1.1 연구배경 및 목적

기후 변화와 인구 증가로 인한 식량 안보 문제가 전 세계적으로 대두되면서, 극한 기후 조건에서도 안정적인 농작물 생산이 가능한 스마트온실에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히 인도네시아와 같은 고온 다습한 지역에서는 스마트온실 기술의 적용이 더욱 중요해지고 있다. 지구온난화로 한낮 기온은 지속적으로 높아지고 있고 높은 일사량과 병충해로 인해 작물 재배에 심각한 문제가 발생하고 있다. 이러한 극한 기후 조건에서 작물의 생산성을 유지하기 위해서는 효과적인 온실 냉각 시스템의 개발과 적용이 필수적이다.

또한, 인도네시아는 전력 수급이 불안정한 국가로 안정적인 전력 공급이 어려운 경우가 많다. 이러한 환경에서는 에너지 효율성이 높은 냉방 시스템의 개발과 피트부하 분산에 대한 전략이 스마트온실 운영의 핵심 요소로 떠오르고 있다.

고온 기후에서 냉동기 성능에 미치는 요인으로 외부 온도의 영향이 크다. 높은 외부 온도는 냉동기의 성능을 저하시키는 주요 원인으로 작용한다. Zhang et al.⁽¹⁾의 연구는 데이터 센터용 다중 냉동기 시스템에서 외부 온도가 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 이 연구는 외부 온도가 높을수록 냉각 효율이 감소하고 에너지 소비가 증가한다고 결론을 내렸다. 이 연구는 외부 온도 상승이 응축기에서 열 방출을 어렵게 하여 압축기의 부하를 증가시키는 결과를 초래한다고 설명하였다.

Yang et al.⁽²⁾의 연구는 증발 냉각 시스템을 사용하여 외부 온도가 냉동기 성능에 미치는 영향을 줄일 수 있는 방법을 제시하였다. 연구는 응축기에서의 열 교환을 최적화함으로써 고온 환경에서도 냉동기의 성능 저하를 방지할 수 있음을 보여줬다.

Wang et al.⁽³⁾의 연구에서도 공랭식 냉동기에서 외부 온도의 변화가 냉동기 성능에 미치는 영향을 실험적으로 검토하였으며, 높은 외부 온도가 응축압력과 냉동기 성능 저하로 이어질 수 있음을 확인했다.

이 연구들은 고온 환경에서 냉동기의 성능을 유지하기 위해 외부 온도를 낮추는 다양한 기술적 해결책이 필요하다는 점을 강조했다. 이외로 최근 여러 연구자들은 고온 기후에서의 온실 냉각 기술에 대한 연구를 수행하였다.

Soussi et al.⁽⁴⁾은 고온 기후에서 온실의 기후 제어 및 냉방 시스템에 대한 포괄적인 리뷰를 제공하였다. 논문은 증발 냉각, 열교환기, 건식제 시스템과 같은 다양한 냉방 기술을 분석하며, 각 기술이 온실 내부의 온도와 습도를 어떻게 효율적으로 조절하는지에 대해서 설명하고 있다. 특히 물과 에너지 자원 소비를 최소화하기 위한 최적의 방법론을 제시하며, 고온 기후에서 작물의 생산성을 높이는 데 집중하였다.

Ghoulem et al.⁽⁵⁾은 고온 기후에서의 온실 냉방 기술과 설계 및 시스템을 종합적으로 검토하였다. 이 연구에서는 자연 환기, 증발 냉각 및 차광의 조합이 온실 에너지 요구량을 줄이고 작물 수확량을 최대화하는 데 효과적임을 밝혔다. 또한, 하이브리드 냉각 시스템의 중요성과 효과적인 제어 전략의 필요성을 강조하였다.

