서 론
농림수산식품부는 대규모 간척지 활용 기본 구상을 통 하여 전국의 간척지에 첨단수출 원예단지 3,000 ha(새만 금 1,500 ha), 일반 원예단지 2,185 ha(새만금 1,100 ha) 등 대규모 시설원예단지 조성 계획을 고시한 바 있다 (MIFAFF, 2010). 간척지 활용을 위한 첨단수출 원예단 지 조성사업이 정책적으로 추진되고 있는 바, 원예시설 의 기술적 기반을 강화하는 동시에 장래 시설원예의 발 전을 위해서는 온실설계에 관한 종합적인 기술개발이 정 립되어야 한다.
그동안 간척지 온실의 설계에 관한 연구는 연약지반에 설치하는 온실 구조물의 기초에 관한 연구나 강한 바람 에 견딜 수 있도록 하는 풍하중에 관한 연구 등의 구조 설계를 중심으로 이루어졌고, 온실의 환경조절과 직접 관련되는 환경설계에 대한 연구는 미진한 실정이다(Kim 등, 2014; Choi 등, 2015; Song 등, 2016).
원예시설에서 환경조절의 성패는 생산물의 품질과 직 결되고, 설치지역의 기후조건 하에서 환경조절이 용이하 고 에너지 비용을 절감시킬 수 있는 온실의 최적설계법 이 제시되어야 한다. 최근의 급격한 기후변화 현상이나 환경제어 기술의 발전에 따른 설계기술의 대응, 특히 간 척지의 기후특성을 반영한 원예시설 환경설계기준의 정 립은 시급하다.
우리나라의 기후조건 상 여름철의 온실 내 기온은 현 저하게 높아서 작물의 정상적인 생육이 불가능하므로 여 름철에 휴경을 하는 곳이 많아 연간 이용률이 저하하게 된다. 시설의 유효이용이나 수익성의 측면에서 볼 때 여 름철 온실 내 환경의 적정화를 통한 주년재배의 달성은 온실재배에 있어서 당면과제라 할 수 있다(Kim 등, 2001). 특히 신규로 조성되는 대규모 시설원예단지의 경 우 첨단시설의 도입으로 많은 투자비용이 발생하므로 고 온극복 기술의 적용은 필수적이다. 일반적으로 사용되고 있는 온실의 고온극복 방법으로는 환기, 차광, 증발냉각 및 히트펌프 냉방 등이 있으나 가장 경제적인 방법은 자연환기에 의한 것이므로 온실의 자연환기 성능을 극대 화하는 것이 매우 중요하다(Sethi와 Sharma, 2007; Nam 등, 2011).
한편, 대부분의 간척지는 해안에 위치하고 있어 내륙 지역에 비하여 바람이 강하고, 안개가 자주 끼는 등 기 후조건이 상이하다. 그러므로 간척지에 대규모 온실을 설치하기 위해서는 일반적인 온실 환경설계 기준과 다른 새로운 기준의 설정이 필요할 것으로 생각된다. 그러기 위해서는 간척지 주변지역의 기후조건을 분석하고, 간척 지 설치 온실의 실내 환경 특성을 파악할 필요가 있다.
따라서 본 연구에서는 간척지 온실의 환경설계 기술 개발을 위한 기초자료 제공을 목적으로, 첨단 시설원예 단지 설치 계획이 있는 국내 7개 대규모 간척지 주변의 기후조건을 분석하였으며, 새만금 간척지 내에 설치된 3 연동 플라스틱 온실을 대상으로 하절기에 시설 내외의 열적 환경계측 실험을 통하여 자연환기 및 온도 상승 특성을 분석하고, 간척지 온실의 환경 설계에 적용해야 할 부분을 검토하였다.
재료 및 방법
새만금 간척지 내에 위치한 전북 부안군 계화도 간척 지에 설치된 토마토 재배 연동형 플라스틱 온실에서 환 기 및 냉방 과 관련된 환경 인자를 실측하였다. 실험온 실은 길이 48m, 폭 7.0m의 3연동 온실로 바닥면적은 1,008m2이고, 측고 4.5m, 동고 6.5m의 아치형 온실이다. 피복재는 0.1mm 두께의 PO필름이고, 권취식 측창과 랙 피니언 방식의 용마루 천창을 설치한 자연환기식 온실이 다. 환경계측 항목은 실내외 온도, 습도, 실내 일사량, 실외 풍속으로 각각을 1분 간격으로 계측하여 데이터로 거에 저장하였다. 실험온실의 내부와 외부 전경을 Fig. 1에 나타내었으며, 실험온실의 규격과 환경계측에 사용 된 센서의 종류는 Table 1과 같다.
