서 론

현재 농업시장의 변화에 따라 국내 시설재배지가 지속적으로 증가하고 있으며, 정부지원정책 또한 증대되고 있어 향후 시장규모가 지속적으로 성장할 것으로 예상된다(Kim et al., 2009). 시설농업에서 농작물 생육조건을 맞추기 위해서 화석연료를 비롯하여 다양한 에너지원이 사용되고 있으나 대부분의 시설재배지에서는 저렴하면서도 에너지 효율성이 높은 수막재배를 활용하고 있다. 수막재배를 위한 지하수에는 많은 양의 에너지(지하수열)가 포함되어 있음에도 불구하고 대부분 차가운 공기와 열교환을 통해 손실되며, 수막 시 사용된 용수에 포함된 열량의 약 17%만이 실내 공기를 가온하는데 사용된다. 즉, 83%에 달하는 대부분의 에너지는 외부로 손실되고 있어 수막시스템이 난방수단이 아닌 보온수단으로 분류되고 있다(Rural Development Administration, 2008). 수막시스템의 사용은 화석연료 등 현재 시설재배지에 사용되는 타 에너지에 비해 성능은 좋다고 할 수 있으나 지하수에 포함되어 있는 에너지 활용성은 낮다(Song et al., 2018).

본 연구는 2015년부터 수행된 한국에너지기술평가원 에너지기술개발사업에 의거하여 수행하는 것으로 본 연구에 앞서 주 연구대상인 복합지열시스템에 대한 실내시험과 현장실증시험을 수행한 바 있다. Park et al. (2017)은 복합지열시스템의 주요 열전달 매체가 되는 금속재질의 지중열교환기에 대한 실내시험을 통해 스테인레스관(STS 20A, 32A, 50A)의 열교환량이 비교군인 PE (25A) 대비 STS (20A)에서 평균 357.5%, STS (32A)에서 468.1%, STS (50A)에서 548.9% 높은 것을 확인하였다. Song et al. (2018)은 복합지열시스템에 대한 현장실증시험을 수행하고 공인시험을 통해 약 1,500 m³/일의 양수량을 갖는 대구경 복합지열시스템에서 기존 수직밀폐형 대비 약 77배, SCW 대비 약 8배의 효율을 나타냄을 확인하였다. 또한, 약 300 m³/일의 양수량을 갖는 소구경 복합지열시스템 중 Coaxial형에서는 기존 수직밀폐형 대비 약 18배, SCW 대비 약 2배의 열교환량을 보이는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 복합지열시스템의 실질적인 냉난방 효율을 평가하고 복합지열시스템의 적용성을 검증하기 위해 수행하였다. 이를 위하여 기존에 설치된 지중열교환기에 히트펌프를 연결하여 시설재배지에 냉난방 에너지 공급 시스템을 설치하고 시설재배지에서의 열교환량과 냉방에서의 EER (Energy Efficiency Ratio), 난방에서의 COP (Coefficient Of Performance)를 평가하였다. 또한, 시스템이 운영되는 과정에서 외기온도와 시설재배지 온도와의 상관관계를 분석하여 시설재배지에서의 복합지열시스템에 대한 적용성을 평가하였다.

시험조건

시스템 구성

시스템은 복합지열시스템의 밀폐형과 개방형 시스템에 각각 히트펌프를 연결하여 시설재배지 냉난방에너지 공급시스템을 구축하고 냉난방 운전에 대한 자동제어가 가능토록 설치하였다. 부연하면, 복합지열시스템 중 지중의 밀폐형 열교환기는 10 RT 용량의 히트펌프와 연결하였으며, 수중모터를 통해 양수된 지하수는 20 RT 용량의 히트펌프에 연결하여 에너지를 추출하였다. 히트펌프에서 열교환된 지중에너지는 냉온수 순환펌프와 팬코일유니트를 통해 부하측(시설재배지)으로 냉난방 에너지를 전달하는 시스템으로 구축하였다. 모니터링 시스템을 구축하여 시스템 운영 과정에서의 시스템 작동상태 및 지열데이터를 실시간으로 확인 가능토록 하였으며 시스템 운영 시 확인되는 지열 데이터는 PC에 기록 가능하도록 하였다. 이외에도 시스템의 전반적인 평가를 위해 지하수 및 순환수 유량확인을 위한 유량계, 전력량 확인을 위한 전력량계, 밀폐형 및 개방형과 연결된 히트펌프의 입․출구 온도 및 부하측(시설재배지)으로 전달하는 시스템의 히트펌프 입․출구 온도 등을 측정 및 기록할 수 있는 온도계 등 관련 장치를 설치하였다.