Park et al.⁽⁶⁾은 UAE의 극한 기후에서 스마트 온실에 적용된 냉각 기술들의 성능을 비교 분석한 연구이다. 여름철 UAE의 낮 기온이 50℃까지 올라가며, 이로 인해 농작물 재배 기간이 제한된다. 이를 해결하기 위해 외부 차광 및 증발 냉각 시스템을 적용하여 온실 내 온도를 낮추는 방안을 제시했다. 시뮬레이션을 통해 다양한 외피 재질, 차광율, 팬과 패드 시스템의 냉각 효과를 비교했다. 그 결과, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 소재와 50% 차광율, 90% 효율의 팬-패드 시스템을 적용할 경우, 기존의 폴리올레핀(PO) 필름 대비 냉각 부하가 약 87.9% 감소하는 것으로 나타났다. 이 연구는 UAE와 같은 고온 지역에서 온실의 에너지 효율성을 높이고 농업 생산성을 개선하기 위한 중요한 정보를 제공하였다.

Al-Nini et al.⁽⁷⁾은 재생 가능 에너지와 열 저장 시스템을 활용한 지역 냉방 시스템의 경제적, 환경적 이점을 탐구하였다. 특히 고온 건조한 기후에서의 냉방 시스템 효율성을 극대화할 수 있는 방법을 설명하며, 지속 가능하고 에너지 절약적인 시스템을 설계하는 데 기여할 수 있는 정보를 제공하였다.

Jemai et al.⁽⁸⁾의 연구에서는 온실의 에너지와 물 소비를 줄이기 위한 다양한 설계 방안을 제시하였다. 밀폐형 온실은 태양 에너지를 수집하고 재활용하여 온실 난방 및 냉방에 활용할 수 있는 기술을 포함하며, 이는 고온 기후에서 지속 가능한 농업을 가능하게 하였다.

끝으로, Ajarostaghi⁽⁹⁾의 연구는 온실에서 열 저장 시스템을 통해 에너지를 효율적으로 관리하고, 주간에 축열된 열을 야간에 활용하여 냉방 효과를 극대화하는 방법을 제안하였다. 열 저장 시스템은 온실 내부의 온도 변동을 줄이고, 지속 가능한 에너지 사용을 촉진하는 데 중요한 역할을 하였다. 연구들은 고온 기후에서 스마트 온실의 냉방 시스템을 효율적으로 운영하는 데 있어, 에너지 절약과 환경적 지속 가능성을 극대화할 수 있는 다양한 기술적 대안을 제시하고 있다.

본 연구에서 인도네시아의 보고르 지역은 연중 한낮의 외부 기온이 38℃에 이르는 기후를 겪고 있으며, 이러한 조건에서는 낮 시간 동안 냉동기의 효율이 크게 저하되는 문제가 발생한다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 공랭식 스크롤 냉동기, 팬 코일 유닛(FCU), 그리고 축열조를 이용한 냉방 시스템을 설계하였다. 이 시스템은 낮 동안의 높은 기온을 피하기 위해 야간에 냉동기를 가동하여 냉수를 생산하고, 이를 축열조에 저장한 후 낮 시간에 온실의 냉방에 사용한다. 이 방식은 냉동기의 효율을 극대화하고, 에너지 소비를 줄이며, 낮 시간의 피크 전력 수요를 분산시키는 데 기여한다. 저장된 냉수는 FCU를 통해 온실 내부에 순환되며, 이를 통해 온실 내의 적정 온도를 유지하여 작물의 생장에 최적화된 환경을 제공한다. 본 연구에서는 저감한 냉방부하를 바탕으로 축열조 용량에 따른 냉동기 용량과 냉방에너지 사용량을 저감 효과를 비교하고자 한다.

