서 언
재료 및 방법
재배 시설
환경 안정성 정의 및 평가 기준
피복재의 열적 특성 분석
환경데이터 수집 및 분석
외부환경 의존도 분석
통계적 분석
총 열부하 및 냉방 적정성 분석
결과 및 고찰
피복재의 단열성능
환경 데이터 분석
외부환경 의존도 분석
통계적 유의성 검증
LED 발열과 냉방 적정성 분석
서 언
세계 식량농업기구농업기구(FAO)에 따르면 최근 기후위기와 인구 증가로 인해 현재 대비 2050년에는 약 70% 증가한 식량 생산량이 필요하며, 제한적 자원(수자원 부족 등)과 환경 오염(토양염류집적 등)으로 인해 식량 공급이 위협을 받고 있다(Son and Oh 2015; Van Delden et al. 2021; Kaiser et al. 2024). 이러한 농업･농촌 현안의 문제를 해결하고 농업의 지속 가능성 확보를 위해 제한된 에너지자원의 효율적인 이용과 함께 재배 환경의 안정성이 확보되어야 농업이 지속가능 할 것으로 전망된다(Kozai et al. 2019; Vitoshkin and Haslavsky 2020). Vatistas et al. (2022)는 수직농장과 온실이 도시 미기후의 지속가능성과 탄소발자국에 미치는 영향을 체계적으로 분석하여 controlled environment agriculture의 중요성을 제시하였다. 제한적이고 통제된 환경을 활용한 농업시스템 중에서 수직농장은 유력한 대안으로 주목받고 있다. 수직농장은 인공광을 활용한 다층 재배로 토지와 물의 사용량을 각각 95%, 90%이상 줄이고, 외부 환경조건에 독립적으로 연중생산이 가능한 장점이 있다(Redmond Ramin Shamshiri et al. 2018). 그러나 수직농장의 높은 초기 투자비용과 유지비용으로 인해 시스템 도입에 제한이 있는 것이 현실이다. 특히 인공광 LED와 공조시스템의 전력 소비는 시스템 운영비용의 약 40–60%까지 차지할 정도로 높은 비중을 차지한다(Moghimi and Asiabanpour 2023; Kaiser et al. 2024). 이러한 이유로 인해 현재 시설원예 스마트팜은 비용적인 측면에서 양극화되어 있다. 간단한 센서와 환경제어시스템으로 구성된 저비용 스마트팜의 경우 초기 진입은 어렵지 않으나, 정밀한 제어나 효율적 생산의 측면에서는 한계를 보인다. 반면, LED 인공광이나 양액 및 환경 복합 자동 제어 등 첨단 설비가 적용된 고비용 스마트팜은 정밀 제어 및 높은 생산성을 확보할 수는 있으나 초기 시설 구축 및 유지관리비용이 과다해지기에 대농 경영체를 제외하고는 도입이 불가능하다. 이러한 양극화 구조는 중소농업인이 선택할 수 있는 폭(중간 수준의 기술적･경제적 선택지)을 좁혀 스마트팜 진입 장벽을 상대적으로 높이는 요인으로 작용하고 있다. 이러한 경제적 장벽을 극복하기 위해 최근 기존 시설(건물 내 유휴공간)을 수직농장으로 리모델링하는 재활용 전략이 시도되고 있다. Blom et al. (2023)는 기존 건물(아파트, 사무실, 수영장 등 5가지)유형의 건물에 수직농장 통합 시뮬레이션 결과 연간 기후 제어 에너지 사용량이 12–51%까지 절감된다고 보고한 바 있고, Muñoz-Liesa et al. (2020)는 건물 옥상형 온실(iRTG)이 호스트 건물과 열에너지 상호작용을 통해 난방 에너지 98kWh/m2/yr 회수, 건물 에너지 35kWh/m2/yr 절감, 총 순 에너지 절감(total net energy savings) 128kWh/m2/yr, 그리고 온실가스 사용 절감 45.6kg CO2 eq/m2 효과를 나타낸다고 제시하고 있다. 또한 Blom et al. (2024)는 수직농장과 지역난방 그리고 스마트그리드 통합 시 에너지 사용량이 약 15% 절감된다는 연구결과를 보고하였다. 국내에서도 대표적인 사례로 지하철 역사 내 유휴공간을 활용한 스마트팜인 ‘메트로팜’을 들 수 있다. 본 연구에서는 기존 농업용 창고로 많이 사용되는 농막하우스를 수직농장 형태로 전환하는 모델을 제안하고자 한다. 농막하우스는 초기 구축비용이 낮아 농민들의 경제적 접근성이 우수하고, 다층 피복시스템을 통해 일정 수준의 재배 환경을 유지 및 제어할 수 있어 ‘준밀폐형 수직농장’ 모델에 적합하다고 볼 수 있다. 본 연구를 통해 농막하우스를 구성하는 피복재의 열적 특성을 확인하여 단열성능을 평가하고 환경데이터 분석을 통해 환경안정성을 검증하여 농막하우스 리모델링형 수직농장(이하 농막하우스형 수직농장)의 효율성과 환경제어 전략 및 단열 성능 개선에 대한 제안을 하고자 한다.
