충적대수층 계간축열 냉난방 시스템의 온실 난방 효과
Effects of the Cooling and Heating System with Seasonal Thermal Storage in Alluvial Aquifer on Greenhouse Heating
문종필
*,†･ 강금춘
*･ 김형권
*･ 이태석
*･ 오성식
*･ 진병옥
*Moon, Jong Pil ･ Kang, Geum Choon ･ Kim, Hyung Gweon ･ Lee, Tae Seok ･ Oh, Sung Sik ･ Jin, Byung Ok
Abstract
In this study, a cold well and a warm one with the distance of 100 m were installed in the alluvial aquifer. Groundwater used as the heat and the cold source of heat pump was designed to flow into the warm and the cold well with a diameter of 200 mm. In order to increase the heat and cold storage in aquifer, six auxiliary wells with the diameter of 50 mm and the depth of 30 m were installed at an interval of 5 m from the main well. Also, heat pump 50 RT, the thermal tank 40 m3, and a remote control and monitoring system were installed in three single-span greenhouses (2,100 m2) for growing tomato in Buyeo, Chungcheongnam-do. According to the aquifer heat storage test which had been conducted from Aug. 31 to Sep. 22, 2016, warm water of 850 m3 was found to flow into warm well. The temperature of the injected water was 30 ℃ (intake temperature : 15 ℃), and the heat of 12.8 Gcal was stored. The greenhouse heating test in winter had been conducted from Nov. 21, 2016 to Apr. 30, 2017. On Nov. 21, 2016 when heating greenhouse started, the aquifer temperature of the warm well was 18.5 ℃. The COP for heating with water source at 18.5 ℃ was 3.8. The intake water temperature of warm well was gradually lowered to the temperature of 15 ℃ on Jan. 2, 2017 and the heat pump COP was measured to be 3.2 at that time. As a result, the heat pump COP was improved by 18 %. and retrieval heat was 8 Gcal, the retrieval rate of heat stored in aquifer was estimated at 63 %.
Keywords: Alluvial aquifer, Greenhouse cooling and heating, Seasonal thermal storage
*
National Institute of Agriculture Science
† Corresponding author
Tel.: +81-63-238-4084 Fax: +81-63-238-4078 E-mail: [email protected]
Received: October 19, 2017 Revised: October 27, 2017 Accepted: October 30, 2017
Ⅰ. 서 론
기후변화에 의한 지구온난화에 대응하기 위하여 2050년 까지 세계 기후변화에 의한 온도상승을 2 ℃이내로 줄이기 위해서는 2030년 우리나라 온실가스 감축목표를 배출전망치 대비 37 % 감축하여야 하며, 특히 농림･어업 부분에서 경종, 축산의 배출원관리 등을 통해서 5.2 % 감축하여야 한다. 시설 원예분야에서 온실면적은 2013년 현재 51,058 ha이고, 난방 온실은 13,980 ha로서 전체면적의 27 %를 차지하고 있으며 난방시설 중 유류온풍기가 80~90 %를 차지하고 있다. 또한 시설농업의 생산비중 난방비용이 30~50 %를 차지하고 있어 화석연료를 사용하는 유류난방을 줄여 온실가스를 줄이고 난 방비용을 절감하기 위한 에너지 절감기술 개발이 절실히 요 구되고 있는 실정이다 (Ryou et al., 2008).
네덜란드는 충적대수층이 전국토에 발달되어 지하수를 지 열에너지로 많이 이용하고 있으며, 현재 2,500여개의 대수층
축열냉난방 (ATES)시스템이 설치되어 있고 ATES 기술을 상 업화하여 미국과 유렵, 아시아 등에 수출하고 있다 (Sommer et al., 2015). 네덜란드의 암스테르담 지역에는 투수성이 커 서 대용량의 지하수 취수 및 함양이 가능한 충적대수층이 존 재하고 있어 이를 활용한 ATES 냉난방시스템이 다수 설치되 어 있다 (Sauty, 2015). 네덜란드 이외에 벨기에 브루셀 (Anibas et al., 2016), 스웨덴 스톡홀룸 Arlanda 공항 (Gehlin and Andersson, 2016), 노르웨이 Gardermoen공항의 빙하성 퇴 적층 (Midttømme et al., 2008)에 설치된 사례가 있다.
