서 론
국내·외 에너지 이용 관련 정책
1. 국내 정책 동향
2. 국외 정책 동향
HP 종류 및 농업적 적용 연구
1. 히트펌프 현황 및 종류
2. 공기열 히트펌프(Air source Heat Pump, AHP)
3. 지열 히트펌프(Ground source Heat Pump, GHP)
4. 수열 히트펌프(Water source Heat Pump, WHP)
서 론
산업혁명 이후 화석연료 사용이 급증하면서 연평균 온도가 2011년부터 2020년까지 약 1.09°C 상승한 것으로 나타났다(Intergovernmental Panel on Climate Change, 2023). 인간이 배출한 온실가스로 인해 지구온난화는 더욱 가속화되고 있으며, 국제사회는 이러한 심각성을 인지하고 극복하기 위한 노력이 이루지고 있다. 우리나라는 2020년도에 2050년까지 탄소중립 달성을 선언하였으며, 2021년도에 “2030 국가 온실가스 감축목표”를 상향하여 2030년까지 온실가스 배출량을 2018년 대비 40% 감축하는 목표를 설정하였다. 기후변화에 대응하고 지속 가능한 산업 발전을 위한 다양한 전략 중에서 신재생에너지로 전환이 중요하게 인식되고 있으며(Lee, 2021), 이를 위해 2030년까지 재생에너지 비중을 최소 21.6%까지 확대하고자 한다. 신재생에너지는 화석연료 사용을 줄이고 환경을 보호하기 위해 개발된 에너지원으로, 태양광, 풍력, 수력, 지열, 바이오매스 등이 포함한다. 탄소중립을 달성하기 위해서는 산업별 노력이 중요하며, 정부에서는 분야별 신재생에너지 비중을 늘리기 위한 제도적, 경제적 지원을 하고 있다.
농축산부문에서는 온실가스 감축 목표로 2018년 배출량 24.7백만톤 대비 18.0백만톤으로 설정하여 27.1% 감축을 목표로 하고 있다. 시설원예 분야에서 유류 사용 비중은 82%이며, 이는 온실가스 배출에 큰 영향을 미칠 뿐만 아니라 주로 에너지원을 수입하고 있어 국제 유가 변동은 시설재배 농가 소득에 큰 영향을 미친다(Park and Kim, 2019). 최근 고유가 상황 지속으로 난방용 면세 등유 가격이 큰 폭으로 증가하였다. 따라서 시설원예 분야에서 에너지 효율성을 높이는 것은 농가의 운영비를 절감시키고 소득 안정화를 위해 매우 중요하다. 이를 위해 2050 농식품 탄소중립 추진 전략의 일환으로서, 시설원예 및 축산업에서 신재생에너지 기술 적용과 에너지 효율화 사업이 추진되고 있다(Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs, 2023).
히트펌프(Heat Pump, HP)는 공기열, 지열, 지하수, 하천수, 산업폐수 등의 재생 가능한 열원(저열원)을 활용하여 온수, 난방 및 냉방열원(고열원)을 만들 수 있는 열회수 기기로 신·재생에너지와 밀접한 관계가 있기 때문에 그 중요성이 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 히트펌프의 에너지 효율은 난방 설비에 비해 1.5－2.0배로 높고 전기 히터에 비해 3.3－4.4배로 높다(Seoul Institute, 2020). 경제적인 측면에서 초기 설치 비용이 높고 회수기간이 다른 에너지 절감 장치와 비교하여 길다는 한계가 있다. 그러나, 회수기간은 전기요금, 사용 빈도 등에 따라 달라질 수 있으며, 특히, 지역의 기후조건에 따라 크게 달라진다. 따라서 본 연구는 농업 부문에서의 탄소중립 실현과 지속 가능한 에너지 전환을 위해 국내·외 신재생에너지 정책 동향을 분석하고, 히트펌프의 종류에 따른 농업적 적용 연구 분석을 통해 적용성을 평가하고자 한다.
