농·수·축산분야의 에너지효율을 위한 원적외선 연구개발과 응용현황

한충수 충북대학교 농업생명환경대학 바이오시스템공학과 교수

1. 머리말
현재 사용되고 있는 농·수·축산 분야에서 에너지원은 대부분 화석연료에 의존하고 있고, 국제 유가가 급등함에 따라 생산 및 제품 가공에 어려움을 격고 있다. 또한 화석에너지 이용으로 인한 환경오염 문제는 심각한 실정이다. 따라서 고품질의 고부가가치 농·수·축산물 생산을 위해 친환경적이면서 에너지를 고효율로 이용할 수 있는 획기적인 기술이 필요하고, 여기에 원적외선 복사에너지를 이용하는 것이 한 가지 해결책이라 생각한다.
국내의 농·수·축산 분야에 원적외선 복사에너지를 이용한 연구개발은 극히 일부 학자에 의해 수행되고 있고, 연구자 수도 적어 연구개발 결과 및 연구의 지속성이 매우 미진한 상태이다. 더욱이 원적외선에너지와 관련된 분야의 연구자 수와 연구 결과는 매우 제한적인 상태이다. 특히 농·수·축산 분야는 일반 산업분야와 달리 기업수도 적고, 원적외선에너지를 이용하여 생산 활동 및 제품을 가공하더라도 고부가가치나 고소득 창출이 용이하지 않으므로 원적외선 관련 시설 및 설비 투자가 용이하지 않은 면이 있다. 2004년 6월에 월간세라믹을 통해 1996년부터 2004년까지 완료되었거나 수행 중인 원적외선의 연구개발 현황에 대해서 개략적으로 서술하면서 에너지 분야인 원적외선 가열·건조 및 원적외선 방사체에 대하여 논한 바가 있다. 따라서 여기에서는 주로 2004년 이후에 농·수·축산 분야에서 원적외선에너지를 이용한 연구개발과 응용현황에 대해서만 서술하고자 한다.

2. 연구개발과 응용현황
1)정치식 원적외선 건조기
김(2005)은 정치식(고정식) 원적외선 건조기를 이용한 표고버섯 건조연구에서 원적외선 건조시 송풍속도가 동일한 조건하에서 건조실 내의 온도가 높을수록 건조속도가 빨라지는 경향을 나타내었고, 온도가 동일한 조건하에서 송풍속도가 빠를수록 건조속도가 빠른 것으로 보고하였다. 또한 원적외선 건조의 경우 송풍속도와 건조온도 0.4m/s-50℃의 건조조건을 제외한 기타 건조조건은 열풍건조 보다 건조속도가 빠른 것으로 보고하였다.
에너지 소비량은 원적외선건조가 열풍건조보다 적게 나타났고, 열풍건조의 에너지소비량은 7.70kWh/kg(수분)으로 원적외선건조에 비해 에너지 소비량이 6.21~2.75kWh/kg(수분) 정도 높은 것으로 보고하였다.
이(2006)는 정치식 원적외선 건조기를 이용한 산삼 배양근의 건조연구에서 원적외선 건조온도가 50, 60, 70℃일 경우 건조시간은 각각 210, 180, 165분으로 나타났고, 열풍건조의 경우 50, 60℃에서 각각 300, 270분으로 나타나, 동일한 건조조건에서 원적외선건조가 열풍건조보다 건조시간이 90분 정도 빠른 것으로 보고하였다(그림 1 참조).
산삼 배양근 건조시 에너지소비량은 모든 원적외선 건조조건이 열풍건조 보다 적게 나타났고, 원적외선건조에서는 건조온도가 높고 송풍속도가 느릴수록 에너지소비량이 증가하는 것으로 보고하였다. 또한 열풍건조의 에너지소비량은 2.27∼2.71kWh/kg(수분)으로 모든 원적외선 건조조건에 비해서 에너지소비량이 많은 것으로 나타났고, 원적외선건조가 열풍건조 보다 에너지소비량이 약 47.6% 내외가 절감되는 것으로 보고하였다(그림 2 참조).
홍(2007)은 정치식 원적외선 건조기를 이용하여 오징어를 건조한 결과, 원적외선건조와 열풍건조의 건조속도를 비교하면  40℃-0.8m/s에서 각각 15시간 30분, 17시간이 소요되어 원적외선건조가 1시간 30분 정도 건조시간이 단축되었고, 50℃-0.8m/s에서 원적외선건조는 10시간, 열풍건조는 11시간으로 원적외선건조가 열풍조건보다 건조속도가 빠른 것으로 보고하였다.

