온실난방 솔루션

열원기기에서 열이송 수단으로 사용되는 열매체의 종류에 따라서 물을 이용하는 경우와 브라인을 이용하는 경우로 나눌 수 있는데 물은 비등점이 100℃ 동결점이 0℃로 낮은 관계로 많은양의 에너지가 필요할 경우 관경등 시설비가 증가하고 겨울철 저온 사용시 동파등에도 대비해야한다.

이러한 이유로 비등점이 높고 어는점이 낮은 브라인중에 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 등을 사용하는 경우도 있으나 온실난방용도로 사용하기에는 브라인의 가격 및 유지비 보일러설비 열효율등을 고려할시 극지방을 제외하고는 농업에 적용하는 경우는 극히 제한적이다.

배관을 통하여 농장에 공급된 열매체를 이용하여 난방하는 방법 즉 온실의 온도를 높이는 방법으로 지중난방 즉 근권난방과 공간난방으로 나눌 수 있는데 근권난방은 지열 또는 배지의 온도를 올려 작물의 뿌리부분을 난방하는 방법으로 보통 16mm엑셀파이프를 500mm간격으로 식물의 뿌리근처에 매설하고 40℃온수를 순환하여 지중온도를 관리하는 방법이나 엑셀배관이 50m을 넘지않도록 설계하고 온수의 입구와 출구부분의 온도편차를 최소로 할 수 있도록 환수배관은 리버스리턴방식으로 설계하고 관경 펌프용량 온수온도 보일러용량등 경험이 풍부한 전문가의 조언에 따라 설계한다. 공간난방은 온실내부 공기를 가열하는 방법으로 근권난방보다 열손실량이 많으나 설치비용이 저렴하고 유지관리가 용이하여 대부분 이러한 방법을 사용하나 가장 좋은 최선의 방법은 이러한 방법 두가지를 병행하는게 식물성장 및 에너지 이용면에서 효율적이다. 공기를 가열하는 방법으로 공기의 비중차를 이용한 자연순환식과 팬과 열교환기를 이용한 강제순환방식으로 구분한다.

자연순환방식은 온실외곽 내부 기둥 밴치등에 라디에이터 방열관등을 설치하여 관내부에 온수를 순환, 뜨거워진 파이프 및 방열핀과 공기가 열교환하여 난방하는 방법이고 강제순환식은 FCU 팬코일유닛을 온실외곽지명에 주로설치하고 부족한 부분은 내부 중방기둥바닥에 설치하여 코일내부에 온수를 순환, 전면에 부착한 팬이 가동하면서 공기와 열교환하는 구조로 구조가 복잡하고 모터등 전기장치가 내장되어 있어 부식 누전등 관리비용이 추가로 발생하여 주름관 알루미늄 철핀을 감은 파이프콘벡터를 온실외곽 벤치하부등에 설치하는 방법이 주로 사용되고 있다.

장기간 사용으로 화실이 부식되어 연소 후 배출되는 배기가스가 실내공기와 희석되어 온실내부에 유입되는 경우가 있으므로 육안검사와 냄새등으로 확인할 수 있으며 외부로 배출되는 연통설치부분에서의 누설여부도 철저히 관리한다. 이와같이 화석연료를 사용하는 열풍기는 공기와 열교환후 배출되는 배기가스를 통해 손실되는 열량이 30%정도로 많으므로 배기통에 열교환기를 설치하여 이를 회수하는데 통상 연소과정에서 배출되는 가스량에 해당하는 공기만큼 온실내부는 음압으로 부족한 공기는 출입문등 온실의 틈새를 통하여 유입되어 난방부하를 증대시킨다. 이러한 문제를 해결하고 배출되는 배기가스의 열을 회수하기 위한 배기열 회수장치는 중요하다.

소형 가스열원 온풍 히터는 온실상부 구조물에 거치하여 설치하는데 통상 연소후 배기가스를 온실내부에 배출하는데 이는 이산화탄소의 공급으로 식물의 탄소동화작용을 촉진하는 역할을 한다. 그러나 배기가스 중에 에틸렌가스로인해 잎이 떨어지고 과일이 빨리 익는 원인이 될 수 있으며 공기중 수분함량이 증가하면 과도한 습도와 결로 문제가 발생할 수 있으므로 이런 부분을 의식하고 배기가스의 외부처리여부를 판단한다.