국내·외 에너지 이용 관련 정책
1. 국내 정책 동향
우리나라는 1990년 “에너지 이용 합리화법”을 개정하여 신재생에너지의 연구개발을 촉진하는 법적 토대를 마련하였으며, 환경보호법을 통해 산업·환경 개선을 위한 히트펌프 기반 에너지 절약 기술이 알려지기 시작하였다. 2000년대부터 본격적으로 신재생에너지 정책이 수립되었고, 2002년 “신재생에너지 개발·이용·보급 촉진법(신재생에너지법)”이 제정되었으며, “제1차 신재생에너지 기본계획(2003-2012)”을 수립하여 장기적인 정책 방향을 제시하였다. 2008년에 “저탄소 녹생성장 기본법”이 제정되었으며, 에너지 효율이 높은 히트펌프를 포함한 그린에너지가 강조되기 시작하였다. 2010년에는 “녹색성장 5개년 계획”이 수립되어 재생에너지 비율을 높이고 온실가스 배출을 줄이기 위한 다양한 정책이 추진되었고 같은 해 산업통상자원부에서 농업 및 대형 건물 위주의 히트펌프 시스템 설치를 위한 경제적 지원을 시작하였다. 2012년에는 신재생에너지 공급의무화제도(Renewable Portfolio Standard, RPS)가 도입하여 일정 비율 이상의 전력을 신재생에너지로 공급하는 것을 의무로 하였다. 2020년 10월 우리나라는 2050년 탄소중립 목표를 공식 선언하였으며, 2021년 탄소중립기본법을 제정하고 “2030 국가 온실가스 감축목표(Nationally Determined Contribution, NDC) 상향안”을 발표하여 감축 목표를 26.3%에서 40.0% 상향할 것을 명시하였다. 또한 “제9차 전력수급기본계획(2020-2034)”에서는 재생에너지 발전 비율을 2030년까지 20%로 확대할 것을 목표로 설정하였다. 다시 말해, 우리나라는 2000년 이후부터 지속적으로 재생에너지원이 차지하는 비중을 늘려가기 위한 노력이 이루어지고 있고, 2010년 이후로 히트펌프 관련 도입 및 지원 정책이 진행되었다. 그러나, “신재생에너지법”에서 지열·해수열·수열원(강, 호수, 등)을 사용한 히트펌프는 재생 에너지로 인정되지만, 이외의 열원을 사용한 히트펌프는 인정하지 않아 보급 활성화에 어려움을 겪고 있다.
2. 국외 정책 동향
유럽연합(EU)은 1997년 “재생에너지백서”를 발표하여 2010년까지 재생에너지 비율을 12%로 확대하는 목표를 설정하였다. 이후 2001년 “재생에너지 지침”을 통해 2010년까지 전력 생산의 22%를 재생에너지로 공급하는 목표를 설정하였다. 2010년도에는 2020년까지 재생에너지 비율을 20%로 늘리기 위한 “2020 기후 및 에너지 패키지”를 도입하였다. 이후 EU은 2050년까지 탄소 중립을 이루기 위해 2019년 유럽 그린 딜(European Green Deal)을 발표하였다. Fit for 55 패키지를 통해 2030년까지 1990년 대비 온실가스 배출량을 55% 감축하는 것을 목표로 농업·교통을 포함한 여러 분야에서 탄소화를 위한 감축 목표를 설정하였다.
최근에는 러시아-우크라이나 전쟁으로 촉발된 러시아산 가스의 수급 불안정으로 인해 에너지 안보 측면에서 에너지 수입을 감소시켜 에너지 자립도를 높이기 위한 2022년 REPowerEU 목표를 수립했다. 재생에너지 보급 정책으로 화석연료 금지, 가스 혹은 석유보일러 신규 설치를 금지함으로써 2029년까지 히트펌프가 가정용 보일러 사용을 대체할 계획이며, 히트펌프 이용 확대를 위한 인센티브 등의 수단을 제안하고 있다.
