동절기 대비 시설원예 에너지 절감 대책
동절기 대비 시설원예 에너지 절감 대책
  • 조형익 기자
  • 승인 2019.09.23 12:17
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유류난방기 81% 여전히 높아 … 지역·작목 고려 효율높은 제품 선택
혹서·혹한 치닫는 기후변화 대비해야
투입 에너지 대비 손실 최소화가 관건
온실의 열평형도
온실의 열평형도

국내 시설원예 농업은 규모나 기술 수준이 이미 원예 선진국과 어깨를 나란히 할 정도로 발전했다. 또한 시설원예 농업은 자본과 기술뿐 아니라 많은 에너지를 필요로 하면서 경제성과 효율성을 높이는 기술이 속속 보급되고 있다.
2016년 기준 시설원예 재배면적은 5만 6,405ha에 달한다. 생산되는 품목은 근채류, 엽채류, 과채류, 조미채소 등으로 연간 239만 5,673톤이다.
특히 시설원예 농업은 생산성과 부가가치를 높이기 위해 다양한 공조설비, 작업기 등의 투입이 증가하면서 에너지 시스템과 사용량이 증가하고 있다. 하지만 기존난방기의 교체비용 부담 등으로 유류 난방기가 81%로 여전히 높아 시설원예농가의 경영난의 한 원인으로 지목되기도 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 태양열 등 신재생에너지 기술 등 경제성을 높인 장치가 보급되고 있다. 시설원예 농업에서 난방을 하는 목적은 작물이 생육할 수 있는 온도까지 시설 내부의 온도를 상승시키거나 유지시키는 데 있다. 즉, 필요에 따라 지온을 높이고 그 온도를 유지하기 위함이다. 이로 인해 겨울철 촉성재배 농가의 경영비에서 광열비가 차지하는 비중이 토마토 28%, 오이 31%, 감귤 44% 등으로 높게 차지한다. 원예산업신문이 시설재배 농가의 경영 개선과 생산기반의 안정화에 필요한 장비 등 효과적으로 사용할 수 있는 시스템을 소개한다.

온풍난방기 배기열 회수장치 개요도
온풍난방기 배기열 회수장치 개요도

■시설원예 난방종류
최근 국내기후는 기상 관측이래 최고의 기온을 기록하는 여름을 보내는 동시에 겨울은 짧아지는 대신 혹한이 발생하는 특성을 보이고 있다. 기후에 민감한 농업은 특성상 농가 경영비를 상승시키는 요인으로 작용한다. 특히 시설원예 농업은 스마트팜을 필두로 하는 첨단농업이 도입되면서 경제성과 효율성을 높이는 제품이 같이 설치, 보급되고 있다. 보급하는 장비도 에너지를 절감할 수 있는 즉, 에너지 투입량은 줄이는 방식이다. 또한 보온과 열회수 기술 등이 탑재된 장비는 이미 투입된 에너지의 손실을 최소화하고 있다. 히트펌프와 같은 고효율 설비와 변온관리 등 최적 온도관리, 국소냉난방 등 열이용 효율화 기술, 보온커튼 등은 보온성능 향상하는 제품으로 꼽힌다.
난방은 사용연료와 보온 및 가온 방식별에 따라 구분돼 운용되고 있다. 연탄 및 전기, 유류가스 등이 주요 에너지로 사용된다. 또한 보온을 위해 부직포 및 다겹보온재와 수막을 잉요한 난방이 이뤄지고 있다.
또한 지상부와 지하부로 나눠 난방하는 방식이 있다. 지상부 난방은 경유나 등유 등을 사용하여 공기를 데워 가온하는 온풍난방과 물을 데워 가온하는 온수난방이 있다. 또한 물을 데워 방열관으로 온실을 가온하거나 물을 데워 송풍팬으로 열교환해 더운 공기로 가온하는 팬코일 방식이 있다. 지하부 난방은 경유나 등유 등 석유류를 사용해 물을 데워 지중을 가온온수보일러와 태양열과 심야전기를 이용하여 지중을 가온하는 태양열병합방식 등이 있다.

- 농업용 난방기
농업용 난방기는 시설비가 저렴하고 온도를 제어하기가 쉽기 때문에 가장 보편적으로 쓰이고 있다. 실제 10곳 중 8곳이 이 방식을 채택할 정도로 일반화 돼 있다. 즉, 겨울철 온도관리를 조조가온-주간-일몰직후-야간으로 구분하여 관리하는 방식이다.
예컨대 작물의 줄기 끝 생장점이나 뿌리 등 작물의 온도에 민감한 부분을 집중적으로 냉난방하고 나머지 부분은 상대적 저온 또는 고온으로 관리해 에너지를 절감하는 국소난방기술이다. 농촌진흥청에서 개발한 ‘토마토 생장부 추종 국소난방기술’은 작물의 생육과 수확량의 저하 없이 난방연료를 24% 절감한다. 또한 사계성딸기와 촉성 설향 딸기의 ‘관부(크라운)에 대한 국소냉방 및 국소난방 기술’을 개발해 사계성딸기의 수확량을 25%, 촉성 설향의 초기수확량을 40% 증가시킨다. 일본에서는 촉성 가지의 줄기부에 대한 국소난방, 토마토 생장점 난방, 딸기 재배배지 증발냉각. 장미 줄기부 국소난방 등의 국소냉난방 기술이 다양하게 개발되어 실용화 되고 있는 것으로 알려졌다.

