동적 에너지 시뮬레이션을 이용한 시설원예용 에너지 공급시스템의 경제성 분석

1.1. 연구의 배경 및 목적

최근, 국내 시설원예 산업은 연중 작물재배와 시설현대화 사업을 지속적으로 추진하면서 고부가가치를 창출하고 있다. 농산물의 생산액과 수출액은 지난 1990년대 각각 8,000 억원, 1,000 억원 수준에서 2010년대 5.3 조원, 2.2 조원으로 6.6배, 22배 이상의 가시적인 성과를 달성하였다¹⁾. 이러한 성장세와 함께 시설원예 면적은 증가하고 있으나, 시설원예의 경우 상대적으로 단열성이 낮은 재료를 피복재로 이용하고 있어 단위시설의 에너지 부하가 크다. 또한, 화석연료 중심의 난방 시스템을 적용하고 있어 에너지 절감 방안들이 요구되고 있다. 최근, 지열, 태양열 및 바이오매스 등 신재생에너지시스템의 적용가능성이 주목받고 있으나, 농가에서는 에너지시스템의 초기설치비용에 대한 부담과 경제적 타당성을 확신할 수 없어 여전히 면세경유보일러를 이용하고 있다.

이에 국내에서 Ryoo²⁾등은 시설원예에서 기존 경유난방설비에 추가적인 지열시스템 설치 비율에 따른 경제성을 분석하였으며, Kim³⁾등은 지열과 태양광을 중심으로 시설원예농가의 적용에 대한 경제성 평가를 실시하였다. 그 결과, 태양광발전시설은 농가에 설치, 운영할 경우 효과적이지 못하나, 지열시스템은 추가로 설치하여 운영할 경우 에너지비용을 제로화 할 수 있다는 결과를 도출하였다. Yang⁴⁾등은 펠릿보일러 대체시 난방기의 감가상각비, 수선비, 광열동력비 등 중간재비의 변동을 통한 시설재배의 경제적 타당성 분석을 실시하였다. 그 결과, 감가상각비와 수선비의 경우 경유보일러에 비해 펠릿보일러의 사용이 비경제적인 것으로 나타났으나, 광열동력비의 경우 경유보일러에 비해 펠릿보일러가 경제적이라는 결과 값을 도출해낼 수 있었다.

국외 현황으로서 Giovanni⁵⁾등은 온실의 난방시스템으로서 지열시스템과 기존 시스템을 비교분석하였으며, J. Chau⁶⁾등은 시설원예 산업에서 펠릿 보일러의 기술적 경제적 분석을 실시하였다. 이처럼 국내외 시설원예의 신재생에너지시스템의 적용에 따른 경제성 분석에 관한 연구들이 수행되고 있으나, 시설원예용 온실의 표준모델을 대상으로 동적 열해석 시뮬레이션 분석에 기반한 경제성 분석에 관한 연구는 미비한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 시설원예용 온실의 표준모델을 대상으로 에너지 부하 분석을 실시하였으며, 이를 토대로 시설원예용 에너지 공급시스템의 경제성 분석을 진행하였다.

1.2. 연구의 방법 및 범위

본 연구에서는 국내 1 ha 규모 시설원예에서의 에너지 공급시스템별 경제성 분석을 실시하기 위해, 연면적 375 m²의 시설원예용 표준온실모델 1개동을 기준으로 26개동을 배치하여 분석을 진행하였다. 온실의 에너지 부하 분석을 실시하기 위해 동적 열해석 시뮬레이션 프로그램인 TRNSYS 17를 이용하였으며, 시뮬레이션 분석 변수로는 국내 서울, 강릉, 울산의 기후조건을 이용하여 각 3가지 피복재를 적용하였다. 국내 기후조건은 TRNSYS 17에서 자체적으로 제공하는 서울, 강릉, 울산지역의 데이터를 이용하였으며, 피복재 조건은 현재 시설원예에서 사용되는 유리, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌을 기준으로 분석하였다. 이에 따른 연간 난방부하 및 피크부하를 확인하고 각 에너지 공급 시스템의 적정 용량 산정하였다. 경제성 분석은 하나의 피복재 조건을 대상으로 기후조건에 따른 각 에너지 공급 시스템의 에너지 소비량을 산출하여 비교, 분석을 실시하였다.

