서 론
국내 시설원예 농업에서 겨울철 난방을 하는 가온재배 면적은 2015년 기준 17,838ha 로 전체 시설면적 54,804ha의 32.5%를 차지하고 있으며, 최근 10년간 전 체 시설면적이 5.6%(2,892ha) 증가하는 동안 가온재배 면적은 42.3%(5,301ha) 급증하였다. 가온재배 면적 비중 은 화훼가 86.1%로 한계에 다다른 반면 채소는 30.2% 로 최근 10년간 연평균 5%의 꾸준한 증가세를 유지하 고 있다(MAFRA, 2016a, b). 국내 가온재배의 난방에너 지는 83.5%를 유류에 의존하고 있어 국제유가의 변동에 취약한 구조를 가지고 있으나 지열을 포함한 신재생에너 지의 비중은 1.4%로 미미한 수준이며, 최근 농사용 전 기를 사용하는 가온재배 면적이 연간 약 20%씩 급증하 고 있다(MAFRA, 2016a, b). 난방용 전기인 농사용 전 력 ‘을’은 고압기준 전력량 요금이 41.9원/kWh로 발열 량당 가격이 면세등유의 50∼60%에 불과하며, 농어업 육성을 위해 국내 평균 발전원가의 절반정도 요금으로 공급되고 있다. 국내 산업별 전력소비에서 농림어업이 차지하는 비중은 3.1%에 불과하나 최근의 농업시설 난 방용 전기사용의 급증세와 국가 에너지 수급 상황을 고 려하여 합리적 전기사용이 요구되고 있다.
원예시설의 난방에 사용되는 전기난방기는 기존 유류 난방기의 버너를 전기저항 발열체로 대체한 전기온풍난 방기, 전기온수보일러가 대부분이며, 전열선, 면상발열체, 적외선 방열등, 유도가열기, 유체마찰 보일러 등 발열부 형상과 전기-열 에너지변환 형식에 따라 다양한 제품이 개발, 판매되고 있다. 기존의 구리선, 니켈선과 같은 금 속 저항 발열체는 산화나 고열, 물리적 손상에 의한 결 선으로 누전과 이에 따른 화재의 위험성이 있어(Kim과 Kim, 2007; Han 등, 2010), 최근에는 열 및 전기적 전 도성이 높고 내열성이 우수한 탄소섬유를 다양한 분야에 서 발열체로 적용하기 위한 연구가 수행되어 왔다(Bae 등, 2003; Jin 등, 2006; Kim 등, 2011). 탄소섬유 발열 체의 원예시설 난방 적용과 관련한 연구로 탄소섬유 적 외선등을 절화장미 난방에 적용하여 생육과 난방비용을 분석한 연구(Lim 등, 2009), 탄소히팅파이프를 이용하여 토마토 재배온실을 대상으로 경유온풍난방기와 난방비용 및 경제성을 비교한 연구(Peak 등, 2011) 등이 수행되었 다. 탄소섬유 발열체를 포함한 전기 난방기는 연소장치 등이 생략되어 소형화가 가능하므로 수직 공기교반기와 전기히터를 조합한 온실 온도제어 시스템(Kwak 등, 2015), 전기온풍기와 덕트를 이용한 토마토 생장점 및 개화화방 국소가온 장치(Kawasaki 등, 2010)등에 적용되 었다. 전열선식의 전기난방기는 기존 유류난방기의 덕트 나 온수배관에서 발생하는 온도구배의 단점을 보완할 수 있어 딸기재배 배지의 난방적용을 위한 전열선 삽입형 온수관(Kim 등, 2010), 고설재배 딸기의 크라운부 국소 난방을 위한 전열선 가온장치(Sato 등, 2010)등에 이용 되었다. 농업시설 냉난방을 위한 전기히트펌프(EHP)와 관련하여 지열원 히트펌프(Kang 등, 2007; Ryou 등, 2008)와 공기열원 히트펌프(Kwon 등, 2013), 공기열원 히트펌프와 보조난방기 병용형 시스템(Kawashima 등, 2008; Tong 등, 2011)등의 농업시설 적용 연구가 다수 수행되었다.