 

온실에서의 온풍분배
온실에서의 온풍분배

- 보온커튼
기존 부직포나 알루미늄스크린이 보급돼 활용되고 있다. 이 방식은 부직포, 폴리폼, 화학솜 등을 5겹으로 누빈 보온자재를 사용해 기존 부직포커튼 대비 46%의 난방연료절감이 가능하다. 개폐가 원활하고 고장이 적으며 온도나 시간 설정으로 자동개폐가 가능해 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
온실, 버섯사, 축사 등의 환기 시 내부공기와 함께 버려지는 열을 열교환기에서 흡수해 외부에서 유입되는 찬 공기를 가온하는 열회수형 환기장치 기술도 보급되고 있다. 온습도, 이산화탄소 농도를 설정하면 자동으로 환기가 이루어지고 필터와 자동댐퍼로 해충 및 이물질의 유입을 방지할 수 있다. 열회수율이 약 70%에 달해 버섯사 적용 시 난방비가 약 50% 절감되며, 수확량이 30% 정도 향상되는 것으로 알려졌다.
 
- 온풍난방기 배기열 회수장치
열회수형 환기장치와 유사한 기능을 갖고 있는 이 방식은 온풍난방기의 연도부분에 설치돼 연도를 통해 배출되는 300℃의 배기가스에서 열을 흡수해 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 알려졌다.
 
 

지열 시스템 구성도
지열 시스템 구성도

- 히트펌프
히트펌프는 냉방을 주로 하는 냉방목적 히트펌프와 난방을 주로 하는 히트펌프로 구분한다.난방 목적 히트펌프를 통상적으로 히트펌프라고 한다. 히트펌프는 열을 흡수하고 방열하는 원리의 구분에 따라 압축식, 화학식, 흡수식, 흡착식 등으로 분류한다. 압축식 히트펌프가 가장 널리 사용되고 있다. 히트펌프는 일반적으로 열원과 열방출원을 동시에, 또는 열원만 부르는 방식을 취하는데, 열원을 먼저 부르고 열방출원을 나중에 부른다. 즉 열원과 열방출원이 동시에 공기이면 ‘공기 대 공기 히트펌프’라 부른다. 열원이 공기이고 열방출원이 물이면 ‘공기 대 물 히트펌프’라는 식으로 부른다. 열원만 부르는 경우는 열원이 공기이면 ‘공기열원 히트펌프’이고, 지열이면 ‘지열원 히트펌프(또는 지열 히트펌프)’라고 부른다.
특히 열원으로 공기를 이용하기 때문에 일상에서 쉽게 얻을 수 있어 가장 많이 개발되고 있다. 공기열원 히트펌프는 하절기에는 공기를 수열체(Heat sink)로 사용한다. 즉 에어컨과 같이 실외기에서는 외부공기를 이용하여 실외기를 지나는 냉매를 식히고, 실내기는 실내공기를 식힘으로써 냉방을 수행하게 된다. 반면, 동절기에는 공기를 열원(Heat Source)으로 이용하는데, 실외기는 외부공기로부터 열을 흡수하고실내기는 실내에 열을 방출함으로써 난방을 수행한다.
지열 히트펌프는 장소 및 시간에 구애 없이 이용하기 편리하고 온도 및 열적으로 안정적이다. 또한 지중의 열을 이용하는 지열 히트펌프는 외기 공기를 이용하는 공기열원 히트펌프에 비해 겨울철의 난방, 여름철의 냉방에 적용하기가 쉽다. 그리고 공기온도는 오후 1시경에 가장 높고 일출 직전에 가장 낮은데 반해 지중온도는 일간 변화가 적어 히트펌프의 열원으로는 상당히 좋은 편이다. 즉 지열 히트펌프은 지하에 열 교환기를 매설하여 이 열 교환기에 물 또는 다른 열매체를 돌려 지중의 토양(또는 물)으로부터 히트펌프의 냉매 순환과정에서 열을 흡수하거나 열을 방출해 시설원예의 에너지 효율을 높인다.

- 신재생 에너지를 이용한 온실 냉난방 기술
태양, 풍력, 수력, 지열, 바이오, 수열, 폐열에너지를 활용한 신재생에너지 기술을 응용한 기술이 보급되고 있으나 아직은 낮은 수준이다. 반면, 목질계 펠릿 난방기, 폐기물 소각열 보일러가 경제성이 확보되면서 보급이 늘고 있다. 
지열 히트펌프는 지하에 열교환기를 매설해 지중의 물 또는 토양으로부터 히트펌프의 냉매 순환과정을 이용해 열을 흡수하거나 방출해 온실을 냉난방하는 시스템이다. 열원 이용방법에 따라 수평형, 수직밀폐형, 수직개방형(SCW) 등이 있다. 지열 히트펌프의 내구성은 20∼25년 정도이며 땅속의 지열교환기는 40∼50년으로 반영구적이다. 주변 열을 흡수하는 히트펌프의 작동특성과 저렴한 농사용 전기로 인해 유류난방기 대비 70∼80의 난방비 절감이 가능하다. 여름철 온실 냉방에 활용함으로써 수확량이 10∼20% 정도 증수되는 효과도 얻을 수 있다.하지만 초기 도입비용이 많은 단점이 있다.

- 농업시설 에너지절감기술 지원 사업
난방에 필요한 에너지는 결국 ‘돈’과 밀접하다. 따라서 난방기는 작물 및 지역의 온도 등 환경을 고려해 무엇이 가장 효과가 높은 제품을 도입해야 한다.
농림축산식품부는 신재생에너지의 농업적 활용과 농가의 경영비 부담 경감을 위해  ‘농업에너지이용효율화사업’을 통해 설치비 지원을 하고 있다. 예컨대, 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.