1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 건물 에너지 시뮬레이션
2.2 온실 모델 가정
2.3 난방 시스템
3. 모델 검증
4. 결 과
4.1 난방용량 산정
4.2 경제성 비교 및 환경영향 평가
5. 결 론
1. 서 론
국내 시설원예 산업은 연중 작물재배와 시설현대화 사업을 지속적으로 추진하면서 고부가가치를 창출하고 있다. 우리나라 시설원예 총면적은 약 57,000 ha에 이르며, 이는 대략 서울시 면적(60,500 ha)에 근접한다. 시설의 대부분은 플라스틱하우스(비닐하우스)로 이 중 33%가 가온에 의한 재배가 이루어지고 있으나, 타 건축물 대비 상대적으로 단열성이 낮은 피복재를 이용하고 있어 단위시설의 에너지 부하가 크다. 특히, 겨울철에도 안정적으로 작물을 재배하기 위해 난방이 필수적이다. 온실에서 이용되는 에너지원은 대부분 유류(71% 등유, 4% 중유, 2% 경유 등)로 이를 연소하며 발생하는 열을 이용하여 대부분의 농가에서 난방하고 있다. 이는 농가 단위에서 경영비 중 난방비가 30~40%에 큰 비중을 차지하는 것 뿐만 아니라 국가적으로도 우리의 식량이 국제 유가 변동에 취약한 것을 시사한다[1]. 더욱이 2015년 시설난방용 경유에 대한 면세 혜택이 폐지되면서 전기 난방기 사용이 급격히 증가하고 있는데, 농가 입장에서는 타 에너지와 대비하여 농사용 전기가 저렴하고 사용하기 편리하나, 2차 에너지인 전기를 난방 에너지원으로 사용하는 것은 국가적인 차원에서 손실이 매우 크다[2]. 한편, 온실 난방에서 가스연료가 차지하는 비중은 1% 이하에도 미치지 못하고 있어 유류 연료의 대체 연료로서의 활용가능성이 제기되고 있다.
온실 난방 에너지에 대한 중요성이 점차 증대됨에 따라 온실 부하 해석에 대한 연구가 많이 수행되고 있다. Lee et al.[3]은 4가지 타입의 온실 규격을 모델링하고 우리나라 대상지역 6곳의 냉난방부하 특성을 각각 산출·비교하여 건물 에너지 시뮬레이션 기법이 온실에서도 적용 및 활용 가능한지 검토한 연구를 진행하였다. Lee et al.[4]은 연동형 온실 모델을 개발하고 현장실험을 기반으로 작물과 토양의 에너지 모델까지 구현하였다. 이를 토대로 발전소 온배수를 활용을 위한 설비 시스템 용량을 산정하였다. Vandiee et al.[5]은 이상적으로 환기창이 없는 폐쇄 온실을 모델링하여 기존 온실과 대조적으로 온실 자체를 축열 공간으로서 활용할 때 온실 냉난방 부하를 계산하고 파라메트릭 연구를 수행하였다. Semple et al.[6]은 추운 기후 지역에서 온실 난방을 할 때 화석연료를 보통 사용하는데, 지속가능한 농업 차원에서 냉난방 부하를 줄이기 위해 온실 설계 변수에 대한 영향성을 분석하였다. Yu et al.[7]은 온실의 표준모델을 대상으로 난방 부하를 산정하고, 열원 시스템으로 지열 히트펌프와 디젤 보일러를 사용하였을 때 경제성을 분석하였다. 대부분의 연구는 유류 연료나 전기를 사용하는 온실을 대상으로 설계변수 변화나 내부 에너지 교환에 따른 부하 분석에 국한되어 있고, 가스를 연료로 한 온실 난방 시스템에 대한 체계적인 연구는 전무한 실정이다.
한편, 온실 재배 시 이산화탄소 농도를 대기 평균인 400 ppm에서 1,000 ppm으로 증가시키면, 광합성률을 향상시켜 작물의 생산량이 20~30% 증가하는 것으로 알려져 있다[8]. 온실 분야 선진국인 네덜란드에서는 연소 배가스에 포함된 이산화탄소를 온실 내부로 공급하는 탄산시비(CO2 enrichment) 시스템을 널리 사용하고 있다. 유류 난방기를 사용할 경우 배가스에 포함된 NOx와 C2H4 등 미연탄화수소(unburned hydrocarbon) 성분이 작물 성장에 장해를 입히므로 적용이 불가능하나 가스 난방기를 사용할 경우 배출물 제어가 가능(CO, NOx < 25 ppm)하므로 배가스를 이용한 탄산시비용으로 사용이 가능하다.
