서 론
우리나라 농업에너지 중 약 45% 이상이 시설원예의 에너지 투입에 사용되고 있으며(Kim 등, 2009), 최근 고 유가, 고환율로 인해 시설원예에 대한 에너지 비용의 부 담이 지속적으로 증가하고 있는 실정이다(Chung 등, 2009). 특히 시설재배 농가의 전체 경영비 중에서 난방 비가 차지하는 비중은 약 30~50% 수준에 이른다(Hong, 2015). 현재까지 시설농업에 투입되는 에너지의 절감과 관련된 연구들이 지속적으로 수행되어 왔으며, 특히 겨 울철 소모되는 난방에너지의 절감과 관련된 연구들이 많 이 수행되어 왔다. 온실의 난방에너지 절감과 관련된 연 구들을 보면 크게 2가지의 주된 내용으로 나눌 수 있다. 첫째는 온실 내부의 온도를 설정 온도까지 올리기 위한 가온 에너지에 대한 절감이다. 가온 에너지 절감은 일반 적으로 온실 난방 시스템의 개선(Lee 등, 2014) 그리고 전기 및 석탄 등의 석유 대체연로(Seo 등, 2010;Hong, 2015) 및 지열 등과 같은 대체에너지를 이용하는 것이다 (Ryou 등, 2008;Kim 및 Yoon, 2012;Kang 등, 2013;Kim, 2014). 둘째는 온실 내부 온도를 효율적으로 보존 할 수 있게 해주는 보온 에너지의 개선이다. 보온 에너 지 개선과 관련해서는 단열성의 보온자재(다겹보온자재) 를 이용한 온실 내부 보온력의 개선(Lee 등, 2007;Kim 등, 2009;Chung 등, 2009;Chung, 2012) 그리고 온실 내부의 투광량을 극대화하기 위한 온실 피복재료의 개발 및 적용방법 등이 있다(Kim 등 2009;Lee 등, 2009;Lee 등, 2012).
가온 에너지의 절감(대체에너지 등)은 농가에서 사용 하고 있는 기존의 난방(석유)시스템의 교체가 요구되기 때문에 초기 비용이 많이 소요되며, 이러한 문제는 관련 에너지 시스템의 뚜렷한 장점에도 불구하고 농가의 보급 에 큰 한계점으로 작용하고 있다. 그러나 보온 에너지의 개선 방법은 온실 내부에 보온자재를 설치하는 것으로서 기존의 보온 시스템에 추가하거나 간단한 구조 변형을 통해 간편하게 적용할 수 있기 때문에 최소한의 비용으 로 효율적으로 난방에너지를 절감할 수 있다(Lee 등, 2007;Chung, 2012). 따라서 온실농가에서는 난방에너지 의 절감을 위해 보온자재를 많이 사용하고 있다.
온실의 다겹보온자재는 그 특성상 예인식, 권취식 등 개폐방식에 따라 사용 환경이 달라지고, 온실의 광환경 및 높은 습도 환경에 의해 사용 경과시간에 따라 보온 성 및 내구성이 크게 저하될 수 있다. 그러나 현재 관련 연구들은 다겹보온자재의 내부 재료의 조합형태별 보온 성과 그 개선 효과에만 집중이 되어 있으며, 오랜 기간 동안 다겹보온자재가 사용되었음에도 불구하고 다겹보온 자재에 대한 보온성의 변화 및 교체기간 등의 설정을 위해 접근한 연구는 미미하다.
따라서 본 연구의 목적은 다겹보온자재의 사용기간별 보온성의 변화를 조사하는 것이다. 이 목적을 달성하기 위하여 현장 온실농가에서 수명이 다하여 교체작업이 이 루어진 4종의 다겹보온자재(사용기간: 5~18년)를 채취하 여 해당 사용기간별 보온성의 변화를 비교하였다. 다겹 보온자재에 대한 보온성 비교는 Hot box 시험에 의해 이루어졌으며, 이 시험을 통해서 다겹보온자재의 온도 하강률, 열관류율 및 열전도저항 등이 측정되었다.