재료 및 방법
본 연구는 농막하우스형 수직농장의 환경과 일반적인 건물형 또는 컨테이너형 수직농장의 환경, 기존 온실의 환경을 비교･분석하고, 수직농장을 구성하는 피복재의 열적 특성 분석을 통해 상대적으로 안정적인 환경제어가 가능함을 구명하고자 하였다. 이를 위해 경기도 고양시에 소재한 농협대학교 내 전통형 스마트팜(이하 연동형하우스, 단동 70평 3연동 플라스틱 온실, 254평)과 수직농장형 스마트팜(Fig. 1, 이하 수직농장, 밀폐형 온실, 70평)에서 실험이 수행되었다.
재배 시설
기존의 수직농장은 건물형(Lee et al. 2024) 이나 컨테이너형(Kim et al. 2025) 내부에 구축되어 운영되고 있으나 농협대학교 수직농장은 농자재 창고로 사용되던 농막하우스를 리모델링하여 구축한 사례로(Fig. 1) 폭 9.2m, 길이 39.0m, 동고 6.0m의 단동 하우스를 리모델링한 구조이다. 하우스 내부에는 폭 1.4m, 길이 6.9m, 높이 3.3m의 재배랙 6열을 설치하여 6단(층간 높이 약 0.39m) 다단재배가 가능하도록 구성하였다. 재배랙 간 통로 폭은 1.1m로 설정하여 작업 동선을 확보하였고, 각 통로마다 상･하부 각각 1대의 에어서큘레이터를 배치하여 공기를 순환하고자 하였다. 하우스 외관은 흰색 피복재(복합 카본 멀티레이어로 구성된 TPO필름)로 덮여 있고(Fig. 1A), 내부에는 인공광과 양액순환시스템을 활용한 재배단 6층으로 구성된 7세트 재배랙(육묘랙 1개, 정식랙 6개)이 구축되어 있다(Fig. 1B). 인공광으로 사용되는 상업용 LED 모듈(18W, PPFD 202.2µmol/m2/s)는 총 1,428개로 육묘용 LED(Fig. 1C)와 정식용 LED 모듈(18W, PPFD 237.4µmol/m2/s) (Fig. 1D)로 구성되었다. 또한, 일반 수직농장의 경우 정밀한 환경제어를 위한 인프라(HVAC, 제습기, 공기순환, CO2, 다중 센서 등)가 조성되어 있으나, 농막하우스형 수직농장은 공기 온･습도 조절을 위하여 상업용 항온항습장치(정격 냉방 능력 31kW급 5대), 상업용 제습기(제습량 1.5 L/h 급) 그리고 원활한 공기 유동을 위한 에어서큘레이터(최대출력 1,450rpm)가 각각의 재배랙 사이에 설치되어 있다(Fig. 1E–1G). 농막하우스형 수직농장을 구성하는 피복재는 8겹 형태로 하우스 내측부터 텐텐지(우븐 크로스 조직에 코팅처리를 한 PE 필름) – 잡색보온덮개 – 장수비닐PE필름 – 차광막(4중직) – 보온단열재(가교발포폴리에틸렌) – 잡색보온덮개 – 장수비닐PE필름 – 애니탑(복합 카본 멀티레이어로 구성된 TPO필름)의 순으로 구성되어 있다(Fig. 2C ①–⑧). 이러한 농막하우스형 수직농장의 환경 안전성을 검토하고 비교･분석하기 위해 연동형하우스의 내･외부 환경요인을 활용하였다. 연동형하우스의 피복은 하우스 측면 2중구조의 수직커튼 그리고 상부 4중구조 수평커튼으로 구성된다. 측면에는 일반 PO필름과 다겹보온커튼의 2중구조, 상부는 산광스크린, 알루미늄 차광막, 다겹보온커튼 2개층으로 4중구조로 이루어져 있다. 이러한 연동형하우스는 여름철에 토마토와 파프리카 등 고온성 작물, 겨울철에 딸기와 같은 냉온성 작물을 재배관리하고 있어 식재 품목에 따라 환경 기준값을 설정하여 운영하고 있다. 하절기 고온 대비 냉방시설은 갖추어져 있지 않으나 동절기 난방을 위한 상업용 온풍기(10kW급, 6대)를 구비하였다.
Fig. 1.
