Introduction
Materials and Methods
실험 및 시스템 설계
계측 항목, 주기 및 데이터 수집
Results and Discussion
온실 내부 온도 유지 성능
농가 관점의 비용 절감 근거
구역별 FCU 제어와 축열 연계의 운전 최적화 가능성
Conclusion
Introduction
시설원예 분야는 높은 수준의 기술 집약적 특성을 가지며, 첨단 제어 및 에너지 관리 기술을 활용하여 효율성과 생산성을 동시에 높일 수 있는 대표적 농업 분야로 평가되고, 난방 에너지 의존도가 높아 비용과 탄소부담이 큰 대표적 에너지 집약 산업이다. 에너지 가격 변동과 2050 탄소중립 기조 속에서, 온실 난방의 에너지 효율 제고와 저탄소화는 기술·정책 양 측면에서 핵심 과제로 부상하였다. 특히 히트펌프는 전기 구동으로 주변의 저온 열원을 고온으로 승온·이송하여 투입 전력 대비 다배의 열을 공급할 수 있어, 동절기 난방에서 높은 성능계수(COP)와 균일한 온실 온도 유지 측면의 장점이 확인되어 왔다(Aye et al., 2010).
국내 시설원예 면적은 1980년 7,141 ha에서 2000년 52,189 ha로 크게 증가했으며, 2011년 이후 현재까지 약 52,393 ha 수준에서 일정하게 유지되고 있다(MAFRA, 2024). 특히 시설채소의 가온 재배 면적은 2021년 기준 전체 시설재배 면적의 약 31%인 16,263 ha로, 겨울철 작물 재배의 지속적 확대와 더불어 꾸준한 증가세를 보이고 있다.
문제는 많은 온실이 아직 등유 보일러나 온풍기에 의존한다는 점이다. 이 방식은 효율이 낮으며 비용은 많이 들고, 대기오염과 온실 가스 배출로 인해 환경 부담을 증가시킨다는 것이다(Lee et al., 2021). 이러한 문제를 해결하기 위해 농업 분야에서도 신재생에너지 기반 냉난방 시스템 도입이 본격적으로 추진되고 있으며, 그 중에서도 공기열 히트펌프(Air-source Heat Pump, ASHP)가 주목받고 있다.
공기열 히트펌프는 외부 공기에서 열을 흡수하여 고온의 냉매를 생성하고 이를 활용하여 실내 난방을 구현하는 기술로, 기존 화석연료 기반 난방 방식 대비 에너지 소비량을 최대 40~60%까지 절감할 수 있다는 연구 결과가 보고된 바 있다 (Oh and Chua, 2010; O’Gorman et al., 2012). 제주지역 실측에서는 다공질 화산암 지대의 지중 공기(15–18°C)를 간접 열원으로 활용한 공기–물 히트펌프가 동절기 온실 난방에서 난방비 약 75% 절감과 더 안정적인 실내 온도 유지를 보였고(Lim et al., 2020), 독일 Fraunhofer ISE의 시뮬레이션 연구는 대형 온실에 열펌프와 가스 혼합의 보조 구성을 적용할 경우 참조(석탄+가스) 대비 평준화열원가(LCOH) 저감과 연간 CO₂ 최소 70% 감축 가능성을 제시하였다(Chaigneau and Nienborg, 2024). 국내 하이브리드(펠릿·수열·태양열/HP) 비교연구는 적정 조합에서 연료비 25–30% 절감과 라이프사이클 비용(LCC) 우위를 보고하였다(Lee et al., 2021). 또한 발전소 온배수·해수 등 저탄소 잉여열원을 열펌프에 접목해 난방비 87%, CO₂ 62% 저감한 현장 사례도 확인된다(Kang et al., 2017).
