서 론
재료 및 방법
1. 시험온실
2. 시험작물
3. 측정 센서 및 데이터 수집 방법
4. 통계 분석
결과 및 고찰
1. 온실 환경
2. 작물 생육 및 수확량
3. 에너지 사용량 및 에너지이용효율
서 론
2021년 우리나라의 온실가스 배출량은 676.6백만 톤 CO2eq로 세계 11위 수준이며, 대기 중 이산화탄소 농도는 관측을 시작한 1999년 371.2ppm에서 2022년 425ppm으로 매년 최고치를 경신하고 있다(NIMS 2021). 이에 따라 우리나라는 2050 탄소중립 시나리오를 수립하였고, 농축수산 부문은 2050년까지 2018년 배출량의 38%인 9.3백만 톤을 감축하여야 한다(MAFRA 2021).
국내 시설원예 온실 면적은 시설채소 기준 53,106ha이며 약 35% 면적에서 난방을 실시하는데, 난방 면적의 약 80%가 유류를 사용하여 온실 난방이 시설원예분야 온실가스 배출의 주원인이 되고 있다(KOSIS 2024). 따라서 시설원예 분야의 탄소배출을 줄이기 위해서는 냉난방 에너지를 절감하는 것이 중요하며, 이를 위해 온실의 열손실을 줄이는 passive 기술과 에너지 공급설비의 효율을 높이는 active 기술이 연구되어 왔다. Passive 기술로는 다겹보온자재의 조합별 열성능 분석(Jin et al. 2018), 실리카 에어로겔을 포함한 다겹보온커튼(Jin et al. 2019), 공기주입 이중피복 온실(Lee et al. 2009) 등이, active 기술로는 태양열로 냉매를 직접 팽창시켜 히트펌프 효율을 높인 연구(Lee and Jeong 2022) 등이 보고되었다.
한편 진공유리(vacuum glazing)는 두 장의 유리 사이에 미세한 지지 필러를 두고 그 공간을 진공으로 형성하여 대류·전도에 의한 열전달을 극단적으로 억제한 고단열 피복재로, 창호 및 건물 외피 분야에서 그 열성능이 활발히 연구되어 왔다. 진공유리의 열관류율(U-value)은 저방사(Low-Emissivity, Low-E) 코팅과 결합될 경우 0.7－1.1W·m-2·K-1 수준까지 낮아져 단층유리(약 5.8W·m-2·K-1)의 1/5 이하에 이르는 것으로 보고되었다(Fang et al. 2007; Cuce and Cuce 2016). 그러나 기존 연구는 대부분 실험실 또는 건물 외피 조건에서 단열성능 자체를 평가하는 데 그쳤으며, 진공유리를 실제 온실 피복재로 적용하여 한 작기 동안 작물의 생육 환경·수확량과 난방 에너지를 통합적으로 평가한 사례는 거의 없다.
진공유리는 복층 유리 구조와 내측면 Low-E 코팅으로 인하여 광 투과율이 감소하는 한계가 있어, 광요구도가 높은 작물의 재배에 불리할 가능성이 있다. 이에 본 연구에서는 광 투과율 저하가 작물 생육에 미치는 영향을 명확하게 평가하기 위하여 광 요구도가 높은 작물인 토마토를 시험작물로 선정하였다. 진공유리 온실에서 토마토의 생육과 생산성이 유지되는 경우 진공유리도 온실 피복재의 좋은 대안으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구의 목적은 (1) 진공유리를 온실 피복재로 적용했을 때의 실내 환경과 에너지 절감 효과를 정량화하고, (2) 광 투과율 저하가 작물 생육·수확량에 미치는 영향을 실제 재배를 통해 규명하며, (3) 이를 에너지이용효율(energy-use efficiency, EUE) 관점에서 종합 평가하는 데 있다. 본 연구는 진공유리의 단열성능 확인에 머물지 않고 작물 생육·수확량·에너지를 하나의 실증 시험에서 통합 분석했다는 점에서 기존 연구와 차별된다.
