서 언
재료 및 방법
결과 및 고찰
온실 내 온도 환경의 비교
외부 광량에 대한 주간 온도와 습도 비교
주 ․ 야간 평균 습도의 비교
온실 내 CO2 농도의 비교
에너지 사용량의 비교
서 언
시설과채류의 대표적인 파프리카는 재배면적과 더불어 총 생산량이 지속적으로 증가하고있으며 고부가가치 작물로서 주목 받고있다(KATI, 2021; Yoon et al., 2021). 파프리카의 수량은 광, 온 ․ 습도, CO2와 같은 환경요인들에 영향을 받는다(Jeong et al., 2009). 온실 내 정밀 환경제어를 통해 생육단계별 최적 환경이 유지되어 작물 생육 안정 및 수확량 증대에 도움을 줄 수 있다(Shamshiri and Ismail, 2013). 그러나 국내 온실의 경우 낙후된 시설과 환경관리 기술로 생산성이 매우 낮은 실정이다. 에너지 비용은 온실 경영비에서 차지하는 비율이 높아 시설원예 에너지 절감은 해결해야할 문제 중 하나이다(Nam et al., 2014). 1970년대에 두 번의 에너지 파동이 발생한 후 에너지 절약에 관한 관심이 고조되었다. 이후 대체 에너지에 관한 연구가 활발히 진행되었으나, 1980년대에 유가 안정 등 화석연료의 공급과 수요의 균형을 이루면서 이에 관한 관심이 줄어들었다. 하지만, 최근 유가 상승의 문제에 대한 관심이 고조되고, 환경문제의 심각성에 대한 인식이 증가하고 있는 상황이다(Perera, 2017). 경제적인 면에서도 11월–3월은 파프리카의 가격이 연중 가장 높고, 난방 비용도 가장 많이 소요되는 시기일 뿐만 아니라 저온, 고습도 등 생육 환경의 영향으로 인해 수확까지 소요되는 일수가 길어지고, 생산량이 떨어지는 상황이 반복되고 있다(Kim et al., 2011).
네덜란드의 경우 파프리카의 단위 면적당 연간 생산량은 증가하고 있다(De Gelder et al., 2015). 이러한 증가는 환경요인, 병해충 관리 등의 영향을 받는다(Higashide and Heuvelink, 2009; De Gelder et al., 2015). 반밀폐형 온실(semi-closed greenhouse)은 내부 압력이 온실 외부에 비해 높고 능동형 냉난방 시스템을 이용하여 외부공기의 유입이 최소화되는 특징을 가지고 있다(de Zwart, 2008). 온실 내 양압 형성으로 환경을 균일하고 안정되게 유지할 수 있고 해충의 유입을 막아 살충제 사용을 줄인다(Sapounas et al., 2020). 최소한의 외부 공기만을 환기하여 에너지를 절약하고 CO2 농도를 높게 유지할 수 있어 작물 생산성을 높일 수 있다(Bakker et al., 2006; de Zwart, 2008; Qian et al., 2011; Le Quillec et al., 2017).
환경 관리 중 상대습도 40% 이하의 조건은 광합성의 억제가 시작되고 20% 이하의 경우 엽면 증산량이 증가하여 심할 경우 고사하게 된다. 반면, 80% 이상의 높은 습도 조건에서는 광합성 작용의 장해가 발생하며, 식물체 표면에 결로가 발생하여 내병성이 저하되고 병균 번식이 쉬워진다(Kang et al., 2007). 온실의 상대습도 관리는 대부분 자연 환기에 의존하고 있으며, 난방 기간 내 열 손실 방지를 위해 밀폐도가 높은 피복자재의 사용으로 온실 내 상대습도가 90% 이상으로 올라가는 경우가 빈번히 발생하고 있다(Lee et al., 2020).
