2.1 시설원예 및 신재생 융복합시스템 개요

실증대상 시설원예인 푸르메 여주팜은 여주시 오학동에 위치하고 있으며, 베이커리카페, 교육문화동, 유리온실, 기계실 및 가공동으로 구성된다. 이 중 본 연구에서는 Farm-1(2,160 m$^{2}$)과 Farm-2(1,782 m$^{2}$) 총 3,942 m$^{2}$ (0.39 ha)에 대한 냉열 및 온열을 공급하는 것으로 실증대상을 선정하였다. 실증대상 시설원예는 겨울철 원예작물의 난방에 중점을 두고 있으며 냉방은 환기나 차양 설치 등의 방법으로 해결하는 경우가 많은 것으로 파악되었으므로, 태양광열 및 태양열 집열기와 계간축열시스템 및 히트펌프의 용량은 겨울철 난방공급 설비로서의 역할 수행을 주로 산정되었다. 이때, 태양열 집열기 및 계간축열시스템을 보조하는 역할로 지열원 히트펌프가 설치되었다. 본 대상지에서 기계실 및 작물 가공동으로 활용되는 공간에 태양열 집열기를 설치하고, 주차장에 태양광열 집열기를 설치하여 전력 및 열을 생산한다. 서측 주차장을 활용하여 태양광열 집열기(234 m$^{2}$)를 설치하고, 가공동 지붕(slope : 5.76°)에는 태양열 집열기(462 m$^{2}$)를 설치하는 것으로 설계되었다. 현재 대지의 방위각은 45°로 형성되어 있다.

본 시스템의 설계 시 축열조의 최대 축열온도를 85℃로 설정하였다. 태양열 집열기를 TTES에 주로 축열을 하고, 탱크방식 계간축열조의 온도가 85℃ 이상에서는 BTES에 저장하는 방식으로 활용하였다. TTES의 사이즈는 높이 15 m에 폭 9.23 m로 되어있으며, 총 1,200 m$^{3}$의 축열조로 설계되었다. 상부 및 하부에 디퓨져가 설치되어 있다. 단열재는 바닥 100 mm, 측면 200 mm로 구성되었다. 탱크는 SS 275로 구성되었으며, 디퓨져는 STS 304 재질로 제작되었다.

상대적으로 낮은 온도를 생산하는 태양광열 집열기의 경우, 연중 BTES에 저장할 수 있도록 시스템을 구성하였다. BTES를 중심부와 외곽부로 나누어, 태양광열 집열기에서 생산되는 열은 외곽부에 저장되어, 중심부에 축열된 열의 손실을 막는 역할을 한다. 이에, 중심부에 저장되는 열은 상대적으로 고온이 저장되며, 외곽부에 저장되는 열은 저온이 저장되도록 배관을 구성하였다. BTES는 전체 64개의 지중열교환기로 이루어져 있으며, 가로 40 m, 세로 25 m의 직사각형 모양이며, 깊이는 30 m로 총 체적은 28,500 m$^{3}$로 설계되었다.

Fig. 1 Overview of zero energy greenhouse.

2.2 신재생 융복합시스템 제어방안

본 제안된 시스템의 주요 제어개요는 다음과 같다. 태양열 집열기에서 집열된 열은 TTES에 주로 축열되고, TTES의 내부온도가 설정온도에 도달한 경우, BTES의 중심부에 축열된다. 태양광열 집열기에서 생산된 열은 BTES의 외곽부에 축열된다. 히트펌프는 공기와 온수를 동시에 열원으로 사용하는 하이브리드 히트펌프(HP1, HP2)와 지열원 히트펌프(HP3)로 나뉜다. 하이브리드 히트펌프는 TTES 열원 히트펌프(HP1)와 BTES 열원 히트펌프(HP2)로 구성된다.

