서 론
국내 농업의 경우, 쌀 자급을 위한 새로운 품종인 통 일벼가 1970년대 초에 신품종 육성에 성공하면서 1977 년에 녹색혁명 성취를 선언하는 계기가 되었다. 이 후 플라스틱 필름이 농업에 적극적으로 도입되어 멀칭농법 과 온실 등의 시설농업이 보급되면서 소위 1980년대를 백색혁명이라 불렀다. 이와 같이 플라스틱 필름의 보급 은 국내 농업 발전에 지대한 영향을 미친 것으로 판단 된다.
2014년 말 현재 국내의 경우, 시설채소 및 화훼류의 시 설원예(온실) 면적은 각각 51,787ha 및 2,381ha으로서 전 체 면적은 54,168ha이다. 이것은 2010년도의 51,829ha, 2011년도의 52,393ha, 2012년도의 53,125ha 및 2013년 도의 53,611ha에 비해 각각 약 0.1~3.4%정도로 미미한 수준이지만 약간 증가하였다. 2014년 말 현재 총 농업생 산액 중 시설원예 생산액의 비중은 약 13.0%수준으로서 2002년 이후 정체 현상을 보이고 있지만, 시설채소의 비 중은 88.2%정도로 지속적으로 증가하고 있는 실정이다. 그리고 전체 시설원예 면적 중 가온면적이 약 29%인 14,882 ha정도로서 2000년 이후 현재까지 25~40%정도 의 범위에 있는 것으로 나타났다(MAFRA, 2015; http://lib.mafra.go.kr.). 온실의 난방면적은 한파 및 유류비 등 에 의해 좌우되지만, 안정적인 작물생산, 대단지화, 첨단 화 및 기후변화 등을 고려하면 앞으로 점점 증가할 것 으로 판단된다.
국내 농업의 경우, 최근 미국, EU, 중국 및 호주 등 주요 국가와 FTA 체결, TPP 참여 검토 등 대외적으로 수입농산물의 증가로 경쟁력이 심화될 것으로 예측된다. 대내적으로도 핵가족화, 섭식의 편의성(소량, 소과) 관심 제고, 고품질 및 식품의 안전성 등에 대한 소비패턴의 변화나 직거래, 로컬 푸드 및 모바일 쇼핑 등 유통경로 도 다양화 될 것으로 판단된다. 여기에 귀농 및 귀촌의 증가에 따른 시설원예에 대한 관심도 높아질 뿐만 아니 라 ICT 융복합 확산을 통한 생산성 향상, 시설환경 개 선, 노동력 및 에너지 절감 등에 대한 관심이 고조될 것 으로 판단된다. 이들 요인들 중에 어느 하나도 중요하지 않은 것이 없지만, 온실 경영비 중 30~40%정도를 차지 하고 있는 난방비용의 절감은 그 무엇보다도 중요하다. 정부에서도 고효율 시설의 현대화, 비용절감 및 시설설 치 산업 육성 등 중점 추진과제를 설정하여 2020년까지 수출액 10억 달러를 목표로 추진 중에 있다.
현재 온실에 이용되고 있는 난방에너지는 85%이상 유 류(경유, 중유, 등유 등)에 의존하고 있는 실정이며, 최 근 관심이 많은 신·재생 및 바이오 에너지인 지열이나 우드펠릿 등을 이용한 난방시스템은 약 3~5%정도에 불과 하다. 이중 유류 난방에 비해 에너지 비용을 70%정도까 지 절감할 수 있는 지열냉난방 시스템은 2014년 말 현재 136ha로서 전체 난방면적의 0.9%정도 밖에 되지 않지만, 2013년의 116ha인 것에 비하면 1년 동안에 약 17% 증가 한 것이다(MAFRA, 2015; http://lib.mafra.go.kr.).
