서 론
국내 시설채소의 온실 면적은 2014년 51,787ha로 온실 면적 중 가온재배면적은 2008년 21%에서 2014년 29%로 증가하였다(MAFRA, 2015). 국내 가온 원예시설의 난방 에너지원은 유류의 비중이 약 85%로 가장 높아 국제유가 의 변동성에 취약한 구조를 가지고 있다. 또한, 국내 시설 채소 가온 온실의 75%는 온풍난방기를 사용하고 있으며, 야간에는 난방기 공급열이 온실 상부에 정체되어 에너지 이용효율이 낮아지는 문제가 있다. 특히 겨울철에는 온풍 난방 시 온풍기가 있는 온실 앞부분에서 나오는 더운 공 기의 온도와 덕트 끝부분에서 나오는 공기의 온도 차이로 인해 온실 전면과 후면의 기온 차이가 생기는 경우를 흔 히 볼 수 있다. 이러한 온실 내부의 온습도 불균일은 냉 난방 에너지의 소비를 증가시켜, 생육 불균일에 의한 생 산성 저하와 재배관리상의 어려움을 초래한다.
온실 환경관리에서 온실 내 온습도, CO2 농도 등 환 경을 균일하게 유지하는 것은 작물재배관리, 품질 및 생 산성 면에서 중요하다. 온실 내 온도와 습도의 차이는 작물의 생육을 불균일하게 만들고 그로 인해 수량 및 품질이 떨어지거나, 재배기간이 길어지는 문제 등을 야 기한다(Bakker, 1990; Nam과 Kim, 2009). 온실 내 환경 을 균일하게 만들어 주는 방법 중 공기 유동률을 높여 공기순환을 유도하는 방법이 보고되고 있다(Koths와 Bartok, 1985; Yu 등, 2007). 공기순환은 온실 내 환경을 균일하게 만들고 작물의 생육환경에 적합한 풍속을 만들 어낸다(Kim 등, 2000). 이러한 환경은 작물의 증산과 광 합성 과정에서 균일한 생육을 촉진시킨다. 이 외에 공기 순환은 병해충 방제에도 도움이 되는데, 묘의 고사율을 감소시키고 수량을 증가시키는 등 작물의 재배관리를 용 이하게 한다(Jee 등, 2008).
온실 내 공기를 순환시키기 위한 방법으로 수평팬 유 도 공기순환 방법과 상부 플라스틱 천공튜브 방법이 사 용되고 있다. 수평팬 유도 공기순환 방법은 일정한 간격 으로 순환팬을 설치하여 온실 내부에 공기유동을 만들어 주어 공기를 순환시키는 방식이고, 상부 플라스틱 천공튜 브 방법은 온실 한쪽 끝에 팬을 설치하고 일정한 간격으 로 천공된 튜브를 팬에 연결하여 튜브의 구멍에서 나오 는 공기로 일정 구역의 공기를 순환시키는 방법이다. 수 평팬 공기순환 방법은 상부 플라스틱 천공튜브 방법에 비해 유지비, 초기 투자비가 적고 공기 순환 및 열분배 에 더 효율적인 것으로 보고되고 있다(ASAE, 1997; Yu 등, 2007). 영국과 이스라엘에서는 온실 내 수평 순환팬 을 설치하여 온실 내 온습도의 변동폭이 감소하고 균일 도가 향상된다는 것을 밝힌 바가 있다(Fernandez와 Bailey, 1994; Teitel, 2004).
순환팬의 적정 배치 및 용량에 관한 기준은 ASAE (1997), NRAES (1994), (Hellickson 등Choi, 1999)이 제 시하고 있다. 그러나 이러한 관련 기준들은 온실 내 일 정한 기류분포를 만들어 주는 데에만 중점을 두고 있으 며, 이를 검증하는 순환팬과 관련된 시험데이터는 존재 하지 않는다(ASAE, 1997; Choi, 1999; NRAES, 1994; Yu 등, 2007). 또한 국내에서는 온실 내 순환팬 설치 시 순환팬 제조업체별로 다소 상이할 수 있는 경험에 의존 하여 팬을 설치하고 있는 실정이며, 순환팬 설치 방법에 대해서는 명확한 기준이 제시되고 있지 않다. 앞으로 온 실 순환팬과 관련된 연구들을 통해 국내 원예 시설 여 건을 고려한 적정 순환팬의 용량과 배치 방법, 운용기술 의 기준 설정이 필요하다.
