우리나라 시설농업 단지에서 수막재배 시설을
난방시설로 대체할 경우의 에너지 및 탄소배출

수막재배는 겨울철 시설하우스에서 지하수를 양수하여 하우스 외피 또는 보온커튼 위에 수막을 형성함으로써 내부 온도를 유지하는 대표적인 저비용 보온 방식이다. 우리나라 수막재배는 약 1만 ha 규모로 운영되고 있으며, 단위 면적당 지하수 사용량은 약 420 m³/일/ha, 전국 규모 지하수 사용량은 연간 약 5.4억 m³ 수준으로 추정된다. 수막재배는 농가의 난방비 절감에 기여하지만, 겨울철 집중 양수로 인한 지하수위 저하, 수량 고갈, 염수화, 수질 변화, 하천 기저유출 감소 등의 수자원 관리 문제를 동반할 수 있다. 이에 따라 수막재배를 기존 화석연료 또는 전기 기반 난방시설로 대체할 경우의 에너지 비용과 탄소배출량을 정량적으로 비교할 필요가 있다.
본 기사에서는 수막재배 지하수의 유효 열 이용량을 온도차 5℃ 기준으로 산정하고, 이를 등유 난방, LNG/도시가스 난방, 전기저항식 난방, 전기 히트펌프 난방으로 대체하는 시나리오를 비교하였다. 분석 결과, 수막재배가 제공하는 열량은 약 1,055 GJ/ha·년, 전국 기준 약 11.3 PJ/년에 해당하였다. 이를 난방시설로 대체할 경우 전국 연간 에너지 비용은 히트펌프 약 720억 원, 전기저항식 난방 약 2,160억 원, LNG 난방 약 3,149억 원, 등유 난방 약 5,476억 원 수준으로 추정되었다. 탄소배출량은 히트펌프 약 43.8만 tCO₂eq/년, LNG 약 70.7만 tCO₂/년, 등유 약 95.9만 tCO₂/년, 전기저항식 난방 약 131.4만 tCO₂eq/년으로 산정되었다.
이 결과는 수막재배의 단순 폐지 또는 화석연료 난방 전환이 농가 비용과 탄소배출을 동시에 증가시킬 수 있음을 보여준다. 따라서 향후 정책 방향은 수막재배의 전면 대체가 아니라, 순환식 수막재배, 지하수 인공함양, 수위·수질 모니터링, 다겹보온커튼, 고효율 히트펌프, 재생에너지 연계형 난방을 결합한 통합 관리 방식으로 전환되어야 한다.
주요어: 수막재배, 시설농업, 지하수, 난방 에너지, 탄소배출, 히트펌프, 탄소중립, 지하수 관리

우리나라 겨울철 시설농업은 기온 저하, 난방비 상승, 작물 생육 안정성 확보라는 세 가지 과제를 동시에 안고 있다. 특히 딸기, 토마토, 오이, 상추 등 겨울철 시설작물은 야간 최저기온이 생육 한계 이하로 떨어질 경우 생장 지연, 착과 불량, 품질 저하, 냉해 피해가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 줄이기 위해 농가에서는 등유 보일러, 온풍기, 전기히터, 온수 배관, 히트펌프 등 다양한 난방 방식을 활용해 왔다.
에너지 가격이 상승하고 난방비 부담이 커지면서, 지하수의 자연 열을 활용하는 수막재배가 널리 이용되어 왔다. 수막재배는 대체로 14~16℃ 내외의 지하수를 양수하여 비닐하우스 외피 또는 보온커튼 위로 흘려보내고, 이때 형성되는 얇은 물막이 외부 찬 공기와 내부 따뜻한 공기 사이의 열교환을 완화하는 방식이다. 즉, 수막재배는 지하수가 가진 열용량과 수막의 단열효과를 이용하는 농업용 보온 기술이다(그림 1).