재료 및 방법
1. 다겹 보온자재의 시료채취
본 연구에서는 다겹보온자재의 보온효과가 떨어져 교 체작업이 이루어지는 총 4개소의 온실농가를 방문하여 시험에 사용할 다겹보온자재를 입수하였다. 각 해당 온 실농가에서 채취된 다겹보온자재들은 본 연구에서 고안 된 Hot box 시험을 통해 보온성이 적절하게 측정될 수 있도록 70×70cm 크기로 재단하여 Hot box 시험의 시편 으로 사용되었다. 다겹보온자재의 채취장소, 구성소재 및 사용기간 등과 같은 일반사항들은 Table 1에 정리되었으 며, Fig. 1은 해당 다겹보온자재의 전경을 나타낸 것이다.
총 4개 종류의 다겹보온자재는 각각 다른 재료의 구성 조합으로 이루어져 있으며, A 시편은 [마트지(600)+부직 포(50 g·m-2)+PE폼+부직포(50 g·m-2)+마트지(600)], B 시 편은 [마트지(300)+[화학솜(5oz)×2]+마트지(300)], C 시 편은 [부직포(100 g·m-2)+[PE폼×3]+부직포(100 g·m-2)] 그리고 D 시편은 [부직포(100 g·m-2)+[PE폼×2]+부직포 (100 g·m-2)]로 재료들이 조합되어있다. 이후의 기술부터 는 별도로 재료의 구성조합을 언급하지 않고 Table 1에 제시된 해당 알파벳 기호(시편의 종류)만을 사용하여 기 술한다. 다겹보온자재의 사용기간은 A, B, C 및 D 시편 이 각각 10, 18, 5 및 18년이었다. 대상 시편들은 B 시 편을 제외하고 모두 공통적으로 부직포와 PE폼이 구성 소재로 포함되어 있으며, B 시편은 유일하게 화학솜이 포함되어 있었다(Table 1). 다겹보온자재는 재료의 구성 조합에 따라 두께가 달라지는데 두께가 가장 작은 B시 료는 화학솜의 특성상 오랜 사용기간 동안 압축이 크게 일어난 것으로 판단되었다.
2. Hot box 시험
본 연구에서는 다겹보온자재들의 보온성에 대하여 비 교 및 검토하기 위하여 Hot box 시험이 실시되었으며, Hot box 시험을 통해 다겹보온자재의 시편에 대한 관류 열량과 그 변화율(열관류율)이 측정되었다. 여기서 사용 된 Hot box는 KS 규격의 폴리스티렌(아이소핑크, 벽산 총판TS)을 단열재로 이용하여 50×50×50cm 크기의 상부 가 개방된 형태이며, 상부에 패드가 부착되어 스프링(사 철)을 이용하여 보온자재의 피복 및 관류열량의 측정이 용이하도록 Fig. 2와 같이 제작되었다. Hot box에 사용 된 단열재(폴리스티렌)의 물리적 특성은 Table 2에 제시 하였으며, 두께 50mm, 열전도율 0.033W·m-1·K-1 및 열 관류율은 0.66W·m-2·K-1이다. Table 2에 제시된 물리적 특성들은 제조회사에서 KS M 3808 기준에 의하여 공 식적으로 제시하고 있는 값들이다. 단 여기서 열관류율 은 단열재의 두께와 열전도율을 이용하여 다음의 식(1) 및 식(2)를 통해 산정되었다.
| $${\mathrm R}_{\mathrm c}=\frac{{\mathrm h}_{\mathrm c}}{\mathrm\lambda}$$ | (1) |
| $${\mathrm U}_{\mathrm c}=\frac1{{\mathrm R}_{\mathrm c}}$$ | (2) |
여기서, Rc는 열전도저항(m2·K·W-1), hc는 두께(m), λ는 열전도율(W/m·K), Uc는 열관류율(W·m-2·K-1)이다.