2)컨베이어식(연속식) 원적외선 건조기
이 등(2004)은 상향송풍방식 컨베이어 원적외선 건조기를 이용한 표고버섯의 건조연구에서 건조실 내부온도가 높고 풍속이 빠를수록 건조속도가 빠른 경향을 나타내었고, 열풍건조의 경우 피건조물을 습량기준 함수율 13%까지 건조하는데 약 12시간이 소요되어, 원적외선건조가 열풍건조에 비해 건조시간이 약 3.0~6.5시간 단축되고 품질도 양호한 것으로 보고하였다(그림 3 참조).
열풍건조의 에너지소비량은 3.43kWh/kg(수분)으로 모든 원적외선 건조조건에 비해 에너지 소비량이 많은 것으로 나타났다. 또한 열풍건조의 에너지소비량은 원적외선 각 건조조건 보다 1.26~1.59kWh/kg(수분) 정도 높은 것으로 나타나, 원적외선 건조시 에너지소비량이 36.7~43.3% 정도 절감되는 것으로 보고하였다(그림 4 참조).
한 등(2004)은 상향송풍방식 컨베이어 원적외선 건조기를 이용한 홍고추의 건조연구에서 건조실 내부온도가 높고 풍속이 빠를수록 건조속도가 빠른 경향을 나타낸다고 보고하였다. 건조 종료 후 피건조물의 함수율을 17%까지 건조하는데 컨베이어 원적외선 건조기의 경우 12∼19시간 정도가 소요되고 열풍건조의 경우 약 25시간이 소요되어, 원적외선 건조가 열풍건조 보다 건조 시간이 6~13시간 정도 단축되며 품질도 양호한 것으로 보고하였다.
에너지소비량은 홍고추 수분 1kg을 건조시키는데 열풍건조가 4.53kWh/kg이었고, 원적외선건조의 경우 건조조건별로 1.89~2.37kWh/kg로 나타나, 열풍건조보다 에너지소비량이 약 47% 내외 절감효과가 있는 것으로 보고하였다.
녕 등(2008)은 상향송풍방식 컨베이어 원적외선 건조기를 이용한 홍삼(초기함수율:32.2∼39.0%, 평균 직경 13.91mm이상) 건조연구에서 원적외선 건조시간은 건조조건 70~50℃, 70~45℃, 65~50℃, 65~45℃, 60~50℃, 60~45℃에서 각각 7일, 9일, 8일, 11.5일, 11일, 13일이 소요되었고 열풍건조 방식에 비해 품질이 양호한 것으로 보고하였다. 열풍건조의 경우 건조조건 70~45℃에서 건조시간은 10.5일로 동일한 원적외선 건조조건보다 건조속도가 1.5일 느린 것으로 나타났고(그림 5 참조), 천일건조의 경우 58일 정도 소요되는 것으로 보고하였다.
에너지소비량은 원적외선 건조조건의 경우 1차와 2차 건조 온도가 높을수록 감소하고, 열풍건조 보다 적게 소요되는 것으로 보고하였다(그림 6 참조).

3)원적외선 면상발열체를 이용한 하우스 난방시스템
노(2006) 등은 원적외선 면상발열체에 의한 온실 난방시스템의 열특성 분석에서 온실 내 공기온도는 원적외선 면상 발열체 난방이 온풍난방 보다 5℃ 높았고, 최저 외 기온이 -8℃∼-7℃일 때 원적외선 면상발열체 난방시스템의 온실 내 공기 온도는 12∼16℃로 설정온도 12℃ 이상을 유지하여 원적외선 면상발열체에 의한 난방이 가능한 것으로 보고하였다. 에너지 절감량은 원적외선 면상발열체 난방이 온풍난방보다 크며, 원적외선 난방에서는 수평 면상발열체 난방(천정난방)시스템이 수직 면상발열체 난방(측면난방)시스템보다 에너지 절감 효과가 큰 것으로 보고하였다.
김(2007)은 원적외선 면상발열체를 이용한 하우스(6000×8000×3400mm, 48m2) 난방시스템의 방울토마토 생육특성 연구에서 하우스 내부 기온분포는 원적외선 난방시스템의 경우가 경유온풍난방보다 상하 온도편차가 작고 균일한 것으로 보고하였다. 방울토마토의 경우 원적외선 난방시스템이 경유온풍난방보다 초장, 엽장, 엽폭, 경경 등이 비교적 양호한 것으로 나타났고, 원적외선 난방시스템의 경우 천정난방이 측면난방시스템보다 생육이 양호하다고 보고하였다.
한편 난방 방식별 에너지소비량은 표 1에서 보는 바와 같이 2개월 동안의 원적외선 측면난방과 천정난방의 소비전력량은 각각 3044.9kWh, 2670.6kWh이었고, 경유 온풍난방의 경유 소비량과 모터 소비전력량은 각각 432ℓ, 125.52kWh로 보고하였다.
난방비용은 그림 7에 나타냈듯이 2개월간의 원적외선 천정난방, 측면난방(농업용(병) 전기를 기준으로 계산) 및 경유 온풍난방의 난방비(2005년 2월의 면세경유 가격(510원/ℓ)를 기준으로 계산)는 각각 189,558원, 169,524원, 289,551원으로 나타나, 원적외선 난방시스템이 경유온풍난방시스템에 비해 약 34.5∼41.4%정도 난방비용이 적게 소요되는 것으로 보고하였다.