Overall view of the vertical farm at Agriculture Cooperative University remodeled from an agricultural shelter house : (A) exterior view, (B) interior of the greenhouse, (C) cultivation rack for seedling-stage, (D) cultivation racks for post-transplant growth stage, environmental control equipment inside the greenhouse: (E) air conditioner, (F) dehumidifier, (G) air circulator (airflow fan).
환경 안정성 정의 및 평가 기준
본 연구에서 환경 안정성(environmental stability)은 “작물 생장에 최적화된 내부 환경(온도, 습도 등)을 외부 환경 변화와 관계없이 일정한 범위 내에서 유지할 수 있는 정도”로 정의한다. 이는 작물의 스트레스를 최소화하고 효율적인 재배 환경 조성에 있어 필수적인 요소이다. 환경 안정성 평가를 위한 변동계수(Coefficient of Variation, CV) 기준은 다음과 같이 설정하였다: 10% 미만(매우 안정적), 10–20%(안정적), 20–30%(보통), 30% 이상(불안정). 이러한 기준은 Kaiser et al. (2024)의 작물 적응 가능한 온도 변동 범위(±6°C) 및 Kamenchuk et al. (2023)의 정밀 온도 제어 연구(±1°C)를 기반으로 설정되었다. Ahmed et al. (2020)은 상추 재배 시 상대습도 70–80%에서 영양생장이 촉진되고 수분 스트레스가 줄어든다고 보고하였으며, Chowdhury et al. (2021)은 케일 재배시 상대습도 75–85%에서 생장이 최대가 되는 반면, 기능성 물질의 경우 55–75% 범위에서 최적 발현됨을 증명하였다. Tibbitts and Bottenberg (1976)는 상대습도가 85%일 때 엽수, 엽면적, 건물중을 유의하게 증가시켰으나 병해와 팁번의 리스크 관리가 필요하다고 보고하였다.
피복재의 열적 특성 분석
농막하우스형 수직농장을 구성하는 피복재의 열특성을 비교･분석하고 단열 성능을 정량적으로 평가하고 타 온실의 단열성능과의 비교를 통해 안정적인 환경 유지성능을 구명하고자 하였다. 이를 위해 연동형하우스(농협대학교)의 피복재, 일반 컨테이너형 수직농장의 피복재(외벽 샌드위치 패널, 유리솜 150mm 또는 유리솜 100mm – 폴리우레탄폼 50mm로 구성)를 비교 대상으로 고려하였다. 또한, 피복재를 통한 관류열 손실이 전체 열손실의 60%이상을 차지하는 큰 비중이므로, 관류열 손실의 정량적 지표인 열관류율을 중심으로 피복재에 대한 난방 부하의 정도를 확인하였다.
열관류율(Overall Heat Transfer Coefficient, U-Value)은 특정재료나 구조체의 단열 성능을 평가하는 지표로 단위 면적(m2)당 내･외부 온도차이가 1°C(또는 1K)일 때 전달되는 열량을 나타낸다. 낮은 열관류율의 특성을 갖는 구조체일수록 열이 더 적게 전달되므로 단열성능이 우수함을 의미하고, 열의 흐름에 대한 저항 지표인 열저항()과 역수관계에 있다.
여러 재료가 혼합된 다층 구조체인 경우 각 구성요소의 열저항 값들을 단순히 더하여 계산할 수 있다.
는 실내측 표면 열저항으로 구조체 내부 표면과 실내공기사이의 얇은 공기층에서 발생하는 저항, 은 각 재료층의 고유 열저항(), 는 실외측 표면 열저항으로 구조체 외부 표면과 공기사이의 얇은 공기층에서 발생하는 저항을 의미한다. 여기서 표면 열저항(, )을 결정하는 방식 중에 Hwang et al. (2013)에서 제시한 외부대류전달계수와 풍속의 함수로 간주하는 복잡한 동적 모델을 사용한 반면, 풍속은 배제하여 실험이 진행되기에 정적분석 모델(건축 법규 등에서의 특정조건에 대한 표준값)을 적용하면 다음과 같다.
= 0.11 m2 K/W, = 0.04 m2 K/W
따라서 열관류율을 계산하는데 수정 계산식은 다음과 같다.