그럼에도 불구하고, 현재 부족한 부분들이 있다. 첫째로, 국내외 다수의 연구가 단일 열원(지열, 공기, 태양열) 또는 단기 성능평가에 집중되어, 상업용 스마트온실 스케일에서 장기간 실측 기반으로 히트펌프 – 다중 축열 – 구역제어(FCU)를 일체화해 평가한 사례는 제한적이라는 것이다 (Kul and Uğural, 2022). 그 다음으로는 공기열원은 혹한기 제상 가동에 따른 출력 요동과 성능계수 저하가 불가피한데, 이를 보완하는 고온수 2단 히트펌프와 이중 축열조(고온/중온)의 현장 검증이 부족하다(Rasheed et al., 2022). 간단한 예로, 구역별 난방부하를 실제로 측정 및 예측하고, 축열을 활용해 부하를 평탄화 하는 분석도 더 필요하다. 마지막으로 태양온실 잉여열, 지열, 공기열처럼 다양한 열원의 융합과 온실간 열 이동으로 열원 온도를 높이려는 시도는 진행 중이지만, 다양한 기상, 온실구조 그리고 조건에서의 성능 민감도와 경제성에 대한 축적 데이터가 더 필요한 상황이다. 예컨대, 다열원(태양온실 공기 + 외기)을 활용한 듀얼 열원 히트펌프는 공기열 단독 대비 난방능력 27%, COP 23% 향상을 보였으나, 적용한 구역, 온실의 구조 그리고 제어에 따라 여러 편차가 보고되었다(Zhou et al., 2025). 또한, 복수의 재생에너지 – 축열 – 히트펌프를 통합한 HRETESS (Hybrid Renewable Energy and Thermal Energy Storage System)는 동절기 시스템 COP 3.5–3.6 수준, 계절과 기술별 기여율까지 장주기 실측으로 제시되었지만, 국내 온실의 표준 설계 및 제어로의 일반화에는 추가 검증이 요구된다(Adesanya et al., 2025).
따라서 본 연구는 공기열 히트펌프 기반의 이원난방 시스템을 실제 국내 스마트 농업 환경에 적용한 실증 사례를 중심으로, 시스템의 설계 및 구성 방식, 작물 재배 조건에 따른 운영 특성, 에너지 소비 패턴 및 경제성 등을 종합적으로 분석하고자 한다. 특히 충남 보령의 상업용 스마트온실을 대상으로 고온수 이중단 공기열 히트펌프 – 이중 축열조 시스템의 현장 적용 및 실측을 통해 성능 및 경제성을 평가한다. 세부 목표로, (i) 고온수 이중단 ASHP–이중 축열의 성능지표와 (ii) 농가 관점의 비용 절감 근거를 제시하고, (iii) 구역별 FCU 제어·축열 연계의 운전의 최적화 가능성을 도출함으로써, 국내 스마트온실 난방의 전기화·저탄소화 전환에 필요한 실증 근거를 제공한다.
Materials and Methods
실험 및 시스템 설계
본 연구는 대한민국 충청남도 보령시에 위치한 면적 약 2,640 m² 상업용 스마트온실 에서 수행하였다. Table 1은 국내 다양한 지역에서 사용되고 있는 상업용 온실의 모습과 종류, 그리고 목표 작물을 정리하였다. 해당 온실은 커피, 바나나 등 아열대 작물의 동절기 재배를 위해 실내 목표온도 21°C를 설계 기준으로 작동하였다.
Table 1.
Configuration and operational characteristics of air-source heat pump systems for various crops and regions.
기존의 경유 보일러와 전기 라디에이터 시스템은 열량이 500,000 kcal h-1이며, 고온수 공기열원 히트펌프과 이중 축열조 시스템으로 교체되어 실험이 진행되었고, 성능 평가는 2025년 1월 5일 16시부터 2025년 3월 2일 11시까지 57일 연속 수행되었다.
시스템은 병렬 구조로 공기, 물, 그리고 ASHP 3대로 구성되며, 제1단 R-410A 회로(외기 열취득 → 중간열원 생성), 제2단 R-134a 회로(중간열원→고온수 ≈ 80°C)의 이중 사이클을 채택한다(Fig. 1). 제1단 회로는 전자팽창밸브(EEV), 공랭 증발기, 4 방향 밸브, BLDC 팬, 중간열교환기(TA1), 컴프레셔-1(R-410A)로 구성된다. 제2단 회로는 EEV, 증발기(TE2: TA1로부터 열 흡수), 4 방향 밸브, 컴프레셔-2(R-134a), 수냉식 응축기로 구성되며, 응축기 수측 입·출구 온도와 유량 스위치를 이용해 결빙 및 유량이 존재하지 않을 경우 장치를 자동 정지시키는 보호 제어 가능을 구현하였다.