본 연구에서는 전주시 완산구 중동에 위치한 토마토 재배 단동온실에서 공기순환팬을 설치했을 때 순환팬의 용량 및 설치 간격 등의 조건을 달리하여 온실 내 온도 및 습도에 미치는 영향을 조사하였다.
재료 및 방법
1. 시험 온실 및 재배작물
시험은 전주시 완산구 중동 국립농업과학원 농업공학부 에 있는 단동온실(10-단동-6형)에서 이루어졌으며, 온실의 길이는 25m, 폭은 7m, 측고 1.7m, 동고는 3.2m였다. 온실 은 PE 필름의 2중 피복으로 다겹보온 커튼이 설치되어 있 다. 재배작물은 유럽계 ‘데프니스’와 ‘메디슨’(신젠타 코리 아)을 공시하여 2015년 8월 말에 파종, 10월 중순에 양액 베드에 정식하였다. 양액베드는 0.75m 간격으로 5라인을 설치하였고, 작물은 재식 간격 0.25m로 한 줄기를 재배하 였다. 온실 내 야간 온도 관리를 위해 전기온풍기(HK- 0912, 한강산업전기, 한국) 2대를 사용하였다. 전기온풍기 의 설정온도는 14°C였으며, 온풍기의 송풍구(Ø 250mm)에 비닐덕트를 연결하여 사용하였다. 전기온풍기의 위치는 Fig. 2과 같으며, 베드와 베드 사이의 간격은 0.75m였다. 시험 기간은 2015년 11월 21일부터 12월 17일까지였으며, 시험 수행 당시 작물의 높이는 1.8~2.0m였다.
2. 공기순환팬의 설치 조건
공기순환팬은 농가에서 많이 쓰는 팬 중 날개 크기 230mm의 Stainless 팬을 사용하였으며, 설치할 팬의 수 는 팬의 용량에 따라 결정되므로 시험에 사용할 팬의 풍량을 직접 측정하였다. 팬의 풍량은 한국산업규격 송 풍기의 시험 및 검사 방법에 준하여 풍량 측정 장치를 만들어 측정하였고, 그 결과는 약 11m3/min였다.
순환팬의 배치 및 용량과 관련하여 ASAE (1997), NRAES (1994) 및 Hellickson 등(Choi, 1999)이 그 기준을 제시하고 있는데, 기준별 필요 용량으로 공기순환팬 필요 대수를 산정해보면 각각 10대, 12대, 14대다. 이를 근거로 가장 경제적인 ASAE (1997) 기준에 맞추어 공기순환팬 10대를 5대씩 2열 및 다른 방향, 4.5m 간격으로 설치하고 온실 내 온습도 분포를 살펴보았다(Fig. 1의 (a)).
한편, 공기순환팬 10대를 설치해야 하지만 팬의 용량 및 대수를 줄여서 비슷한 효과를 볼 수 있다면 농가에 서 순환팬을 보다 경제적으로 사용할 수 있을 것이다. 따 라서 팬의 대수를 Fig. 1의 (b), (c)와 같이 6대 및 5대로 각각 줄여 9m 간격으로 설치하고 온실 내 온습도 분포 를 측정해 보았다. 그리고 10대를 기존과 달리 2열 및 같은 방향, 4.5m 간격으로 설치하여(Fig. 1의 (d)) 온실 내 온습도를 측정하고 다른 시험의 결과와 비교하였다.
3. 온실 내 온습도 측정
온실 내 온습도는 온실과 베드의 위치를 고려하여 온 실 내부를 길이방향, 폭방향으로 각각 3등분하여 9개의 격자망으로 나누고 각 격자 중앙에 온습도 센서(HOBO U23-001)를 설치하였다(Fig. 2). 각 측점마다 높이를 달 리하여 2개 혹은 3개 센서를 설치하였는데, 온실 중앙에 는 지면으로부터 0.7m, 1.7m 및 2.7m 높이(양액베드 높 이: 0.7m)에 센서를 설치하였고, 온실 좌우측은 온실의 높이를 고려해 0.7m, 1.7m 높이에 센서를 설치하였다. 온실 내 온도 및 습도 데이터는 주로 난방을 하는 시간 대인 18시부터 다음날 08시까지로 하고 10분 간격으로 저장하였다. 수집된 자료의 결과는 측정 시간 내 평균값 으로 온실 상부의 온습도 값은 2.7m 높이 3지점, 하부 의 온습도 값은 0.7m 높이 9지점의 평균값이다. 또한 온실 좌우측면의 온습도 값은 좌우 6지점의 평균값이며, 온실 전후면의 온습도 값은 전후 7지점의 평균값이다.
