본 논문에서는 국내외 신재생에너지 정책 동향을 분석하고 히트펌프의 종류에 따른 농업적 적용 연구 분석을 통해 적용 성을 평가하고자 하였다. 국내에서는 설치비용이 상대적으로 많이 소요되고 보급율이 낮지만, 탄소중립을 위한 열 부문 온실가스 감축의 대안으로 주목할 필요가 있다. 히트펌프는 신 재생에너지원의 이용효율을 극대화하고 친환경적인 난방 및 냉방 솔루션을 제공함에 있어서 중요한 역할을 한다. 외국에 서는 신재생 열에너지 공급 의무화 제도로 건축물 내 열에너 지 사용량의 일정비율을 신재생에너지를 통해 공급하도록 의 무화하고 있으며, 신재생 열에너지 차액 지원 제도를 통해 신 재생에너지 이용 설비와 화석연료 이용 설비 간의 비용 차이 를 보상하고 있다. 우리나라 원예시설의 온실 난방도 예전에 는 80%가 유류였지만, 최근에는 고유가로 인하여 유류가 60%, 전기가 30%를 차지하고 있는 것으로 나타나고 있다. 따 라서, 전기로의 전환을 보여주고 있으며, 추후 농사용 전기 요 금 정책 변화 및 요금 인상 등에 대응 하기 위한 히트펌프 활용, 보급의 확대가 필요할 것으로 생각된다. 특히, 우리나라는 에 너지 가격적인 측면만을 볼 때는 히트펌프 보급에 매우 유리 한 여건에 있는 것이 사실이다. 외국과 비교하여 도시가스와 전력요금이 GDP대비 낮은 수준이며, 전력요금 대비 가스요 금은 상대적으로 비싼 수준이어서 히트펌프 보급에 의한 경제 성이 있다(Kim, 2016). 최근 전기요금이 인상되었지만, 농사 용 전기요금(저압)은 kWh당 59.5원으로 OECD 평균 전기요 금에 비교하여 저렴한 편이기 때문에 히트펌프 적용에 따른 효과는 크다고 할 수 있다. 우리나라는 겨울철 외기온도가 낮게 형성되는 기후적 특성 으로 인하여 난방 효율이 저하 문제로 AHP는 난방기로서의 관심이 크지 않은 실정이지만, AHP 보급은 화석연료, 가스 등 연료 사용 보일러 교체에 따른 온실가스 저감 효과를 나타낼 수 있다. 우리나라도 EU 등의 사례에서 알 수 있듯이 공기열 을 재생에너지로 인정함으로써 탄소중립실현을 위한 수단으 로 이용할 수 있을 것으로 기대된다. GHP 경우에는 지하에 파 이프 시스템이 매설되기 때문에 부지 소유 조건에 따라 시공 가능 여부가 결정될 수도 있으며, GHP의 적용 방식에 따라 굴 착 비용이 많이 소요될 수 있다. 지하수, 하천수, 해수, 폐수 등 에 포함된 열원으로부터 흡수하여 난방 및 냉방을 제공하는 시스템으로 축열시스템과 심야전기 활용 시에는 운전비를 크 게 절감할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 슬러지(이물 질)가 유입·퇴적되면 효율이 저하되거나 고장을 일으킬 가능 성이 있기 때문에 유지관리에 대한 노력이 더 요구된다. 히트펌프를 적용하는데 있어서 다양한 요소들을 고려해야 한다. 히트펌프를 적용하려고 하는 지리적 조건에 따라 적합 한 히트펌프를 선정하는 것과 히트펌프를 적용하고자 하는 원 예시설의 크기에 적합한 용량을 선정하는 것이 효율적인 에너 지 이용을 위해 주요하다. 또한, 주 열원과 보조 열원을 결합한 시스템인 하이브리드 히트펌프를 이용하여 두 가지 열원을 최 적화하여 사용함으로써 에너지 효율성을 극대화하기 위한 노력도 필요하다. 히트펌프의 이용 확대를 위해서는 정부의 보 조금이나 세제 혜택을 통해 초기 비용 부담을 완화하는 것은 중요하지만, 그와 동시에 히트펌프의 에너지 효율을 향상 시 킬 수 있는 연구개발에도 투자가 필요할 것으로 사료된다. 이 로부터 히트펌프에 대한 기술 발전을 촉진하고, 보다 경제적 이고 지속 가능한 에너지 솔루션을 제공할 수 있기 때문이다.