원예시설에서 주로 사용되는 전기온풍기와 전기온수보 일러는 방열 메커니즘이 기존 유류난방기와 유사하나, 전열선 또는 적외선등 등의 열복사 형식의 난방기는 온 실 기상 및 재배 작물에 미치는 열전달 특성이 상이하 다. 따라서 본 연구에서는 열선형식의 탄소섬유 전기발 열체와 기존 경유온풍난방기를 오이재배 단동 비닐온실 에 각각 적용하여 난방방식이 온실내부의 온습도 분포에 미치는 영향을 분석하였으며, 난방방식에 따른 에너지소 비량 및 작물생육 등을 비교하였다.
재료 및 방법
1. 공시 재료
전기발열체와 경유온풍난방기가 설치된 공시온실은 경 남 함안군 함안면 소재(35°13’57”북, 128°25’19”동, 표고 45m)의 07-단동-3형(폭 7.0m, 측고 1.4m, 동고 3.3m, 길 이 25m) 비닐온실로 동서동이며 길이방향으로 나란히 배치되어 있다. 피복은 폴리에틸렌 필름 2중이며, 권취 식 다겹보온커튼이 1중과 2중 피복사이에 설치되어있다. 온실의 최대난방부하는 식 (1)을 이용하여 계산하였으며 설계외기온은 표준기상데이터(KSES, 2017)가 제공되는 인근 부산의 위험률 1.0% TAC온도 -4.6°C, 난방설정온 도 15°C, 피복재 열관류율 3.6W/m2·°C, 보온커튼 열절감 률 0.5, 환기전열계수 0.35W/m2·°C, 지중전열량 1.9kW, 풍속보정계수 1.0을 사용하였다. 계산 결과 최대난방부 하는 약 16kW이며 전기발열체 적용 온실은 1.0kW 용 량의 탄소섬유 전기발열체(1.0kW, Deoksan Co., Haman, Korea) 16라인을, 경유온풍난방기 적용 온실은 시판 상용 난방기중 가장 작은 23.3kW 용량의 난방기 (FIH-20, Shinhwain Co., Miryang, Korea)를 각각 설치 하였다.(1)
여기서, Qg: 온실 최대난방부하(W), Ag: 온실 피복면적 (m2), As: 온실 상면적(m2), ht: 열관류율(W/m2·°C), hv: 환기전열계수(W/m2·°C), Ts: 난방설정온도(°C), Td: 설계 외기온(°C), Qs: 지중전열량(W), fr: 보온커튼 열절감율, fw: 풍속보정계수
2. 실험장치 및 방법
Fig. 1과 2에는 탄소섬유 전기발열체와 경유온풍난방 기가 설치된 시험온실의 개략도와적용 난방기 및 측정 장치를 각각 나타내었다. 전기발열체는 폭 50cm의 두둑 의 양쪽으로 10cm 이격된 위치의 높이 10cm 및 30cm 에 2라인을 각각 설치하였으며 피복에서 10cm 내측 위 치에도 동일 높이에 2라인을 설치하여 총 16라인을 설 치하였다. 온실 내부의 난방온도는 제어기에 입력한 설 정온도를 기준으로 전력공급장치를 단속함으로써 조절하 였으며, 전력소비량은 교류삼상 전자식 전력량계 (LD3410DR-080, LSISC Co., Ltd, Korea)로 적산전력량 을 계측하였다. 경유온풍난방기는 직경 50cm의 주덕트 와 30cm의 분지덕트로 연결하였으며 분지덕트는 두둑과 두둑 사이의 중앙 및 두둑과 피복의 사이의 중앙 바닥 에 4개를 설치하였다. 분지덕트는 두께 0.1mm의 폴리에 틸렌 재질로 상부에는 직경 2cm, 간격 30cm로 천공하 여 온실 하류로 온풍을 공급하도록 하였으며 경유소비량 은 미소유량계(SSO-8, DS Water, Hwaseong, Korea)를 사용하여 적산유량을 측정하였다. 온실 내부의 상/하류 및 상/하부의 기상분석을 위해 온습도 측정센서(TR- 72Ui, T&D, Nagano, Japan)를 각 온실 내부의 하류방향 625cm, 1,875cm 위치에서 40cm, 200cm 높이에 각각 설치하였으며 외부기상 역시 동시에 측정하였다. 난방기 의 난방설정온도는 전기발열체와 경유온풍난방기 모두 15°C±1.0°C로 설정하였으며, 각 난방기의 ON/OFF 제어 를 위한 온도센서는 온실 중앙의 오이군락의 줄기끝 생 장점 부근인 높이 180cm에 설치하였다. 보온성능 향상 을 위해 설치한 다겹보온커튼은 08시30분 열림, 17시 닫힘으로 설정하였으며, 2중 피복의 측장은 09시 열림, 17시 닫힘으로 설정하였다. 온실의 환기는 1중 피복의 측창을 통한 자연환기만 실시하였으며 주간환기 기준 온 도는 온실 중앙 180cm 높이에 설치한 온도센서의 측정 값 27°C를 기준하였다.
