태양열 에너지를 이용한 돈사 시스템 활용 <PART 8>

이재혁

에너지기술연구소 엔텍 소장

<지난 호에 이어서>

10. 태양열 난방시스템의 디자인

그러면 농장에서 사용하고자 하는 태양열 시스템은 어떻게 디자인하는 것이 좋을까? 태양열 난방시스템의 디자인에서 간주해야 할 중요한 것 몇 가지가 있다.

우선 태양에너지의 능력을 1차로 고려해야 한다. 위치에 따른 난방부하도 중요한 문제이다. 실제로 태양열 시스템에서 구조적인 단열은 집열기의 효율을 높이므로 집열면적과 저장용적은 태양열 시스템의 디자인에서 모두 고려해야 하는 중요한 사항이다.

1) 난방부하

난방부하는 국가 즉, 지리적인 위치에 따라서 변화한다. 부하의 크기는 ‘적산온도’ 또는 ‘표준온도차’라고 불리는 온도단위로 평가할 수 있다.

표준온도차는 특별한 날(24시간)을 위하여 내부디자인 온도와 외부의 24시간 평균온도의 차이와 같이 정의된다. 예를 들어 만약 12월 21일의 평균온도가 30°F였다면, 그다음 12월 21일의 표준온도차는 앞의 표준온도와 비교할 때 ‘65–30=35’가 된다. 즉, 이것은 바로 35℉만큼 차이 나는 온도를 보전해주기 위하여 난방을 해주어야 한다는 것을 의미한다.

그리고 내부의 디자인 온도는 일반적으로 주택난방을 위하여 열부하 표준온도차의 수치적 결정에서 표준온도는 65°F(18℃)로 정한다. 결국, 주택의 냉방과 난방을 위한 경계온도를 65°F로 정한다는 의미는 미국에서는 이 같은 온도를 사람이 요구하는 최적의 안락한 기준온도로 정하고 있다는 것을 의미하는 것이다.

그러나 동물을 사육하는 경우에는 이러한 인간에 적용하는 표준온도 65℉와는 많은 차이가 난다. 그 이유는 우선적으로 동물은 인간과 같이 스스로 추위나 더위에 대하여 적응하여 반응할 수 있는 능력을 가지고 있지 않기 때문이다.

사람은 더우면 시원하게 에어컨을 가동하던가 아니면 냉수욕이라도 할 수 있다. 그러나 동물은 그러한 행동을 할 수 없는 조건을 가지고 있다. 왜냐하면, 대부분의 가축은 집단적으로 모여 강제 연금상태와 같기 때문에 이러한 환경조건의 변화에 대응할 수 있는 능력을 가지고 있지 않기 때문이다.

그래서 동물의 경우에는 각각의 성장단계에 따라서 요구하는 가장 적당한 온도를 표준온도로 한다. 그러면 표준온도차란 무엇인가?

일평균기온의 어떤 표준값으로부터 편차가 1일당 1℃일 때 1도일이라고 한다. 물론 우리가 원하는 표준온도는 0℃, 5℃ 등 그 목적에 따라 선정된다. 예를 들어 돼지의 경우 모돈이 요구하는 표준온도는 16℃라고 할 수 있고, 이유자돈의 표준온도는 28℃라고 돼지의 요구조건에 맞게 임의로 설정을 할 수 있다.

그리고 이 상태에서 표준온도차를 결정할 수 있는데, 예를 들어 외부의 최고 온도가 영상 5℃이고, 최하 온도가 영하 10℃라고 한다면, 이 값의 평균은 ‘(5-10)÷2=-2.5℃’가 된다는 것을 알 수 있다. 여기서 이유자돈사의 경우를 계산하면 표준온도를 28℃로 정하고 있으므로‘28-(-2.5℃)÷2=15.25℃’가 된다는 것을 알 수 있다. 이것은 바로 우리가 돼지를 위하여 15.25℃ 차이 나는 온도만큼 난방을 해주어야 한다는 것을 의미한다.

2) 냉난방 표준온도차

사람의 경우 표준온도차의 기준은 바로 외기의 온도를 65°F(18℃)일 때라고 가정하여 기초로 한다. 그리고 우리는 이 온도일 때 가장 안락한 온도로 보며, 냉난방을 하지 않는다는 것을 원칙으로 한다.

