서 론
수막재배는 저온기 온실에서 화석연료의 사용을 최소 화하고, 보온효과를 통해 에너지를 절감할 수 있는 장점 이 있다(RDA, 2007, 2008). 특히 저온성 작물인 딸기가 대표적인 겨울 과일로서 적정 생산액을 유지할 수 있는 것은 지하수를 이용한 수막재배 기술이 큰 몫을 하기 때문인 것으로 알려져 있다(An 등, 2013; Lee 등, 2007). 반면에 수막재배는 지하수 고갈과 같은 부정적인 측면도 있으며 이로 인해 최근 대부분의 수막재배지역에서 지하 수 부족으로 어려움을 겪고 있다(Kim 등, 2004; RDA, 2007, 2008; Yun 등, 2013). 이에 따라 수막재배지역의 지하수 부족문제를 해결할 수 있는 보완대책 마련이 절 실히 요구되고 있으며, 수막으로 사용한 지하수를 흘려 버리지 않고 회수하여 일정 수온으로 재가열하여 다시 사용하는 순환식 수막시스템의 보급이 실질적인 대안으 로 평가된다(RDA, 2007, 2008). 국내 수막재배시설은 2012년에 5,635ha이며, 이중에서 순환식 수막시스템은 1,180ha의 시설재배농가에서 사용되고 있는 것으로 알려 져 있다(MAF, 2013). 그러나 순환식 수막시스템은 물탱 크용량과 사용수의 가열시간 등을 고려하여 회수된 수막 용수를 일반적인 지하수 수온보다 높은 18~20°C로 재가 열하여야 하며(RDA, 2008), 이로 인한 에너지비용이 농 업인에게 부담이 되고 있는 실정이다.
수막시스템의 보온효과는 외부온도가 낮을수록, 수온 이 높을수록, 단위면적당 수막유량이 많을수록 증가하고 (Kim 등, 2004; MAF, 1998; RDA, 2007, 2008; Yun 등, 1988), 이러한 조건들이 상호 복합적으로 수막하우스에 영향을 미치고 있다. 이처럼 수막시스템의 보온효과는 다양한 조건에 따라 달라지기 때문에 제한된 실험자료에 근거하여 보온효과를 가늠하기는 어려운 실정이다(Suh와 Yoon, 1996). 그러나 지금까지 수막시스템에 관한 연구 는 각각의 조건에 대해 단편적으로 분석하는 수준이었고, 주로 비순환식 수막시스템을 대상으로 유량에 따른 수막 하우스의 환경변화를 검토하는 내용이 대부분이었다 (MAF, 1998; Yun 등, 1988). 따라서 순환식 수막시스템 의 에너지비용 절감을 위해서는 외부온도, 수온, 수막유 량 등에 따른 수막하우스의 환경변화를 종합적으로 구명 할 필요가 있으며, 특히 회수된 수막용수의 적정 재 가 열온도에 대한 상세한 구명이 필요한 것으로 판단된다.
본 연구에서는 순환식 수막시스템의 적정 수온을 결정 하는데 필요한 기초자료를 제공하기 위하여 딸기를 토경 재배하고 있는 실험온실에서 외부온도, 수막용수의 수온 및 야간시간대에 따른 처리방식별 온실 내부 온도변화를 비교 분석하였다.
재료 및 방법
1. 실험온실
본 실험에 사용된 온실은 시설원예시험장(부산시 강동 동에 소재)내에 위치한 단동 이중피복 비닐하우스 3개동 이다. 온실은 동서방향으로 설치되었고, 1·2중 모두 0.1mm 두께의 PE필름으로 피복하였다. 수막이 직접 살수 되는 2중 비닐하우스의 크기는 폭 5.5m, 길이 55m이다.
2. 실험조건
실험온실 3개동에서는 딸기가 토경재배 되었다. 1개동 은 대조구, 다른 2개동은 처리구로 각각 수막용수 수온 을 10, 15°C로 구분하여 실험을 실시하였다. 대조구는 무처리구로 무수막 온실에서 무가온 및 무보온 상태를 말하며, 수온 10°C 처리구와 수온 15°C 처리구는 공급 수막용수의 수온이 각각 10, 15°C로 설정된 순환식 수 막시스템에서 무가온 및 추가적인 보온자재의 투입이 없 는 상태를 말한다.