이와 같이 신·재생 및 바이오 에너지를 난방에너지로 사용하고 있는 농가는 아직 미미한 수준이지만, 수출농 업 육성이나 온실의 규모화 및 단지화, 비용절검 등을 고려하면 난방에너지를 획기적으로 절감할 수 있는 기존 지열이나 심부지열을 이용한 히트펌프식 냉·난방시스템 을 적극적으로 도입하여야 할 것으로 판단된다.
현재 지열을 이용할 경우, 온실내부의 열교환기로 대 부분 농가에서 가격이 상대적으로 저렴하고 설치가 용이 한 팬코일유닛(Fan Coil Unit, FCU)를 사용한다. 2014 년 말 현재 FCU를 사용하는 온실의 면적은 404ha 정도 인 것으로 나타났다.
국내에 시판되고 있는 FCU의 종류도 다양하고 그 성 능 또한 제품마다 다르기 때문에 FCU를 온실에 설치할 경우, FCU의 소요대수를 결정할 수 있는 실험적 또는 이론적 근거가 거의 제시되어 있지 않아 현재로선 경험 에 의존하고 있는 실정이다.
본 연구실에서는 신·재생에너지를 온실에 이용하기 위하여 히프펌프, 잉여 태양에너지, 태양광 발전기 및 집열기 등에 대한 연구를 오래 전부터 진행하고 있다. 최근 공기열원 히트펌프, 잉여 태양에너지 및 태양열 집 열기에 의한 축열 에너지를 이용하여 축열 및 온실의 난방효과를 실험적으로 검토한 후, 난방에 필요한 FCU 의 적정 대수를 실험적으로 추정하여 보고한 적이 있다 (Kim et al., 2014; Kim et al., 2016a).
온실에서 잉여 태양에너지를 회수하여 축열조에 축열 하여 재사용할 경우에도 FCU의 적정대수를 결정하는 것이 중요하다. 물론 냉·난방용 및 잉여 태양에너지 회 수용 FCU의 소요대수를 정확히 설계하여 이들 중 불리 한 쪽을 선택하는 것이 가장 이상적이다. 그러나 앞에서 도 기술하였듯이 현재로서 접근법이 쉽지 않을 것으로 판단된다.
따라서 본 연구에서는 이미 보고된 잉여 태양에너지 관련 연구결과와 현재 현장에 설치되어 있는 냉난방용 FCU 현황을 개략적으로 검토한 후, 잉여 태양에너지 회 수에 필요한 FCU의 소요대수 결정 방법을 개략적으로 제시하여 앞으로 이 분야의 연구자 및 기술자들에게 기 조자료를 제시할 목적으로 연구를 수행하였다.
재료 및 방법
실험대상 온실은 경상대학교 기상대에 설치되어 있는 와이드 스팬형 유리온실로서 온실의 규격(B×H×L)은 6.0×4.6×10.0m이고, 측고 및 바닥면적은 각각 3.3m 및 60.0m2으로서 체적은 약 218m3이다. 온실 내부의 측·천 장커튼은 1층 커튼으로서 알루미늄 폴리에틸렌으로 구성 되어 있으며, 잉여 태양에너지 축열 시스템, FCU 사양 및 실험 방법 등은 이미 보고한 것과 동일하다(Kim et al., 2014; Kim et al., 2016a).
따라서 본 보고에서는 필요한 부분만 기술하기로 하였 다. Table 1은 실험에 이용한 FCU의 사양으로서 FCU (JACOOLER, CSTI–1, Korea)는 잉여 태양에너지(주간 동안 환기에 의해 온실 내부로부터 외부로 유출되는 에 너지)를 회수하여 축열조에 축열할 목적으로 온실 중방( 높이 약 240cm) 3곳에 각각 3대씩 총 9대를 설치하였 다. FCU의 규격(B×H×T)은 430×370×250mm이고, 외기 온 및 온실 내부의 온도가 각각 -15.0°C 및 25.0°C이고, 순환수의 온도 80.0°C를 기준으로 10,000kcal·h-1의 열량을 제공하도록 설계되어 있다(http://www.jacooler.co.kr). 축열 조는 외형치수(φ×H) 1,440×2,060mm인 용량 2,700L의 축 열탱크(Dolphin Electric Boiler, ED2700-90K, Korea)를 이용하였다. 실험대상 온실에 작물은 재배하지 않았다.
