤(전 체 0.35%)의 온배수가 활용되었고, 전체 온배수를 열에 너지로 사용하면 매년 4,300만 톤의 석유 대체 효과가 있을 것이라고 추정되고 있다(MOTIE, 2015). 폐열 특히 온배수와 관련한 연구는 다양하나, 수산업 과 생태 환경 분야에 초점이 맞춰져 있으며(Ahn, 2014; Hwang과 Kim, 2011; Jeong, 2015; Maeng 등, 2015), 에너지 관점의 접근의 경우 Jeong(2012)은 2010년 말 기준 국내 화력발전소 냉각수를 통해 배출되는 미활용 열에너지의 규모를 평가하였으며, 석탄 화력발전소 냉각 수 열에너지를 시설원예 난방용으로 활용하는 사업에 대 한 타당성을 분석하였다. Ryou 등(2012)은 화력발전소 온배수를 열원으로 이용하는 시설원예용 히트펌프 시스 템의 열교환기에 대한 설계 기준을 현장실증연구를 통하 여 설정한 바 있다. Lee(2016)는 효율이 좋을 것으로 판 단되는 발전소 온배수와 소각시설 열원을 선정하여 에너 지 패턴과 경제성을 분석하고, 각 산업폐열원을 이용하 는 대규모 시설원예 단지용 난방시스템의 실질적 적용 가능성을 평가하였다. 온배수 이외의 폐열에 대해서는 Lee 등(2011)은 포항철 강산업단지에서 발생하는 폐열의 잠재성이 높은 에너지 교환망을 제시하고 경제성을 평가하였으며, 산업통상자원 부에서는 열지도추진단을 구성하여 국가 열지도(Korea Heat Map)를 작성하기로 하였다(http://www.sisaweek.com/ news, 2015).. 설계는 Ryou 등(2012)의 보고와 같으며, 제주특별자치도 에서 서귀포 소재의 남제주 화력 발전소 인근에 조성한 아열대작물(망고) 재배온실을 활용하였다. 실험 온실의 면적은 5,280m2이었으며, 120 RT(Refrigeration ton, 냉 동톤)를 30, 40, 50 RT의 3대로 제작하였다. Fig. 1은 실험온실과 화력발전소의 위성사진이며, 그림 내 사각으 로 표시된 것이 화력발전소이고 원으로 표시된 것이 실 험 온실이다. 화력 발전소 폐열 이용 농업시설용 히트펌프시스템은 폐열 회수용 열교환기(Fig. 2), 이송 관로(Fig. 4), 히트 펌프(Fig. 5), 축열탱크(Fig. 6), 팬코일 유니트(Fig. 7)로. Fig. 1. The satellite photo of thermal power plant and the greenhouse in Seogwipo city, Jeju.. 본 연구에서는 전체 0.35%만 활용되고 바다로 배출 되는 화력발전소의 온배수(폐열)를 열원으로 이용하여 온실을 난방하는 히트펌프 시스템의 난방 성능과 유 류 난방 대비 난방에너지 비용 절감 효과 등을 분석 하였다.. 재료 및 방법 1. 실험 장치 및 방법 화력 발전소 폐열 이용 농업시설용 히트펌프시스템의 318. Fig 2. Photo of roll type PE pipe heat exchangers for absorbing heat from hot waste water. Protected Horticulture and Plant Factory, Vol. 26, No. 4, 2017.
(3) 발전소 폐열을 이용한 농업시설용 히트펌프시스템의 난방 성능 분석. Fig. 6. Photo of heat storage tank. Fig 3. Photo of discharging pit of hot waste water.. Fig. 7. Photo of fan coil units. Fig. 4. Pipe arrangement photo to transport the hot waste water.. Fig. 5. Photo of heat pump system(30 RT) and measuring apparatus.. 구성하였다. 폐열 회수용 열교환기는 히트펌프 용량을 30 RT로 하여 Roll 타입으로 제작하였고, 열교환기의 소 재는 저렴한 비용과 함께 온배수가 바닷물이기 때문에 부식을 방지함으로써 내구성을 확보하기 위하기 PE 소 시설원예·식물공장, 제26권 제4호 2017년. 재로 하였다. 파이프 내경은 20mm, 두께는 2mm, Roll 당 직경과 길이는 각각 1m, 100m로 하였다. 총 30개의 Roll을 온배수가 흐르는 지하 피트(Fig. 3)에 설치하였다. Fig. 8은 화력 발전소 폐열 이용 농업시설용 히트펌프 시스템의 개략도를 보여준다. 온배수가 흐르는 지하 피 트에 설치된 폐열 회수용 열교환기는 온배수로부터 열을 흡수하고, 열교환기 내부에 흐르는 물은 수송 관로(Fig. 4)를 통하여 이송된다. 수송 관로에 의해 이송된 온배수 로부터 열을 흡수한 물은 히트펌프의 열원으로 작용하고, 다시 순환하여 지하 피트에 있는 폐열 회수용 열교환기 에서 온배수로부터 열을 흡수한다. 히트펌프는 온배수의 열을 이용하여 난방수를 생산하고, 이를 축열탱크에 저 장하였다가 온실내부에 설치된 팬 코일유니트를 통해 온 풍을 만들어 온실을 난방하는 시스템이다. Fig. 8에서 보는 바와 같이 그림 내 T.C.(Thermocouples) 로 표현된 온도센서(T type, Daehyeon Tech, Korea)를 증 발기(Evaporator)와 응축기(Condenser)의 입출구에 설치 하여 물 온도를 측정하였으며, 온도값은 데이터로거 (MV200, Yokogawa, Japan)로 수집하였다. 또한 증발기 319.
