서 론

현대의 시설원예 농업은 기술과 자본 뿐 아니라 생산 과정에 상당한 광열비가 요구되는 에너지소비산업으로 성장하였다. 국내 시설원예 면적 중 가온재배 면적은 2013년 기준 채소 13,980ha, 화훼 2,197ha로 전체의 27.4%, 86.1%를 각각 차지하고 있으며, 최근 10년간 시 설원예 전체 면적이 4.6% 증가하는 동안 가온재배 면적 은 30.8% 증가하는 등 꾸준한 증가세를 유지해 왔다 (MAFRA, 2014a, b). 국내 가온온실의 난방은 84.8%를 유류에 의존하고 있어 국제유가의 변동에 취약한 구조를 가지고 있으나 지열을 포함한 신재생에너지의 비중은 0.88%로 미미한 수준이며 에너지단가가 낮은 농사용 전 력 사용 면적이 연간 약 20%씩 급속히 증가하고 있는 실정이다(MAFRA, 2014a, b).

시설원예 난방에너지 절감과 관련한 기술은 히트펌프, 펠릿난방기와 같은 난방비 절감형 공조기 이용기술, 난 방부하 축소를 위한 보온커튼, 기능성 피복재 등의 보온 력 향상기술, 온도민감부 국소난방, 변온관리, 일몰후 가 온 등 에너지절감형 온도관리기술 등으로 대별된다. 농 업용 고효율 공조기로서의 히트펌프 적용 가능성 평가 연구(Gracia 등, 1998; Willits와 Gurjer, 2004)가 수행되 었으며, 시설원예용 히트펌프 이용기술과 관련하여 국내 에서는 지열원 히트펌프(Kang 등, 2007; Ryou 등, 2008)와 공기열원 히트펌프(Kwon 등, 2013), 일본에서 는 공기열원 히트펌프와 보조난방기 병용 하이브리드 시 스템(Kawashima 등, 2008; Tong 등, 2011)의 개발 및 현장적용 연구가 수행되었다. 시설의 보온성능 향상 기 술과 관련하여 피복재의 물리적 특성에 따른 보온성능 분석(Briassoulis 등, 1997a; Briassoulis 등, 1997b), 단동 온실의 내외부 다겹보온커튼 및 보온커튼 설치 조건에 따른 난방온도 및 수확량 분석(Kwon 등, 2004), 연동온 실용 자동 수평예인권취식 다겹보온커튼 시스템의 난방 연료 절감 및 수확량 개선효과 분석(Lee 등, 2003) 등의 연구가 수행되었다. 난방에너지 절감을 위한 작물체 온 도민감기관 대상 국소난방 관련 연구는 주로 근권부를 대상으로 하였으며(Gosselin과 Trudel, 1983; Lee 등, 2001: Kim 등, 2010), 온실 난방온도를 관행 대비 낮게 관리하기 위한 딸기 관부 국소난방(Sone 등, 2007; Sato 와 Kitajima, 2010), 작물체 하부를 상대적 저온으로 관 리할 수 있는 토마토 생장부 국소난방(Kawasaki 등, 2011; Kwon 등, 2015)등으로 대상이 확대되고 있다.

이상과 같이 다양한 시설원예 냉난방 관련 에너지절감 기술이 연구되었으나 에너지절감 효과를 극대화하기 위 해서는 고효율 공조기 적용과 더불어 보온성 향상, 열분 배 기술 등을 복합적으로 활용할 필요가 있다. 또한 농 림축산식품부는 농가 경영비부담 경감을 위해 지열원, 공기열원, 폐열원 히트펌프와 다겹보온커튼, 열회수장치 등 다양한 농업 에너지절감시설에 대한 설치비 지원사업 을 수행 중이다(MAFRA, 2016c).

본 연구에서는 유리온실에 적합한 고효율 난방패키지 기술을 개발하기 위하여 지하수열원 히트펌프, 유리온실 용 알루미늄 다겹보온커튼, 양액재배 배지 국소난방장치 를 조합하여 파프리카 재배 벤로형 유리온실에 적용하였 으며, 경유 온수보일러와 일반 보온커튼이 설치된 대조 온실과 에너지소비량, 작물생육 등을 비교, 분석하였다.

