1. 서 론

농업의 발전은 기존의 수렵․채집 중심의 유목 생활에서 정착 생활을 가능하게 하는 기반 산업으로 인류 문명사의 대전환을 가져왔다. 고대부터 현대까지 노지를 활용하여 각 지역의 기후에 맞는 작물을 생산하여 문명의 발전에 이바지하였다. 문명의 발전은 고품질 농산물의 수요 증가를 촉진해 왔고, 이에 따라 온실을 활용한 재배가 활발히 진행되었다. 온실을 활용한 농업은 통제된 환경 내에서 작물의 생산성 및 품질을 향상시키고, 병해충 관리와 계절 제한을 극복 가능하여 연중 안정적인 재배가 가능하다⁽¹⁾. 그중, 유리온실은 광투과율 및 채광성, 보온성, 내구성 면에서 우수한 장점을 가진 방식으로 고부가 가치 작물 재배에 유리하여 장기적인 수익성이 뛰어난 고도화된 농업 시설이지만⁽²⁾ 작물 생육 환경 조성을 위한 과도한 에너지 사용은 유리온실에 대한 접근성을 현저히 낮추고 있으며 전력 및 유류 비용의 지속적인 상승은 농가에 높은 운영 부담으로 작용한다⁽³⁾. 국내 유리온실 농가는 전통적으로 공기열 히트펌프(Air Source Heat Pump, ASHP) 및 보일러 기반의 냉․난방 시스템을 적용하고 있으나, 이러한 시스템은 높은 에너지 비용을 해결하기에 한계점이 있다⁽⁴⁾.

한편, 소각장, 발전소 등을 포함한 산업 시설에서는 발전 과정에서 대량의 폐열(Waste heat)이 배출되나 대부분 외부로 방출되어 활용되지 않고 있다⁽⁵⁾. 폐열은 여전히 유용한 열에너지를 포함하고 있어, 이를 회수․재활용할 경우 에너지 비용 절감을 기대할 수 있다⁽⁶⁾. 또한, 소각장에서 배출되는 폐열은 지역사회의 난방 수요처, 특히 농업․수산 분야에 적용하여 협업 및 상생 가능성을 정부에서도 논의하고 있어 유리온실 난방 에너지 수요와 폐열 공급원의 연결 가능성이 현실적으로 대두되고 있으나 기존 연구들은 대부분 폐열 활용의 잠재적 이점 또는 활용 가능성 제시에 그치고 있으며, 구체적인 투자 타당성이나 농가 현장의 경제 지표에 대한 분석은 미흡하다^{(7, 8)}. 특히 유리온실의 작물 생육 온도 조건별 에너지 소비 및 비용 비교, 폐열 공급 온도에 따른 경제성 변화 등은 충분히 다루어지지 않았다. 이는 농가 수준에서의 투자 결정에 필요한 실질적인 데이터 제공을 제한하는 요인으로 사료된다.

따라서, 본 연구에서는 동적 에너지 해석을 통해 소각장의 버려지는 폐열을 흡수식 냉동기 기반 열원 공급 시스템에 적용하여 유리온실의 에너지 비용 절감 효과를 정량적으로 분석하고, 열원 공급 온도 및 작물 생육 조건(온도)에 따른 경제성 분석을 수행하였다. 분석 대상은 실제 유리온실 농가를 대상으로 수행되며, 기존의 공기열 히트펌프와 보일러 열원 시스템 대비 폐열 활용 시스템의 에너지 해석 모델을 구축하여 에너지 소비량 및 경제적 차이를 정량적으로 분석함으로써, 폐열 활용 시스템 도입을 고려하는 농가에 실질적인 경제성 평가 자료를 제공하고자 한다.

2. 연구방법

본 연구에서는 폐열 활용 유리온실의 에너지 비용 저감 효과를 산출하기 위하여 에너지사용량을 동적 에너지 해석 프로그램인 TRNSYS 18을 활용하여 분석하였다. 분석 대상은 전라남도 보성군에 위치한 실제 유리온실 농가를 동일하게 모사하여 해석 모델을 구축하였다. 유리온실은 9,600 mm × 16,000 mm × 4,000 mm 크기로 유리 재질은 저철분 유리이며, 실내 온도는 재배 작물의 생육 조건에 따라 15℃로 설정하였다. 소각장에서 배출되는 폐증기는 폐열회수 열교환기를 통해 열교환되며 이때의 온수 온도는 95℃로 설정하였다. Fig. 1(a)는 대상 농가의 위치, Fig. 1(b)는 시뮬레이션 대상 모델을 나타낸다.