실험은 2014년 2월 4일부터 25일까지 수행하였다. 실 험온실은 주간(오전 9시~오후 6시)에는 온실내부 온도가 26°C 이상일 때 측창이 열려 자연환기가 되었고, 야간(오 후 6시~익일 오전 9시)에는 측창이 모두 닫힌 상태로 유지되었다. 수막시스템은 수막호스를 1중 하우스 양쪽 측고부분에 설치하여 2중 하우스에 살수하는 방식을 적 용하였고, 오후 6시부터 익일 오전 9시까지 가동되도록 하였다. 이때 비교분석에 이용한 데이터는 오후 6시 30 분부터 익일 오전 8시 50분까지 10분 간격으로 측정한 데이터 값을 사용하였고, 수온 10°C 처리구의 평균 수온 은 9.3°C, 수온 15°C 처리구의 평균 수온은 14.0°C로 나 타났다. 순환식 수막시스템 가동 후 오후 6시부터 6시 20분까지의 수온은 주간에 공급탱크, 회수탱크 등에 축 열된 열로 인하여 설정수온(10, 15°C)보다 유의하게 높 아 분석 데이터에서 제외하였다. 수막시스템의 가동은 일별 최저온도의 변화와 관련이 깊으며, 수막재배 농업 인들은 야간 최저온도가 0°C 이상으로 기상 예보된 경 우에는 수막시설을 거의 가동하지 않는 것으로 알려져 있다(Moon 등, 2012). 이에 따라 실험기간 중 야간 최 저기온이 영하로 떨어진 날 중에서 비교적 맑은 날을 대상으로 6일간의 데이터 값을 분석에 사용하였고, 이 기간 중 수온 10°C 처리구와 수온 15°C 처리구의 분당 평균 수막유량은 38.5~44.5L로 나타났다.
3. 측정 및 분석방법
처리방식별 온실 내부와 외부의 온도변화를 측정하였고, 측정결과의 통계분석은 R 통계프로그램(version 3.1.2)을 이용하여 분석하였다. 온도는 온도센서 데이터로거 (TempRetriever RH, Madgetech, Warner, NH, USA)를 이용하여 측정하였고 10분 간격으로 데이터를 연속 저 장하였다. 온실 외부온도는 지면에서 100cm 높이에서 측정하였다. 내부온도는 이랑 위 30cm 높이, 온실 길이 방향의 중앙 단면 4등분의 경계 3점에서 각각 측정하였 다. 이중 가운데 점의 측정값을 사용하였는데, 가운데 점의 측정값이 처리구별 다른 2점의 측정값과 유의한 차이를 보이지 않았다.
결과 및 고찰
1. 외부온도와 온실 내부온도의 관계분석
Fig. 1은 실험기간 중 야간 최저기온이 영하로 떨어진 날 중에서 비교적 맑은 날에 대하여 외부온도와 내부온 도의 관계분석 결과를 나타낸 것으로, Fig. 1A는 무처리 구, Fig. 1B는 수온 10°C 처리구, Fig. 1C는 수온 15°C 처리구의 온도변화를 나타낸 것이다.
3가지 처리조건 모두에서 처리조건별 선형관련성은 유 의수준 0.1%에서 양의 선형관련성이 유의하게 존재하는 것으로 나타났다. 선형관련성의 정도를 상관계수로 살펴 보면 무처리구, 수온 10°C 처리구, 수온 15°C 처리구 조 건에서 각각 0.953, 0.866, 0.893으로 무처리구가 처리구 (10, 15°C)에 비해 외부온도에 대한 상관성이 높은 경향 을 보였으며, 처리구(10, 15°C)의 외부온도에 대한 상관 성은 유사한 수준으로 분석되었다.