우리나라의 경우에도 충적대수층이 많이 발달되어 있어 열원량이 풍부하고 대규모의 원예시설단지가 이러한 지역에 조성되어 있어 농업적으로 활용가치가 매우 높다. 그러나 지 하수를 사용함에 있어서 제도적인 제한이 많으므로 충적지하 수를 이용한 에너지 이용 기술표준화 및 평가기준 등이 정립 되어 있지 못하다. 미국이나 유럽 등 선진외국에 비하여 활용 도가 현저하게 떨어지고 충적지하수 활용 및 축열기술은 낮 은 수준인 채로 머물러 있는 실정이다. 그러므로 이러한 문제 를 극복하고 기후변화에 대응하기 위한 온실가스 감축이행을 실현하기 위해서라도 충적대수층을 활용한 신재생에너지 이 용 및 에너지 이용 최적화 기술 개발이 필요하다 (Hwang et al., 2006; Kim et al., 2010; Lee et al., 2004; Moon et al., 2011).
충적대수층은 보온성과 단열성이 매우 양호한 매체로서
Fig. 1 Systematic drawing for site application of greenhouse cooling and heating system using seasonal thermal storage in alluvial aquifer
(a) Single injection well (b) Multy injection well Fig. 2 Improved geothermal water injection method for injection volume expansion
지표 하 5~20 m 하부에 부존된 천부 (얕은)지하수층으로서 연평균 수온이 14.0 ℃ 정도로 항온대를 유지하고 있다. 그러므로 본 연구에서는 시설원예재배지역이 대부분 충적층에 위치하 고 있고, 대수층이 잘 발달되어 있어 지하수를 함양하는데 매우 유리한 점을 이용하고자 한다. 하절기에 생성되는 온열을 지하 수층에 저장하였다가 동절기에 난방용으로 사용하고 동절기 에 생성되는 냉열를 지하수층에 저장하여 하절기에 냉방용으 로 사용하므로써 계절에 따라 발생되는 에너지 불균형을 해소 하고자 한다. 또한 축열 및 축냉 용량에 대한 한계를 극복하여 원예작물의 주년생산에 필요한 냉난방에너지를 효율적으로 절감하고 기후변화에 대응할 수 있는 기술을 개발하고자 한다.
Ⅱ. 재료 및 방법
1. 충적대수층 계간축열 온실냉난방시스템 기본설계 및 지하부 개선
충적대수층 계간축열 온실냉난방 시스템은 충적지하수를
열원으로 하는 수열원 히트펌프 시스템으로서 Fig. 1은 전체 적인 계통도를 나타낸 것이다. 하절기에는 히트펌프에서 생 성되는 온배수를 온수정을 통해 충적대수층에 저장하였다가 동절기 온실난방에 사용하여 히트펌프의 난방효율을 향상시 키고 동절기에는 히트펌프에서 생성되는 냉배수를 냉수정을 통해 충적대수층에 저장하였다가 하절기 온실냉방에 사용하 여 히트펌프 냉방효율을 향상시키는 시스템이다. 이 시스템 은 투웰방식의 개방형 지열시스템을 개선하여 지하수층 주입 량을 더욱 증대시킨 시스템으로서 우리나라와 같이 사계절이 뚜렷하여 하절기와 동절기에 발생되는 에너지 불균형을 해소 하고 에너지 이용 효율을 고도화 시킨 시스템이라고 평가할 수 있다.