In this study, the operating performance of the heat pump dryer using the PF heat exchanger was experimentally studied. The capacity, COP, drain, SMER and operating status of the cooling cycle of the heat pump dryer were investigated according to the temperature, relative humidity and flow rate of the indoor air. Heat pump dryers are refrigerant-air system. For the dryer performance experiment, an air enthalpy calorimeter was used. From the experimental results, as the temperature, relative humidity, and flow rate of the inlet air increased, the capacity, COP, drain, SMER of the dryer increased. The change in the performance of the dryer was most affected by temperature. The P-h diagram of the cooling system showed that the operation status of the dryer was greatly affected by the indoor temperature. In addition, the SMER of the dryer showed a drying performance of about 3.38 kg/kWh or more within all experimental ranges.

This study focuses on analyzing the energy-saving effects of the recirculation aquaculture system using seawater source heat pumps and solar power generation. Based on the thermal load analysis conducted using the transient system simulation tool, the annual energy consumption of the recirculation aquaculture system was analyzed and the energy-saving effects of utilizing the photovoltaic system was evaluated. When analyzing the heat load, the sea areas where the fish farms are located, the type of breeding tank, and the circulation rate of breeding water were taken into consideration. In addition, a method for determining the appropriate capacity for each operation time was examined when applying the energy storage system instead of the existing diesel generator as an emergency power, which is required to maintain the water temperature of breeding water during power outage. The results suggest that, among the four seas considered, Jeju should be estimated to achieve the highest energy-saving performance using the solar power generation, with approximately 45% energy savings.

This study deals with the application of an artificial neural network (ANN) model to predict power consumption for utilizing seawater source heat pumps of recirculating aquaculture system. An integrated dynamic simulation model was constructed using the TRNSYS program to obtain input and output data for the ANN model to predict the power consumption of the recirculating aquaculture system with a heat pump system. Data obtained from the TRNSYS program were analyzed using linear regression, and converted into optimal data necessary for the ANN model through normalization. To optimize the ANN-based power consumption prediction model, the hyper parameters of ANN were determined using the Bayesian optimization. ANN simulation results showed that ANN models with optimized hyper parameters exhibited acceptably high predictive accuracy conforming to ASHRAE standards.

본 연구에서는 육계사에 차열 페인트와 히트펌프의 적용에 따른 내부 온도 변화를 분석 하였다. 이를 위하여 환기율, 환기 방법, 시간별 환기 변화에 따른 실험 조건을 설정하였으며 육 계사 외부 및 내부 기온을 측정하였다. 그 결과, 차열 페인트를 도포한 육계사에서는 최대 1－2°C 실내 기온 상승을 억제하 는 효과가 나타났으며 히트펌프를 가동한 육계사에서는 외기 온도의 영향을 제일 적게 받는 환기율 0%일 때 내부 기온 감소 가 제일 크게 나타났다. 계사 내부의 온도가 외기 온도보다 높 을 경우에는 환기율을 높게 설정하여 환기팬을 이용한 냉방이 더욱 효과적이나 계사 내부 온도가 외기 온도와 유사하거나 낮을 경우에는 히트펌프를 이용하는 것이 가장 효과적일 것으 로 판단된다. 히트펌프 가동 시 외기 온도의 영향이 적은 환기 율을 0%로 설정하였을 때 내부 기온이 가장 큰 폭으로 감소하 였으나 실제 육계사에서는 분진, 이물질, 암모니아 등을 고려 하여 최소환기율 정도로 환기율을 설정한 후 히트펌프를 가동 하는 것이 가장 효율적일 것으로 판단된다. 본 연구는 실험 기 간이 짧아 데이터가 많지 않으며 실제 육계가 사육되고 있는 환경에서 실험을 진행한 것이 아니라는 한계가 있다. 향후 후 속 연구로 실제 닭이 사육되고 있는 환경에서의 히트펌프 효 과 분석과 히트펌프의 전력사용량, 냉방부하, 환기팬 가동시 간 등 다양한 환경인자를 포함한 연구가 진행되어야 할 것으 로 판단된다.

This study deals with the maximum thermal load analysis and optimal capacity determination method of tank culture system for applying seawater source heat pump to save energy and realize zero energy. The location of the fish farm was divided into four sea areas, and the heat load in summer and winter was analyzed, respectively. In addition, two representative methods, the flow-through aquaculture system and the recirculation aquaculture system were reviewed as water treatment methods for fish farms. In addition, the concept of the exchange rate was introduced to obtain the maximum heat load of the fish farms. Finally, power consumption for heat pumps was analyzed in the view point of sea areas, tank capacity, and exchange rate based on the calculated maximum thermal load.