이에 온실에서 난방에 사용하는 연료 종류와 기기 효율 변화에 따라 에너지 비용과 온실가스 배출량을 정량적으로 산출하는 것이 필요하다. 또한 기존에 버려졌던 연소된 배기가스를 농업에서 탄산시비로 재이용함으로써 온실가스 배출량을 감축할 수 있는 가능성을 제시하고자 한다. 따라서 본 연구에서는 동적에너지 시뮬레이션을 이용해 시설기기에 대한 난방 용량을 산정하고 난방 방법에 따라 소비되는 투입 에너지 비용 및 온실가스 배출량을 산정하기 위한 에너지 해석을 수행하고자 하였다. 난방 시설기기는 국내 온실에서 주로 사용하는 등유 온풍기를 기준으로 가스 온풍기 사용에 따른 에너지 비용을 비교 함으로써 연료 대체 효과를 비교하였다. 또한 난방 효율을 높이고, 에너지 비용을 줄이기 위한 방법으로 가스히트펌프(gas engine driven heat pump, GHP) 케이스를 선정하여 GHP 사용에 따른 효율 향상 및 GHP 배기가스를 이용한 CO2 추가 공급에 따른 효과를 분석하고자 하였다. 결과적으로 시설원예 재배의 필수적 요소인 난방 에너지 및 이산화탄소 공급의 효율적인 활용 방법을 도출하기 위해서 에너지 연료 및 난방기기 조합에 따른 경제성 및 환경영향성을 비교 평가하는 데 목적이 있다.
2. 재료 및 방법
2.1 건물 에너지 시뮬레이션
온실의 경우 일반 건축물과 비교할 때 방위별로 유입되는 시간별 태양 일사량 및 기상조건 변화, 그리고 피복재의 물리적 특성은 내부 에너지 계산에 중대한 영향을 미친다. 시간에 따라 가변적인 요소를 비정상상태로 가정한 동적해석이 필요하며, 본 연구에서는 대표 동적 시뮬레이션 규약인 ASHRAE 140을 참조하여 열 부하를 해석하는 TRNSYS(Wisconsin, USA) 소프트웨어를 사용하였다. TRNSYS는 전달함수법을 이용한 동적 시뮬레이션을 통하여 건물의 에너지 흐름을 계산하는 프로그램으로 에너지 해석 공간을 이루는 벽체의 열용량, 밀도, 열전도도 등에 따른 건물 표면으로부터의 열전달과 환기 및 침기, 내부 발열량 등을 고려하여 해석공간의 에너지 흐름을 산정한다. TRNSYS는 본래 태양열 시스템 설계와 동적 시뮬레이션을 목적으로 개발하여 보급하기 시작한 상용프로그램으로 다른 BES(Building Energy Simulation) 툴에 비해 태양에너지 관련 시뮬레이션이 강화되어있어 건축물 중에서도 특히 온실을 해석하는 데 많이 사용되고 있다[9,10,11,12,13].
기상데이터는 에너지플러스 시뮬레이션에 입력하기 위한 형태인 EnergyPlus Weather file(epw) 포맷을 사용하였다. 표준 기상데이터로 fmt형식(TRY, TMY2, WYEC)이 많이 사용되고 있으나 epw 파일은 유효천공온도, 지표면 반사율 등 기본으로 제공되는 기상 항목이 더 다양하며, Perez 모델을 적용하여 일사량(직달일사 및 확산일사)을 활용하기에 신뢰성이 높다[14]. 또한 기존 건물을 대상으로 제공하는 창호가 아닌 온실 피복재의 높은 광투과율을 구현하기 위해 창호 모델링 프로그램인 WINDOW (LBNL, USA)를 이용하였다.