2.1 현지 실증단지 개요

본 연구의 실증단지의 냉방시스템과 개요는 Fig. 1과 Table 1에 제시된 바와 같으며, 실증단지는 인도네시아 보고르 IPB 대학교(Institut Pertanian Bogor)에 위치하고 있다. 위치 정보는 위도 남위 6.6°, 경도 동경 106.8°, 해발고도 8 m로, 기후적 특징으로는 외기온도 최고 38℃, 최저 16.1℃, 평균 27.2℃로 나타나며, 낮과 밤의 외기온도가 있고 1년 내내 기온대가 비슷한 특징이 있다. 실증단지의 전체 규모는 2,070 ㎡, 그 중 냉방면적은 1,536 ㎡, 그리고 측고는 6 m이다. 실증단지에는 PMMA 피복재 및 차양이 적용되어 있다. 본 실증단지에서 재배될 작물은 오이, 토마토로 선정되었으며, 해당 연구는 고온 다습한 기후에서의 냉방 시스템 효율을 검증하고 작물의 생육 환경을 최적화하는 것을 목표로 한다.

Fig. 1 Smart greenhouse cooling system.

2.2 시뮬레이션 개요

본 연구에서는 고온 다습형 스마트 온실의 냉방 부하를 산출하기 위해 IWEC(International Weather for Energy Calculation) 데이터에서 제공한 인도네시아 보고르의 기상 데이터를 이용하였고, 미국 DOE(Department of Energy)에서 개발한 EnergyPlus 8.9 프로그램으로 시뮬레이션을 하였다.⁽¹⁰⁾ Fig. 2는 실증 온실의 조감도와 3D 모델링 이미지이다.

Fig. 2 Smart greenhouse and simulation modeling image.

시뮬레이션 조건은 Table 2에 제시된 바와 같다. 오이와 토마토의 생육 적정 온도는 주간 22~28℃, 야간 15~18℃이므로, 온실 내 설정 온도는 주간 30℃, 야간 18℃ 로 유지하였다. 이러한 설정을 통해, 스마트 온실 내에서의 최적 환경을 조성하여 작물 생장 및 냉방 효율을 높이는 데 중점을 두었다.

2.3 냉동기 성능 변화

냉동기의 성능은 외부 기온에 크게 의존하며, 특히 공랭식 냉동기는 외기 온도가 상승할수록 성능 저하가 두드러진다. 냉동기의 효율성은 성능 계수(COP)로 측정되며, 이는 냉동기가 생성하는 냉각 능력과 이를 달성하기 위해 소모되는 에너지의 비율로 정의된다. 외기 온도가 높아지면 응축기에서 냉매가 열을 방출하는 과정이 방해 받아 응축 온도가 상승하고, 이로 인해 압축기는 더 많은 에너지를 소비하게 된다. 연구에 따르면, 외기 온도가 1℃ 상승할 때마다 COP가 약 2% 감소하며, 이에 따라 냉방 효과와 에너지 효율성도 2~6% 정도 감소할 수 있다. 이러한 성능 저하는 고온 환경에서 더욱 두드러지며, 냉동기의 부하가 증가함에 따라 더 많은 에너지를 소비하게 되고, 장비의 성능이 크게 저하된다. 공랭식 냉동기는 외부 공기를 이용해 냉매의 열을 방출하기 때문에 외부 기온이 높아지면 이 과정이 어려워지며, 결과적으로 냉동기의 성능 저하가 가속화된다. 고온 환경에서의 성능 저하는 냉동기의 에너지 소비를 증가시키고, 장기적인 장비의 신뢰성에도 부정적인 영향을 미칠 수 있다.^(11-13) Fig. 3은 A사의 공냉식 스크롤 냉동기의 외부 온도에 따른 냉동기의 COP 성능 곡선이다.

Fig. 3 Change in chiller COP with ambient temperature.

이러한 성능 저하는 공랭식 냉동기의 설계 및 운영에서 중요한 문제로 작용한다. 고온 건조한 기후에서는 낮 동안 외부 온도가 급격히 상승할 수 있으므로, 냉동기의 부하가 커지고, 성능 저하로 인해 에너지 소비가 급격히 증가하게 된다. 이를 해결하기 위한 한 가지 방법으로, 축열조(thermal energy storage, TES) 시스템을 활용하여 야간에 낮은 온도에서 냉동기를 가동하고 냉수를 저장한 후, 주간에 이를 활용하여 냉방을 제공하는 전략이 제시되고 있다. TES 시스템을 통해 낮 동안 외부 온도로 인한 성능 저하를 완화하고 에너지 효율성을 높일 수 있다.