재료 및 방법
1. 시험온실
본 시험은 경상남도 함안군에 위치한 시설원예연구소 부지에서 2022년 12월부터 2023년 5월까지 진행되었다. 시험온실은 측고 3.7m, 동고 6m, 폭 8m, 길이 10m인 양지붕형 유리온실이며, 동일 규격의 일반 유리온실(A6-6동)과 복층 진공유리온실(A6-3동)을 각각 1동씩 설치하여 비교하였다(Fig. 1). 일반 유리온실은 두께 5mm 단층유리를, 진공유리온실은 두께 5mm 유리 두 장 사이에 지지 필러를 삽입하고 유리 층 사이를 10-5 torr 수준으로 진공을 형성한 복층 진공유리를 사용하였으며, 복층 진공유리의 내측면에는 Low-E 코팅이 처리되어 있다.
두 시험온실은 모두 2014년에 준공된 동일 구조의 온실로, 기존 프레임은 그대로 유지한 상태에서 피복재만 일반 유리와 복층 진공유리로 각각 적용하였다. 또한 온실의 기밀성을 확보하기 위해 두 온실 모두 유리와 프레임의 접합부를 실리콘으로 밀봉하였으며, 미닫이식 측창은 외부에서 비닐로 밀봉하여 외기 유입을 최소화하였다.
2. 시험작물
시험작물로는 광 요구도가 높은 토마토(Solanum lycopersicum L.) ‘도테랑다이아’ 품종을 선정하였다. 2022년 10월 13일에 파종하여 69일간 육묘한 뒤 2022년 12월 20일에 두 시험 온실에 각각 80주씩 정식하고 이듬해 5월 31일까지 재배하였다. 관수와 양액 관리는 두 온실에서 동일하게 적용하였다.
3. 측정 센서 및 데이터 수집 방법
온실 내부 미기후의 공간 대표성을 확보하기 위하여 각 온실에 온습도 로거(HOBO MX1101-01, Onset Computer Corp., Bourne, MA, USA) 18개를 폭 방향 3열 × 길이 방향 3행 × 높이 2단(1.5m, 2.5m)의 3×3×2 격자로 배치하고, 온실 중앙부에 온습도·CO2 로거(HOBO MX1102A, Onset Computer Corp., Bourne, MA, USA) 1개를 추가로 설치하였다(Fig. 2). 외부에는 온습도 센서와 일사량 센서를 각 1개씩 설치하였으며, 모든 센서는 10분 간격으로 데이터를 기록하였다. 일사량은 실리콘 일사센서(Watchdog silicon pyranometer, Spectrum Technologies, Aurora, IL, USA)를 온실 내부의 남측과 중앙, 그리고 외부에 설치하여 측정하였다.
난방은 경유 보일러에서 생산한 온수를 배관을 통해 각 온실 내부의 라디에이터에 공급하는 방식으로 수행하였으며, 두 온실은 동일한 난방 조건을 유지하기 위해 동일한 온수 공급 설정온도로 제어하였다. 각 온실의 온수 공급관에는 디지털 적산열량계(ECSDR, Hanseo, Korea)를 설치하여 난방 공급 열량(MWh)을 측정하였으며, 보일러의 경유 사용량(L)도 함께 기록하였다. 적산열량계는 사용 온도 범위 0－90°C, 최고 사용압력 1MPa의 수평 설치형으로, 유량과 공급수 및 환수의 온도차를 이용하여 공급 열량을 산출한다. 본 연구에 사용된 센서 및 계측기의 제원은 Table 1에 제시하였다.
Table 1
Specifications of the sensors and meters used in the experiment
난방은 작물 정식에 앞서 2022년 12월 13일부터 2023년 4월 25일까지 가동하였다. 난방 설정온도는 2022년 12월 20일부터 12월 27일까지는 15°C, 2022년 12월 28일부터 2023년 1월 17일까지는 12°C, 그리고 2023년 1월 18일부터 4월 25일까지는 15°C로 설정하여 온수가 공급되도록 제어하였다.
4. 통계 분석
작물의 생육(온실당 15주) 및 수확량 자료는 평균±표준편차(mean ± standard deviation)로 나타내었으며, 두 온실 간 차이는 유의수준 5%에서 Welch의 t-검정을 이용하여 분석하였다. 또한 온실 내부 온도의 공간적 대표성은 각 측정 시점에서 18개 온도센서의 공간 표준편차와 측정기간 동안의 센서 간 평균 범위를 산출하여 평가하였다.