결과 및 고찰
1. 공기순환팬 운용에 따른 온실 내 온습도 분포 변화
Fig. 3은 시험 온실에서 18시부터 다음날 8시까지 공 기순환팬을 사용하지 않았을 때와 공기순환팬 10대를 사용했을 때 위치별 온습도 그래프이다.
공기순환팬을 사용하지 않았을 때 온실 상부의 온도 및 습도의 평균값은 14.7°C, 74.8%, 하부의 온습도 평균 값은 13.0°C, 85.6%로 온실 상부와 하부의 온습도 차는 1.7°C, 10.8%였다. 온실 상부의 온도가 하부보다 높은 것으로 보아 야간 난방 시 난방열이 상부에 정체되어 있다는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 공기순환팬 10대 를 사용했을 때 온실 상부의 온습도는 14.6°C, 75.9%, 하부의 온습도는 14.5°C, 79.1%로 온실 상부와 하부의 온습도 차는 0.1°C, 3.2%였으며, 순환팬을 사용하지 않 았을 때와 비교하여 온실 상하부의 온도 및 습도 차가 감소하였다.
온실 좌우측면, 전후면의 온습도 분포를 살펴보면 공기 순환팬을 사용하지 않았을 때 온실 좌측면의 온도 및 습 도는 13.4°C, 83.4%, 우측면의 온습도는 13.7°C, 81.7%, 전면의 온습도는 14.4°C, 78.6%, 후면의 온습도는 13.4°C, 82.8%로 온실 좌우측면의 온습도 차는 0.3°C, 1.7%, 전후 면의 온습도 차는 1.0°C, 4.2%였다. 온실 좌측면의 온도 가 우측면보다 낮게 측정된 것은 단동온실이 동서동으로 설치되어 있어 온실 좌측면이 북쪽에 위치하고 있기 때 문인 것으로 판단된다. 또한, 온실 전면의 온도가 온실 후면보다 높은 것은 온실 전면에서 나오는 난방열이 덕 트를 통해 이동할 때 열손실이 일어나 온실 후면에서 처음과 같은 온도를 유지하지 못하기 때문인 것으로 판 단된다. 공기순환팬 10대를 사용했을 때 온실 좌측면의 온습도는 14.2°C, 79.3%, 우측면의 온습도는 14.7°C, 77.9%, 전면의 온습도는 14.7°C, 77.2%, 후면의 온습도는 14.3°C, 78.6%로 온실 좌우측면의 온습도 차는 0.5°C, 1.4%, 전후면의 온습도 차는 0.4°C, 1.4%였다. 순환팬을 사용하지 않았을 때 온실 좌우측면의 온습도 차(0.3°C, 1.7%)가 작아 팬을 가동했을 때와 큰 차이가 없었으나, 전 후면의 온습도 차는 순환팬을 사용함으로써 각각 0.6°C, 2.8% 감소하였다. 이를 통해 온실 내 공기순환팬이 공기 를 순환시키고, 교반시켜 난방 시 발생하는 온실 내 온습 도 차가 감소한다는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 결과는 국화를 재배하는 아치형 2연동 온실(1-2W형)에서 공기순환팬을 설치하고 온실 내 기상분포를 살펴본 Yu 등(2007)의 연구결과와 유사하다. Yu 등 (2007)은 공기순환팬을 가동하지 않았을 때 온실전면과 후면의 온습도 차가 4.7°C, 19%였으나 순환팬을 가동했 을 때 온실 전후면의 온습도 차는 2.2°C, 6.3%로 감소하 였다. 또한, 온실 내 0.6m, 1.8m의 높이의 온도차가 최대 5°C로 측정되었으나 순환팬을 가동함으로써 위치별 온도 차가 2.3°C~2.8°C로 감소된다고 하였다. Yu 등(2007)은 외기온이 낮아짐에 따라 온실 내 기상분포의 균일성이 감소한다고 하였으며, Fernandez와 Bailey(1994)는 태양 일사가 증가할수록 온실 내부의 기상균일도가 감소한다 고 한 것으로 보아 온실 내 온도 및 습도는 외부 조건 에도 영향을 받는다는 것을 알 수 있었으며, 순환팬 운 용 시 온실 내부 조건뿐만 아니라 외부 조건과 함께 효 과를 분석하는 연구가 더 필요할 것으로 보인다.