(4) 강연구 · 강석원 · 백이 · 김영화 · 장재경 · 유영선. Fig. 8. A schematic diagram and sensing points of the heat pump system using hot waste water of the power plant as heat source.. 비전력(kW), m· w : 열매체(물)의 질량유량(kg·s-1), Cw: 물 의 비열(kJ·kg-1·oC-1), Tc.in, Tc.out: 열매체의 응축기 입출구 온도(oC) 또한 2010년 10월에서 다음 해 2월까지 약 5개월간 난방을 실시하여 화력발전소 폐열 이용 히트펌프 시스템 의 난방에너지 비용절감효과를 분석하였다.. 결과 및 고찰. Fig. 9. Variation of evaporator and condenser inlet/outlet water temperature during heating operation.. 입구와 응축기 출구에 유량계(PT 860, Panametrics, USA & EF-501, Seoyong Engineering Co., Korea)를 설치하였으며, 전력량계(CW240, Yokogawa, Japan)를 이 용하여 히트펌프의 소비전력을 측정하였다. 응축기의 입출구 물 온도, 유량, 소비전력과 식(1)을 이 용하여 히트펌프의 난방열량과 난방성능계수 산출하였다. m· w × Cw × ( Tc.out – Tc.in ) q COPH = -----H = ----------------------------------------------------Pe Pe. (1). 여기서, COPH:난방성능 계수, qH: 난방열량(kW), Pe: 소 320. 1. 난방운전시 히트펌프 시스템의 증발기 및 응축기 입출구 열매체 온도 변화 Fig. 9는 폐열 회수용 열교환기(롤 타입 PE 파이프 열 교환기) 길이를 최적상태인 2,300 m(1RT 당 75 m, Ryou 등, 2012)로 유지한 상태에서 증발기와 응축기의 입출구 열매체(물) 온도를 보여준다. 이때 온실에 설치된 팬코일 유니트는 가동하지 않은 상태이며, 축열탱크 내 열매체 는 응축기에 유입되어 가열된 후 다시 축열탱크로 이동 하도록 하였다. 난방성능시험을 수행하는 동안 증발기 입구 즉, 온배 수와 열교환한 열매체(물)의 온도는 32oC에서 26oC까지 변화하였고, 증발기 출구의 온도는 19.5oC에서 15oC까지 변화하여 평균 17oC의 온도차를 보였다. 축열탱크의 온 도인 응축기 입구 온도는 실험초기 15oC에서 직선적으 로 상승하여 12시간이 경과한 후에는 50oC까지 높아졌 Protected Horticulture and Plant Factory, Vol. 26, No. 4, 2017.