In the present study, the experimental study was conducted using a multi-calorie meter, to investigate the cooling performance and cycle operation changes of the multi-heat pump (3 indoor units) for the low outside temperature in summer. The test temperature condition was the low cooling temperature, and the normal performance and dynamic behavior of 3 rooms, 2 rooms, and 1 room were measured to understand the operating characteristics of seven 7 indoor unit combinations. As a result of the experiment, the cooling capacity and COP of the multi-heat pump at low cooling temperature were about 10% and 6% higher than those of the cooling standard temperature. In addition, the dynamic behavior of the indoor units of 3 and 2 rooms was observed differently due to the load difference according to the indoor unit combinations and the non-uniformity of the refrigerant amount. And, when starting the heat pump, the compressor had a maximum peak value and stabilized by repeating the decrease and increase for each indoor unit combination.

In the present study, to investigate the cooling characteristics of the multi-heat pump with 3 indoor units, 7 indoor unit combinations and 3 setting temperatures are selected to study the cooling characteristics during steady-state operation. The cooling capacity, power consumption, COP, compressor high and low pressure of the heat pump are tested under the cooling standard temperature conditions using an air enthalpy multi-calorimeter. The experimental results show that, except for an operation with an indoor unit capacity of 30% or less, the cooling capacity, power consumption, and compressor operation frequency increase as the capacity of the indoor unit increases and the setting temperature of the indoor unit decreases. COP increases or decreases according to the compressor frequency, and is the best at 50-80% capacity of the indoor unit. As the compressor frequency increases, the compressor outlet pressure increases by about 30%.

In order to experimentally investigate the operation characteristics of the multi-heat pump with 3 indoor units, the dynamic characteristics of the cooling cycle is studied using the psychrometric multi-calorimeter. The compressor of the heat pump is the scroll inverter type, and since 3 indoor units operate cooling at the same time, it is operated at 100% full load. In particular, 3 types of indoor unit temperatures (20, 24, 26°C) are selected to understand the operation process of the multi-heat pump by the setting temperature. From this experiment, the compressor controls the EEV opening for each indoor unit while varying the frequency according to the initial start, transient, and steady operation. In addition, as the setting temperature increases in the steady range, the frequency of the compressor and the average opening degree of the EEV decrease.

In the present study, it is conducted to understand the heating performance and compressor operation characteristics according to 7 indoor unit combinations and 3 setting temperatures of the inverter multi-heat pump under heating standard temperature conditions. Heating capacity, COP and compressor frequency are investigated using the multi-calorimeter. The indoor unit combinations are simultaneous operation(A+B+C), partial operation(A+C, A+B, B+C) and independent operation(A, B, C), and the setting temperature is 20, 21, and 30°C. Since the increase in the setting temperature increases the compress frequency, the heating capacity increases, but COP decreases due to the increase in power consumption. The frequency increases as the indoor unit combination capacity increases, and decreases as the setting temperature decreases in the steady state.

In order to study the drying performance of the dryer, the performance characteristics of the heat pump dryer applied a PF heat exchanger is applied were experimentally investigated. The capacity, COP, drain and SMER of the dryer were measured by the refrigerant charge and EEV opening. Heat pump dryers are refrigerant-air systems. For the dryer performance test, an air enthalpy calorimeter was used. From the experimental results, the heat exchanger performances according to the change in the refrigerant charge and EEV opening were the maximum at 0.5kg refrigerant and 30% EEV opening, respectively. In addition, SMER suggested a satisfactory level of drying performance. This shows that the refrigeration cycle of the dryer must be operated at an appropriate refrigerant amount and EEV opening degree to secure optimal drying performance. On the other hand, the time to reach the target setting temperature of the dryer was increased by about 2.5 times depending on with/without the sample.