제2단 응축열은 80°C로 설정된 1차 고온 축열조에 저장되며, 판형 열교환기를 통해 60°C 로 설정된 2차 중온 축열조로 이송된다(Figs. 2–3). 난방 분배는 팬코일유닛(FCU) 30대를 3개의 구역으로 그룹 제어해 구역별 부하를 조절 및 대응한다. 축열조에는 수위 센서와 축열온도 센서를 설치해 과충전·고온을 방지하고, 역류·사이폰 방지 밸브(liquid-prevention valve 1·2)를 배치해 비의도적 순환을 차단하였다. 실외기 상호 간섭, 제상 배수, 정비 동선을 고려하여 실외기 간 이격은 ≥ 5 m로 배치하였고, 탱크·배관 전 구간에 보온(우레탄폼)을 적용하였다. 순환펌프는 모델명이 아닌 용량 사양(정격 유량·전양정·정격출력)으로만 표기하며, 기준값은 정격 유량 ≥ 9.6 m³ h-1(≈ 160 L min-1), 정격 전양정 ≥ 7 m, 정격출력 ≥ 0.20 kW로 설정하였다.
시스템 제어는 축열조의 온도 안정성 확보, 제상 과정에서의 연속적인 열공급 유지, 그리고 구역별 난방 수요에 대한 대응을 중심으로 설계되었다. 80°C의 1차와 60°C의 2차 축열조의 목표 온도를 일정하게 유지하였으며, 2차 축열조의 온도가 약 50°C 이하로 떨어질 경우에는 판형 열교환기를 통해 1차 축열조의 열을 공급하여 난방 성능을 즉시 보완하였다. 또한 겨울철 저온·고습 조건에서 제상 운전이 발생할 때에도 축열조를 완충 장치로 활용하여 난방이 중단되지 않도록 하였다. 제상 발생 시점은 공급·환수 온도의 급격한 변화와 동시에 나타나는 전력의 최고점을 기준으로 검출하였다.
계측 항목, 주기 및 데이터 수집
연구에서 계측된 데이터 및 대상은 FCU의 공급 열량, 히트펌프의 공급 및 환수 온도, 1차 축열탱크 온도, 시스템 전체 전력 소비량이며, 각 항목의 측정주기는 Table 2에 요약되어있다. 히트펌프 루프에서는 각 장치의 공급수와 환수수 온도를 1분 간격으로 측정하였다. 축열조 역시 1차 및 2차 탱크의 공급·환수 온도를 동일한 주기로 기록하였다. 난방 분배 계통에서는 구역별 팬코일유닛(FCU)의 가동 및 정지 상태를 2분 주기로 기록하고, 누적 유량과 열량은 적분 방식으로 산출하였다. 또한 공급수와 환수수의 온도를 1분 단위로 측정하였다. 전력 항목은 전체 설비의 순간 전력을 1분 간격으로 계측하였으며, 여기에는 실외기 3대, 실내기 3대, 1차·2차 순환펌프, 판형 열교환기 순환펌프, 코일 펌프, 온실 및 부속동 순환펌프 4대, 그리고 FCU 30대와 부속동 2대가 포함된다.
Table 2.
Measurement parameters, intervals, and detailed system components used for evaluating the performance of the dual thermal storage air-source heat pump system for greenhouse heating.
모든 측정값은 동일한 시간 기준으로 정렬하여 1~2분 간격의 시계열 자료로 구성하였다. 장치의 정지나 정비와 같은 특수 상황은 운영 기록과 대조하여 제외하였다. 물리적으로 불가능한 값(예: 음수 유량)은 제거하였으며, 이상치는 사분위 범위(IQR) ±1.5 배수를 기준으로 검출하였다. 온도 센서(±0.1~0.3 K), 전력 계기(Class A), 유량계(제조사 사양)의 불확도를 반영하여 전파법으로 열량 및 성능계수의 신뢰 구간을 추정하였다.
