2.1 P2H 시스템 구축

제주도는 농업과 수산업 등 1차 산업의 비중이 높으며, 연중 높은 열에너지 수요를 보인다. 이에 따라 P2H 시스템의 적용 가능성을 평가하기 위해 농업시설인 서부농업기술센터를 실증 부지로 선정하였다. 본 부지는 제주 지역 농업 부문을 대표할 수 있는 전형적인 온실 환경을 보유하고 있으며, 전력망과 인접해 잉여 재생 전력의 실시간 연계가 가능한 지리적 이점을 갖는다. Fig. 1(a)-(d)에 나타낸 바와 같이, P2H 시스템은 열에너지를 공급할 온실, 공기 열원 및 수열원 히트펌프, 그리고 축열조(TES)로 구성되어 있다. 45 RT급 2기와 40 RT급 2기의 공기 열원 히트펌프, 50 RT급 수열원 히트펌프 1기를 포함하여 총 220 RT 규모의 복합열원 히트펌프 시스템을 구축하였다.

수열원 히트펌프의 안정적이고 재생 가능한 열원인 지하수를 확보하기 위해, 지하 약 90 m 깊이로 천공된 지중공에 6 m 간격으로 지중 열교환기 4기를 설치하였다. 열교환기는 SUS316L 스테인리스강으로 제작되었으며, 순환수와 지하수 간의 열교환 성능을 향상시키기 위해 침적식 나선 코일 구조로 설계되었다. 이를 통해 지하수의 연중 일정한 온도를 열원으로 활용함으로써 수열원 히트펌프의 운전 안정성을 확보하였다. 시스템의 세부 사양은 Table 1에 나타내었다.

축열조는 SUS304 스테인리스강으로 제작되었으며, 길이 13 m, 폭 4 m, 높이 4 m의 구조로 내부에는 전체 부피의 약 96%에 해당하는 약 192 t의 물이 저장되어 있다. 열손실을 최소화하기 위해 우레탄 단열재로 단열 처리하였으며, 단열재의 보호를 위해 외부에는 아연 도금 강판으로 제작된 덮개를 설치하였다. 또한 실증 운전 동안 물의 밀도 차이에 의해 고온수가 상부에, 저온수가 하부에 분포하는 성층 구조를 안정적으로 유지하기 위해 축열조 상·하부에 디퓨저(Diffuser)를 설치하였다.^{(6- 8)} 디퓨저는 유입·유출되는 순환수의 유속을 저감시켜 균일한 유동 분포를 형성하고, 혼합을 최소화함으로써 효율적인 성층 구조 유지와 열에너지 저장 효율 향상에 기여한다. 이러한 성층 구조의 안정성은 DR 기반 열부하 제어 시, 필요한 열을 즉시 활용할 수 있는 상태를 유지함으로써 시스템의 응답성을 향상시킬 수 있다.

Fig. 1 Layout and main components of the full-scale Power-to-Heat (P2H) system implemented at Western Agricultural Technology Center. (a) Aerial view of the demonstration site showing the greenhouse sectors (A: Tomato, B: Apple mango), (b) Front view of the P2H system including thermal energy storage (TES) tank and air-source heat pumps (ASHPs), (c) Water-source heat pump (WSHP) and control panel, and (d) Rear view showing the supply and return lines of the TES.

2.2 축열 및 난방 운전

축열 운전은 전력 수요가 감소하여 출력제한이 발생하는 시간대에 잉여전력이 공급된다고 가정한 조건에서 수행되었다. 이는 실제 제주 지역에서 빈번히 발생하는 재생에너지 과잉 발전 상황을 모사하기 위한 것으로, 잉여전력의 열에너지 전환 가능성을 평가하기 위함이다. 복합열원 히트펌프를 가동하여 생산된 열에너지는 축열조에 저장되었으며, 이를 통해 출력제한 시간대의 잉여전력을 효율적으로 활용하는 P2H 시스템의 운전 시나리오를 재현하였다. 축열 과정에서는 축열조 하부의 저온수가 순환펌프를 통해 각 히트펌프로 병렬 공급되어 가열되고, 가열된 고온수는 환수라인을 통해 축열조 상부로 유입되어 성층 구조를 형성하며 열에너지로 저장된다. 이러한 상·하부 온도 구배는 열손실을 최소화하고, 후속 방열 운전 시 열공급 응답성을 향상시키는 핵심 요소로 작용한다.

