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포커스

지열히트펌프가 시설원예 냉난방비용 줄여준다

탄소중립시대 대비…미활용 열에너지 이용 온실가스 감축
농진청, 에너지 효율 높아 경유난방 대비 78% 절감 효과

2050 탄소중립 이행이 국가적인 화두로 떠오르면서 농업분야 재생에너지 이용과 시설원예 에너지절감 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.


농촌진흥청은 겨울철에 온실, 축사 등 농업시설의 난방시스템에 활용하고 여름철에는 에어컨처럼 냉방기로 사용할 수 있는 ‘지열히트펌프’를 개발해 농가에 도움을 주고 있다. ‘지열히트펌프’는 미활용 열에너지 이용의 대표적인 기술로 자원 재활용을 통한 온실가스 감축이 가능해 주목되고 있다.


지열히트펌프는 땅속에 열교환기를 매설하여 지중의 물 또는 토양으로부터 히트펌프의 냉매 순환과정에 열을 흡수하거나 열을 방출하면서 난방과 냉방을 수행하는 시스템이다. 지중열교환기는 수평형, 수직형 등이 있으며, 시스템의 안정적 운전을 위해 축열조를 갖추는 것이 일반적인 형태이다.[그림1]

 


‘지열히트펌프’는 겨울철에 농업시설의 난방시스템에 활용하고 여름철에 냉방기로 사용할 수 있어 편리하고 에너지절감 효과를 일년 내내 누릴 수 있다.


또한 사방밸브를 부착해 냉난방 전환을 자동으로 할 수 있고 현존하는 냉난방 시스템 중에 가장 에너지 효율이 높은 장점이 있다.


시설원예용 온실에 사용하는 경우 경유난방 대비 난방비 절감효과는 78% 수준이며, 수평형 지중열교환기를 사용하게 되면 수직형에 비하여 열교환기 설치비용도 50% 정도 절감이 가능하다.


일반적으로 지열히트펌프 시스템은 신재생에너지 중 유일하게 일반 건물의 냉난방 공조용으로 널리 보급되고 있으며, 일반건물에는 설치공간이 제한적이어서 주로 설치비가 고가인 수직형 지중열교환기가 사용되고 있다. 그러나 온실이나 축사 등 농업시설은 대부분 농촌지역에 위치하고 있고 주위에 넓은 유휴지가 충분하게 존재하기 때문에 설치비용이 적게 드는 수평형 지중열교환기도 선택적으로 도입할 수 있는 장점이 있다.


농업시설용 지열히트펌프 시스템은 지중열교환기, 히트펌프, 축열조, 모니터링 장치, 실내 열교환기 등으로 구성되며, 겨울철에는 땅속의 열을 흡수한 후 히트펌프로 온도를 높여 실내를 난방하고, 여름철에는 열교환기로 실내의 열을 흡수하여 냉방하면서 이때 흡수한 열은 히트펌프를 이용해 땅속에 저장하게 된다.[그림2]

 


현장실증연구 결과, 지열히트펌프 시스템은 경유난방기에 비해 난방비용이 큰 폭으로 절감되는 효과를 누릴 수 있는 것으로 나타났다.


경유난방기와 지열히트펌프 시스템의 난방성능을 비교하기 위하여 바닥면적이 1000㎡(10a)인 온실 3개동에 각각 경유난방기, 수직형 지열히트펌프 시스템, 수평형 지열히트펌프 시스템을 설치해 난방비용을 분석하기 위한 현장실증연구를 수행했다. 각각의 온실에서는 조직배양묘를 재배하였고 시험 기간 동안 실내온도는 22.0℃로 설정해 겨울철 난방시험을 수행했다.[표1]

 


그 결과 경유난방기를 설치한 온실에서 시험기간 3개월 동안 사용된 경유소비량은 1만769L였으며, 이를 시험 기간 동안의 면세유 평균가격 820원/L로 산정해 총 난방비용은 883만580원으로 분석됐다. 수직개방형 지열히트펌프 시스템이 설치된 온실에서는 농업용(병)전기를 기준으로 3개월 동안 4만4679㎾의 전력이 소비됐으며, 이를 비용으로 환산하면 178만7880원으로 분석됐다.


수평밀폐형 지열히트펌프 시스템이 설치된 온실에서는 3개월 동안의 전력소비량이 4만8824㎾였으며, 이를 비용으로 환산하면 195만2960원으로 나타났다.


한편 1000㎡ 규모의 온실에서 약 3개월간 실내온도 22℃를 유지할 경우, 경유난방 대비 수직개방형 지열히트펌프는 27.5%, 수평밀폐형 지열히트펌프는 20.8%의 온실가스를 감축할 수 있는 것으로 나타났다.[표2]

 


시설원예분야 지열히트펌프 시스템의 보급은 2008년부터 2016년까지 246㏊(채소234, 화훼12)의 온실에 냉난방 시스템으로 보급됐으며, 전체적으로 경유난방기 대비 약 72.6%의 난방비 절감효과를 보이고 있다.


지열히트펌프 시스템은 농림축산식품부의 ‘농업에너지이용효율화 사업’으로 신청할 수 있어 농업분야 재생에너지 이용과 시설원예 에너지절감의 해결책이 되고 있다.


권진경 농진청 에너지환경공학과 농업연구사는 “지열히트펌프는 시설원예 농가의 냉난방비 부담을 크게 줄여줄 수 있는 기술”이며 “앞으로도 농업시설 맞춤형 에너지절감기술 개발과 신재생에너지의 농업적 활용을 확대할 나갈 계획이다”라고 말했다.