투웰방식의 개방형 지열시스템은 양수정 및 함양정 (주입 정)이 일대일 대응으로 되어 있고 열간섭을 피하기 위해 50 m 이상의 이격거리를 필요로 한다. 또한 열원수로 사용된 지열 수를 다시 대수층에 주입하는데 일정한 압력을 가하여야 한 다. 그렇지 않으면 주입 후 일정시간이 경과되어 Fig. 2 (a)와 같이 주입수가 지표면으로 배출되는 블리딩 현상이 일어나게
Table 1 Heat pump heat capacity on both a load and a underground side
Heat pump model(Refrigerant) Quantity
Heat capacity and consumption power
Load side (kW) Underground side (kW) Consumption Power (kW)
Heating Cooling Heating Cooling Heating Cooling
AHP-SLX31WG (R410) 1 133.8 113.8 100.3 140.0 33.5 26.2
Total 2 267.6 227.6 200.6 280.0 67.0 52.4
Table 2 Designed circulation flow rate and water temp. of load and underground side to the heat pump
Design itemHeat storage (load) Underground
EWT (℃)
(inlet) LWT (℃)
(outlet) Flow rate
(lpm) EWT (℃)
(inlet) LWT (℃)
(outlet) Flow rate
(lpm)
Heating 44.2 50.0 660.0 15.0 4.7 280.0
Cooling 12.0 7.1 660.0 15.0 31.1 250.0
되므로 주입시키는데 많은 어려움이 있다 (Lim et al., 2009;
Palmer et al., 1992). 이를 개선하기 위해 Fig. 2 (b)와 같이 다 중소형 지열수 주입장치인 다중관정 주입정방식을 채택하였 다. 이 방식은 기존의 대구경인 일대일 방식의 투웰방식을 여 러 개의 소구경 주입정으로 개발함으로서 잉여 주입수를 보 다 효율적으로 주입할 수 있고, 주입량을 증대할 수 있는 방식 이다.
2. 충적대수층 계간축열 온실냉난방시스템 설계 및 현장설치
가. 충적대수층 계간축열 온실냉난방시스템 설계
충적대수층에 대한 지질조사 및 재배시설에 대한 최적의 대상지역을 조사한 결과 충청남도 금강유역 충적대수층 지반 에 위치한 부여 토마토 재배농가 단동온실 3동 (2,100 m2)을 시험농가로 선정하였다.
1) 최대난방부하 산정
온실 3동에 대한 최대난방부하량을 산정하기 위해 우선적 으로 온실 1동에 대한 최대난방부하량을 산정하였다. 농촌진 흥청에서 발행된 시설원예 에너지 절감 가이드북 (RDA, 2008) 과 농업시설공학 (Kim et al., 2000)에서 제시하는 계산식에 의해 산정하였으며. 1 동의 온실면적은 675 m2, PE필름 삼중 피복을 적용하였다. 설계외기온은 부여 지방의 20년 빈도 설 계기온인 -14 ℃ (RDA, 2009)를 적용하였고 온실내부 설정 온도는 야간의 토마토 재배적온인 15.0 ℃를 적용하였다. 그 결과 온실 1동에 대한 최대난방부하량은 62,274 kcal/h로 산 정되었으며 온실 3동에 대한 최대난방부하량은 약 187,000 kcal/h 로서 USRT (3,000 kcal/h)를 적용하여 62 RT로 산정 되었다. 히트펌프 설치용량은 시험을 위해 최대난방부하의
80 %인 50 RT로 결정을 하였다. 또한 현장에 설치될 히트펌 프의 기본사양은 Table 1과 같으며, Table 2는 냉난방시 지중 에서 히트펌프 열교환기로 유입되어 배수되는 지하수의 입출 구 온도와 공급 유량, 축열 (냉)을 위해 축열조에서 히트펌프 열교환기로 순환하는 축열수의 입출구 온도와 순환유량의 설 계값을 제시하고 있다. 설치규모 및 작물재배 등을 고려하여 최대난방부하를 설계의 기준으로 결정하고 시스템설계를 실 시하였으며 냉방부하는 Table 1에서 제시하는 히트펌프 용 량을 고려하여 설계하였다.
2) 유량 설계
가) 온수정 공급 유량
히트펌프가 축열조 물을 가온할 때 Table 1과 같이 지중측 (Underground) 온수정으로부터 열원수인 지하수가 온도 15.0
℃ (EWT)로 히트펌프에 공급된다. 이때 지중측 열교환기의 필요 열량인 172,516 kcal/h (200.6 kW × 860 kcal/h)를 전달 하고 배출되는 지하수의 온도가 4.7 ℃ (LWT)가 되어 얼지 않 은 상태로 냉수정에 주입되도록 유량을 설계하였다. 산정방 법은 172,516 kcal/h를 히트펌프 입출구 온도차 10.3 ℃와 60 분으로 나누면 280 kcal/min･℃가 되며 이를 물의 비열 1 kcal/kg･℃와 물의 단위중량인 1 kg/L로 나누어 공급유량을 280 L/min로 설계하였고 그 결과는 Table 2와 같다.
