스마트팜
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축열조(TES, Thermal Energy Storage) 해석
Thermal Energy Storage (TES) Analysis
◇ 연구배경
현대 농업에서 스마트팜 기술이 발전하면서 에너지 효율성을 극대화하는 연구가 필요해지고 있다. 스마트팜은 정보통신기술(ICT)을 활용하여 농업 생산성을 극대화하는 시스템으로, 특히 온실 재배에서 최적의 환경을 유지하는 것이 중요한 요소로 작용한다. 최근 기후변화로 인한 에너지 소비 증가와 온실 내 냉난방 비용 부담이 커짐에 따라 스마트팜의 에너지 성능을 분석하고 최적의 운영 방안을 도출하는 연구가 필요하다. 기존 연구들은 주로 히트펌프 시스템과 보일러 성능을 비교하거나 스마트팜 내 특정 온도를 유지하는 데 필요한 에너지 소비량을 평가하는 데 집중되어 있으며, 스마트팜의 외피 구조, 냉난방 시스템의 유형, 지역별 기후 조건이 온실의 에너지 소비에 미치는 영향을 종합적으로 분석한 연구는 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 스마트팜의 특성 작물과 외피 구조, 공조 시스템 특성에 따른 에너지 성능을 평가하고 최적의 운영 방안을 제시하는 것을 목표로 한다.
본 연구에서는 충청북도 음성에 위치한 스마트팜 온실을 대상으로 TRNSYS 18 시뮬레이션을 수행하여 에너지 성능을 평가하였다. 연구 대상 스마트팜의 총 면적은 330㎡이며, 주요 작물로 멜론이 재배되고 있다. 실험에서는 온실의 외피 구조와 공조 시스템을 고려하여 여러 가지 시뮬레이션 변수를 설정하였다. 첫 번째 변수는 지역별 기후 조건으로, 연구 대상지를 음성, 창원, 철원 세 지역으로 나누어 각각의 외기 온도 데이터를 반영하여 에너지 소비량을 비교하였다. 두 번째 변수는 외피 특성으로, 복층유리의 공기 단열층 두께(5mm 및 10mm)와 차양막 유무에 따른 내부 온도 변화를 분석하였다. 세 번째 변수는 냉난방 시스템으로, 전기보일러와 경유 보일러의 난방 성능과 에너지 비용을 비교하여 최적의 냉난방 방식을 평가하였다. 연구에서 스마트팜의 공조 시스템은 탄소봉 전기보일러, 팬코일 유닛(FCU), 축열조(TES), 순환펌프로 구성되었으며, 시뮬레이션을 통해 계절별 냉난방 부하와 에너지 소비량을 산출하였다.
시뮬레이션 결과, 스마트팜의 에너지 소비량은 지역별 기후 조건, 외피 구조, 냉난방 시스템의 유형에 따라 크게 달라지는 것으로 나타났다. 지역별 에너지 소비량 분석에서 창원 지역은 연간 에너지 소비량이 음성 지역보다 11% 낮았으며, 철원 지역은 음성 지역보다 3% 높았다. 이는 창원의 온난한 기후가 냉난방 부담을 줄여 에너지 효율을 향상시킨 반면, 철원의 추운 겨울 기후가 난방 부하를 증가시켰기 때문이다. 차양막 설치 시 내부 온도는 10% 감소하였으며, 하절기 총 냉방 에너지 소비량이 1,955,855 kJ 절감되는 효과를 확인하였다. 복층유리 공기 단열층 두께를 5mm에서 10mm로 증가시킬 경우 연간 총 에너지 소비량이 17% 감소하였으며, 이에 따라 난방 전기요금도 14.7% 절감되었다. 난방 시스템별 에너지 소비량 비교에서는 경유 보일러 대비 전기보일러가 연간 에너지 소비량을 14% 절감하였으며, 이에 따른 난방 비용도 12.7% 감소하였다.
본 연구를 통해 스마트팜의 에너지 성능을 최적화하기 위한 다양한 요소들을 종합적으로 분석하였으며, 온실 운영자가 에너지 비용을 절감하고 효율성을 높일 수 있는 방안을 제시하였다. 연구 결과는 스마트팜 설계 및 운영에서 기후 조건을 고려한 냉난방 방식의 선택, 외피 단열 성능 향상, 차양막 활용을 통한 냉방 에너지 절감 등의 전략이 효과적임을 시사한다. 향후 연구에서는 다양한 스마트팜 모델을 적용한 실측 실험을 통해 보다 정밀한 에너지 소비 예측 모델을 개발하고, 재생에너지를 활용한 스마트팜 운영 방안에 대한 추가 연구가 필요할 것이다. 본 연구 결과는 지속 가능한 스마트팜 운영과 친환경 농업 실현에 기여할 것으로 기대된다.
