파이프 골조 온실의 내구성 증대를 위하여 4가지의 부식방지 처리를 한 파이프를 실험온실 내부에 설치하여 20년경과 후 표면부식 상태와 강도 변화 실험을 실시하였다. 대기 중에 노출된 지상부위에서 무처리 파이프는 강도가 1.3%정도 줄었지만 다른 처리와의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 지하 매설부위에서 중방식 처리한 파이프의 강도는 0.6%정도 줄어 거의 변화가 없었으나 무처리는 15.7% 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 방청 페인트나 아스팔트 도포는 4.2~4.4% 정도 감소하는 것으로 나타났다. 지상부위는 모든 시료에서 심한 부식상태를 보이지 않았다. 중방식 처리는 변화가 없었고, 방청페인트 처리도 녹은 발견되지 않고 약간의 변색만 있었다. 아스팔트 도포는 검게 변색되고 약간의 녹이 발견되었으며, 무처리는 표면의 20~30%정도가 녹슨 것으로 나타났다. 지하 매설부위 무처리 파이프의 경우에는 전체가 완전히 녹슬어 있었고, 아스팔트 도포한 파이프도 표면의 80~90%가 녹슬어 있었다. 방청페인트 처리는 20~30%정도 녹슬어 있었고, 중방식 처리는 거의 변화가 없었다. 중방식 처리는 지하 매설부위에서도 확실한 부식 방지 효과를 보이는 것을 확인할 수 있었고, 방청페인트 처리도 어느 정도 부식 방지 효과를 나타내고 있으므로 현장에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구는 난방온실의 온도분포 균일화를 위한 기초자료 제공을 목적으로 온수난방 방식의 토마토 재배 온실 에서 난방실험을 통하여 난방배관의 표면온도와 실내기온 사이의 상관관계를 분석하고, 난방배관의 열전달특성 분석과 난방배관 배치의 개선을 통하여 난방배관 표면온도의 편차를 줄이고 균일도를 향상시키기 위한 방안을 도출하였다. 서로 다른 두 온실의 온도분포를 분석하여 최대편차와 균일도를 검토한 결과, 온수의 유량이 많고 난방배관의 길이가 짧게 배치된 온실의 온도편차가 작고, 균일도는 높은 것으로 나타났다. 또한 순환팬을 가동한 경우에 온도편차는 작아지고 균일도가 개선되는 것을 확 인할 수 있었다. 난방배관의 표면온도와 실내기온 사이의 상관관계를 분석한 결과, 두 온실 모두에서 유의적인 (p<0.01) 정적 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 온수난방 온실에서 실내기온의 분포는 난방배관 표면온도의 분포에 영향을 받는다는 것을 확인할 수 있었고, 온도편차 가 최소화 되도록 난방배관을 배치함으로써 실내기온 분포의 균일도를 개선할 수 있는 것으로 판단되었다. 난방 배관의 열전달 특성을 분석한 결과 배관의 길이가 길어 지면 온도편차는 커지고, 관내의 유속이 빨라지면 온도 편차는 작아지는 것으로 나타났다. 따라서 지선배관의 길이가 짧아지도록 난방배관을 배치하고, 관내의 유속을 제어함으로써 온실의 온도분포와 환경의 균일성을 개선 할 수 있을 것으로 판단되었다. 국내 온실에서 가장 많 이 사용하고 있는 튜브레일(40A) 방식의 온수난방시스 템에서 하나의 지선배관에서의 온도편차를 3oC 이내로 조절하기 위해서는 관내의 유속이 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0m·s-1일 때 난방배관의 길이는 각각 40, 80, 120, 160, 200m 이내로 제한해야 하는 것으로 분석되었다.

The purpose of this study is to provide basic data for setting environmental design standards for domestic greenhouses. We conducted experiments on thermal environment measurement at two commercial greenhouses where hot water heating system is adopted. We analyzed heat transfer characteristics of hot water heating pipes and heat emission per unit length of heating pipes was presented. The average air temperature in two greenhouses was controlled to 16.3oC and 14.6oC during the experiment, respectively. The average water temperature in heating pipes was 52.3oC and 45.0oC, respectively. Experimental results showed that natural convection heat transfer coefficient of heating pipe surface was in the range of 5.71~7.49W/m2 oC. When the flow rate in heating pipe was 0.5m/s or more, temperature difference between hot water and pipe surface was not large. Based on this, overall heat transfer coefficient of heating pipe was derived as form of laminar natural convection heat transfer coefficient in the horizontal cylinder. By modifying the equation of overall heat transfer coefficient, a formula for calculating the heat emission per unit length of hot water heating pipe was developed, which uses pipe size and temperature difference between hot water and indoor air as input variables. The results of this study were compared with domestic and foreign data, and it was found to be closest to JGHA data. The data of NAAS, BALLS and ASHRAE were judged to be too large. Therefore, in order to set up environmental design standards for domestic greenhouses, it is necessary to fully examine those data through further experiments.