재료 및 방법

1. 유리온실 난방패키지 구성

본 연구에서 벤로형 유리온실 난방패키지를 구성하는 공조기는 물-물 형식의 지하수열원 히트펌프이며 시스템 개략도와 온실 설치상황을 Fig. 1과 2에 각각 나타내었 다. 취수된 지하수는 온도분리용 격벽이 중앙에 설치된 지하 저장조(40ton)에 저장되며, 증발기가 설치된 버퍼탱 크(8ton)로 공급되어 히트펌프의 축열운전으로 난방용 고온수를 생산한다. 응축기와 연결된 난방수 축열조 (1.0ton×2개)는 40~45°C로 유지되며 온실내부의 상부에 설치된 팬코일유닛(11.6kW×24대)으로 난방수를 순환하 여 온실을 난방한다. 시스템의 난방용량은 해당 온실의 최대난방부하를 고려하여 105kW로 설계하였다. 지하수 열원 히트펌프는 지중 열교환기를 생략할 수 있으므로 지하수가 풍부한 지역에서는 농업용 지열원 히트펌프로 서 적용성이 높다(Jeon 등, 2015).

Fig. 1.

Schematic of ground water source heat pump.

Fig. 2.

Composition of ground water sourve heat pump system.

보온성능 향상을 위해 고측고 벤로형 유리온실의 측벽 에 권취식 알루미늄 다겹보온커튼 장치를 설치하였으며 커튼은 Fig. 3과 같이 부식방지 보온필름, 증착 알루미 늄, 알루미늄 박막, 부식방지 보온필름, 방수부직포, 흡 습부직포의 6겹의 자재로 구성되어 있다. 알루미늄 보온 커튼의 개폐는 권취축 끝에 장착된 개폐모터의 구동에 의해 주간에는 측벽 상부에 커튼을 말아 보관하며, 야간 난방시간에는 권취축을 온실 바닥까지 풀어 내려서 보온 커튼을 편다. 알루미늄 보온커튼 장치의 개폐모터는 팬 코일유닛에 의한 온실난방 개시와 동시에 작동하도록 설 정하였다.

Fig. 3.

Applied materials and installation in glasshouse of multi-layer thermal curtain.

파프리카 근권부를 국소난방하기 위하여 Fig. 4와 같 이 수경재배 베드의 슬라브 하부에 온수용 엑셀배관(직 경 20mm)을 2열로 설치하였다. 엑셀배관에는 지하수열 원 히트펌프에 의해 생산된 축열조의 온수를 25~30°C로 통수하며, 각 베드에 설치된 국소난방 배관은 축열조와 연결된 주배관에 리버스리턴 방식으로 연결되어 있다. 근권부 난방은 팬코일유닛에 의한 온실 공간난방과 동시 에 개시 및 완료되도록 설정하였다.

Fig. 4.

Local heating pipe for root zone.

2. 시험조건 및 측정항목

Fig. 5에는 본 연구의 난방시험 대상 온실을 나타내었 다. 온실은 경남 함안군 함안면 시설원예연구소 소재 벤 로형 유리온실(35°13’57”북, 128°25’19”동, 표고 45m)로 난방패키지를 적용한 처리구 온실과 대조구 온실 모두 각각 동고 5.5m, 폭 6.4m, 길이 36m의 온실 2동씩으로 구성되어 461m²의 면적을 가지며 방향은 모두 남북동이 다. 두 온실 모두 상부에는 차광율 30%, 60%의 차광스 크린 2층과 부직포 보온커튼 1층이 설치되어 있으며, 측 벽은 처리구 온실은 상기의 알루미늄 다겹보온커튼, 대 조구 온실은 부직포와 마트지로 구성된 일반 보온커튼을 설치하였다. 난방기는 처리구 온실은 상기의 지하수열원 히트펌프(105kW)와 팬코일유닛(11.6kW), 대조구 온실은 경유온수보일러(140kW)와 온실 측벽에 설치한 알루미늄 방열관으로 구성하였으며, 처리구 온실은 근권부 국소난 방장치를 설치하고 대조구 온실은 설치하지 않았다. 처 리구와 대조구 온실의 난방기 제어용 온도센서는 온실 중앙의 높이 2.0m에 설치하였으며 난방온도는 양쪽 온 실 모두 21°C로 설정하였다. 주간의 온실 환기 기준온도 는 30°C이며 환기는 벤로형 온실 천창을 통한 자연환기 만 수행하였다.

Fig. 5.

Experimental glasshouse in Haman-gun.

