서 론
우리나라의 시설원예 면적은 2000년 이후부터 경영여건 의 어려움으로 정체 상태에 있으나, 1980년에는 7,141ha, 1990년에는 23,698ha, 2000년에는 52,189ha이던 것이 2015년에는 54,804ha로 1990년대 후반까지 국가의 경제 성장과 더불어 급신장 하였다. 또한 2015년 현재 가온방 법을 보면, 시설원예 난방 재배면적의 약 80%가 유류난 방을 채택하고 있다(MAFRA, 2016).
2013년에 보고된 유가(Dubai유 기준) 수준별 경영비 증가율에 관한 자료에서는 국제 유가가 배럴당 120$ 수 준으로 상승하게 되면, 주요 원예작물 경영비는 2007년 에 비하여 평균 24%가 증가할 것으로 예상하였다(RDA, 2013). 또한 경영비중 난방비용이 시설감귤은 64.6, 촉성 오이는 33.1, 시설장미는 42.1%를 차지하는 것으로 분석 되었으며(RDA, 2013), 농업에너지와 관련하여 통상적으로 시설원예 경영비 중 난방비 비중은 30~40%로 시설원예 선진국인 네덜란드의 10% 수준에 비해 높은 편이다.
즉, 우리나라 시설원예의 가장 큰 문제점은 겨울철 난 방연료의 대부분을 석유에너지에 의존한다는 것이며, 국 제원유가격의 상승으로 인하여 겨울철 난방비용이 증가 하여 재배작물의 가격경쟁력이 떨어지고 있다는 것이다 (Ryou 등, 2012). 이와 같이 난방비 절감은 시설원예 경 영에서 매우 절실하다. 시설원예 난방비를 절감하고자 Kang 등(2007, 2013)과 Ryou 등(2008)은 지열원 히트펌프 와 관련하여, Kwon 등(2013)은 공기열원 히트펌프와 관련 하여 농업분야 현장적용 연구를 수행하였다. 또한 Jeon 등 (2015)은 지열, 태양열을 선택적으로 또는 복합적으로 이 용할 수 있는 하이브리드형 히트펌프 난방시스템을 개발, 동양란 재배 온실에 적용하여 난방성능을 검토한 바 있으 며, Kwon 등(2016)은 유리온실에 적합한 고효율 난방패키 지기술 개발을 위하여 지하수열원 히트펌프, 유리온실용 알루미늄 다겹보온커튼, 양액재배 배지 국소난방장치를 조 합하여 파프리카 재배 벤로형 온실에 적용, 대조 온실과 에너지소비량, 작물생육 등을 비교한 바 있다.
그러나 공장이나 발전소 등에서 발생하는 폐열을 농업 적으로 활용하여 난방비용을 절감하는 연구는 많지 않으 며, 특히 온배수와 같은 양이 풍부한 자원에 대해서의 연구는 많지 않다. 국내 발전소 온배수의 연간 배출량은 563억 5,400만 톤에 달하며, 2014년 1억 9,449만 톤(전 체 0.35%)의 온배수가 활용되었고, 전체 온배수를 열에 너지로 사용하면 매년 4,300만 톤의 석유 대체 효과가 있을 것이라고 추정되고 있다(MOTIE, 2015).
폐열 특히 온배수와 관련한 연구는 다양하나, 수산업 과 생태 환경 분야에 초점이 맞춰져 있으며(Ahn, 2014; Hwang과 Kim, 2011; Jeong, 2015; Maeng 등, 2015), 에너지 관점의 접근의 경우 Jeong(2012)은 2010년 말 기준 국내 화력발전소 냉각수를 통해 배출되는 미활용 열에너지의 규모를 평가하였으며, 석탄 화력발전소 냉각 수 열에너지를 시설원예 난방용으로 활용하는 사업에 대 한 타당성을 분석하였다. Ryou 등(2012)은 화력발전소 온배수를 열원으로 이용하는 시설원예용 히트펌프 시스 템의 열교환기에 대한 설계 기준을 현장실증연구를 통하 여 설정한 바 있다. Lee(2016)는 효율이 좋을 것으로 판 단되는 발전소 온배수와 소각시설 열원을 선정하여 에너 지 패턴과 경제성을 분석하고, 각 산업폐열원을 이용하 는 대규모 시설원예 단지용 난방시스템의 실질적 적용 가능성을 평가하였다.
온배수 이외의 폐열에 대해서는 Lee 등(2011)은 포항철 강산업단지에서 발생하는 폐열의 잠재성이 높은 에너지 교환망을 제시하고 경제성을 평가하였으며, 산업통상자원 부에서는 열지도추진단을 구성하여 국가 열지도(Korea Heat Map)를 작성하기로 하였다(http://www.sisaweek.com/ news, 2015).