수막재배의 장점은 분명하다. 별도의 대규모 연료비 없이 지하수를 이용해 야간 보온을 유지할 수 있고, 농가 입장에서는 등유나 전기를 사용하는 난방시설보다 운영비가 낮다. 또한 수막재배는 시설 설치가 비교적 단순하고, 이미 많은 시설농업 단지에서 경험적으로 운영되어 왔기 때문에 농가 수용성도 높다.
수자원 관리 관점에서는 다른 해석이 가능하다. 수막재배는 겨울철 특정 기간에 대량의 지하수를 집중적으로 양수하므로, 지역에 따라 지하수위 저하, 주변 관정 간섭, 하천 기저유출 감소, 농업용수 부족, 염수화 또는 고염 지하수 상승, 수질 변화 등의 문제가 발생할 수 있다. 특히 해안 및 충적평야, 하천변 시설농업 단지, 지하수 함양량이 제한적인 지역에서는 수막재배가 지하수계에 가하는 부담이 상당할 수 있다.
수막재배를 단순히 “난방비를 절감하는 친환경 기술”로 볼 것인지, 아니면 “지하수자원에 비용을 전가하는 열 이용 기술”로 볼 것인지는 보다 정량적인 분석이 필요하다. 본 기사에서는 수막재배를 난방시설로 대체할 경우를 가정하여, 에너지 비용과 탄소배출량을 산정하고, 경제성 및 탄소중립 관점에서 수막재배의 의미를 재검토하고자 한다.

이는 농업용 지하수 사용량의 상당 부분을 차지하는 규모이다. 수막재배는 개별 농가 단위에서는 단순한 보온 방식처럼 보일 수 있으나, 전국 규모로 환산하면 연간 수억 m³의 지하수를 겨울철에 집중적으로 양수하는 대규모 수자원 이용에 해당된다.
수막재배의 본질은 물을 “소비”하는 것이라기 보다, 지하수가 가진 열에너지를 시설하우스 보온에 활용하는 것이다. 그러나 실제 현장에서는 양수된 지하수가 배수로를 통해 하천으로 유출되거나 농수로로 유출되는 경우가 많다. 순환식 시스템이 아닌 경우, 지하수는 재함양되기 전까지 대수층에서 배출되며, 이 과정에서 지하수위 저하가 발생할 수 있다.

시설농업 단지가 밀집한 지역에서는 다수의 농가가 같은 시간대에 동시에 양수하기 때문에 지하수위 저하가 누적될 수 있다. 또한 겨울철은 강수량과 자연 함양량이 상대적으로 적은 시기이므로, 양수량이 함양량을 초과할 가능성이 높다. 이 때문에 수막재배는 농업 에너지 문제와 수자원 관리 문제가 만나는 대표적 사례라고 할 수 있다.

수막재배를 난방시설로 대체하려면, 우선 수막재배가 현재 제공하고 있는 열량을 산정해야 한다. 본 기사에서는 지하수 온도 15℃, 수막 후 유출수 온도 10℃를 가정하여 유효 온도차를 5℃로 설정하였다. 이는 보수적 산정이며, 현장 조건에 따라 실제 유효 온도차는 3~10℃ 범위에서 변동될 수 있다. 표 2는 전국 시설농업 단지에서 수막재배가 제공하는 보온 효과를 난방 에너지로 환산한 값이다. 만약 유효 온도차를 10℃로 보면 이 값은 약 2배가 된다. 반대로 유효 온도차를 3℃로 보면 약 60% 수준으로 감소한다. 따라서 본 산정은 수막재배의 열 이용량을 보수적으로 평가한 값으로 볼 수 있다.

수막재배를 난방시설로 대체할 경우, 적용 가능한 기술은 다양하다. 본 기사에서는 현장에서 일반적으로 고려할 수 있는 네 가지 난방 방식을 비교하였다(표 3과 그림 2).
첫째, 등유 보일러 또는 등유 온풍기이다. 시설원예에서 오랫동안 활용되어 온 방식이며, 초기 설치와 운영 경험 측면에서 가장 익숙한 방식이다. 그러나 연료비 부담과 탄소배출량이 크다.
둘째, LNG 또는 도시가스 보일러이다. 도시가스 공급이 가능한 지역에서는 등유보다 상대적으로 탄소배출계수가 낮고 자동제어가 용이하다. 다만 농촌 시설농업 단지에서는 도시가스 배관망 접근성이 제한될 수 있다.