3. 생육시험
양쪽 온실의 재배시험에 이용된 오이의 공시품종은 대 목 ‘흑종’ 호박, 접수 ‘신동청장’ 오이의 접목묘를 구입하 여 사용하였으며 정식은 2016년 10월 6일 실시하였다. 폭 50cm, 높이 20cm로 조성된 두둑에 재식간격 약 40cm로 한 줄로 정식하여 토경 양액 재배하였으며 각 온실 당 재배주수는 150주로 한줄기로 유인 재배하였다. 난방은 양쪽 온실 모두 난방 설정온도 15°C를 기준으로 2016년 11월 7일 개시하여 2017년 1월 24일 종료하였으며, 기 타 재배관리와 관련한 사항은 농촌진흥청 표준재배법에 준하여 수행하였다(RDA, 2013). 작물 생육 및 수확량 조사를 위한 오이 표본은 전기발열체 온실과 경유온풍난 방기 온실의 온실 상, 중, 하류 영역에서 3반복으로 각 5주씩 온실 당 15주를 임의 선발하였으며 초장, 엽장, 엽폭, 엽수, 경경, 엽록소함량과 수확량을 조사하였다. 생육조사 시기는 정식 후 2016년 11월 10일에 1차 조사 를, 12월 12일에 2차 조사를 실시하였으며, 수확량은 2016년 11월 14일~2017년 1월 11일까지 3~6일 간격으 로 총 14회 실시하여 통계검정을 수행하였다. 작물의 생 육조사 및 분석은 농촌진흥청 농업과학기술 연구조사 분 석기준(RDA, 2012)에 준하여 실시하였다.
결과 및 고찰
1. 난방용량별 특성분석
온실의 난방부하와 실제 설치된 난방기 용량의 상대적 크기에 따라 온실 내부의 기상변화와 난방기의 운전특성 은 상이하게 나타날 수 있다. 탄소섬유 전기발열체는 전 기발열체의 개수를 조정하거나 전원공급 장치의 전력을 조절함으로써 공급열량을 변화시킬 수 있다. 온실에 설 치된 난방기의 용량이 온실 기상에 미치는 영향을 분석 하기 위해 전기발열체 설치온실의 전력공급 발열체의 개 수를 변화시켜가며 온실 내부의 온습도를 측정하였다. Fig. 1에 나타낸 바와 같이 해당 온실에는 1.0kW 용량 의 전기발열체가 16라인이 설치되어 있으므로 6, 9, 16kW의 전력을 온실에 각각 공급하기 위해 6라인(각 두 둑 좌우 상부의 6라인), 9라인(전체 상부 8라인과 북측 벽 하부 1라인), 16라인(전체 라인)에 각각 전원을 공급 하였다. Fig. 3, 4에는 6, 9, 16kW의 전력이 각각 공급 될 때 온실 내부의 온습도 변화를 변화패턴이 안정되는 22시에서 익일 08시까지에 대해 나타내었다. 6, 9, 16kW 가동 날짜는 각각 2016년 11월 20일~21일, 11월 30일~12월 1일, 12월 25일∼26이며 최저 외기온이 약 5°C로 기상 예측되는 날짜를 대상으로 측정하였으므로 해당시간의 외기온 평균은 각각 4.6, 4.8, 4.5°C로 유사 하였다. 최저외기온 5°C, 난방설정온도 15°C 기준으로 시험온실의 최대난방부하는 약 8kW로 산정되나 전기발 열체 6kW를 가동한 온실에서도 난방온도는 유지되었으 며, 이는 해당 온실이 신규온실이며 다겹보온커튼 역시 당해에 설치되어 환기열손실이 적고 보온커튼의 열절감 률이 높았기 때문으로 판단된다. Fig. 3에서 보듯 난방 기 ON-OFF 주기는 6, 9, 16kW 가동 조건에서 각각 9, 11, 15회로 비례하여 증가하며 이는 동일한 난방부하 조 건에서 난방기 용량이 클수록 난방기 ON, OFF에 따른 온도상승 및 하강 속도가 빨라짐을 의미한다. 