서 론
재료 및 방법
1. 연구 대상 지역
2. 온실 피복재 단열 모니터링 챔버 설계 및 제작
3. 온실 피복재 에너지 효율성 평가
결과 및 고찰
1. 온실 피복재별 단열 효과
2. 온실 피복재별 에너지 효율
서 론
시설원예는 1980년과 비교 시 2020년에는 단위면적당 생산량이 5.6배 증가하여 90% 증가하였다(RDA, 2021). 반면에 온실의 면적은 2000년 105,758ha에서 2022년 83,823ha로 매년 1.06%씩 줄어들고 있다(Statistics Korea, 2022). 특히 농업인의 고령화와 인구 감소를 극복하기 위해서는 자본, 기술이 집약된 대규모 첨단온실의 조성이 필요한 실정이다. 미래형 대규모 첨단온실은 신재생에너지를 활용하여 설계되는 것이 바람직하며, 이 경우 간척지와 같은 넓고 평탄한 부지의 확보가 중요하다. 새만금은 약 409km2의 면적에 달하는 대규모 간척사업지로 대규모 첨단온실단지 및 전후방산업을 위한 인프라를 구축하는 데 적합하다. 이에 94.3km2에 해당하는 새만금 농생명용지를 지정하여, 친환경 고품질 농산업단지 조성과 농업생태관광 등이 기획되고 있다(KRC, 2022).
간척지에 대규모 온실단지를 조성하는 경우 육지와는 다른 환경조건을 설계에 고려하여야 한다. 고려사항은 연약한 토질에 따른 지반 침하를 극복하기 위한 지반구조, 적절한 재배작물의 선정, 지하수 염분 문제를 고려한 용수 공급 방안 마련, 높은 풍속에 따른 난방 에너지 소비 저감 방안, 보조적인 에너지원의 확보 등이다. 간척지 외부 풍속은 온실 내부의 열 손실에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 적절한 온실 피복재 선정은 온실 내부 단열을 위한 중요한 요인 중 하나이다.
시설원예 농가에서의 경영비 중 난방비가 차지하는 비율을 일반적으로 30~50% 수준으로 매우 높은 편이다. 작물별로는 생산비에서 난방비가 차지하는 비율이 토마토 31%, 고추 38%, 파프리카 38%, 장미 42%로 알려져 있다(RDA, 2018). 시설원예에서 난방은 주로 면세유를 활용하며, 유가변동에 영향을 크게 받기 때문에 에너지 활용성을 높이기 위해서는 신재생에너지원을 활용한 기존의 에너지원을 대체할 수 있는 적정한 방법을 강구하는 것과 함께 기존의 시설에서 소비되는 에너지의 단열을 높이는 것이 중요하다(Shen 등, 2018; Kim 등, 2018; Rasheed 등, 2018; Ogunlowo 등, 2021). 특히 온실에서의 열손실은 온실 피복재의 표면을 통하여 열의 60~100%가 외부로 전달되고 있다(JPHA, 1994). 온실 피복재 외부 표면에 형성되는 경계층을 통하여 내부의 열에너지가 배출되며, 경계층은 풍속이 높아질수록 두께가 얇아지며, 이로 인하여 더 많은 열에너지가 외부로 나가게 된다. 따라서 온실의 적절한 단열은 작물의 생장 환경 조성과 에너지 비용 절감에 매우 중요한 요인이다.
서해를 중심으로 조성되는 간척지는 바다에서 직접 불어오는 서풍의 영향으로 연중 풍속이 높으며, 산, 구릉, 시설의 장애요인이 없어 육지에서와는 다른 풍환경을 가지고 있다. 간척지의 넓은 토지를 활용하여 대규모 첨단온실을 설계하는 과정에서는 풍환경에 따른 온실의 피복재 선정 및 에너지 손실을 고려한 에너지원을 설계하는 것이 중요하다(Hwang 등, 2013; Diop 등, 2012; Kim 등, 2020). 온실 피복재와 관련된 선행연구에서는 주로 보온, 피복자재의 보온성능에 따른 연구들이 대부분을 차지하고 있다. Kim 등(2009)은 보온단열재의 설치방법에 따른 보온성 효과를 분석하였으며, Lee 등(2011)는 플라스틱온실의 피복방식에 따른 보온, 광투과 성능, 관류열전달계수의 변화를 연구하였다. Lee 등(2013)과 RDA(2014)는 온실 피복재 및 보온재의 관류열전달계수 측정장치 및 시스템을 개발한 바 있다. 최근에는 에너지 절감을 위한 보온커튼에 따른 온실피복재의 관류열전달계수 분석(Geoola 등, 2009), 온실 피복재의 열부하를 계산하고, 온실에서의 위치별 열적 특성을 추적하는 연구가 수행되었다(Kim 등, 2021). 또한 시뮬레이션을 활용하여 온실 에너지 절감장치의 효율을 분석하는 연구가 제시되고 있다(Zhang 등, 1996; Rasheed 등, 2018). 다양한 에너지원과 열손실 저감 시스템 및 온실 피복재의 활용을 기반으로 연중 변동하는 기상에 따른 동적 에너지 부하를 고려하여 에너지원 설계를 수행하기 위해서는 시뮬레이션을 수행하는 사례가 있으며(Vadiee와 Martin, 2014; Cuce 등, 2016; Nam과 Shin, 2017), 새만금과 같은 간척지를 대상으로 연구하기 위해서는 간척지의 환경조건에 대한 현장 데이터의 확보가 중요하다. 따라서, 새만금 간척지의 기상환경에서의 온실 피복재의 종류와 특성에 따른 단열 효과 실험이 필요하다. 선행연구에서는 재료에 초점을 맞추어서 소형 풍동이나 실험실을 조성하여 안정적인 실험조건에서 분석을 수행하였으나, 현장에서의 데이터가 매우 부족한 실정이다.