본 연구에서는 전체 0.35%만 활용되고 바다로 배출 되는 화력발전소의 온배수(폐열)를 열원으로 이용하여 온실을 난방하는 히트펌프 시스템의 난방 성능과 유 류 난방 대비 난방에너지 비용 절감 효과 등을 분석 하였다.
재료 및 방법
1. 실험 장치 및 방법
화력 발전소 폐열 이용 농업시설용 히트펌프시스템의 설계는 Ryou 등(2012)의 보고와 같으며, 제주특별자치도 에서 서귀포 소재의 남제주 화력 발전소 인근에 조성한 아열대작물(망고) 재배온실을 활용하였다. 실험 온실의 면적은 5,280m2이었으며, 120 RT(Refrigeration ton, 냉 동톤)를 30, 40, 50 RT의 3대로 제작하였다. Fig. 1은 실험온실과 화력발전소의 위성사진이며, 그림 내 사각으 로 표시된 것이 화력발전소이고 원으로 표시된 것이 실 험 온실이다.
화력 발전소 폐열 이용 농업시설용 히트펌프시스템은 폐열 회수용 열교환기(Fig. 2), 이송 관로(Fig. 4), 히트 펌프(Fig. 5), 축열탱크(Fig. 6), 팬코일 유니트(Fig. 7)로 구성하였다. 폐열 회수용 열교환기는 히트펌프 용량을 30 RT로 하여 Roll 타입으로 제작하였고, 열교환기의 소 재는 저렴한 비용과 함께 온배수가 바닷물이기 때문에 부식을 방지함으로써 내구성을 확보하기 위하기 PE 소 재로 하였다. 파이프 내경은 20mm, 두께는 2mm, Roll 당 직경과 길이는 각각 1m, 100m로 하였다. 총 30개의 Roll을 온배수가 흐르는 지하 피트(Fig. 3)에 설치하였다.
Fig. 8은 화력 발전소 폐열 이용 농업시설용 히트펌프 시스템의 개략도를 보여준다. 온배수가 흐르는 지하 피 트에 설치된 폐열 회수용 열교환기는 온배수로부터 열을 흡수하고, 열교환기 내부에 흐르는 물은 수송 관로(Fig. 4)를 통하여 이송된다. 수송 관로에 의해 이송된 온배수 로부터 열을 흡수한 물은 히트펌프의 열원으로 작용하고, 다시 순환하여 지하 피트에 있는 폐열 회수용 열교환기 에서 온배수로부터 열을 흡수한다. 히트펌프는 온배수의 열을 이용하여 난방수를 생산하고, 이를 축열탱크에 저 장하였다가 온실내부에 설치된 팬 코일유니트를 통해 온 풍을 만들어 온실을 난방하는 시스템이다.
Fig. 8에서 보는 바와 같이 그림 내 T.C.(Thermocouples) 로 표현된 온도센서(T type, Daehyeon Tech, Korea)를 증 발기(Evaporator)와 응축기(Condenser)의 입출구에 설치 하여 물 온도를 측정하였으며, 온도값은 데이터로거 (MV200, Yokogawa, Japan)로 수집하였다. 또한 증발기 입구와 응축기 출구에 유량계(PT 860, Panametrics, USA & EF-501, Seoyong Engineering Co., Korea)를 설치하였으며, 전력량계(CW240, Yokogawa, Japan)를 이 용하여 히트펌프의 소비전력을 측정하였다.
응축기의 입출구 물 온도, 유량, 소비전력과 식(1)을 이 용하여 히트펌프의 난방열량과 난방성능계수 산출하였다.
여기서, COPH:난방성능 계수, qH: 난방열량(kW), Pe: 소 비전력(kW), : 열매체(물)의 질량유량(kg·s-1), Cw: 물 의 비열(kJ·kg-1·°C-1), Tc.in, Tc.out: 열매체의 응축기 입출구 온도(°C)
또한 2010년 10월에서 다음 해 2월까지 약 5개월간 난방을 실시하여 화력발전소 폐열 이용 히트펌프 시스템 의 난방에너지 비용절감효과를 분석하였다.
결과 및 고찰
1. 난방운전시 히트펌프 시스템의 증발기 및 응축기 입출구 열매체 온도 변화
Fig. 9는 폐열 회수용 열교환기(롤 타입 PE 파이프 열 교환기) 길이를 최적상태인 2,300 m(1RT 당 75 m, Ryou 등, 2012)로 유지한 상태에서 증발기와 응축기의 입출구 열매체(물) 온도를 보여준다. 이때 온실에 설치된 팬코일 유니트는 가동하지 않은 상태이며, 축열탱크 내 열매체 는 응축기에 유입되어 가열된 후 다시 축열탱크로 이동 하도록 하였다.