온실의 냉난방부하 산정을 위해 설계자가 선택해야할 주요 변수들에 대하여, 이들 설계 변수가 냉난방부하에 미치는 영향을 평가하기 위해서 각각의 설계 변수값을 변화시키면서 시뮬레이션을 실시하였으며, 이를 바탕으로 특별히 선택에 주의를 기울여야 할 설계 변수를 제안하였다. 난방부하에 가장 큰 영향을 미치는 설계 변수는 피복재의 열관류율이고, 다음으로 설계외기온인 것으로 나타났다. 연동수에 따른 설계 변수의 영향은 차이가 거의 없는 것으로 나타났다. 단동 온실의 경우에는 지중전열 관련 설계 변수의 영향을 무시할 수 없을 것으로 생각되지만, 연동 온실의 경우에는 지중전열 관련 변수 및 틈새환기율의 영향이 미미한 것으로 판단되었다. 냉방부하에 가장 큰 영향을 미치는 설계 변수는 온실내로 유입되는 일사량과 증발산계수이고, 다음으로 실내외 기온차, 환기율인 것으로 나타났다. 설계 변수의 영향은 단동 온실과 연동 온실에서 큰 차이를 보였으나, 연동수에 따른 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 피복재의 열관류율은 단동 온실이나 연동 온실 모두 영향이 미미한 것으로 나타났지만, 실내외 기온차 및 환기율의 경우에는 냉방부하에 미치는 영향을 무시할 수 없을 것으로 생각되며, 특히 연동 온실에서 그 영향이 더 큰 것으로 판단되었다. 냉방부하를 산정할 때 실내 목표온도를 낮게 설정할수록 설계 변수의 선택에 신중해야 한다. 특히, 실내 목표온도를 외기온 보다 낮게 설정하면 환기율 및 열관류율 값이 냉방부하를 증가시키는 방향으로 바뀌므로 더욱 주의해야 한다. 환기율이 낮을 때는 설계 변수 중 설계일사량과 증발산계수의 선택에 주의해야 하고, 환기율이 높을 때는 실내 설정온도와 설계외기온의 선택에 신중을 기해야 한다.

온실 냉난방시스템 설계용 외부기상조건의 분석 기준을 설정하기 위하여 연간 백분위 방식에 의한 냉난방 설계기온을 분석하고, 기존의 계절 백분위 방식에 의한 설계기온과 비교 검토하였다. 우리나라 전 지역을 대상으로 현재 기상청에서 제공하는 기후평년값 기준 30년간의 매 시각 기상자료를 분석에 사용하였다. 표준기상 데이터의 이용이 제한적이기 때문에 전체 기상자료를 이용하여 매년 설계용 기상조건을 구하고, 전체 자료기간의 평균값을 분석에 사용하였다. 연간 백분위 방식으로 1년 기준 총 8,760시간의 백분위수 0.4%, 1%, 2%를 냉방 설계 외기온으로, 99.6%, 99%를 난방 설계 외기온으로 제시하였다. 연간 백분위 방식을 채택할 경우 계절 백분위 방식에 비하여 전체적으로 난방설계 외기온은 6.7~9.6% 상승하는 것으로 나타났으며, 냉방설계 외기온은 0.6~1.1% 하강하는 것으로 나타났다. 동일한 온실 조건에서 최대난방부하는 연간 백분위 방식을 채택할 경우 기존의 계절 백분위 방식에 비하여 약 3.0~3.6% 정도 감소하는 것으로 나타났고, 최대냉방부하에 미치는 영향은 미미한 것으로 분석되었다. 따라서 난방설계 외기온은 연간 백분위 방식으로의 변경에 대하여 고려할 필요가 있지만, 냉방설계 외기온은 두 방법 간의 차이가 거의 없으므로 아직까지 변경할 필요는 없는 것으로 판단된다. 전체적으로 현재의 계절 백분위 방식으로 분석한 설계 외기온을 사용하여도 큰 문제는 없을 것으로 생각되지만, 기후변화의 영향을 고려하여 주기적인 설계용 기상자료의 분석 및 설계기준의 개정이 필요하고, 현재의 기후평년값 기준연도가 바뀌는 2021년 이후에는 이 기간의 기상자료를 분석하여 새로운 설계기준으로 제공해야 할 것이므로, 그 때 연간 백분위 방식에 대한 전문가 그룹의 검토를 통하여 반영할 필요가 있을 것으로 판단된다.