셋째, 전기저항식 난방이다. 전기를 열로 직접 전환하는 방식으로 시스템은 단순하지만, COP(Coefficient of Performance)가 1에 가깝기 때문에 에너지 효율 측면에서는 불리하다. 전력 단가가 낮을 경우 비용은 낮아 보일 수 있으나, 전력 배출계수를 고려하면 탄소배출량이 커질 수 있다.
넷째, 전기 히트펌프이다. 히트펌프는 외기, 지하수, 지중열, 폐열 등에서 열을 흡수해 실내로 공급하는 방식으로, COP 3.0 이상을 확보할 경우 에너지 비용과 탄소배출량을 크게 줄일 수 있다. 다만 초기 투자비, 저온 조건에서의 성능저하, 유지관리, 전력 피크 관리가 중요하다.

산정한 수막재배 열량 1,055 GJ/ha·년을 각 난방 방식으로 공급한다고 가정하였다. 등유 난방은 연료 발열량 34.3 MJ/L, 보일러 효율 85%를 적용하였다. LNG는 보일러 효율 90%, 연료 단가는 25원/MJ로 가정하였다. 전기저항식 난방은 293 MWh/ha·년을 그대로 사용하며, 히트펌프는 COP 3.0을 적용해 전력 소비량을 97.7 MWh/ha·년으로 산정하였다(표 4). 전국 수막재배 면적 10,746 ha에 적용하면, 난방 대체 비용은 표 5와 같이 추정된다.

수막재배를 단순히 등유 난방으로 대체할 경우 농가가 부담해야 할 추가 에너지 비용은 전국적으로 연간 5,000억 원 이상에 이를 수 있다. LNG 난방 역시 약 3,000억 원 이상의 비용이 발생한다. 전기저항식 난방은 단가 조건에 따라 비용이 상대적으로 낮게 나타나지만, 전력 피크와 탄소배출 측면에서 한계가 있다. 히트펌프는 에너지 비용이 가장 낮으나, 초기 투자비와 시스템 설계가 관건이다.

탄소중립 관점에서는 단순한 난방비 비교만으로는 충분하지 않다. 난방 에너지원별 온실가스 배출량을 함께 산정해야 한다. 본 기사에서는 등유, LNG, 전기저항식 난방, 히트펌프의 탄소배출량을 비교하였다(표 6과 7). 등유는 연료 사용량에 배출계수를 적용하였고, LNG는 연료 투입량에 도시가스 배출계수를 적용하였다. 전력은 소비단 전력 배출계수 0.4173 tCO₂eq/MWh를 적용하였다.
전기저항식 난방이 비용 측면에서는 등유나 LNG보다 낮아 보일 수 있으나, 탄소배출량은 가장 높게 나타난다는 것이다. 이는 전기를 열로 직접 전환하는 방식이 에너지 효율 면에서 불리하기 때문이다. 반면 히트펌프는 전기를 사용하지만 COP 3.0을 적용하면 동일한 열량을 공급하는 데 필요한 전력량이 1/3 수준으로 줄어들기 때문에 탄소배출량도 가장 낮다. 즉, 탄소중립 관점에서 수막재배를 대체하려면 “전기화” 자체가 해답이 아니라, “고효율 전기화”가 필요하다. 단순 전기히터 전환은 전력수요와 탄소배출을 모두 증가시킬 수 있다.