영국, 독일, 등 유럽 국가는 히트펌프 보급확대에 적극적인 노력을 하고 있다. 영국은 히트펌프의 도입을 촉진하기 위하여 ‘히트펌프 레디’ 프로그램이 시행되고 있다. 히트펌프에 대한 접근성 및 경제적 실현가능성을 높이기 위하여 히트펌프의 설치·시험·최적화 기술·비지니스모델 개발에 적극적인 지원을 하고 있다. 또한, 기존 보일러를 대신해 히트펌프를 설치하며 열 차액 지원제도(Renewable Heat Incentive, RHI)를 마련해 화석연료와 재생에너지 열 난방 간 비용 차이 인센티브를 지원하고 있다. 이 제도 역시 주거용, 비주거용 상관없이 공기열 히트펌프 지원이 포함돼 있다. 독일은 2024년부터 매년 50만 대의 신규 히트펌프 설치를 계획하고 있으며, Renewable Heat Obligation(RHO) 제도로 건물소유주를 대상으로 건물 열에너지 사용의 일정량을 재생에너지원을 통해 공급하도록 의무화했다. 특히, 에너지원별 의무 비율을 보면 지열·공기열 등의 히트펌프 비율이 높으며, 이 중에서도 공기열 히트펌프에 대한 비율이 높다. 이들 국가에서 공기열 히트펌프를 지원할 수 있는 이유는 COP 3이상의 공기열 히트펌프에 대해서 재생에너지로 인정하고 있기 때문이다. 이외에도 프랑스, 스웨덴, 스위스, 등의 국가에서 히트펌프 활용을 높이기 위한 정책이 이루어지고 있다. Fig. 1은 유럽 대표 국가에서의 화석연료 기반 난방시스템과 히트펌프의 판매 비율을 나타낸다.
미국은 히트펌프로의 전환을 위한 다양한 정책을 이행하고 있다. 1992년 “에너지정책법”을 통해 재생에너지 연구 개발 지원을 시작했으며, 2005년 “에너지정책법”을 개정하고 재생에너지에 대한 세금 인센티브를 도입하였다. 각 주·정부 차원에서 재생에너지 포트폴리오 표준(Renewable Portfolio Standard, RPS)을 도입하여 재생에너지 사용을 의무화하였다. 2021년 조 바이든 행정부 “기후 변화 대응 행정명령”을 통해 2050년까지 탄소중립을 목표를 선언하였고, 기후 변화 대응을 위한 '녹색 뉴딜'을 제시하며 신재생에너지 산업을 적극 지원하고 있다. 적극적인 탈탄소화 정책으로 인하여 히트펌프에 대한 관심이 지속적으로 높아지고 있다. 미국 에너지부에 따르면, 히트펌프는 평균적으로 화석연료 기반 난방시스템에 비해 연간 6,200kWh를, 전기 난방시스템에 비해 연간 3,000kWh를 절약할 수 있다(Department of Energy, 2024). 미국 히트펌프시장의 성장을 크게 주도하는 것은 인플레이션감축법(Inflation Reduction Act, IRA), 주별 자체 프로그램 등 정부 인센티브이며, IRA은 미국 내 에너지생산을 확대하고자 국방물자생산법(Defense Production Act) 수행에 큰 예산을 할당하였다.
일본은 1990년대 초반부터 태양광, 풍력 등 재생에너지 기술 개발에 집중하였으며 2003년 “신에너지법”을 개정하여 재생에너지 보급을 위한 제도적 기반을 강화하였다. 후쿠시마 원전 사고 이후 재생에너지로 전환을 가속화하기 시작하였으며, 2012년 “신재생에너지 발전차액지원제도(Feed-in-Tariff, FIT)”를 도입하여 태양광, 풍력 등의 보급을 촉진하였다. 2020년도에 2050년까지 탄소중립 달성을 목표로 2050년 탄소중립 목표를 선언하였으며, 탈탄소화 성장형 경제구조 이행 추진전략으로 산업부분에서의 히트펌프의 이용 확대가 일본에서도 포함되어 있다.
중국의 신재생에너지 산업은 정부 지원 아래 고속 성장하고 있다. 2005년 중국 신재생 분야의 근본법으로 간주되는 “신재생에너지법”을 제정하였고 그 후 지속적으로 신재생에너지 관련 규정들이 발표되었다. 2017년에는 신재생에너지가 전체 에너지 소비량의 13%를 차지하였다. 특히 수력, 풍력, 태양광 및 바이오매스을 중심으로 한 신재생에너지 산업이 발전하고 있으며 앞으로도 중국 정부의 지원 아래 이런 에너지 기술 개발이 가속화될 전망이다(Xu et al., 2019). 2060년까지 탄소중립 달성을 목표로 하였으며, 태양광과 풍력 등 재생에너지 발전 시설을 확충하고 있다. 전력 시스템의 디지털화와 스마트 그리드 구축을 통한 신재생 에너지 통합 강화하고 있다(International Renewable Energy Agency, 2022).