2.2 온실 모델 가정
모델 검증을 위한 비교 대상 온실로 경기도 파주시에 위치한 전면적 1,690 m2 농가를 선정하였고, 비교 온실의 크기는 한 스팬 당 폭 3.2 m, 길이 33.0 m, 측고 4.3 m, 동고 4.9 m에 이른다. 온실 방향은 남북동이며, 플라스틱 하우스의 피복재인 0.1 mm 두께의 폴리올레핀 필름의 물성치는 태양방사투과율 0.75, 태양방사반사율 0.10, 가시광선투과율 0.88, 가시광선반사율 0.10, 적외선방사율 0.84, 열전도도 0.33 W/m·K, u-value 5.62 W/m2·K로 적용하였다. 골조는 스테인리스 재질이며 밀도 7,800 kg/m3, 열용량 0.51 kJ/kg·K, 열전도도 56.0 W/m·K, 두께 0.05 m로 u-value가 2.56 W/m2·K로 계산되어 적용하였고, 골조율 10%로 모델링하였다.
해석 기간은 난방이 필요한 10월부터 3월까지 총 4,368 시간으로 하였고, 대상 작물은 토마토로 가정하여 적정 생육온도 조건을 맞추기 위한 난방기 온도 조건은 다음과 같이 설정하였다. 일사량의 축열 효과가 발생하고 외기가 높은 주간(12:00 ~ 17:00)에는 22°C에서 가동하기 시작하여 25°C에 전원이 꺼지고, 야간(18:00 ~ 11:00)에는 12°C부터 15°C까지 작동한다고 가정하였다. 침기량은 0.5ACH로 동절기 해석기간 동안 일정하게 유지하였다[15]. 외기 조건은 파주시 표준기상데이터를 사용하였으며, 기상데이터를 분석한 결과 해석기간 동안의 평균 기온은 2.5°C로 나타났다.
겨울철 온실의 내부부하 요소인 조명과 보온을 모델에추가적으로 고려하였다. 대상작물인 토마토는 강광성 작물로 광합성 속도가 최대인 빛의 세기를 일컫는 광포화점이 70 klx이다[8]. 태양 일사 70 klx는 약 280 W/m2으로 광합성 촉진시간에 일사량이 280 W/m2에 못 미칠 경우 고압나트륨등으로 보광한다고 가정하였다. 온실에 5 m당 360 W 고압나트륨등이 설치되고, 조명기구로부터 발열량을 1 W당 1 kcal/hr로 입력하여 계산하였다. 또한 시설에서 난방과 보온을 같이 하여 생산비를 절감하는 방식이 많이 적용되고 있는데, 보온 피복재의 종류와 보온 방법에 따라 열절감률이 다양하나 본 연구에서 사용된 조건은 과채류에서 행해지는 방법의 에너지 절감률이 20 ~ 60%이므로 평균값인 40%를 택하였다(Table 1).
Table 1.
Thermo-physical control and operation conditions for greenhouse
| Control | Control condition | Set value | Period |
| Supplemental lighting |
- Solar irradiation < 280 W/m2[17] - Photosynthesis promotion time (08:00 ~ 19:00) |
- Tomato light saturation point 70 klux - High pressure sodium light 360 W - Heat emission 1 kcal/h per W [18] | OCT ~ MAR |
| Thermal screening | - Solar irradiation < 5 W/m2[6], [19] | - Heat saving rate 0.4 | DEC, JAN |
온실 난방부하 중 지중전열부하가 꽤 큰 비중을 차지하는 만큼 바닥면의 경계조건도 매우 중요하다. 지중온도는 Type 77(Simple ground temperature model) 컴포넌트를 사용하여 입력하였고, 이는 Kusuda-Archenbach correlation을 통해 계산된다. 지표면 온도는 평균 기온, 월평균 최대 온도차, 최저 기온 발생일자 등의 변수로 계산된다[16]. 지표면 온도를 계산하면, 일정 깊이 의 지중온도는 식 (1)과 같다. ASHRAE handbook을 참고하여 바닥의 물성치는 밀도 1,460 kg/m3, 비열 용량 0.88 kJ/kg·K, 열전도도 1.28 W/m·K를 입력하였다. 본 연구는 일사량, 온도 및 습도 등의 외기조건 변화에 따라 내부의 적정 온도를 유지하기 위해 필요한 에너지 부하 산정에 초점을 맞추고 있어 작물 에너지 교환에 의한 내부에너지 부하는 따로 고려하지 않았다.