탄소배출은 향후 농업 부문에서도 비용을 지불해야 할 가능성이 있다. 현재 농업 부문이 직접적으로 배출권거래제의 주요 의무 부문은 아니더라도, 에너지 가격, 저탄소 농산물 인증, ESG 공급망, 탄소중립 정책, 농업시설 에너지 보조 사업 등과 연계될 수 있다. 따라서 탄소 비용을 가상의 사회적 비용 또는 정책 비용으로 환산해 보는 것은 의미가 있다.
본 기사에서는 배출권 가격을 19,600원/tCO₂로 가정하여 탄소 비용을 산정하였다(표 8). 이 결과는 수막재배를 단순히 화석연료 난방으로 대체하는 정책이 경제적으로도, 탄소중립 관점에서도 부담이 클 수 있음을 보여준다. 특히 등유 난방 대체는 전국적으로 연간 5,000억 원 이상의 에너지 비용과 약 100만 tCO₂ 수준의 탄소배출을 유발할 수 있다(표 8과 9).

히트펌프는 비용과 탄소배출 모두에서 가장 우수한 대안으로 나타났지만, 현실적으로 모든 수막재배 농가가 단기간에 히트펌프를 도입하기는 어렵다. 초기 투자비, 전력 인입 용량, 한파 시 성능, 유지관리 역량, 시설하우스 단열 수준, 작물별 온도 요구 조건이 모두 검토되어야 한다(그림 3).

지금까지의 분석은 수막재배가 제공하는 열량을 난방시설로 대체했을 때의 에너지 비용과 탄소배출량을 산정한 것이다. 수막재배 자체에도 “보이지 않는 비용”이 존재한다. 바로 지하수 자원에 해당하는 환경비용이다.
수막재배는 농가 입장에서는 저렴한 난방 방식이지만, 지하수계 입장에서는 대량 양수 행위이다. 만약 양수량이 자연 함양량을 초과하면 지하수위가 하강하고, 주변 관정의 양수 가능량이 감소하며, 하천과 습지로 공급되는 기저유출이 줄어들 수 있다. 또한 해안 지역이나 하천 하류 충적층에서는 염수 또는 고염 지하수의 상승, 이른바 업코닝(upconing) 현상이 발생할 가능성도 있다.
수막재배가 지하수계에 미치는 영향은 개별 농가의 난방비 계산에는 반영되지 않는다. 다시 말해, 수막재배는 에너지 비용을 줄이는 대신, 일부 비용을 지하수계와 지역 수자원 관리 체계에 전가하는 구조를 가질 수 있다. 수막재배의 경제성을 평가할 때는 단순한 연료비 절감 효과뿐 아니라 다음과 같은 요소를 함께 고려해야 한다. 첫째, 지하수위 저하에 따른 추가 관정 개발 또는 펌프 교체 비용이다. 둘째, 지하수 수질 악화에 따른 수처리 또는 대체 수원 확보 비용이다. 셋째, 주변 농가와의 물 이용 갈등 비용이다. 넷째, 하천 생태계와 기저유출 감소에 따른 환경비용이다. 다섯째, 장기적으로 지하수 자원 회복을 위한 인공함양 및 관리 시설 비용이다. 이러한 비용을 정량화하면 수막재배의 사회적 비용은 현재 농가가 부담하는 비용보다 훨씬 클 수 있다. 따라서 정책적으로는 수막재배를 금지할 것인지, 허용할 것인지의 이분법보다, 지하수 사용량을 줄이면서도 농가의 난방비 부담을 완화할 수 있는 전환 전략이 필요하다.

수막재배의 가장 큰 장점은 낮은 운영비이고, 가장 큰 문제는 지하수 과다 사용이다. 반대로 난방시설의 장점은 지하수 사용량을 줄일 수 있다는 점이고, 단점은 에너지 비용과 탄소배출량이 증가한다는 점이다. 따라서 현실적인 해법은 어느 한쪽을 선택하는 것이 아니라, 두 시스템의 장점을 결합하고 단점을 줄이는 상호보완적인 전환 방식이다(그림 4).

