공기열원 히트펌프와 잉여 태양에너지를 이용한 온실의 난방 분석

국내의 시설채소 및 화훼류 온실 면적은 꾸준히 증가하다가 2012년도를 기점으로 서서히 정체되는 추세를 보이고 있는데, 이는 농촌 노동인구의 노령화 및 에너지 비용의 상승 등을 원인으로 볼 수 있다. 가온면적 또한 2000년 25%를 기점으로 꾸준히 증가하는 추세에 있어, 에너지 비용의 상승은 농가에 있어서 큰 부담으로 작용하고 있다. 에너지의 사용이 증가함에 따라 발생하는 온실가스의 배출량 역시 국제적인 문제가 되고 있는데, 본 연구에서는 에너지 비용의 절감, 온실가스 배출량의 감소가 가능한 보다 효율적인 난방 방법을 모색하던 중 공기열원 히트펌프와 온실에서 환기에 의해 배출되는 에너지 즉 잉여태양에너지 및 태양열 집열기를 이용하여 축열량 및 이들 에너지를 이용한 온실의 난방효과를 실험적으로 검토하였다. 본 연구에서 실험대상 온실은 경상대학교 기상대내에 위치한 유리온실로 규격은 6.0×4.6×10.0 m이고 측고는 3.3 m 이다. 축열 탱크의 용량은 2,700 L 이며, FCU 의 규격은 1,440×2,060 mm로 중방 3곳에 각각 2개씩 총 6개를 설치하였다. 히트펌프는 공기를 열원으로 사용하는 히트펌프이다. 실험은 주간에 온실내부에 축적되는 잉여 태양에너지를 이용하여 순화수를 가열 한 후, 축열조에 축열한다. 이렇게 가열이 된 축열조의 순환수를 야간에 히트펌프로 순환시켜 설정온도까지 가열한 후 온실로 재순환 한다. 태양열 집열기의 경우, 축열조와 집열기 간의 물 순한 경로와 열 교환소요 시간이 너무 길어 직접 순환 실험은 실시하지 않았으며, 추후 실험과 집열기의 성능 측정을 위하여 별도로 실험을 실시하였다. 또한 온실내부에 작물은 재배하지 않았으며, 환기팬 또한 작동시키지 않았다. 그리고 야간에는 측창, 천창 및 수평커튼을 닫은 상태로 실험을 실시하였다. 실험결과 총 태양광 집열량은 856,742.6 kcal 정도로 나타났는데 이는 경유 101.8 L 정도의 열량이며, 절감탄소량은 259.7 kgCO₂정도였다. 잉여 태양에너지는 357,946.7 kcal로 44.7 L 의 경유사용과 116.9 kgCO₂를 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 히트펌프의 경우, 80일간 총 축열량은 17,519,085.3 kcal 였고, 이 때 소비된 소비전력량은 7,169.6 kWh 정도였으며 성능계수는 2.84 정도 이었다. 온실로 공급된 난방에너지는 최저 외기온과 유사한 경향을 나타내는 것으로 나타났으며, 실제 히트펌프에서 축열된 열량의 약 54.5% 정도만 이용하는 것으로 나타났는데, 이는 난방시스템의 개선이 필요할 것으로 판단되었다. 실험기간동안의 태양열 집열기, 잉여태양에너지 및 히트펌프에 의한 축열량을 전부 이용할 경우 탄소 배출량은 5403.5 kgCO₂정도 절감시킬 수 있을 것으로 나타났다.