Hot box 시험은 우레탄 패널(100T)로 제작된 단열 암 실챔버 (6.0×3.0×2.1m)내부의 안정된 조건에서 이루어 졌다. Hot box 내부에 열량 공급을 위해 하단에 전열히 터(RHCT-80W, RUN Electronics, Korea)를 설치하였으며 (Fig. 3a), 이 전열히터는 온도조절장치(Temp. controller; TC300P, Misung Scientific Co, Korea)에 의해 온도가 조절될 수 있다(Fig. 3a). 그리고 Hot box 내외부의 온 도 모니터링을 위해 Hot box 내부와 Hot box로 부터 높이 2m 지점에 온도센서[Thermocouple type (T type)] 가 각각 설치되었다. 보온자재의 관류열량은 Fig. 3b과 같이 Hot box 상부에 피복된 보온자재의 표면에 관류열 센서(MF 180M, EKO, Japan)를 설치하여 데이터로거 (GP10, YOKOGAWA, Japan)를 통해 10분 간격으로 측 정 및 저장이 되도록 하였다(Fig. 3). Hot box 시험은 전열히터를 55°C 까지 설정하고 내부에 열량을 공급한 후 전원을 차단하여 Hot box 내부와 외부의 온도가 평 형이 이루어 질 때까지 관류열량이 측정되는 방식으로 실시되었으며, 측정시간은 측정 시작일 18:00부터 그 다 음날 06:00 까지 이루어졌다.
또한 Hot box 시험으로부터 측정된 시험편의 열관류 율이 적절한지 검토하기 위해 Hot box의 정면, 후면 및 좌우측에 관류열센서를 부착하여 위와 동일한 방법으로 단열재(폴리스티렌)의 열관유율을 측정하여 Table 2에 제시된 단열재 열관류율(KS M 3808 기준)과 비교할 수 있도록 하였다. 그리고 온실농가에서 직접 채취한 다겹 보온자재의 시험편(시험구)에 대한 대조구로서 사용하지 않은 다겹보온커튼을 모사하기 위해 관련 제조업체로부 터 재료들을 구입하여 각 시험편과 동일한 재료들의 조 합을 구성하여 함께 시험이 이루어졌다.
Fig. 4는 Hot box 시험이 실시된 우레탄 패널 단열암 실챔버의 온도 및 습도환경을 나타낸 것이다. Hot box 시험이 진행되는 동안 단열암실챔버의 온도는 12.11 (±1.14)~21.16(±0.85)°C이었으며, 습도는 44.99(±9.94)~71.64 (±7.58)% 정도로 나타났다.
3. 시편별 Hot box 내부의 온도 하강률 비교방법
Hot box 시험은 앞에서 기술하였듯이 내부의 온도를 약 55°C 까지 올린 후, 열량공급을 차단하여 Hot box 내부와 외부의 온도가 평형이 이루어 질 때까지 실시되 었다. 설정온도까지 올라간 Hot box 내부의 온도는 지 속적으로 감소하다가 최종적으로 외부온도와 평형을 이 루게 될 것이며, 실제로 사전예비실험에서 Hot box 내 부와 외부의 온도차는 지수적으로 감쇠하는 경향이 나타 났다. Hot box 내외부 온도차의 변화가 지수적으로 감 쇠한다면 그 변화 경향은 다음의 식(3)인 지수감쇠함수 로 설명될 수 있으며, Fig. 5는 그 예로서 도식화한 것 이다.
| $$\mathrm y={\mathrm y}_{\mathrm o}+\mathrm{αe}^{-\mathrm{βx}}$$ | (3) |
여기서 yo, α 및 β는 계수이며 x는 경과시간이다. yo는 이론상의 Hot box 내외부의 온도가 평형을 이루는 값에 근접한 상수이며, α는 이론상의 Hot box 내외부의 최대 온도차를 나타낸다. 그리고 β 계수는 각 보온자재들로 피복한 Hot box 내 온도의 하강률을 나타내며, β 값이 클수록 상대적으로 작은 값들보다 온도가 더 급격하게 하강한다는 것을 의미한다. 우리는 이러한 β 값의 비교 를 통해 다겹보온자재의 시편별로 온도 하강률의 차이를 수치적으로 비교할 수 있을 것으로 판단하였다.
