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연구개발 목표 및 내용
최종 목표
신재생에너지 이용 복합열원 히트펌프 활용기술 개발
전체 내용
○ 농업시설 이용 가능한 신재생에너지 복합열원 히트펌프 현장적용
- 신재생에너지 복합열원 자원 산정
- 농업시설별 열원 현황조사 및 이용 가능량 산정
- 농업시설 (온실, 축사, 버섯사)의 온도 및 환경 현황조사
- 농업시설의 유형 (작목, 축종 등)별 환경관리 기준설정
- 기후변화 대응 농업시설 유형별 냉난방부하 산정
- 온실, 축사, 버섯사 활용 가능한 히트펌프 복합열원 운영관리

연구개발 목표 및 내용
최종 목표
신재생에너지 이용 복합열원 히트펌프 활용기술 개발
전체 내용
○ 농업시설 이용 가능한 신재생에너지 복합열원 히트펌프 현장적용
- 신재생에너지 복합열원 자원 산정
- 농업시설별 열원 현황조사 및 이용 가능량 산정
- 농업시설 (온실, 축사, 버섯사)의 온도 및 환경 현황조사
- 농업시설의 유형 (작목, 축종 등)별 환경관리 기준설정
- 기후변화 대응 농업시설 유형별 냉난방부하 산정
- 온실, 축사, 버섯사 활용 가능한 히트펌프 복합열원 운영관리 기준 설정
- 축사 및 버섯사 복합열원 환경관리 기준 설정
- 농업시설 유형별 냉난방부하 산정
- 농업시설 복합열원 히트펌프 시스템 이용 현장적용 시험
- 농업시설별 냉난방 적용효과 분석
- 농업시설의 유형별 신재생에너지 복합열원 히트펌프 경제성 평가
○ 축사 신재생에너지 복합열원 최적 이용 모델 개발
- 국내 신재생에너지 자원분포 및 축사 이용현황 분석
- 축사 환경관리 및 냉난방 에너지 이용 현황 분석
- 축사의 최적 냉난방 환경관리모델 개발
- 축사 단일 및 복합열원 히트펌프 신재생에너지 이용모델 개발
- 축사의 신재생에너지 단일 및 복합열원 히트펌프 경제성 분석
○ 온실 및 버섯사 신재생에너지 복합열원 최적 이용 모델 개발
- 국내 신재생에너지 자원분포 및 온실·버섯재배 이용현황 분석
- 국내 신재생에너지 이용 시설원예 및 버섯재배 환경관리 현황 분석
- 온실 및 버섯재배사의 최적 냉난방 환경관리모델 개발
- 온실 및 버섯재배사의 단일 및 복합열원 히트펌프 신재생에너지 이용모델 개발
- 신재생에너지 복합열원이용 개발모델 실증재배 데이터 분석
- 신재생 복합열원 이용 시설원예 및 버섯 재배 실증모델 경제성 분석
○ 농업시설 이용 가능한 신재생에너지 복합열원 히트펌프 개발
- 국내외 신재생에너지 열원 히트펌프 개발 현황 분석
- 농업시설별 히트펌프 냉난방 시스템 설계
- 보급형 모델의 재생에너지 시공 계획 및 설계 모델링
- 신재생에너지 복합열원 이용 축사 냉난방 모델 제작 및 성능 분석
- 생육정보관리 프로그램 개발
- 신재생에너지 복합열원 이용 버섯사 냉난방 모델 제작 및 성능 분석
- 농업시설별 신재생에너지 복합열원 히트펌프 설계기준 도출

연구개발성과
□ 신재생에너지 복합열원 이용 농업시설 냉난방시스템 현장적용연구(1주관)
○ 국내 신재생에너지 현황 분석(태양광, 태양열, 지열 등 자원 산정)
- 신재생에너지 부족 및 가용잠재량은 태양열, 지열, 태양광, 농림부산물 순서로 조사됨
- 정부의 보급목표가 폐기물 (47.3%), 바이오(17.6%), 풍력(11.3%) 태양광(11.1%), 지열(2.5%), 태양열(1.4%) 순으로 조사됨
○ 열원별(태양광, 태양열, 지열) 규모량 잠재량 산정
- 지역별 잠재량은 태양광 전남, 태양열 전남, 지열 경북 순이었으며 종합적으로 전남이 가장 많음
○ 농업시설 복합열원 이용 가능량 산정
- 주로 지열을 사용하고 있으나 태양광, 지열, 태양열 이용을 확대 예정(복합열원 이용 등)
○ 농업시설의 환경현황 조사 및 관리 기준 설정
- 돈사, 온실, 버섯사의 최적온도관리 기준 제시
○ 농업시설(온실, 축사, 버섯사)냉방/난방 부하 산정식 도출
