서 론
재료 및 방법
1. 냉방부하 산정
2. 온실 냉방시스템 설치
3. 포그 냉방제어시스템 설계 및 제작
4. 포그 냉방시스템 실증
결과 및 고찰
1. 노즐의 분무입경
2. 노즐의 분무량
3. 냉방성능
4. 오이 생육상태
5. 수확량
서 론
여름철에는 온실 내부온도가 작물의 생육 한계온도 이상으로 지속되는 날이 많기 때문에 온실의 휴경 증가 및 수확량 감소로 농가 피해가 발생하고 있다. 이러한 이유로 매년 8월경의 주요 농산물 가격이 평상시에 비해 3~4배 비싼 가격이 형성되고 있어(KAMIS, 2019), 이 시기에 작물을 정상적으로 재배할 수 있는 온실 환경 제어기술 개발은 농가소득을 크게 올릴 수 있는 기회이기도 하다.
온실의 냉방을 위해 환기, 차광, 증발냉각, 히트펌프 등의 기술이 주로 이용되고 있다. 환기 장치를 이용할 경우의 온실 내부온도는 외기온 보다 5℃ 이상 높게 형성되며, 차광은 외기온과 비슷한 정도를 유지할 수 있는 것으로 보고되고 있다(Nam 등, 2005, 2015; Sethi and Sharma, 2007). 온실 내부온도를 외기온 보다 낮출 수 있는 냉방기술은 히트펌프 냉방과 증발냉각이 대표적이다. 여름철 온실의 냉방부하는 겨울철 난방부하 보다 약 10배 이상 높기 때문에 히트펌프는 겨울철 최대 난방부하를 기준으로 용량을 설계한다(Suh 등, 2009). 차광과 동시에 히트펌프를 가동하여도 온실 내부온도는 35℃ 이상 올라가기 때문에 히트펌프는 여름철 주간보다는 야간에 사용하는 것이 효율적이다(RDA, 2018). 여름철 고온기에 온실 내부온도를 외기온도 보다 5℃ 이상 낮출 수 있는 냉방기술은 포그와 패드앤팬과 같은 증발냉각 기술이다(Sethi와 Sharma, 2007). 패드앤팬(pad and fan system) 냉각기술은 미국, 유럽 등에 상용화되어 보급되고 있으나, 국내에서는 설치비용 과다, 그늘 생성, 패드와 팬측의 온·습도 편차, 유지보수 어려움 등으로 일부 제한적으로 사용되고 있다(NIHHS, 2003). 그리고 냉방시스템(fog cooling system)은 국내 시설재배 농가에서 가장 선호하는 냉방기술이지만 설치기준이 없고 대부분 자동방제기로 등록되어(KAMI, 2019) 방제와 냉방 겸용으로 판매하고 있다. 그러나 방제효과가 인력분무기의 50% 미만으로 크게 떨어지고(Hermosilla 등, 2013), 냉방효과도 떨어져 사용하지 않고 있는 농가가 대부분이다(Lee와 Kim, 2011).
포그 냉방은 액체가 기체로 기화할 때 약 539kcal·L-1의 열을 흡수하여 냉각되는 원리를 이용(NIHHS, 2003)하기 때문에 물을 최대한 많이 증발시켜야 온실 내부 온도를 최대로 떨어트릴 수 있다(Yu 등, 2002). 따라서, 물의 양이 많을수록, 입자가 작을수록, 살포 균일도가 높을수록, 상대습도가 낮을수록 온실 내부온도를 크게 떨어트릴 수 있다(Mahmoud, 2015; Ozturk, 2006). 우리나라는 장마기를 전후로 온실 내부 상대습도가 40%에서 60%로 증가하기 때문에 장마기 이후에 포그 냉방을 연속적으로 가동하면 온실 내부 상대습도가 80%에 도달하여 증발효율이 크게 저하된다. 현재 농가에 보급된 포그 시스템은 타이머에 의존해 포그와 팬을 교대로 가동하도록 되어있다(Yu 등, 2001; Rhee 등, 2015). 그러나 장마기 이후에는 소나기가 잦고 구름에 의해 일사량이 시시각각 변하기 때문에 온실 내부의 분무입자가 증발되지 못하고 포화상태에 이르게 되어 냉방성능이 떨어지고 작물의 생육에 지장을 주는 경우가 많다(Kim 등, 1999; Kim 등, 2001; Nam 등, 2013).