나) 냉수정 공급 유량
온수정 공급수량을 결정할 때와 같은 방법으로 히트펌프 가 축열조 물을 냉각할 때 Table 1과 같이 지중측에서 공급되 는 지하수의 온도는 15.0 ℃이다. 냉수정으로부터 히트펌프 에 공급되어 지중측 방열 열량인 240,800 kcal/h (280 kW × 860 kcal/h)를 흡수하고 배출수의 온도가 31.1 ℃가 되어 온수 정에 주입되도록 설계하였다. 지하수층에 온수를 저장하기
Fig. 3 Geothermal well installation plan
Fig. 4 Map for a cold well, a warm well and secondary injection wells
전 지하수층 온도와 확연히 구분이 되고 주입에 유리하도록냉수정 공급유량을 250 L/min로 설계하였으며 그 결과는 Table 2와 같다.
다) 축열(냉) 순환 유량
축열 및 축냉을 위한 순환유량은 히트펌프의 냉방용량과 난방용량 중 큰 용량을 선택하여 산정하였으며, Table 1의 난 방시 히트펌프 용량 267.6 kW를 흡수하여 44.2 ℃의 물이 히 트펌프를 통과하여 50.0 ℃의 물이 되어 축열될 수 있도록 유 량을 산정한 결과 660 L/min으로 설계하였으며 그 결과는 Table 2와 같다.
3) 축열조 용량 산정
축열조의 용량 산정은 축열수 이용 온도를 35.0 ℃에서 50.0
℃까지 15.0 ℃를 이용할 수 있는 것으로 산정하였다. 15.0 ℃ 의 온도차이에 40,000 L (kg)의 물용량에 비열 1 kcal/kg･℃
를 곱하여 저장가능한 축열조의 열량은 600 Mcal로 계산되 었다. 저녁 6시부터 다음날 오전 8시까지 14시간을 난방한다 고 가정하면 시간당 축열조의 열량 42,857 kcal/h (14RT)를
사용할 수 있어 50 RT의 히트펌프와 동시에 가동된다면 64 RT를 공급할 수 있는 용량으로서 최대난방부하인 62 RT에 충분히 대응할 수 있도록 40 m3으로 결정하였다.
나. 충적대수층 계간축열 온실냉난방 시스템 현장설치 충적대수층 온실냉난방 시스템의 지하부 구성에 대한 기본 개념도는 Fig. 3과 같으며 현장적용시험을 위한 시험농가에 Fig. 4와 같이 설치하였다. 지하부의 구성은 온수정 (관경 200 mm), 냉수정 (관경 200 mm) 및 보조주입관정 12정 (관경 50 mm)을 30 m 깊이로 구축하였다. 또한 취수정과 주입정의 역 할이 하절기와 동절기에 상호 교체되어 온실냉난방시스템에 열원수인 지하수를 공급할 수 있도록 수중펌프를 온수정과 냉수정에 모두 설치하였다. 온수정 (P/IW1) 및 보조주입관정 (IW1~6)이 설치된 지층 단면도는 Fig. 5 (a)와 같으며 대수층 은 지하 15 m에서 18.5 m 사이에 위치하였다. 냉수정 (P/IW2) 및 보조주입관정 (IW7~12)이 설치된 지층 단면도는 Fig. 5 (b)와 같았으며 대수층은 지하 15 m에서 20 m 사이에 위치하 였다.
온수정과 냉수정에 대한 양수시험을 실시하여 안전취수량
(a) Borehole information for a warm well and secondary injection
wells (b) Borehole information for a cold well and secondary injection
wells
Fig. 5 Geological columnar map for a warm well, a cold well and injection wells
(a) Thermal tank (b) Heat pump (c) Plumbing and pumps (d) Remote control and monitoring Fig. 6 Installation completion of greenhouse cooling and heating system using seasonal thermal storage in alluvial aquifer
Table 3 Greenhouse cooling conditions and test periods for storing heat to alluvial aquifer
Period Set temp. (℃)
Thermal stortage temp. (℃) Side-window open/closure
Day time Night time
8.31~9.3 30.0 23.0 13~15 open
9.4~9.8 32.0 24.0 13~15 open
9.9~9.22 30.0 24.0 13~15 open
을 산출한 결과. 온수정, 양수정 모두 400 m3/day 로 산출되어 온수정과 냉수정의 설계 유량에 근접한 것으로 나타났다.