2.3 난방 시스템
온실 난방 에너지원으로 유류 연료가 가장 널리 사용되고 있는데, 연료비 부담을 줄이기 위한 대안으로 가스 연료 사용하는 방안이 최근들어 제시되고 있다. 도시가스와 면세 혜택이 적용되는 LPG 요금은 동일한 열량 발생을 기준으로 비교할 때 면세등유나 경유 대비 저렴하고, 온실가스 배출량도 크게 줄일 수 있다. 가스히트펌프는 온실 에너지원으로 더욱 적합한데, 난방 효율이 높을뿐더러 배기가스를 이용한 온실 내 CO2 공급이 가능하며, 가스엔진의 배열을 이용하기 때문에 외기 저하에 따른 성능 저하가 크지 않고, 제상운전이 필요 없어 혹한기에도 중단 없이 연속운전이 가능하다.
본 연구에서는 연료 및 난방 방식에 대한 효과를 비교하기 위해 난방 기기의 용량을 30마력급 가스히트펌프 상용품의 단위 난방용량인 95 kW로 설정하여 난방방식에 따른 에너지 소모량을 비교하였다. 이를 위해 기존의 등유 온풍기를 대조군(CASE 1)으로 하고, 기기 효율은 같되 연료에 따른 비교를 위해 가스 온풍기를 사용하는 경우(CASE 2)를 비교하였다. 난방 방식에 따른 비교를 위해 공기 대 공기 가스히트펌프를 사용하는 경우(CASE 3)에 대한 해석을 수행하였다(Fig. 1). 이 때 가스 연료로는 농촌지역 공급이 원활하고, 면세혜택이 적용되는 LPG로 선정하였다. 온풍기의 효율은 80%이고 가스히트펌프의 성능계수(Coefficient of Performance) 및 기본 사양은 아래 Table 2에 나타내었다. 온풍기의 효율은 외기에 따라 크게 변하지 않지만 히트펌프의 성능계수는 외기 및 내기에 따라 크게 변하며, 이 변화를 에너지 소비량 계산 시 고려되어야 한다. 본 연구에서는 상용업체에서 제공하는 시스템 성능데이터를 입력하였고[20], 이때 가스히트펌프의 실내외기 조합율은 100%로 가정하였다.
Table 2.
Specification data for heating equipment
| Heating equipment | Oil Heater (O.H.) or Gas Heater (G.H.) | Gas engine driven heat pump (GHP) | ||
| Outdoor unit* | Indoor unit | |||
| Rated heating capacity [kW] | 95 | 16.3 | ||
| Rated heating power consumption [kW] | - | 2.4 | 0.35 | |
| Efficiency or COP | 0.8 | 1.37 ~ 1.59 | - | |
| Blower | Air flow [CMM] | 225 | 420 | 45 |
| Motor power [kW] | 3 | 0.37 | ||
TRNSYS 시뮬레이션 상에 에너지 소비량 계산을 위한 시스템 각 모듈의 상호간 연결은 Fig. 2에 나타내었다. 온풍기는 Type 139 컴포넌트로 구현하였고, 히트펌프는 Type 181에 성능데이터를 텍스트 파일로 입력하고 실내외 온도에 따라 선형 보간하는 방식으로 계산하였다. 공기열원 히트펌프 컴포넌트인 Type 954를 사용하지 않은 이유는 회수될 때 습구·건구온도와 풍량에 따른 표준화된 냉난방 현열·잠열 능력, 표준화된 소비동력 등의 성능 곡선을 필요로 하는데 사실상 해당 시스템의 실험데이터를 직접 얻기 쉽지 않으므로 상용업체에서 제공하는 성능데이터를 활용하였기 때문이다. 냉난방능력(Total Capacity, TC)과 소비동력(Power Input, PI)은 온실 내부 온도와 설정온도를 비교하여 on-off 신호를 Type 181로 입력받아 계산하였다. 송풍기의 소비전력량은 가동되는 시간을 적산하여 따로 계산하였다.
3. 모델 검증
설계한 동적에너지 모델의 정확도를 평가하기 위해 연산 결과와 현장 실험 결과를 비교하여검증하였다. 연구 대상지는 파주시 조리읍(37°76' N, 126°77' E)에 위치하며, 8연동 플라스틱하우스로 이곳에서 가스히트펌프 가동실험을 진행하였다. 현장실험을 통하여 온실의 온습도 등 내부 데이터와 기온, 습도, 일사량, 풍향, 풍속 등의 외부 기상데이터, 그리고 히트펌프 등의 연료 소비량 등을 10초 간격으로 수집하였다.