CO2농도는 시설원예에서 중요한 환경 요소 중 하나이다. 동절기에는 자연환기를 할 수 없어, 적은 환기량에 의한 CO2 부족 등이 발생하여 생산량이 낮아지는 경향을 보이고 있다(Albright et al., 2000; Kim et al., 2011). 근래 시설 과채류 재배를 위해 CO2를 적극적으로 공급하는 농가가 증가하는 추세이다(Paek et al., 2020).
최근 식물체의 효율적인 생육 조절을 위해 CO2뿐만 아니라 온도, 습도, 양 ․ 수분 등이 정밀 환경 조절에 의해 관리되고 있다. 그중 야간 온도는 동절기 생육 조절의 중요한 환경 요인 중 하나이다(Kang et al., 2012). 적정 야간 온도보다 높거나 낮게 재배한 옥수수, 밀, 콩 등에서 수확량과 건물생산량의 감소가 나타났으며 작물의 생산성에 대한 영향력은 야간 온도가 주간 온도보다 높다고 보고된 바 있다(Peng et al., 2004). 고온성 작물인 파프리카는 야간 온도를 최저 18–19°C로 관리해야 한다. 난방비가 경영비에 차지하는 비중이 약 30–35%를 차지하고 있어 농가 경영에 어려움을 주고 있으며, 이 비중은 더 증가할 것으로 생각된다(Choi et al., 2004).
본 연구는 동일 지역 내 동절기 파프리카 생산이 이루어지는 일반형 온실과 반밀폐형 온실 농가를 대상으로 하여 온실 내 주 ․ 야간 온도, 습도, CO2, 전기 사용량을 비교 분석하여 두 온실 간의 환경 조건과 에너지 효율성을 구명하기위해 연구를 수행하였다.
재료 및 방법
본 연구는 벤로형 온실 중 공조 방식이 서로 다른 2개의 온실에서의 주 ․ 야간온도, 습도, 광, CO2 및 전기사용량의 차이를 구명하기 위해 전라남도 강진군 강진읍(34.62N, 126.77E)에 소재한 아트팜 영농조합법인의 일반형 온실(2.4ha, 208m × 135m × 6.5m, 벤로형 유리온실)과 전라남도 강진군 도암면(34.57N, 126.76E)에 소재한 써니너스 농업회사법인의 반밀폐형 온실(2.8ha, 235.6m × 120.6m × 7m, 벤로형 유리온실)에서 수행되었다. 연구 기간은 2020년 11월 1일에서 2021년 2월 28일까지 120일간이며 두 온실에서 재배된 파프리카는 반밀폐형 온실 2020년 6월 8일, 일반형 온실 2020년 7월 16일에 정식하였다.
일반형 온실은 지붕 마루를 중심으로 마주한 방향으로 개방되는 천창을 바람의 방향에 맞춰 개도율을 조절하여 환기하고 온도와 습도를 복합적으로 관리하였다. 온실 외부에 설치된 16개의 최대풍량 69,000m3/h인 AHU(Air Handling Unit, Sewon ENG, Korea)와 직경 300mm 비닐 덕트를 이용하여 거터 하부로 공기를 순환한다(Fig. 1A). 온실 천정에 설치된 풍량 5,000m3/h의 유동팬(FC040-4E_2F, Ziehl-Abegg, Germany) 42개를 가동하여 온실 내부의 공기 유동을 형성하였다. 반밀폐형 온실은 강제 순환 공조시스템(Ultra-Clima, Kubo, The Netherlands)을 이용하며 온실 길이 방향으로 설치된 직경 940mm, 1,020mm의 이중 비닐 덕트에 최대 풍량 33,000m3/h의 송풍팬(ZN-091, Ziehl-Abegg, Germany) 120개를 이용하여 온실 내 공기를 강제 순환하며 온실 남북의 측벽에 각각 3개씩 설치된 측창을 통해 온실 내부로 유입되는 외부 공기의 양을 조절하였다(Fig. 1B).
Fig. 1.
