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빗물저장시설 용수 및 온실온도에 따른 물 대 공기 히트펌프의 냉방 성능 분석
강연구 ( Younku Kang ),강석원 ( Sukwon Kang ),장재경 ( Jaekyoung Jang ),김영화 ( Youngwha Kim ),성문석 ( Moonseok Sung ),허영길 ( Younggil Hur ) 한국농업기계학회 2016 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.21 No.2
제주지역에서는 시설하우스만을 고려하면 빗물이용(저장)시설이 569개소, 저장량 7.9만 톤에 이른다(2014년). 본 연구에서는 제주지역 빗물저장시설 내 빗물을 농업용수로 사용할 뿐만 아니라 히트펌프와 연계하여 냉난방 열원으로 이용하고자 하였으며, 여름철 갈수기 즉 열방출원(heat sink)이 최소인시기의 빗물이용시설 이용 물 대 공기 히트펌프시스템의 냉방성능을 분석하였다. 또한 본 연구에서 적용한 히트펌프는 국내 기업에서 제작한 10RT 규모의 물 대 공기 방식이며, 100톤 규모의 빗물이용시설에 약 20톤의 농업용수를 채운 상태에서 물 대 공기 히트펌프시스템의 응축기 물 입출구 온도, 증발기 공기 입출구온도(Pt 100Ω, Albohn, Germany)와 소비전력(CW240, Yokogawa, Japan)을 측정하여 냉방성능을 분석하였다. 실험온실은 330㎡규모의 망고온실로, 냉방실험은 8월 12일 야간에 온실온도를 34.7℃에서 20℃ 수준으로 냉방하며 수행하였으며, 온실 온도는 약 20℃로 설정하였다. 330㎡규모의 온실을 34.7℃에서 20℃ 내외로 냉방하기 위해 총 6시간이 소요되었다. 이때 외기온은 30.5℃에서 21.7℃로 하강하였다. 히트펌프의 증발기 입구 공기온도가 30℃에서 냉방성능계수는 약 3.2으로 나타났으며 증발기 입구 공기온도가 하강하면서 냉방성능계수도 하강하여 20℃에서 약 2.1로 나타나, 증발기 입구 공기온도가 1℃하강하면서 냉방성능계수는 0.1하강하는 것으로 나타났다. 냉방열량 또한 냉방성능계수와 같이 증발기 입구 공기온도가 하강함에 따라 하강하였으며, 30℃에서 39.8kW, 20℃에서 25.9kW 수준으로 나타났다. 반면 히트펌프의 소비전력은 증발기 입구 공기온도가 30℃에서 20℃로 변하는 동안 큰 변화를 보이지 않았으며, 30℃에서 12.6kW, 20℃에서 12.3kW의 전력을 소비하는 것으로 나타났다. 열방출원(heat sink)로 작용하는 빗물이용시설 내 용수의 응축기 입출구 물온도차에 대한 냉방성능계수 및 냉방 열량은 의 변화는 응축기 입출구 물온도차가 크면 클수록 증가하는 현상으로 보였으며, 응축기 입출구 물온도차가 5.4℃에서 냉방성능계수는 3.2, 냉방열량은 40.7kW 수준, 4℃에서는 각각 2.2, 27.6kW 수준으로 나타났다. 감귤류, 망고 등은 아직까지는 냉방에 대한 요구가 크지 않지만, 빗물이용시설에 충분한 용수를 확보한 후 냉방을 수행하는 것이 좋을 것으로 사료되었다.