본 연구에서는 하절기 토마토 재배 시 주간 포그 냉방, 야간 히트펌프 냉방을 처리를 하여 냉방 처리가 온실 내 온습도, 작물의 생육 및 수확량에 미치는 영향을 분석하였다. 하절기 주간에 차광 처리한 대조구 온실의 평균 온습도는 32.1°C, 59.4%였고, 포그 처리한 시험구 온실의 평균 온도는 30.0°C, 74.3%로 나타났다. 이 때 외부의 평균 온습도는 31.4°C, 57.7%로 대조구 온실의 온도는 외기보다 0.7°C 높았으나 시험구 온실의 온도는 외기보다 1.4°C, 대조구보다 2.1°C 낮게 나타났다. 평균 습도는 시험구 온실 74.3%, 대조구 온실 59.4%로 포그 처리를 한 시험구에서 높게 나타났다. 야간 대조구 온실의 평균 온습도는 25.2°C, 85.1%였고, 히트펌프로 냉방을 한 시험구 온실의 평균 온습도는 23.4°C, 82.4%, 로 나타났다. 야간 외부의 평균 온습도는 24.4°C, 88.2%로 대조구 온실의 온도는 외기보다 0.8°C 높았으나 시험구 온실의 온도는 외기보다 1.0°C, 대조구보다 1.8°C 낮게 나타났다. 평균 습도는 시험구 온실 82.4%, 대조구 온실 85.1%로 나타나 시험구 온실의 습도가 더 낮게 나타났다. 작물 생육은 정식하고 8주 후에는 두 온실 간의 큰 차이는 없는 것으로 나타났으나 냉방 처리 후에는 시험구 온실의 작물이 대조구에 비해 경경, 초장, SPAD 값이 높게 나타났다. 토마토의 수확량은 냉방을 시작하고 2주 후까지 총 생산량의 차이는 1.2%로 큰 차이 없었으나 3주 후와 4주 후의 일 생산량이 시험구에서 대조구보다 많게 나타났다. 최종적으로는 시험구의 수확량이 81.3kg, 대조구의 수확량이 73.8kg으로 시험구가 대조구에 비해 10.2% 많게 나타남으로써 하절기 주간 포그 냉방, 야간 히트펌프 냉방이 작물 성장에 적합한 환경을 조성해 줌으로써 생육 및 생산성에 영향을 미친 것으로 판단된다. 냉방 처리에 따른 경제성을 비교해보면 대조구 온실에서는 142,166원의 수익이 있었던 반면 시험구 온실에서는 28,727원의 손해가 발생하여 냉방 처리는 경제성이 떨어지는 것으로 나타났다. 그러나 재식 밀도, 히트펌프 운용 시간 및 기간을 조절하여 에너지 사용은 줄이면서 생산성을 증가시킨다면 경제성도 확보할 수 있을 것으로 기대되며 이에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단 된다.

에너지를 절감하기 위해 고효율 히트펌프를 개발하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있으며, 실외기 코일에 발생하는 서리가 발생하는 현상을 줄이거나 없애기 위한 연구도 동시에 이루어지고 있다. 계절에 관계없이 히트펌프의 실외기에 서리가 발생하지 않는 연구를 진행할 수 있도록 자연상태와 동일한 조건에서 실험할 수 있는 항온챔버를 구축하였다. 실험장치의 타당성을 검증하기 위해 실험장치인 항온챔버 내의 실외기 앞 덕트의 직선 길이를 3가지 조건으로 나누어 시뮬레이션 하였다. 그 결과 덕트 관경의 10배 길이만큼 직선 공간을 확보해야 한다는 것을 알게 되었다.

본 연구는 한냉지에서 실외기에 서리가 형성되지 않는 난방이 가능한 히트펌프를 개발하고자 한다. 그래서 실내에서 –25℃의 환경을 제공할 수 있는 항온기 및 실험챔버를 구성하였다. 실험장치 내에 설치된 히트펌프의 실외기 전면에 도달하는 공기의 특성을 파악할 필요가 있어 범용소프트웨어인 ANSYS CFX를 이용하여 유동해석을 하였다. 그 결과 시뮬레이션 조건(5.0∼7.0 m/s)의 모든 영역에서 실외기 전방에 도달하는 공기의 유속이 자연상태와 다르게 분포함을 파악하였다. 따라서 실외기 전면에 일정한 공기 유속이 도달할 수 있도록 별도의 공기분배기를 추가 설치할 필요가 있다고 판단된다.