지상부 부분인 히트펌프 50 RT, 축열조 40 m3, 기계실 배 관, 원격 제어 및 모니터링 시스템을 Fig. 6과 같이 현장에 설 치하였다.
충적대수층 계간축열 온실냉난방 시스템의 지상부 및 지 하부를 모두 설치하고 시운전을 실시하여 냉수정과 온수정의 공급수량에 따른 히트펌프 입출구 온도차를 측정하여 현장에 서의 실제 공급수량을 결정하였다. 시운전 결과 냉수정은 310 m3/day의 공급수량에서 히트펌프 입출구 온도차 15.0 ℃, 온 수정은 380 m3/day의 공급수량에서 히트펌프 입출구 온도차 8.0 ℃를 나타냈다. 이와 같은 결과는 설계된 히트펌프 입출구 온도차보다 작은 값을 보이고 있어 이때의 공급수량을 현장 시험에 적용하기로 결정하였다.
다. 충적대수층 축열시험
2016년 8월31일부터 9월 22일까지 Table 3과 같은 조건에 서 온실냉방을 위해 히트펌프를 통과하여 15 ℃로 온도가 상 승된 온배수가 온수정을 통해 충적대수층으로 주입하는 축열 시험을 실시하였다. 냉방시 일별주입량, 축열량을 측정하였 으며 히트펌프가 가동될 때와 정지이후의 경과일수에 따른 온수정의 온도변화를 계측하였다.
라. 동절기 온실난방시험 및 충적대수층 축냉시험
동절기 온실난방시험 및 충적대수층 축냉시험을 2016년 11월 21일부터 2017년 3월 30일까지 수행하였다. 온실의 시 설규모는 폭 7.5 m, 측고 1.5 m, 동고 3 m, 길이 90 m 이며 온 실피복은 PE 필름 3중 온실이다. 관행적인 온수보일러와 충 적대수층 계간축열 온실냉난방시스템의 에너지소비량의 비 교를 위하여 시험구 및 대조구는 Fig. 7과 같이 구축하였으며,
Fig. 7 Experiment and control greenhouses build–up drawing for heating test in winter season
Fig. 8 Warm water injection amount and heat storage calorie from 8.31 to 9.24 2016
온실 내부 온도는 12~15 ℃로 설정하고 비교시험을 실시하였다. 또한 히트펌프를 통과하고 냉수정 및 보조관정을 통하여 충적대수층에 주입되는 냉수 유량 및 온도를 계측하여 지하 수층에 저장되는 냉열량을 계측하였다. 시험구 온실은 충적 대수층 계간축열 온실냉난방 히트펌프와 팬코일유닛 (FCU) 을 이용한 온실난방을 실시하였다. 히트펌프 (50RT)의 난방 성능계수 (RDA, 2008)를 히트펌프 응축기 입출구 온도, 축열 유량, 소비전력을 계측하고 식 (1)에 의하여 산정하였다.
난방 성능계수
×
×
× × ×
(1) 여기서
: 응축기 입구 온도 (℃),
: 응축기 출구 온도 (℃),
: 축열 유량 (min
),
: 물의 비열 (･℃
),
: 물의 단위 중량 (
),
: 압축기 전력 (
)온실난방효과 및 에너지 소비량을 계측하기 위해서 온실 내부온도와 전력소비량을 계측하였다. 대조구 온실은 온수 보일러 (600,000 kcal/h)와 팬코일유닛 (FCU)을 이용한 관행 난방을 실시하였으며 온실내부온도 및 연료소비량을 Fig. 7 과 같이 계측하였다.