Fig. 1.

Diagram of test operation equipments.

Fig. 2.

Photograph of test operation equipments.

시험방법

지중에서 밀폐형(Coaxial형 지중열교환기)과 개방형(수중펌프)의 지열에너지를 전달하는 히트펌프의 입․출구 온도, 부하측(시설재배지)에서 히트펌프로 순환하는 순환수의 입출구 온도, 지하수 및 Coaxial형 열교환기 순환수 유량, 부하측 순환수 유량, 지열시스템 운영 전력량 등을 측정하여 평가하였다. 본 시스템의 Coaxial형 지중열교환기 순환량은 지열원 순환펌프를 사용하여 약 85 L/min으로 순환하고, 개방형(수중펌프)은 약 235 L/min으로 양수하며 히트펌프와 부하측(시설재배지)의 팬코일유니트를 순환하는 순환수량은 140 L/min 용량의 냉온수 순환펌프 3대를 사용하여 약 28 ton/hr의 양을 순환시켜 냉방운전시험을 실시하였다. 동일 조건에서 난방시험도 진행하였으나 Coaxial형 지중열교환기 순환량은 약 86 L/min으로 순환되고, 개방형(수중펌프)은 약 266 L/min으로 양수되었으며 팬코일유니트를 순환하는 순환수량은 약 29 ton/hr으로 약간의 차이롤 보이며 난방시험이 이루어졌다.

냉난방 운전은 온도를 자동제어하는 형식으로 부하측 순환수 온도 제어를 통한 히트펌프의 냉난방 가동 및 정지, 부하측(시설재배지) 온도 제어를 통한 팬코일유니트의 가동 및 정지가 이루어지도록 하였다. 시설재배지에서 필요한 시간에 냉방을 공급하며 냉방을 공급하지 않는 시설재배지와 비교 측정을 실시하고, 비교시설은 시설재배지와 동일조건이 이루어지도록 하였다. 온도계는 지열에너지를 전달하는 밀폐형 히트펌프 입구(TC1), 출구(TC2), 개방형 히트펌프 입구(TO1), 출구(TO2)와 부하측(시설재배지)에서 히트펌프로 순환하는 밀폐형 순환수의 입구(TG1-2), 출구(TG2-2), 개방형 순환수 입구(TG1-1), 출구(TG2-1)와 시설재배지 내부(CWG house)에 온도계가 설치되어 온도를 측정하고 이와 비교하기 위해 비교시설 내부(Comparison house)와 시설 외부(External) 온도를 측정할 수 있도록 온도계를 설치한 후 5분 단위로 연속 측정 및 기록이 되도록 하였다. 개방형과 밀폐형 히트펌프에서 시설재배지 내부로 통합되어 이동되는 순환수의 온도(TG2)와 시설재배지 내부 열교환이 이루어진 후 다시 히트펌프로 이동되는 순환수의 분기 전 온도(TG1)를 측정하였다. 효율 계산을 위하여 전력량도 5분마다 연속 측정 및 기록하였다.

본 시험에서 시스템 가동 및 정지를 위한 열원측과 부하측의 온도설정과 시험수량은 Table 1에 제시하였다.

Table 1. Test conditions and number of test operations

Fig. 3.

General drawing of testing setup(dual-filter case).

결과 및 토의

냉방운전 열교환량 평가

열원측에서 히트펌프가 가동되는 기간의 데이터를 선별하여 EWT (Entering Water Temperature), LWT (Leaving Water Temperature)의 온도차(𝛿T)와 흐른 유량을 이용하여 밀폐형(Closed loop) 및 개방형(Open loop)의 열교환량(Thermal exchange capacity, E) 및 전체 열교환량을 산출하였다. 평가결과, 밀폐형에서의 최대 열교환량은 42.1 kW/h로 나타났으며, 시험기간 중 평균 열교환량은 40.1 kW/h로 평가되었다. 개방형에서는 최대 92.0 kW/h의 열교환량을 나타냈으며, 시험기간 중 평균 열교환량은 90.0 kW/h로 평가되었다. 밀폐형과 개방형의 열교환량을 합한 전체 열교환량의 평균값은 130.1 kW/h로 평가되었다. 소구경 CWG 시스템의 개방형과 밀폐형의 열원측 열교환량을 Table 2와 Fig. 4에 제시하였다.

Table 2. Heat source contribution to thermal exchange capacity(kW/h) of a small-aperture CWG system site

Fig. 4.

Thermal exchange capacity of source part of test system(open loop, closed loop, and total) as a function of date.