결과 및 고찰
1. Hot box 단열재의 관류열량 및 열관류율
Fig. 6은 Hot box의 단열재(정면, 후면 및 좌우측)에 대하여 관측기간 동안 Hot box 내외부의 온도차에 따른 관류열량을 나타낸 것이다. 열관류율은 Hot box 내외부 의 온도차에 대한 관류열량의 변화율이기 때문에 Fig. 6 에서 각 해당 면의 단열재별로 설명되는 선형 추세식의 비례상수(W·m-2·K-1)는 열관류율을 의미한다. Hot box 4 개면의 단열재에 대한 열관류율은 각각 0.7687, 0.6339, 0.5729 및 0.5843 W·m-2·K-1으로 평균 0.64 W·m-2·K-1이 며, 이는 Table 2에서 Hot box 단열재의 제조업체가 제 시하고 있는 열관류율 0.66 W·m-2·K-1와 큰 차이가 나지 않았다. 따라서 본 연구에서 고안된 Hot box 시험은 다 겹보온자재 시편간의 보온성에 대하여 적절하게 비교할 수 있을 것으로 판단되었다.
2. 시편별 Hot box 내부의 온도 하강률
Fig. 7은 A, B, C 및 D 시편들에 대한 측정기간 동안 Hot box 내외부 온도차의 변화를 나타낸 것이다. Hot box 내부가 설정온도로 도달 된 후부터 대상 시편들 모 두 시간에 따라 Hot box 내외부 온도차는 지수적으로 감쇠하는 경향이 뚜렷하게 나타났고, 그 변화경향은 지 수감쇠함수()로 뚜렷하게 설명되었으며, 결 정계수(R2)는 모두 0.998 이상이었다. yo는 이론상의 Hot box 내외부의 온도차가 평형을 이루는 값에 가장 근접한 상수로서 그 값들의 범위는 약 0.48~0.75°C 이 었으며, α는 이론상의 Hot box 내외부의 최대 온도차, 즉 Hot box 내부온도가 설정온도인 55°C로 도달했을 때 의 온도차를 나타내며, 그 값들의 범위는 약 32.5~35.2°C 로 큰 차이는 보이지 않았다. 이는 단열 암 실챔버에서 이루어진 Hot box 시험이 서로 유사한 온도 환경에서 이루어졌음을 알 수 있다.
β 값은 각 다겹보온자재들로 피복한 Hot box 내 온도 의 하강률을 나타내며, 우리는 앞서서 이 β 값의 비교를 통해 다겹보온자재의 시편별로 온도 하강률의 차이를 수 치적으로 비교할 수 있을 것으로 판단하였다. Fig. 7에 서 A, B, C 및 D 시편들의 β 값을 비교해 보면 상대적 으로 오랜 기간 동안 사용되어 온 시험구(b) 시편이 사 용하지 않은 다겹보온자재를 모사한 대조구(a) 시편보다 β 값이 높은 것으로 나타났다. 이는 시험구(b) 시편이 대조구(a) 시편보다 온도 하강률이 크며, 보온성은 상대 적으로 낮음을 의미할 수 있다.
대상시편별 β 값은 Fig. 8에서 뚜렷하게 비교할 수 있 다. β 값에 대하여 A 시편은 대조구 0.0249, 시험구 0.0258, B 시편은 대조구 0.0221, 시험구 0.0230, C 시 편은 대조구 0.0235, 시험구 0.0243 그리고 D 시편은 대조구 0.0237, 시험구 0.0243으로 시험구가 대조구보다 β 값이 모두 높은 것으로 나타났다. 또한 Fig. 8에서 β 값에 의해 각 대상 시편들 간에 온도 하강률을 비교할 수 있다. 우선 대조구(a)를 비교해 보면 B 시편이 0.0221로 다른 시편들에 비해 β 값이 가장 작았으며, 가 장 큰 값을 나타낸 A 시편(0.0249)과 비교해 보면 약 12.7 %정도 β 값이 작은 것으로 나타났다. 게다가 B 시 편의 시험구도 β 값이 0.0230으로 다른 시편의 시험구 와 비교해 볼 때, 가장 낮은 것으로 나타났으며, A 시편 의 시험구(0.0258)과 비교해 보면 약 12.2%정도 β 값이 작은 것으로 나타났다. 이는 B 시편이 다른 시편들에 비해 온도 하강률이 가장 낮은 것을 의미하며, 보온성이 상대적으로 높음을 시사한다.