Fig. 1(a)에 도시한 바와 같이, P2H 시스템을 활용한 난방 운전은 Sector A(방울토마토)와 Sector B(애플망고) 두 개 온실 구역에서 수행되었다. 심야 시간대 외기 온도가 하강함에 따라 온실의 실내 온도가 설정치 이하로 떨어지면, 축열조에 저장된 고온수가 각 구역의 열수요에 비례하여 공급된다. 공급된 고온수는 온실 내부의 팬코일유닛(FCU, Fan Coil Unit)을 통해 실내 공기와 열교환을 수행하며, 이 과정에서 축열 된 열에너지가 온실 공간으로 전달된다. 열교환을 마친 온수는 축열조 하부로 환수되어 내부 온도 구배에 따라 성층 구조를 재형성하며, 축열조 상부의 고온수가 지속적으로 순환함으로써 온실 내부 온도가 목표 설정값으로 유지되도록 제어된다. 복합열원 히트펌프는 축열조 내부 수온이 약 53℃에 도달할 때까지 운전되었으며, 목표 온도에 도달한 후 축열 운전을 종료하였다. 난방 운전은 온실 내부 온도가 19℃ 이하로 낮아지면 FCU와 순환펌프가 작동을 시작하고, 21℃에 도달하면 두 장치의 운전이 일시적으로 정지되는 온도 기반 히스테리시스 제어(Hysteresis control) 방식으로 수행되었다. 이러한 제어 방식은 단순 온도 제어 대비 장치의 빈번한 온·오프를 방지하여 운전 안정성과 에너지 효율을 동시에 확보할 수 있다는 장점이 있다. 축열 운전은 출력제한이 발생하는 시간대에 맞춰 약 4시간 동안 수행되었으며, 방열 운전은 온실의 열부하 조건에 따라 약 12 ~ 16시간 동안 지속되었다. 전체 축열-방열 주기의 운전 절차 및 열 흐름 구성은 Fig. 2와 Fig. 3에 각각 도식화하여 나타내었다.

Fig. 2 Schematic diagram of the P2H system charging process.

Fig. 3 Configuration of thermal energy discharge process to greenhouse cultivation zones under distinct operational modes: hot water supply for heating in Sector A (tomato: 1,155 m²) and Sector B (apple mango: 693 m²).