검증 모델은 대상 온실의 설계도면 및 실측치를 참고하여 온실의 형상, 피복, 차광커튼 순서로 모델링하였다. 온실은 폭 10.0 m, 길이 30.0 m, 측고 2.5 m, 동고 3.0 m 규모이며, 폴리올레핀(PO) 비닐로 피복되어 있고 온실 상부에는 과도한 일사량의 투과를 막기 위해 차광율 40%의 폴리염화비닐(PVC)이 설치되어있다. 또한 가스히트펌프는 30 HP 실외기 1대와 5 HP 천장형 유닛 실내기 4대가 온실방향으로 설치되어 있어 조합율 68%의 성능 데이터를 모델에 입력하였다.
검증 방법은 실측한 온실 내부 온도와 연료 소비량을 모델로 연산된 내부 온도, 소비동력과 비교하여 수행하였다. 검증한 결과, 실측한 온실 내부 온도와 모델 상의 내부온도 차이가 절대온도 기준으로 일별 0.3% 미만으로 분석 되었으며, Fig. 3에 나타나듯이 실측된 값과 연산된 결과의 경향성이 비교적 유사함을 알 수 있다. 또한 실측과 계산된 소비동력의 차이는 일별로 Table 3에 나타내었다.
Table 3.
Comparison of daily accumulated power consumption of meared and simulated data
검증 과정에서 동적 열부하 계산에 필요한 해석대상 구조물에 따른 열용량을 고려하기 위해 연산모델의 온도변화 추이가 실측 온도변화와 가장 비슷하게 변화할 때의 열용량을 도출하였다. 동적 열부하 계산은 각 구역에서 표면간의 전도, 대류, 복사평형과 실내공기의 열평형을 계산하는 열평형법(Heat balance method)을 근간으로 하고 있다. 구조물의 전도성분 열취득은 질량과 열용량에 따라 내부 열취득으로 변환되는데 상당한 시간 지연이 발생하며, 대류성분 열취득은 즉시 부하가 되는 반면, 복사성분 열취득은 실내 구조물 등에 축열되어 일정시간 지난 후 다시 대류를 통하여 부하의 일부가 되므로 이 역시 시간지연이 발생한다. 따라서 구조물의 열용량이 해석 대상에 따라 고려가 되어야 한다. 연산 모델의 온도 변화 추이가 실측값과 가장 비슷하게 변화할 때의 열용량이 이상기체의 5배로 도출되어 이를 차후 모델연산에서도 적용하였다. Kim[21]은 실내에 설치된 가구 등의 열용량을 고려한다면 공기 열용량의 5배 값 입력을 권장한 바 있다.
4. 결 과
4.1 난방용량 산정
본 연구에서는 대상 온실을 적정온도로 난방하기 위한 기기의 용량을 산정하고 난방 방법별 소비동력에 따른 에너지 비용과 온실가스 배출량을 비교하고자 하였다. 연료 종류, 난방 방식의 변화에 따른 영향을 파악하기 위해서 세가지 케이스에 대한 비교를 수행하였다. 먼저 CASE 1과 CASE 2에 대한 비교는 연료에 따른 경제성과 온실가스 배출량을 비교하기 위함이고, CASE 3는 가스히트펌프를 활용하는 케이스이다. 한편, CASE 3에 사용되는 가스히트펌프는 배기가스를 이용하여 온실 내부에 이산화탄소를 추가로 공급하는 탄산시비에 적용할 수 있는 제품으로 가정하였고, 1대를 기본으로 활용하고 부족한 열량을 가스온풍기를 추가하여 보충하였다.