환경데이터 수집 및 분석
본 연구에 활용된 각 시설 내･외부 환경데이터는 2024년 1월 1일부터 2025년 2월 28일까지 수집하였다. 농막하우스형 수직농장의 내부환경(온도, 습도) 데이터를 수집하고 이와 함께 외부환경과의 의존성에 대한 분석을 위해 연동형 스마트팜의 내부환경(온도, 습도) 및 외부환경(온도, 습도, 일사량, 풍속) 데이터를 수집하였다. 환경 데이터는 농막하우스형 수직농장 및 연동형하우스 내･외부에 설치된 온･습도 모듈로부터 초당 수집된 정보들을 1시간 간격으로 평균하고, 이상치 제거 등의 가공을 통해 분석에 활용하였다. 이를 기반으로 환경 안정성은 온도 및 습도 변화의 정도를 나타내는 지표(변동계수, Coefficient of Variation, CV)를 산출하여 정량적 평가를 진행하였다. 변동계수는 온도 및 습도의 평균값을 기준으로 데이터가 얼마나 흩어져 있는지를 나타내므로 이 값이 낮을수록 환경이 안정적이라고 볼 수 있다.
CV (%) = (σ / µ)×100, (σ: Standard Deviation, µ: Mean)
외부환경 의존도 분석
농막하우스형 수직농장의 밀폐형 구조 특성상 외부환경 변수가 내부환경에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위해 피어슨 상관관계 분석을 수행하였다. 분석 대상 외부환경 변수로는 온도, 습도, 일사량, 풍속을 포함하였으며, 내부환경과의 상관계수를 산출하여 외부환경 의존도를 평가하였다.
통계적 분석
연구 결과의 신뢰성을 강화하기 위해 독립표본 t-검정(independent t-test)을 수행하여 수직농장과 연동하우스, 수직농장과 외부환경 간의 안정성 지표 평균을 비교하였다. 통계적 유의성은 p < 0.001 수준에서 평가하였으며, 효과 크기는 Cohen’s d를 이용하여 산출하였다.
총 열부하 및 냉방 적정성 분석
농막하우스형 수직농장의 환경제어 성능의 정량적 분석을 위해 총 열부하(Total heat load)를 추정해보고 이를 토대로 수직농장 내 항온항습장치의 정격냉방능력과 비교･분석을 하였다. 총 열부하는 현열부하(Sensible heat load)와 잠열부하(Letent heat load)를 더한 열량으로 각각 LED 조명 소비전력, 작물증산이 실내 온습도에 가장 큰 영향을 미치는 요인으로 작용하고, 이 외의 기타 부하는 영향이 미미하거나 무시할 정도의 값(팬, 센서 등 장비에 의한 열: ~수백 W)으로 판단된다(Nelson and Bugbee 2014; Quitoras et al. 2018; Graamans et al. 2020).
결과 및 고찰
피복재의 단열성능
농막하우스형 수직농장의 피복재의 단열성능을 비교･분석하기 위해 기존의 피복재로 사용되는 재료들의 열적 특성을 파악하였다. 먼저 일반 온실 피복시스템인 PE 필름 단층 및 복층구조, 그리고 고단열을 요구하는 컨테이너형 수직농장의 외벽 샌드위치 패널에 대해 열관류율을 계산하였다(Table 1). 일반 온실 피복 시스템 중 일반 단층 PE 필름은 가장 기본적인 피복재로 열관류율은 약 5.3–8.6W/m2 K를 보이며, Lee et al. (2024)는 약 6.476W/m2 K를 제시하였다. 단층 유리의 경우 플라스틱보다 높은 열전도율을 보이지만 약 5.8–6.3W/m2 K로 유사한 수준의 값을 보인다. 이중 PE 커튼은 중간에 공기층이 형성되어 단열성능이 크게 향상된다(약 3.4–5.2W/m2 K). 온실 내 보온 커튼은 야간 난방 에너지 절감에 있어 중요한 영향을 미친다. Nam and Shin (2015)은 PO 필름 온실에3중 보온커튼 (알루미늄 2겹, 산광스크린 1겹)을 설치했을 때 2.73W/m2 K의 열관류율이 실측 되었다고 보고하였으며, 이는 단층대비 높은 단열성능을 보여주는 사례이다. 그리고 컨테이너형 수직농장은 외부환경과 차폐된 밀폐형 구조이므로 높은 수준의 단열 성능을 요구하기 때문에 외벽에 샌드위치 패널이나 고성능 단열재가 사용된다. 샌드위치 패널은 유리솜 또는 유리솜과 우레탄 폼의 단열재로 구성되고 각각의 열관류율은 0.225, 0.193W/m2 K로 타 온실의 피복과 비교해 현저히 낮은 값을 나타내는데 이는 단열성능이 우수하다는 결과다.
Table 1.