Ⅳ. 결과 및 고찰
1. 충적대수층 축열 유량 및 열량
충적대수층 축열시험은 히트펌프를 통과하는 열원수가 입 구온도 15.0 ℃, 출구온도 30.0 ℃로서 온수정으로 주입되는
(a) Isothermal map around warm well (P/IW01) (b) Groundwater Temp. of warm well Fig. 9 Temperature change around warm well according to the elapsed days after storing heated water to alluvial aquifer
(a) Internal temp. comparison between experiment and control
greenhouse (b) Cold water injection amount and heat calorie in the aquifer
during heating time
Fig. 10 Greenhouse heating effect and cold water injection by using greenhouse heating and cooling system with seasonal thermal storage in alluvial aquifer
물의온도는 30.0 ℃이며, 히트펌프가 정지된 후 온수정의 지 하수층 온도는 23.0 ℃를 나타냈다. 8월 31일부터 9월 22일까 지 히트펌프를 통과한 온수를 지중 축열한 결과 Fig. 8과 같으 며 850 m3의 온수가 지하수층에 주입되었다. 주입수의 온도 는 30.0 ℃ (취수온도 15.0 ℃)로 12,750,000 kcal의 열량이 주 입된 것으로 산정되었다.
2. 지중 축열을 위한 온실냉방종료 후 온수 주입정의 온도변화
히트펌프를 통과한 온배수를 온수정을 통해 충적대수층에 축열하였고, 냉방기간이 9월 24일로 만료되어 온실냉방은 정 지하였으며 축열조의 온도는 13.0 ℃로 설정하였다. 그러므 로 축열조의 온도가 13.0 ℃ 이상이 되면 축열조의 온도를 강 하시키기 위해 히트펌프가 냉방모드로 가동되었다. Fig. 9 (b) 에서와 같이 수온이 갑자기 상승하는 부분은 축열조 온도를 강하시키기 위해 히트펌프가 가동되어 히프펌프를 통과한 온 배수가 대수층으로 축열되는 것으로 나타났다. 9월 24일부터 온실냉방을 정지하였으며 히트펌프가 정지된 후 온수정의 온 도는 Fig. 9 (a)와 같이 온수정 주변으로 25.0 ℃를 나타냈고,
히트펌프가 정지된 후 36일이 지난 10월 31일에는 온수정의 온도가 20.0 ℃를 유지하고 있으며 온도 강하폭이 점차로 줄 어 10월 31일에는 Fig. 9 (b)와 같이 20.0 ℃ 부근에서 수렴되 는 형태를 보였다.
3. 난방성능계수 향상 및 지하수층 저장 온열량 회수율 산정
2016년 11월 20일부터 2017년 3월 31일까지 동절기 온실 난방 비교시험을 수행하였고 지하수층 축냉시험은 2017년 4 월 30일까지 실시하였다. 온실난방시험 결과 Fig. 10 (a)와 같 이 시험구, 대조구 모두 온실내부 야간 설정온도인 15.0 ℃에 잘 대응할 수 있었다. 충적대수층으로의 축냉시험 결과는 Fig. 10 (b)와 같으나 본고에서는 논의하지 않고 하절기에 수 행된 온실냉방시험에 대한 결과 분석이 완료된 후 추후 논의 하고자 한다.
히트펌프 난방성능계수 (COP)는 Fig. 11 (a)와 같이 온수 정의 온도가 18.5 ℃일 때 3.8로 계측되었다. 온수정 주변의 충적대수층에 저장되었던 온수를 계속 취수하므로써 온수정 의 온도가 서서히 하강하여 2017년 1월2일에 15.0 ℃에 도달
(a) Heating COP (groundwater temp. of 18.5 ℃) (b) Heating COP (groundwater temp. of 15.0 ℃) Fig. 11 Heating COP improvement of heat pump according to the groundwater temp. rising caused by the heat storage in alluvial aquifer
(a) Isothermal map around cold well (P/IW02) (b) Groundwater Temp. of warm and cold well Fig. 12 Temperature change around a warm and a cold well during greenhouse heating time in winter season
하게 되었다. Fig. 11 (b)와 같이 히트펌프 난방성능계수 (COP)가 3.2로 계측되어 히트펌프 효율이 18 % 향상 된 것으로 나 타났다. 또한 하절기 지하수층에 축열되었던 온수가 히트펌 프에 공급된 열량을 공급수량과 온수정의 취수온도와 15.0
℃와의 온도차로 계산하였다. 그 결과 7,957,000 kcal로 계측 되어 충적대수층에 저장한 온수에 대한 온열 회수율이 63 % 로 나타났다.
