[논문 리뷰] Feasibility study and thermoeconomic analysis of cooling and heating systems using soil for a residential and greenhouse building

Morteza Bodaghi, Kazem Esmailpour외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 11.

Greenhouse Technology and Climate Control인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 주거 및 온실 건물에 대한 토양 기반 환기 시스템을 제안하며, 매설된 파이프를 통해 공기 유동을 이용해 열을 전달함으로써 수동 난방 및 냉방을 구현한다. 결과적으로 여름 최고 기온을 최대 15°C 감소시키고 겨울 최저 기온을 최대 7°C 상승시켰으며, 공기 기반 시스템은 기존 HVAC 시스템에 비해 더 효과적이며 비용도 더 저렴한 것으로 나타났다. 특히 아바단과 라스트와 같은 고온 기후 지역에서 뚜렷한 우수성을 보였다.

ABSTRACT

In the past decade, the use of renewable energy for heating and residential and greenhouse cooling structures has gained much interest due to the energy crisis, population growth, and the quantity of demand. This paper investigates heat transport and thermodynamic equations for a residential and greenhouse structure to simulate and examine the performance of a soil air conditioning system using fluid flow rate, pipe diameter, length, and fluid type features. The results show that the air-driven ventilation systems during summer outperform the rest of the HVAC systems. Moreover, decreasing the diameter and prolonging the pipeline positively affects the ventilation system's performance. In addition, the airflow rate positively correlates with our HVAC performance. We studied the performance of the air-conditioning systems in 4 cities in Iran. The Rasht's ventilation system is claimed to be the most effective for heating, and the Abadan cooling system showed outstanding results. We also compared the expenses of the soil cooling and conventional HVAC systems.

연구 동기 및 목표

• 주거 및 온실 건물에서 토양을 열 저장소로 활용하여 수동 난방 및 냉방을 위한 타당성을 평가하기 위해.
• 다양한 파이프 치수, 유량, 기후 조건에서 토양 기반 환기 시스템의 열역학적 성능을 분석하기 위해.
• 초기 투자 및 운영 비용 측면에서 토양 기반 환기 시스템과 기존 스플릿 시스템 HVAC 간의 열경제적 비교를 수행하기 위해.
• 열 성능과 비용 효율성을 극대화하는 데 최적의 시스템 파arameter(파이프 지름, 길이, 유량)를 규명하기 위해.
• 기후가 상이한 이란의 네 도시—테헤란, 타브리즈, 아바단, 라스트—에서 지역별 성능 차이를 평가하기 위해.

제안 방법

• 건물 구성 요소(벽, 바닥, 온실)의 에너지 균형 방정식을 수립하여 실내 공기, 건물 표면 및 환경 간의 열전달을 모델링하기 위해.
• 유량, 파이프 지름, 길이, 유체 종류를 핵심 변수로 하여 매설 파이프를 통한 열전달을 시뮬레이션하며, 토양 온도를 열원 또는 열_sink로 사용하기 위해.
• 공기 유동과 주변 토양 간의 열교환을 모델링하기 위해 열역학 원리를 적용하고, 대류 및 열전도 방정식을 사용하기 위해.
• 계산 기반 모델링을 통해 도시별로 파이프 기하학적 형상과 공기 유량을 변화시켜 시스템 성능 평가하기 위해.
• 초기 투자 및 전기 사용 비용을 비교함으로써 토양 기반 시스템과 기존 스플릿 시스템 HVAC 간의 열경제적 분석 수행하기 위해.
• 파이프, 팬, 전기 소비량 등의 실제 가격 정보를 통합하여 총 시스템 비용 추정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 토양 기반 공기 환기 시스템은 주거 및 온실 건물의 여름 최고 기온을 얼마나 효과적으로 낮추고 겨울 최저 기온을 얼마나 높일 수 있는가?
• RQ2 파이프 지름, 길이, 공기 유량은 토양 기반 HVAC 시스템의 열 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 이란 기후 조건에서 토양 기반 환기 시스템은 기존 스플릿 시스템 HVAC에 비해 어떤 열경제적 이점이 있는가?
• RQ4 어느 도시의 기후 조건에서 토양 기반 난방 및 냉방 시스템이 가장 높은 성능과 비용 효율성을 보이는가?
• RQ5 동일한 시스템 구성에서 공기 기반 토양 환기 시스템은 수중 기반 대비 더 효과적이고 경제적인가?

주요 결과

• 아바단에서는 토양 환기 시스템이 온실의 여름 최고 기온을 15°C 감소시키고 겨울 최저 기온을 4°C 상승시켜 다른 도시보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 라스트에서는 여름 최고 기온이 13°C 감소하고 겨울 최저 기온이 5°C 상승하여 중간 습도 기후에서 뛰어난 성능을 나타냈다.
• 테헤란에서는 공기 기반 토양 환기 시스템이 여름 최고 기온을 최대 14°C 낮추었고, 라스트에서는 11°C 감소시켰으며, 겨울 난방 성과는 위치에 따라 4–7°C 범위에서 향상되었다.
• 공기 유량을 증가시킴으로써 여름 냉각 성능이 향상되었으며, 24시간 운전 시 공기 팬 비용은 단지 $2.85에 불과하여 스플릿 시스템의 $24.08보다 크게 낮았다.
• 토양 기반 환기 시스템의 총 비용은 $250에서 $350 사이였고, 구리 파이프와 단열재를 포함한 기존 스플릿 시스템의 $9,000–$12,000에 비해 상당히 낮았다.
• 특히 여름에 더 낮은 에너지 소비와 높은 온도 조절 효율성을 보이며, 공기 기반 토양 환기 시스템이 수중 기반 시스템보다 열 성능 면에서 뛰어났다.