Comparison of thermal performance of standard agricultural facility cladding
| System Type | Main Composition | Total Thickness (mm) | Core Material λ (W/m·K) | Total Thermal Resistance (Rtotal) (m2·K/W) |
Thermal Transmittance (U-value) (W/m2·K) |
| Single-layer PE Film Greenhouse | PE Film | 0.1 | 0.33 | 0.15 | 6.476z |
| Single-layer Glass Greenhouse | Glass | 4 | 1 | 0.154 | 6.3y |
| Double-layer PE Film Greenhouse | PE Film + Air Layer | - | - | 0.294 | 3.4x |
| Multi-layer Curtain Greenhouse | PO Film + Triple-layer Curtain | - | - | 0.366 | 2.73w |
| Container Type (Glass Wool) | Glass Wool Sandwich Panel | 150 | 0.035 | 4.436 | 0.225v |
| Container Type (Composite) | Glass Wool + Urethane Foam Panel | 150 | 0.035/ 0.023 | 5.181 | 0.193v |
*U-value calculation method: U = 1/(Rsi + Σ(d/λ) + Rse), where Rsi = 0.11 m2·K/W (internal surface resistance), Rse = 0.04 m2·K/W (external surface resistance), d = thickness (m), and λ = thermal conductivity (W/m·K).
zLee et al. (2024): Measured U-value for single-layer PE film greenhouse.
yHwang et al. (2013): Calculated U-value for single-layer glass greenhouse.
xKocaman (2023): U-value for double-layer PE film greenhouse.
wKim et al. (2018): U-value for multi-layer thermal curtain greenhouse.
한편, 농막하우스형 수직농장 피복시스템의 열관류율을 계산하기 위해 수직농장의 피복재 구성재료에 대한 물리적, 열적 특성을 제시하였다(Table 2). 이를 토대로 최종 열관류율을 산출하였다. 각 구성요소의 열저항 값 환산은 아래와 같고 여기에 구성 재료의 총 열저항값을 합산하여 을 계산하였다.
0.0003 + 0.1111 + 0.0003 + 0.0015 + 0.1389 + 0.1111 + 0.0005 + 0.0020 = 0.3657 m2 K/W
0.1100 + 0.3657 + 0.0400 = 0.5157 m2 K/W
따라서 최종 열관류율(U-value)는 아래와 같이 산출된다.
Table 2.
Physical and thermal properties of proposed multi-layer composite cladding components
| Section (Interior → Exterior) | Material | Thickness (d) [m] | Thermal Conductivity (λ) [W/m·K] | Thermal Resistance (R) [m2·K/W] | Reference / Basis |
| Interior Surface | - | - | - | 0.11 | Energy Saving Design Standard |
| Tent Fabric | PE Woven Film | 0.0001 | 0.33 | 0.0003 | Nijskens et al. (1984) |
| Insulating Polyester Blanket | Polyester Fiber | 0.005 | 0.045 | 0.1111 | Dama et al. (2025) |
| Durable Vinyl | PE Film | 0.0001 | 0.33 | 0.0003 | Nijskens et al. (1984) |
| Quadruple-layer Shade Screen | PE Net | 0.0005 | 0.33 | 0.0015 | Kittas (1994) |
| Insulation Material | Cross-linked Polyethylene Foam | 0.005 | 0.036 | 0.1389 | Manufactuer |
| Insulating Polyester Blanket | Polyester Fiber | 0.005 | 0.045 | 0.1111 | Dama et al. (2025) |
| Durable Vinyl | PE Film | 0.00015 | 0.33 | 0.0005 | Nijskens et al. (1984) |
| ANYTARP | TPO Film | 0.0004 | 0.2 | 0.002 | Manufactuer |
| Exterior Surface | - | - | - | 0.04 | Energy Saving Design Standard |
본 제안시스템의 단열 성능을 비교한 결과, 일반온실 대비 단층 PE필름(6.4W/m2 K), 유리(6–6.5W/m2 K), 이중 PE필름(3.4W/m2 K) 보다 우수한 단열성능을 보였으며, 특히 Nam and Shin (2015)이 실측한 고성능 3중 보온 커튼 시스템(2.73W/m2 K)과 비교하여 약 29% 더 높은 단열 성능을 나타내어 기존의 플라스틱 온실 피복시스템 중에서는 단열성능이 우수함을 확인하였다. 이를 토대로 기존 온실의 외피 성능 개선 용도로 활용 시 현장 적용성이 높고 에너지 절감 효과를 기대할 수 있다. 반면 컨테이너형 수직농장의 외벽에 대해서는 절대적인 단열 성능의 한계를 나타냈다. 단일 패널(유리솜)의 U = 0.225W/m2 K, 복합패널(유리솜 + 압축우레탄 폼)의 U = 0.193W/m2 K는 본 제안시스템보다 약 8.6–10배 높은 단열 성능을 제공한다. 따라서 본 제안시스템은 완전밀폐형 수직농장 보다는 온실 및 반밀폐형 구조물의 외피 개선에 적합한 시스템으로 판단된다. 고성능 복합패널형 대비 제조 및 시공비가 낮고 기존 온실 개보수 시 비용부담이 적으며 간편한 설치 및 유지보수가 가능하고 플라스틱 재질의 재활용이 용이하여 자원 활용 측면에서도 이점이 있다.