결과 및 고찰
1. 온실 환경
1.1 온도 환경
시험온실 내부 기온은 진공유리온실이 일반유리온실보다 높게 유지되었다. 월평균 기온은 진공유리온실이 12월 1.7°C, 1월 1.6°C, 2월 1.5°C, 3월 1.1°C, 4월 0.9°C, 5월 0.3°C 높았으며, 작물 재배기간(12월 20일－5월 31일) 전체 평균으로는 1.1°C 높았다(Fig. 3). 외기와의 기온차가 큰 저온기(12－2월)에 두 온실 간 차이가 컸고, 외기가 상승하는 봄철로 갈수록 차이가 감소하였는데, 이는 피복재 단열성능의 효과가 실내외 온도차가 클수록 크게 나타나기 때문이다.
18개 센서로 측정한 내부 기온의 표준편차는 진공유리온실 0.65°C, 일반유리온실 0.79°C였고, 기간 평균 기준 센서 간 범위는 각각 1.2－1.5°C로 온실 내부 기온이 비교적 균일하게 유지되었다.
월별 일최저기온 평균은 진공/일반유리온실 각각 12월 13.2/11.3°C, 1월 12.1/9.7°C, 2월 13.8/11.5°C로, 특히 1월에는 일반유리온실의 야간 기온이 토마토 생육 한계온도(10.5°C)를 밑도는 날이 많았다. 가장 추웠던 시기의 시간별 기온 변화를 Fig. 4에 나타내었다. 12월 28일부터 1월 18일까지의 기간 동안 일반유리온실의 기온이 10.5°C 미만으로 유지된 시간은 총 85.3시간(최저 8.3°C)에 달한 반면, 진공유리온실은 같은 기간 동안 한 번도 10.5°C 미만으로 떨어지지 않았다(최저 11.0°C). 새벽(00－08시) 평균 기온도 진공유리온실 12.6°C, 일반유리온실 11.0°C로 진공유리온실이 높게 유지되었다. 두 온실 모두 동일한 난방 설정온도로 난방수를 제어하였으나, 일반유리온실은 피복재를 통한 열손실이 커서 야간에 설정온도 이하로 떨어지는 시간이 많았다.
외기가 －8.5°C를 기록한 2022년 12월 29일 오전 8시경 각 온실의 외부에서 촬영한 열화상 이미지를 Fig. 5에, 내부에서 촬영한 열화상 이미지를 Fig. 6에 제시하였다. 외부 열화상 이미지에서 일반유리온실의 유리 표면온도는 진공유리온실의 유리 표면온도나 외기온도보다 높게 나타났으며, 이는 일반유리온실에서 외부로의 열손실이 더 크게 발생하였음을 의미한다.
1.2 단열성능의 이론적 검토
시험에 사용된 단층유리와 진공유리의 열관류율(U-value)을 비교하면, 두께 5 mm 단층유리의 U-value는 약 5.8W·m-2·K-1인 반면, Low-E 코팅이 적용된 복층 진공유리는 0.7－1.1 W·m-2·K-1 수준으로 보고되고 있다(Fang et al. 2007; Cuce and Cuce 2016). 따라서 피복재의 열관류율만을 기준으로 할 경우, 진공유리온실의 피복을 통한 열손실은 일반유리온실의 약 12－19% 수준으로 감소할 것으로 예상된다. 그러나 본 연구에서 측정된 난방에너지 절감률은 후술하는 바와 같이 49.9%로 나타나, 피복재의 열관류율 차이만을 고려하여 예측한 이론적 절감률보다 낮은 수준이었다. 이러한 차이는 온실의 총 열손실이 피복재를 통한 전도 열손실 뿐만 아니라, 프레임을 통한 열교(thermal bridge), 환기에 따른 열손실, 그리고 지중 및 바닥을 통한 열손실 등 다양한 경로의 영향을 함께 받기 때문으로 판단된다. 즉, 온실의 단열성능을 향상시키기 위해서는 단열성능이 우수한 피복재를 적용하는 것뿐만 아니라, 프레임의 단열성능과 온실의 기밀성을 함께 개선해야 한다. 따라서 진공유리의 에너지 절감 효과를 더욱 극대화하기 위해서는 고성능 피복재와 함께 프레임 및 기밀성능을 종합적으로 개선하는 설계가 필요할 것으로 판단된다.