Table 1.
Specification of FCU.
| Items | Specifications |
|---|---|
| Dimension(L×H×W, mm) | 430×370×250 |
| Fan size(mm) | 300F |
| Power consumption (W) | 100 |
| Heating capacity(kcal•h-1) | 10,000 |
Fig. 1은 실험온실에 설치한 FCU의 적정 소요대수 산 정에 필요한 풍량을 측정하기 위하여 플라스틱 필름의 덕트를 FCU에 부착한 것이다. 덕트의 직경과 길이는 각 각 350mm 및 610mm이고, 풍속은 덕트의 중앙에서 방 사선 방향으로 17개 지점에서 열선풍속계(KANOMAX, CLIMOMASTER-6511, Japan)을 이용하여 측정하였다.
FCU에 의한 축열 및 방열은 순환펌프(WILO, PH- 200M)를 이용 하였으며, 순환유량은 유량계(SEHWAP, HMD32-1b)를 이용하여 측정하였고, 온실 내·외부의 건·습구온도, 유·출입구 및 축열탱크 수온은 온도센서 (Thermocouple, T-type)와 Date logger(GL-800)를 이용 하여 2분 간격으로 측정하였다.
냉난방용 FUC의 설치현황은 농촌진흥청 시설원예연구 소(함안)와 농업과학원(완주) 내에 있는 온실을 대상으로 조사하였으며, 또한 냉난방 시스템 설계 및 시공 전문회 사 관계자와 인터뷰도 병행하였다. Fig. 2는 두 기관의 온실내부의 전경을 나타낸 것이다.
결과 및 고찰
1. 기상자료
잉여 태양열 회수 실험은 2014년 10월 21일부터 3월 14일(약 140일)까지 실시하였다. 실험기간 동안의 최대, 평균 및 최저 외기온은 각각 28.2°C, 4.4°C 및 -11.5°C 정도였다. 온실 밖의 수평면 일사량은 0.8~20.5MJ·m-2로 정도의 범위였으며, 평균 및 총 일사량은 10.8MJ·m-2 및 1,187.5MJ·m-2으로 나타났다(Kim et al., 2016a).
그리고 실제적으로 잉여 태양에너지와 직접적인 연관 이 있는 주간동안 온실 내 기온의 경우, 최대, 평균 및 최저 온도는 각각 22.8~50.0°C, 18.8~45.5°C 및 12.0 ~35.46°C 정도의 범위에 있었다. 주간동안 온실 내 상대 습도는 53.5~77.5%정도의 범위를 유지하였다(Kim et al., 2016a).
2. 잉여 태양에너지
온실의 잉여 태양에너지는 온실내부의 재배작물의 종 류, 온실 형태, 지역, 환기 설정온도 및 환기횟수, 일사 량 등 여러 요인에 의하여 다르다. 따라서 본 연구실에 서는 온실의 형태와 재배작물(오이, 파프리카, 국화)의 종류, 환기 설정온도, 지역별(제주~대관령) 등을 고려한 후, 수학적인 온실 열수지 분석 모형인 KSU-온실모형 (Shu, 1986)을 이용하여 온실에 투입되는 에너지(난방 및 태양에너지)와 손실 또는 배출되는 에너지(복사, 대 류, 환기 및 기타)를 분석(6, 7 및 8월 제외)하였다. 