연어과 어류 순환여과 양식시스템 내 지열 기반 수온 제어 모델의 수치 및 시뮬레이션 분석

Abstract

본 연구는 연어 순환여과 양식시스템(Recirculating Aquaculture System, RAS)의 에너지 절감과 운영 효율성 향상을 위해 지열 기반 수온 제어 시스 템의 적용 가능성과 경제성을 평가하였다. 지열루프의 관경 및 유량 조건에 따른 열획득 성능을 수치해석과 CFD 시뮬레이션을 통해 정량적으로 비교하 였으며, 이후 연어 순환여과 양식시스템과의 통합 구조 및 실내 공기 제어 전략을 반영한 시나리오 기반 해석을 통해 전체 시스템의 열수지와 전력 소 비량을 산정하였다. 분석 결과, 지열루프 적용 시 히트펌프의 보완 열량이 최 대 30 % 이상 감소하였으며, 이에 따른 전력 소비 절감 효과가 확인되었다. 또한 실내 공기 제어 전략은 계절 및 시스템 규모에 따라 에너지 소비에 상 이한 영향을 미쳐, 조건별 전략적 적용이 필요함을 보여주었다. 경제성 분석 에서는 루프 적용 시 초기 총 구축비가 요구되나, 히트펌프 설비의 축소로 일부 투자비가 상쇄되며, 연간 전력비 절감을 통해 약 6년 내 전체 투자비 회수가 가능한 것으로 나타났다. 특히, 순수 루프 투자에 대한 실질적인 비용 이득은 약 2년 차부터 발생하는 것으로 분석되었다. 본 연구는 지열 시스템 을 활용한 순환여과 양식시스템 수온 제어의 기술적 타당성과 경제성을 수치 기반으로 입증하고, 스마트양식시설 설계를 위한 실질적 기준을 제시하였다 는 점에서 의의가 있다.|This study evaluates the applicability and economic feasibility of a geothermal-based water temperature control system to improve energy efficiency and operational performance in a recirculating aquaculture system (RAS) for salmon. The thermal performance of geothermal loops under varying pipe diameters and flow rates was quantitatively compared using numerical analysis and CFD simulations. Subsequently, scenario-based simulations incorporating the integrated structure of the RAS and indoor air control strategies were conducted to estimate the system’s overall heat balance and power consumption. The results showed that the application of geothermal loops reduced the supplemental heating load on heat pumps by more than 30 %, thereby contributing to significant energy savings. In addition, indoor air control strategies exhibited varying impacts on energy consumption depending on seasonal and system conditions, suggesting the need for selective application. Although the implementation of geothermal loops required additional initial investment, partial offset was achieved through the downsizing of heat pump facilities. Annual energy savings indicated that full cost recovery could be achieved within approximately six years, with net economic benefits from the loop investment emerging as early as the two year. This study quantitatively demonstrates the technical feasibility and cost-effectiveness of geothermal systems for water temperature regulation in RAS, providing practical design guidelines for smart aquaculture facilities.