이는 표준온도차는 65°F를 기준으로 매일 최고의 온도와 최저의 온도를 더한 값은 2로 나눈 것과의 차이를 의미하는 것으로, 예를 들어 만약 온도가 65°F 이상을 유지하면 우리는 그 유지되는 온도로부터 65°F를 그날의 최고온도와 최저온도를 더해 2로 나눈 평균값을 뺀 만큼 냉방해주어야 한다. 그 결과 그 값은 냉방표준온도차(CDD: Cooling Degree Days)를 의미한다.

만약 외부의 온도 65°F 이하를 유지한다면 우리는 이 표준온도차가 65°F에 도달할 때까지 난방해주어야 한다는 것이다. 그 결과 이것은 난방표준온도차(HDD: Heating Degree Days)가 되는 것이다. 그러면 다음과 같이 예를 들어 보자.

예제 1: 그날의 최고 온도가 90°F를 보였고 최저의 온도는 66°F를 보였다고 가정하자. 그 평균온도는 다음과 같은 식으로 값을 가진다.

(90°F+66°F)/2=78°F

최적의 안락한 온도를 65°F라고 설정하고 있기 때문에 이 값을 78°F에서 빼주면 냉방표준온도차가 된다.

65°F-78°F=-13°F(냉방표준온도차: Cooling Degree Days)

앞의 계산과 같이 표준온도보다 -13°F만큼 열량이 많으므로 이 온도만큼 냉방을 해주어야 원래 최적의 온도였던 65°F를 유지할 수 있다는 것을 의미한다. 그리고 이러한 온도를 맞추어 주지 않으면 절대 최적의 안락한 온도를 맞추지 못한다는 것을 알 수 있다. 그래서 유럽과 미국에서는 이러한 최적의 온도를 설정하여 그 온도를 맞추기 위한 에너지사용량을 미리 예견하는 것이다.

예제 2: 그날의 최고 온도가 33°F이고 최저온도가 25°F이면 이 값의 평균값은 다음과 같이 계산된다.

(33°F+25°F)/2=29°F

최적의 안락한 온도를 65°F라고 설정하고 있기 때문에 이 값을 29°F에서 빼주면 다음과 같이 난방표준온도차가 된다.

65°F-29°F=36°F(난방표준온도차: Heating Degree Days)

결과적으로 이렇게 난방표준온도차가 36°F라면 이 온도차이만큼 난방을 해주어야 비로써 겨울철에 최적의 온도인 65°F를 유지할 수 있다는 것을 의미한다.

앞의 두 예에서 계산은 연중 매일 일어나는 일이다. 그리고 이러한 표준온도차이는 바로 돈사의 단열재에 따른 열출입을 계산할 때 적용되며, 환기를 일으킬 때도 역시 계산에 적용하여 사용한다. 이렇게 일어나는 매일 표준온도차는 계절이나 월별 비교하기 위하여 합산하여 사용할 수 있다. 아래의 표준온도차 도표는 1994년도 이래 월별 전체의 변화를 보여주고 있는 것이다.

<Figure 10-1> 난방표준온도차의 합. Heating Degree Day Totals For Ames, Iowa(65°F Base, Updated: 11/2/06)

<Figure 10-2> 냉방표준온도차의 합. Cooling Degree Day Totals For Ames, Iowa(65°F Base, Updated: 11/2/06)

난방을 위한 표준온도차는 바로 그 차이만큼 난방을 요구하고 있지만, 표준온도가 각각의 상황에 따라서 다르기 때문에 결과적으로 우리가 원하는 표준온도에 따라 그 기준이 결정된다. 예를 들면 육성돈의 표준온도가 24℃라면 이것이 육성돈사의 표준온도가 되는 것이다. 그리고 비육돈이 요구하는 온도가 22℃라고 한다면 이 온도가 바로 비육돈사의 표준온도가 된다.

이렇게 각각의 표준온도를 우리가 그 상황에 맞게 설정할 수 있으며, 설정된 표준온도를 기준으로 그보다 온도가 낮을 때는 열량을 보충해주어야 한다. 그러나 반대로 냉방을 위한 표준온도차는 열량이 남아서 제거해줄 때 필요하다.

예를 들어 이유자돈사의 표준온도는 28℃(82.4℉)가 된다. 그런데 그날의 외부온도가 최저 -15℃이고, 최고 5℃라고 한다면 다음과 같이 계산된다.