가장 우선적으로 고려할 수 있는 대안은 순환식 수막재배이다. 기존 개방형 수막재배는 양수한 지하수를 사용 후 배수로로 방류하는 경우가 많다. 반면 순환식 수막재배는 유출수를 회수하여 저류조에 저장하고, 열교환 또는 재가열 후 다시 사용하는 방식으로서 지하수 양수량을 줄일 수 있다.
순환식 시스템은 초기 설치비가 필요하지만, 지하수위 저하를 완화하고, 유출수 관리를 체계화할 수 있다는 장점이 있다. 특히 시설농업 단지가 밀집한 지역에서는 개별 농가 단위보다 단지 공동 순환시스템으로 구축하는 것이 효과적이다.

수막재배로 양수한 지하수를 단순하게 유출시키지 않고, 사용 후 일정한 처리 과정을 거쳐 지하로 재함양하는 방안도 검토할 수 있다. 인공함양은 지하수위 회복, 수자원 순환, 하천 기저유출 보전 측면에서 유용하다. 다만 함양수의 수질, 온도, 미생물, 탁도, 철·망간, 영양염류 등의 관리가 필요하다.
수막재배 지역에서는 겨울철 양수량과 유출 수량을 관측하고, 이를 기반으로 인공함양 가능량을 산정해야 한다. 특히 지하수 관정, 함양정, 침투지, 저류조를 결합한 단지형 물순환 시스템을 도입하면 수막재배의 지하수 의존성을 줄일 수 있다.

수막재배 또는 난방시설 어느 쪽을 선택하더라도, 가장 중요한 것은 열 손실을 줄이는 것이다. 시설하우스의 외피 단열성능이 낮으면 수막재배 지하수 사용량도 증가하고, 난방시설의 연료 사용량도 증가한다. 따라서 다겹보온커튼, 이중피복, 측창 기밀성 개선, 방열 차단막, 보온덮개, 자동 개폐 제어 등이 병행되어야 한다. 이는 가장 기본적이면서도 비용 대비 효과가 큰 대처 방안이다. 수막재배를 줄이기 전에 먼저 하우스의 열 손실을 줄여야 한다.

본 기사에서는 히트펌프가 에너지 비용과 탄소배출 측면에서 가장 유리한 대안으로 나타났다. 특히 지하수열, 지중열, 공기열, 폐열을 활용한 히트펌프는 수막재배의 열 이용 개념을 보다 효율적이고 통제 가능한 방식으로 전환할 수 있다. 예를 들어, 지하수를 직접 외피에 살수하는 대신 지하수열을 히트펌프 열원으로 사용하고, 사용 후 지하로 재주입하는 방식이 가능하다. 이 경우 지하수의 열은 이용하되, 물 자체의 손실은 최소화할 수 있다. 또한 태양광, ESS(Energy Storage System), 농업용 전력, 수요 반응 제도와 연계하면 탄소 중립형 시설농업 모델로 발전할 수 있다.

수막재배 지역에서는 지하수 수위와 수질을 실시간 또는 주기적으로 관측해야 한다. 주요 관측 항목은 지하수 수위와 수온, 전기전도도, 염소이온, 질산성질소, 철, 망간, 탁도 등이다. 특히 염수화 가능성이 있는 지역에서는 전기전도도와 염소이온 농도의 장기 변화에 대한 관측이 필요하다.
향후에는 양수량, 지하수위, 외기온, 하우스 내부 온도, 에너지 사용량, 작물 생육 정보를 통합한 AI 기반 운영관리 시스템도 필요하다. 이를 통해 특정 시간대에 불필요한 양수를 줄이고, 보온커튼과 히트펌프를 자동 제어하며, 지하수위가 일정 기준 이하로 하강하면 양수량을 제한하는 방식의 지능형 운영체계를 구축할 수 있다.

수막재배는 농업 에너지 복지, 농가 소득, 수자원 보전, 탄소중립이 충돌하는 지점에 놓여 있다. 농가 입장에서는 난방비를 줄이는 생존 전략이지만, 수자원 관리 관점에서는 겨울철 지하수 집중 이용에 의한 지하수자원 고갈이라는 부담이 있다. 또한 탄소중립 관점에서는 수막재배를 화석연료 난방으로 대체하는 것이 반드시 바람직하지는 않다. 따라서 다음과 같은 정책 방향이 필요하다.