난방 용량에 따른 온실 내부 온도 변화를 파악하기 위한 계산을 수행하였고, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 겨울철에 온실을 난방하지 않았을 때 보온에 따른 효과만을 보기위해 계산된 온실 내부온도를 Fig. 4(a)에 표현하였다. 온실 효과와 보온 영향으로 외기온도보단 높은 온도지만 11월부터 2월까지 대상작물의 적정 생육온도인 15 ~ 27°C 범위에 미치지 못하는 것을 볼 수 있다. 난방기기의 단위 용량을 가스히트펌프 1대 용량을 95kW로 가정하였을 때, 난방기기 가동 대수 증가에 따른온실 내부 온도 변화를 Fig. 4(b), (c), (d)에 차례로 나타내었다. 난방용량 95kW 1대로는 부족하며 2대 설치 시 대체로 적정 온도 범위에 들어오는 것으로 나타났다. 케이스 별로 해석 기간 (10 ~ 3월, 4,368시간, 182일) 동안 적정 온도 범위 내에 들어오기 위해 부족한 난방 용량을 계산하여 Table 4에 나타내었다. 2대와 3대의 부족한 난방 부하 차이는 크지 않으므로 해당 온실면적에는 정격 난방용량 95 kW 기기 2대가 적당한 것으로 판단된다.
Table 4.
Total insufficient heating load to reach the set temperature by cases [Unit: kWh]
대상 온실을 난방 할 때 난방용량 95 kW 2기(112 W/m2) 설치 조건을 기준으로 케이스 별로 난방 기간 동안의 시간별 난방용량과 소비동력을 계산하여 Fig. 4에 나타내었다. 여기서 언급하는 소비동력이란 연료 사용량과 전기 사용량을 모두 포함한 투입에너지를 의미하며, Fig. 5(a)는 등유/가스 온풍기만 설치했을 때(CASE 1/CASE 2)의 시간에 따른 난방능력과 소비동력을 나타내고 (b)는 가스히트펌프가 우선 가동되고 온풍기가 보조가동할 때(CASE 3)를 나타낸다. CASE 3에서 외기온도가 영하 아래로 떨어지는 12, 1, 2월에는 난방 능력이 떨어지는 가스히트펌프 특징이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 같은 데이터를 월별로 묶어 Table 5에 나타내었다.
Table 5.
Comparison of simulated power consumption by month [Unit: MWh]
| Method | OCT | NOV | DEC | JAN | FEB | MAR |
| O.H.×2 or G.H.×2 | 5.26 | 16.63 | 40.25 | 54.50 | 31.75 | 30.13 |
| GHP×1 + G.H.×1 | 6.30 | 16.47 | 29.87 | 37.22 | 23.03 | 18.46 |
다음으로 난방 용량에 따라 해석 전체 기간 동안 소비동력과 난방능력을 산정하였다. 온풍기만 사용한 경우가 난방용량에 비해 소비동력이 훨씬 큰 것으로 나타났다. 최대 난방능력이 190 kW로 동일할 때, CASE 1/2는 총난방소비량 374 MWh, 소비동력이 426 MWh, CASE 3은 총난방소비량 286 MWh, 소비동력이 308 MWh 인 것으로 계산되었다. 온실 내 적정온도를 유지할 때 CASE 1/2에 비해 CASE 3의 투입에너지가 28% 저감되는 것을 알 수 있으며, 이는 히트펌프의 COP가 1 이상으로 온풍기 효율보다 높기 때문으로 판단된다.
4.2 경제성 비교 및 환경영향 평가
경제성 분석을 위하여 국내 에너지원별 비용을 Table 6에 나타내었다. 유가 정보는 한국석유공사에서 공시한 2021년 경기지방 기준으로 겨울철 면세등유 평균 판매가격이다. LPG 가격은 한국LP가스 집단 공급업 협동조합 자료를 참고하였고, LPG는 농업용 난방용으로 사용되는 경우 면세 혜택이 적용된다. 가스히트펌프 실내외기의 소비전력과 각 송풍기 전동기 소비전력은 한국전력공사의 농업용(을) 겨울철 가격 기준으로 적용하였다. 각 기기의 전력소모품과 송풍기의 소비전력도 세금을 포함하여 계산하였다.
Table 6.