한편, 본 연구에서 제안하는 농막하우스형 수직농장은 폭 9.2m, 길이 39.0m, 동고 6.0m의 비교적 큰 규모에 속하나 현행 농지법 및 관련 지침에 따라 현장에서 설치･운영되는 일반 농막하우스는 연면적 20m2(약 6평) 이하, 높이 4m이하 규모에 제한되는 경우가 많고 실제로 대부분 이 범위 내의 소형 구조가 보급되어 있다. 이러한 규모의 농막하우스를 동일한 방식으로 리모델링할 경우 재배 층수 확보가 제한되고, 상･하층 간 온･습도 및 공기 유동의 불균일, 공조･제습 설비와 작업 동선 확보의 어려움 등 추가적인 제약 요인이 발생할 수 있다. 따라서 일반 규격 농막하우스를 대상으로 한 수직농장 리모델링에서는 구조 보강, 재배랙 배치, 공조･제습 설계 등과 연계한 최적 다단재배 시스템 설계가 필요하며, 이는 향후 후속 연구 과제로 남는다.
환경 데이터 분석
일반 수직농장과 온실에 대한 비교 연구는 주로 효율적인 에너지 사용(Graamans et al. 2018) 또는 작물 생산측면 O’Sullivan et al. (2020)에서 이루어져왔다. 그러나 농막하우스를 활용한 수직농장과 연동형 하우스(전통적인 플라스틱 비닐온실)를 비교하여 외부 환경 변화에 대한 독립성에 대한 연구와 정량적 분석, 특히 극한 기상조건에 대한 성능비교는 제한적이다. 따라서 본 연구에서는 앞서 언급한 연구기간의 시계열 데이터를 기반으로 환경안정성과 독립성 분석을 통해 결과를 도출하였다. 먼저 환경 안정성을 평가하기 위해 통계적 지표를 계산하였다(Table 3). 여러 지표 중 표준편차는 일정 기간 동안 측정된 온도값의 시간적 변동성을 나타내는 통계량으로, 수직농장의 표준편차가 일반 온실과 외부환경의 각각 1/6, 1/10 수준으로 나타나 환경 안정성이 우수함을 확인하였다. Kaiser et al. (2024)는 작물 생육에 있어 평균온도로부터 ±6°C 이내의 온도 변동폭은 작물이 적응할 수 있는 최대범위라고 제시하였으며, 이 범위 내에서의 온도 제어가 에너지 절약에 효과적이라고 언급하였다. 또한 Kamenchuk et al. (2023)과 Farhangi et al. (2023)에서도 ±1°C 온도의 오차범위에서 작물의 품질 균일성이 향상되었다고 보고하였다. Kumsong et al. (2023)은 열대 적응형 온실에서 다양한 온도 제어 시스템을 비교 분석하여 안정적인 온도 유지의 중요성을 강조하였다. 따라서 본 제안 시스템의 온도편차를 고려할 때 매우 안정적인 온도를 유지하고 있음을 알 수 있다. 변동계수 측면에서 수직농장의 온도(5.85%), 습도(11.58%) 모두 외부 환경으로부터 높은 독립성을 나타내며, 이는 “기후 독립적 생산시스템”의 특징을 명확히 보여준다(Van Delden et al. 2021). 설정된 환경 안정성 평가 기준에 따르면, 수직농장의 온도는 매우 안정적(CV < 10%) 수준을, 습도는 안정적(CV 10–20%) 수준을 나타내었다. 이와 더불어 외부환경(outdoor(G)), 온실 내부환경(indoor(G)) 그리고 수직농장(vertical farm)의 온도 및 습도 변화를 월별로 비교하였다(Fig. 3). 여기서 변동계수는 표준편차를 평균으로 나누어 상대적 변동성을 백분율로 표시한 것이다(Kozai et al. 2019). 변동계수가 낮을수록 재배환경이 안정적이어서 작물이 받는 스트레스를 줄일 수 있고 환경제어를 위한 에너지 소비가 균일하고 예측이 가능하다(Redmond Ramin Shamshiri et al. 2018; Graamans et al. 2018). 시설 유형별 온도 변동계수를 분석한 결과, 외부환경(약 20–60%) 및 일반온실(12.47–29.39%)은 환경제어시스템이 갖추어져 있음에도 불구하고 일교차 및 계절 변화에 종속적인 영향(Cunha 2003)을 받는 반면 수직농장은 재배기간 내내 일정하게 낮은 변동계수값(1.16–1.38%)을 확인할 수 있다. 또한 습도 변동계수 역시 외부환경(약 20–40%)과 일반온실(약 20–30%)의 경우 외부환경에 종속적인 영향을 받는 것으로 나타났으나 수직농장은 계절과 상관없이 일정한 습도 조건(변동범위 11% 미만)을 유지하고 있는 것으로 나타났다. 결론적으로 환경정보의 통계 분석과 변동계수를 통해 본 제안시스템은 작물 재배에 충분히 안정적인 환경을 유지하고 있음을 확인하였다.