첫째, 수막재배 지역의 지하수 사용량 관측 의무화를 단계적으로 도입해야 한다. 현재 많은 지역에서 실제 양수량이 정확히 파악되지 않기 때문에, 지하수 관리 정책의 기초 자료가 부족하다.
둘째, 수막재배 밀집 지역을 대상으로 지하수 수위와 수질 관측망을 구축해야 한다. 단순한 허가 및 신고 관리가 아니라, 실제 지하수계 반응을 기반으로 한 관리가 필요하다.
셋째, 개방형 수막재배를 순환식 수막재배로 전환하는 시설 개선 지원사업이 필요하다. 특히 배수 회수, 저류조, 여과, 재순환 펌프, 자동제어 시스템을 묶은 표준 모델을 제시하고 적용할 필요가 있다.
넷째, 히트펌프와 고단열 시설 개선을 결합한 저탄소 시설농업 전환 사업이 필요하다. 히트펌프만 보급하고 단열을 개선하지 않으면 에너지 절감 효과가 제한적이기 때문이다.
다섯째, 수막재배 대체 정책은 지역별 지하수 취약성에 따라 차등 적용되어야 한다. 지하수 함양량이 풍부하고 수위 회복이 빠른 지역과, 해안 또는 충적층의 수위 저하에 의한 염수화에 취약한 지역을 차등화하여 관리해야 한다.
여섯째, 농가의 비용 부담을 고려한 단계적 전환이 필요하다. 수막재배를 갑자기 제한하면 난방비 증가로 농가 경영이 악화될 수 있다. 따라서 보조금, 저리융자, 에너지 절감 컨설팅, 공동 열 공급 시스템, 단지형 물순환 인프라가 함께 지원되어야 한다.

수막재배는 우리나라 겨울철 시설농업을 지탱해 온 중요한 보온 기술이다. 지하수의 안정적인 온도를 활용함으로써 농가의 난방비를 줄이고, 겨울철 작물 생산을 가능하게 해 왔다. 그러나 전국적으로 약 1만 ha 규모에서 연간 약 5.4억 m³의 지하수가 사용된다는 점을 고려하면, 수막재배는 단순한 농업기술이 아니라 국가 수자원 관리의 중요한 대상이다.
본 기사에서 수막재배를 난방시설로 대체하는 시나리오를 분석한 결과, 수막재배가 제공하는 열량은 1 ha당 약 1,055 GJ/년, 전국 기준 약 11.3 PJ/년에 해당하였다. 이를 등유 난방으로 대체할 경우 전국적으로 연간 약 5,476억 원의 에너지 비용과 약 95.9만 tCO₂의 탄소배출이 발생할 수 있다. LNG 난방은 약 3,149억 원과 70.7만 tCO₂, 전기저항식 난방은 약 2,160억 원과 131.4만 tCO₂eq, 히트펌프는 약 720억 원과 43.8만 tCO₂eq 수준으로 추정되었다.
따라서 수막재배를 단순히 난방시설로 대체하는 것은 경제적·환경적 부담을 크게 증가시킬 수 있다. 특히 화석연료 기반 난방 대체는 탄소중립 방향과 상충될 수 있다. 가장 바람직한 방향은 수막재배의 장점인 저비용 보온 효과를 살리되, 지하수 과다 사용 문제를 줄이는 것이다.
이를 위해서는 순환식 수막재배, 지하수 인공함양, 다겹보온커튼, 고효율 히트펌프, 재생에너지 연계, 수위·수질 모니터링, AI 기반 자동제어를 결합한 통합형 시설농업 물·에너지 관리 체계가 필요하다. 수막재배의 미래는 “폐지”가 아니라 “전환”에 있다. 그리고 그 전환의 핵심은 지하수, 에너지, 탄소를 함께 관리하는 통합적인 관리시스템의 구축에 있다.