김영화 ( Younghwa Kim ),강연구 ( Younku Kang ),장재경 ( Jaekyoung Jang ) 한국농공학회 2014 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2014 No.-
최근 시설원예 주요작물의 경영비 대비 난방비 비중(2010~2012)은 30~50%에 이르고 있으며(농림축산식품통계연보, 2013) 감귤류는 70%에 이르는 등 난방비에 큰 영향을 미치는 작물도 존재한다(농촌진흥청 농축산물 소득자료집, 2012). 이렇듯 시설원예 경영비에 있어서 구성항목 중 난방비는 가장 큰 비중을 차지하는 주요한 인자이다. 겨울철 온실의 난방부하를 산정함에 있어서 이상적인 보온을 할 경우 부하량은 극히 일부에 지나지 않지만, 틈새환기, 피복재관류열전달, 토양전열 등으로 인한 손실로 난방부하가 커지게 된다(농가 경영수지 개선을 위한 신 농업에너지 절감기술, 2010). 특히 피복재 관류전열손실은 난방부하산정에 있어서 60~100% 차지하는 가장 영향이 큰 인자이며 기존문헌과 이론에 의해 외부풍속에 영향받음이 증명되었다. 이로 인해 난방부하 산정시 강풍지역의 경우 최대난방부하량은 10% 증가하며 이는 전체경영비를 4% 증가시키는 요인이 된다. 풍속에 따른 온실 피복재 열손실에 관한 국외연구는 활발한 편이나 국내연구는 최근에 진행되어 왔다. 본 연구에서는 관련된 국내외 문헌을 조사하였으며 국내에서는 더 활발한 연구가 진행되어야 할 것으로 보인다.
김승희 ( Seounghee Kim ),강연구 ( Younku Kang ),문종필 ( Jongpil Moon ),권진경 ( Jinkyung Kwon ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2
하절기 주간에 시설 내부 온도가 37°C 이상으로 상승되므로 농산물 품질이 나빠질 뿐만 아니라 작물이 제대로 자라지 않게 되므로 시설원예 농가에선 포그냉방장치를 선호하는 추세이다. 포그를 분무하면 온도가 떨어지지만 지속적으로 분무하게 되면 온실 내부가 과습해지게 되므로 일반적으로 일정시간만 분무하고 정지하는 간헐방식으로 사용하고 있다. 간헐 분무조건으로 포그를 분무하더라도 환기가 적절하게 이루어지지 못하는 경우 온실 내부가 과습하게 되므로 냉방효과를 높일 수 없다. 따라서 본 연구에서는 포그 분무와 온실 내 습도를 배출하기 위해 강제환기장치인 유동팬과 배기팬을 연동시킬 수 있도록 제어기를 제작하여 냉방효과를 높이고자 하였다. 포그 냉방 시험장치는 오리피스 노즐을 분무관에 1m간격으로 양측으로 분무되도록 한 분무관을 온실 중앙 상부에 1줄로 설치하였다. 포그 분무량은 노즐 1개당 분무압 40kgf/㎠에서 약 50mL/min 분무되는 것을 사용하였다. 시험용 온실은 동일한 크기로 나란히 설치된 단동온실(폭 7.0m, 높이 3.5m) 2동과 연동온실(1-2W형 2연동) 2동을 시험온실과 대조온실로 토마토를 재배하여 2018년 7월부터 9월까지 냉방시험을 수행하였다. 포그 분무는 온실 내외부 창을 모두 개방한 상태로 수행하였다. 단동온실 2동에는 50% 차광망을 설치하였으며, 연동온실은 대조온실에 알미늄스크린으로 10에서 16시까지 차광 하였으며, 시험온실에는 무차광 상태로 포그가 분무되도록 하여 시험하였다. 포그 분무 제어가 진행되는 동안 단동온실의 경우 2018. 8. 8.일 한 낮 최고 외기온이 38°C로 기록된 13:52분에 대조온실 내부 기온이 42.8°C, 시험온실은 35.6°C로 대조온실에 비해 7.2°C 낮았으며, 외기온보다 2.4°C 낮았다. 습도는 대조온실에서 32%, 시험온실에서 57%로 나타났다. 연동온실의 경우 2018. 8. 8일 대조온실에 차광하기 직전인 10:00시에 대조온실에서 35.6°C, 시험온실 31.9°C로 대조온실에 비해 3.7°C 낮았으나, 낮 최고기온을 기록한 13:52분에 대조온실 내부 기온이 36.0°C, 시험온실은 38.0°C로 포그 분무한 시험온실이 2.0°C 높게 나타났다. 습도는 대조온실에서 54%, 시험온실에서 57%로 두 온실 간에 큰 차이가 없었다. 이는 대조온실 내부를 차광함으로써 공기유동이 적은데다가 작물 호흡으로 인해 습도가 높아졌고, 이로 인해 대조온실의 실내온도도 낮게 측정된 것으로 판단된다.