따라서, 고온 환경에서 냉동기의 성능을 최적화하려면 외기온의 변화에 따라 적절한 제어 전략을 마련하는 것이 필수적이다. 또한, 냉동기의 효율성을 높이기 위해 설계 단계에서 외부 기온 조건에 맞는 냉동기 시스템을 선택하고, 에너지 절감을 위한 기술적 해결책을 적용하는 것이 필요하다.

2.4 축열조 용량 계산

Table 3에 제시한 것과 같이 축열조의 개요이며 축열조 용량 산정은 냉방 시스템의 효율을 극대화하는 데 필수적이다. 이를 위해 먼저 요구되는 최대 냉방 부하를 기반으로 축열조가 저장할 총 에너지량을 산출한다. 외부 기온, 일사량, 건물의 단열 성능 등 다양한 변수를 고려하여 냉방 부하를 계산하며, 이를 통해 축열조가 처리해야 할 냉방 용량이 결정된다. 또한, 냉동기의 야간 가동 시간 동안 생성되는 냉수를 저장하여 주간에 사용하도록 시스템이 구성된다.

온도 차이(ΔT)도 축열조 용량 산정의 중요한 요소이다. ΔT 값이 클수록 더 적은 양의 물로 더 많은 에너지를 저장할 수 있으며, 일반적으로 ΔT는 5~10℃ 사이로 설정된다. 축열조 용량은 다음과 같은 공식을 통해 계산된다.

이 공식은 물의 질량과 비열, 그리고 온도 차이를 고려하여 총 저장 에너지를 산출하며, 이를 통해 축열조의 적정 용량을 결정한다.

Fig. 4는 시간별 온실의 냉방부하와 축열조의 축열량, 냉동기 운전부하를 나타낸 그래프이다. 00:00 ~ 08:00 시간에 냉동기를 가동하여 온실 냉방을 하고 남는 냉수를 축열조에 저장한다. 축열된 냉수는 외기온도가 가장 높은 14:00부터 방열하여 사용했을 때 시간별 온실의 냉방부하와 축열조의 축열량, 냉동기 운전부하 변화를 나타낸 그래프이다.

Fig. 4 Hourly thermal energy storage capacity and chiller operating cooling load

3.1 외기온도에 따른 냉동기 성능 변화

냉동기의 성능은 외부 온도에 따라 크게 변동하며, 이는 냉동기의 성능 계수(COP)로 측정된다. 앞서 Fig. 3에서 확인할 수 있듯이, 외부 기온이 높아질수록 냉동기의 COP는 감소하는 경향을 보인다. 인도네시아 기상 데이터에 따르면, 최고 기온은 38℃에 이르며, 이때 냉동기의 COP는 2.57로 측정되었다. 이는 외부 온도가 22℃일 때의 COP 3.93에 비해 약 34.6% 감소한 수치이다. 또한, 최저 기온은 16.1℃로, 이때 냉동기의 COP는 4.1로 나타났다. 이는 38℃에서의 COP보다 60% 높은 값으로, 외부 온도가 낮을수록 냉동기의 성능이 크게 향상됨을 보여준다.

3.2 축열조에 따른 냉동기 에너지사용량 변화

Fig. 5는 10월 15일, 24시간 동안 외부 온도에 따른 냉동기의 COP 변화, 냉동기 부하, 및 냉동기 에너지 사용량을 비교한 그래프를 나타낸다. 야간 시간(00:00 ~ 08:00)의 평균 외부 온도는 26.6℃로 나타났으며, 이 시간 동안 냉동기의 평균 COP는 3.7로 나타났다. 반면, 오후 3시에는 외부 온도가 최고 36.6℃까지 상승하며, 이때 냉동기의 COP는 2.7로 감소하여 약 27%의 효율 저하가 발생하였다.