본 연구에서는 간척지 기상환경에서의 온실 피복재의 종류와 풍환경에 따른 에너지 효율성을 평가하기 위하여 새만금을 대상으로 개활지에서의 농업시설에서 일반적으로 사용되는 4가지의 온실 피복재를 대상으로 온실 피복재 단열평가용 챔버를 제작하였으며, 내부에 실시간 모니터링 시스템을 설계 및 적용하여 외부의 기상조건의 변동에 따른 단열효과와 난방에너지 사용량을 검토하였다.
재료 및 방법
1. 연구 대상 지역
새만금의 기상조건을 반영한 단열성 평가를 위한 현장 모니터링은 새만금 농생명부지인 전북 부안군 계화면(35°46'27.6"N 126°40'03.5"E)에 조성되어 있는 실험용 온실에서 수행하였다(Fig. 1). 실험용 온실 인근에는 개활지로 큰 건물이 거의 없으며, 풍환경 분석을 통하여 실험이 수행된 동절기에 주풍방향인 북서풍을 고려하여 실험을 수행하였다. 실험은 2022년 3월에 수행하였으며, 기상예보를 검토하여 풍향이 비교적 일정하고, 맑은 기상조건이 안정적으로 유지되는 시기를 대상으로 실험을 수행하였다. 또한, 챔버의 내외부 온도 차이를 고려하여 기온이 낮게 유지되는 시기를 선택하였다.
2. 온실 피복재 단열 모니터링 챔버 설계 및 제작
온실 피복재별 단열 효과를 모니터링하기 위하여 모니터링용 챔버를 설계 및 제작하였다. 챔버는 Fig. 2와 같이 0.5×0.5×0.5m의 정육면체의 모양이었다. 온실 피복재의 단열 효과를 분석하기 위하여 온실 피복재를 설치하기 위한 한 면을 제외한 나머지 5개의 면은 polystyrene 재질의 단열재를 이용하여 단열처리를 하였다.
챔버의 온실 피복재는 온실용 단층 유리 4mm, 복층 유리 16mm 2가지와 polycarbonate(PC) 복층 16mm, polymethyl methacrylate(PMMA) 복층 16mm 2가지로 총 4가지를 사용하였으며, 외부 풍향의 실시간 변화에 따른 영향을 분석하기 위하여 북서풍을 기준으로 하여 온실 외부의 개활지에서 온실 피복재가 바람이 불어오는 방향을 향하는 풍상측(windward) 방향과 바람이 불어나가는 방향을 향하는 풍하측(leeward) 방향을 동시에 모니터링하기 위하여 피복재별 2개씩 총 8개의 동일한 제원을 챔버가 제작되었다.
챔버 내부에는 설정온도를 기준으로 온도제어를 위한 방열기가 온도제어기와 스마트플러그(전력소비량 측정장치)와 함께 설치되었다. 내부의 온도가 균일하게 설정되는 것을 가정하기 위하여 순환팬이 설치되었다. 순환팬은 내부에 일정한 유동을 형성하여 공기가 완전혼합상태가 될 수 있도록 하여 내부의 온도가 균일하게 유지될 수 있도록 한다.
3. 온실 피복재 에너지 효율성 평가
온실 피복재 조건에 따른 에너지 효율성을 평가하기 위하여 현장 모니터링을 수행하였다. 제작된 챔버 내부의 온도를 순환팬을 사용하여 일정하고 균일하게 가열하여 유지한 후 시간에 따른 온도의 변화를 모니터링하였다. 챔버 내부 가온은 온도 설정 및 시간 조절이 가능한 방열기를 사용하였고, 내부 설정 온도는 실험온실 내부의 야간 설정 온도인 15℃를 기준으로 하였다.
챔버 내·외부 온도 측정은 열전대 온도 센서(K-type thermocouple, OMEGA Inc., USA)를 활용하였다. 각 8개의 챔버마다 바닥으로부터 25cm 높이에서 피복재의 벽체, 중앙 2지점과 챔버 외부 벽체 1지점으로 총 4지점에 대한 온도의 변화를 모니터링하였다. 챔버에 불어오는 바람의 영향을 파악하기 위하여 다채널 풍속계(Model 1560, KANOMAX, JAPAN)를 설치하여 외부의 풍속을 측정하였다. 온실 피복재별 보온 효과에 차이를 분석하기 위하여, 방열기에서 소비되는 실시간 전력소모량을 측정하였다(Fig. 3).