파프리카 공시품종은 처리구와 대조구 온실 모두 ‘쿠 프라’로 2014년 12월 17일 파종하여 육묘한 후 2015년 2월 26일에 지면에서 30cm 이격된 벤치의 슬라브위 암 면큐브에 정식하여 한줄기로 유인재배 하였으며, 기타 재 배관리는 농촌진흥청 표준재배법에 준하여 수행하였다. 온실 환경측정을 위해 처리구와 대조구 온실 내부의 상, 중, 하류 영역 중앙의 높이 2.0m 지점에 온도계(PT-100, Samyoung, Korea)와 습도계(TR-72Ui, T&D, Japan)를 각각 설치하였으며 양액재배 베드의 슬라브 내부와 온실 외부에도 동일 온도계와 습도계를 설치하였다. 처리구의 지하수열원 히트펌프, 팬코일유닛, 난방온수 순환펌프 및 대조구의 경유온수보일러, 순환펌프 등에 사용된 전기사 용량은 전력량계(OMWH-121-A, Omni system, Korea) 를, 대조구 온수보일러의 경유사용량은 유량계(SSO-8, DS Water, Korea)를 설치하여 각 시험구의 에너지소비 량을 계측하였다. 지하수열원 히트펌프의 난방 성능계수 (Coefficient of performance, COP)는 전력소비량과 온실 로 공급된 열량을 계측하여 아래의 식(1)을 이용하여 계 산하였다.

(1)

COPh=ρwQwcwTw,o−Tw,iPHP

여기서 COP_h: 시스템 난방성능계수, P_HP: 시스템 소비 전력(kW), ρ_w: 열전달매체 밀도(kg/m³), Q_w: 열전달매 체 유량(m³/s), c_w: 열전달매체의 비열(kJ/kg·°C), T_w,i, T_w,o: 각각 응축기 입, 출구 열전달매체 온도(°C)

생육조사를 위한 파프리카 표본은 단구법으로 온실 상, 중, 하류 영역에서 3반복으로 각 6주씩 처리구당 18주를 임의 선발하였으며 초장, 엽수, 경경, 엽장, 엽폭, 엽록소 함량을 측정하였다. 측정 시기는 2015년 2월 26일 정식 후 3월 9일에 1차 조사를, 4월 28일에 2차 조사를 실시 하여 통계검정을 수행하였다. 작물의 생육조사 및 분석 은 농촌진흥청 농업과학기술 연구조사 분석기준에 준하 여 실시하였다.

결과 및 고찰

알루미늄 다겹보온커튼을 설치한 처리구 온실과 일반 부직포 보온커튼을 설치한 대조구 온실에 대해 무가온 상태에서 각 온실 내부의 야간 온습도를 측정하여 알루 미늄 다겹보온커튼의 보온성을 평가하였다. Fig. 6과 같 이 2015년 2월 12일의 최저 외기온 -5.9°C, 평균 외기온 -2.6°C의 조건에서 알루미늄 다겹보온커튼이 설치된 처 리구의 야간 평균온도는 2.9°C, 일반 보온커튼이 설치된 대조구의 평균온도는 0.7°C로 처리구의 온도가 2.2°C 높 게 나타났으며, 상대습도는 승온효과로 처리구가 50%, 대조구가 59%로 나타나 처리구에서 주간에 태양복사에 의해 축열된 온실내부의 열에너지가 더 잘 보존되는 것 으로 나타났다. 이는 부직포와 마트지로 구성된 일반 보 온커튼에 비해 반사성의 알루미늄 박막 등의 6겹으로 구성된 다겹보온커튼이 야간의 온실 외부로의 복사 및 전도 열손실을 최소화하여 보온성을 높였기 때문으로 판 단되었다.

Fig. 6.

Temperature and relative humidity changes according to thermal curtain.

베드 국소난방에 의한 근권부 온도상승 효과를 분석하 기 위해 재배 베드의 암면큐브와 슬라브 접촉면에서 측 정한 온도값을 Fig. 7에 나타내었다. 처리구와 대조구 온실의 야간 난방설정 온도는 21°C, 야간 평균 외기온은 1.8°C, 국소난방장치의 온수배관 평균 수온은 28.7°C이 었다. 국소난방장치를 설치한 처리구의 근권부 야간 평 균온도는 23.1°C, 설치하지 않은 대조구 온실은 18.4°C 로 처리구의 온도가 4.7°C 높게 나타났다. 파프리카의 적정 근권부 온도는 17~24°C로 알려져 있으나 작목, 품 종, 작기 별로 작물체의 온도민감기관에 적합한 온도는 상이하며, 본 연구의 지상의 벤치에서 양액 재배하는 ‘쿠 프라’ 품종의 뿌리 생육, 양수분 흡수 등을 고려한 적정 근권부 온도에 대해서는 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.