물은 높은곳에서 낮은곳으로 흐르는데 이를 반대로 낮은곳에서 높은곳으로 이동하기위하여 사용되는 것이 펌프이다. 이처럼 열도 높은곳에서 낮은곳으로 이동하여 열평형을 이루는데 겨울철 외기의 온도는 낮고 온실온도는 높다.
이러한 상황에서 공기열 히트펌프를 이용한 열이동에는 많은 어려움이 있다. 외기와 실내의 온도차가 많을수록 열펌프의 고저압 압력차가 증가하여 소요동력은 증가하고 이동에너지는 크지 않다. 이처럼 공기열 히트펌프는 외기온에 의하여 냉매순환량이 좌우되면서 외기온이 낮을수록 효율이 떨어진다. 또한 이러한 공기열 히트펌프는 실외기쪽 열교환기에 성에가 발생 하는데, 이는 열교환기 즉 증발기 내부 냉매의 상변화온도가 0℃이하에서 운전되는 경우가 대부분으로 이는 외기온도에 따라서 증발온도가 변하는데, 외기온도가 –10℃일 때 냉매의 증발온도는 –17℃정도로 통상 외기온도와 7℃정도의 편차를 유지한다. 이는 외기온도보다 냉매의 증발온도가 낮아야 외기로부터 열을 흡수할 수 있는 것으로 이때 온도차가 클수록 열 흡수량은 많아진다. 이러한 이유로 증발기 열교환 표면에 성에가 발생하는데 이를 주기적으로 녹여 주어야 한다. 겨울철 일반적인 날씨에서는 눈이 오는경우도 있는데 이럴 경우 눈이 증발기 열교환 핀코일 속으로 유입되어 금세 바람의 통과를 차단하는데 이럴 경우 공기가 통하지 못해 증발기의 기능을 상실한다. 센서는 이를 감지하여 열펌프를 역으로 순환하여 증발기를 녹이는데 이때 필요한 열은 온실내부에서 취하는데 이럴 경우 온실의 난방은 중지되고 히트펌프 보일러의 실내열교환기에서는 냉풍이 나온다.

이러한 이유로 공기열 히트펌프는 상온에서는 일정량의 온열을 토출하나 저온으로 갈수록 효율은 감소하고 제상시간은 길어진다. 이를 해결하기 위한 방법으로 지열 수열을 이용하여 냉동기를 운전하는데 수열이용은 땅속에지하수를 이용하는 방법으로 증발기의 증발열을 지하수와 열교환하여 지하수로부터 에너지를 흡수하는 방법으로 지하수의 수온은 상시일정하고 열용량 또한 공기보다 월등히 많으므로 안정적으로 히트펌프를 운전할 수 있다. 효율 COP부분도 공기열보다 50%정도 향상되어 3.5∼4정도로 높다. 이는 컴프레셔의 일의열당량 대비 응축기의 방열량으로 냉동기 1kw의 동력으로 방열기에서 4kw열량을 토출한다는 의미로 냉방효율보다는 난방효율이 높다. 수열이용은 사용한 지하수를 다시 지하로 돌려보내는 문제가 발생하는데 이 과정에서 지하수가 오염될 수 있으므로 주의하여야 한다.

지중열 이용방법은 지하에 열에너지를 사용하여 히트펌프보일러에서 난방 및 급탕이 가능한 시스템으로 지하 150m깊이로 지중열 교환기를 설치하고, 지열히트펌프 칠러부분의 냉각수를 지중열 교환기를 통하여 땅속 지중열과 열교환 냉각수의 온도를 일정하게 유지하여 히트펌프에 열을 지속적으로 공급하는 시스템으로, 시스템의 열이동 과정은 쉘앤튜브식 수냉식 응축기에서 냉매의 응축열은 쉘내부를 순환하는 냉각수 즉 난방수와 열교환하고 냉매는 응축하여 액체로 상변화 하여 칠러냉각기의 냉각수와 열교환 에너지를 흡수 냉매는 증발하여 냉동기에 흡입된다. 이때 칠러에서 냉매와 열교환하여 차가워진 물은 배관을 통하여 지하를 순환하면서 지중열에 가열되어 일정온도를 유지한다. 이러한 방법은 수냉식 칠러냉동기의 열순환 방식과 같은 원리로 안정적인 지중열을 이용하여 4계절 일정한 냉난방이 가능하나 초기시설투자비가 고가이고 유지관리에 많은비용이 필요하다.