땅속 열熱로 시설원예농가의 난방비 해결

개발동기
최근 들어 석유수급 불안정에 의한 고유가 및 세계기후협약, 교토의정서 발효 등으로 CO2 배출 규제 심화가 예상되어 전 세계가 신재생에너지 기술개발 및 보급에 주력하고 있다. 우리나라도 신재생에너지 기술 개발 보급 촉진법의 의거 2011년까지 국내 총에너지 소비의 5%를 신재생에너지로 대체할 것을 목표로 정하였고, 이를 위하여『저탄소 녹색성장』이라는 신개념 패러다임의 기반 구축을 위한 노력이 범 국가적 차원에서 이루어지고 있다.

특히 농업분야의 경우, 석유에너지의 소비가 가장 많은 시설원예 설치면적은 약 53,000ha 이며, 설치면적 중 약 13,000ha는 겨울철에 석유에너지를 이용하여 난방을
하고 있는 실정이다. 농업분야 총 석유소비량은 연간 약 247만kL이며, 총 소비량의 55%에 해당하는 135만kL(1조 6천억 원)를 시설원예 난방에 사용하고 있어 시설원예
농업인은 난방비 부담의 가중으로 소득이 크게 줄어 이에 대한 대책이 필요하며, 국가적으로도 석유에너지를 대체할 신재생에너지의 개발보급이 필요한 실정이다.
일반적으로 건물의 난방에너지를 대체할 수 있는 신재생에너지원은 수직형 지열히트펌프가 가장 경제성이 높은 것으로 알려져 있으나, 초기투자비용이 많이 들어 시설원예에 보급하기에는 어려운 실정이다. 따라서 시설원예에 적합한 대체 난방시스템으로 초기투자비용이 적게 들면서 성능이 우수한 축열식 수평형 지열히트펌프 시스
템을 개발하게 되었다.

개발 기술의 특징
현재 보급되고 있는 지열히트펌프 시스템은 대부분 수직형 열교환기를 구비한 기종이며, 일반 건물의 냉난방시스템으로 보급되고 있다. 농촌진흥청에서 개발한 지열
히트펌프 시스템은 축열조와 수평형 지열교환기를 구비하고 있으며, 농업시설의 냉난방 부하 특성을 고려한 제어 알고리즘을 갖추고 있다.
아래의 표에서 보는 바와 같이 지열교환기는 땅속 3m의 깊이에 설치되어 7~15℃의 땅속열을 이용하며, 설치비용도 기존의 수직형에 비해 45% 정도 적게 든다.

축열식 수평형 지열히트펌프 시스템은 아래의 그림에서 보는 바와 같이 히트펌프, 판형열교환기, 지열교환기, 축열조, 팬코일유닛으로 구성된다. 땅속에서 흡수한 지열은 판형열교환기를 통하여 히트펌프의 냉매에 전달되며, 지열을 흡수하여 증발된 냉매는 히트펌프의 압축기에서 고온고압의 과열증기로 변환되어 응축기로 이동하며, 응축기에서 40~50℃의 온수를 만들어 축열조에 저장하게 된다. 이 때 축열조에 저장된 온수는 팬코일유닛을 통해서 온실의 난방에 이용된다.

지열교환기는 Slinky 타입으로 온실의 지하 또는 외부에 매설하게 되며, 난방성능 향상을 위한 지온보상장치가 구비되어 주간의 온실 내에 남아도는 잉여 태양에너
지를 지중으로 투입하도록 설계되었다.
또한 여름철 냉방시에 냉방성능 향상 및 안전을 위한 팬코일형 응축열 교환기를 구비하여 난방기준 설계에 따른 냉방용량을 보충할 수 있도록 하였고, 적정 용량의 축열 시스템을 도입해서 온도제어 균일화 및 고장 등 비상사태시 안전성을 확보하였다. 특히 시설원예 냉난방 부하 특성에 적합한 제어 알고리즘 개발해 적용함으로써 수평형 지열히트펌프 시스템의 성능을 크게 향상시켰다.

현장실증연구
개발된 기술을 실제로 시설원예농가에 적용하고, 그 효과를 입증하기 위해서 현장실증연구를 수행하였다. 현장실증농가는 경남 진주시 사봉면에 위치하고 있으며 조직배양묘를 재배하고 있다. 온실의 관리온도는 22℃이며, 온실면적은 1,000m2이었고, 3동의 온실에 농촌진흥청에서 개발한 축열식 수평형 지열히트펌프 시스템, 수직형 지열히트펌프 시스템, 경유난방기를 각각 설치하고 난방비용을 비교분석하였다.
현장실증연구는 2007년 12월 20일에서 2008년 3월 22일까지 약 3개월간 실시하였으며, 각각의 온실에서는 조직배양묘의 재배하였고 시험기간동안 실내온도는 22.0℃로 설정해서 겨울철 난방시험을 수행하였다.
본 연구의 주안점은 축열식 수평형 지열히트펌프의 경제성을 분석하는 것이며, 수직형 지열히트펌프와 경유난방기는 대조구로 활용하였다.
축열식 수형평 지열히트펌프는 지열교환기, 축열조, 히트펌프, 실내열교환기 등으로 구성하였으며, 지열교환기는 3.0m의 깊이에 폭 1.5m, 길이 37.0m의 트렌치를 파고 아래의 그림 1에서 보는 바와 같이 설치하였다. 지열교환기용 파이프는 내경 28mm, 외경 34 mm의 PE파이프를 사용하였고, 파이프는 직경 1.0m의 Slinky 형태로 제작하였다. 총 8개의 트렌치에 설치된 지열교환기의 총길이는 6,000m이었으며, 지열교환기의 총 길이는 히트펌프의 증발열량을 기준으로 설계하였다.

