전기구동형 히트펌프가 유리온실의 냉방설비 중 초기투자비가 가장 높은 것으로 나타났다. 반면 연간운영비(전기요금)는 전기구동형 히트펌프가 가장 낮았다.

국내 대표적인 설계사무소 우원엠앤이 황동곤 연구소장과 서충국 책임연구원은 최근 친환경설비학회지에 기고한 ‘국내 유리온실의 냉방 설비 시스템별 경제성 분석’ 논문에서 이같이 밝히고 초기투자비용과 연간운영비로 산출한 생애주기비용(LCC)은 공기열 히트펌프(냉수)와 축열조로 구성된 냉방시스템이 가장 경제성이 우수한 것으로 분석됐다고 밝혔다.

온실의 냉방은 크게 차광스크린, 자연환기, 증발냉각 등의 패시브(Passive, 건축적) 방법과 히트펌프, 공조기, 환기팬 등의 액티브(Ac- tive, 설비적) 방법으로 구분된다. 패시브 설비는 대부분 온실에서 설치해 운영하고 있으나 온도 하강 효과가 낮은 단점이 있다.

보통 자연환기와 차광을 하는 온실의 경우 외기온도보다 1~2℃ 높게 유지되며, 추가로 포그 또는 분무 등의 증발냉각을 병행하면 외기온도보다 1~3℃ 정도 낮게 유지할 수 있다.

액티브 설비는 확실한 온도 하강 효과를 기대할 수 있으나 히트펌프, 축열조 설치 등의 초기투자비가 크게 발생하며 설비 사용에 따른 전기요금, 유지보수 등의 문제로 온실에 적극적인 적용이 되지 않아 국내 온실 중 약 26%만 냉방을 실시하고 있는 실정이다.

황동곤 연구소장은 “국내 유리온실에 적용 가능한 냉방기술을 조사한 후 건축적 기술은 동일한 조건으로 두고 설비적 기술만 대안으로 해 온실에 적용이 용이한 3개 케이스의 냉방시스템을 선정해 경제성을 분석했다”고 밝혔다.

경제성 분석을 통해 적용된 열원설비는 냉수식 공기열 히트펌프(case 1), 냉수식 공기열 히트펌프+축열조(case 2), 냉매식 전기구동형 히트펌프(case 3)이다. 실내기는 냉수식 공기열 히트펌프와 냉수식 공기열 히트펌프+축열조는 팬코일유니트를, 냉매식 전기구동형 히트펌프는 시중에서 일반적으로 적용되는 스탠드형 실내기가 적용됐다.

냉방설비시스템별 경제성 분석 대상 온실은 경상북도 구미시에 위치한 1998년도에 준공된 유리온실로 전체면적 약 3,020평(9,984㎡) 중 유휴지 700평에 3개 냉방설비 시스템을 도입해 테스트를 실시했다, 재배작물은 접목 선인장을 대상으로 했다.

황동곤 연구소장은 “온실의 냉방부하 산출은 냉방시스템의 요구 냉방능력, 초기투자비, 에너지 사용량 등에 영향을 주는 중요한 요소이다”라며 “냉방시스템의 용량을 결정하기 위한 냉방부하는 건물의 기계설비 설계에 냉난방 부하를 계산하는데 범용적으로 사용하고 있는 RTS 프로그램으로 계산한 값을 적용했다”고 말했다.

분석결과 초기투자비 측면에서는 공기열 히트펌프+축열조+팬코일유니트로 구성된 Case 2가 가장 유리한 것으로 나타났다.

각 케이스별 초기투자비는 186,140~209, 400천원으로 산출됐으며 단위면적당 초기투 자비는 약 76,538~86,102원/㎡로 나타났다. 전체 초기투자비 중에서 히트펌프와 축열조를 포함한 열원설비의 초기투자비가 높은 비율을 차지했다.

온실 냉방부하 처리를 위해 단위면적당 초기투자비를 산출하면 공기열 히트펌프+축열조+팬코일유니트로 구성된 Case 2가 186,140천원(약 76,538원/㎡)으로 가장 낮은 반면 장비 대수가 많고 수전용량이 큰 전기구동형 히트펌프로 구성된 Case 3이 209,400천원(약 86,102원/㎡)으로 가장 높게 산출됐다. 연간운영비는 Case 3 > Case 2 > Case 1 순으로 낮은 것으로 나타났다.

냉방설비시스템 열원의 경우 히트펌프로 구성하면 여름철 냉방뿐만 아니라 겨울철 난방까지 가능한 점을 고려해 냉난방 전기요금으로 산출해 연간운영비를 비교했다.

황동곤 연구소장은 ”일반적으로 난방부하보다 냉방부하가 크기 때문에 냉방요금이 더 클 것으로 예상했지만 운영비 산출결과, 난방기간에는 가동시간이 상대적으로 더 길어 Case 3을 제외하고 냉방요금보다 난방요금이 더 크게 산출됐으며 Case 3의 경우는 난방보다 냉방시 히트펌프의 효율이 더 높아 요금이 비슷하게 산출됐다“고 언급했다.

공기열 히트펌프를 열원으로 하는 Case 1과 2의 경우 연간운영비 차이가 1,785,587원으로 크지 않았다. 그러나 전기구동형 히트펌프를 열원으로 하는 Case 3의 경우 상대적으로 차이가 큰 것으로 나타났다. 이는 히트펌프 간의 COP 차이도 있지만 순환펌프류의 유무와 팬코일유니트 또는 실내기 등 공조설비의 동력 사용량의 차이인 것으로 분석됐다.

냉방설비시스템의 케이스별 초기투자비와 운영비 산출결과를 바탕으로 9년 기준 연간 생애주기비용(LCC : Life Cycle Cost)을 비교분석한 결과, Case 2가 가장 경제성이 우수한 것으로 나타났다.

냉방설비시스템의 초기투자비는 Case 2 > Case 1 > Case 3 순으로 낮았으며, 연간운영비는 반대로 Case 3 > Case 2 > Case 1 순으로 낮게 산출됐다. 이를 토대로 9년 기준 연간 생애주기비용을 비교하면, Case 2는 309,791,081원, Case 3은 311,192,067원, Case 1은 326,888,325원으로 Case 2 > Case 3 > Case 1 순으로 낮게 산출됐다.

황동곤 연구소장은 “온실에 적용이 용이한 냉방설비시스템을 선정해 경제성을 분석했지만, 일반적인 온실 농가에 적용하기에는 초기투자비와 연간운영비가 부담될 것으로 예상된다”라며 “앞으로는 재배작물의 수익성과 온실 환경에 민감도 등을 고려해 냉방설비시스템 방식과 규모를 결정해야 한다”고 지적했다.

이어 “최근 스마트팜의 활성화와 원예시설 고도화에 따라 온실의 냉방 수요는 앞으로 지속해서 증가할 것으로 예상되는 만큼 다양한 작물과 재배 방식에 대응할 수 있는 경제적인 냉방설비시스템 개발과 적용성 연구가 필요하다”고 강조했다.