측정된 데이터를 활용하여 온실 피복재별 에너지 효율성을 단열 효과와 에너지 소모량으로 나누어 분석하였다. 단열 효과를 파악하기 위하여 피복재 종류와 바람의 방향에 따른 내외부 온도 편차를 분석하였다. 에너지 소모량은 설정온도를 유지하기 위하여 방열기가 가동된 시간과 방열기에서 소비된 에너지의 시간에 따른 변화를 바탕으로 산정하였다.
결과 및 고찰
1. 온실 피복재별 단열 효과
온실 피복재 종류와 풍환경에 따른 단열 효과를 분석하였다. 온실 피복재별로 평균 내외부 온도의 편차를 분석한 결과는 단층 유리 3.2℃, 복층 유리 3.74℃, PMMA 5.2℃, PC 7.4℃이었다(Fig. 4). 내외부의 온도의 편차가 크다는 것은, 동일한 시간에 동시에 실험을 하였으므로, 외부의 온도가 일정하게 낮은 상태에서 내부의 온도가 더 따뜻하게 유지되고 있음을 나타낸다. 온실 피복재별 보온 효과를 단층 유리와 비교한 결과, 복층 유리는 16.9%, PMMA는 62.5%, PC는 131.2%의 보온 효과가 상승하는 것으로 나타났다. 온실 피복재에 작용하는 외부 풍속은 풍상측이 풍하측에 비하여 풍속이 평균 53.1% 더 높았으며, 챔버의 내외부 온도 차이가 평균 52.0% 더 큰 것으로 나타났다. 간척지와 같이 외부의 장애물이 없어 풍속이 높은 지역에서는 온실 피복재로 도달하는 풍속이 높아지며, 이로 인하여 에너지의 소비량이 많아지는 것으로 판단된다(Hwang 등, 2013; Diop 등, 2012).
2. 온실 피복재별 에너지 효율
온실 피복재별 에너지 효율을 평가하기 위하여 내부의 온도를 유지하기 위하여 방열기가 가동되는 시간과 소비된 에너지 사용량을 사용하였다. Fig. 5는 시간에 따른 온실 피복재의 표면에서의 풍속과 방열기의 가동시간을 나타낸 것이다. 같은 장소에 동시에 온실 피복재를 기준으로 바람이 불어오는 방향을 풍상측(windward)과 바람이 불어오는 반대 방향으로 배치한 풍하측(leeward)으로 비교하였다. 단열유리 실험결과에서 풍상측에서는 피복재 표면의 풍속이 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있으며, 난방이 가동되는 시간이 길었다. 에너지 효율을 평가한 결과, PC, 복층 유리, PMMA, 단층 유리 순으로 나타났다.
방열기의 작동시간을 평가하면, PC를 사용하는 경우 전체 실험기간 동안 방열기가 작동한 시간이 39.2%로 적은 에너지를 사용하여 온도가 유지되어 에너지 효율이 높은 것으로 나타났다(Fig. 6). PC를 기준으로 다른 온실 피복재의 에너지 효율을 분석한 결과, 방열기 가동 시 전력소모량은 단층유리 풍상측일 때가 PC보다 37.4% 높게 나타났다. 이어서 PMMA가 17.4%, 복층 유리가 15.4% 높은 결과를 나타냈다. 본 실험의 결과에서는 PC 피복재의 에너지 사용량이 가장 낮았으며, 단열이 상대적으로 우수하여 실험 챔버의 외부와 내부의 온도 편차가 가장 크게 나타나 단열 및 에너지 절감 효율이 우수한 것으로 나타났다.
Fig. 7은 같은 시간에 측정된 내외부의 온도를 풍향과 온실 피복재의 재질에 따라서 나타낸 것이다. 내외부의 온도 차이가 클수록 그래프의 기울기는 내부온도인 x축의 값이 커지게 되므로 낮아지게 된다. 기울기가 낮을수록 단열의 효과가 좋을 것으로 판단할 수 있다. 외부 벽체 온도와 내부 벽체 온도 간의 기울기가 높은 피복재는 PMMA, 단층 유리인 것으로 나타났다. 이는 외부 기온 변화에 의한 내부 온도 변화에 비례하여 온도가 하강하는 것으로 다른 피복재에 비해 단열 효과가 낮다고 판단된다. 반면, 외부 벽체 온도와 내부 벽체 온도 간의 기울기가 낮은 피복재는 PC, 복층 유리로 나타나 외부 기온 변화에 의한 내부 온도 변화에 대한 영향이 PMMA, 단층 유리에 비해 낮게 나타나 단열효과가 상대적으로 우수한 것으로 판단된다.