Table 1. Specifications of an experimental greenhouse and instrument sensors.
실험은 2015년 5월 17일부터 8월 27일까지 실시하였 으며, 실측 데이터는 작물 증발산 소비열량의 영향을 검 토하기 위하여 작물이 있을 때와 작물 철거 후, 작물이 없을 때로 나누어 분석하였다. 대부분의 토마토 재배농 가에서 여름철 극고온기를 피하기 위하여 6월말 경에는 재배를 끝내는데, 본 농장에서도 6월 30일까지 수확을 하고, 이틀에 걸쳐 작물을 철거하였다. 따라서 7월 1일 이전까지는 작물이 있는 상태, 그 후로는 작물이 없는 상태로 데이터 그룹을 나누어 분석하였다. 전체 계측 데 이터는 1시간 간격으로 평균을 구하여 분석하였고, 환기 와 냉방 목적이므로 9:00시부터 17:00시까지의 주간 데 이터만을 분석에 사용하였다.
온실의 환기율은 환경계측 데이터를 이용하여 열수지 방법으로 구하였으며, 그 절차는 다음과 같다. 냉방부하 는 온실의 취득열량과 온실로부터의 손실열량의 차이로 주어지며, 온실의 냉방부하는 다음 식으로 구할 수 있다 (Nam 등, 2015).(1)
여기서, QT는 온실의 냉방부하(W), QR은 온실내로 유입 되는 일사량(W), QW는 온실 피복재를 통한 관류열량 (W), QV는 환기로 배출되는 열량(W), QP는 작물의 증 발산에 소비되는 열량(W)이다.
본 실험에서는 냉방을 실시하지 않고 있으므로 QT는 0이고, QV에 대하여 정리하면 다음과 같이 된다.(2)
여기서, QR은 실내 일사량 계측치와 같고, QW는 온실의 피복면적과 피복재의 열관류율 및 실내외 기온 계측치를 이용하여 계산할 수 있고, QP는 작물의 증발산계수와 실 내 일사량 계측치를 이용하여 구할 수 있다. 본 연구에 서는 피복재의 열관류율 6.2W/m2°C, 토마토의 증발산 계수 0.5를 적용하였다(ASABE, 2008; Nam 등, 2011).
온실에서 환기에 의해 배출되는 열량으로부터 환기량 은 다음 식으로 구할 수 있다.
여기서, Vr은 온실의 환기량(m3/s), ρi는 실내공기의 밀 도(kg/m3), cp는 실내공기의 비열(J/kg°C), ti와 to는 온실 내외의 기온(°C)이다.
한편, 농업시설의 자연 환기량은 외부 풍속에 비례하 고 또한 실내외 기온차의 평방근에 비례하는 것으로 알 려져 있다(Lindley and Whitaker, 1996). 따라서 온실의 환기량은 다음 식으로 표현할 수 있다.(4)
여기서, V는 실외 풍속(m/s), a와 b는 회귀계수이다.
본 연구에서는 자연환기 특성을 분석하기 위하여 식 (3)으로 구한 온실의 환기량과 실외 풍속 및 실내외 기 온 계측치를 다중회귀분석 하여 식 (4)를 유도하고, 실 험온실의 환기량을 비교 검토하였다.
간척지 온실의 자연환기 및 냉방 특성을 파악하기 위 하여 실험기간 동안의 온실 환기량과 실외기온 대비 실 내기온 상승분에 대한 빈도분석을 실시하고 고찰하였다.
온실의 환기 및 냉방부하에 가장 큰 영향을 미치는 외 부 기상요인은 풍속과 일사량이다. 간척지는 해안지역에 위치하므로 내륙지역과는 기상환경의 차이가 클 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서는 첨단원예단지 계획이 있는 시화, 화옹, 석문, 이원, 새만금, 영산강, 고흥 등의 7개 간척지를 대상으로, 주변의 가장 가까운 해안 기상 관측소와 내륙 기상관측소의 30년간 기상자료(KMA, 2011)를 비교 검토하였다. 분석에 사용한 연구대상 간척 지와 주변의 기상관측소 현황은 Table 2와 같다.