선진국을 중심으로 기후변화 대응을 위해 장기적인 탄소중립 목표를 설정하고 목표를 달성하기 위한 정책과 전략의 일환으로써 히트펌프의 보급 확산을 위해 노력하였다. IEA에서는 히트펌프의 보급과 확산이 에너지의 효율적 활용에 중요함을 인식하고 1978년에 에너지연구기술위원회(Committee on Energy Research and Technology, CERT) 산하에 히트펌프 프로그램을 구성하였으며, 이후 2015년에 히트펌프 기술협력프로그램(Heat Pumping Technologies TCP, HPT TCP)으로 전환되었다. HPT에서는 히트펌프에 대한 세계의 기술 정보와 시장정보를 제공하며, 각국의 정부와 이해관계자를 대상으로 히트펌프 기술의 확산을 위한 공조를 도모하고 있다. 특히, IEA HPT에서는 연구 프로젝트, 히트펌프 센터를 운영하는 등의 활동을 하고 있다. 이 센터를 통해서는 히트펌프 기술에 대한 정보 허브와 다양한 시장에서의 히트펌프 기술 구현을 지원하는 역할을 담당하며, 세계 전문가 및 기관과의 연계를 통해서 인적·지적 교류를 지원한다.
HP 종류 및 농업적 적용 연구
1. 히트펌프 현황 및 종류
전 세계 히트펌프 시장 규모는 2024년 기준 약 900억달러로 추정되고, 2029년까지 1,578억달러로, 연평균 11.8% 성장이 전망된다(Markets and Markets, 2024). 국내 히트펌프 시장 규모는 2022년 기준 11억8,570만달러에서 2030년까지 21억1,310만달러로, 연평균 7.5% 성장을 전망하고 있다(Grand view research, 2024). 2022년 세계 히트펌프 판매량은 약 11% 증가하였으며 특히 유럽에서 큰 성장을 보였다(IEA, 2023). 히트펌프 시장의 성장은 온실가스 감축 노력으로 인하여 정책적 지원과 인센티브로 인한 결과로 분석되지만, 히트펌프 중 특히 공기-물 히트펌프가 다른 모델 보다 높은 판매 성장을 보인 것은 라디에이터, 온수 공급 등 다양한 난방 방식에 적용이 가능한 점으로 인한 것으로 판단하였다.
히트펌프는 저열원을 고열원으로 냉매를 통해 이동시키는 기술로 미활용에너지열원(하천수, 폐열지열, 수열, 공기열 등)을 냉·난방과 산업용의 고급에너지로 변환시키는 대표적인 친환경 에너지장치이다. 기본적인 작동원리는 냉매의 상태·온도변화를 통해 열에너지를 흡수·방출하며, 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기라는 주요 4가지 부품을 통해 동작한다. 1) 압축기는 냉매에 전기 혹은 가스를 통해 압력을 가하여 고압·고온 상태로 변환한다. 2) 응축기는 고온의 냉매가 실내 열 교환기를 통해 열 에너지를 방출한다. 이때 실내 공간에 방출된 열에너지를 얻어 난방 효과를 얻을 수 있고 고압상태를 유지하나 온도는 떨어진다. 3) 팽창밸브에서는 고압의 냉매를 팽창을 통해 압력을 낮추면서 온도를 저온으로 변화시킨다. 4) 증발기는 저압 저온의 냉매를 실외의 열교환기를 통해 냉매가 열 에너지를 다시 흡수할 수 있도록 한다. 열원 종류에 따라 공기열, 수열, 지열원 히트펌프 등으로 구분할 수 있다.