Table 3.
Descriptive statistics of environmental data (January 2024 – February 2025)
| Environmental Indicator | Mean | Standard Deviation | Min | Max | Range | Coefficient of Variation (%) |
| Temperature (°C) | ||||||
| Outdoor (G)z | 11.99 | 12.26 | ‒14.86 | 37.72 | 52.59 | 102.23 |
| Indoor (G)y | 21.04 | 6.77 | 8.16 | 46.43 | 38.27 | 32.17 |
| Vertical Farmx | 19.62 | 1.15 | 13.12 | 22.51 | 9.39 | 5.85 |
| Humidity (%) | ||||||
| Outdoor (G) | 77.94 | 19.73 | 10 | 95 | 85 | 25.31 |
| Indoor (G) | 70.39 | 17.69 | 16.14 | 95 | 78.87 | 25.13 |
| Vertical Farm | 77.74 | 9 | 53.91 | 93.44 | 39.53 | 11.58 |
외부환경 의존도 분석
농막하우스형 수직농장의 외부환경 의존도를 정량적으로 평가하기 위해 확대된 외부환경 변수(일사량, 풍속, 온도)와 내부환경 간의 피어슨 상관관계 분석을 수행하였다(Table 4). 일사량에 대하여 연동하우스와 수직농장의 내부 온도와의 상관관계를 분석한 결과 각각 γ_indoor(G) = 0.667(중간상관관계), γ_vertical = 0.372(약한상관관계)로 산출되었다. 연동하우스에 비하여 수직농장의 내부온도가 외부일사량의 변화에도 불구하고 본 연구에서 제안했던 피복시스템의 차단효과, 인공광, 항온항습장치 등으로 연중 안정적인 온도를 유지하는 것으로 사료된다. 외부 풍속에 대해 수직농장의 온도는 거의 영향이 없을 정도의 상관관계(γ_temp_vertical = 0.196)를 보이고 습도 역시 약한 상관관계(γ_humi_vertical = –0.099)로 도출되는데 이는 외부 바람의 영향을 완전히 차단한 밀폐형 구조에 의한 것이다. 연동하우스의 온도는 약한 상관관계(γ_temp_indoor(G) = 0.210)를 보이고 있는데 이는 환기에 의한 영향으로 볼 수 있고, 습도의 경우 중간정도의 값(γ_humi_indoor(G) = –0.425)을 보이는데 바람이 강할수록 습도가 감소하는 경향성을 보이고 있다. 외부온도에 대하여 수직농장과 연동하우스 각각(γ_temp_vertical = 0.315), (γ_temp_indoor(G) = 0.786)으로 도출되었다. 수직농장은 외부 기온 변화에 대한 내부 온도에 미치는 영향은 최소를 보이고 있는 반면, 연동하우스는 외부 온도 변화에 대해 내부 온도가 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 농막하우스형 수직농장이 8겹의 복합 단열 피복 시스템과 밀폐형 구조로 인해 외부환경 변화에 대한 높은 독립성을 확보하고 있음을 보여준다.
Table 4.
Correlation coefficient of indoor environment with respect to outdoor environment
통계적 유의성 검증
연구 결과의 신뢰성을 강화하기 위해 독립표본 t-검정을 수행하여 환경 안정성을 통계적으로 검증하였다(Table 5). 온도 안정성에서 수직농장과 연동하우스 내부온도를 비교･분석한 결과 통계적으로 유의(t = –17.370, p < 0.001)하나 두 시스템간 평균 온도차가 1.18°C정도이고 효과 크기가 크지 않아(Cohen’s d = –0.239) 작물 재배에 있어서 실질적 영향을 미치는 정도의 차이가 크지 않다. 반면 수직농장과 외부환경(외부온도)간의 매우 유의한 차이 (t = 66.711, p < 0.001)를 보이고 효과 크기(Cohen’s d = 0.920) 크게 분석됨은 수직농장이 외부환경대비 실질적인 온도 안정성이 높고 외부 환경조건에 대해 의존적이지 않음을 시사하고 있다.
Table 5.
Comparison of environmental stability through statistical significance analysis
습도 안정성에서 수직농장과 연동하우스 내부습도의 비교･분석결과 통계적으로 높은 안정성을 보였고(t = 40.163, p < 0.001) 효과크기(Cohen’s d = 0.554)는 중간정도로 나타나, 수직농장이 온실대비 보다 안정적인 습도를 유지한 것을 의미한다. 반면 외부환경과 비교 시 통계적으로 유의한 차이(t = 2.434, p < 0.001)가 있으나 효과 크기가 작아(Cohen’s d = 0.034) 습도 안정성은 별 반 차이가 없음을 나타내고 있다.
