우리나라의 시설원예는 그 규모나 기술 수준으로 이미 원예 선진국과 어깨를 나란히 할 정도로 발전했다. 오늘날의 시설원예 농업은 자본과 기술뿐 아니라 생산에 상당한 에너지를 필요로 하는 에너지 소비산업으로 변모하고 있다.
물론 농림업은 국내 총에너지소비의 1.3%만 사용하면서 총 부가가치의 2.1%를 만들어내므로 ‘에너지 과소비산업’은 아니다. 하지만 생산성과 부가가치를 높이기 위해 시설원예를 중심으로 다양한 공조설비, 작업기 등의 투입이 증가하면서 시설농업은 전통적인 ‘에너지 저소비산업’의 이미지를 벗어나고 있다.
국내 시설원예는 생산액 기준으로 2005년 노지원예를 추월했으나, 총면적은 2000년대 들어 5만ha 초반에서 정체기에 들어갔으며, 난방재배 비중도 2010년 전체의 30%대로 올라선 후 정체기에 들어갔다. 다만 우리보다 국민소득이 높으면서 작형이 유사한 일본은 난방재배 비중이 약 40%대이며, 향후 경제성장 상황에 따라 난방재배 비중은 증가의 여지가 있는 셈이다.
한편 국내 시설원예의 난방에너지원은 유류의 비중이 최근 10년간 꾸준히 낮아졌음에도 불구하고, 81%로 여전히 높아 2007∼2008년의 유가 폭등을 경험한 시설원예농가의 경영난은 언제든지 재발할 수도 있다. 겨울철 촉성재배 농가의 경영비에서 광열비가 차지하는 비중이 토마토 28%, 오이 31%, 감귤 44% 등으로 다른 원예 선진국에 비해 높은 경영방식과 맞물려 국제유가의 변동성에 취약한 구조라 할 수 있다.
반면 신재생에너지의 비중은 1.5%로 여전히 미흡하며 생산원가 이하로 공급되는 농사용 전기의 사용 면적이 점진적으로 증가하고 있어 전기에너지를 보다 더 효율적으로 사용할 수 있는 대책 마련도 필요한 실정이다. 따라서 시설재배 농가의 경영 개선과 생산기반의 안정화를 위해서는 시설농업 대상의 에너지절감기술과 신재생에너지 활용기술을 보다 더 적극적으로 개발하고, 보급지원을 통해 농가의 광열비 부담을 줄이는 것이 급선무라고 할 수 있다.
아래에서는 주로 농촌진흥청에서 개발되어 보급된 시설원예 분야의 에너지절감기술과 신재생에너지의 활용기술, 개발기술의 보급제도 등을 기술하였으며, 아울러 꾸준한 증가세를 보이는 전기난방기와 관련한 일반적인 내용도 언급하였다.

▲온실의 에너지소비를 줄이는 다양한 기술들
기후변화의 영향으로 우리나라의 겨울은 짧아지는 대신 혹한이 빈발하고, 여름은 길어지는 동시에 혹서가 빈발하고 있다. 이는 겨울에 기존 무난방 재배 농가는 난방기의 도입을, 난방재배 농가는 고효율 난방기의 추가도입을 고려하게 한다. 또한 일부 작목과 작형, 시설에 국한되어왔던 히트펌프, 칠러 등의 전기냉방기를 도입하는 농가가 늘고 있는 원인이 되고 있다.
시설원예의 난방에너지를 절감하는 방법은 크게 고효율 설비와 온도관리 기술 등으로 에너지투입량을 줄이는 방법과 보온과 열회수 기술 등으로 이미 투입된 에너지의 손실을 최소화하는 방법으로 크게 나눌 수 있다.
전자는 히트펌프와 같은 고효율 설비 사용, 변온관리 등 최적 온도관리, 국소냉난방 등 열이용 효율화 등의 기술이 있으며, 후자는 보온커튼 등의 보온성능 향상, 열회수형 환기장치 등의 열회수 기술이 있다.