3.1. 해석모델 개요

본 연구에서는 시설원예의 에너지 공급 시스템의 적정 용량을 산정하여 경제성 분석을 실시하기 위해서, 동적 열해석 시뮬레이션 툴 TRNSYS 17를 이용하여 온실의 연간 총 난방부하 및 피크부하를 산출하였다. 국내 시설원예용 표준 온실모델은 1개동 연면적 375 m²을 기준으로 분석을 실시하였다.

Fig.1은 본 연구에서 이용된 국내 시설원예용 표준 온실모델(3-1G형)⁷⁾을 나타내며 7.5 m☓2.5 m☓4.45 m☓50 m의 규격으로 모델링을 실시하였다. 한편, 피복재는 세 가지 Case로서 유리(Glass, 5t), 폴리에틸렌(PE, 0.1t 이중), 폴리카보네이트(PC, 4t)로 설정하였으며, 각각의 물성치 값을 Table. 3에 나타내었다.

Fig 1.

Standard greenhouse model(type 3-1G)

Table 3.

Properties of covering material

분석은 서울, 강릉, 울산 3개의 기후조건에 따른 각 3가지 피복재 변화에 따라 실시하였다. 대상지역은 우리나라의 내륙지방, 해안지방, 시설원예단지가 활발히 운영되는 지역의 기후를 적용하기 위해 서울, 울산, 강릉으로 선정하였으며, TRNSYS 17의 기후데이터를 이용하였다. Fig. 2는 각 지역별 연간 월평균 기온을 나타낸다.

Fig 2.

Local weather condition

Table. 4은 시뮬레이션 조건을 나타내며, 실내 대상작물에 대해서는 파프리카로 선정하여 파프리카의 생장온도인 18~25℃를 유지하기 위해 난방시스템은 365일 동안 항시 가동하도록 하였으며, 냉방은 환기를 통하여 온도를 유지한다고 가정하였다.

Fig 3.

TRNSYS modeling

Table 4.

Simulation condition

3.2. 해석 결과

Table. 5은 표준 온실모델의 시뮬레이션 해석 결과 산출된 연간 총 난방부하분석과 단위면적당 피크부하로서 각각 3가지의 기후조건과 피복재에 따라 9개의 Case로 설정하였다.

Table 5.

Total heating load and peak load by weather data and covering material

서울에서의 연간 총 난방부하는 피복재 유리(Glass)에서는 567 GJ, 폴리에틸렌(PE)에서는 326 GJ, 폴리카보네이트(PC)에서는 356 GJ로 계산되었다. 강릉에서의 연간 총 난방부하는 피복재 Glass에서는 497 GJ, PE에서는 276 GJ, PC에서는 311 GJ로 계산되었다. 울산에서의 연간 총 난방부하는 피복재 Glass에서는 462 GJ, PE에서는 236 GJ, PC에서는 265 GJ로 계산되었다.

Fig. 4~6는 기후조건에 따른 월별 난방부하를 나타내며, 각 기후조건에서의 피복재별 난방부하를 분석하였다. 기후조건별 난방부하 분석결과, 연간 평균 온도 차이에 의해 서울에서의 난방부하가 강릉과 울산의 난방부하보다 약 1.1~1.4배 큰 값을 보이는 것을 확인하였다. 또한, 피복재별 난방부하를 분석한 결과, 피복재별 열관류율의 차이에 의해 Glass의 난방부하가 PE와 PC의 난방부하보다 약 1.6~7배 높게 측정되는 것을 확인하였다.

Fig 4.

Annual heating load in Seoul

Fig 5.

Annual heating load in Gangneung

Fig 6.

Annual heating load in Ulsan

4.1. 경제성 분석을 위한 Case 설정

에너지 공급 시스템별 경제성 비교, 분석을 위한 Case 설정은 온실모델의 피복재 PC를 기준으로 Case 설정을 하였다. 따라서 시뮬레이션 해석에서 설정된 Case 3과 6, 9의 부하 분석 결과를 기준으로 각 3가지의 기후조건에 따른 에너지 공급 시스템의 용량과 대수를 산정하여 분석을 진행하였다.

Table 6.