LED 발열과 냉방 적정성 분석
마지막으로 농막하우스형 수직농장의 냉방 및 환경제어 성능의 정량적 평가를 위하여 총 열부하(현열부하+잠열부하) 산출하여 이를 토대로 항온항습장치의 냉방용량의 적정성을 검토하였다. Graamans et al. (2020)의 연구에 의하면 수직농장 내 LED 소비전력의 약 48%가 열로 전환된다고 보고 있다. 앞서 언급한 바와 같이 LED에 의한 소비전력은 18W × 1428ea = 25.7kW로 이 중 48% 해당하는 12.34kW의 현열부하가 발생한다. 이러한 현열부하로 인해 동절기에 추가적인 난방 없이 충분한 온도의 유지 및 관리가 되고 있는데, 이는 LED의 발열에 대해 공기 유동 시스템을 활용한 열 재분배를 통해 난방 에너지 비용을 절감할 수 있음을 시사한다(Sheibani et al. 2023). Ayankojo et al. (2025)의 연구에서도 겨울철 상추 재배시 LED 보광을 통해 생장과 수확량 증대에 유의 한 영향을 미친다고 보고하였다. 이는 LED가 광원뿐만 아니라 열원으로도 활용될 수 있음을 뒷받침한다. 한편 잠열부하(작물 증산과 토양 및 배지 등에서 발생하는 수분이 공기중으로 증발하여 흡수하는 수증기화열)는 면적대비 1일 증산량과 수증기화열 등의 계산을 통해서 확인이 가능하다. 1일 증산량은 , 시간당 증발량은 그리고 수증기화열은 약 2,450kJ/kg, 이를 통해 잠열부하()는 로 LED에 의한 소비전력과 거의 유사한 수준으로 발생하는 것을 알 수 있다(Redmond Ramin Shamshiri et al. 2018; Graamans et al. 2020). 따라서 농막하우스형 수직농장의 총 열부하는 현열부하 12.34kW에 잠열부하 9.83kW 가 추가되어 약 22.17kW로 산출된다. 이는 설치된 항온항습장치의 총 정격냉방능력 155kW 대비 약 7배 정도 냉방능력의 여유가 있음을 나타내며, 앞서 분석한 피복재의 단열특성, 낮고 안정적인 온･습도 변동계수와 함께 고려할 때 농막하우스형 수직농장은 열환경을 유지하는데 있어 충분한 성능을 가지는 것으로 판단된다. 이상의 결과에서 농막하우스형 수직농장은 8겹 복합 단열 피복시스템(1.939W/m2K)으로 컨테이너형 수직농장의 절대적 단열성능(0.193–0.225W/m2K)에는 미치지 못한다. 그러나 일반 온실 및 고성능 3중 보온 커튼 시스템 대비 약 3.3배, 1.4배 향상된 단열성능을 보이고 있어, 기존 플라스틱 온실 피복 시스템 가운데 가장 우수하다. 또한, 환경 안정성 측면에서의 온･습도 변동계수는 안정적이며 낮은 수치(각각 5.85%, 11.58%)를 나타내고, 1년의 계절 변화에도 불구하고 온도 변동계수가 1.16–1.38%로 일정하게 유지됨을 통해 외부환경에 대한 의존성이 없음 즉, 외부환경으로부터의 독립성을 입증하였다. 이에 더해 인공광으로 사용되는 LED에 의한 소비전력으로부터의 현열부하(12.34kW)와 작물 증산작용에 의한 잠열부하(9.83kW)를 고려한 총 열부하는 약 22.17kW 로 산출되었는데, 이는 설치된 항온항습장치의 정격냉방능력(155kW)에 대비할 때 약 7배의 여유가 있는 수준으로 나타났다. 이런 결과는 8겹 복합피복시스템이 보여주는 단열성능이 외부 열환경과의 차폐와 수직농장 내에 발생하는 열부하 대비 냉방에너지의 소비를 최소화하는데 기여한 것으로 사료된다. 따라서 본 농막하우스형 수직농장은 고성능 수직농장에 비하여 단열성능지표는 낮지만 에너지 효율성과 환경제어의 실효성 측면에서 우수한 성능을 확보하였음을 확인하였고, 이는 중소농업인의 스마트농업에 대한 진입 장벽을 낮추고 단계적 기술 도입을 통해 기존 수직농장 시스템의 기술적 간극을 줄여 나갈 수 있는 하나의 대안으로 자리매김할 것이다.