각 루프의 시점 𝑡에서 순간 열량은 다음과 같이 계산하였다.
여기서, 𝜌는 물의 밀도, 𝑐𝑝는 비열, 는 순간 유량, Δ𝑇(𝑡)는 공급수와 환수수의 온도 차이다. 물성치는 표준값을 적용하였다. 구역별 FCU 열량은 유량, 온도차, 가동 시간을 곱하여 산출하였으며, 이를 합산하여 온실 전체의 공급 열량을 계산하였다. 이 과정은 기록 체계의 특성상 간접 산정 방식으로 처리하였다(Eq. 1).
시계열 데이터를 적분 및 평균하여 일일 열량
𝑄day과 일일 전력 소비량 𝑊day을 산출하였다. 성능계수는 다음과 같이 정의하였다(Eq. 2).
그리고 관측 기간 동안의 평균 COP는 다음 식으로 구하였다(Eq. 3).
제상 발생은 히트펌프 루프의 공급수와 환수수 온도의 급격한 변화와 동시에 나타나는 전력 소비의 순간적 증가를 기준으로 식별하였다. 또한 여러 히트펌프가 동시에 제상 모드에 진입하는 비율을 계산하여 시스템의 난방 안정성을 평가하였다.
경제성 평가는 동일 기간 공급된 열량을 기준으로, 효율 0.85의 경유 보일러를 가정하여 대체 연료비를 산정하고 실제 전력 요금과 비교하는 방식으로 수행하였다. 경유 단가는 면세유 기준 854 원 L-1을 적용하였고, 하부발열량(LHV)은 10.52 kWh L-1을 사용하였다. 보일러를 통한 열량 산정은 다음 식을 이용하였다(Eqs. 4, 5, 6, 7).
: 보일러로 경유 1 L를 연소했을 때 유효하게 공급되는 열량
: 보일러 열효율 (0.85 사용)
: 경유의 저위발열량 (10.52 kWh L-1을 사용)
: 동일 열량을 보일러로 공급하기 위해 필요한 경유 사용량
: 해당 일 동안 온실에 실제로 공급된 유효 열량
: 동일 열량을 경유 보일러로 공급했을 때의 연료비
: 동일 기간 히트펌프 실제 전기요금
성능 평가는 네 가지 측면에서 수행하였다. 첫째, 겨울철 야간 난방 시 성능계수(COP)와 온실 내부 온도 균일성에 대한 현장 실측 결과를 검토하였다. 둘째, 보일러–축열–히트펌프를 병행 운전한 시뮬레이션 연구와 비교하였다. 셋째, 세 개 경간이 연결된 연동식 온실에서 수행된 공기열원 히트펌프(AWHP) 계측 연구를 참조하였다. 넷째, 재생에너지–축열–히트펌프 통합 시스템(HRETESS)의 장주기 실증 결과와 비교하여 본 연구 결과의 타당성을 확인하였다.
본 시스템의 재현성을 보장하기 위해 다음과 같은 주요 사양을 제시한다. 이중단 ASHP(R-410A/R-134a), 1차 80°C–2차 60°C 축열조, 정격 용량 300,000 kcal h-1 이상의 판형 열교환기, 구역별 그룹 제어가 가능한 FCU 30대, 유량·전양정·출력으로 정의된 펌프 사양, 실외기 간격 5 m 이상, 배관 및 탱크 보온, 결로 및 배수 설계, 전력·통신선 분리 포설 등이 포함된다.