Facilities of the greenhouses compared in this study. Representative image of ducts in the conventional greenhouse (A), ducts in the semi-closed greenhouse (B), ventilation windows on the roof of the conventional greenhouse (C), outlet windows on the roof of semi-closed greenhouse (D), air handling unit of the conventional greenhouse (E), and air mixing chamber and inlet windows of the semi-closed greenhouse (F).
내부 온도와 습도를 일반형 온실에서는 5개 구역으로, 반밀폐형 온실에서는 4구역으로 구분하여 각 구역의 중앙위치에서 건구온도계와 습구온도계가 설치된 측정박스(MTV active, Ridder, The Netherlands)를 이용하여 측정하였다. CO2농도는 일반형 온실의 경우 CO2센서 KCD-HS300(Korea Digital, Korea), 반밀폐형 온실의 경우 CO2 센서 GMP252(Vaisala Oyj, Finland)를 이용하여 온실내 북쪽과 남쪽으로 구분하고 구역의 중앙위치에서 측정하였다. 측정된 환경 데이터의 수집 및 관리는 두 온실 모두 온실 환경제어 소프트웨어 Ridder Synopta v5(Ridder growing solution B.V., The Netherlands)를 이용하였다. 온실의 환경 데이터는 기온, 습도, CO2농도 및 온실 외부 광량을 일출 ․ 일몰을 기준으로 주간, 야간 및 24시간의 평균으로 수집하였다.
온실 난방에 소요되는 에너지 사용량은 2020년 11월부터 2021년 2월까지 각 온실에 난방과 공조를 위한 전기 사용량을 비교하였다. 이 기간 동안 일반형 온실의 평균 야간 난방 설정 온도는 17.5°C이고 반밀폐형 온실의 평균 야간 난방 설정 온도는 18.1°C이다.
측정된 데이터의 통계분석은 SPSS v.18(IBM Corporation, USA)를 이용하였으며 유의수준 5%에서 t-검정을 실시하여 비교하였다.
결과 및 고찰
온실 내 온도 환경의 비교
동절기(11월 1일–2월 28일, 120일)동안 일출 시각과 일몰 시각을 기준으로 주간과 야간을 구분하여 온실 별 주 ․ 야간 평균기온을 조사하였다(Fig. 2). 두 온실의 24시간 평균기온은 반밀폐형 온실 20.6 ± 0.9°C, 일반형 온실 20.0 ± 0.9°C로 반밀폐형 온실이 일반형 온실과 비교하여 0.6°C 높아 평균 기온은 통계적으로 유의한 차이가 인정되었다. 주간 평균기온은 일반형 온실의 22.7 ± 1.6°C, 반밀폐형 온실의 23.0 ± 1.4°C로 측정되어 유의한 차이가 나타나지 않았으나 같은 기간 동안 야간 평균기온은 일반형 온실 18.0 ± 0.8°C, 반밀폐형 온실 18.8 ± 0.8°C로 유의한 차이를 보였다. 특히, 온실 외부의 24시간 평균 기온이 1.6 ± 4.8°C로 가장 낮았던 1월에 일반형 온실의 야간 평균기온 17.2 ± 0.6°C, 반밀폐형 온실의 야간 평균기온 18.9 ± 0.8°C로 반밀폐형 온실이 일반형 온실과 비교하여 평균 1.7°C 높았다. 반밀폐형 온실은 일반형 온실보다 외부 기온의 변화에 대해 온실 내 온도가 안정적으로 유지되었으며 주간보다 야간에, 외부 기온이 낮을수록 그 차이가 더 크게 나타났다.
온실로 유입되는 광도가 211W/m2을 넘어서면 자연광에 의한 온도 상승으로 인해 주간에는 난방 에너지 투입이 필요하지 않다(Monteith and Unsworth, 2014). 야간에는 온실 외부로의 순손실이 커지므로 온실 상부의 보온 커튼을 닫아 외부로 복사 에너지 방출을 차단하고 난방 시설을 가동하여 온실 내부를 가온하여 온도를 유지하여야 한다(Rasheed et al., 2019).