- 시설별 냉난방 부하 산정식 및 설계인자 및 기준 제시
○ 농업시설(온실, 축사, 버섯사)의 유형병 히트펌프 신재생에너지 이용 모델 개발
- 시설별 최적 복합열원 냉난방 모델 및 개선안 제시 등
○ 농업시설별 히트펌프 냉난방시스템 설계·제작
- 온실(농진청 농업공학부), 돈사(순천대), 버섯사(전남도원) 복합열원 시스템 설계·제작
○ 신재생에너지 복합열원 히트펌프 시스템 온실 적용 및 성능 시험
- 태양광에 의한 전기생산과 태양열을 동시에 생산할 수 있는 PVT시스템을 농업시설에 이용하며 생산비용의 30~40%를 차지하고 있는 난방비용을 절감하여 농가 소득에 기여
- 동일한 점유 면적으로 기존의 PV(태양광) 판넬보다 3배의 에너지를 생산할 수 있어 매우 효율적이며 활용도가 확대될 것으로 기대함
- 산업재산권 출원 및 실증시험을 위한 온실 냉난방시스템 현장 설치
- 동절기 난방시험 : 난방시 면세경유 대비 에너지 절감율 78%, 열원별 분담율 지열 (72%), 태양열(20%), 태양광(8%)
- 하절기 냉방시험 : 냉방시 :딸기 육묘시 혹서기 냉방으로 27% 증수
- 연간 기존 지열시스템 대비 전기생산으로 30% 에너지 절감
○ 신재생에너지 복합열원 이용 냉난방시스템 종합 성능 평가
- 태양광·열(PVT) 전기생산이 포함되지 않는 경우 : 시스템 성능계수는 2.14
- 태양광·열(PVT) 전기생산이 포함되는 경우 : 시스템 성능계수는 3.38
○ 신재생에너지 복합열원 온실냉난방시스템 경제성 분석
- 생산전기를 소비전력으로 사용시 면세등유 대비 연간 10a당 7.5백만원의 수익액이 있어 4.7년이내에 회수 가능
- 생산전기를 판매하는 경우 면세등유 대비 연간 11백만원의 수익액이 있어 3.2년이내 회수 가능
○ 온실 및 버섯사의 규격별 복합열원 히트펌프 설치용량 및 설치비용 제시
- 온실 및 버섯사의 설치면적에 따라 개방형 및 밀폐형 지열 시스템과 태양광·열(PVT) 시스템의 설치용량 및 설치비 제시
□ 축사 신재생에너지 복합열원 최적 이용 모델 개발(2공동)
○ 국내 신재생에너지 자원분포 및 축사 이용현황 분석
- 국내 신재생에너지 자원 중에서 태양광 및 태양열이 많이 있으며, 지역 분포에서는 경상북도 및 강원도에 많이 분포하고 있는 것으로 분석됨
- 국내 신재생에너지 축사 이용현황은 순천대학교 실험농장 및 ICT 농장을 제외하고는 이용하고 있는 곳이 없음
○ 축사 환경관리 현황 분석
- 국립축산과학원 농업기술길잡이에는 자돈 적정 사육온도는 22~28℃ (3단계)로 제시하고 있음
- 순천대학교 기초데이터를 분석한 결과에서는 23~28℃ (4단계)로 관리하는 것이 생산성 향상에 좋다고 분석됨
○ 축사 냉난방 에너지이용 현황 분석
- 축사 냉난방 에너지 이용현황분석 결과에서는 대부분 냉방은 환기팬에 의존하고 일부 농장은 에어컨을 가동하고 있었으며, 난방은 자돈사에서 전기히터를 사용하고 있었음
○ 축사 (양돈) 단일열원 히트펌프 신재생에너지 이용모델 개발
- 자돈사의 8주간의 에너지 사용량 및 발전량을 분석한 결과 대조구 대비 절감효율은 공기열 난방시스템 처리구 88.3%, 지열난방시스템 처리구 30.5%, 태양광발전시스템 처리구 9.1% 가 절감되는 것으로 분석됨
○ 축사의 최적 냉난방 환경관리모델 개발
- 국내 2018년부터 2021년까지의 국내 및 지역별 외기온 및 습도 분석으로 돈사 최적 환경 관리 기준 및 냉방 필요성 제시
○ 축사의 단일 및 복합열원 히트펌프 신재생에너지 이용모델 개발
- 자돈사의 에너지 사용량을 분석한 결과, 대조구 대비 절감효율은 태양광발전시스템 15.11%, 태양열 난방시스템 49.6%, 지열냉난방시스템 10.41%, 공기열냉난방시스템 80.65%로 조사되었음 (1~3차 사양시험 종합결과)
- 히트펌프 비교 분석 결과 w-w방식의 히트펌프가 농장의 다양한 열원활용에 대해 합리적으로 대응이 용이함으로 농가에 적당한 방식이라고 판단됨.