2. 공기열 히트펌프(Air source Heat Pump, AHP)
AHP는 ‘증발-압축-응축-팽창’ 구조로 이루어진 회로를 냉매가 순환, 열 교환을 통해 열에너지를 이동시키는 것으로 압축 시 온도가 올라가고 팽창 시 온도가 떨어지는 기본원리를 이용한다. 즉, 외부 공기를 열원으로 삼아 실내 냉·난방 시스템을 제공하는 시스템이다. 여름철의 경우 실내의 대기 열을 외부로 방출하며 냉방기능을 수행하고, 겨울철에는 열 에너지를 흡수하여 낮은 온도의 대기에 필요한 난방기능을 제공한다. AHP 보급은 화석연료, 가스 등 연료 사용 보일러 교체에 따른 온실가스 저감 효과와 타 열원(지열 또는 수열) 대비 설치비 및 운전비가 저렴한 특징을 갖는다. 또한, 설치장소 제약이 없어 단독·공동주택 등 모든 단위에 적용이 가능하다는 장점이 있다. 우리나라에서는 AHP의 경우 지열히트펌프와 달리 효율이 낮은 편이기 때문에 신재생에너지원로 인정이 되지 않고 있지만, 외국의 경우에는 AHP의 COP 성능에 따라 신재생에너지원으로 인정되어 정부지원 사업 등의 혜택을 받고 있다. 열 전달 매체에 따라 AHP는 두가지로 분류가 된다. 외부 공기의 열에너지를 공기로 전달할 경우, Air-Air Heat Pump(AAHP)이고 열에너지를 물로 전달할 경우 Air-Water Heat Pump(AWHP)로 나뉘며, Fig. 2와 같은 순환을 이룬다. AAHP는 외부 공기의 열을 실내 공기로 전달하는 방식으로 증발기(실외기)을 통해 외부 공기로부터 열에너지를 얻어 냉매 루프를 따라 실내 공간에 냉·난방 시스템을 제공받는다. AWHP의 경우 외부 공기의 열을 통해 열을 얻고 열교환기를 통해 냉매 루프의 물로 전달하여 순환시켜 냉·난방을 제공하는 시스템이다.
농업에서의 AHP는 초기 설비투자비가 상대적으로 낮고 소형으로도 적용 가능하지만 외기온 변화에 따른 성능 변화가 크다는 단점이 존재하여 이를 위한 개선 및 연구가 진행되고 있다. Kwon et al.(2013)는 온실의 동절기에 발생하는 과다한 태양복사 열에너지 환기를 통해 외부로 배출되는 태양 잉여열을 회수, 축열을 통해 야간 난방에 활용하는 연구를 수행하였다. 단동 온실을 대상으로 무환기 조건에서 수행하였고 태양 잉여열을 통한 축열을 연구기간동안 일정 시간동안 유지시켜 무환기를 통한 온실 내부 온도를 약 20－28℃ 유지함을 보였다. Kim et al.(2017)는 접촉식 공기-물 히트펌프 시스템을 제주지역에 설치하여 성능을 분석하였고, Lim et al.(2020)는 제주도의 토질 구조적 특성으로 발생하는 지하공기를 이용한 물-공기 히트펌트와 기존 공기히터에 대한 온실 난방 성능을 평가하였으며, 기존 공기히터와 비교해 전체 난방비의 70% 이상을 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 개방 루프 시스템(자연 수원에서 직접적으로 열을 흡수하거나 방출하는 방식)과 폐쇄 루프 시스템(파이프 추가 설치 후, 물과 혼합한 부동액의 순환을 통해 지반과 물 사이의 열교환 방식)을 비교하였으며, 개방 루프 시스템의 COP는 4.3－5.5, 폐쇄 루프형 시스템의 COP는 5.0－2.5로 폐쇄 루프형 시스템에서 성능이 감소하는 것을 확인하였다. Chen et al.(2024)은 데이터 센터에서 발생하는 폐열(잉여열)을 AHP와 폐열 회수장치를 결합한 시스템을 통해 데이터 센터와 농업 부문의 연결하는 새로운 방안을 제시하였다. 연간 총 764MWh의 전력을 절감하였으며, 석탄 230톤, CO2 방출량을 168만톤 줄이는 효과를 입증하였다. Lee et al.(2023)은 상대적으로 초기투자비용이 저렴하며 지역적 범용성을 갖는 AHP를 연계한 온실 냉·난방 시스템을 개발하였다. 석유 보일러 난방 이용 온실을 대조군으로 사용하여 에너지 사용량 및 탄소저감효과에 대해 분석하였으며 경제적임을 보였다.