온실에서는 온도를 점차적으로 상승 시키기 위하여 초저녁부터 일출 직후까지 난방에너지를 투입한다(Kwon et al., 2004). 일반형 온실의 난방에 사용된 에너지는 반밀폐형 온실보다 많았다(Fig. 6). 난방 에너지를 주로 사용하는 야간의 평균 기온은 반밀폐형 온실에서 더 높게 나타나 에너지 효율이 높은 것으로 나타났다. 반밀폐형 온실은 대형 송풍팬과 덕트를 이용해 외부 공기를 필요한 만큼 계산하여 능동적으로 유입하고 내부 공기의 순환을 강제하여 공기유동이 활발하다(Sapounas et al., 2020). 이로 인해 온실 내에 투입된 에너지가 온실내 기온의 위치 별 편차를 줄이고 고르게 유지하여 목표한 온도에 빠르고 정확하게 도달함으로써 불필요한 에너지 사용을 최소화한 것으로 사료된다.
외부 광량에 대한 주간 온도와 습도 비교
반밀폐형 온실과 일반형 온실에서 온실 내에 유입된 누적 광량에 대한 주간 평균 기온과 주간 평균 습도의 영향을 조사하였다(Fig. 3). 일별 누적 광량에 대한 주간 평균 온도의 추정식에서 일반형 온실은 y = 0.119x + 19.4(R2 = 0.29), 반밀폐형 온실은 y = 0.116x + 18.8(R2 = 0.26)로 나타났다. 추정식에서 반밀폐형 온실은 0.116°C/MJ·m-2, 일반형 온실은 0.119°C/MJ·m-2의 온도 변화가 나타나 동절기(11월–2월) 두 온실의 주간 평균 기온에 누적 광량의 영향이 적었다. 온실 내부 동절기 기간 중 온실 외부 기온의 평균은 5.1 ± 5.4°C로 온실 내부와 편차가 크게 나타나는 기간이므로 온실 외부의 차고 건조한 공기를 환기하여 온실 내부 기온 상승을 쉽게 억제 할 수 있다.
두 온실에서 주간 누적 광량에 대한 온실 별 주간 공기중 습도의 관계를 누적 광량과 수분부족분의 함수로 나타내었다. 반밀폐형 온실은 y = 0.08x + 3.1(R2 = 0.39), 일반형 온실은 y = 0.15x + 1.5(R2 = 0.49)로 누적 광량 1MJ·m-2당 반밀폐형은 0.08g/kg, 일반형 온실은 0.15g/kg의 차이가 발생해 누적 광량이 낮아 지면 일반형 온실의 수분 부족분이 반밀폐형 온실에 비해 1.88배 커서 온실의 습도가 높았다.
온실내 습도 제어는 환기를 기본으로 하고 있으나 외부공기의 온도가 매우 낮은 동절기에는 온실내 기온 유지를 위해 환기량이 제한되므로 피복재에서 발생하는 결로를 이용하여 제습하게 된다(Stanghellini et al., 2019). 일반형 온실에서 광량이 낮아질수록 온실 내 습도가 높은 것은 유입되는 광에 의한 온도 상승이 일어나지 않는 상태에서 온실 내 기온 유지를 위해 제습을 위한 온실 외부와의 환기량이 적어져 온실 내 습기 배출이 줄어들기 때문인 것으로 추정된다. 반밀폐형 온실은 최대 공기 순환 용량이 온실 부피 대비 11회/hr 인데 비해 일반형 온실에서 이용한 최대 공기 순환 용량은 온실 부피 대비 7.31회/hr 이다. 일반형 온실의 온실내 공기 유동량이 상대적으로 적고 효율적인 공기순환이 이루어지지 않아 피복재에서의 결로를 통한 제습이 효과적으로 일어나지 않는 것도 일반형 온실에서 누적광량이 적을때 습도가 높아진 원인으로 추정되며 대부분의 온실에서는 상부 유동팬만을 갖추고 있어 공기 유동량이 적어 그 차이는 더 커질 것으로 사료된다.