- 히트펌프의 공급열원의 종류 중 지열의 종류를 비교분석하였음. 수직밀폐형지열열교환기는 안정적이지만 넓은 시공부지가 필요함,
- 개방형지열열교환기는 시스템이 비교적 안정적이지 못하지만 효율이 높아 수직밀폐형에 비해 설치면적 50%의 감소 효과를 볼수있음
○ 축사 복합열원 히트펌프 신재생에너지 이용모델 효과 구명
- 지열+태양광 적용시 : 자돈 생산성은 약 5 ~ 7% 향상, 에너지는 약 21 ~ 32% 절감 효과
- 태양열+공기열 적용시 : 자돈 생산성은 최대 8.5% 향상, 에너지는 약 64 ~ 88% 절감
○ 축사 신재생에너지 단일 및 복합열원 히트펌프 경제성 분석
- 단일열원은 태양광, 태양열, 공기열, 지열 순으로 에너지절감액이 높았으며 복합열원은 공기열+ 태양광, 지열+태양광, 태양열+공기열 순으로 절감액이 높게 나타남
- 공기열+태양광, 지열+태양광, 태양열+공기열의 복합열원 설치시 자돈사 8평, 32평, 64평의 설치용량 및 가격에 대해서 제시하였음
□ 온실 및 버섯재배사의 신재생에너지 복합열원 이용 모델 연구(3공동)
○ 국내 신재생에너지 자원분포 및 온실·버섯재배 이용 현황 분석
- 온실의 환경관리 현황을 조사한 결과 난방방법은 신재생에너지 시스템(공기열, 지열 등)을 설치하고 비상열원으로 전기 또는 경유(등유) 난방기를 설치하였으나, 냉방시스템은 별도로 존재하지 않았고 환기·배기팬에 의한 환기로만 냉방 실시
○ 국내신재생에너지 이용 시설원예 및 버섯재배 현황 실태조사
- 2020년 농가 20호(시설원예 농가 및 기관 16호, 버섯재배 농가 4호)를 대상으로 실태조사 실시
- 지열 4곳, 공기열 2곳, 전기 5곳, 기타유류 및 전기 병행 2곳, 무가온 7곳 등
○ 국내 신재생에너지 이용 시설원예 및 버섯재배 환경관리 현황 분석
- 온실은 대부분 자연환기 및 차광에 의존, 하절기 포그냉방, 동절기 유류난방으로 온도관리를 하고 있으며 지열 및 공기열 히트펌프 활용농가도 소수 존재
- 버섯사는 냉난방기를 이용하여 연중 일정온·습도 유지를 위해 환경관리함
- 온실 및 버섯재배사 유형별 환경관리 현황을 전라남도농업기술원 에너지자립형스마트팜을 통해 조사한 결과 태양광 발전을 통해 얻어진 전력을 통해 온실(버섯사)을 운영할 수 있는 자립율은 유리온실은 약 52%, 버섯재배사는 약 67%을 나타냄
- 자립율 향상을 위해서 유리온실에서는 외기도입 팬 및 펠렛 보일러 설치, 버섯사에는 고압살균기 폐배기열 활용 열교환기 설치, 외기유입 냉방 활용 등을 통한 노력을 실시 또는 수행 예정임
○ 온실 및 버섯사 신재생에너지 복합열원 최적 이용 모델 개발
- 온실 및 버섯재배사의 최적 냉・난방 환경관리모델 개발(전남농기원 에너지자립형스마트팜)
* 태양광발전 에너지 활용 온실 이용모델(안): 계절별 축열조 운용방법 및 운전 방식에 따른 4유형
- 온실 및 버섯재배사의 단일 및 복합열원 히트펌프 신재생에너지 이용모델 개발
* 지열과 태양광(열) 활용 복합열원 이용모델(안) 작성 및 현장적용 연구 계획 수립
○ 신재생에너지 복합열원 히트펌프 이용 버섯사 실증모델 경제성 분석
- 버섯사 적용 냉난방시 평균적으로 전기 사용 냉난방시스템 대비 에너지 절감율 63%
- 생산된 전기를 소비전력으로 사용하는 경우 10a당 연간 9백 4십만원의 수익액이 발생