기존의 유리 온실의 냉․난방 시스템은 냉방은 ASHP 시스템, 난방은 보일러를 통해 열을 생산하여 축열 탱크에 저장, FCU를 통해 유리온실에 공급하는 시스템으로, 농가 특성상 실내 온도 15℃를 유지하기 위하여 24시간 운전된다. 또한, 폐열 활용 시스템은 흡수식 냉동기(Absorption Chiller, AC)를 사용하여 인근 소각장의 폐열(증기)을 공급받으며, ASHP 및 보일러는 서브 열원으로 유지하였다. Fig. 2는 구축된 해석 모델을 나타낸 것으로 Fig. 2(a)는 기존 시스템, Fig. 2(b)는 제안하는 폐열 활용 시스템 모델을 나타낸 것이다.

해석 모델에 적용된 시스템의 설계 사양은 실제 현장 장비 스팩을 반영하였으며, 폐열 활용 시스템 사양도 실제 설계 사양을 적용하였다. 축열 탱크는 기존에 100 t 용량 1 EA가 설치되어 있었으나, 폐열 활용 시스템에서는 60 t 크기의 탱크를 추가로 설치하여 냉방용 탱크로 활용하였다. Table 1은 시뮬레이션에 적용된 설계 사양을 나타낸다.

Fig. 1 Overview of the target farm.

Fig. 2 Simulation models of each system.

3. 연구결과

3.1 폐열 활용 시스템 성능 분석

Fig. 3은 소각장 폐열을 활용한 유리온실 냉․난방 시스템의 에너지절감 효과를 정량적으로 분석하고자 Fig. 3(a) 기존 시스템(ASHP + 보일러)과 Fig. 3(b) 폐열 활용 시스템(AC)의 전력 소비량을 비교하였다. 에너지사용량 분석은 냉난방 운전에 사용되는 소비전력량(히트펌프, 순환펌프, FCU, ASHP, 냉각탑 등), 유류비(보일러)를 합산하여 산출하였다. 기존의 ASHP + 보일러 시스템은 유리온실의 실내 온도 유지를 위하여 동절기 보일러, FCU, 보일러 순환펌프를 가동하며, 하절기에는 ASHP, FCU 및 순환펌프를 가동한다. 반면에, 폐열 활용 시스템은 흡수식 냉동기에 동절기 순환펌프, 하절기 순환펌프를 가동하며 보조 열원인 ASHP 및 보일러는 가동하지 않았다. 그 결과, 연간 총 소비전력량은 기존 193,517 kWh에서 폐열 활용 시 135,054 kWh로 30.21% 절감하였다.

Fig. 3 Annual electricity consumption by system.

3.2 작물 생육 및 폐열 교환 온도에 따른 에너지 성능 분석

Fig. 4는 (a) 작물 생육 온도와 (b) 폐열 교환 온도에 따른 에너지절감 효과를 알아보기 위해 기존 시스템(ASHP + 보일러)과 폐열 활용 시스템(AC)의 전력 소비량을 비교한 것이다.

Fig. 4(a)에서는 유리 온실에서 재배되는 작물의 생육 온도에 따른 에너지 소비량 비교를 위하여 실내 설정온도를 10℃, 15℃, 20℃로 구분하여 분석한 결과를 나타낸다. 기존 시스템과 폐열 시스템은 ASHP와 보일러 가동 외 폐열 활용 시스템의 폐열측 순환펌프(P_W.H)가 차이를 나타낸다. 연간 총 소비전력량의 분포는 각 조건 모두 순환펌프(P_return, P_circul)의 소비전력량이 약 40%를 차지하였으며, 기존 시스템은 ASHP와 보일러의 잦은 가동으로 인하여 63.0%의 비율을 나타냈다. 하지만, 폐열측 순환펌프를 고려할 경우 전체 소비전력량의 55%~60% 수준을 차지하여 기존 시스템과의 순환펌프 비율은 큰 차이를 나타내지 않았다. 연간 총 소비전력량은 기존 시스템 대비 각각 10℃ 38.22%, 15℃ 30.21%, 20℃ 28.73%의 차이가 발생하였으며, 가장 큰 차이를 나타낸 10℃는 동절기 상대적으로 낮은 설정온도로 인하여 흡수식 냉동기 및 FCU, 순환펌프의 가동이 현저하게 줄어들어 발생한 차이로 사료된다.