본 연구는 여름철 고온기에 작물을 정상적으로 재배할 수 있는 온실 내부 환경을 조성하여 농산물 가격이 가장 높은 여름철에 작물의 생산성을 높이고 재배기간을 연장시켜 농가소득을 올릴 수 있는 방안을 제시하고자 수행하였다.
재료 및 방법
1. 냉방부하 산정
온실의 이론적인 최대 냉방부하는 식 (1)로 계산하여 단동 온실은 192,634W, 연동 온실은 462,609W로 산정되었다(MIAS, 2010). 냉방부하 계산에 적용한 단동 온실의 크기는 폭 7.0m, 길이 30m, 측고 1.7m, 동고 3.5m, 온실표면적 402m2, 바닥면적 210m2이며, 연동 온실은 폭 14m(7m×2연동), 길이 36m, 측고 1.7m, 동고 4.7m, 온실표면적 972m2, 바닥면적 504m2이었다. 열전달률은 6.6W·m-2·.℃, 최고 외기온은 38℃, 온실 내부 설정온도는 32℃, 최대일사량은 872W·m-2, 차광률은 0%를 적용하였다. 물 1L가 증발했을 때 539kcal 열이 증발하는 것으로 가정하여 단동 및 연동 온실의 경우 각각 시간당 308L 및 738L의 물이 기화될 수 있도록 포그 시스템을 설계하여 고온기에 차광을 하지 않은 상태에서 온실 내부온도를 32℃ 이하로 유지할 수 있도록 하였다.
| $$Q=A_g\times\lbrack K_W\times A_W/A_g+3.1)\times(T_O-T_i)+R_S\times(1-\eta)-44.8\rbrack$$ | (1) |
여기서 Q : 냉방부하(W), Ag : 온실 바닥면적(m2),
KW : 열전달률(W·m-2·℃-1),
AW : 온실 표면적(m2), TO : 주간 최고 외기온(℃),
Ti : 주간 온실내부 설정온도(℃),
RS : 최대 일사량(W·m-2), η : 차광률(%)
2. 온실 냉방시스템 설치
온실 냉방시스템은 포그장치, 유동팬, 차광막으로 구성하였다. 포그 장치는 농가에서 대표적으로 이용하고 있는 고압식과 저압식 노즐을 설치하였다. 고압식(일유체)은 고압 펌프(NHD1215, Washcar, Italy)로 유체를 압축시켜 노즐(0.2mm, Citizen, Korea)을 통과할 때 분무 입자가 생성되는 원리를 이용하며 펌프, 컨트롤러, 노즐, 물 호스 등으로 구성된다. 저압식 이류체 노즐(0.6mm, Samchang, Korea)은 유체가 노즐을 통과할 때 압축공기를 유체와 충돌시켜 분무 입자가 생성되는 원리를 이용하며, 고압식 방식과 달리 공기압축기(DW-10A, Doowon Tech, Korea)가 추가로 필요하다. 단동 온실은 Fig. 1과 같이 이류체 및 일유체 노즐을 각각 29개(온실 좌우측) 및 52개(온실 가운데)를 설치하였으며, 연동 온실은 Fig. 2와 같이 이류체 및 일유체 노즐을 각각 64개(온실 좌우측) 및 124개(온실 가운데)를 설치하였다. 분무압력은 고압 방식의 경우 펌프 압력을 4MPa, 저압 방식의 경우 펌프 압력과 공기압축기 압력을 0.5MPa로 설정하였다.
공기순환은 Fig. 3과 같이 단동 온실의 경우 32m3/min의 유동팬을 10m 간격으로 2줄로 배치하여 총 6개를 설치하였으며, 연동 온실의 경우는 35m3/min의 원통형 축류팬 10m 간격으로 2줄씩 12개를 설치하였다. 시험기간 동안 환기는 단동 온실의 경우는 측창과 앞뒤 출입구를, 연동 온실의 경우는 측창, 천창 및 앞뒤 출입구를 개방한 상태에서 시험하였다.