그 결과, 이 중에 온실에서 배출되는 에너지 중에 잉여 태 양에너지의 비율은 9.0~34.2%정도였고, 전체 난방에너지 중에 잉여 태양에너지가 차지하는 비율은 15.0~186.3%정 도로서 재배작물, 온실형태, 지역별로 큰 차이가 있는 것 으로 나타났다(Suh et al., 2009; Suh et al., 2011; Yoon et al., 2011; Yoon et al., 2012; Choi et al., 2013a, b). 또한 본 실험에 사용한 온실을 대상으로 파프리카와 국 화를 재배한다고 가정하고, 저속 및 고속 환기설정온도를 작물별로 각각 27.0 및 29.0°C와 30.0 및 35.0°C로 설정 하였을 때, 잉여 태양에너지를 시뮬레이션으로 분석하였 다. 그 결과 9개월간(6, 7 및 8월 제외)의 총 잉여 태양 에너지는 42.452~76,394MJ정도의 범위로서 연간 소요되 는 총 난방에너지의 81.7%에서 최대 160.4%를 보충할 수 있는 것으로 나타났다(Choi et al., 2013a). 이 결과를 본 실험과 동일한 실험기간 동안만 비교하여 보면, 파프리카 및 국화 재배의 경우, 10월부터 익년 3월까지 각각 3.45~7.11MJ·(m-2·day-1) 및 0.76~3.99MJ·(m-2·day-1)정도의 범위로서 재배작물이나 환기설정온도에 따라 큰 차이가 있었다. 본 실험의 경우, 이 기간 동안 회수한 총 잉여 태 양에너지는 0.79~1.79MJ·(m-2·day-1)정도의 범위로서 시뮬 레이션 결과와 큰 차이가 있음을 알 수 있었다(Kim et al., 2016a). 이것은 작물의 재배 유무, 환기의 유무, 기상상태, FCU의 효율 및 열교환 매체 등의 상이에 의한 것으로 판 단된다. 참고로 전년도 실험결과는 0.30~0.36MJ·(m-2·day-1) 이었다(Kim et al., 2014).
그리고 실험온실에 규격(B×L×H)이 0.7×9.0×1.4m인 락베드(Shu, 1986)를 설치하여 회수할 수 있는 총 잉여 태양에너지는 락베드가 없는 경우에 비해 재배작물별(파 프리카 및 국화)로 각각 90.6% 및 104.5%정도 감소하 는 것으로 나타났다. 그러나 9개월간의 총 난방에너지는 재배작물별로 각각 17.9% 및 16.0%정도 감소하였다. 또 한 난방이 집중적으로 이루어지는 12월부터 익년 2월까 지만 고려해도 난방에너지는 재배작물별로 11.8% 및 14.8%정도 감소시킬 수 있는 것으로 나타나 락베드를 설치함으로서 미미하지만 난방효과가 있는 것을 알 수 있다(Shin, 2014).
이상과 같이 온실의 잉여 태양에너지는 여러 가지 요인 에 의해서 다르기 때문에 현재로서 본 실험에 이용한 온 실의 잉여 태양에너지를 정량적으로 제시하긴 다소 무리 가 있을 것으로 판단된다. 그러나 이상의 기상조건하에서 실험기간 동안 회수한 총 잉여 태양에너지는 6,613.4MJ정 도로서 총 난방에너지인 98,600.2MJ 약 6.7%정도를 보충 할 수 있을 것으로 나타났다.
잉여 태양에너지의 활용 방안에 대해서는 현재 다각도 로 연구가 진행되고 있고, 또한 최근 FCU에 대한 연구 도 활발히 진행되고 있기 때문에 추후 좀 더 연구할 필 요가 있을 것으로 판단된다.