Fig. 5 Comparison of chiller COP, chiller cooling load, and energy consumption during nighttime thermal energy storage.

Fig. 5는 야간 시간에 냉동기를 가동하여 냉수를 축열조에 저장한 후, 외부기온이 가장 높은 오후 2시부터 저장된 냉수를 사용하는 전략으로 시뮬레이션한 결과를 보여준다. 그래프에서 보시다시피 외부기온이 가장 높은 오후 2시에 냉동기의 COP는 2.9이하로 떨어진다. 이때 냉동기 운전을 피하고 축열조에 저장된 냉수를 이용해서 냉방하는 것이 유리하다. 이러한 방식은 낮 시간 동안 높은 외부 온도로 인해 냉동기 성능이 저하되는 문제를 보완할 수 있다. 시뮬레이션 결과, 축열조 용량을 45% 기준으로 설정했을 때, 연간 21.0%의 냉동기 에너지 사용량을 절감할 수 있는 것으로 확인되었다.

3.3 축열조 용량에 따른 냉동기 에너지사용량 및 용량 변화

Fig. 6은 축열조 용량에 따른 냉동기 에너지 사용량 변화를 나타낸 그래프이다. 축열조가 없는 경우, 기본 조건에서 연간 냉동기의 에너지 사용량은 286,797 kWh로 나타났다. 그러나 본 연구 지역에서 축열조 용량이 45%일 때 연간 에너지 사용량은 226,540 kWh로, 기본 조건 대비 21.0% 감소하는 것으로 분석되었다. 이 결과는 축열조를 활용함으로써 냉동기의 성능 저하를 보완하고, 냉동기의 에너지 소비를 줄일 수 있음을 시사한다.

축열조의 용량이 커질수록 연간 냉동기 에너지 사용량은 지속적으로 감소하지만, 45% 용량을 변곡점으로 하여 그 이후로는 에너지 사용량이 다시 증가하는 경향을 보인다. 이는 축열조 용량이 지나치게 클 경우, 저장된 냉수의 과도해져서 오히려 시스템의 에너지 효율성이 저하될 수 있음을 보여준다.

축열조 용량이 50%를 넘을 경우, 냉동기의 피크 부하를 줄이는 데 상당한 효과가 있는 것으로 분석되었다. 냉동기의 피크 부하는 주로 낮 동안 발생하는데, 이때 외부 온도가 상승하여 냉동기의 에너지 효율이 저하되고, 냉방 부하가 극대화되는 경향이 있다. 그러나 축열조에 야간에 생성된 냉수를 저장하여 피크 부하 시간대에 이를 사용하면, 냉동기의 부하를 분산시킬 수 있어 가동 시간을 단축할 수 있다. 이러한 방식은 냉동기의 부하를 분산시키고, 냉동기의 용량을 줄일 수 있는 잠재력을 제공한다. 연구 결과에 따르면, 축열조 용량이 70%일 때 냉동기의 용량을 기존 대비 34.7%까지 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 이는 냉동기의 설계 용량을 줄일 수 있는 가능성을 열어주며, 시스템의 초기 설치비용 절감과 함께 장기적인 에너지 효율성 향상에 기여할 수 있다.

그러나 축열조 용량이 70%를 초과할 경우, 축열조를 채우기 위해 냉동기의 용량이 다시 증가하는 현상이 나타난다. 이는 축열조의 용량이 적정 범위를 넘어서면, 더 많은 냉수를 저장하기 위해 냉동기의 부하가 다시 증가하게 되며, 결과적으로 냉동기의 에너지 사용량도 상승한다는 것이다. 따라서 축열조의 용량을 설정할 때는 적정 범위를 고려하여 설계해야 하며, 냉동기의 에너지 절감과 냉방 시스템의 전반적인 효율성을 극대화하기 위해서는 축열조 용량의 최적화가 필수적이다.

Fig. 6 Comparison of chiller energy consumption and capacity based on thermal energy storage tank capacity.