결과 및 고찰
본 연구에서는 재료 및 방법에서 언급한 바와 같이 온 실의 환경계측 데이터로부터 식 (3)을 이용하여 구한 환 기량을 실측 환기량으로 가정하였다. 또한 자연환기 이 론에 따라 실측 환기량과 실외 풍속 및 실내외 기온차 와의 관계를 다중회귀분석 한 결과 식 (4)의 회귀계수 a, b는 Table 3과 같이 유도 되었으며, 여기서는 이 회귀 식으로 계산한 환기량을 예측 환기량이라고 정의하였다.
Table 3. Analyzed regression coefficients a and b in equation (4) and its R2 and p-value.
| Case | a | b | R2 | p-value |
|---|---|---|---|---|
| Without plants | 41.75 | 20.11 | 0.7613 | 2.1×10-10 |
| With plants | 10.79 | 11.26 | 0.7235 | 1.3×10-10 |
작물이 없을 때의 회귀분석 결과 R2 = 0.7613 (p < 0.001)으로 나타났고, 작물이 있을 때의 회귀분석 결 과 R2 = 0.7235 (p < 0.001)로 나타났다. 본 다중회귀분석 모델은 자연환기 이론과 같이 온실의 환기량이 실외 풍 속과 실내외 기온차의 평방근에 비례하는 것을 잘 모의 하는 것으로 판단된다.
Fig. 2와 Fig. 3은 앞에서 정의한 실측 환기량과 예측 환 기량을 비교한 것으로써 그림에서 보는바와 같이 환기량 예측치와 실측치는 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났으며, 작물이 없으면 환기량이 더 큰 것을 확인할 수 있었다.
열수지 방법을 이용한 온실의 환기량 실측은 이미 많 은 연구자에 의해서 검증된 바 있으며(Fernandez와 Baily, 1992; Willits 등, 2006), 본 연구에서도 이 방법 으로 실측한 환기량이 시설의 자연환기 이론을 잘 따르 고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 다중회귀분석을 통해 단순모델을 구축하면 특정한 시설의 자연환기량을 비교 적 쉽게 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
간척지에 설치한 온실의 여름철 자연환기 특성을 분석 하여 Fig. 4와 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 4에서 보는바 와 같이 작물이 없을 때 온실의 환기회수는 대부분 0.6 회/min 이상이었고, 평균 1.5 회/min으로 상당히 자연환 기가 잘 이루어지고 있는 것으로 나타났다.
작물이 있는 경우, 온실의 환기회수는 Fig. 5에서 보는 바와 같이 대체로 0.3~0.9 회/min의 범위에 있었고, 평균 0.7 회/min으로 나타났다. 작물이 재배되고 있는 경우, 특 히 토마토 등과 같이 키가 큰 작물이 있을 경우에는 자연 환기율이 크게 저하되는 것을 알 수 있다. 하지만 Nam 등(2011)이 내륙지역에서 실험한 토마토 재배 온실의 환 기회수 평균 0.2회/min과 비교하면, 본 실험 온실의 환기 회수는 상당히 높은 값으로써 간척지에 설치한 온실이 자 연환기성능 측면에서 훨씬 유리한 것으로 평가된다.
Albright(1990)와 Lindley and Whitaker(1996)는 실내 기온을 외기온 대비 5°C 이내로 유지하기 위한 상업용 온실의 여름철 권장 환기율을 0.75~1.0회/min로 제시하 고 있으며, 더 낮은 온도를 유지하려면 차광이나 냉방을 병행해야 한다고 하였다. 이들의 추천 값을 본 실험 결 과와 비교하면 간척지에 설치한 온실의 경우 자연환기 만으로도 권장 환기율을 상당부분 충족하므로 차광을 병 행한다면 기계적인 냉방은 불필요할 것으로 판단된다.