3. FCU의 설치현황
온실의 냉난방용 FCU 설치 대수는 FCU 제작회사, 냉 난방 시스템의 열원이나 효율, 재배작물, 온실형태 등에 따라 다를 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 본 실험에 사용한 FCU와 비교분석을 위하여 본 실험에 이 용한 FCU와 동일하거나 유사한 FCU를 설치하고 있는 기관을 대상으로 조사하였다. 그 결과 한 시설원예연구 소에 설치되어 있는 FCU(이룸, ER-10, Korea)의 경우, 폭, 길이, 동고 및 측고가 각각 6.0, 12.0, 6.0 및 5.0m 이고, 온실의 바닥 면적이 72.0m2인 벤로 온실로서 토마 토를 재배하고 있었다. 난방 설정온도는 17.0~18.0°C이 다. 이 온실의 FCU는 지열히트펌프 시스템과 연동되어 있으며 ,높이 3.0m에 총 4대가 설치되어 있다. 이것은 결국 18.0m2당 1대가 설치되어 있는 것과 같다. 이 FCU는 본 실험에 사용한 것과 비교하면, 제작회사만 다 를 뿐 팬의 규격이라든지 순환수 온도, 열량 등이 동일 하다. 그리고 농촌진흥청에 설치되어 있는 FCU의 경우, 폭, 길이, 동고 및 측고가 각각 7.6, 25.0, 1.7 및 3.7m 이고, 바닥 면적이 190.0m2인 단동비닐하우스(10-단동-6 형)로서 딸기를 재배하고 있었다. 온실의 난방 설정온도 는 9.0°C이다. 이 온실의 FCU는 전기온수보일러(온수온 도 80.0°C)와 연동되어 있으며, 온실바닥에 총 5대가 설 치되어 있다. 이 온실의 경우, 38.0m2당 1대가 설치되어 있는 것과 같다. 냉난방 시스템 설계 및 시공 전문회사 의 경우, 온실형태에 관계없이 파프리카 재배를 전제로 온수온도 50.0°C정도의 지열 히트펌프와 연동하여 설치 하는 FCU는 약 33.0m2당 1대인 것으로 조사되었다. 이 FCU의 사양은 본 실험에 사용한 것과 동일하다. 본 실 험의 경우는 공기열원 히트펌프를 사용하였고, 이 때 순 환수의 수온은 20.0~40.0°C범위였으며 난방 설정온도는 15.0°C로 하였다. 이 때 난방을 위한 적정 FCU 대수는 바닥면적 60.0m2을 기준으로 약 7.0m2당 1대를 설치한 것과 같다.
이상과 같이 시설원예연구소와 농촌진흥청에 설치되어 있는 FCU의 현황에서 나타내듯이 FCU의 설치방법 혹 은 기준 등이 부재하여 좀 더 효율적이고 경제적인 관 점에서 설치높이, 방향 및 설치 간격, 적정 대수에 대한 연구가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
4. 잉여 태양에너지 회수용 FCU 산정
잉여 태양에너지 회수용 FCU 소요대수 산정 시, 우선 온실내부의 최소 및 최대 평균온도, 이때 각각의 온도에 대한 상대습도에 대한 공기의 엔탈피 및 비중량, 온실의 내부 체적을 이용하여, 각각의 온도 및 상대습도에서 공 기가 가지는 열량을 계산하였다(http://www.kemco.or.kr/iecenter/; Kim et al., 2000). 이 두 시점의 열량차이를 기준으로 다음과 같이 FCU의 소요대수를 산정하였다.
본 실험에서 잉여 태양에너지 축열 시, 온실 내부의 평균온도와 상대습도는 앞에서도 기술하였듯이 각각 18.8~45.5°C 및 53.5~77.5%정도의 범위에 있었다. 최소 평균기온 및 최대 상대습도는 각각 약 19.0°C 및 78.0% 정도 이었으므로, 이때 공기의 엔탈피와 비중량은 각각 11.074kcal·kg-1-da 및 1.188kg·m-3이고, 실험 온실의 내 부 체적은 218.0m3이다. 따라서 이때 공기의 질량(체적 ×비중량)과 엔탈피를 이용하여 공기가 가지는 열량(엔탈 피×질량)을 계산하면 2,868.0kcal정도이다. 그리고 최대 평균기온 및 최소 상대습도는 각각 46.0°C 및 54.0%정 도 이었으므로, 이때 공기의 엔탈피와 비중량은 각각 31.591kcal·kg-1-da 및 1.053kg·m-3이기 때문에 온실의 내 부 체적을 이용하여 공기의 열량을 계산하면 7,251.8kcal 정도이다. 이 두 시점에서 공기가 가지는 열량의 차이는 4,383.9kcal 정도로서 잉여 태양에너지를 회수하는 주간 동안(7~8시간) 이 차이가 일정하게 유지되는 것으로 가 정하면, 주간동안 누계 열량은 30,678.3~35,071.2kcal정 도이다. 그리고 이 열량을 효율적으로 회수 해야만 온실 내부의 온도도 적정수준으로 유지할 수 있을 것이다.