Fig. 1 에서 추세선을 연장하면 수온 10°C 처리구와 수 온 15°C 처리구는 추세선이 거의 평행하게 유지되었고, 외부온도에 대한 변화 양상이 전체적으로 비슷한 것을 확인할 수 있었다. 반면 무처리구의 추세선은 외부온도 가 높을수록 처리구에 근접하게 되고, 외부온도가 낮을 수록 처리구에서 멀어지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 처리구의 보온효과는 외부온도가 낮을수록 높아짐을 의 미하며 기존의 연구와 비슷한 결과를 보여주었다(RDA, 2007, 2008; Yun 등, 1988). 회귀식의 기울기는 무처리 구가 0.818, 수온 10°C 처리구가 0.573, 수온 15°C 처리 구가 0.568로, 무처리구가 처리구(10, 15°C)에 비해 각각 0.245, 0.250 정도 더 크게 나타났다. 반면에, 수온 10°C 처리구와 수온 15°C 처리구의 기울기 차이는 0.005°C 정도로 유사하게 나타났다. 이러한 회귀식의 기울기로부 터 외부온도 증감에 따른 내부온도 변화폭을 살펴보면 무처리구가 처리구(10, 15°C)에 비해 상대적으로 크고, 처리구(10, 15°C)에서는 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다. 절편의 크기는 처리조건에 따라 차이를 보였는 데 무처리구는 4.549, 수온 10°C 처리구는 6.941, 수온 15°C 처리구는 8.190으로 나타났다. 따라서 수온 15°C 처리구가 수온 10°C 처리구에 비해 1.3°C 정도 보온효 과가 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 수온이 1°C 높아짐에 따라 온실 내부온도가 0.5~0.6°C 높아진다 는 Kim 등(2004)과 RDA(2007)의 결과에 비해 보온효 과가 낮게 나타났으나, 이러한 결과는 외부온도, 수막유 량 등의 차이에 기인한 것으로 판단되며, 앞으로 추가적 인 실험을 통하여 이에 대한 정확한 구명이 필요한 것 으로 판단된다.
2. 외부온도 변화에 따른 온실 내부온도 변화 비교
Fig. 2는 외부온도 변화에 따른 무처리구와 처리구(10, 15°C)의 온도변화를 나타낸 것이다. 외부온도가 약 -8.1 ~8.6°C 범위에서 변화할 때, 무처리구는 약 -1.7~12.2°C 범 위, 수온 10°C 처리구는 약 2.9~14.3°C 범위, 수온 15°C 처리구는 약 4.2~15.2°C 범위에서 내부온도가 변화하였 다. 처리조건별 최저온도는 무처리구, 수온 10°C 처리구, 수온 15°C 처리구가 외부에 비해 각각 6.4, 11.0, 12.3°C 정도, 최고온도는 각각 3.6, 5.7, 6.6°C 정도 높게 유지되는 것으로 나타났다. 이처럼 온실 내부와 외부의 온도 차이는 낮은 온도조건에서 상대적으로 큰 차이를 보였는데, 이는 수막시스템의 보온효과는 외부온도가 낮 을수록 높아진다는 기존의 연구결과와 잘 일치하는 결과 이다(RDA, 2007, 2008; Yun 등, 1988).
Fig. 2.
Changes of air temperature in control, 10°C water curtain, and 15°C water curtain for clear 6 days when night time minimum outdoor air temperature fell below freezing point (February 4-25, 2014). At minimum outdoor air temperatures: A, -1.3°C; B, -2.3°C; C, -3.9°C; D, -4.3°C; E, -4.7°C; and F, -8.1°C.
