TRNSYS을 이용한 온실 적용 태양열 연계 지열히트펌프 융복합 난방시스템 열성능 해석

• Published in: 설비공학 논문집, 35(6) Vol. 35; no. 6; pp. 286 - 298
• Main Authors: 임희원(Hee Won Lim), 이왕제(Wang Je Lee), 신우철(U Cheul Shin)
• Format: Journal Article
• Language: Korean
• Published: 대한설비공학회 01.06.2023
• Subjects: 기계공학; Greenhouse(온실); Borehole thermal energy storage(보어홀 열저장); Soar heating system(태양열시스템); Apple mango(애플망고); Ground source heat pump(지열히트펌프)
• ISSN: 1229-6422; 2465-7611
• DOI: 10.6110/KJACR.2023.35.6.286

본 연구에서는 경북 영천지역에서 (애플)망고를 재배하는 2,300 m2의 연동형 비닐온실을 대상으로 100% 난방공급을 위한 태양열-지열히트펌프 융복합 난방시스템 열성능을 분석하였다. 해석을 위한 시뮬레이션 도구로 TRNSYS 18을 사용하였으며 기상자료는 한국에너지연구원에서 제공하는 영천지역 국가참조표준기상데이터(TMY3)를 적용하였다. 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다. (1)애플망고 재배온실의 최대 난방 부하는 546 kW로 2월 초에 발생하였으며. 발생빈도로 볼 때 300 kW 이하의 부하가 98.2%를 차지하였다. 연간 총 난방부하는 약 327 MWh로 난방 원단위는 61 kWh/m2yr로 나타났다. (2) 태양열집열기는 연간 집열량이 동절기 난방부하를 100% 공급할 수 있는 규모로 총 설치면적은 약 380 m2로 설계하였으며, GSHP 총 설치용량은 버퍼탱크의 축열용량과 난방부하 발생빈도를 고려하여 피크부하의 40%인 210 kW로 70 kW급 3대로 구성하였다. (3) 연평균 집열효율은 50.1%로 연간 태양열 총 집열량은 309 MWh로 나타났으며 이 가운데 98.7 MWh가 온실 난방으로 직접 공급되고, 나머지 207 MWh의 잉여 태양열이 지중으로 축열되었다. 이에 따른 태양의존율은 30.2%가 되었다. (4) 지열히트펌프의 난방공급은 각각 225.2 MWh로 총 난방부하의 68.9%를 공급하였으며 태양열 직접난방과 더불어 재생에너지의존율은 99.1%가 되었다. 연간 지열히트펌프의 순간 COP의 작동범위는 2.98~3.97로 연평균 시스템 COP는 3.28로 나타났다. (5) 잉여 태양열의 지중축열에 따른 계간 지중축열조의 축열효율은 77.6%로 나타났으며, 지열히트펌프의 난방중심 작동에 따른 지중온도저하는 발생하지 않았다. 이 연구에서 나타난 바와 같이 태양열-지열히트펌프 융복합 시스템은 두 시스템이 개별적으로 적용될 때 발생할 수 있는 열적 취약성(태양열시스템의 하절기 과열 및 GSHP의 동절기 지중온도저하)을 상쇄하는 재생에너지시스템으로 난방중심의 시설원예에 적용성이 높을 것으로 판단된다. 향후, 실증실험을 통한 시뮬레이션 모델의 타당성을 검증하고 시설원예의 재배작물 및 설치여건 등에 따른 최적화 모델을 제안할 예정이다. In this study, we proposed a hybrid solar-assisted GSHP heating system with underground seasonal thermal energy storage and evaluated the thermal performance and dynamic operating characteristics of the greenhouse for apple mango with a total area of 2,300 m2. The heating load in winter was supplied by the solar thermal system, and the remaining load was met by the closed-loop vertical GSHP System. The surplus solar heat in the non-winter season was stored in underground storage, which compensated for the winter ground temperature drop. The system was mainly composed of four parts: an evacuated tube solar collector with a gross area of 380 m2, GSHP with a 210 kW heating capacity, a solar storage tank of 100 m3, and a cylinder-shaped borehole thermal energy storage system with a storage volume of 64,910 m3. TRNSYS 18 was used as the analysis tool, and the main results are summarized as follows. First, the peak heating load and total annual heating load of the greenhouse were 546 kW and 327 MWh, respectively. Second, the annual average collector efficiency was 49.5%, and the total annual useful heat gain was 227.5 MWh. Of this, 100 MWh was directly supplied for greenhouse heating, and the remaining 150 MWh was stored in underground storage. The solar fraction was found to be 30%. Third, the amount of heating supplied by the GSHP was 231.1 MWh, which was 70% of the total heating load. As a result, the renewable energy fraction reached 100%. Fourth, the heat storage efficiency of underground seasonal thermal energy storage by surplus solar heat was 70%. Even though the GSHP operated mainly on heating, the ground temperature did not fall. KCI Citation Count: 0