부하측에서도 열원측과 마찬가지로 히트펌프가 가동되는 기간의 데이터를 선별하여 ELT (Entering Load Temperature)와 LLT (Leaving Load Temperature)의 온도차와 흐른 유량을 이용하여 밀폐형 및 개방형의 열교환량 및 전체 열교환량을 산출하였다. 평가결과, 밀폐형에서는 최대 41.1 kW/h의 열교환량을 나타냈으며, 시험기간 중 평균 열교환량은 39.7 kW/h로 평가되었다. 개방형에서는 최대 73.3 kW/h의 열교환량을 나타냈으며, 시험기간 중 평균 열교환량은 70.7 kW/h로 평가되었다. 밀폐형과 개방형의 열교환량을 합한 전체 열교환량의 평균값은 110.4 kW/h로 평가되었다. 소구경 CWG 시스템의 부하측의 열교환량과 히트펌프로의 주입 및 출수온도 및 유량 등을 Table 3에 표기하고 Fig. 5에 열교환량을 그래프로 표기하였다.

Table 3. Load contribution to thermal exchange capacity(kW/h) of a small-aperture CWG system site

Fig. 5.

Thermal exchange capacity of load part of test system as a function of date.

난방운전 열교환량 평가

열원측의 전체 열교환량 평가결과, 밀폐형에서의 최대 열교환량은 24.4 kW/h로 나타났으며, 시험기간 중 평균 열교환량은 22.4 kW/h로 평가되었다. 개방형에서는 최대 62.2 kW/h의 열교환량을 나타냈으며, 시험기간 중 평균 열교환량은 60.4 kW/h로 평가되었다. 밀폐형과 개방형의 열교환량을 합한 전체 열교환량의 평균값은 82.9 kW/h로 평가되었다. 소구경 CWG 시스템의 개방형과 밀폐형의 열원측 열교환량을 Table 4와 Fig. 6에 제시하였다.

Table 4. Heat source contribution to thermal exchange capacity(kW/h) of a small-aperture CWG system site

Fig. 6.

Thermal exchange capacity of source part of test system(open loop, closed loop, and total) as a function of date.

부하측의 전체 열교환량 평가결과 밀폐형에서는 최대 42.2 kW/h의 열교환량을 나타냈으며, 시험기간 중 평균 열교환량은 41.2 kW/h로 평가되었다. 개방형에서는 최대 72.2 kW/h의 열교환량을 나타냈으며, 시험기간 중 평균 열교환량은 70.8 kW/h로 평가되었다. 밀폐형과 개방형의 열교환량을 합한 전체 열교환량의 평균값은 112.0 kW/h로 평가되었다. 소구경 CWG 시스템의 부하측의 열교환량과 히트펌프로의 주입 및 출수온도 및 유량 등을 Table 5에 표기하고 Fig. 7에 열교환량을 그래프로 표기하였다.

Table 5. Load contribution to thermal exchange capacity(kW/h) of a small-aperture CWG system site

Fig. 7.

Thermal exchange capacity of load part of test system as a function of date.

효율 평가

복합지열시스템의 냉방효율은 EER로 나타낼 수 있고 EER는 사용한 전력과 생성된 에너지와의 비를 나타내는 성적계수로 다음 관계식 (1)과 같이 표현된다(Geothermal Energy Education Center, 2010).

$EER=\frac{\text{생성된에너지}}{\mathrm{소비전력}\left(kWh\right)}$  (1)

EER분석에 사용된 소비전력은 히트펌프 전력만을 대상으로 하기에 시설재배지 내부의 팬코일 전력, 지중열교환기, 수중 및 이송펌프, 기계실에서 사용하는 소비전력 등을 제외하였다. 히트펌프 유닛에서 사용된 소비전력은 평균 19.6 kW로 평가되었다. EER를 분석한 결과 최대 EER 값은 5.81로 산정되었으며, 평균 EER은 5.63으로 분석되었다. 즉, 소구경 CWG 시스템 설치로 인해 사용 전력량의 5.63배에 해당하는 에너지를 확보하는 것으로 평가되었다. 소구경 CWG 시스템의 소비전력과 EER을 Table 6에 표기하고 Fig. 8에 실험에 따른 EER 그래프를 표기하였다.

$COP=\frac{\text{생성된난방열에너지}}{\mathrm{소비전력}\left(kWh\right)}$  (2)

Table 6. Power dissipation and EER of a small-aperture CWG system site

Fig. 8.

EER as a function of date.