차광장치는 단동 온실의 경우 Fig. 4(a)와 같이 비닐피복 외부에 차광율 95%의 차광망을 이용하였고, 연동 온실의 경우는 Fig. 4(b)와 같이 알루미늄 수평커튼을 설치하였다. 차광 장치는 포그 온실에서는 사용하지 않았으며 대조 온실에서만 11시에서 15시까지 차광을 실시하였다(NIHHS, 2003). 온실의 온·습도 측정은 포그 온실과 대조 온실의 지상 120cm 높이에 8m간격으로 3줄씩 온·습도계(TR-72, T&D, Japan) 9개를 설치하였다.
3. 포그 냉방제어시스템 설계 및 제작
포그 냉방제어시스템의 제어 알고리즘은 Fig. 5와 같이 설계하였다. 제어순서는 온실 온·습도 및 편차를 설정하고, 온실 내부온도가 ST1(설정온도1) + DT1(온도편차1)에 도달하게 되면 포그 장치가 가동되고, 온실 내부가 설정온도에 도달하거나 온실 내부의 상대습도가 설정습도 + 습도편차에 도달하게 되면 포그 장치가 정지시키도록 설계하였다. 팬은 온실 내부의 상대습도가 높을 경우 포그 분무입자의 증발이 잘 일어나지 않기 때문에 장마기를 전후로 상대습도가 크게 증가하는 우리나라 기후특성에 맞추어 팬의 가동방법을 저습 또는 다습 조건으로 선택할 수 있도록 설계하였다. 저습 조건은 장마기 이전에 대기의 상대습도가 낮은 환경에서 사용하는 조건으로 포그 분무로 온실의 상대습도가 높아질 경우만 팬을 가동시켜 온실 내부의 상대습도를 출입구와 측창, 천창을 통해 외부로 불어낼 수 있도록 하였다. 다습 조건은 장마기 이후 대기의 상대습도가 높아서 온실 내부의 상대습도가 쉽게 증가하기 때문에 포그 장치가 가동되기 시작할 때부터 팬을 가동시켜 내부의 다습한 공기를 온실 밖으로 불어내면서 포그와 팬을 동시에 가동시킬 수 있도록 설계하여, 온실 내부 상대습도가 설정값과 편차의 합 이하이고 내부온도가 설정값과 편차의 합 이하이거나 설정온도에 도달할 경우에 팬을 정지하도록 하였다. 차광은 포그 시스템을 가동하여도 온실의 내부온도가 작물의 한계생육적온을 초과할 경우에 가동시켜 온실의 내부온도가 설정값 이하일 때 중지하도록 설계하였다.
포그 냉방 자동제어장치는 Fig. 6과 같이 포그, 팬, 차광 장치를 자동 제어하는 장치와 PC나 스마트폰을 통해 원격으로 제어하는 프로그램으로 구성하였다. 원격 제어 프로그램은 원격으로 온실 환경을 모니터링 할 수 있고, 온실 환경 데이터 백업, 제어 및 경보 이력을 조회할 수 있도록 설계하였다(Prototype, Systronics, Korea).
4. 포그 냉방시스템 실증
온실 냉방효과 실증시험은 Fig. 7과 같이 단동 온실의 포그 및 대조 온실, 연동 온실의 포그 및 대조 온실에서 시험하였다. 연동 온실은 백다다기 오이를 5월 2일에 정식하였으며, 단동 온실은 가시오이를 5월 15일에 정식하여 9월 초순까지 재배하였다. 생육상태는 오이의 초장, 엽장, 엽폭, 엽수, 엽록소, 수확량, 오이길이, 기형과 등을 측정하여 비교하였다.
결과 및 고찰
1. 노즐의 분무입경
노즐의 분무 입경 측정은 분무 입자 측정기(Spraytec 3.30, Malvern spraytec, UK)를 이용하여 분무 압력별 노즐의 분무 입경을 측정하였다(Fig. 8). 분무 입경을 측정한 위치에서 노즐까지의 거리는 분무 압력 2, 4, 6, 8MPa에서 각각 45, 62, 77, 77cm 이었다. 일유체 및 이류체 노즐의 평균체적입경(volume median diameter)은 Fig. 9와 같이 각각 30.2~56.1㎛ 및 25.6~50.5㎛범위로 측정되었으며, 분무압력이 증가할수록 분무 입경이 작았다. 포그 노즐의 상용압력인 4MPa에서의 일유체 및 이류체 노즐의 분무입경은 41.2㎛ 및 38.5㎛로 포그 냉방에 적합한 크기로 나타났다.