간척지에 설치된 자연환기 온실의 여름철 실내외 기온 차, 즉 실외기온에 대한 실내기온 상승 특성을 분석하여 Fig. 6과 Fig. 7에 나타내었다. Fig. 6에서 보는바와 같 이 작물이 없을 경우, 실내기온은 대부분 실외기온 대비 5°C 이내로 유지되고 있으며 평균 2.6°C 상승하는 것으 로 나타났다. 이는 앞의 환기율 빈도분석에서 나타난 바 와 같이 평균 환기회수(1.5 회/min)가 여름철 권장 환기 율(0.75~1.0회/min)을 크게 상회하는 결과와 일치하는 것으로 판단할 수 있다.
Fig. 6
Frequency distribution of indoor air temperature rise in an experimental greenhouse without plants.
Fig. 7
Frequency distribution of indoor air temperature rise in an experimental greenhouse with plants.
작물이 재배되고 있는 경우, 실내기온 상승은 Fig. 7에 서 보는바와 같이 대부분 1~5°C정도의 범위에 있었고, 평균 2.5°C로 나타났다. 환기율 빈도분석 결과와 비교해 보면 재배작물의 유무에 따라 온실의 환기율은 거의 2 배의 차이를 보였으나 실내기온 상승은 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 이는 작물이 있으면 온실의 환기율이 낮아지지만 작물의 증발산에 의해 냉각되므로 실내기온 상승이 감소하기 때문으로 판단된다. 온실로 유입되는 태양복사에너지 중에서 39~85%가 작물의 증발산에 의 해 소비된다는 토마토 재배 온실에서의 실험 결과로도 설명이 가능하다(Nam 등 2011).
이상의 결과로부터 간척지에 설치된 실험온실의 자연 환기 성능은 여름철 권장 환기율을 거의 만족시키고, 실 외기온 대비 실내기온 상승도 작물재배 환경을 크게 벗어 나지 않으므로 새만금 간척지에서는 냉방설비 없이 자연 환기 만으로 온실의 작물 재배가 가능할 것으로 판단된다.
간척지는 해안에 위치하고 있어 내륙지역에 비하여 바 람이 강하고, 안개가 자주 끼는 특성을 보이는 것으로 나타났다. Table 4에서 보는 바와 같이 하절기 냉방이 필요한 기간 동안의 평균 풍속은 간척지 인근의 해안지 역에서 대부분 2.5 m/s를 넘고, 내륙지역에 비하여 50% 이상 강한 것으로 나타나고 있다. 특히 새만금 간척지의 경우 내륙지역에 비하여 2배 이상 풍속이 강한 것으로 나타났다. 이와 같이 강한 풍속은 온실의 환기율을 증가 시키므로 냉방부하의 감소요인으로 작용하게 될 것으로 판단된다.
Table 4. Comparison of average wind speed between seaside and inland region near the reclaimed land during summer season.
안개 지속시간의 경우도 Table 5와 같이 간척지 인근 의 해안지역이 내륙지역에 비하여 상당히 긴 것을 알 수 있다. 특히 새만금 간척지의 경우, 내륙지역에 비하 여 안개지속시간이 4.2배나 길고, 석문, 이원 간척지를 제외하면 다른 간척지도 3배 이상 긴 것으로 나타났다. 최대 냉방부하가 발생할 때는 대체로 안개의 영향이 없 으므로 냉방설비 용량 설계에는 안개지속시간이 관계가 없다. 그러나 안개지속시간이 내륙지역에 비하여 현저 하게 길기 때문에 기간냉방부하는 감소할 것으로 예상 되며 이는 냉방설비의 운전경비 측면에서 유리할 것으 로 판단된다.
Table 5. Comparison of fog duration hours between seaside and inland region near the reclaimed land during summer season.
따라서 간척지 온실의 냉방시스템 설계 시에는 내륙지 역 보다 환기율을 가능한 범위 내에서 상당히 크게 설 정하여도 문제가 없을 것으로 판단된다. 또한 냉방설비 의 가동시간을 하루에 1시간 정도 감소시키는 것이 가 능하므로 이를 고려하여 냉방설비의 운전경비를 예측하 는 것이 타당할 것으로 판단된다. 또한 냉방 설계용 기 상자료의 적용 시에도 주변의 기상관측소 자료를 그대로 이용하지 말고, 온실 설치 지역에서 실측한 기상자료 또 는 현장 여건을 반영하여 보정된 기상자료를 사용하여 설계하도록 할 필요가 있다.
