온실 적용을 위한 PVT와 GSHP 결합 난방 시스템의 제어 방법 비교 및 성능 평가 = Comparison of Control Methods and Performance Evaluation of the Combination System of PVT and GSHP for Greenhouse Applications

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 난방부하가 큰 온실에서 장기간 사용 시 발생하는 지중온도 하락 문제를 해결하기 위해 PVT-GSHP 시스템을 제안하고, 이를 기존 GSHP 시스템인 Case 1과 비교하여 PVT 시스템의 결합이 난방 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 PVT-GSHP 시스템의 최적의 제어 로직을 도출하기 위해 Case 2와 3의 성능을 TRNSYS 18을 활용하여 비교 및 분석한 결론은 다음과 같다.
(1) Case 1, 2, 3의 BTES 방열량, 축열량 및 지중 온도를 비교한 결과, PVT를 결합하지 않은 Case 1은 방열량이 53.21 MWh로 가장 많았고, 평균 지중온도는 최저 11.38℃까지 하락했다. Case 3은 난방 시즌 동안 Case 2보다 많은 47.18 MWh의 방열량을 기록하며, 비난방 시즌 동안 저장 가능한 열용량이 증가했다. 이를 통해 PVT를 통한 열 저장과 자연 열 축적이 이루어져 가장 높은 축열량인 16.63 MWh를 달성했다. 또한 Case 3은 비난방 시즌인 9월에 최대 평균 지중온도 15.59℃를 기록했으며, 5년간의 장기간 사용 시에도 Case 1과 2에 비해 지중온도가 하락하지 않고 안정적으로 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
(2) Case 1, 2, 3의 GSHP 난방 공급 열량, 소비전력 및 평균 난방 COP를 비교한 결과, 모든 Case에서 난방 공급 열량은 유사한 수준을 유지하였다. 그러나 Case 3의 연간 총 GSHP 소비전력은 19.99 MWh로, Case 1 대비 11.5%, Case 2 대비 3.4% 절감되었다. 또한, Case 3의 평균 난방 COP는 3.73으로 가장 높았다. 이는 BTES의 효율적인 축열을 통해 지중온도를 안정적으로 유지함으로써 GSHP 압축기 부하를 줄이고, 불필요한 운전을 최소화하여 소비전력을 절감한 결과이다. 따라서, Case 3의 제어 전략이 에너지 절감을 극대화하고 난방 성능을 최적화하는 최적의 방식임을 입증하였다.
(3) Case 3의 PVT 성능을 분석한 결과, PVT의 연간 총 집열량 14.54 MWh 중 5.01 MWh는 난방 시즌 동안 온실 난방에 사용되었고, 나머지 9.53 MWh는 비난방 시즌 BTES에 축열 되었다. PV의 연간 총 발전량 7.28 MWh는 GSHP의 연간 총 소비전력의 36.4%를 상쇄하였으며, 이를 통해 PVT 시스템 결합이 난방 성능의 안정적 유지와 전체 시스템의 에너지 효율 극대화가 가능함을 입증하였다.
(4) Case 3의 CO2 절감량을 계산한 결과, PVT 시스템의 연간 총 CO2 절감량은 6444.8 kg_CO2로 이는 중부지방 25년생 소나무 658그루가 1년 동안 흡수하는 CO2와 동일한 양이다. 이러한 결과는 PVT 시스템의 온실가스 감축 효과를 명확히 입증하였다. 또한 태양열(ST)의 CO2 절감량은 태양광(PV)보다 약 1.2배 높은 것으로 나타나 신재생에너지로서 태양열의 높은 잠재력을 확인할 수 있었다.
난방 부하가 큰 온실에서 지중온도 하락 문제를 효과적으로 해결하고, 장기간 사용 시에도 안정적이며 같은 용량 대비 GSHP의 소비전력이 가장 낮아 경제적으로 효과적인 시스템은 Case 3의 제어로직을 적용한 PVT-GSHP 시스템이다. 또한, PVT 시스템은 태양열과 태양광 장점을 결합하여 온실가스 감축 효과와 에너지 효율을 극대화하는 최적의 솔루션임을 입증하였다. 향후 연구에서는 실증 실험을 통해 시뮬레이션의 신뢰성을 검증하고, BTES 및 PVT 시스템의 용량 최적화를 진행할 예정이다. 또한, CPR 및 LCC 분석을 병행하여 경제성을 평가하고, 시뮬레이션 대상 조건들의 표준화를 추진할 계획이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ground source heat pump (GSHP) systems face long-term ground temperature decline and COP reduction due to imbalanced heating and cooling loads, which are further exacerbated in high-heating-load environments such as greenhouses. Additionally, conventional flat-plate and evacuated tube collectors utilize solar energy only as heat, limiting overall system efficiency. This study proposed a PVT-GSHP system that integrated photovoltaic thermal (PVT) technology to address these challenges and developed a solution tailored for greenhouse environments. Using TRNSYS 18, the conventional GSHP system (Case 1) was compared with two PVT-GSHP configurations (Case 2 and Case 3). Case 3 demonstrated a BTES heat emission of 47.18 MWh and a heat storage capacity of 16.63 MWh, maintaining stable ground temperatures over five years. In addition, GSHP power consumption in Case 3 was reduced by 11.5% compared to that in Case 1, with the PVT system generating 14.54 MWh of thermal energy and 7.28 MWh of electricity, offsetting 36.4% of the GSHP's energy consumption. Finally, the PVT system reduced CO2 emissions by 6444.8 kg_CO2, equivalent to the annual absorption of 658 pine trees, demonstrating its effectiveness in greenhouse gas mitigation.