처리조건별 평균온도는 외부, 무처리구, 수온 10°C 처 리구, 수온 15°C 처리구가 각각 -0.7, 4.0, 6.6, 7.8°C로 나타났고, 온도변화폭은 각각 16.7, 13.9, 11.4, 11.0°C로 나타났다(Fig. 2). 평균온도는 무처리구, 수온 10°C 처리 구, 수온 15°C 처리구의 순으로 높아지고, 온도변화폭은 오히려 작아지는 경향을 확인할 수 있었다. 그러나 수온 10°C 처리구와 15°C 처리구의 온도변화폭의 차이는 약 0.4°C로 수온 차에 따른 변화폭은 미미한 수준으로 나타 났다. 온실 내부온도는 수온 15°C 처리구가 가장 높게 유지되었고, 수온 10°C 처리구가 이보다 낮았으며, 무처 리구가 가장 낮은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 수막 용수가 수온의 차이(10, 15°C)에 비례하여 온실내부의 열 손실을 억제하는 열전달 저항층의 역할을 하기 때문인 것으로 판단되며, 수막용수의 수온이 높을수록 온실 환경 조절에 유리함을 의미한다(Kim 등, 2004; MAF, 1998; RDA, 2007, 2008). 그러나 실험기간 중 수막용수 가온 을 위한 경유 소비량은 수온 10°C 처리구는 73.3L, 수 온 15°C 처리구는 121.6L로 나타났다. 이처럼 순환식 수막시스템의 수온을 높게 유지할수록 재 가온을 위한 에너지 비용이 증가하므로, 에너지 비용을 최소화하면서 보온효과를 극대화 할 수 있는 적정 수막용수 수온의 규명이 필요한 것으로 판단된다.
저온성 작물인 딸기의 개화기, 과실비대기, 수확기의 야간 최저관리온도인 5°C를 기준으로 분석한 결과 (RDA, 2001, 2013), 외부 최저온도가 -1.3°C, 평균온도 가 1.5°C로 비교적 따뜻한 날의 경우(Fig. 2A) 무처리구 는 5°C 미만으로 내려간 시간이 약 410분으로 최저온도 가 3.5°C로 나타났으나, 처리구(10, 15°C)는 최저온도가 모두 5.0°C 이상으로 나타났다. 외부 최저온도가 -4.7°C, 평균온도가 -0.2°C인 날의 경우(Fig. 2E) 수온 10°C 처 리구에서 5°C 미만으로 내려간 시간이 약 340분으로 최 저온도가 3.5°C로 나타났으며, 수온 15°C 처리구에서는 약 30분으로 최저온도가 4.9°C로 나타났다. 외부 최저온 도가 -8.1°C, 평균온도가 -3.9°C로 비교적 추운 날의 경 우(Fig. 2F) 수온 10°C 처리구에서 5°C미만으로 내려간 시간이 약 360분으로 최저온도가 2.9°C로 나타났으며, 수온 15°C 처리구는 120분으로 최저온도가 4.2°C으로 나타났다. 이러한 결과로 볼 때 외부 최저온도가 -1.3°C, 평균온도가 1.5°C인 날은 수막시스템의 수온을 10°C로, 외부 최저온도가 -4.7°C, 평균온도가 -0.2°C인 날은 수온 을 15°C로 설정해도 온실의 목표온도(5) 유지가 가능한 것으로 판단된다. 반면, 외부 최저온도가 -8.1°C, 평균온 도가 -3.9°C인 날은 수온을 15°C 이상으로 설정하는 등 추가 보온대책이 필요한 것으로 판단된다. 따라서 혹한 기 난방비절감을 위해서는 외부온도 변화와 재배작물 등 을 전반적으로 고려하여 순환식 수막시스템의 수온을 결 정하는 것이 바람직한 것으로 사료된다.
3. 야간시간대(일몰 후, 자정, 일출 전, 일출 후)에 따 른 온도변화 비교
Fig. 3은 처리조건별 야간시간대에 따른 온실 내부와 외부의 평균온도변화를 각각 비교한 것이다. 외부온도는 Fig. 3B, 3D, 3E, F에서는 일출직전이 가장 낮았으나, Fig. 3A, C에서는 자정이 가장 낮은 것으로 나타났다. 본 연 구에서 자정의 외부온도가 가장 낮은 경우는 전날이 비 교적 추우면서 다음날에 눈이나 비가 내린 경우에 나타 났다. 그러나 전반적으로 외부온도는 일몰직후가 가장 높고, 이후 서서히 감소하여 일출직전이 가장 낮고 일출 직후에 다시 증가하는 경향을 보였다.
Fig. 3.
Comparison of average temperatures in control, 10°C water curtain, and 15°C water curtain after sunset, midnight, before sunrise, and after sunrise. Temperature was given for clear 6 days when night time minimum outdoor air temperature fell below freezing point (February 4-25, 2014). Minimum outdoor air temperatures: A, -1.3°C; B, -2.3°C; C, -3.9°C; D, -4.3°C; E, -4.7°C; and F, -8.1°C.
