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“4계절 활용, 난방비 최대 78% 절감”4계절 온실냉난방 기술개발

지하 충적대수층 열저장조 이용한 냉난방기술

미래 농업에너지 확보위한 현장중심 R&D필요

 

국내 시설원예 에너지절감기술 연구개발을 총괄하고 있는 강금춘 국립농업과학원 에너지환경공학과장

◇ 난방비 비중이 높은 시설원예

우리나라 시설원예면적은 2015년말 기준 5만5015ha로 1990년대에 비해 2배 이상으로 급격하게 늘어났으며, 겨울철에 화석연료나 전기 등을 열원으로 이용해 난방을 하는 가온재배면적도 매년 증가해 전체면적의 32.4%를 차지하고 있다. 시설원예용으로 사용되고 있는 난방연료로는 유류 81%, 연탄, 펠릿 등 고체연료가 9%, 전기 8%, 기타 신재생에너지와 가스가 약 2%를 차지하고 있다. 이처럼 유류의존도가 높다보니 시설원예농가는 유가변동에 매우 민감하고 경쟁력도 취약한 실정이며, 시설재배농가의 전체경영비 중에서 겨울철 난방비가 차지하는 비중이 30~50% 정도로 매우 높아 난방비를 절약하는 것이 곧 농가의 소득을 높이는 최선의 방법이라 할 수 있다.

◇ 다양한 에너지절감기술 개발

그동안 국립농업과학원에서는 시설원예분야에서 적극적으로 화석연료 사용을 줄이기 위한 다양한 기술들을 개발해 왔다. 원예시설의 열손실 취약부위를 현장에서 신속하게 진단하고 개선방법을 제시 할 수 있는 에너지 진단 및 컨설팅 시스템을 개발했으며, 온실난방에 주로 사용하고 있는 온풍난방기의 버려지는 배기폐열을 회수해 난방에 다시 활용하는 배기열 회수이용기술 등이 그것이다. 또한 태양잉여열 축열식 공기열히트펌프 시스템을 개발해 실용화했다. 이 시스템은 겨울철 낮 동안 비교적 온도가 높은 온실내부의 난방하고 남는 태양열을 공기열히트펌프를 이용해 40~50℃의 온수를 생산하고 축열조에 저장한 후 온도가 떨어지는 야간에 온실내부의 온도를 높여주는 시스템이다. 이밖에도 방울토마토의 줄기가 성장할 때 생장점을 따라 이동하면서 생장점 부근만을 부분난방해 난방비용을 24% 절감할 수 있는 기술과 딸기 재배시 온도 민감부인 딸기의 관부(크라운, 생장점)만을 난방해 초기수확량을 43% 향상시키고 난방비용도 20% 절감할 수 있는 부분난방 기술도 개발했다.

◇ 계절간 축열 온실냉난방시스템

농업분야의 신재생에너지 보급은 주로 지열히트펌프를 이용한 농업시설의 냉난방 시스템이 주류를 이루고 있으며, 최근에는 수열, 지하공기열, 발전소 및 공장 등에서 버려지는 폐열 등의 재이용에 많은 관심이 집중되고 있다. 이중에서도 특히 최근에 개발한 계절간 축열 온실냉난방시스템은 보온성과 단열성이 우수한 지하공간인 충적대수층이라는 대용량의 열저장조를 이용해 계절간 발생되는 과잉열에너지의 이용을 효율화하는 획기적인 기술이다. 겨울철에는 차가운 열에너지를, 여름철에는 뜨거운 열에너지를 지하공간인 충적대수층에 저장한 후 다음 계절(여름, 겨울)에 온실의 냉난방에 사용하는 기술로서 동절기 히트펌프 효율을 20% 향상시켜 난방비용을 78%나 줄일 수 있는 기술이다. 이와 같은 연구를 통해 원예시설이 설치된 지역의 여건에 따라 지열, 지하공기, 강변여과수, 화력발전소 폐열, 계간축열 등 다양한 신재생에너지 열원을 이용하는 냉난방시스템을 개발해 시설원예농가 선택의 폭을 확대했다.

◇ 에너지절감을 위한 핵심기술

농업에서 사용되는 에너지를 절감하기 위한 핵심기술로는 첫째, 원예시설의 열손실 방지기술과 같은 투입되는 에너지 자체를 줄이는 기술이다. 둘째, 발전소, 폐기물 처리장 등에서 버려지는 폐열을 회수해 온실의 난방에너지로 공급하고 해당 시설은 탄소배출권 획득 등의 효과를 얻는 타산업과의 공존 기술이다. 셋째, 자연계의 지열, 수열 등의 자연에너지를 온실 난방열원으로 바꿔 쓰거나, 작물이나 재배방법을 지역에 맞도록 전환해 에너지를 절감하는 기술이다. 넷째, 난방기의 배기열, 농업시설의 환기 또는 지하수 수막재배 등으로 버려지는 열을 회수해 재사용하는 기술이다.

◇ 미래 농업에너지의 패러다임 변화

미래의 농업에너지는 ‘기술융합’을 통해 신소재 등 공학기술을 첨단 농업시설용 구조개발과 초단열재 개발 등에 접목시키고, ‘신에너지’인 미생물연료전지, 수소연료전지 등 새로운 에너지원을 이용한 농업에너지의 블루오션을 개척하며, ‘재생에너지’인 태양에너지, 바이오에너지, 지열 등을 통한 지속가능한 농업과 에너지생산 농업으로의 패러다임 변화에 기반을 둬 발전해야 할 것이다. 우리농업이 지속가능한 산업으로 발전하기 위해서는 화석연료 의존형 농업에서 탈피해 에너지 절감기술과 대체에너지원의 개발 및 이용기술을 확보하는 것이 무엇보다 중요하다. 또한 농업에너지의 효율적 사용을 위해 에너지절감기술과 신재생에너지의 이용, 첨단농업 생산기반조성을 위한 정책전환 등 현장중심의 R&D 추진이 필요한 시점이다.

에너지진단 및 컨설팅 시스템
온풍난방기 배기열 회수장치
태양잉여열 축열시스템
방울토마토 부분난방장치
화력발전 폐열 히트펌프
계절간 축열 냉난방시스템

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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