Case setting by weather data and energy supply system

4.2. 초기투자비용 산정

Table. 7은 초기투자비 산출 결과를 나타내는 것으로, 각 에너지 공급시스템의 초기투자비용으로서 보일러의 초기 설치비용은 K사의 보일러를 토대로 산정하였으며, 지열시스템은 신재생 에너지 센터 공고 제2012-04호를 참고하여 기준단가를 적용하였다. 현재, 정부에서 신재생에너지에 대한 지원 사업을 실시하고 있으나, 매년 광역지자체 및 기초지방자치단체에 따라 지원 대상 및 비율이 상이하기에, 본 연구에서는 고려하지 않았다.

Table 7.

Comparison of initial costs (Unit : Won)

Table. 8은 초기투자비를 산출하기 위해 적용한 에너지 공급시스템의 용량을 나타내며, 시뮬레이션 분석결과에 근거하여 각 에너지 공급시스템의 대수 산정을 실시하였고, 각 시스템의 정격 효율계수를 이용하여 에너지 소비량을 산출하였다.

Table 8.

Condition of energy supplying systems

Table. 7의 기후지역에 따른 초기투자비용을 보면, 지열시스템을 사용할 경우 경유보일러보다 서울에서 약 77배, 강릉에서 약 70배, 울산에서 약 62배 큰 값을 나타냈다. 펠릿보일러를 사용할 경우 경유보일러보다 서울에서 약 3배, 강릉에서 약 2배, 울산에서 약 2배 큰 값을 나타냈다.

4.3. 운전비용 산출

운전비용은 각 시스템의 연간연료비용 및 유지관리비용으로 산출하였다. Table. 9는 각 시스템의 운전비용을 산출하기 위한 연료별 열량과 가격을 나타낸다.

Table 9.

Price comparison of the same calories by fuel(November 2014)

유가정보는 한국석유공사에서 2014년 11월 1일 기준 농업용 면세 경유가격을 참고하였으며, 목재 펠릿은 1등급으로 한국 펠릿협회의 펠릿단가를 참고하였다. 한편, 지열시스템 COP는 운전 상태나 지중의 열물성에 따라 변동되며, 냉방 및 난방의 계절적 요인에 영향을 받을 수 있다. 따라서 시스템의 연간 운전을 고려하여 연평균치로 산출하였고, ASHRAE Standard 90.1⁸⁾ 지열 히트펌프 최소 성능 기준치를 참고하여 COP 3.0 으로 설정하고 한국 전력공사의 농사용 전력 요금기준을 적용하였다.

유지관리비용으로서 보일러의 유지보수비는 백남수의 연구⁹⁾를 참고하여 보수주기 5년마다 보일러 초기설치금액의 2% 보수율을 적용하였고, 지열시스템의 연간유지보수비는 최창호의 연구¹⁰⁾를 참고하였다.

Table 10.

Comparison of annual energy consumption

Table 11.

Comparison of annual energy costs (Unit : Won)

Fig. 7의 기후지역에 따른 연간연료비용을 보면, 지열시스템을 사용할 경우 경유보일러보다 서울에서 연간 약 2억 1944 만원, 강릉에서 연간 약 1억9,137 만원, 울산에서 연간 약 1억 6,267 만원의 연료비를 절감하는 것으로 나타났다.

Fig 7.

Comparison of energy costs by fuel

펠릿보일러를 사용할 경우 경유보일러보다 서울에서 연간 약 1,052 만원, 강릉에서 연간 약 919 만원, 울산에서 연간 약 783 만원의 연료비를 절감하는 것으로 나타났다.

4.4. 단순 에너지 비용 산정

Table. 12~14은 각 에너지 공급 시스템의 구성항목별 비용 산정을 나타내며, 세부항목은 초기투자비와 유지관리비, 연간연료비, 폐기 처분비로 구성하였다. 지열 시스템에 대한 폐기 처분비용은 없는 것으로 가정하였으며, 보일러에 대한 폐기 처분비용은 서울시 중구청에서 시행하는 대형 폐기물 품목별 수거비용을 참고하였다¹¹⁾.

Table 12.

Economic analysis of using diesel boiler facility(Unit : Won)

Table 13.

Economic analysis of using GSHP (Unit : Won)

Table 14.