4.1 P2H 시스템의 성능 평가

2025년 3월 13일부터 16일까지 수행된 세 차례의 축열-난방 사이클 동안 축열조 내부의 온도 변화를 Fig. 4(a)-(f)에 나타내었다. Fig. 4(a)-(c)는 축열 운전 시 축열조 내부를 상·중·하 3개 구간으로 구분하여 측정한 온도 변화를 보여준다. 모든 사례에서 각 측정 지점의 온도는 시간 경과에 따라 점진적으로 상승하였으며, 상부 구간의 온도가 가장 먼저 목표 설정 온도인 약 53℃ 도달한 후 중부와 하부의 온도가 순차적으로 상승하였다. 이러한 패턴은 약 200 t 규모의 대용량 축열조에서도 내부 혼합이 거의 발생하지 않았음을 의미하며, 열적 성층(Stratification)이 안정적으로 형성되어 있음을 확인시켜 준다. 이는 상·하부에 설치된 디퓨저가 유입수 속도를 효과적으로 감쇠시켜 난류 생성을 억제함으로써 성층 유지에 필요한 유동 안정성을 확보했기 때문이다. 형성된 성층 구조는 열전달 경로를 명확히 하여 히트펌프의 열전달 응답성을 향상시키고, 방열 시 고온수의 이용 효율을 극대화함으로써 전체 시스템의 열관리 안정성을 향상시켰다. Fig. 4(d)-(f)는 난방 운전 동안 축열조 내부 온도의 시간 변화를 나타낸 것으로, 운전 초기에는 상부와 중부 온도가 비교적 안정적으로 유지된 반면 하부는 열교환을 마친 저온수가 환수되면서 급격히 하락하였다. 이후 시간이 경과함에 따라 하부의 냉각 영향이 전도 및 대류를 통해 중부와 상부로 점차 전달되어 전체 온도가 급격히 감소하는 경향을 보였으나, 열적 성층은 붕괴되지 않고 안정적으로 유지되었다. 이후 상부와 중부는 하부로 유입되는 순환수와 새로운 성층 구조를 형성하며 일정 시간 동안 안정된 온도를 유지하지만, 난방 운전이 지속되고 더 낮은 온도의 환수수가 하부로 계속 유입됨에 따라 상부와 중부의 온도가 재감소하는 경향을 보였다. 이 결과는 축열조 내의 온도 구배가 방열 운전 중에도 보존되어, 저온수 유입에 따른 열 혼합 손실이 제한적이었음을 의미한다. 즉, 축열조는 단순한 열저장 탱크가 아닌 온도 계층을 활용하는 열관리 모듈로서 효율적인 에너지 방출 제어가 가능함을 보여준다. 한편, Fig. 4(e)의 난방 과정에서는 약 23시 50분경 하부 온도가 중부보다 높게 측정되어 일시적으로 온도 성층 구조가 붕괴되었다. 이는 순환수 유량이 과도하게 유지되어 FCU를 통한 열교환이 충분히 이뤄지지 않은 상태에서 상대적으로 고온의 순환수가 축열조로 환수된 것으로 판단된다. 따라서 하부 층의 온도가 중부보다 일시적으로 높게 형성되었으며, 이는 시스템 구조적 결함이 아닌 과유량 운전 조건에서의 자연스러운 열 재분포 현상으로 해석된다. 이와 같은 결과는 유량 제어가 성층 안정성 유지에 직접적인 영향을 미치며, 향후 DR 기반 부하 제어 전략 설계 시 중요한 운전 변수로 고려되어야 함을 시사한다.

Fig. 5(a)-(c)는 난방 운전 동안 각 온실 섹터(A: 방울토마토, B: 애플망고)의 실내 온도 변화를 외기 온도와 함께 나타낸 것이다. Fig. 5(a)-(b)에서는 FCU가 설정 온도 범위(19 - 21℃) 내에서 안정적으로 온실 온도를 유지하였으며, 이는 축열조에서 공급된 열에너지가 실시간 열부하에 적절히 대응했음을 보여준다. 반면 Fig. 5(c)에서 운전 초기에는 설정 범위 내 온도가 유지되었으나, 약 03시경 이후 실내 온도가 점차 감소하였다. FCU는 지속적으로 가동되었음에도 설정 온도의 상한값(21℃에 도달하지 못했으며, 이는 축열조의 잔여 축열량이 불충분하여 공급 열량이 온실 열부하를 완전히 충족하지 못했기 때문이다. 특히 해당 운전일의 실외 기온이 전 운전일보다 낮아 초기 방열 구간에서 열에너지 공급량이 증가하였고, 그 결과 축열조의 유효 축열량이 더욱 빠르게 소진되었다. 이와 같은 실외 기온 조건 차이로 인해 축열조는 새벽 시간대까지 충분한 축열량을 유지하지 못하였고, 이는 실내 온도 감소로 직접적으로 이어졌다. 전반적으로 축열조의 성층 구조는 세 차례의 연속 운전 동안 안정적으로 유지되었으며, 이는 대용량 축열 시스템에서도 유동 혼합이 효과적으로 억제되고 성층이 장기적으로 보존될 수 있음을 실증적으로 확인한 결과이다. 이러한 특성은 축열조가 단순한 열 저장체를 넘어, 열전달 경로를 분리하여 고온수의 이용 효율을 극대화하고 히트펌프의 열출력 안정성을 유지하는 핵심 구성요소임을 보여준다. 그러나 일부 운전 조건, 특히 순환 유량이 과도하거나 외기 온도가 급격히 하강하는 상황에서는 성층의 균질성이 일시적으로 저하되거나 부분적인 열혼합이 발생하는 한계가 관찰되었다. 이와 같은 거동은 축열조 내부 유동의 비정상 분포 및 FCU 측 열부하 응답 지연에 기인하며, 결과적으로 시스템의 제어 로직이 외기 조건 변화에 완전히 적응하지 못한 데 따른 것으로 판단된다.