3. 지열 히트펌프(Ground source Heat Pump, GHP)
GHP 시스템은 연중 온도변화가 거의 없으며 지속 가능한 재생열원인 지열을 활용하기 때문에 가장 에너지 효율적인 냉난방 기술이며, 비용 효과가 우수한 시스템이라고 알려져 있다. 이러한 GHP는 주거용건물, 중대형 건물 또는 시설원예 등의 다양한 분야에 적용될 수 있다(Sarbu and Sebarchievici, 2014, Sarbu; Anifantis et al. 2016). GHP는 지하에 존재하는 토양, 지하수, 지표수 등의 지구 내부 열을 보유하고 있는 저열원(4.5－20℃)을 통해 냉·난방을 제공하는 시스템이다. GHP의 주요 구성요소는 지열 교환기(루프), 히트펌프 유닛, 열 분배 시스템으로 구성된다. 지열 교환기는 지하에 설치된 파이프 루프로 구성되어 있고, 주로 수직형 GHP(VGHP, Vertical Ground source Heat Pump) 또는 수평형 GHP(HGHP, Horizontal Ground source Heat Pump)으로 설치되어 냉매 또는 물을 순환시켜 지하의 열을 흡수하거나 방출하면서 히트펌프가 작동하게 된다(Fig. 3). 지열 히트펌프는 토양을 열원으로 이용하며 얕은 깊이에서는 얕은 지하 토양의 열 에너지 차이를 이용하여 냉·난방을 제공할 수 있다. 반면, 깊은 토양에서는 태양의 영향을 받지 않기 때문에 약 13－15℃의 일정한 열원을 통해 냉·난방을 제공할 수 있다. 일반적인 GHP는 지중열교환기인 수직 밀폐형을 U-Pipe를 통해 열을 순환시키는 방식을 사용하고, 지하수의 경우 Standing Column Well(SCW)형 시스템에서 지하수의 관정을 통해 물을 순환시킴으로써 지중의 암반과 직접 열교환을 수행하는 방식을 사용한다. 지표수는 연못, 호수 등을 통해 깊이 저심도에서 계절별, 깊이별 온도 변화를 통한 냉방을 제공할 수 있다.
농업에서의 GHP는 탄소 중립 실현과 국제 유가 급등에 의한 유지 비용 절감의 문제 해결하고 GHP의 단점 보완 및 필요 공간의 문제점 등 개선을 위해 연구개발이 진행 중이다. Park and Kang(2007)는 온실에 GHP의 초기설치비용을 줄이기 위해 지중열교환기(Ground Heat Exchanger, GHE)를 VGHP으로 대부분 설치하지만 HGHP으로 설치하는 사례가 미흡하여 VGHP과 HGHP 차이를 분석하였다. HGHP을 온실 바닥에 설치함으로써 온실 실내 온도를 약 14℃를 유지하여 난방을 할 수 있음을 보였다. 화석연료를 이용한 보일러가 1kWh당 발생시키는 탄소 배출량이 0.2kgCO2eq/kWh에 육박하는 반면 공기열 히트펌프는 0.08kgCO2eq/kWh, 지열 히트펌프가 0.07kgCO2eq/kWh를 발생시킨다. 그리고 최근의 과학 기술 발전에 힘입어 2050년 히트펌프로부터 배출되는 탄소량은 0.01kgCO2eq/kWh까지 줄어들 것으로 예측된다(Korea Trade-Investment Promotion Agency, 2023). Yu et al.(2015)는 냉·난방용 열 에너지를 저장하기 위하여 물탱크인 축열탱크를 GHP에 병행하여 난방 부하량의 영향을 축열 탱크에 저장하여 원예시설 운영 시 효율적인 부하 대응, 초기 투자비 절감 등의 효과를 확인하였고 물리적 조건에 따른 에너지 부하 패턴 고려와 적절한 용량 설계 프로세스를 TRNSYS 17을 통해 시뮬레이션 및 분석하였다. 향후 대규모 시설원예용을 위한 파이프 길이, 관경, 공급시스템의 최적 배치 분석이 필요함을 언급하였다. 이처럼 농업 부문에서 히트펌프와 관련된 다양한 연구가 활발히 수행되고 있다. 그러나 농가에 GHP를 도입할 경우 정부가 1ha 규모의 온실에 설치비를 80% 보조하더라도 약 2억 1천만 원을 농가에서 부담해야 한다(Korea Rural Economic Institute, 2018). 농가가 지불해야 될 초기 비용이 큰 편이며, 운영 및 유지보수 비용도 지속적으로 소요되는 한계를 가지고 있다. Kang et al.(2016)는 원예시설용 지열 히트펌프 시스템과 축열조 병용에 따른 난방비 절감 효과를 분석하였다. 연구를 통해 기존의 경유보일러를 사용하는 시스템과 비교하여 지열 히트펌프 시스템과 보조 보일러를 설치한 경우 연간 운전비용이 85.1% 감소하였고, 지열 히트펌프 시스템과 보조 보일러를 사용할 경우 축열조를 적용하였을 때 보조 보일러의 연간 부하 비율 감소로 연간 운전비용을 추가로 절감할 수 있음을 분석하였다.