3. 시편별 열관류율 및 열전도저항 비교
Fig. 9는 관측기간 동안 각 대상 시편들에 대한 Hot box 내외부의 온도차에 따른 관류열량을 나타낸 것이다. 대상 시편들 모두 온도차에 따른 관류열량의 변화 경향 은 선형 회귀식(y=αx+b)으로 뚜렷하게 설명되었으며, 결정계수(R2)는 모두 0.996 이상으로 나타났다. Fig. 9에 각 대상 시편별로 제시된 선형 추세식의 비례상수(W·m-2 ·K-1)는 열관류율을 의미한다. 열관류율에 대하여 A 시편 은 대조구 2.26W·m-2·K-1, 시험구 2.52W·m-2·K-1, B 시편 은 대조구 1.52W·m-2·K-1, 시험구 2.15W·m-2·K-1, C 시편 은 대조구 1.91W·m-2·K-1, 시험구 2.48W·m-2·K-1 그리고 D 시편은 대조구 1.86W·m-2·K-1, 시험구 2.47W·m-2·K-1으 로 시험구가 대조구보다 열관류율이 모두 높은 것으로 나 타났다. 열관류율이 낮을수록 보온(단열)성능이 좋은 것을 의미하기 때문에 Fig. 9의 결과는 시험구가 대조구보다 보 온성이 낮다는 것을 뚜렷하게 보여준다.
Fig. 10은 대상 시편들 간에 보온성의 차이를 용이하 게 비교하기 위해 대상 시편의 열관류율에 대하여 역수 를 취한 열전도저항을 나타낸 것이다. 열전도저항은 열 이 재료를 통과할 때 통과 열량에 대한 저항정도를 말 하며, 열전도저항이 상대적으로 높을수록 보온 성능이 좋음을 의미할 수 있다. 열전도저항에 대하여 A 시편은 대조구 0.442m2·K·W, 시험구 0.396m2·K·W, B 시편은 대조구 0.658m2·K·W, 시험구 0.464m2·K·W, C 시편은 대조구 0.523m2·K·W, 시험구 0.403m2·K·W 그리고 D 시편은 대조구 0.538m2·K·W, 시험구 0.405m2·K·W으로 대조구가 시험구보다 모두 높은 것으로 나타났다.
열전도저항에 대하여 각 대상 시편별로 대조구 및 시 험구 간에 비교를 해보면 A, B, C 및 D 시편들은 시험 구가 대조구에 비해 각각 10.4%, 29.5%, 22.9% 및 24.7% 정도 낮은 것으로 나타났다. 이는 A, B, C 및 D 시편들에 대한 시험구의 사용기간이 각각 10년, 18년, 5 년 및 18년임을 고려해 볼 때, 해당 사용기간 동안 대상 시편별로 감소된 보온성능 의미할 수 있다.
A, B, C 및 D 시편들의 재료조합을 보면 크게 마트 지(Matt georggette), 부직포, PE폼 및 화학솜으로 각 시 편별로 재료조합의 형태, 개수 및 함량 등이 다르다. 이 재료들의 주요기능을 보면 화학솜은 공기 단열층 형성, 부직포는 보온성 유지, 마트는 형태 유지 그리고 PE폼 은 흡습 방지 등이다.
A 시편의 시험구는 사용기간이 10년이며, 대조구와 비 교하여 열전도저항이 약 10.4%로 감소하여 다른 시편들 에 비해 가장 낮은 보온성능의 감소율을 보였다. 그러나 A 시편은 열전도저항에 대하여 대조구 0.442m2·K·W, 시험 구 0.396m2·K·W로서 다른 시편들의 대조구 및 시험구와 비교하여 가장 낮았다(Fig. 10). A 시편의 재료조합은 [마 트지(600)+부직포(50g·m-2)+PE폼+부직포(50g·m2)+마트지 (600)]로 유사한 재료조합인 C 및 D 시편과 비교해볼 때, 부직포의 함량이 낮고 또한 PE폼에 대하여 2개 이 상이 적용된 다른 시편에 비해 그 개수(1개)도 가장 적 다. 따라서 A 시편이 다른 시편들에 비해 보온성 자체 가 매우 낮기 때문에 보온성능의 감소율이 가장 낮게 나타난 것으로 판단되었다. PE폼은 내수성이 강하고 흡 수율이 낮기 때문에 주로 흡습성 방지를 위해 다겹보온 자재에 적용되나 열전도율이 낮기 때문에 보온재로도 널 리 사용된다. 그리고 부직포는 보온성 유지에 기여한다. 따라서 A 시편에 대한 재료의 조합은 적절한 보온성을 기대하기는 어려운 조합인 것으로 판단되었다.