Economic analysis of using pellet boiler facility(Unit : Won)

기존 경유보일러 시스템을 사용할 경우 초기 투자비용은 15년간의 비용 대비 서울에서 0.62%, 강릉에서 0.71%, 울산에서 0.83%의 작은 값을 나타내는 반면, 연료비용은 15년간의 비용 대비 서울에서 99.3%, 강릉에서 99.2%, 울산에서 99.1%의 큰 값을 나타냈다.

지열시스템을 사용할 경우 기존의 경유보일러 시스템과 달리, 초기 투자비용에서 15년간의 비용 대비 서울에서 84.1%, 강릉에서 84.4%, 울산에서 84.5%의 큰 값을 나타내는 반면, 연료비용은 15년간의 비용 대비 서울에서 15.7%, 강릉에서 15.4%, 울산에서 15.3%을 나타냈다.

펠릿보일러를 사용할 경우 기존의 경유보일러 시스템과 유사하게, 초기 투자비용은 15년간의 비용 대비 서울에서 2.15%, 강릉에서 1.43%, 울산에서 1.43%의 작은 값을 나타내는 반면, 연료비용은 15년간의 비용 대비 서울에서 97.8%, 강릉에서 85.4%, 울산에서 72.8%의 큰 값을 나타냈다.

5.1. 분석 개요

본 장은 시설원예용 에너지 공급시스템의 경제성 분석에 따른 초기 투자비용 회수기간 및 연도별 누적투자비용을 분석하여 투자 타당성을 도출하고자 하였다.

분석기간은 K사 보도 자료에 근거하여 보일러 수명주기 15년으로 가정하였으며, 미래비용을 현재비용으로 환산하여 추정하기 위해 실질할인율을 적용하여 NPV 분석을 실시하였다. 한국은행 경제통계시스템에서 19년(1995~2013)동안의 3년 만기 국고채 수익률의 평균값인 6.5%를 명목할인율과, 최근 10년 동안의 물가 상승률 평균값인 3.0%를 물가변동률로 적용하여 실질할인율을 산출하였다. 그 결과, 실질할인율은 3.4%로 산출되었으며, 계산식은 아래와 같다.

(i : 명목할인율, j : 물가변동률)

5.2. 분석 결과

Table. 15~17은 기존 면세경유보일러와 지열시스템 및 펠릿보일러의 NPV 분석을 나타낸 것이며, Fig. 8~10은 이를 도식화한 것이다. 분석기간 동안 연도별 현금흐름을 분석하여 초기 투자비용 회수 기간이 짧을수록 경제성이 있는 것으로 판단하였다.

Fig 8.

Feasibility study in Seoul

Fig 9.

Feasibility study in Gangneung

Fig 10.

Feasibility study in Ulsan

Table 15.

Payback period of the initial cost in Seoul (Unit : Thousand-won)

Table 16.

Payback period of the initial cost in Gangneung(Unit : Thousand-won)

Table 17.

Payback period of the initial cost in Ulsan(Unit : Thousand-won)

서울에서 초기투자비 회수기간 산정결과, 지열시스템을 사용할 경우 10년차에 초기투자비용 회수 가능하며, 펠릿보일러를 사용할 경우 6년차에 초기투자비용 회수 가능하다. 서울지역 에너지 시스템별 15년간 분석결과, 지열시스템을 사용할 경우 경유보일러 보다 813,555 천원의 경제적 이익을 냈으며, 펠릿보일러를 사용할 경우 67,130 천원의 경제적 이익을 냈다.

강릉에서 초기투자비 회수기간 산정결과, 지열시스템을 사용할 경우 10년차에 초기투자비용 회수 가능하다. 펠릿보일러를 사용할 경우 4년차에 초기투자비용 회수 가능하다. 강릉지역 에너지 시스템별 15년간 분석결과, 지열시스템을 사용할 경우 경유보일러보다 647,588 천원의 경제적 이익을 냈으며, 펠릿보일러를 사용할 경우 77,829 천원의 경제적 이익을 냈다.

울산에서 초기투자비 회수기간 산정결과, 지열시스템을 사용할 경우 11년차에 초기투자비용 회수 가능하다. 펠릿보일러를 사용할 경우 4년차에 초기투자비용 회수 가능하다. 울산지역 에너지 시스템별 15년간 분석결과, 지열시스템을 사용할 경우 경유보일러 보다 435,392 천원의 경제적 이익을 냈으며, 펠릿보일러를 사용할 경우 62,058 천원의 경제적 이익을 냈다.