농업분야 생산성을 확대하고 부가가치를 높이는데 있어서 농기계의 중요성은 더욱 강조되고 있다. 특히 스마트팜·ICT융복합·정밀농업 등 첨단기술 확장을 통한 농기계 연구개발이 지속적으로 이뤄지고 있다. 농업 생산작업의 자동화·로봇화기술, 농가경영안정을 위한 에너지절감기술, 농산물 부가가치향상을 위한 수확후 품질관리·가공·유통기계기술, 농업재해 예방관리기술 등 국내 농업기계 연구개발을 전담하고 있는 국립농업과학원 농업공학부의 최신기술을 연간기획으로 살펴본다.

“난방비 78%, 설치비 30% 절감”

냉난방시 발생하는 열을 지하수층에 보관했다 사용

관정+히트펌프+축열조로 구성돼 설치간단·활용높아

◇ 효율적 냉난방기술 중요성

국내 온실면적은 5만3109ha로 약 20년간 같은 수준으로 정체기에 들어갔다. 그러나 겨울철 난방을 하는 가온재배 면적은 동기간 40% 증가해 전체의 33%를

권진경 국립농업과학원 에너지환경공학과 연구사

차지하고 있으며 꾸준히 증가하는 추세다. 최근의 저유가 기조에도 불구하고 광열비는 시설농가에 여전히 부담이 되고 있으며, 지구온난화에 따른 이상고온은 시설농가에 다양한 피해를 입히고 있다. 따라서 우리 시설원예 농업의 경쟁력 확보를 위해서는 에너지소비를 고려한 효율적 냉난방기술의 개발이 매우 중요한 과제가 되고 있다.

◇ 온실난방과 냉방 동시해결 필요

시설농가 경영비의 20~40%를 차지하는 광열비는 농가경영의 부담으로 작용하고 있다. 또한 유류의존도가 80%에 달해 국제유가 변동성에 취약한 구조다. 최근 유리온실 등을 중심으로 지열히트펌프가 보급되고 있으나 신재생에너지의 비중은 2.5%로 여전히 미흡한 반면 에너지가격이 저렴한 농사용전기의 보급면적은 매년 15%씩 급증하고 있다. 또한 지구온난화에 따른 농가의 고온피해가 늘고 있어 효율적 냉방기술 개발이 요구되고 있다.

◇ 땅속 냉열·온열의 축열조 활용

계간(계절간) 축열기술은 네덜란드에서 활발히 개발·활용되고 있으며, 여름 또는

냉·온수정

겨울에 지중의 충적대수층에 열 또는 냉열을 저장했다가 다른 계절에 난방 또는 냉방에 활용하는 기술로 일반적 지열히트펌프에 비해 고온과 저온의 지열을 활용할 수 있어 에너지소비가 낮은 특징이 있다.

국립농업과학원 에너지환경공학과에서는 국내 토양조건과 온실 냉난방에 최적화된 계간축열시스템을 개발했다. 이 기술은 여름철 온실냉방시 히트펌프에서 발생하는 뜨거운 열을 온수로 전환해 다중관정주입시스템을 통해 지하수층에 저장했다가 겨울철 온실난방에 활용하고, 겨울철 온실난방시 히트펌프에서 발생하는 차가운 열을 냉수로 전환해 지하수층에 저장했다가 여름철 온실냉방에 활용하는 시스템이다. 지하 축적대수층에 주입된 온열 및 냉열은 지하수층의 자갈 및 모래에 축열돼 지하수는 흘러가더라도 열에너지는 그 자리에 저장되어 있으므로 이를 히트펌프로 뽑아내어 활용할 수 있다.

◇ 당겨쓰고 저축하는 냉난방기술

개발된 시스템은 냉·온수정, 수열원 히트펌프, 축열조, 지하수층 냉온수 축열 전환 및 온실 냉난방 제어부 등으로 구성돼 있다. 겨울철 지하수층에 저장돼 있는 열에너지를 뽑아 올려 공급하는 온수관정과 보조주입관정, 공급된 열에너지를 온실난방에 사용하는 히트펌프, 물탱크(축열조), 히트펌프에 의해 열을 빼앗겨 차가워진 냉수를 지하수층에 저장하는 냉수관정과 보조주입관정, 이를 제어하는 자동제어부로 구성된다. 여름철에는 냉수관정으로부터 공급된 냉열로 온실을 냉방하고, 온실내부의 과잉열을 히트펌프로부터 전달받아 온도가 상승된 온수를 온수관정으로 지하수층에 저장하는 방식이다.

축열조

지하수층 축열 후의 히트펌프 난방 COP는 3.8로 지하수층 축열 이전의 난방 COP 3.2보다 약 18% 높은 성능을 보였으며, 냉방 COP는 지하수층 축냉 이후 4.8로 축냉 이전의 냉방 COP 4.0보다 20% 높은 성능을 보였다. 여름철 냉방시 히트펌프의 응축기를 통해 배출되는 온열을 지하수층에 저장한 후 그 중 60%를 회수해 겨울철 온실난방에 사용하고, 겨울철에는 반대로 히트펌프 증발기에서 배출되는 냉열을 지하수층에 저장했다가 30%를 회수해 온실냉방에 사용한다. 난방비는 면세등유를 사용하는 온수보일러 대비 난방비용을 78% 절감할 수 있었으며, 설치비는 하천주변에 깊이 20∼30m의 관정을 설치하면 되므로 고가의 지중열교환기를 설치하는 수직밀폐형 지열보다 약 30% 저렴하다. 개발된 기술은 농식품부의 ‘농업에너지이용효율화사업’의 설치비지원대상 기종으로 추진중에 있다. 

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