제안된 시스템의 상세 제어개요를 살펴보면 다음과 같다. 냉방모드 1(Cooling mode 1)은 4월에서 6월에 운영되며, 태양열 집열에 대한 축열운전과 냉방공급 운전으로 구성된다. 4월이 되기 이전에, TTES의 열은 난방 및 히트펌프의 열원으로 사용되어 축열조 내부온도가 20~25℃를 나타낸다. 이때, 태양열 집열기에서 집열된 열은 TTES로 축열된다. 태양광열 집열기에서 생산된 열은 BTES의 외곽부로 축열된다. 냉방공급을 위한 냉열 생산 시, BTES의 중심부의 온도가 20℃ 이하로 낮은 경우 BTES의 중앙부를 HP2 히트펌프의 열원으로 활용하여 단기축열조(NTES)에 냉열을 저장한다. 이때, 주로 냉열의 생산은 지열원 히트펌프(HP3)가 담당하게 되며, HP1은 공기열원으로 냉열을 생산한다.

냉방모드 2(Cooling mode 2)는 7월에서 9월에 운영되며, TTES의 온도가 설정온도에 도달한 시기이다. 이때, 태양열 집열기에서 생산된 열은 BTES의 중심부에 저장되며, 태양광열 집열기에서 집열된 열은 BTES의 외곽부에 축열되어, 태양열 집열기를 통해 축열된 열의 열손실을 줄이는 역할을 하게된다. HP1과 HP2는 공기열원을 활용하여 냉열을 생산한다. 역시 열원 생산은 주로 지열원 히트펌프(HP3)가 담당한다.

난방모드 1(Heating mode 1)은 10월에서 11월로 예상되며, 태양열 집열을 통해 TTES에 축열된 온열을 직접 공급한다. 이때, 태양광열 집열기에서 집열된 열을 HP2의 열원으로 활용하여 NTES에 온열을 저장한다.

난방모드 2(Heating mode 2)는 12월에서 3월로 예상되며, TTES의 온도가 50℃ 이하로 직접 온열공급이 어려운 시기에 TTES의 열을 열원으로 활용하여 HP1을 운영하고 태양광열 집열기에서 생산된 열이 축열된 BTES의 외곽부 열을 열원으로 활용하여 HP2를 운전하여 온열을 생산한다. HP1과 HP2의 열원온도가 20℃ 이하로 낮아지는 시기에 HP3을 활용하여 온열을 생산한다.

Fig. 2 Annual mode of operation schematic diagram.

Fig. 3 Monthly outdoor conditions of test site.

3.1 시설원예 난방부하 산정

실증대상 온실은 4연동의 벤로형 온실이 2개의 구역(Farm-1, Farm-2)으로 나누어진다. 온실의 벽체 피복재는 4 mm 두께의 유리판이고 지붕 피복재는 불소필름인 F-clean이다. 지붕 아래에는 2층의 차광 및 보온커튼이 설치되어 있고, 벽체 안쪽에는 1층의 보온커튼이 설치되어 있다. 실증 대상온실의 최대 난방부하를 산정하기 위해, 관류열부하, 기밀도에 따른 열손실, 지중온도에 따른 열손실을 고려하였다. 온실의 열관류율은 지붕과 벽체가 각각, 2.1 W/m$^{2}$․℃, 3.0 W/m$^{2}$․℃로 산정되었으며, 기밀도는 0.2회/h, 지중온도는 15℃, 겨울철 최저외기온도는 -14.8℃, 겨울철 실내온도는 18℃로 설정하였다. 그 결과, 138.9 kcal/h/m$^{2}$의 최대 난방부하가 산정되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 최대난방부하를 바탕으로 TRNSYS를 활용하여 연간 난방부하를 산정한 결과, 연간 553 MWh의 난방부하를 보이는 것으로 나타났다.