주 ․ 야간 평균 습도의 비교
동절기 두 온실에서의 평균 습도 차이를 확인하기 위해 주간과 야간 수분 부족분의 변화를 비교하였다(Fig. 4). 일반형 온실의 24시간 평균 수분 부족분은 2.8 ± 0.8g·kg-1로 반밀폐형 온실의 3.1 ± 0.4g·kg-1보다 낮아 습도가 높았다. 일출부터 일몰까지의 주간에는 일반형 온실의 수분 부족분이 3.0 ± 0.8g·kg-1로 반밀폐형 온실의 4.0 ± 0.5g·kg-1에 비해 습도가 높았다. 야간의 일반형 온실의 수분 부족분은 2.7 ± 1.0g·kg-1이며 반밀폐형 온실은 2.4 ± 0.5g·kg-1로 나타났다. 수분 부족분 변화에 대한 변동 계수는 일반형 온실에서 주간 0.28, 야간 0.31를 나타냈으며 반밀폐형 온실은 주간 0.13, 야간 0.19로 나타나 반밀폐형 온실에서 상대적으로 습도 변화가 안정적으로 나타났다. 반밀폐형 온실의 수분 부족분 편차가 낮은 것은 송풍팬의 속도를 조절하며 지속적으로 가동하는 공기 강제 순환 방식이 온실 내 환경 변화에 빠르게 대응하여 변동성이 적어지는 것으로 사료된다.
Shamshiri et al.(2018)에 의하면 일반적인 온실 내의 재배 환경에서 적절한 습도 범위를 수분 부족분 3.61–9.5g·kg-1로 제시하였다. 반밀폐형 온실의 주간 습도는 작물 생육에 적정한 수준이나 야간 습도는 높게 나타났으며 일반형 온실은 주야간 모두 습도가 높은 상태로 나타났다.
피복재 결로를 이용한 효과적인 제습을 위해서는 피복재에 접촉하는 공기의 온도를 높여 온도 편차를 크게 하고 적극적인 공기 순환을 통하여 공기층의 정체가 발생하지 않도록 하여야 한다(Stanghellini et al., 2019). 주간에 반밀폐형 온실의 습도가 일반형 온실보다 습도가 낮은 것은 공기 순환량이 많은 반밀폐형 온실의 제습효과가 높았던 것으로 추정된다. 야간의 반밀폐형 온실의 습도가 일반형 온실에 비해 높은 것은 보온커튼의 사용으로 인해 온실 내 공기가 피복재와의 접촉이 제한된 상태에서 풍속 1m/s 이하의 공기 유동으로 원활한 증산을 유도하기 때문으로 사료된다(Kitaya et al., 2003).
일반적인 시설 온실 재배의 경우 동절기에는 온실내 온도 하강을 막기 위해 환기량이 제한되어 습도가 높아지는 특성이 있다. 높은 습도는 작물 표면의 결로를 발생시켜 곰팡이병 발생의 원인이 된다(Körner and Challa, 2003). 특히 반밀폐형 온실에서는 일반형 온실에 비해 습도가 높게 형성되므로 곰팡이병에 대한 발생 위험이 높다고 보고되었다(Heuvelink and González-Real, 2008; Qian et al., 2011). 따라서, 온실내 기온의 급격한 변화로 인한 식물체 표면의 결로 발생을 최소화하고 발생된 작물 표면의 결로는 공기 유동을 속도를 높여 빠르게 증발시킬 수 있도록 관리하여야 한다.