{5℃-(-15℃)}÷2=10℃

10℃×1.8℉/℃=18℉

하루에 최고와 최저의 기온차이에 따른 평균값은 10℃이며, 이것은 18℉가 되므로 표준난방온도차는 다음과 같이 계산된다.

82.4℉-18℉=64.4℉

즉, 이유자돈사에서 28℃ 온도를 유지하기 위해서 난방표준온도차는 64.4℉가 된다. 이 정도의 온도를 올려줄 수 있는 난방을 해주지 않는다면 자연히 이유자돈들은 추위에 시달리고 위축되며, 많은 집단적 폐사가 일어날 것이다.

3) 표준온도차를 사용하는 방법

표준온도차의 가장 일반적인 사용방법은 에너지사용을 추적하는 것이다. 두 시즌 넘게 표준온도차 없이 에너지사용량을 비교한다는 것은 여러분이 여러분의 차를 운전하는 방법도 모르는 채, 연료 1ℓ당 간 거리를 마일로 계산하는 아날로그적인 방식이라고 할 수 있다.

이러한 표준온도차를 이용한다는, 만약 지붕과 천장 사이의 단열이 잘 된 건물에서 여름철 에너지를 절감하기 원한다면 여러분은 새로운 장치의 설치 전이나 후에 사용될 연료를 얼마나 많이 사용할 것인가를 결정하고, 알맞은 에너지기기를 사용할 수 있다는 것이다. 그다음 표준온도차의 사용에 의해서 여러분은 이 기간 동안 얼마나 더 많은 에너지를 사용하여야 하는가를 결정할 수 있다.

자동차의 ℓ당 마일을 계산하는 대신에 여러분은 표준온도차당 한 시간에 사용하는 KW를 결정하거나, 표준온도차당 천년가스의 열량을 결정할 수 있다. 이러한 분석형태는 변화하는 날씨에서 에너지를 효과적으로 사용할 수 있는 아이디어를 줄 수 있는 것이 가장 큰 장점이다.즉, 돈사의 단열재에 따른 열출입량의 계산과 환기량에 의해서 일어나는 열손실을 계산하여 그만큼 열보충을 해줄 수 있는 양을 미리 시뮬레이션해볼 수 있다는 것이다.

4) 다른 추가적인 요인

만약 표준온도차를 이용하여 에너지 사용을 비교할 때, 여러분은 여러분의 돈사에서 다른 에너지원을 위하여 계산하려고 한다면 실질적인 냉난방비용에 대한 좋은 아이디어를 얻을 수 있다. 냉난방에너지를 나누어, 온도에 따른 변화가 일어나는 동안 에너지 사용의 실험에 의해서 완성할 수 있다.

예를 들어 냉난방을 위하여 약간의 에너지를 사용하는 5월이나 10월에 냉난방을 위하여 사용하는 각각의 에너지비용을 계산할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 에너지는 여러분의 월별 소비량에 기초를 반영하여 이 기간 동안 사용할 수 있는 에너지의 양을 예측할 수 있다. 게다가 겨울 시즌 동안 전체 소비된 에너지비용 중 기본적인 사용량을 공제하는 것은 난방을 위하여 바로 사용할 수 있는 에너지양을 계산할 수도 있다. 그리고 여름철에 사용한 에너지로부터 기본적으로 사용한 에너지를 빼면 실제로 얼마나 많은 냉방에너지를 준비해야 하는지를 결정할 수 있다.

이것은 에너지 사용에 있어서 반영되는 기간, 에너지 사용량에 대한 중요한 논점이 된다. 앞으로 돈사를 운영할 때 과거와 같이 간단한 예측만으로는 결코 경쟁력을 가질 수 없다. 예를 들어 옆집에서는 에너지비용에 따른 많은 문제를 미리 컨설팅받아 실제로 에너지비용을 줄일 수 있는 방법을 동원하여 농장의 이윤의 극대화를 가져오고 있는데, 여러분의 농장에서는 이미 옆 짚에 지고 있다는 것이 된다. 그러면 과연 여러분은 경쟁력이 있다고 생각할 수 있는가?

우리는 이제 아주 정확한 계산에 의한 영농을 준비해야 한다. 그렇지 않고는 절대 유럽이나 다른 선진국의 농축산물과 경쟁할 수 없는 상황으로 내몰릴 것이다.

<다음 호에 계속>