실험기간 중 외부 최저온도가 -1.3°C, 평균온도가 1.5°C로 비교적 따뜻한 날의 야간 시간대에 따른 평균온 도변화를 살펴보면(Fig. 3A), 외부의 경우 자정이 평균 -0.3°C로 일출직전에 비해 1°C 정도 오히려 낮게 유지되 었다. 무처리구의 경우도 자정이 평균 4.0°C로 하루 중 가장 낮게 유지되었으나 일출직전에 비해 차이는 0.1°C 에 불과하였다. 반면 처리구(10, 15°C)는 일출직전이 각 각 평균 6.0, 7.3°C로 가장 낮게 유지되는 것으로 나타 났다. 이처럼 외부온도가 자정이 가장 낮은 날에도 처리 구의 평균온도는 일출직전이 가장 낮아지는 경향을 보이 고 있으며 이는 일몰 후 지속적으로 온실 내부에서 외 부로 장파장 복사열 교환이 일어나기 때문인 것으로 판 단된다(RDA, 2007). 최저온도는 무처리구의 경우 일몰 직후 시간대에만 5°C 이상으로 유지되었고, 나머지 시간 대에서는 모두 5°C 미만으로 유지되었다. 반면 처리구 (10, 15°C)는 모든 시간대에 걸쳐 5°C 이상으로 유지되 었다.
실험기간 중 외부 최저온도가 -4.7°C, 평균온도가 -0.2°C 인 경우의 야간 시간대에 따른 평균온도변화를 살펴보면 (Fig. 3E), 외부, 무처리구, 처리구(10, 15°C) 모두 일출 직전이 가장 낮은 것으로 나타났다. 최저온도는 무처리 구의 경우 일몰직후 시간대에서만 5°C 이상으로 유지되 었고, 수온 10°C 처리구는 일몰직후와 자정 시간대에서 5°C 이상으로 유지되었다. 수온 15°C 처리구는 일몰직후 와 자정 시간대에서는 5°C 이상으로 유지되었고, 일출직 전과 직후는 최저온도가 각각 4.9로 나타났다. 따라서 일몰직후와 자정에는 수막시스템의 수온을 10°C로 관리 하고 일출직전에는 15°C로 관리하는 방안도 고려해 볼 만한 것으로 판단된다.
실험기간 중 외부 최저온도가 -8.1°C, 평균온도가 -3.9°C 로 비교적 추운 날의 야간 시간대에 따른 평균온도변화 를 살펴보면(Fig. 2F), 외부, 무처리구, 처리구(10, 15°C) 모두 일출직전이 역시 가장 낮은 것으로 분석되었다. 최 저온도는 무처리구의 경우 모든 시간대에 걸쳐 5°C 미 만으로 나타났고, 처리구(10, 15°C)는 일몰직후와 자정 시간대에서만 5°C 이상으로 유지되었다. 수온 15°C 처 리구의 경우에도 일출직전과 직후에는 최저온도가 각각 4.2°C로 나타나, 일출직전 시간대에는 수막시스템 수온 을 15°C 이상으로 관리하는 등 추가적인 보온대책이 필 요한 것으로 판단된다. 이러한 경향은 Kim 등(2000)의 연구에서 가장 많은 난방부하가 요구되는 시간대는 아침 6~8시이고, Park과 Kim(2006)의 연구에서 난방 설정온 도가 일정한 조건에서 난방기간 동안 실내와 외부의 온 도 차이는 일출직전이 가장 크다고 한 것과 일치한다.
이러한 결과를 종합해 볼 때, 온실의 난방부하는 일출 직전 시간대에 가장 큰 것으로 판단되며, 특히 이 시간 대에는 보온 또는 가온을 위한 특별한 주의가 필요한 것으로 사료된다. 또한 수막용수의 수온을 획일적으로 15°C 이상으로 설정하기 보다는 야간시간대에 따라 다 르게 설정함으로써 순환식 수막시스템의 에너지비용을 절감할 수 있을 것으로 판단된다.