4)원적외선 에너지의 기타 응용
앞에서 설명한 농수산물 건조 및 하우스난방 이외에 축사 내부의 천정에 원적외선 면상발열체 또는 봉상발열체를 설치하는 난방시스템, 육묘시 육묘상자 하부에 적정 간격을 두고 원적외선 면상발열체를 설치하는 난방시스템, 하우스 내에서 토양 속 작물 뿌리 하부에 봉상형태의 발열체를 묻는 근권 난방시스템 등이 있으나 이것은 업체가 실용화시켜 상품화된 형태로 관련 연구 자료가 미진한 편이다. 또한 상품화는 되어 있지만 농축산 분야로 한정되어 있어 보급률이 매우 저조한 상태이다.
3. 종합 의견
현재 세계 주요국들은 에너지 자원 확보를 위해 외교 및 경제력을 동원하여 치열하게 경쟁을 하고 있고, 급변하는 국제 정세에 따라 유가가 급등락을 거듭하고 있다. 늦은 감은 있지만 미래의 에너지난에 대비하기 위해 한 가지 방안으로 청정 전기에너지를 이용하는 고효율 원적외선 복사에너지에 대한 응용 및 활용 방안을 모색해야 한다고 생각한다. 원적외선에너지를 응용하여 농·수·축산 분야에 에너지효율 향상과 관련된 개발 및 연구결과는 2004년 이전과 마찬가지로 매우 미진한 상태로 나타났다. 그래도 지금까지 농·수·축산 분야의 건조 및 난방 관련 연구결과는 에너지 절감효과가 우수할 뿐 아니라 고품질제품을 생산할 수 있는 것으로 보고되고 있는 상황이다. 단지 필자의 판단으로는 대량생산시스템의 경우 초기 설비투자비용이 크기 때문에 정부 및 관련 부처는 관련 기업육성 및 연구자를 확보하고 지속적으로 투자를 하면 미래의 국가 성장 동력으로 발전할 수 있다고 판단된다.

참고문헌
1. 金昌福(2004), 정치식 원적외선 건조기를 이용한 표고버섯의 건조특성, 충북대 석사학위 논문
2. 이혁(2006), 정칙식 원적외선 건조기를 이용한 산삼배양근의 건조특성, 충북대 석사학위 논문
3. 홍현기(2007), 정칙식 원적외선 건조기를 이용한 오징어의 건조특성, 충북대 석사학위 논문
4. 이혁 외 4인(2004), “상향 송풍방식 컨베이어 원적외선 건조기를 이용한 농산물ㆍ식품의 건조특성(Ⅰ),” 한국농업기계학회 학술대회논문집, Vol. 9, No. 2, pp. 294~297
5. 韓忠洙 외 6인(2004),“遠赤外線乾燥機による農産物の乾燥特性(Ⅰ)一唐辛子の乾燥について一,” 日本食品機械工業會, Vol. 11, pp. 220~223
6. 녕효봉 외 3인(2008), “연속식 원적외선 건조기를 이용한 홍삼의 건조특성,” 한국농업기계학회 학술대회논문집, Vol. 13, No. 2, pp. 195~198
7. 노정근 외 4인(2006), 원적외선 면상발열체에 의한  온실 난방시스템의 열특성 분석, 한국농업기계학회 논문집, Vol. 31, No. 6, pp. 529~534
8. 김희준(2007), 원적외선 면상발열체를 이용한 하우스난방시스템에서 방울토마토의 생육특성, 충북대 석사학위 논문

그림 1. 건조 온도별 건조시간에 따른 산삼배양근의 건조속도(풍속 0.8m/s)
그림 2. 건조 조건별 산삼배양근의 건조 에너지소비량 비교
그림 3. 건조 조건별 건조시간에 따른 표고버섯의 건조속도
그림 4. 건조 조건별 표고버섯의 건조 에너지소비량 비교
그림 5. 건조 조건별 건조시간에 따른 홍삼의 건조속도
그림 6. 건조 조건별 홍삼의 건조 에너지소비량 비교
표 1. 실험하우스의 기간별 소비전력량 및 소비경유량
그림 7. 난방 방법별 난방기간에 따른 소요 난방비 비교

한충수
농협중앙회 미곡종합처리장 자문위원 
원적외선협회 자문교수
한국농업기계학회 편집위원장 및 운영위원
충북대학교 바이오시스템공학과 교수

< 본 사이트에는 표가 일부 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바랍니다.>