온도상승 속도뿐 아니라 하강 속도 역시 빨라짐은 빠른 온도상승 으로 온실상부를 포함한 전체공간에 충분한 열량이 공급 되기 전에 난방기 제어센서의 온도가 난방기 OFF 설정 온도인 16°C에 도달하였기 때문으로 판단된다. 6, 9, 16kW 가동조건에서 온습도센서 설치 4지점의 시간/공간 평균온도는 15.2, 15.3, 15.6°C, 평균상대습도는 84, 81, 76%로 나타나 난방기 용량이 클수록 온실내부 온도는 높고, 상대습도는 낮음을 알 수 있다. 6, 9kW 가동조건 에서 하부(높이 40cm) 평균온도가 상부(높이 200cm)보 다 0.1°C 높았으며 16kW 가동조건에서는 상부 평균온 도가 하부보다 0.2°C 높았다. 열부력에 의한 자연대류에 도 불구하고 6, 9kW 가동조건에서 하부온도가 높은 것 은 열복사의 영향이 큰 것으로 판단되며, 16kW 가동 시 에는 자연대류의 지배력이 커져 상부온도가 더 높은 것 으로 판단된다.
2. 난방기별 특성분석
경유온풍난방기와 탄소섬유 전기발열체는 열에너지원 뿐 아니라 열전달 메커니즘도 상이하다. 경유온풍난방기 는 버너의 연소열이 내부 열교환기를 거쳐 난방기 토출 구에 연결된 천공덕트로 온실내부에 공급되며, 공기중으 로의 열전달은 덕트 천공을 통해 분출되는 온풍에 의한 강제대류와 덕트 표면을 통한 열복사 및 자연대류에 의 존한다. 탄소섬유 전기발열체는 탄소사와 섬유사를 조합 한 열선이 약 200°C로 가열되며 열전달은 손상방지와 열전달효율 향상을 위하여 피복한 알루미늄 방열관의 표 면을 통해 공기중으로 열복사와 자연대류의 형태로 이루 어진다. Fig. 5, 6에는 경유온풍난방기(23.3kW)와 탄소 섬유 발열체(16kW) 적용 온실의 내부 온도 및 상대습도 일중 변화를 각각 나타내었다. 온습도 데이터는 2016년 12월 11일~28일간의 5분 간격 측정치를 1시간 평균한 값으로 나타내었으며 상기의 온습도 측정 4지점을 상류 상부/상류하부/하류상부/하류하부로 표현하였다. Fig. 5에 서 보듯 난방시간(17시~익일 9시) 동안 경유온풍난방기 적용 온실의 온도분포는 상류상부 15.7°C, 상류하부 15.1°C, 하류상부 14.3°C, 하류하부 13.8°C 순으로 나타 났다. 상류는 상부가 하부보다 0.6°C, 하류는 상부가 하 부보다 0.5°C 높으며, 상부는 상류가 하류보다 1.4°C, 하 부는 상류가 하류보다 1.3°C 높게 나타나 강제대류 및 열부력에 의한 상하부의 온도차와 온풍덕트의 하류방향 열손실에 의한 상하류의 온도차가 중첩되어 나타남을 확 인할 수 있다. 반면 전기발열체 적용 온실의 난방시간 동안 온도분포는 하류상부 15.9°C, 상류상부 15.8°C, 상 류하부 15.7°C, 하류하부 15.7°C로 상부가 하부보다 0.1~0.2°C, 하류가 상류보다 0~0.1°C 높게 나타났으나 그 차이는 매우 작으며 이는 하부의 열복사와 열부력에 의한 자연대류에 의존하는 열전달 특성과 하류방향으로 온도구배가 작은 전기발열체의 발열특성에 기인한 것으 로 전기발열체 적용 온실이 공간분포 상 더 균일한 온 도분포를 보이는 것으로 분석되었다.