따라서 향후 연구에서는 순환수 유량을 난방 부하와 축열조 수온 변화에 따라 연속적으로 조절하여 FCU에서의 열교환 효율을 높이고, 축열조의 열에너지가 불필요하게 조기에 소진되는 현상을 최소화함으로써 제어 로직을 고도화할 예정이다. 또한 방열 초기에는 축열조 내부가 약 55℃의 고온수를 보유하고 있으나, 온실 난방에는 약 40℃ 수준의 공급 온도만으로도 충분한 난방 효과를 확보할 수 있다. 따라서 고온수를 그대로 공급할 경우 실제 난방 부하 대비 과도하게 많은 열이 투입되어 축열조의 유효 축열량이 빠르게 소진되는 문제가 발생한다. 이를 방지하기 위해 공급수와 환수수를 일정 비율로 혼합하여 목표 공급 온도를 안정적으로 유지할 수 있도록 제어 로직을 개선할 예정이다. 이와 같은 유량 제어 및 혼합 제어의 적용을 통해 축열조의 열관리 효율을 향상시키고, 난방 지속성 및 시스템 안정성을 동시에 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 4 TES temperature profiles during three consecutive heating operation cycles, defined as Case 1 to Case 3. (a, d): Case 1-thermal charging on March 13 (daytime) and corresponding discharging from March 13 night to March 14 morning, (b, e): Case 2-thermal charging on March 14 (daytime) and corresponding discharging from March 14 night to March 15 morning, and (c, f): Case 3-thermal charging on March 15 (daytime) and corresponding discharging from March 15 night to March 16 morning.

Fig. 5 Temporal variations in indoor and outdoor temperatures across greenhouse sectors during thermal discharging operations. (a) Case 1: March 13-14, (b) Case 2: March 14-15, and (c), Case 3: March 15-16.

4.2 P2H 시스템의 경제성 평가

Table 2에는 축열 및 난방 운전에 대한 정량적 결과를 요약하였다. 모든 축열 운전 구간에서 히트펌프를 통해 생산된 총 열생산량은 2,571-2,636 kWh 범위로 나타나 세 운전 사례 간 큰 차이는 없었다. 반면, 축열조로부터 온실로 공급된 방열량은 Case 3에서 3,340 kWh로 가장 높게 나타났는데, 이는 Fig. 5(c)에서 확인되듯 외기 온도가 상대적으로 낮아 난방 부하가 증가했기 때문이다. 또한 Case 2와 Case 3에서는 방열량이 축열량을 초과하는 현상이 관찰되었으며, 이는 축열 운전 시작 이전에 축열조 내부에 잔존한 열에너지가 새로 축열 된 열에너지와 함께 방열 과정에서 소비되었기 때문이다.

Case 3의 전력 소비량은 952.5 kWh로 유사한 수준이었으나, 성적계수(COP)는 Case 2의 2.9에서 2.8로 소폭 감소하였다. 이는 외기 온도 저하로 인해 공기 열원 히트펌프의 증발 압력이 낮아지고, 이에 따라 전체 시스템 효율이 제한된 결과로 해석된다. 본 시스템은 공기 열원과 수열원을 병합한 복합열원 구조로 구성되어 있지만, 외기 저온기에 공기 열원의 비중이 높게 유지되어 효율 저하가 발생하였다. 따라서 열원 간 부하 분담비 조정과 운전 제어의 최적화가 향후 성능 개선의 핵심 요소로 제시된다.