유사한 재료조합인 C 및 D 시편의 열전도저항은 대조 구에 대하여 C 시편 0.523m2·K·W, D 시편 0.538m2·K·W 그리고 시험구에 대하여 C 시편 0.403 m2·K·W, D 시편 0.405m2·K·W 으로 서로 큰 차이를 보이지 않았다. 또한 보온성능(열전도저항)의 감소율도 C 및 D 시편이 각각 22.9% 및 24.7%로 거의 유사하게 나타났다. 이 시편들 의 재료조합은 Table 2에 제시된 바와 같이 PE폼의 개 수가 C 시편이 D 시편보다 1개가 더 많고 나머지는 모 두 동일하게 구성되어 있다. C 및 D 시편의 시험구는 그 사용기간이 각각 5년 및 18년으로 서로 큰 차이가 있는 것에 비해 보온성능은 큰 차이를 보이지 않았다. 이러한 결과는 이와 유사한 재료조합에 대해서 다겹보온 자재의 보온성능을 기대할 수 있는 사용기간은 약 5년 정도임을 의미할 수 있다.
B 시편은 열전도저항에 대하여 대조구 및 시험구는 각각 0.658m2K·W 및 0.464m2·K·W로 보온성능(열전도 저항)의 감소율은 약 29.5%로 다른 시편들에 비해 가장 높게 나타났다. 그러나 대조구(0.658m2·K·W) 및 시험구 (0.464m2·K·W)의 열전도저항은 다른 시편들의 대조구 및 시험구들과 각각 비교해 볼 때 가장 높게 나타났다. 이 는 B 시편이 다른 시편들보다 보온성능이 가장 좋음을 의 미한다. 이는 앞서 설명했던 대상 시편별 온도 하강률의 결과가 시사했던 내용과 거의 일치한다(Fig. 8). 대조구들을 기준으로 B 시편(0.658m2·K·W)은 A 시편(0.442m2·K·W), C 시편(0.523m2·K·W) 및 D 시편(0.538m2·K·W)들에 비해 각 각 48.9%, 25.8% 및 22.3% 정도로 보온성능(열전도저 항)이 높은 것으로 나타났다. B 시편은 마트지와 화학솜 이 조합되어 있다. 마트지는 얇고 투명하게 비쳐 보이는 가벼운 견직물이기 때문에 다겹보온자재의 형태를 유지 하는 역할을 주로 할 뿐, 보온성에는 크게 기여를 할 수 없다. 따라서 B 시편이 다른 시편들과 크게 구별되는 특징은 화학솜이 조합된 것이며, 이 화학솜은 공기 단열 층을 형성하기 때문에 시용기간이 18년 임에도 불구하 고 다른 시편들보다 높은 보온성능을 가지는 것으로 판 단되었다.
이상의 결과들을 종합해 보면 B, C 및 D 시편에 대 하여 보온성능(열전도저항)의 감소율은 22.9~29.5%로 비 교적 큰 차이를 보이지 않았다(Fig. 10). C 시편의 사용 기간이 다른 시편들 보다 가장 짧은 5년인 것을 고려해 볼 때(Table 1), B, C 및 D 시편에 구성된 조합 재료들 의 보온성능에 대하여 의문을 제시해 볼 필요가 있다. 다겹보온자재의 조합재료 중 PE폼은 본래의 목적이 흡 습성을 방지하는 것이며, 다겹의 PE폼을 적용하여 상대 적으로 보온성을 높일 수 있다. 그러나 다겹보온자재 내 에서 공기 단열층을 형성하는 화학솜에 비해 보온성능에 대한 기여가 현저히 낮은 것으로 판단되었다. 따라서 다 겹보온자재에 대하여 적절한 보온성능을 기대하기 위해 서는 기본적으로 화학솜과 같은 공기 단열층을 형성하는 기능이 있는 재료가 다겹보온자재에 포함되어야 될 것으 로 판단되었다.