먼저 최적 온도관리 기술로 변온관리는 겨울철 온도관리를 조조가온-주간-일몰직후-야간으로 구분하여 관리하는 방식으로 시판되는 농업용 난방기에 기본적으로 기능이 포함되어 있을 정도로 일반화 되어 있으며, 주간의 일사량에 비례하여 일몰후 온도가 자동관리 되는 ‘일사감응 변온관리 시스템’도 개발되어 있다.
‘작물체 국소 냉난방’은 줄기 끝 생장점이나 뿌리 등 작물의 온도에 민감한 부분을 집중적으로 냉난방하고 나머지 부분은 상대적 저온 또는 고온으로 관리하여 에너지를 절감하는 방법이다. 농촌진흥청에서 개발한 ‘토마토 생장부 추종 국소난방기술’은 작물의 생육과 수확량의 저하 없이 난방연료를 24% 절감할 수 있었다. 또한 사계성딸기와 촉성 설향 딸기의 ‘관부(크라운)에 대한 국소냉방 및 국소난방 기술’을 개발하여 사계성딸기의 수확량을 25%, 촉성 설향의 초기수확량을 40% 증가시켰다. 일본에서는 촉성 가지의 줄기부에 대한 국소난방, 토마토 생장점 난방, 딸기 재배배지 증발냉각. 장미 줄기부 국소난방 등의 국소냉난방 기술이 다양하게 개발되어 실용화 되고 있다.
보온커튼은 기존 부직포나 알루미늄스크린의 단점을 보완하여 농촌진흥청에서 ‘수평예인권취식 다겹보온커튼’으로 개발하였으며 부직포, 폴리폼, 화학솜 등을 5겹으로 누빈 보온자재를 사용하여 기존 부직포커튼 대비 46%의 난방연료절감이 가능하다. 개폐가 원활하고 고장이 적으며 온도나 시간 설정으로 자동개폐가 가능하여 1-2W형, 무기둥하우스, 광폭형 온실 등 다양한 단동, 연동 비닐하우스에 적용이 가능하다. 보온커튼으로 비닐을 사용하던 일본도 우리나라의 다겹보온커튼의 성능과 편의성을 인정하여 벤치마킹을 통해 제품을 개발하여 보급하고 있다. 최근에는 에어로켈 부착 부직포 등으로 보온커튼의 두께를 줄여 권취모터 등 부대설비의 설치비를 줄이기 위한 개선 연구도 진행되고 있다.
‘열회수형 환기장치’는 온실, 버섯사, 축사 등의 환기 시 내부공기와 함께 버려지는 열을 열교환기에서 흡수하여 외부에서 유입되는 찬 공기를 가온하는 기술로 온습도, 이산화탄소 농도를 설정하면 자동으로 환기가 이루어진다. 필터와 자동댐퍼로 해충 및 이물질의 유입을 방지할 수 있으며 열회수율이 약 70%에 달해 버섯사 적용 시 난방비가 약 50% 절감되며, 수확량이 30% 정도 향상되는 것으로 분석되었다.
유사한 열회수 기능이 ‘온풍난방기 배기열 회수장치’에도 사용되었다. 이 장치는 온풍난방기의 연도부분에 설치되어 연도를 통해 배출되는 300℃의 배기가스에서 열을 흡수하여 온풍난방기에 공급되는 공기를 50～55℃로 데운다. 이때 사용되는 열교환기는 열전달 효율이 높은 히트파이프를 사용하며 연료소비량은 이 장치를 부착하지 않은 난방기 대배 약 16% 절감되는 것으로 분석되었다.