4. 수열 히트펌프(Water source Heat Pump, WHP)
WHP는 지하수, 하천수, 해수, 폐수 등에 포함된 열원으로부터 흡수하여 난방 및 냉방을 제공하는 시스템으로 주요 구성요소는 수열 교환기, 히트펌프 유닛, 열 분배 시스템으로 구성되어 있다. 수열 교환기는 물에서 열을 흡수하거나 방출하는 역할을 수행하며, Fig. 4와 같이 순환한다.
수열에너지를 활용하는 경우 취수량 전체가 다시 하천이나 댐으로 회수되어 수량의 손실이 없고(Jung et al., 2019) 새로운 오염물질 유입이 없으므로 친환경 에너지원으로 사용할 수 있다. WHP는 상대적으로 연중 일정한 온도의 상하수도, 해수, 표층수 등을 이용하기 때문에 건물의 냉·난방에너지 소비량과 온실가스 배출량을 저감시킬 수 있다(Jung et al., 2020). 또한 기존의 화석연료 사용과 비교했을 때 약 20－50%의 에너지 절감이 가능하며, WHP는 연료를 직접 연소하지 않아 온실가스 감축에 기여할 수 있다(Korea Water Resources Corporation, 2017). WHP의 COP는 4－6으로 전기 히터의 COP가 1인 것과 비교할 때 에너지 효율 측면에서 매우 효과적임을 알 수 있다(Rossi et al., 2020). 난방, 급탕 비용이 50－80% 절감할 수 있다고 알려져 있으며, 축열시스템과 심야전기 활용 시에는 운전비를 크게 절감할 수 있는 것으로 알려져 있다. 하지만 WHP 시스템의 초기 설치 비용은 기존의 전기 히터나 가스보일러 보다 높다. 또한, WHP는 슬러지(이물질)가 유입·퇴적되면 효율이 저하되거나 고장을 일으키는 가능성과 열 회수 후 배출수로 인해 하천, 수생태계에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문에 주의가 필요하다.
농업에서는 WHP는 폐열, 지하수, 하천수 등을 통해 온실에 냉·난방 기능을 제공하는 방식으로 유류 사용 절감, 난방 비용 부담 완화 등을 수행한다. Kang et al.(2017)는 제주 서귀포에 있는 화력 발전소에서 냉각을 위해 사용된 온배수에 WHP를 이용해 인근 망고 재배온실 난방으로 활용하였다. 온배수의 폐열 회수를 위한 WHP 시스템 응축기 입구의 온도가 올라갈수록 COP 값은 떨어지고 있음을 확인하였고 실험 기간의 총소비전력량은 약 226kWh로 히트펌프 효율 85%, 발열량 10.52kWh을 통해 면세 경유 대비 난방에너지 비용 절감 효과로 약 87%를 나타남을 확인하였다. 또한, 폐열을 에너지원으로 재활용함으로써 약 62% 이산화탄소 배출 저감 효과가 예측되었다. Furuno et al.(2016)는 항상 일정한 온도로 유지되는 지하수열을 이용하는 히트펌프를 개발하였고 AHP와의 난방 성능을 비교하였다. 외부 온도가 －1.4~12℃ 범위에서 난방 성능 비교를 실시하였으며 AHP의 평균 COP는 3.6이고, WHP의 COP는 평균 4.9로 춥고 눈이 많이 내리는 지역에서는 개발한 지하수열 히트펌프가 온실 난방에 더 적합하다는 점을 시사하였다. 그러나, 수열에너지원으로 하천수를 이용할 경우에는 하천 수위의 변동이 적고, 일정 수준 이상의 유량이 확보되어야 하지만 농업지역의 하천의 경우에는 하천 수위의 변동이 크고, 유량 확보가 어려운 점이 있기 때문에 이를 타계할 방안이 필요하다.