COP 분석에 사용된 소비전력도 히트펌프 전력만을 대상으로 하기에 시설재배지 내부의 팬코일 전력, 지중열교환기, 수중 및 이송펌프, 기계실에서 사용하는 소비전력 등을 제외하였다. 히트펌프 유닛에서 사용된 소비전력은 평균 28.6 kW로 평가되었다. COP를 분석한 결과, 최대 COP 값은 3.98로 산정되었으며, 평균 COP는 3.92으로 분석되었다. 즉, 소구경 CWG 시스템 설치로 인해 사용 전력량의 3.92배에 해당하는 에너지를 확보하는 것으로 평가되었다. 소구경 CWG 시스템의 소비전력과 COP를 Table 7에 표기하고 Fig. 9에 실험에 따른 COP 그래프를 표기하였다.

Table 7. Power dissipation and COP of a small-aperture CWG system site

Fig. 9.

COP as a function of date.

열원 및 부하측 에너지 평가

냉방운전 시 열원측에서 생성된 에너지와 소비전력의 차는 부하측의 생성에너지가 된다. 시험결과에 기초하여 열원측 및 부하측 생성에너지와 소비전력과의 관계를 분석하였다. 열원과 부하측 생성에너지의 차에서 소비전력을 뺀 값을 검토한 결과, 평균값이 0.11 kW로 평가되었으며, 0에 수렴하는 양상을 보이고 있다. 즉, 열원측 및 부하측 생성 에너지와 소비전력의 관계가 잘 일치됨을 확인할 수 있다. 소구경 CWG 시스템의 열원측과 부하측의 에너지비교와 소비전력 및 그 차이 등을 Table 8에 표기하고 Fig. 10에 실험에 따른 관계 그래프를 표기하였다.

Table 8. Generated energy and power dissipation of a small-aperture CWG system site

Fig. 10.

Diagram of 𝛿E (kW)-total power dissipation (kW) as a function of date.

난방운전 시 열원측에서 생성된 에너지와 소비전력의 차는 부하측의 생성에너지가 된다. 시험결과에 기초하여 열원측 및 부하측 생성에너지와 소비전력과의 관계를 분석하였다. 열원과 부하측 생성에너지의 차에서 소비전력을 뺀 값을 검토한 결과, 평균값이 0.57 kW로 평가되었으며, 0에 수렴하는 양상을 보이고 있다. 즉, 열원측 및 부하측 생성 에너지와 소비전력의 관계가 잘 일치됨을 확인할 수 있다. 소구경 CWG 시스템의 열원측과 부하측의 에너지비교와 소비전력 및 그 차이 등을 Table 9에 표기하고 Fig. 11에 실험에 따른 관계 그래프를 표기하였다.

Table 9. Generated energy and power dissipation of a small-aperture CWG system site

Fig. 11.

Diagram of 𝛿E (kW)-total power dissipation (kW) as a function of date.

외기온도와의 상관관계 분석

시설재배지의 기온은 외부의 기온 뿐 아니라 햇빛의 유무, 부분적 개방에 따른 공기의 순환정도, 바람의 세기, 습도 등 다양한 조건에 의해 지배를 받는다(Korea National College of Agriculture and Fisheries, 2015). 이들 조건은 다양한 변수로 작용하기 때문에 시험수행 기간 중 모든 조건을 동일하게 하는 것은 실질적으로 불가능하다. 이들 조건 중 가장 영향을 많이 미칠 수 있는 외기온도와 CWG 시스템을 적용한 시설하우스 및 비교 시설하우스 내부온도와의 상관관계(Fig. 12)를 분석하여 외기온도에 따른 CWG 시스템 시설하우스의 온도 저감량을 평가하였다. 상관관계 분석결과, CWG 시스템을 적용한 시설하우스의 외기온도와 하우스 내부 온도와의 상관관계는 관계식 (3)과 같으며, 비교 하우스의 외기온도와 하우스 내부 온도와의 상관관계는 관계식 (4)와 같이 평가 되었다.

$T_{CWG}=0.4881\times T_{ex}+14.995$  (3)

$T_C=1.1545\times T_{ex}+5.1056$  (4)

Fig. 12.

Correlation between external and internal temperature(CWG system greenhouse and comparison greenhouse).

여기서, T_CWG는 CWG 시스템 적용 시설하우스 내부 온도, T_C는 비교 하우스 내부 온도, T_ex는 외기온도이다.

외기온도에 따른 시설재배지 온도변화 평가

앞서 산출한 관계식을 바탕으로 외기온도 변화에 따른 CWG 시스템 하우스와 비교 하우스의 온도를 평가하였다. 평가결과, 30RT 용량의 CWG 시스템 하우스가 비교 하우스에 비해 외기온도 20°C인 경우 3.4°C, 외기온도 25°C인 경우 6.8°C, 외기온도 30°C인 경우 10.1°C, 외기온도 35°C인 경우 13.4°C의 온도가 저감되는 것으로 평가되었다. 이러한 결과를 볼 때, 본 시스템을 적용할 경우 일반적으로 외기온도가 30°C 이상을 보이는 여름철에 CWG 시스템을 적용하지 않은 시설재배지에 비해 약 10°C 이상의 냉방효과가 나타낼 수 있을 것으로 판단된다.