1.3 일사량
구름이 적었던 2023년 1월 19－20일 이틀간 측정한 결과, 외부 일사량 대비 실내 투과 일사량은 진공유리온실 52.8%, 일반유리온실 91.1%로, 진공유리온실의 투과 일사량은 일반유리온실의 58% 수준이었다(Fig. 7). 이는 유리 두 겹에 의한 반사면 증가와 복층 유리 내측 Low-E 코팅에 의한 광량 감소에 기인한다.
Low-E 코팅은 파장 선택적(wavelength-selective) 특성을 가져 근적외선－장파 복사 영역의 반사율을 높여 단열성능을 확보하는 대신, 코팅 종류에 따라 가시광선 영역의 투과율까지 함께 저하시킬 수 있다. 작물 광합성에 유효한 광합성유효복사(PAR, 400－700nm) 영역의 투과율이 낮아지면 수확량 감소로 직결되므로, 진공유리의 온실 적용을 위해서는 파장별 투과 특성의 정밀 측정이 필요하다. 본 시험에서는 분광 투과율(spectral transmittance)을 직접 측정하지 못하였으므로, 향후 사용 유리의 파장별 투과 곡선을 측정하여 PAR 투과율을 정량화하고, 이를 통해 수확량 감소 원인을 광학적으로 규명할 필요가 있다.
1.4 결로 현상과 이슬점
일반유리온실에서는 야간부터 오전까지 내부 유리 표면에 결로가 발생하였으나(Fig. 8), 단열성능이 우수한 진공유리온실에서는 결로가 관찰되지 않았다. 이러한 차이는 실내 공기의 이슬점과 유리 표면온도의 관계로 설명할 수 있다. 18개 센서를 이용하여 측정한 야간(00:00－06:00) 평균 이슬점은 진공유리온실이12.5°C(상대습도 80%), 일반유리온실이 11.1°C(상대습도 75%)였다. 일반적으로 결로는 유리 표면온도가 실내 공기의 이슬점 이하로 낮아질 때 발생한다. 외기온도가－9°C를 기록한 2023년 1월 26일 오전 9시경 측정한 내부 유리 표면온도는 진공유리온실이 12.5°C, 일반유리온실이 1.9°C로 나타났다. 진공유리온실의 유리 표면온도는 실내 공기의 이슬점과 거의 동일한 수준을 유지하여 결로가 발생하지 않은 반면, 일반유리온실의 유리 표면온도는 이슬점보다 크게 낮아 결로가 발생하였다. 이는 진공유리의 낮은 열관류율(U-value)로 인해 실내측 유리 표면온도가 외기의 영향을 적게 받아 상대적으로 높은 온도를 유지하였기 때문으로 판단된다.
2. 작물 생육 및 수확량
2.1 작물 생육
파종 후 83일이 경과한 2023년 1월 4일부터 약 2주 간격으로 온실당 15주씩 초장을 조사하였다(Fig. 9). 진공유리온실 작물의 초기 생육이 더 빨라, 2월 15일 초장은 진공유리온실 138.7cm, 일반유리온실 107.4cm로 통계적으로 유의한 차이를 보였다(Welch t=12.4, p<0.001). 그러나 초장의 생장속도(cm·day-1)를 보면 진공유리온실은 2월 말까지 앞섰으나 3월 중순 이후 일반유리온실의 생장속도가 이를 추월하였고(Fig. 10), 그 결과 최종 초장(5월 23일)은 진공유리온실 302.2±27.2cm, 일반유리온실 304.9±22.1 cm로 유의한 차이가 없었다(t=－0.29, p>0.05). 125일 및 222일 경과 작물의 사진은 Fig. 11과 같다.
초기 생육 차이와 후기 역전은 온도와 일사량이 각기 다른 시기에 제한요인으로 작용한 결과로 해석된다. 생육 초기(12－2월)에는 두 온실 간 온도 차이가 컸고 특히 일반유리온실이 생육 한계온도(10.5°C) 이하에 85.3시간 노출되어 저온이 생육의 제한요인으로 작용하였으며, 이 시기 단열성능이 우수한 진공유리온실의 생육이 앞섰다. 반면 봄철(3월 이후)에는 두 온실 모두 생육 적온을 확보하여 온도의 제약이 사라진 대신, 일사량이 약 2배 많은 일반유리온실이 광합성 측면에서 유리해져 생장속도가 역전되었다. 즉 최종 초장이 두 온실에서 유사한 것은 진공유리온실의 초기 온도 우위와 일반유리온실의 후기 광 우위가 상쇄된 결과이다.