수막재배는 딸기, 상추 등 저온성 작물을 재배할 때 온실 지붕면에 약 15℃의 지하수를 살수하여 보온하는 무난방 재배기술이다. 난방비 부담이 없어 약 10,000ha 이상이 보급되어 있으나 지하수 사용이 과다하여 겨울철 지하수 고갈로 인한 냉해피해가 빈발하였다. 농촌진흥청에서는 살수한 지하수를 가온하여 재사용하는 ‘순환식 수막보온커튼’ 기술을 개발하였다. 지하수 여건에 따라 회수된 물의 재활용 비율 조절이 가능하고 지하수 자동보충으로 과다한 에너지사용을 방지하는 기능 등이 있다. 난방연료 소비는 유류온풍난방기와 비교하여 67%가 절감되며, 지하수 사용량은 비순환식 수막 대비 60∼80%가 절감되어 지하수가 부족한 지역에서도 경제적으로 수막재배가 가능한 기술로 평가받았다.
 

▲신재생 에너지를 이용한 온실 냉난방 기술
신재생에너지법에 의하면 신에너지는 수소에너지, 연료전지, 석탄 액화·가스화 연료가 있으며, 재생에너지는 태양에너지, 풍력, 수력, 해양에너지, 지열에너지, 바이오에너지, 폐기물에너지, 수열에너지가 있다. 이중 농업시설의 냉난방 활용 시 경제성이 확보되며 기술개발이 이루어진 것은 태양열, 지열, 수열을 열원으로 하는 히트펌프와 목질계 펠릿 난방기, 폐기물 소각열 보일러 정도를 들 수 있다.
지열 히트펌프는 지하에 열교환기를 매설하여 지중의 물 또는 토양으로부터 히트펌프의 냉매 순환과정을 이용하여 열을 흡수하거나 방출하여 온실을 냉난방하는 시스템으로, 열원 이용방법에 따라 수평형, 수직밀폐형, 수직개방형(SCW) 등이 있다. 지열 히트펌프의 내구성은 20∼25년 정도이며 땅속의 지열교환기는 40∼50년으로 반영구적이다. 주변열을 흡수하는 히트펌프의 작동특성과 저렴한 농사용 전기로 인해 유류난방기 대비 70∼80의 난방비 절감이 가능하며, 여름철 온실 냉방에 활용함으로써 수확량이 10∼20% 정도 증수되는 효과도 얻을 수 있다.
농촌진흥청에서는 지열 히트펌프 뿐만 아니라 하천제방 주변의 지하를 흐르는 여과수를 20∼30m의 깊이의 관정으로 퍼 올려 열원으로 이용하는 ‘강변여과수열원 히트펌프’와 제주도의 화산암 지대 지하 암반층에서 토출되는 연중 15∼19℃의 공기를 열원으로 사용하는 ‘제주 지하공기열원 히트펌프’를 개발하였다.
또한 화력발전소에서 터빈을 냉각한 후 배출되는 20∼25℃의 온배수의 열을 열교환기로 회수하여 이용하는 ‘화력발전소 온배수 폐열원 히트펌프’를 개발하였으며 국내 발전폐열자원(39만GWh)의 3.4%로 국내 모든 온실의 난방이 가능함을 밝혔다. 또한 겨울철 환기로 버리는 온실내부의 태양잉여열과 외부의 공기열을 히트펌프의 선택적 열원으로 사용 가능한 ‘태양잉여열/외기열 축열식 히트펌프’를 개발하였으며 기존 공기열 히트펌프 대비 성능 32% 향상, 지열 대비 설치비 40% 절감이 가능함을 밝혔다.