Fig. 7.

Comparison of root zone temperatures according to presence of local heating.

난방패키지가 적용된 처리구 온실과 경유온수보일러로 난방하는 대조구 온실의 야간 난방 시 온실 내, 외부 온습 도 변화를 Fig. 8에 나타내었다. 외기온 최저 0.3°C, 평균 2.8°C인 조건에서 대조구 온실의 온도는 17.4~22.5°C의 범 위에서 평균온도 20.2°C를 나타내었으며 처리구 온실은 20.2~21.5°C의 범위에서 평균온도 20.9°C를 나타내었다. 온실 내 평균온도는 처리구가 대조구보다 0.7°C 높게 나 타났으나 그 차이는 크지 않았으며 두 온실 모두 온실 난방설정 온도인 21°C에 비교적 근접한 온도를 유지하 였다. 온실의 온도편차는 다겹보온커튼으로 보온성을 높 이고 팬코일유닛으로 난방을 제어하는 처리구 온실에 비 해 보온성이 낮은 보온커튼을 설치하고 온수보일러와 방 열관으로 난방을 하는 대조구에서 상대적으로 크게 나타 났다. 상대습도는 외부 평균습도가 51%인 조건에서 대 조구는 38%, 처리구는 35%로 나타나 대조구가 3% 높 았으며 이는 처리구 온실의 평균온도가 0.7°C높았던 것 에 기인한 것으로 판단되었다.

Fig. 8.

Temperature and relative humidity changes according to glasshouse heating methods.

난방패키지 적용 처리구 온실에 사용된 지하수열원 히 트펌프의 난방성능을 분석하였다. 히트펌프를 가동하여 난방한 기간은 2015년 2월 26일~4월 30일이며, Fig. 9에 는 3월 12일 야간의 처리구 온실의 내, 외부 온도, 축열조 입·출구 수온 및 시스템 난방성능계수 데이터를 1시간 평 균치로 표시하였다. 축열조 입·출구의 온도차는 평균 2.4°C 정도로 일정하였으며 난방성능계수는 3.7~3.9로 나 타났다. 난방성능계수는 Fig. 9에서 보듯 축열조의 출구 온도 즉 축열조 수온이 낮을수록 증가하는 경향을 보였 으며 이는 응축기의 열교환량 증가와 이로 인한 압축기 부하 감소로 전력소비량이 감소하였기 때문으로 판단되 었다. 지하수열원 히트펌프가 가동된 2015년 2월 26일 에서 4월 7일까지 40일간 온실에 공급된 열량이 평균 88.4kW, 전력소비량이 평균 23.9kW였으며 따라서 평균 난방성능계수는 3.7로 분석되었다.

Fig. 9.

Analysis on performance of ground water source heat pump.

2015년 2월 26일~4월 7일의 난방기간 동안의 대조구 와 처리구 온실의 연료소비량 계측값을 이용한 난방비용 분석 결과를 온실 10a(1,000m²)당 환산값으로 나타내면 Table 1과 같다. 에너지소비량은 대조구 온실이 경유 14,071L, 전력 364kWh를 소비하였고, 처리구는 전력 35,082kWh를 소비하였다. 이를 각 연료의 단가를 이용 하여 난방비용으로 환산하면 대조구 온실이 11,272천원, 처리구 온실이 1,509천원이 소요되는 것으로 나타났으며 대조구 대비 처리구 온실의 난방비용이 약 87% 절감되 는 것으로 분석되었다.

Table 2에는 대조구와 처리구 온실의 작물생육 분석결 과를 나타내었으며, 조사는 2015년 2월 26일 정식 후 3 월 9일에 1차, 4월 28일에 2차 조사를 실시하였다. 초장 과 엽록소 함량을 제외한 엽수, 경경, 엽장, 엽폭에서는 유의한 차이가 발생하지 않았으며 처리구 온실의 초장과 엽록소 함량 증가량이 약간 높게 나온 것은 난방패키지 기술로 환경관리가 이루어진 처리구의 야간온도가 대조 구 온실 대비 0.7°C 정도 약간 높았고, 난방기 가동 시 의 온실 온도의 편차가 대조구보다 작은 정밀한 온도관 리가 이루어졌기 때문으로 판단되나 처리구와 대조구 온 실의 전체적 생육은 큰 차이가 없는 것으로 판단되었다.