Unit fuel costs by heating value
| Energy Source | Unit |
Total Heating Value [kcal] |
Price [won] |
Unit Price [1,000won/kcal] |
| Kerosene | ℓ | 8,790 | 806.0 | 945.0 |
| LPG | kg | 15,000 | 929.9 | 593.8 |
| Electricity (Agricultural) | kWh | 2,150 | 41.8* | 190.7 |
케이스별로 계산된 에너지 비용은 Table 7에 나타내었다. CASE 1의 등유 온풍기의 에너지 비용은 34,638천원, CASE 2의 가스 온풍기는 27,624천원이 드는 것으로 계산되었다. 유류 연료를 LPG로 바꾸었을 때 난방기간동안 총 7,014천원이 절감되는 것으로 분석되어, 가스 온풍기는 등유 온풍기 대비 약 20% 에너지 운영비를 절감하는 것으로 나타났다. CASE 3는 가스히트펌프와 가스 온풍기에 소비된 가스량을 기준으로 에너지 비용을 계산하였고, 그 결과 20,079천원이 필요하다고 산출되었고, 이는 CASE 2 보다 난방비가 약 27% 낮은 것으로 나타났다.
Table 7.
Comparison of energy cost for each cases considering fuel prices [Unit: thousand won]
| CASE | Method | Kerosene | LPG | Electricity | Total Energy cost | |
| GHP | Heater | |||||
| CASE 1 | O.H.×2 | 34,982 | - | 485 | 35,467 | |
| CASE 2 | G.H.×2 | - | - | 26,986 | 485 | 27,471 |
| CASE 3 | GHP×1 + G.H.×1 | - | 8,336 | 11,122 | 468 | 19,926 |
앞서 설명한 바와 같이 가스히트펌프를 사용하는 경우 배기가스를 이용하여 탄산시비를 할 수 있으므로 경제성 분석에 있어 액화탄산가스로 탄산시비하는 경우를 추가적으로 비교하였다(Fig. 6). 대상 작물 토마토는 시간당 5 g/m2의 이산화탄소를 필요로 하며, 하루에 광합성이 활발한 5시간 동안 공급한다고 가정하였다. 작물 피해를 방지하기 위하여 고가의 식음료용 액화탄산이 사용되어야 하며, 가격은 kg당 300원으로 계산하였고, 그 결과 동절기 6개월 동안 약 2,227천원의 탄산시비 비용이 추가되었다. 탄산시비 비용까지 고려하였을 때, CASE 3는 CASE 1 대비 약 46%, CASE 2 대비 37% 까지 연간 운영비를 절감하는 것으로 나타났다.
작물 재배를 위한 온실의 적정 환경 조건을 맞추기 위해 투입되는 에너지 비용은 유류 연료를 LPG로 대체함으로써 1차적으로 절감할 수 있었고, 에너지 효율이 높고 배기가스를 이용하여 탄산시비가 가능한 가스히트펌프를 사용한다면 경제적으로 추가적인 이익을 가져올 수 있음을 확인할 수 있었다.
다음으로 각 케이스 별로 온실가스 배출량을 평가하였다. IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)에서 제시하고 있는 온실가스 배출량 방법론에 따라 연료 및 설비의 운전 특성이 고려되어 각 국가별로 산정된다. 이에 연료의 순발열량 기준으로 에너지관리공단에서 탄소 배출 계수와 온실가스 배출 계수를 산정하였다(Table 8). 케이스 별 온실가스 배출량은 다음 계수를 근거하여 계산하였고, 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다. CASE 1의 등유 온풍기는 동절기 동안 온실을 적정 온도로 맞추기 위해 소모되는 연료량으로 총 110,331 ton 온실가스가 배출되고, CASE 2 가스 온풍기는 98,975 ton이 배출되어 CASE 1 대비 10% 감소하였다. 이는 두 연료의 H/C ratio 차에서 기인한 것으로 보인다. 등유는 C12 ~ C16 고분자 탄화수소 복합물로 H/C ratio가 2 이하로 상대적으로 낮은데 반해 LPG 가스는 프로판(C3H8)이 주성분으로 H/C ratio가 2.5 이상 높아 연소 과정에서 상대적으로 이산화탄소가 비교적 덜 발생하기 때문이다. 반면 CASE 3에서 가스히트펌프에서 배출되는 가스는 탄산시비 재료로 사용되며, T. Kuroyanagi에 의하면 토마토에 고농도 이산화탄소 탄산시비시 작물 흡수율은 평균 45.5%임을 감안하여 배출량을 평가하고[22], 이때 배출량을 추가 계산한 결과 40,867 ton으로 CASE 2 대비 63%로 크게 절감되는 것을 알 수 있다.
Table 8.