2. 공기순환팬 설치 조건별 온실 내 온습도 분포
Table 1은 앞의 시험과 각 시험 조건별 온실 내 위치 별 온도 및 습도 값이며, Table 2는 앞의 시험 조건별 온습도 차이의 평균값을 정리한 것이다. 공기순환팬 6대 설치했을 경우 온실 내 위치별 온습도는 상부 12.6°C, 68.1%, 하부 12.3°C, 71.5%, 좌측면 12.0°C, 72.0%, 우 측면 12.4°C, 70.9%, 전면 12.6°C, 69.3%, 후면 12.1°C, 71.6% 로 나타나 위치별 온습도 차를 살펴보면 상하부에 서 0.3°C, 3.4%, 좌우측면에서 0.4°C, 1.1%, 전후면에서 0.5°C, 2.3%로 나타났다. 공기순환팬 5대 설치했을 경우 온실 내 위치별 온습도는 상부 12.6°C, 75.7%, 하부 12.3°C, 79.7%, 좌측면 12.3°C, 79.4%, 우측면 12.3°C 79.1%, 전면 12.5°C, 77.6%, 후면 12.2°C, 79.6%였으며 위치별 온습도 차는 상하부에서 0.3°C, 4.0%, 좌우측면 에서 0°C, 0.3%, 전후면에서 0.3°C, 2.0%였다. 공기순환 팬 6대 설치했을 때와 5대 설치했을 때 온실 내부의 온 도를 살펴보면 다른 조건보다 약 2°C 가량 낮게 측정된 것을 확인할 수 있는데, 이는 외기온 및 바람 등 온실 외부 조건의 영향 때문이라고 판단된다. 또한, 순환팬 5 대 설치했을 때 온실 좌우측의 온습도 평균값의 차와 온습도 차의 평균값이 다르게 나타난 것은 온실 좌우측 면의 온습도가 역전되는 경우도 있기 때문이다. 공기순 환팬 6대 및 5대를 설치했을 때의 위치별 온습도 차의 평균값을 공기순환팬 10대 설치했을 때와 비교해보면 작게는 0.1°C, 0.2% 크게는 0.4°C, 0.8% 차이나 효과는 비슷하다고 판단되며, 시험 온실에서는 공기순환팬 10대 를 설치하지 않고 5대를 설치해도 온실 내 온습도 차를 줄이는데 충분한 효과를 볼 수 있다.
Table 1.
Temperature (Temp., °C) and humidity (RH, %) according to arrangements of air circulation fans in single-span greenhouse
Table 2.
Differences in temperature (DT, °C) and humidity (DH, %) according to arrangement of air circulation fans in single-span greenhouse
또한, 공기순환팬 10대를 2열 및 같은 방향으로 설치 했을 때 온실 내 위치별 온습도는 상부 14.5°C, 84.6%, 하부 14.0°C, 89.5%, 좌측면 14.0°C, 89.0%, 우측면 14.5°C, 86.0%, 전면 14.6°C, 85.3%, 후면 13.9°C, 89.3%였으며 위치별 온습도 차는 상하부에서 0.5°C, 4.9%, 좌우측면에서 0.5°C, 3.0%, 전후면에서 0.7°C, 4.0%였다. 이를 공기순환팬을 사용하지 않았을 때와 비 교해보하여 온실 내 위치별 온습도 차는 감소하였지만, 팬을 2열로 설치했을 때보다 온습도 차가 크게 나타났 다. 따라서 공기순환팬을 2열로 설치할 경우 같은 방향 으로 설치하지 않고, 다른 방향으로 설치하여 공기순환 을 유도하는 것이 효과적인 방법이라고 판단된다.