온실 내 CO2 농도의 비교
반밀폐형 온실과 일반형 온실의 주 ․ 야간 CO2농도를 비교하였다(Fig. 5). 일반형 온실의 일평균 CO2농도는 670.8 ± 122.4ppm으로 반밀폐형 온실의 718.1 ± 99.0ppm에 비해 유의하게 낮았다. 목표 농도 유지를 위해 두 온실 모두 지속적인 CO2 공급을 하였기 때문에 주간 평균 CO2 농도는 일반형 온실 657.6 ± 179.3ppm, 반밀폐형 온실 658.9 ± 113.2ppm으로 차이가 없었으나 야간 평균 CO2 농도는 일반형 온실 682.1 ± 103.7ppm, 반밀폐형 온실 762.7 ± 107.4ppm 주간 농도에 비하여 평균의 차이가 크게 나타났다. 동절기 야간에는 온도 유지를 위해 환기가 중단되며 광합성을 통한 CO2의 소비가 일어나지 않으며 추가적인 CO2 공급을 중단하므로 온실 내에는 온전히 식물체의 호흡에 의해 CO2가 축적된다(Kläring et al., 2007).
두 온실의 주간 CO2농도에서는 차이가 없으나 반밀폐형 온실에서 환기가 일어나지 않는 동절기 야간 CO2농도가 높게 나타난 것은 환기창의 개수가 적어 온실의 밀폐도가 높은 것에 기인한 것으로 추정된다.
에너지 사용량의 비교
동절기(11월–2월) 동안 단위 면적에 대한 월간 누적 에너지 사용량은 반밀폐형 온실 13.8kWh·m-2, 일반형 온실 15.3kWh·m-2로 나타났다(Fig. 6). 두 온실의 4개월간의 에너지 사용량의 변화는 차이가 나타나지 않았으며, 평균 사용량은 일반형 온실이 반밀폐형 온실보다 10.2% 높았다. 11월은 일 평균 외부 기온이 10.9 ± 3.73°C로 12월(2.6 ± 2.97°C), 1월(1.6 ± 4.83°C), 2월(5.3 ± 4.11°C)에 비해 상대적으로 높아 11월의 에너지 소비량이 동절기 기간 중 가장 적었다. 따라서 외부 온도에 따른 난방 요구가 높으면 에너지 소비량이 함께 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
두 온실 간의 평균 기온은 반밀폐형 온실에 비해 일반형 온실이 낮았으며 에너지 사용이 적은 주간에는 온도차이가 크게 나타나지 않았다. 난방에너지를 많이 사용하는 야간에는 반밀폐형 온실의 온도가 더 높게 나타났다(Fig. 2). 특히 외부 기온이 가장 낮았던 1월에 두 온실 간의 온도 차이는 더욱 크게 나타났다. 온실내 평균 기온은 높게 유지되었으나 전기 사용량은 낮았던 반밀폐형 온실이 동절기 환경 관리에 유리하며 에너지 효율이 높았던 것으로 판단된다. 반밀폐형 온실은 외부와의 공기 교환을 최소화하여 열 및 수분의 손실을 억제하고 적극적인 냉난방을 통하여 온도를 관리하는 방식이다(Qian et al., 2011; Katsoulas et al., 2015). 온실 내에 열에너지를 전달하기 위해 레일파이프 난방을 사용하는 일반형 온실과 FCU(Fan Coil Unit)에서 데워진 공기를 덕트를 통해서 전달하는 반밀폐형 온실사이에는 열 전달되는 방식(Convection)간의 근본적인 차이에 있다. 또한 본 실험에서는 난방수의 정확한 열량 및 열 전달 효율을 반영하지 못하여 에너지 효율 차이 발생 원인을 파악하기 부족하였다. 이후 연구에서는 두 형태의 온실에서 사용되는 열 전달 장치의 특성과 정보를 정확하게 비교하는 실험이 필요하다고 생각된다.
본 연구의 결과는 반밀폐형 온실의 능동적 공조 방식이 동절기에 최소한의 환기로 인해 온실 내 환경 변화의 편차를 줄일 뿐 아니라 제습 효과를 높여 일반형 온실에 비해 에너지 효율이 높고 안정된 작물 재배 환경을 유지하는데 도움이 되었음을 확인하였다. 따라서, 연중 기후 변화가 심하여 에너지 사용이 많은 국내 시설 재배의 에너지 효율 향상을 위한 요소기술 개발의 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