3.2 신재생 융복합시스템 시뮬레이션

실증 시뮬레이션 대상 시스템을 분석하기 위해, 기존 실험을 통해 검증된 태양열 집열기 및 TTES에 대한 TRNSYS 시뮬레이션 모듈을 활용하였다. 본 모듈은 진천 친환경에너지타운의 태양열 집열기(1,600 m$^{2}$) 및 TTES(4,200 m$^{3}$)를 대상으로 연간 실험결과를 바탕으로 검증되었다. 본 모듈은 Kim et al.⁽¹⁶⁾의 연구를 통해 검증되었으며, 검증 결과 태양열 집열기 및 TTES에 대한 시뮬레이션 결과를 1년간의 실험결과와 비교한 결과, 1.7%의 오차에서 시뮬레이션이 가능한 것으로 나타났다. 태양광열 집열기에 대한 시뮬레이션 모델은 제조사에서 제공한 ISO 9806에 따른 태양열 집열기 시험기준에 따른 수치를 활용하였다. 본 연구에서는 BTES의 경우, TRNSYS 내 일반적으로 활용하는 시뮬레이션 모듈인 지열원 열교환기 모듈(TYPE 557)이 있다. 하지만, 본 모델은 BTES의 중심부와 외곽부를 구분하여 시뮬레이션이 어려운 단점이 있다. 이에, 본 연구에서는 탱크방식의 축열조를 BTES로 가정하여 시뮬레이션을 진행하였다. BTES의 지질학적 특성을 반영하여, TTES의 용량을 기준으로 물(4,190 J/K.kg)과 토양(1,000~1,670 J/K.kg)의 비열이 약 4배 차이나는 것을 가정하여 시뮬레이션을 진행하였다.

본 연구를 위해 현재 국내 시설원예에서 가장 활발하게 사용 중인 전기히터를 활용한 난방방식 대비 에너지 절감효과를 분석하였다. 전기히터의 효율은 90%로 설정하였으며, 순환펌프는 제안된 시스템의 펌프 중 태양열 집열기, 태양광열 집열기, 지열원 히트펌프 등을 제외하고 난방공급을 위해 운영되는 순환펌프와 동일한 펌프운영 소비량을 보이는 것으로 가정하였다.

4.1 태양열 및 계간축열시스템 운영 평가

Fig. 4에서는 월별 온실부하, 제안된 시스템의 에너지 생산 및 저장에 대한 운영 결과를 나타내었다. 실증 대상 온실의 난방부하는 연간 553 MWh로 산정되었으며, 주로 1월~3월, 11월~12월에 난방부하가 집중되어 있음을 확인할 수 있다. 반면, 태양열 집열기와 태양광열 집열기의 집열량은 연중 집열이 되나, 주로 3월~10월에 집중되어있어, 계절 간의 태양열집열에 대한 수급 불균형이 확연함을 확인할 수 있다.

태양열 집열기 및 태양광열 집열기의 집열 측면에서는 태양열 집열기에서는 연간 총 289 MWh의 열이 생산되고, 이 중 192 MWh의 열은 연중 TTES에 우선 축열된다. 이때, TTES의 온도가 설정온도에 도달하는 경우, BTES의 중심부로 축열되며 6월~10월까지 99 MWh에 대한 축열운전이 이루어짐을 확인할 수 있다. 태양광열 집열기는 연중 BTES의 외곽부에 주로 축열이 진행되며, 연간 총 28 MWh의 열을 축열할 수 있을 것으로 나타났다. 이때, 태양열 집열기에서 생산된 열을 BTES로 축열하는 경우, 중심부에 축열되는 온도가 높아 태양광열 집열기의 축열량은 매우 낮아질 것으로 예측되었다.

Fig. 4 Monthly thermal energy balance of the proposed system.

Fig. 5 Hourly temperature distribution of the TTES.

Fig. 5에서는 TTES의 축열조 내부 온도 분포를 나타내었다. 축열조 내부 온도분포를 30개 층으로 나누고, 이 중 가장 하부(T30)에서 상부(T1)까지의 온도 분포 중 일부인 7개의 온도를 나타내었다. 그 결과, 현재 설계된 태양열 집열기 용량에서는 1월부터 3월까지는 태양열집열기에서 TTES로 축열이 진행되고, 축열과 동시에 HP1의 열원으로 활용된다. 이때 TTES의 내부 온도를 20℃ 수준으로 유지되도록 제어된다. 난방기간이 끝나는 4월부터 TTES에 축열이 진행되고, 6월 말경 TTES 내부온도가 85℃에 도달하며 TTES 축열이 끝난다. 이후 6월 말~10월까지 태양열집열기에서 생산되는 열은 BTES에 축열되고, 열손실로 인해 TTES 내부 온도가 내려가는 경우, 태양열 집열기에서 생산된 열을 TTES에 축열한다. 11월부터 난방공급이 진행되면, TTES 내부 온도는 가파르게 하락하며, 난방으로 직접공급이 어려운 50℃ 이하에 도달하면, HP1의 열원으로 사용되며 히트펌프의 COP를 증대시킨다.