특히 진주지역의 최저외기온과 시험용 온실의 보온상태, 재배작물의 관리온도 등을 고려하여 최대난방부하를 산정하였으며, 이를 기준으로 축열식 수평형 지열히트펌프의 용량을 설계하였다. 축열식 수평형 지열히트펌프의 용량은 25RT(80,000kcal/h)로 결정하였고, 축열조 용량은 겨울철 평균일의 온실내 잉여태양에너지를 축열하여 사용한다는 가정 하에 200,000 kcal로 설계하였으며, 축열조의 규모는 축열용량을 기준으로 계산하여 10톤으로 결정하여 설치하였다. 축열식 수평형 지열히트펌프를 구성하고 있는 모든 기계장치들은 위의 사진에서 보는 바와 같이 제어시스템에 의해서 자동으로 제어되며, 컴퓨터를 이용해 실시간으로 모니터링이 가능하도록 하였다. 또한 온실내부에 열을 공급하는 열교환기는 아래 사진에서 보는 바와 같이 팬코일로 제작해 온실의 상부에 설
치하였고, 팬코일의 총발열량은 히트펌프 응축기의 토출열량을 기준으로 설계하였다.
비교시험을 위한 수직형 지열히트펌프 시스템은 일반건물에 도입하고 있는 수직개방형으로 제작하여 설치하였으며, 히트펌프의 용량은 수평형과 동일하게 25RT로 설계하였다.
이상과 같이 설치한 수직형과 수평형 지열히트펌프 시스템의 정격전력부하는 아래의표에서 보는 바와 같이 수직형이 수평형보다 5.5 kW 크게 나타났다. 수직형이 수평형 보다 정격운전부하가 크게 나타난 주된 요인은 수직형이 수평형보다 높은 압력 상태에서 운전되기 때문이며, 또 다른 요인은 수직관정형의 펌프용량이 수평형보다 약간 크기 때문이다.

축열식 수평형 지열히트펌프시스템은 지열교환기에서 흡수한 열을 판형열교환기를 통해서 히트펌프의 증발기로 전달되고, 증발기에 전달된 열은 히트펌프의 압축기에서 60~80℃의 고온열로 변환되며, 고온으로 변환된 열은 판형열교기를 통해 축열조에 저장된다. 축열조에는 40~50℃의 열이 온수형태로 저장되었다가 난방이 필요한 시간에 온실 내부에 설치되어 있는 팬코일형 실내열교환기에 공급되면서 난방이 이루어지도록 하였다.

수직개방형 지열히트펌프의 설치비용은 90,000천 원(25RT)이 소요되었으며, 축열식 수평형 지열히트펌프의 설치비용은 45,000천 원(25RT)이 소요되었다.
위의 표에서 보는 바와 같이 경유난방기를 설치한 온실에서 시험기간 3개월 동안 사용된 경유소비량은 10,769L이었으며, 이를 시험기간동안의 면세유 평균가격 820원/L로 산정하여 총 난방비용은 8,830,580원으로 분석되었다. 수직개방형 지열히트펌프시스템이 설치된 온실에서는 농업용(병)전기를 기준으로 3개월동안 44,679kW의 전력이 소비되었으며, 이를 비용으로 환산하면 1,787,880원으로 분석되었다. 또한 축열식 수평형
지열히트펌프시스템이 설치된 온실에서는 3개월동안의 전력소비량이 48,824kW이었으며, 이를 비용으로 환산하면 1,952,960원으로 나타났다. 초기투자비용(설치비용)을 고려할 때 수직개방형 지열히트펌프시스템의 초기투자비용 회수기간은 12.8년(9,000만 원/절감액)으로 나타났고, 축열식 수평형 지열히트펌프시스템의 초기투자비용 회수기간은 6.5년(4,500만 원/절감액)으로 분석되었다.
이와 같은 분석 결과는 2007년 12월 20일에서 2008년 3월 22일까지 92일 동안 실시한 시험결과를 기초로 분석한 것이며, 실질적인 겨울철 난방기간(170일)이 10월 하순에서 4월 초순인 것을 고려한다면 축열식 수평형 지열히트펌프시스템을 설치한 온실의 난방비 절감액은 최대 12,708,646원(6,877,620원/92일×170일)으로 예상할 수 있으며, 초기투자비용 회수 기간은 4년 이내로 단축될 것으로 기대된다.

맺음말
축열식 수평형 지열히트펌프 시스템은 난방 뿐만 아니라 여름철에 온실의 냉방도 가능하기 때문에 고온기 냉방에 의한 작물재배 효과를 고려한다면 충분한 경제성을 가질 수 있으며, 앞으로의 연구에서 다양한 작물의 재배에 응용하여 난방비 절감효과와 작물재배효과를 분석해 경제적 가치를 증명한다면 개발 기술의 보급이 크게 활성화 될 수 있을 것으로 기대된다.
이와 같은 축열식 수평형 지열히트펌프 시스템은 지열교환기를 설치할 수 있는 부지의 확보가능한 농업시설에 적합하고, 축사 등에도 설치가 가능할 것으로 예상되며, 2008년도에 시설원예 지열난방보급사업이 확정되어 고온성 작물, 여름철에 냉방이 필요한 작물, 수출농산물 생산시설 등에 보급이 이루어지고 있다. 따라서 이를 통해 농업인의 소득 증대는 물론이고 농업부문의 석유에너지 절약에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.



출처 : 계간 감사 - 제102호 (감사원)

작성 : 신재생에너지연구실 / 에너지환경공학과
/ 농업공학부 / 국립농업과학원