본 실험에서 측정한 FCU 평균풍속은 3.27m·s-1이었으 며, 이것을 풍량으로 환산하면 풍량은 약 18.9m3·min-1정 도이다. 이 풍량과 위에서 기술한 두 시점의 공기 평균 비중량인 1.121kg·m-3 및 FCU의 작동시간(7~8시간)을 고려하여 FCU 1대당 회수할 수 있는 공기의 질량을 계 산하면, 8,898.5~10,169.7kg이다. 따라서 FCU로 유입 및 유출되는 공기의 온도 차이(Δt)가 1.5°C정도 이었고, 공 기의 비열을 이용하여 FCU 한대 당 회수할 수 있는 열 량을 다음과 같이 계산하였다.
Q = cp×m×Δt
여기서, Q: 회수열량(kcal), cp: 공기의 비열(0.24kcal·kg-1·°C-1), m: 공기의 질량(kg), Δt: 팬 유입 및 유출구 공 기의 온도 차(°C)
이 식을 이용하여 열량(Q)을 계산하면, 3,203.5 ~3,661.1kcal정도의 범위에 있다. 따라서 FCU의 적정대 수는 주간동안 누계 열량, 즉 앞에서 기술하였듯이 30,678.3~35,071.2kcal범위이므로 이를 앞에서 계산한 Q값으로 나누면 약 8.4~10.9대 정도로서 약 9대 전후를 설치하면 될 것으로 판단된다. 결국 잉여 태양에너지는 온실 내부의 체적과 밀접한 관계가 있기 때문에 9대를 설치한다고 가정하여 이를 체적으로 환산하면, 약 25m3 당 1대정도가 소요되는 것으로 계산되었다.
그러나 이상의 계산방법은 FCU를 통과하는 공기의 질량을 기준으로 하였고, 실제로 FCU 열교환기를 통과 하는 열매체인 물을 고려하지 않았기 때문에 이론적으로 다소 문제점이 있을 것으로 판단된다. 따라서 물을 기준 으로 다시 계산하면 다음과 같다.
FCU 한 대당 순환유량은 약 7.0L·min-1이었으므로 7~8시간 동안 총 순환유량은 2,940.0~3,360.0kg이다. 물 의 비열을 1.0kcal·kg-1·°C-1, 유입 및 유출되는 수온의 차 이(Δt)가 1.5°C이므로 이들 값은 위 식에 대입하여 Q값 을 계산하였다. 이때 Q값은 4,410~5,040kcal 정도이다. 이를 기준으로 앞에서 계산한 방법과 동일한 방법으로 계산하면, 누계열량을 이 Q값으로 나누면 6.1~8.0대 정도 로서 약 7대 전후로 설치하면 적절할 것으로 나타났다. 이 계산법이 공기의 질량을 기준으로 계산한 것에 비해 좀 더 이론적으로 타당한 방법이기 때문에 여기에 FCU 의 효율이나 사용 환경 등 위험률을 고려하면 대략 앞에 서 계산한 것과 같이 9대 전후가 될 것으로 판단된다.
이상에서 기술한 것은 실험한 결과를 바탕으로 한 것 이며, 또한 FCU는 사용 환경에 따라 그 성능이 상당히 다를 것으로 판단된다. 그러나 대상온실의 경우, 특별히 결정할 수 있는 자료가 없다면, FCU 대당 24m3정도로 설계하면 큰 문제는 없을 것으로 판단된다. 특히 이와 같은 자료를 근거로 추후 여러 가지 인자를 고려하여 적정 설치대수 연구가 필요할 것으로 판단된다.