- 생산된 전기를 판매하는 경우 10a당 연간 11백만원의 수익액이 발생
□ 신재생에너지 복합열원 이용 냉난방시스템 설계 및 개발(4공동)
○ 국내외 신재생에너지 열원 지열 히트펌프 개발 현황 분석
- 지열시스템 수직밀폐형, 수평형, 개방형 분석 및 혼합형 시스템의 보급사례 제시 등
○ 국내 신재생에너지 및 축사 신재생에너지 이용현황 조사
- 국내 지열에너지 자원분포 및 축사 이용현황 등 공동 분석
○ 축사 신재생에너지 단일열원/복합열원 최적이용 모델 구명
- 자돈사 부하별 설치모델, 실험돈사의 월별 냉난방부하 등 제시
○ 농업시설 (온실,축사) 히트펌프 냉난방 시스템 설계
- 농업시설 온실, 돈사의 히트펌프 모델을 선정하고 지열시스템 설계를 진행하였음.
- 온실의 경우 1,000평 기준 60RT 적용 지열의 사양은 개방형 200m*4공, 돈사의 경우 1자돈 기준 30RT를 적용, 지열 사양은 수직밀폐형 200m*10공의 설계를 도출하였음
○ 보급형 모델의 재생에너지 데이터 활용 및 모델링 분석
- 재생에너지를 이용한 냉난방시스템을 농가에 저렴하게 보급을 할 수 있도록 보급형모델을 설계하고 경제성분석을 하였음
○ 신재생에너지 복합열원 이용 온실 냉난방 모델 제작 및 성능 분석
- 신재생에너지 복합열원 이용 온실 냉난방 모델 제작 및 성능 분석(온도에 따른 동작 제어를 통한 온실 지열 System COPh 4.38확보)
- 신재생에너지 복합열원 이용 축사 냉난방 모델 제작 및 성능 분석(돈사의 신재생에너지 구축환경 검토 및 GLDprogram을 이용한 지열시스템 모델 제작 성능 분석(30RT선정))
○ 농업시설의 적용 복합열원 히트펌프 시스템 표준화 도출
- 온실, 버섯사, 돈사에 적합한 복합열원 최적 모델 개발 및 설계기준 제시

연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
○ 히트펌프 이용 온실의 냉방/난방 부하 산정 학술발표
○ 복합열원 이용 히트펌프 냉난방 시스템 산업재산권 출원
○ 복합열원 이용 히트펌프의 농업시설분야 이용기술 확립
○ 복합열원 이용 농업시설 냉난방 공급 및 제어기술 활용으로 산업화 촉진
○ 복합열원 이용 히트펌프 기술적용을 위한 설계 및 운용기술 확보
○ 농업시설 냉난방 공급으로 생상성 향 및 농가 소득 증대
○ 기후변화로 인한 이상기후 대응 등 탄소중립에 대한 정부정책에 기여

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 8
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행내용 ... 9
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 17
• 1) 연구 수행 결과 ... 17
• 2) 목표 달성 수준 ... 149
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 150
• 5. 연구개발성과 및 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 150
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 151
• 7. 참고문헌 ... 151
• 끝페이지 ... 152