The drinking water supply system applicable to the laying hen consists of air-water heat pumps, drinking water tanks, heat stroage tank, circulation pumps, PE pipes, nipples, and control panels. When the heat pump system has power of 7.7 to 8.7 kW per hour, the performance coefficient is between 3.1 and 3.5. The supply temperature from the heat pump to the heat stroage tank was stabilized at about 12±1°C, but the return temperature showed a variation of from 8 to 14°C. Stratified temperature in the storage tank appeared at 12.°C, 13.5°C and 14.4°C, respectively. The drinking water supply temperature remained set at 15°C and 25°C, and the conventional tap water showed a variation for 23°C to 30°C. As chickens grow older, the amount of food intake and drinking water increased. y = -0.0563x2 + 4.7383x + 8.743, R2 = 0.98 and the feed intake showed y = -0.1013x2 + 8.5611x. In the future, further studies will need to figure out the cooling effect on heat stress of livestock.

본 연구에서는 장미 재배온실을 대상으로 온실 내부의 태양잉여열과 외부의 공기열을 선택적 열원으로 이용하여 온실난방용 온수를 생산할 수 있는 공기 대물 히트 펌프의 설계와 성능시험을 수행하였다. 태양잉여열 이용 축열운전과 외기열 이용 축열운전은 작물의 생육적온을 고려한 온실내부의 설정온도에 따라 자동전환 되도록 설계하였다. 제어반에 12개의 기준온도를 설정함으로써 축열운전 전환, 난방, 환기를 자동제어하며, 태양잉여열-외 기열 선택적 축열운전에서 축열조의 온도는 축열능력과 난방부하에 대응하여 35~52oC로 3단계 변온제어 하였다. 태양잉여열-외기열 선택적 축열에서 태양잉여열 이용 축 열은 전체 시간의 23.1%, 외기열 이용 축열은 30.7%, 히트펌프 휴지시간은 46.2%를 차지하였으며, 난방성능계수는 태양잉여열 이용 축열 시 3.83, 외기열 이용 축열 시 2.77, 전체 3.24로 평가되었다. 비교시험을 위해 축열 조 온도를 50~52oC로 항온제어 하는 조건에서 외기열 단독 이용 축열 시험을 수행하였으며 이때의 난방성능계 수는 2.33으로 분석되었다. 결과적으로 공기 대물 히트 펌프의 열원으로 온실내부 태양잉여열과 외부 공기열을 병용하고, 축열조 온도를 변온제어한 결과 일반적인 외기열 이용 축열운전과 축열조 항온제어에 비해 난방성능 계수가 39% 향상됨을 확인하였다.

쓰레기 소각장이나 산업체의 폐열을 농업에 활용한 사례는 몇몇 있었다. 그러나 온배수를 농업에 활용한 사례는 전무하였으며, 치어, 종패 등을 양식하는 수산업이 대부분이었다. 본 연구에서는 화력발전소의 온배수(폐열)를 열원으로 이용하는 120 RT 규모의 냉난방시스템을 제주특별자치도 서귀포시 안덕면 소재의 5,280m2 아열대 작물(망고) 재배 온실에 설치, 10월에서 다음해 2월까지 약 5개월 동안 난방을 실시하여 난방에너지 비용 절감 효과 등 분석하였다. 난방에너지 비용 절감효과는 면세경유에 대하여 87%이였으며, 또한 발전소의 온배수를 에너지원으로 재활용함으로 서 62%의 이산화탄소 배출 저감 효과를 얻었다. 본 연구를 계기로 2015년에 해수가 수열에너지 분야로 재생에너지에 포함되었다. 해수의 표층의 열을 히트펌프를 사용하여 변환시켜 얻은 에너지라는 수열에너지 분야의 기준과 범위를 볼 때, 이는 온배수가 재생에너지에 포함되었다고 말해도 과언이 아닐 것으로 사료된다. 그 이유는 온배수도 해수임에도 불구하고 온도가 일반 해수 보다 7~8oC 높아, 일반 해수를 히트펌프의 열원으로 이용하는 것보다 온배수를 열원으로 이용했을 때 히트펌프의 성능이 높기 때문이다. 또한 같은 해 농식품부의 폐열 재이용 시설 지원 사업이 발표되어, 발전소 온배수뿐만 아니라 산업체와 소각장의 폐열을 농업에 활용하면 지원을 받을 수 있게 되었다. 이 사업에 의하여 2015년 당진시, 하동군, 제주시, 곡성군이 선정되었으며, 2016년 태안군, 서귀포시 등이 선정되어, 2016년 말 곡성군과 제주시가 공사를 완료, 농업에 폐열을 활용하고 있으며(제주시는 발전소, 곡성군은 산업체 폐열을 이용하고 있음), 기타 지역은 추진 중이다.