4.2 연간 신재생 융복합시스템 에너지 성능 평가

Fig. 6에서는 연간 각 시스템의 에너지 생산량 및 소비량을 나타내었다. 그 결과, 제안된 시스템에서는 연간 562 MWh의 일사량이 태양열 집열기에 입사되면, 289 MWh의 열을 51.4%의 효율로 태양열 집열기를 통해 열을 생산한다. 이중 192 MWh의 열을 TTES에 저장하고, 99 MWh의 열은 BTES 중심부로 저장하게 된다. TTES에서는 77%의 효율로 열을 저장하고, 이 중 55 MWh의 열을 시설원예의 난방을 위해 직접 공급 가능하며, 나머지 97 MWh의 열은 HP1의 열원으로 활용되어 온열을 생산한다.

태양광열 집열기에서는 연간 28 MWh의 열을 생산하고, BTES의 외곽부에 저장하게 된다. BTES는 60%의 효율로 열을 저장하고, 태양열 집열기에서 집열된 열과 태양광열 집열기에서 집열된 열을 HP2의 열원으로 활용하여 온열을 생산한다.

이후, 연중 부족한 난방열은 HP3를 통해 생산하게 되고, HP1, HP2, 그리고 HP3에서 각각 담당하는 온열량은 115 MWh, 92 MWh, 315 MWh이다. 이에, 전체 온실의 난방공급량 중 TTES의 직접 공급량은 약 10.0%, HP1, HP2, 그리고 HP3의 공급량은 각각 20.1%, 15.7%, 54.2% 이다. 본 시스템의 태양열 의존율(solar fraction)은 직접 태양열 의존율은 10.0%, 히트펌프 열원을 포함한 총 태양열 의존율은 41.2%로 나타난다.

이때, 태양광열 집열기를 통해 열 뿐만 아니라 전력도 생산 되는데, 전력 생산량은 연간 48 MWh로 나타났다. 본 제안된 시스템의 히트펌프 및 펌프류에 대한 전력소비량은 연간 206 MWh로 예측되므로, 연간 넷제로 에너지율은 23.3%로 예상되었다. 일반적으로 온실에서 활용되는 전기히터를 적용할 경우, 연간 615 MWh의 전력을 사용할 것으로 예측되며, 제안된 시스템의 적용을 통해 66.5%의 전력 절감량을 보일 것으로 확인되었다.

Fig. 6 Annual energy flow of the proposed system.

경제성 측면에서 간략히 비교할 경우, 전기히터를 활용하는 시스템에서 농업용 전력요금체계에 따라 전력량요금은 34.2원/kWh을 적용하고, 990 kW의 계약전력으로 전기히터를 사용 시 연간 40,764천 원의 전력요금을 납부할 것으로 예상된다. 반면, 제안된 시스템을 활용할 경우, 태양광열 집열기에서 생산된 발전량을 제외하고 연간 14,290천 원의 전력요금을 납부할 것으로 예상되며, 태양광열 집열기 발전에 따라 2020년도 계통한계 가격(SMP)인 68.52 원/kWh를 적용하여 태양광열 집열기 생산 전력을 판매할 경우 판매 금액은 3,289천 원으로 예상되어, 제안된 시스템의 적용 시 연간 11,002천 원의 전력요금을 납부할 것으로 산정된다. 본 금액은 기존의 전기히터를 활용하는 방식에 비해 73%의 비용절감효과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.

현재 실증단지에서는 실증온실과 더불어 추가 온실(버섯농장)에 대한 설비를 설치할 경우, 계약전력이 1,100 kW에 이른다. 현재 계약전력이 1,000 kW 이상인 경우 농업용 전력요금이 아닌 산업용 전력요금에 해당된다. 이에, 산업용 전력요금체계를 적용하여 경제성을 분석할 경우 즉, 중간부하 104.0원/kWh 기준(고압선택Ⅱ)으로 산정할 경우 기존 전기히터를 사용하는 방식에서는 연간 201,594천 원의 전력요금을 납부할 것으로 나타났으며, 제안된 시스템을 적용하여 운영할 경우 연간 52,444천 원의 전력요금을 납부할 것으로 나타나 연간 149,151원의 절감을 통해 74%의 전력요금 절감효과를 보일 것으로 예측되었다.