이러한 결과를 바탕으로, 본 연구는 농업용 온실을 대상으로 출력제한 시간대의 잉여 전력을 활용한 P2H 시스템의 실증적 운전 특성과 적용 가능성을 종합적으로 검증하였다. 축열조의 열적 성층 거동, 히트펌프 효율, 온실 내 온도 제어 성능을 통합적으로 평가한 결과, 일반적인 조건에서는 안정적이고 효율적인 난방 운전이 가능함을 확인하였다. 반면, 외기 온도가 낮은 시기에는 열원 조건의 불균형으로 인해 시스템 효율이 다소 저하되는 경향을 보였으며, 이는 향후 제어 로직 고도화 및 열원 전환 전략 수립을 통해 개선될 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 4(a)-(f), Fig. 5(a)-(c)와 Table 2에서 확인되듯, 축열조 용량 확장, 열공급 시점 제어, 전력 부하 예측 기반 운전 최적화 등의 전략이 병행된다면 P2H 시스템의 에너지 활용 효율과 난방 안정성은 한층 강화될 것으로 기대된다. 본 연구에서 도출된 실증 데이터는 향후 P2H 기술의 성능 향상, 재생에너지 연계형 난방 시스템 설계 및 농업 부문 에너지전환 정책 수립을 위한 기초 자료로 활용될 수 있다. 또한, P2H 인프라의 확산은 재생에너지 수용성 제고와 전력 계통의 유연성 향상, 지역 단위 분산형 에너지 자립 실현에 기여할 것으로 전망된다. 더 나아가, 본 연구의 결과는 출력제한 대응 강화, 온실가스 감축, 장기 운전 안정성 검증, 통합 열관리 플랫폼 개발 등 후속 연구의 방향을 제시하는 중요한 근거를 제공한다.

Table 2에 나타낸 바와 같이, 3일간의 실증 운전 기간 동안 P2H 시스템의 총 전력 소비량은 2,757 kWh로 나타났다. 이를 농사용 저압 전력 단가(65.9원/kWh)에 적용하면 약 181,686원의 전력비가 소요된다. 동일 기간 동안 시스템은 축열조에 잔류한 열에너지를 포함하여 총 8,655 kWh의 열에너지를 온실로 공급하였으며, 동일한 열량을 등유 보일러로 공급하기 위해서는 약 882.7 L의 연료가 필요하다. 2024년 평균 면세 등유 단가(1,152.42원/L)를 적용할 경우 약 1,017,241원의 난방비용이 발생하므로, P2H 시스템의 활용을 통해 약 835,555원의 연료비 절감 효과가 확인되었다.

또한, P2H 시스템 운전을 통해 약 2.3 tCO₂의 온실가스 배출이 저감되었다. 이는 IPCC 가이드라인에 근거한 배출계수(2.64 kgCO₂/L)를 적용하여 산정하였으며, 배출권거래제(K-ETS) 평균 거래가격(9,300원/tCO₂)을 고려할 때 약 21,390원의 탄소배출권 수익에 해당한다. 아울러, 고객 기준 부하(CBL, Customer Baseline Load)를 기반으로 실증 운전 기간의 전력 증대량을 산정한 결과 1,332.8 kWh로 계산되었으며, 이를 제주 지역 플러스 수요 반응(Jeju Plus-DR) 정산 단가(96.58원/kWh)에 적용하면 약 128,721원의 추가 보상금이 산정된다. 이상의 항목을 모두 합산하면, P2H 시스템은 실증 기간 동안 총 985,666원의 경제적 수익(연료비 절감, 탄소배출권, 수요 반응 보상)을 창출할 것으로 분석된다.

그러나 본 연구는 실제 온실 운영 조건에서 P2H 시스템의 경제적 및 환경적 성능을 실증적으로 평가하였음에도 불구하고, 몇 가지 한계가 존재한다. 본 분석은 단기간 실증을 기반으로 수행되었기 때문에, 계절별 난방 부하 변화, 시스템 효율 변동, 연간 운전 신뢰도 등에 대한 장기적 검증은 향후 추가 연구를 통해 보완될 필요가 있다. 또한, 제주도의 에너지 구조를 고려할 때 재생에너지 출력제한은 주로 봄과 가을철에 집중적으로 발생하지만, 다수의 농가에서는 여전히 등유 보일러를 사용하여 난방을 수행하고 있다. 이처럼 잉여 전력이 상존함에도 다수의 농가가 여전히 화석연료 기반 난방에 의존하는 현실은, 지역 에너지 이용 구조의 비효율성과 괴리를 보여준다. 이는 잉여 전력을 열에너지로 전환하여 활용할 수 있는 P2H 시스템의 필요성을 한층 더 부각시키는 결과라 할 수 있다. 이러한 제약에도 불구하고, 본 연구의 결과는 온실 난방 분야에서 P2H 기술의 실질적 적용 가능성을 평가하기 위한 유의미한 기준점을 제공한다.