난방성능시험을 수행하는 동안 증발기 입구 즉, 온배 수와 열교환한 열매체(물)의 온도는 32°C에서 26°C까지 변화하였고, 증발기 출구의 온도는 19.5°C에서 15°C까지 변화하여 평균 17°C의 온도차를 보였다. 축열탱크의 온 도인 응축기 입구 온도는 실험초기 15°C에서 직선적으 로 상승하여 12시간이 경과한 후에는 50°C까지 높아졌 다. 축열탱크의 온도가 상승하면서 응축기 입출구 온도 차가 미세하게 작아지는데, 이는 축열탱크 내 열매체의 온도가 상승하면서 히트펌프의 응축기 내 냉매와의 열전 달량이 감소하기 때문인 것으로 판단된다.
2. 히트펌프의 가동시간에 따른 전력소모량, 증발기 흡수열량, 응축기 토출열량 변화
Fig. 10은 히트펌프의 전력소모량, 증발기에서의 흡수 열량과 응축기의 토출열량의 변화를 보여준다. Fig. 10 에서 보는 바와 같이 축열탱크 내 열매체 온도가 낮은 실험 초기에는 증발기의 흡수열량이 175kW이였으나, 시 간이 경과할수록 흡수열량은 점점 감소하여 12시간 경 과 후에는 120kW까지 약 55kW 감소하였다. 또한 응축 기 토출열량은 실험초기 200kW에서 160kW까지 약 40kW 감소하는 것으로 나타났다. 이때 히트펌프 시스템 의 전력소모량 30kW에서 42kW까지 증가하였다. 이는 실험 초기에는 Fig. 9에서 보는 바와 같이 축열탱크 내 열매체의 온도가 높지 않아 응축기의 토출열량이 높은 반면 축열탱크 내 열매체의 온도가 높아지면서 열전달량 이 감소하며, 이에 따라 증발기에서도 흡수열량이 감소 하기 때문인 것으로 판단된다.
3. 응축기의 열매체 입구온도가 난방성능계수에 미치는 영향
Fig. 11은 응축기 입구에서의 열매체 온도에 따른 난 방성능계수를 보여준다. Fig. 11에서 보는 바와 같이 초 기에는 응축기 입구의 열매체 온도는 15°C이였으며, 이 때 난방성능계수는 7.0을 상회하였다. 열매체 입구온도 가 30°C인 경우에는 난방성능계수가 5.0 수준으로 떨어 졌고, 40°C에서는 4.0 수준이었다. 하지만 40°C 이상에 서는 성능계수가 4.0 이하로 감소하였다. 축열탱크 내 열매체의 온도가 상승할수록, 즉 Fig. 10에서 보는 바와 같이 시간이 지남에 따라 응축기 토출열량은 감소하는 반면 히트펌프의 소비전력은 증가하기 때문이며, 높은 성능계수를 유지하면서 히트펌프를 운전하기 위해서는 온실 난방에 지장을 주지 않는 상태에서 축열탱크 내 열매체의 온도를 낮게 유지되도록 조절해야 할 것으로 판단된다.
4. 경유난방 대비 히트펌프 시스템의 난방에너지 비용 절감효과 분석
화력발전소 폐열 이용 히트펌프 시스템의 난방에너지 비용절감효과를 분석하기 위하여 약 5개월간 제주특별자 치도 서귀포시 안덕면 소재의 온실에서 현장실증시험을 실시하였다. 시험 기간 동안 면세경유가격은 평균 1,000 원/L이였고, 히트펌프 시스템은 농업용 전기(병)를 사용하 였다. Table 1에서 보는 바와 같이 5개월의 난방기간 동 안 히트펌프 시스템이 사용한 전력량은 총 226,641kWh 이였으며, 같은 기간 동안에 납부한 전력요금 총액은 9,975천 원이었다. 전력사용량을 기준으로 경유난방기를 사용하여 난방을 하는 경우의 경유소요량은 산정하면 76,013L이며, 이를 경유구입비용으로 환산하면 76,013천 원이었다(경유난방기의 열이용 효율 : 85%, 경유발열량 : 10.52kWh/L로 계산). 따라서 면세경유 대비 난방에너지 비용 절감효과는 87%이였다. 또한 발전소의 폐열을 난방 에너지원으로 재활용함으로서 62%의 이산화탄소 배출 저 감 효과가 있는 것으로 분석되었다(http://co2.kemco.or.kr/ directory/toe.asp).