Carbon dioxide emission factor by energy source considering country-specific net heating value
| Energy Source | Unit |
Net Heating Value [MJ] |
Carbon Emission Factor [TC/TJ] |
Carbon Dioxide Emission Factor [kgCO2/TJ] |
| Kerosene | ℓ | 34.3 | 19.6 | 71,900 |
| LPG | kg | 57.7 | 17.6 | 64,500 |
| Electricity | kWh | 8.8 | 36.6 | 134,333 |
결과적으로, 시설 난방 시 유류 연료를 LPG로 대체하고 가스히트펌프를 활용하는 경우 농가 입장에서 경제적으로 이득일 뿐더러 국가적으로도 온실가스 배출을 크게 줄일 수 있음을 확인할 수 있었다.
5. 결 론
본 연구에서는 탄소중립이 사회적 이슈로 대두되고 있는 상황에서 탄소 배출량의 비중이 큰 농업분야에 사용 연료에 따른 에너지 비용 및 이산화탄소 배출 절감 효과를 분석하고자 하였다. 대상 온실의 적정한 난방 용량을 산정하고 난방 방법별로 소비동력에 따른 에너지 비용과 온실가스 배출량 계산을 위한 에너지 해석을 수행하였다. 건물에너지 해석 상용 프로그램 중 하나인 TRNSYS를 활용하였으며, 농가 실험 데이터와의 비교를 통해 플라스틱하우스에 대한 해석 모델을 선행 검증하였다. 국내에서 온실 난방기로 주로 사용하는 등유 온풍기를 기본으로 하여, 우선 연료에 대한 영향을 분석하기 위해 LPG 온풍기와 비교하였고, 최종적으로 열효율이 높은 가스히트펌프에 대한 에너지 사용량을 비교하였다. 계산 결과를 토대로 우리나라의 연료비와 온실 가스 배출계수를 고려하여 경제성과 온실가스 배출 영향평가도 추가적으로 수행하였다. 이를 통해 향후 농업, 온실 분야의 탄소 저감을 위한 연료 개선이나 연소 방식 개선의 필요성을 본 연구를 통해 제시하고자 하였다. 본 연구에서 도출된 결론은 다음과 같다.
1) 시설원예용 가스히트펌프에 대한 현장 실험을 통해 실측한 내부 온도와 연료 소비량 데이터로 연산 모델을 검증하였다. 검증 결과 내부 온도는 7일간의 실측값과 계산 값의 차이가 일별로 0.3% 미만값을 보였으며, 소비동력 차이는 최대 4.2%의 오차율을 보여, 정량적으로 모델의 검증이 잘 이루어졌다고 판단된다.
2) 대상 온실의 적정한 난방용량을 산정하기 위해 정격난방능력인 95 kW 용량을 기준으로 계산한 결과, 온실 내부 온도를 비교하였을 때 1,690 m2 플라스틱하우스의 경우 최소 112 W/m2 용량이 필요한 것으로 나타났다. LPG 가스히트펌프와 보조 가스 온풍기를 적용한 경우 온풍기 대비 소비동력이 23% 감소하였다.
3) 에너지 비용과 온실가스 배출량을 비교·분석하였고, 그 결과 기존의 등유 온풍기를 기준으로 가스 온풍기는 에너지 비용이 20% 절감되고, 온실가스 배출량은 10% 감소하였다. 또한, 가스히트펌프의 경우 배기가스로 탄산시비로 활용할 수 있어 기준 대비 에너지 비용이 46% 절감되고, 온실가스 배출량은 48% 감소하는 것을 확인하였다.
결론적으로 시설 난방 시 유류 연료 대신 가스를 에너지원으로 사용하거나 가스히트펌프를 추가로 설치하는 경우, 농가 입장에서 경제적으로 이득이며, 국가적으로도 온실가스 배출을 줄일 수 있음을 확인하였다. 지구온난화에 따라 온도가 점차 상승하고 있어 향후 온실 냉방을 고려한 설치비 및 에너지 사용량의 변화에 대한 경제성 분석을 수행할 필요가 있어 보인다.
기 호 설 명
: ground temperature (°C)
: average annual temperature of the surface (°C)
: maximum temperature difference on the surface (°C)
: soil depth below surface (m)
: thermal diffusivity of the ground (m2/day)
: day of the year corresponding to the minimum surface temperature (day)
: current day of the year (day)