(5) 발전소 폐열을 이용한 농업시설용 히트펌프시스템의 난방 성능 분석. 다. 축열탱크의 온도가 상승하면서 응축기 입출구 온도 차가 미세하게 작아지는데, 이는 축열탱크 내 열매체의 온도가 상승하면서 히트펌프의 응축기 내 냉매와의 열전 달량이 감소하기 때문인 것으로 판단된다. 2. 히트펌프의 가동시간에 따른 전력소모량, 증발기 흡수열량, 응축기 토출열량 변화 Fig. 10은 히트펌프의 전력소모량, 증발기에서의 흡수 열량과 응축기의 토출열량의 변화를 보여준다. Fig. 10 에서 보는 바와 같이 축열탱크 내 열매체 온도가 낮은 실험 초기에는 증발기의 흡수열량이 175kW이였으나, 시 간이 경과할수록 흡수열량은 점점 감소하여 12시간 경 과 후에는 120kW까지 약 55kW 감소하였다. 또한 응축 기 토출열량은 실험초기 200kW에서 160kW까지 약 40kW 감소하는 것으로 나타났다. 이때 히트펌프 시스템 의 전력소모량 30kW에서 42kW까지 증가하였다. 이는 실험 초기에는 Fig. 9에서 보는 바와 같이 축열탱크 내 열매체의 온도가 높지 않아 응축기의 토출열량이 높은 반면 축열탱크 내 열매체의 온도가 높아지면서 열전달량 이 감소하며, 이에 따라 증발기에서도 흡수열량이 감소 하기 때문인 것으로 판단된다. 3. 응축기의 열매체 입구온도가 난방성능계수에 미치는 영향 Fig. 11은 응축기 입구에서의 열매체 온도에 따른 난 방성능계수를 보여준다. Fig. 11에서 보는 바와 같이 초 기에는 응축기 입구의 열매체 온도는 15oC이였으며, 이 때 난방성능계수는 7.0을 상회하였다. 열매체 입구온도 가 30oC인 경우에는 난방성능계수가 5.0 수준으로 떨어 졌고, 40oC에서는 4.0 수준이었다. 하지만 40oC 이상에 서는 성능계수가 4.0 이하로 감소하였다. 축열탱크 내 열매체의 온도가 상승할수록, 즉 Fig. 10에서 보는 바와. 같이 시간이 지남에 따라 응축기 토출열량은 감소하는 반면 히트펌프의 소비전력은 증가하기 때문이며, 높은 성능계수를 유지하면서 히트펌프를 운전하기 위해서는 온실 난방에 지장을 주지 않는 상태에서 축열탱크 내 열매체의 온도를 낮게 유지되도록 조절해야 할 것으로 판단된다. 4. 경유난방 대비 히트펌프 시스템의 난방에너지 비용 절감효과 분석 화력발전소 폐열 이용 히트펌프 시스템의 난방에너지 비용절감효과를 분석하기 위하여 약 5개월간 제주특별자 치도 서귀포시 안덕면 소재의 온실에서 현장실증시험을 실시하였다. 시험 기간 동안 면세경유가격은 평균 1,000 원/L이였고, 히트펌프 시스템은 농업용 전기(병)를 사용하 였다. Table 1에서 보는 바와 같이 5개월의 난방기간 동 안 히트펌프 시스템이 사용한 전력량은 총 226,641kWh 이였으며, 같은 기간 동안에 납부한 전력요금 총액은 9,975천 원이었다. 전력사용량을 기준으로 경유난방기를 사용하여 난방을 하는 경우의 경유소요량은 산정하면 76,013L이며, 이를 경유구입비용으로 환산하면 76,013천 원이었다(경유난방기의 열이용 효율 : 85%, 경유발열량 : 10.52kWh/L로 계산). 따라서 면세경유 대비 난방에너지 비용 절감효과는 87%이였다. 또한 발전소의 폐열을 난방. Fig. 11. Variation of COP(Coefficient Of Performance) by inlet water temperature of condenser.. Table 1. Energy cost saving effect of the heat pump system compared to a hot air heater.. Fig. 10. Variation of power consumption, heat release of condenser and heat absorption of evaporator during heating operation. 시설원예·식물공장, 제26권 제4호 2017년. Items. Energy consumption. Energy cost Energy cost (103 KRW) saving ratio (%). Heat pump. 226,641 kWh. 9,975. 13. Hot air heater (diesel). 76,013 L. 76,013. 100. 321.