최근 농촌진흥청에서는 네덜란드 등에서 활용하고 있는 계간축열 기술을 국내 시설하우스 재배에 최적화한 ‘지하수층 계절간 축열 온실냉난방시스템’을 개발하였다. 이 시스템은 여름철 온실냉방 시 배출되는 열을 지하수층에 저장하였다가 겨울철 온실난방에 활용하고, 반대로 겨울철 온실난방 시 배출되는 냉열을 지하수층에 저장하였다가 여름철 온실냉방에 활용한다. 이 시스템은 여름에는 약 10℃의 낮은 지온에서 냉기를 얻고, 겨울에는 20℃ 정도의 높은 지온에서 열에너지를 얻을 수 있어 기존의 지열 히트펌프보다 냉난방성능이 약 20% 향상되며, 유류보일러에 비해 난방비용을 78% 절감할 수 있다. 또한 20∼30m 깊이의 개방형 지중 열교환기를 사용하므로 고가인 수직밀폐형 지열 히트펌프에 비해 설치비를 약 30% 절감할 수 있다.
일본은 2009년 공기열, 지열, 수열 히트펌프를 재생가능 에너지원으로 구분하는 ‘에너지공급구조고도화법’을 시행하였으며, 온실 냉방, 난방, 제습의 복합 환경관리에 사용할 수 있는 농업시설 전용 공기열 히트펌프를 히다치, 미츠비시, 다이킨, 이즈 등 공조기 전문 대기업에서 개발, 시판하고 있다. 또한 시설원예용으로 공기열 히트펌프와 중유온풍난방기로 구성된 하이브리드 냉난방시스템이 개발되어 장미 재배온실을 시작으로 토마토, 파프리카, 시설감귤 등 다양한 작목으로 보급을 확대하고 있다. 이들 시스템은 농사용 전기 제도가 없는 일본에서도 40% 이상의 난방비 절감효과와 더불어 장마철 곰팡이병 예방, 여름철 야냉으로 인한 생산품질 향상 등의 다양한 효과를 거두고 있다.

▲농업시설 에너지절감기술의 보급지원 사업
농림축산식품부에서는 신재생에너지의 농업적 활용과 농가의 경영비 부담 경감을 위해 위와 같이 개발된 다양한 에너지절감기술에 대해 ‘농업에너지이용효율화사업’을 통해 설치비 지원을 하고 있다.
사업 내용은 신재생에너지시설로 지열 냉난방시설, 폐열재이용시설, 목재펠릿난방기를 지원하며, 에너지절감시설로 다겹보온커튼, 자동보온덮개, 공기열냉난방시설 등에 대한 설치 지원을 하고 있다. 지원자격은 냉난방이 필요한 고정식 시설에서 채소·화훼·과수류‧버섯류를 재배‧생산하는 농업인‧농업법인‧생산자단체 또는 시‧군 자치구이며, 지열 냉난방시설과 폐열재이용시설에 한해 돼지‧닭‧오리 등 가축사육업 허가 또는 등록 농가도 지원한다.

▲농업용 전기난방기의 현황 및 사용 유의점
국내 시설원예에서 전기난방면적은 2010년 562ha로 전체의 3.6%였으나 2016년에는 각각 1,513ha, 8.9%로 연평균 18%씩 증가하고 있다. 전기난방기의 가격이 유류난방기에 비해 3∼4배 고가이며 수전비용 등이 추가로 요구됨에도 불구하고 보급이 확대된 이유는 저렴한 에너지가격과 편의성 덕분이며 실제로 동일한 열량을 생산하는데 드는 에너지비용은 농업용 전기가 면세등유의 56%(면세등유 700원/L 기준) 수준이다. 전기난방기의 종류는 전기온풍기, 전기보일러로 대별되며 적외선등, 전열선, 탄소발열체, 유도가열난방기, 유체마찰보일러 등 매우 다양한 형태로 개발되어 시판되고 있다.
전기난방기의 사용상 주의점은 겨울 야간에 온실내의 높은 습도로 인한 누전 등 화재 예방에 주의하여야 하며, 유황훈증을 하는 경우 난방기 부식에 유의하여야 한다. 감전 또는 화재 예방을 위해 시공 시 반드시 접지를 하고 이를 잘 유지하여야 한다. 특히 대형 전기난방기는 소비전력이 크므로 배선 등을 규격에 맞게 사용하고 부품은 적합용량을 사용하여야 한다.

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