2. 노즐의 분무량
포그 냉방에 소요되는 물의 양을 측정하기 위해 일유체 노즐과 이류체 노즐의 분무량을 측정하였다. 분무 유량 측정은 디지털유량계(F-1000, DWYER, USA)를 Fig. 10과 같이 물통 입구에 설치하고, 10분간 소요되는 물의 양을 측정하여 단위면적당 물 소요량으로 환산하였다. 상용 분무압력(일유체 4MPa, 이류체 0.56MPa)으로 사용했을 때의 연동 온실의 분무량은 472L·h-1로 식 (1)에 의해 계산한 이론적 물 소요량 738L·h-1 보다 266L·h-1 적게 나타났다(Table 1). 이 차이는 식 (1)로 산정한 물 소요량은 외기온 38℃에서 872W·m-2의 일사량이 지속적으로 유지되었을 때의 최대 냉방부하를 기준으로 산정한 값이지만, 실험기간 동안의 일사량은 수시로 변하기 때문에 실제 물 소요량은 이보다 적은 472L·h-1로도 온실 내부 온도를 32℃ 이하로 유지할 수 있었던 것으로 판단된다.
Table 1.
Water consumption of fog nozzle.
| Nozzle type | Spray pressure (MPa) | Flow rate (L·min-1) | Water consumption (mL·m-2·min-1) |
|
Single-fluid nozzle Twin-fluid nozzle | 4.0 0.56 | 4.2 3.6 | 16.8 |
3. 냉방성능
차광을 하지 않은 포그 온실의 내부온도는 연동 및 단동 온실에서 각각 13.1~32.0℃(평균 25.1℃) 및 13.2~35.6℃(평균 24.4℃) 범위로 나타났다. 연동 온실의 내부 온도는 32℃ 이하로 유지할 수 있었으나(Fig. 11), 단동 온실의 경우는 장마기 이후 일부 측정구간에서 32℃를 초과하였다(Fig. 12). 이것은 단동 온실의 높이가 3.5m로 연동 온실의 4.7m에 비해 1.2m 낮고, 천창이 연동 온실에만 설치되어 있기 때문에 환기 성능이 떨어져서 나타난 결과로 판단된다. 대조 온실에서는 차광을 해도 12.9~38.1℃(평균 26.2℃) 범위에서 변화하여 주간의 온실 내부온도가 38℃에 근접한 시간이 많았다.
야간의 온실 내부온도는 약 13~25℃ 정도의 분포를 보였고, 포그 온실과 대조 온실의 차이는 없었다. 장마기 이전인 7월 20일까지는 외기 상대습도가 40% 정도로 낮기 때문에 분무입자의 증발 효과가 높아서 온실 내부온도를 28℃ 이하로 유지할 수 있었으나, 장마기 이후에는 외기의 상대습도가 60% 수준으로 높아져 온실 내부온도가 32℃까지 상승하였다. 이러한 결과는 상대습도가 증가하여 분무입자의 증발효율이 크게 떨어져서 나타난 결과라고 판단된다(Kim 등, 1999, Kim 등, 2001). 측정기간 중 최고 외부 온도가 38℃인 것을 고려하면, 포그 냉방시스템의 냉방성능은 외기 온도 대비 –6℃로 나타났다. 포그 냉방은 포그 장치의 설치방법 및 기후 환경에 따라 성능이 차이가 나지만(Mahmoud, 2015) 일반적으로 외기온 대비 3~8℃로 보고되고 있다(Guerrero, 2012; Sethi 등, 2007). 측정 기간 중 외기 온도는 11.7~37.8℃(평균 24.9℃)로 나타났다.
포그 온실의 내부 상대습도는 연동 및 단동 온실에서 각각 37.6~100%(평균 79.9%) 및 31.1~100%(평균 80.4%) 범위로 나타났다. 대조 온실 내부 상대습도는 연동(Fig. 13) 및 단동(Fig. 14) 온실에서 각각 25.0~99.9%(평균 72.7%) 및 20.9~100%(평균 70.9%) 범위로 포그 온실의 내부 상대습도에 비해 10% 낮게 나타났다. 장마기 이전인 7월 20일까지는 포그 온실 내부의 주간 상대습도가 40~60% 범위로 나타났으며, 장마기 이후에는 60~80% 범위로 20% 정도 높게 나타났다. 오이 재배에 적합한 상대습도 범위는 60~80%로 보고되고 있으며(RDA, 2018), 온도가 높을수록 상대습도가 높게 관리되어야 하기 때문에 포그 냉방은 작물의 생육에도 크게 기여할 수 있다고 판단된다(Perdigones 등, 2008). 야간의 포그 온실과 대조 온실 내부 상대습도는 일몰 후부터 점점 높아져서 0시에 99%까지 높아졌다가 점점 낮아지는 것으로 나타났다.