Fig. 6에 나타낸 바와 같이 난방시간 동안 경유온풍난 방기 적용 온실의 상대습도 분포는 하류하부 71.6%, 하 류상부 64.4%, 상류하부 63.7%, 상류상부 61.0%로 온도 분포와 반대 경향을 나타내었으며, 최대 상대습도차는 하류하부와 상류상부간의 10.6%로 나타났다. 전기발열체 적용 온실의 상대습도 분포는 하류상부 67.0%, 상부상 류 67.0%, 상류하부 66.9%, 하류하부 65.2%로 온도분포 와의 경향성이 확인되지 않았으며 이는 위치별 최대 상 대습도차가 1.8%에 불과하며 습도센서의 오차범위 ±5.0% 이내이기 때문으로 판단된다.
3. 난방비용 분석
난방기간(2016년 11월 7일 ~ 2017년 1월 24일) 동안 각 난방온실의 누적에너지소비량을 Fig. 7에 나타내었다. 각 온실의 누적에너지소비량의 경향성은 거의 일치하고 있으며 난방완료 시 누적값은 경유온풍난방기 적용 온실 은 경유 867L를, 탄소섬유 전기발열체 적용 온실은 전 력량 8,959kWh로 나타났다. 면세경유가격 700원/L와 기 본료 포함 농사용 전력 ‘을(고압)’의 전력량 요금 45원/ kWh을 적용 시 난방비용은 경유온풍난방기 적용 온실이 607천원, 전기발열체 적용 온실이 403천원이 소요되어 전기발열체 온실이 약 34%의 비용절감효과가 있는 것으 로 분석되었다. 경유온풍난방기의 열이용효율 85%, 경유 의 발열량 37.9MJ/L, 탄소섬유 전기발열체의 열이용효율 99%를 기준으로 온실의 총공급열량을 계산하면 경유온 풍난방기 적용 온실이 27,925MJ, 탄소섬유 전기발열체 온실이 31,935MJ이 공급된 것으로 추정되며, 상기의 기 준 적용 시 발열량당 가격은 면세경유가 21.7원/MJ, 농 사용 전력 ‘을(고압)’이 12.6원/MJ로 두 온실의 난방비 용 차이는 에너지원의 단가 차이에 의한 것으로 판단되 었다.
경유온풍난방기 및 전기발열체 적용 온실의 오이 재배 시험 결과를 Table 1에 나타내었다. 정식 후 32일이 경 과한 난방개시일(2016년 11월 7일)에 실시한 초기 생육 조사 결과, 초장과 엽록소함량에서 전기발열체 적용 온 실이 약간 높고 엽장, 엽폭, 엽수, 경경은 경유온풍난방 기 적용 온실이 약간 높았으나 통계적으로 유의한 차이 는 없었다. 난방개시 후 35일이 경과한 12월 12일 2차 조사결과 엽록소함량을 제외한 모든 생육이 전기발열체 적용 온실에서 약간 높게 나타났으나 역시 경유온풍난방 기 온실과 유의한 차이는 없었다. 약간의 생육개선은 Fig. 5에서 보듯 온실내부 4개 지점의 평균 난방온도가 전기발열체 온실이 경유온풍난방기 온실에 비해 약 0.8°C 높으며 전기발열체 온실의 군락하부 온도가 경유 온풍난방기 온실보다 약 1.3°C 더 높아 균일한 생장이 가능했기 때문으로 판단된다.
Table 1. Effects of heater type on growth of ‘Shindongchungjang’ cucumber plants.
Table 2에는 2016년 11월 14일~1월 11일의 누적 수확 량을 분석한 결과를 나타내었다. 평균과중과 주당 과중 은 전기발열체 온실이, 주당 과수는 경유온풍난방기 온실 이 약간 높았으며, 전기발열체 온실의 상품과 수량이 4.3% 더 많았으나 통계적으로 유의한 차이는 없었다. 전 기발열체 온실의 과중증가는 군락하부의 온도가 경유온 풍난방기 온실보다 1.3°C 높아 비대기 과실의 생장을 촉 진하였기 때문으로 판단된다.
Table 2. Effects of heater type on yield of ‘Shindongchungjang’ cucumber.
