고온 다습한 기후에서 스마트 온실의 냉방 효율 최적화를 위한 축열조 및 냉동기 성능 분석

• Published in: 설비공학 논문집, 36(12) Vol. 36; no. 12; pp. 619 - 628
• Main Author: 최슬건(Sul Geon Choi)
• Format: Journal Article
• Language: Korean
• Published: 대한설비공학회 01.12.2024
• Subjects: 기계공학; Cooling load(냉방부하); Chiller(냉동기); Thermal energy storage(축열조); Smart Greenhous(스마트온실)
• ISSN: 1229-6422; 2465-7611
• DOI: 10.6110/KJACR.2024.36.12.619

본 연구는 고온 다습한 기후에서 스마트 온실의 냉방 시스템을 최적화하기 위해 축열조 및 냉동기 성능을 분석하였다. 인도네시아와 같이 연중내내 고온다습한 환경에서는 냉동기의 성능 저하가 심각한 문제가 된다. 이를 해결하기 위한 전략으로 축열조를 활용한 냉방 시스템이 제안되었으며, 본 연구는 축열조 용량에 따른 냉동기의 에너지 사용량 및 성능 변화를 집중적으로 분석하였다. 연구 결과에 따르면, 냉동기의 성능은 외부 온도에 크게 의존하며, 낮 시간 동안 기온이 상승할수록 냉동기의 COP가 크게 저하된다. 특히, 외기 온도가 38.0℃까지 상승할 경우 냉동기의 COP는 2.57로 감소하여, 22℃일 때에 비해 34.6% 낮아지는 것으로 나타났다. 이로 인해 냉동기의 에너지 사용량이 증가하고, 냉방 시스템의 전반적인 효율이 저하된다. 반면, 야간에는 외부 온도가 16.1℃로 낮아지면서 냉동기의 COP가 4.1까지 상승하는 경향을 보였다. 이러한 온도 차이에 따른 냉동기의 성능 변화를 고려하여, 축열조를 통해 야간에 냉수를 저장하고 낮 시간에 이를 활용하는 전략이 냉방 에너지 절감에 효과적임을 확인하였다. 특히, 본 연구 지역 한정해서 축열조 용량이 45%까지 증가할 경우, 연간 에너지 사용량이 21.0%까지 절감될 수 있었다. 그러나 축열조 용량이 45%를 넘어서면 연간 에너지 사용량은 다시 증가하는 경향을 보였다. 반면 축열조 용량이 70%까지 냉동기의 피크 부하를 줄일 수 있는 효과가 있었으나, 70%를 초과할 경우 냉동기의 용량이 다시 증가하는 경향을 보였다. 이는 축열조 용량이 적정 범위를 넘어가면 오히려 냉동기의 에너지 사용량이 증가할 수 있음을 시사한다. 따라서 본 연구는 고온 다습한 기후에서 스마트 온실의 냉방 시스템을 효율적으로 운영하기 위해서는 축열조 용량을 적절히 설정하고, 냉동기의 성능 변화를 고려한 제어 전략이 필요하다는 결론을 내렸다. 특히, 본 연구 지역 한정해서 축열조 용량을 50% 이하로 설정하는 것이 에너지 절감 효과를 극대화할 수 있는 최적의 범위로 제시되었으며, 이는 냉방 시스템의 설계와 운영에 중요한 지침이 될 수 있다. This study addresses strategies for optimizing cooling systems of smart greenhouses to tackle food security issues caused by climate change and population growth. In hot and humid regions like Indonesia, the need for smart greenhouses is increasing and the development of effective cooling systems is essential. This research emphasizes that the performance of air-cooled chillers is highly dependent on outdoor air temperatures. As outdoor air temperatures rise, the efficiency of a chiller decreases. The coefficient of performance (COP) of a chiller drops by about 2% for every 1℃ increase in outdoor air temperature, which leads to reduced cooling efficiency and energy performance. To address this issue, the study proposed the use of thermal energy storage (TES) systems. This strategy involves storing chilled water during the night and using it during the day to reduce cooling energy consumption. Results indicated that increasing the TES capacity to 45% could reduce annual energy consumption by up to 21%. Additionally, a TES capacity of 70% was found to be effective in reducing peak cooling loads of chillers. However, this study also shows that exceeding a 45% TES capacity could lead to increased energy consumption. In conclusion, to efficiently operate cooling systems in smart greenhouses in hot climates, it is crucial to set an optimal TES capacity and implement control strategies that account for changes in outdoor air temperatures. KCI Citation Count: 0