Results and Discussion
온실 내부 온도 유지 성능
동절기 57일 연속 운전 결과, 시스템은 총 44,345 kWh의 열을 공급하였고 총 전력사용량은 34,634 kWh였으며, 이에 따른 기간 평균 성능계수는 1.28로 산정되었다. 일별 성능계수는 0.35에서 2.39의 범위를 보였다. 외기는 −10°C에서 20°C까지 크게 변했으나 Fig. 4에서 보이듯 내부 온도는 목표치 20°C 이상을 안정적으로 유지하였다. 한파 구간에서도 일평균 21°C 수준을 유지하였고 단기 변동폭은 ±1 K 이하였다. 온실 내 공간적 온도 편차는 평균 0.5°C로, 보일러 난방에서 흔히 보고되는 1.5°C 내외의 편차보다 작았다. 이러한 안정성은 80°C와 60°C의 이중 축열이 부하 변동과 제상에 의해 발생하는 열공급 간헐을 흡수했기 때문으로 판단된다. 제상은 외기 0°C 이하, 상대습도 80% 이상에서 집중적으로 발생하였으며, 공급수와 환수수의 급락과 동시에 전력 피크가 관측된 시점을 제상으로 식별하였다. 복수 장치가 동시에 제상에 진입한 비율은 평균 28%였고, 이 구간에서 성능계수가 뚜렷하게 저하되었다. 그럼에도 내부 온도는 목표치를 이탈하지 않았다. 이는 축열을 사용하지 않는 공기열 시스템에서 흔히 보고되는 급랭 현상과 대비되는 결과다.
성능계수 수준을 문헌과 비교하면, 본 연구의 평균 1.28은 국내 3경간 온실 공기열원 히트펌프의 겨울철 평균 2.2보다 낮다(Rasheed et al., 2022). 반면 공급수 온도를 60–80°C로 운전하는 사례의 1.3–1.5 범위와는 정합적이며, 높은 승온 요구와 제상 가동이 동절기 효율을 보수적으로 만드는 요인임을 재확인한다(Chaigneau and Nienborg, 2024). 저온수 수배관으로 운전할 경우 성능계수 향상 여지가 있다는 점은 선행 연구에서도 제시되었다(Aye et al., 2010; Adesanya et al., 2025). 이상의 결과는 본 시스템이 고온수 유지라는 까다로운 조건에서도 내부 온도를 안정적으로 제어하며, 성능 저하 국면은 주로 저온 고습·제상 빈발·승온 요구가 중첩되는 시간대에 국한됨을 보여준다(Figs. 4–5).
Fig. 5.
Daily profiles of observed heat output (kWh), electricity consumption (kWh), and coefficient of performance (COP) of the dual-stage air-source heat pump with primary (80°C) and secondary (60°C) storage during the 57-day measurement period; totals were 44,345 kWh of heat supplied and 34,634 kWh of electricity consumed, with a mean COP of 1.28 (daily range 0.35–2.39).
농가 관점의 비용 절감 근거
경제성 평가는 동일 기간에 전달된 유효 열량을 기준으로, 경유 보일러를 대체 열원으로 가정하여 비교하였다. 보일러 효율은 0.85, 경유 저위발열량은 10.52 kWh L-1, 면세유 단가는 854 원 L-1을 적용하였다. 이때 경유 1 L가 제공하는 유효 열량은 8.94 kWh이며, 기간 총 열수요 44,345 kWh를 보일러로 충당하려면 수만 리터의 경유가 필요하고 연료비는 약 4.25백만 원으로 산정되었다. 동일 기간 히트펌프 실사용 전력 34,634 kWh에 대한 전기요금은 약 1.40백만 원이었으며, 결과적으로 운전비는 경유 대비 약 67% 절감되었다.
구역별 FCU 제어와 축열 연계의 운전 최적화 가능성
현행 운영은 1차 80°C와 2차 60°C의 이중 축열을 유지하고, 팬코일유닛 30대를 3개 구역으로 나누어 제어한다. 운전 기록을 보면 구역에서 동시에 가동 요청이 몰리고 제상이 겹치는 시점에 성능계수가 반복적으로 낮아졌다(Fig. 5). 이를 바탕으로 다음과 같은 개선안을 제안한다.