4. 온실난방기간중 지하수층 축냉후 온수정과 냉수정의 온도변화
동절기 난방시험이 진행 중인 3월에는 Fig. 12 (a)와 같이 냉수정의 지하수 온도가 냉수정 주변을 중심으로 10.0 ℃ 부 근에서 수렴하였고, 동절기 시험기간 동안의 온수정과 냉수 정은 Fig. 12 (b)와 같이 4.0~7.0 ℃의 온도 차이를 나타냈다.
5. 난방비용 절감효과
2016년 11월 21일부터 2017년 3월 31일까지의 히트펌프 시스템 계측 소비전력은 56,685 kWh (≒204 GJ) 이고 벙커 C 유 사용량은 12,769 리터 이었으며 발열량이 작은 등유로 환 산하기 위해 1.13을 곱하면 등유가 14,429 리터 (≒525 GJ) 사용된 것으로 계산되었다. 히트펌프 소비전력에 농사용 전
기(을)를 적용하면 1 kWh 당 39.2 원을 이고, 계약전력 70 kw 에 기본요금 1,150 원을 적용하고 시험기간 4.3개월을 적용하 면 전기료 2,568,000 원으로 산정되었다. 대조구에서 사용된 온수보일러에 공급된 등유는 면세유를 적용하여 1 리터당 700 원으로 계산하면 10,100,300 원을 지출한 것으로 계산되었 다. 충적대수층 계간축열 온실냉난방시스템으로 온실난방을 한 결과 면세유 등유를 사용한 것보다 7,532,300 원이 절감되 어 75 %의 난방비 절감이 이루어진 것으로 나타났으며 공급 된 난방에너지는 61 % 절감된 것으로 나타났다.
Ⅳ. 결 론
충적대수층에 위치한 방울토마토 재배온실을 대상으로 충 적대수층 계간축열 온실냉난방시스템을 설치하고 8월 31일 부터 9월 22일까지 지중 축열시험을 한 결과 850 m3의 열원 수가 지하수층에 주입되었다. 주입수의 온도는 30 ℃ (취수온 도 15 ℃)로 12,750,000 kcal의 열량이 주입되었다. 주입정이 위치한 지하수층의 온도는 25.0 ℃로 나타났고, 36일이 지난 온수주입정의 온도는 20.0 ℃를 유지하고 있으며 온도 강하 폭이 줄고 20.0 ℃ 부근에서 수렴되는 형태로 나타났다. 2016 년 11월 21일부터 2017년 3월 31일까지 동절기 온실난방 및
지하수층 축냉시험을 하였으며 그 결과 온실내부 야간 설정 온도인 12.0~15.0 ℃에 잘 대응하는 것으로 나타났다. 동절기 온실 난방을 시작한 날의 온수정의 온도가 18.5 ℃를 나타내 었고 이때 히트펌프 성능계수 (COP)는 3.8로 계측되었다. 난 방을 계속 진행함에 따라 온수정 주변의 충적대수층에 저장 되었던 온수를 계속 취수하므로써 온수정의 온도가 서서히 하강하여 2017년 1월 2일에 15.0 ℃에 도달하게 되었고, 이때 히트펌프의 성능계수 (COP)가 3.2로 계측되어 히트펌프 효 율이 18 % 향상 된 것으로 나타났다. 또한 하절기 지하수층에 축열되었던 온수가 히트펌프에 공급한 열량을 계산한 결과 7,957,000 kcal로 계측되어 충적대수층에 저장한 온수에 대 한 온열 회수율이 63 %로 나타났다. 또한 동절기 난방비용 절 감효과를 분석한 결과 면세유 대비 75 %의 난방비 절감 (공급 에너지 61% 절감)이 이루어진 것으로 나타났다. 이와 같은 결 과로부터 하절기에 더욱 더 많은 양의 온수를 충적대수층에 저장하게 되면 히트펌프의 효율 및 난방비 절감률이 더욱 향 상될 것으로 예측되었다.
사 사
본 연구는 농촌진흥청 공동연구사업 (과제번호: PJ01083302) 의 지원에 의해 이루어진 것임
REFERENCES