(6) 강연구 · 강석원 · 백이 · 김영화 · 장재경 · 유영선. 에너지원으로 재활용함으로서 62%의 이산화탄소 배출 저 감 효과가 있는 것으로 분석되었다(http://co2.kemco.or.kr/ directory/toe.asp).. 적. 요. 쓰레기 소각장이나 산업체의 폐열을 농업에 활용한 사 례는 몇몇 있었다. 그러나 온배수를 농업에 활용한 사례 는 전무하였으며, 치어, 종패 등을 양식하는 수산업이 대부분이었다. 본 연구에서는 화력발전소의 온배수(폐열)를 열원으로 이용하는 120 RT 규모의 냉난방시스템을 제주특별자치도 서귀포시 안덕면 소재의 5,280m2 아열대 작물(망고) 재배 온실에 설치, 10월에서 다음해 2월까지 약 5개월 동안 난 방을 실시하여 난방에너지 비용 절감 효과 등 분석하였다. 난방에너지 비용 절감효과는 면세경유에 대하여 87%이였 으며, 또한 발전소의 온배수를 에너지원으로 재활용함으로 서 62%의 이산화탄소 배출 저감 효과를 얻었다. 본 연구를 계기로 2015년에 해수가 수열에너지 분야로 재생에너지에 포함되었다. 해수의 표층의 열을 히트펌프 를 사용하여 변환시켜 얻은 에너지라는 수열에너지 분야 의 기준과 범위를 볼 때, 이는 온배수가 재생에너지에 포함되었다고 말해도 과언이 아닐 것으로 사료된다. 그 이유는 온배수도 해수임에도 불구하고 온도가 일반 해수 보다 7~8oC 높아, 일반 해수를 히트펌프의 열원으로 이 용하는 것보다 온배수를 열원으로 이용했을 때 히트펌프 의 성능이 높기 때문이다. 또한 같은 해 농식품부의 폐 열 재이용 시설 지원 사업이 발표되어, 발전소 온배수뿐 만 아니라 산업체와 소각장의 폐열을 농업에 활용하면 지원을 받을 수 있게 되었다. 이 사업에 의하여 2015년 당진시, 하동군, 제주시, 곡성 군이 선정되었으며, 2016년 태안군, 서귀포시 등이 선정되 어, 2016년 말 곡성군과 제주시가 공사를 완료, 농업에 폐 열을 활용하고 있으며(제주시는 발전소, 곡성군은 산업체 폐열을 이용하고 있음), 기타 지역은 추진 중이다. 추가 주제어 : 온실, 난방, 이산화탄소, 응축기, 증발기. 사. 사. 본 연구는 농촌진흥청 연구개발사업(과제번호:PJ007432 와 PJ010964)의 지원에 의해 이루어진 것임.. Literature Cited Ahn, J.S., S.W. Kim, M.H. Park, J.D. Hwang, and J.W. Lim. 322. 2014. Seasonal variation of thermal effluents dispersion from Kori nuclear power plant derived form satellite data. Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies 17(4):52-68 (in Korean). http://www.sisaweek.com/news/articleView.html?idxno= 46987 (in Korean). http://co2.kemco.or.kr/directory/toe.asp. 2011. Oil conversion tons calculated. Korea energy agency (in Korean). Hwang, I.T., and D.H. Kim. 2011. Near field hydrodynamic analysis of the submerged thermal discharge using CFD model. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers 23(6):466-473 (in Korean). Jeon, J.G., D.G. Lee, Y. Peak, and H.K. Kim. 2015. Study on heating performance of hybrid heat pump system using geothermal source and solar heat for protected horticulture. J. of the Korean Solar Energy Society 35(5):49-56 (in Korean). Jeong, J.C, 2015, The comparison of thermal infrared satellite observation for plume assessment of thermal discharge, Journal of environmental impact assessment 24(4):367-374 (in Korean). Jeong, J.H., 2012, A feasibility analysis on the thermal energy utilization of power plants cooling water for greenhouse heating. MD Diss., Korea Univ. (in Korean). Kang, Y.K., Y.S. Ryou, G.C. Kang, Y. Paek, and Y.J. Kim. 2007. Heating performance of horizontal geothermal heat pump system for protected horticulture. J. of Biosystems Eng. 32(1):30-36 (in Korean). Kang, Y.K., Y.S. Ryou, J.G. Kim, Y.H. Kim, and J.K. Jang. 2013. Analysis on Cooling Effects of the Vertical Type Geothermal Heat Pump System Installed in a Greenhouse for Raising Seedling. Protected horticulture and plant factory 22(1):19-25 (in Korean). Kwon, J.K., G.H. Kang, J.P. Moon, Y.K. Kang, C.K. Kim, and S.J. Lee. 2013. Performance Improvement of an Air Source Heat Pump by Storage of Surplus Solar Energy in Greenhouse. Protected Horticulture and Plant Factory 22(4):328334 (in Korean). Kwon, J.K., J.G. Jeon, S.H. Kim, and H.G. Kim. 2016. Application Effect of Heating Energy Saving Package on Venlo Type Glasshouse of Paprika Cultivation. Protected Horticulture and Plant Factory 25(4):225-231 (in Korean). Lee, G. G., I. G. Jung, and H. D. Chun. 2011. An Analysis on the Construction of Energy Exchange Network to Recover Waste Heat Energy in Pohang Steel Industrial Complex. Clean technology 17(4):406-411 (in Korean). Lee, J. H. 2016. Energetic and economic feasibility analysis of utilizing waste heat from power plant and incineration facility for large-scale horticulture facilities. MD Diss., Hanbat Univ. (in Korean). Maeng, J.H., K.Y. Kim, Y.R. Kim, M.B. Shon, J.H. Kim and M.H. Son. 2015. Difference in macrobenthic community structure at thermal effluent discharge areas of two nuclear Protected Horticulture and Plant Factory, Vol. 26, No. 4, 2017.
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수치
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