첫째, 제상 시작 시간을 장치마다 달리하여 동시에 제상에 들어가는 비율을 낮춘다. 필요하면 송풍기만 먼저 잠시 가동하여 열교환기 표면 온도를 올린 뒤 제상을 시작하거나, 제상 시작 시점을 서로 어긋나게 설정해 압축기 부하가 한꺼번에 커지는 현상을 피한다.
둘째, 기상과 습도 예보를 반영하여 제상이 자주 발생할 시간대 이전에 60°C 축열조를 미리 충전하고, 효율이 좋은 시간대에는 미리 방전하여 압축기의 승온 부담을 줄인다.
셋째, 구역별 난방 요구를 고르게 만들기 위해 팬코일유닛의 투입을 순차적으로 진행하고, 제어값에 상한과 하한을 두는 간격 제어를 적용해 여러 구역이 동시에 가동 요청을 보내는 일을 줄인다. 또한 코일의 온도차를 크게 유지하여 순환유량과 필요한 승온을 동시에 낮춘다.
넷째, 야간에는 80°C 축열의 제어범위를 좁혀 불필요한 고온 유지 시간을 줄이고, 주간에는 60°C 운전을 55°C까지 단계적으로 완화하여 승온 요구를 경감한다.
다섯째, 일일 관리지표로 목표온도 이탈 시간, 동시에 제상에 들어간 장치의 비율, 성능계수와 외기 온도와의 관계 기울기, 구역별 동시 가동 요청 비율을 모니터링 화면에서 상시 확인한다.
종합하면 이러한 제어 개선을 단계적으로 적용할 때 계절 평균 성능계수는 약 5–15% 향상이 기대된다. 다음 동절기에는 시범 구역을 설정한 비교 시험이나 가상 모형을 활용한 운전 일정 최적화 검증이 필요하다.
Conclusion
본 연구는 스마트 농업 환경에서 에너지 효율성과 경제성을 확보하기 위해 이원난방 방식 고온수 공기열 히트펌프 시스템을 현장에 적용하여 그 성능을 평가하였다. 충청남도 보령시의 약 800평 규모 스마트팜 시설에서 진행된 실증 연구 결과, 기존의 경유 보일러 및 전기 라디에이터 기반 난방 시스템을 대체한 공기열 히트펌프 시스템은 시설원예 작물의 생육을 위한 목표 실내온도(21°C)를 외부 온도 변동(0~20°C)에도 불구하고 안정적으로 유지하였다.
측정된 시스템의 성능계수(COP)는 평균 1.28로 나타났으며, 이 수치는 주로 외기 온도가 낮은 야간과 흐린 날씨에 팬코일유닛(FCU)의 빈번한 작동으로 인한 추가 운전부하가 원인이었다. 그럼에도 불구하고, 공기열 히트펌프 시스템은 기존 경유 보일러 시스템과 비교하여 약 67%의 운영 비용 절감을 기록하였다. 이는 초기 설치 비용이 상대적으로 높음에도 불구하고 장기 운영 시 경제적 타당성이 매우 우수하다는 것을 입증한 결과이다.
또한, 이원난방 방식 시스템은 고온축열조(80°C)와 중온축열조(60°C)의 두 단계 축열을 통해 온실 내부의 온도 변화를 정밀하게 관리하고, 온도 변동이 큰 상황에서도 시스템의 안정적인 운영과 높은 내구성을 확보할 수 있었다. 다양한 작물(오이, 커피, 바나나, 딸기, 상추, 애플망고)의 재배 시설에서 실증적으로 우수한 성과를 보여주었으며, 작물의 생육 단계에 맞춘 맞춤형 에너지 관리가 가능한 것으로 평가되었다.
본 연구 결과는 스마트 농업 시설에서 이원 축열식 공기열 히트펌프 시스템의 높은 실용성과 경제성을 입증하는 것으로, 향후 국내 스마트온실 분야에서 해당 시스템의 확대 적용과 기술 보급에 중요한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다. 더불어 향후 축열조의 열관리 전략 개선, 최적화된 운전제어 기술의 추가적인 개발을 통해 공기열 히트펌프 시스템의 에너지 효율성과 경제성을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.