이러한 냉방효과는 재배작물을 여름철 낮은 온도에서 생육이 가능한 작물로 대체할 수 있으며, 딸기 등과 같은 봄철 재배작물의 출하기간을 연장함으로써 궁극적으로 농가 소득을 증대시킬 수 있을 것으로 판단된다. CWG 시스템 설치 하우스와 비교 하우스의 외기온도에 따른 온도 차이를 Table 10에 표기하고 Fig. 13에 실험에 따른 상관관계 그래프를 표기하였다.

Table 10. Evaluation of a CWG system and relative temperature difference as a function of external temperature

Fig. 13.

Relationship between external air temperature and temperature difference between the test system house and the CWG house in cooling operation.

결 론

본 연구는 복합지열시스템의 실질적인 냉난방 효율을 평가하고 복합지열시스템의 적용성을 검증하기 위하여 수행하였다. 이를 위하여 기존에 설치된 지중열교환기에 히트펌프를 연결하여 시설재배지에 냉난방 에너지 공급 시스템을 설치하고, 시설재배지에서의 열교환량과 냉방에서의 EER을 평가하였다. 또한, 시스템이 운영되는 과정에서 외기온도와 시설재배지의 온도와의 상관관계를 분석하여 시설재배지에서의 복합지열시스템에 대한 적용성을 평가하였다.

냉방운전 시 열원측 열교환량 평가결과, 밀폐형에서는 평균 40.1 kW/h, 개방형에서 90.0 kW/h로 평가되었으며, 전체 열교환량의 평균값은 130.1 kW/h로 나타났다. 부하측 열교환량 평가결과, 밀폐형에서는 평균 39.7 kW/h, 개방형에서 평균 70.7 kW/h로 평가되었으며, 전체 열교환량의 평균값은 110.4 kW/h로 평가되었다. 난방운전 시 열원측 열교환량 평가결과, 밀폐형에서는 평균 22.4 kW/h, 개방형에서 60.4 kW/h로 평가되었으며, 전체 열교환량의 평균값은 82.9 kW/h로 나타났다. 부하측 열교환량 평가결과 밀폐형에서는 평균 41.2 kW/h, 개방형에서 평균 70.8 kW/h로 평가되었으며, 전체 열교환량의 평균값은 112.0 kW/h로 평가되었다. 복합지열시스템의 냉방효율을 분석한 결과, 평균 EER는 5.63으로 분석되었으며 난방효율 평균 COP는 3.92으로 분석되었다.

시설재배지의 기온은 외부의 기온 뿐 아니라 햇빛의 유무, 부분적 개방에 따른 공기의 순환정도, 바람의 세기, 습도 등 다양한 조건에 의해 지배를 받는다. 이들 조건 중 가장 영향을 많이 미칠 수 있는 외기온도와 CWG 시스템을 적용한 시설하우스 및 비교 시설하우스 내부온도와의 상관관계를 분석하여 외기온도에 따른 CWG 시스템 시설하우스의 온도 저감량을 평가하였다. 평가결과, 30RT 용량의 CWG 시스템 하우스가 비교 하우스에 비해 외기온도 20°C인 경우 3.4°C, 외기온도 25°C인 경우 6.8°C, 외기온도 30°C인 경우 10.1°C, 외기온도 35°C인 경우 13.4°C의 온도가 저감되는 것으로 평가되었다. 이러한 결과를 볼 때, 본 시스템을 적용할 경우 일반적으로 외기온도가 30°C 이상을 보이는 여름철에 CWG 시스템을 적용하지 않은 시설재배지에 비해 약 10°C 이상의 냉방효과가 나타낼 수 있을 것으로 판단된다. 이러한 냉방효과는 재배작물을 여름철 낮은 온도에서 생육이 가능한 작물로 대체할 수 있으며, 딸기 등과 같은 봄철 재배작물의 출하기간을 연장함로써 궁극적으로 농가 소득을 증대시킬 수 있을 것으로 판단된다.

이와 같은 결과는 시설재배지의 복합지열시스템 설계에 활용될 수 있고, 다양한 조건에서의 시험성과와 종합하여 복합지열시스템의 냉난방 효과에 대한 보다 명확한 규명이 가능할 것으로 판단된다.