Fig. 4(b)에서는 폐증기와 열교환된 공급 열원 온도를 85℃, 90℃, 95℃로 설정하여 그 차이를 비교하였다. 소각장 폐열을 활용한 냉․난방 공급 시스템에서 소각장 폐증기와 열교환된 열원의 온도는 에너지 비용 절감에 있어 중요한 요소 중 하나이다. 일반적으로 공급되는 증기의 온도는 고정되어 있지만, 폐기물 처리량, 소각장과의 거리 등에 따라 공급받는 온도가 변경될 수 있다. 연간 총 소비전력량은 기존 시스템 대비 85℃는 11.21%의 차이를 나타내 절감률이 상대적으로 크게 감소하였으며, 90℃와 95℃는 각각 30.22%, 30.21%의 차이를 나타내 차이가 미미하였다. 이는 본 연구의 대상 유리온실에서 요구되는 냉난방 부하를 감당하기 위해서는 열원 온도 85℃로는 부족하며, 90℃ 이상의 온도가 공급되면 필요 에너지량을 충족함을 나타낸다.

Fig. 4 Comparison of electricity consumption under different conditions.

4. 에너지 비용 분석

소각장 폐열을 활용한 냉난방 시스템은 유리온실의 운영비용 저감에 많은 영향을 미친다. 하지만, 생육 작물, 인근 소각장의 공급 열원 온도 등 각 조건에서 어느 정도의 비용 절감 효과가 발생하는지에 대한 정량적 연구는 드물다. 따라서, 본 연구에서는 산출된 연간 전력 소비량을 토대로 각 조건에서의 유리온실 냉․난방 비용을 산출하여 제시하였다.

Table 2는 각 조건별 연간 소비전력 요금을 나타낸다. 전력 요금의 경우, 한국전력공사의 전기요금표(2026. 03. 기준)의 농사용 전력(을)을 산출 방식 기본요금(Base Charge, BC), 전력량 요금(Usage Chage, UC), 기후환경 요금(Climate / Environmental Related Charge, CERC), 연료비 조정액(Fuel Cost Adjusted Charge, FCAC)에 적용, 산출하여 전력사업 기반기금(Electric Power Industry Basis Fund, EPIBF)을 합산하여 산정하였다.

기존 시스템은 연간 268,233,655원의 전기 요금이 발생하며, 폐열 활용 시스템(실내온도 15℃, 열원온도 95℃) 적용 시 30.21% 요금을 절감 가능하였다. 작물 생육 온도에 따른 전기 요금은 냉난방 운전이 가장 적은 실내 온도 10℃가 38.22%의 최대 절감률을 나타냈으며, 열원 공급 온도에 따른 전기 요금은 85℃가 연간 3,000만 원(11.21%) 수준이 절감되고 90℃, 95℃는 연간 8,100만 원(30.2%) 수준을 절감 가능하였다.

또한, 유류비는 산출된 보일러 사용 열량을 기반으로 Opinet의 농업용 면세유(경유) 2025년 평균 단가(1,114.98원)에 농업용 면세유 지원 정책에 따른 지원금 평균 87원/L을 적용하여 산출, 연간 9,376,800원의 유류비가 발생함을 확인하였다. Table 3은 기존 시스템의 연간 유류비를 나타낸다. 유류비가 합산된 기존 시스템의 연간 총 에너지소요 비용은 277,610,455원으로 폐열 활용 시스템 적용 시 연간 90,412,762원(32.57%) 비용 절감이 가능하며, 조건에 따라 최대 111,894,497원(40.31%)의 에너지 소요 비용이 감소된다.

5. 결 론

본 연구에서는 동적 에너지 해석을 통해 소각장 폐열을 유리온실 냉․난방 시스템에 활용함으로써 절감할 수 있는 에너지 소비량과 비용을 정량적으로 분석하였다. 그 결과는 다음과 같다.

(1) 유리온실 냉․난방 시스템에서 기존의 ASHP + 보일러 시스템에 비해 폐열 활용 시스템이 연간 전기 사용량의 30.21% 절감 가능함을 확인하였다.

(2) 실내 설정온도에 따른 에너지사용량은 최대 38.22%(10℃)의 차이를 나타내 생육 작물에 따라서 운영비용의 차이가 발생함으로 지역에 따라 이윤을 고려하여 생육 작물의 고려가 필요함을 확인하였다.

(3) 열원 온도에 따른 에너지 사용량 분석 결과, 본 대상 농가에서는 90℃ 이상의 열원 온도를 충족하면 차이가 미미함을 확인하였다. 따라서, 각 농가는 시스템 용량 설계 시 유리온실의 냉난방 부하 및 열원 공급 조건을 초기에 고려하여 설계하면 초기 투자비 절감을 도모할 수 있다.

(4) 에너지비용 분석 결과, 기존 시스템 대비 폐열 활용 시 32.57%(전기 30.21%, 유류비 2.36%) 절감 가능하며, 조건에 따라 최대 40.31%(111,894,497원) 절감 가능함을 확인하였다.

추후에는 본 연구에서 얻어진 동적 에너지 해석 결과를 유리 온실 스마트팜 실증 사이트 설비의 구축이 완료되면 시험 결과와 비교하여 검증할 예정이다.