2.2 수확량
토마토는 3월 28일부터 5월 31일까지 수확하였다(Fig. 12). 총 수확량은 진공유리온실 192.4kg(정상과 117.3kg), 일반유리온실 229.7kg(정상과 125.6kg)으로 일반유리온실이 많았다. 월별로는 진공유리온실이 4월 118.9kg에서 5월 73.5kg으로 감소한 반면 일반유리온실은 4월 71.1kg에서 5월 158.5kg으로 크게 증가하였다.
최종 초장에는 유의한 차이가 없었음에도 수확량에서 큰 차이가 나타난 것은, 영양생장 지표인 초장과 달리 과실 수확량은 재배기간 동안 누적된 광량에 의해 크게 좌우되기 때문이다. 일사량이 약 2배 많은 일반유리온실은 착과기－비대기인 4－5월에 더 많은 누적 광량에 따른 광합성 산물을 확보하여 과실 수와 과중이 증가하였다. 진공유리온실은 초기 온도 우위로 착과는 빨랐으나, 착과 이후 과실 비대에 필요한 광량이 부족하여 수확량으로 연결되지 못하였다.
또한 진공유리온실의 월별 수확량이 일관된 증가 경향 없이 변동이 큰 것(Fig. 12A)은, 진공유리온실 작물이 초기 온도 우위로 상대적으로 이른 시기에 집중 착과·수확되어 4월에 수확이 몰린 뒤 광 부족으로 후기 착과·비대가 부진하여 수확량이 감소한 데 기인한다. 반면 일반유리온실은 봄철 일사량 증가와 함께 착과·비대가 꾸준히 이루어져 수확량이 안정적으로 증가하였다(Fig. 12B). 이러한 수확 패턴의 차이 역시 온도와 일사량이 시기별로 다르게 작용한 결과로 해석된다.
3. 에너지 사용량 및 에너지이용효율
난방기간(2022년 12월 13일－2023년 4월 25일) 동안 열량계로 측정한 공급 열량은 진공유리온실 41.9 MWh, 일반유리온실 85.2 MWh로, 진공유리온실의 난방에너지 사용량은 일반유리온실의 49.9%에 해당하였다(Fig. 13). 저온기일수록 두 온실의 열량 차이가 컸는데, 이는 실내외 온도차가 큰 시기에 단열성능의 효과가 크게 나타나기 때문이다.
수확량과 에너지 사용량을 함께 고려하기 위해 단위 난방에너지당 수확량으로 정의되는 에너지이용효율(EUE)을 분석하였다(Fig. 14). 진공유리온실의 EUE는 4.60kg·MWh-1로 일반유리온실(2.70kg·MWh-1)의 1.7배였으며, 단위 수확량당 에너지 소비량(specific energy consumption)은 진공유리온실 217.5kWh·kg-1, 일반유리온실 370.9kWh·kg-1로 진공유리온실이 41% 낮았다. 즉 진공유리온실은 절대 수확량은 낮았으나 동일한 수확량을 얻는 데 필요한 에너지는 훨씬 적어, 에너지·탄소 효율 측면에서는 우수하였다. 이는 진공유리 적용의 핵심 가치가 에너지 절감에 있음을 정량적으로 보여준다.
종합하면, 고단열 복층 진공유리는 난방에너지를 약 절반으로 줄이고 야간 저온과 결로를 방지하는 뚜렷한 이점을 보였으나, 낮은 광 투과율로 인해 절대 수확량이 감소하는 한계가 확인되었다. 따라서 진공유리를 시설원예에 실용적으로 적용하기 위해서는 PAR 영역의 투과율을 높인 고투과 Low-E 코팅이나 반사방지(anti-reflection) 처리 등 광학적 개선이 병행되어야 하며, 이 경우 본 연구에서 확인된 높은 에너지이용효율을 유지하면서 수확량 손실을 최소화할 수 있을 것으로 기대된다.