4. 오이 생육상태
오이의 생육상태(초장, 엽장, 엽폭, 엽수 및 엽록소)의 경우, 단동 및 연동 온실에 관계없이 실험온실이 대조 온실보다 전체적으로 양호한 것으로 나타났다. 단동 온실의 경우, 초장, 엽폭 및 엽장은 각각 정식 후 20일과 48일에서 유의성이 있는 것으로 분석되었다(Table 2). 연동 온실의 경우는 초장과 엽수는 127일에서, 엽록소는 33일에서 유의성이 있는 것으로 분석되었다(Table 3). 단동 및 연동 온실에서 오이 생육이 차이 나는 것은 토양, 온실의 내부온도 및 상대습도 등이 원인인 것으로 판단된다.
Table 2.
Cucumber growth status in single-span greenhouse.
1) Each value is mean±SD.
2) Mean values in the same row (A-C) followed by different letters are significantly different according to Duncan’s multiple range test (p< 0.05).
3) Significance of pair-wise comparison between the control and fog system treatment for each period is indicated with asterisks (*p<0.05, **p<0.01, and ***p<0.001) using Student’s t-test.
Table 3.
Cucumber growth status in multi-span greenhouse.
1) Each value is mean±SD.
2) Mean values in the same row (A-C) followed by different letters are significantly different according to Duncan’s multiple range test (p<0.05).
3) Significance of pair-wise comparison between the control and fog system treatment for each period is indicated with asterisks (*p<0.05, **p<0.01, and ***p<0.001) using Student’s t-test.
포그 온실의 오이의 생육상태는 오이의 생육상태를 재배기간 전체적으로 보면, 단동 및 연동 온실에 관계없이 실험 온실의 생육상태는 9월 초순까지 정상적으로 수확할 수 있을 정도로 매우 양호하였지만, 대조 온실은 8월 중순 이후 전반적으로 생육상태가 좋지 않았다(Fig. 15).
5. 수확량
단동 온실의 오이 수확량은 정식 후 64일을 정점으로 높아졌다가 감소하는 경향으로 나타났다. 오이의 평균 수확량은 대조 온실의 경우 0.82kg/주, 포그 온실의 경우는 1.44kg/주로 포그 처리구에서 1.8배 많았으며, 통계적으로는 정식 후 51일과 64일에서 두 처리 간에 차이가 나타난 것으로 분석되었다(Table 4). 오이의 길이와 직경은 포그 온실의 오이가 대조 온실의 오이에 비해 크고 상품성도 좋게 나타났다(Fig. 16).
Table 4.
Cucumber yields in single-span greenhouse.
1) Each value is mean±SD.
2)Mean values in the same row (A-C) followed by different letters are significantly different according to Duncan’s multiple range test (p<0.05).
3)Significance of pair-wise comparison between the control and fog system treatment for each period is indicated with asterisks (*p<0.05, **p<0.01, and ***p<0.001) using Student’s t-test.
연동 온실에서의 오이 수확량은 포그 온실에서 전체적으로 많았으며, 정식 후 44일과 54일에서 통계적으로도 차이가 나타났다(Table 5). 오이 평균 수확량은 대조 온실의 경우 평균 0.74kg/주, 포그 온실의 경우는 1.53kg/주로 포그 처리구에서 2배 많았다. 오이의 길이와 직경은 포그 온실의 오이가 대조 온실의 오이에 비해 크고 상품성도 좋게 나타났다(Fig. 17).
Table 5.
Cucumber yields in multi-span greenhouse.
1) Each value is mean±SD.
2)Mean values in the same row (A-B) followed by different letters are significantly different according to Duncan’s multiple range test (p<0.05).
3)Significance of pair-wise comparison between the control and fog system treatment for each period is indicated with asterisks(*p<0.05, **p<0.01, and ***p<0.001) using Student’s t-test.