간척지 온실의 환경설계 기술 개발을 위한 기초자료 제공을 목적으로, 첨단 시설원예단지 설치 계획이 있는 국내 7개 대규모 간척지 주변의 기후조건을 분석하였으며, 새만금 간척지 내에 설치된 3연동 플라스틱 온실을 대상으로 하절기에 시설 내외의 열적 환경계측 실험을 통하여 자연환기 및 온도 상승 특성을 분석하고, 간척지 온실의 환경 설계에 적용해야 할 부분을 검토하였다. 작물의 유무에 따른 온실의 환기율을 비교한 결과, 작물이 있으면 온실의 환기율은 낮아지지만 작물의 증발산에 의해 실내기온 상승은 감소하는 것으로 나타났다. 작물이 있는 경우 온실의 환기회수는 대체로 0.3~0.9회/min의 범위에 있었고, 평균 0.7 회/min으로 나타났다. 실외기온 대비 실내기온 상승은 1~5oC정도의 범위에 있었고, 평균 2.5oC로 나타났다. 간척지에 설치된 실험온실의 자연환기 성능은 여름철 권장 환기율을 거의 만족시키고, 실외기온 대비 실내기온 상승도 작물재배 환경을 크게 벗어나지 않으므로 새만금 간척지에서는 냉방설비 없이 자연환기 만으로 온실의 작물 재배가 가능할 것으로 판단된다. 간척지는 해안에 위치하고 있어 내륙지역에 비하여 바람이 강하고, 안개가 자주 끼는 특성을 보이는 것으로 나타났다. 이와 같이 강한 풍속은 온실의 환기율을 증가시키므로 냉방부하의 감소요인으로 작용하게 될 것으로 판단된다. 또한 안개지속시간이 내륙지역에 비하여 현저하게 길기 때문에 기간냉방부하는 감소할 것으로 예상되며 이는 냉방 설비의 운전경비 측면에서 유리할 것으로 판단된다. 또한 간척지 온실의 환기 및 냉방시스템 설계 시에는 주변의 기상관측소 자료를 그대로 이용하지 말고, 온실 설치 지역에서 실측한 기상자료 또는 현장 여건을 반영하여 보정된 기상자료를 사용하여 설계하도록 할 필요가 있다.

온실의 냉난방시스템 설계 기준에 적용하기 위한 외부 기상조건을 설정하기 위하여 난방 설계용 외기온, 난방 degree-hour, 냉방 설계용 건구온도, 습구온도, 일사량을 분석하여 제시하였다. 우리나라 전 지역을 대상으로 현재 기상청에서 제공하는 기후평년값 기준인 1981~2010 년까지 30년간의 매 시각 기상자료를 분석에 사용하였다. 표준기상데이터의 이용이 제한적이기 때문에 30년간의 전체 기상자료를 이용하여 설계용 기상조건을 구하고, 전체 자료기간의 평균값을 설계기준으로 제시하였다. TAC 방식으로 위험률 1, 2.5, 5%에 대한 설계용 기상자료를 분석하고, 설계기준에서 추천하고 있는 난방용은 위험률 1%, 냉방용은 위험률 2.5%의 기상조건 분포도를 제시하였다. 지역별, 위험률별 및 설정온도별로 최대난방부하, 기간난방부하 및 최대냉방부하의 변화를 고찰하였다. 제시된 각종 설계용 기상조건은 온실의 냉난방시스템 설계에 직접 이용할 수 있을 뿐만 아니라 냉난방 설비 보강이나 에너지 절감대책의 수립에 활용이 가능할 것으로 판단된다. 한편 기후변화로 인하여 최근 여름철 폭염이나 겨울철 이상고온 현상이 자주 발생하고 있으므로 주기적인 설계용 기상자료의 분석이 필요하고, 최소한 10 년 주기로 설계기준을 개정할 필요가 있는 것으로 생각 된다. 본 연구에서는 현재 기후평년값 기준인 1981 ~2010년까지의 기상자료를 분석하였으나 이 기준이 1991~2020년으로 바뀌는 2021년에는 즉시 이 기간의 기상자료를 분석하여 새로운 설계기준으로 제공해야 할 것으로 판단된다.

온실의 난방부하 중 지중전열부하는 산정방법이나 적용여부가 제각각이고, 온실의 규모에 따라 각각의 방법에는 큰 차이가 있으므로 보다 정확히 국내에 적용할 수 있는 방법을 정립할 필요가 있다. 본 연구에서는 원예시설의 난방부하 산정방법 정립에 필요한 기초자료를 제공하기 위하여 위치와 규모가 다른 3개의 연동 플라스틱 온실에서 난방기간 동안 지온분포와 토양열류를 실측하였으며, 온실의 지중전열부하 산정방법을 검토하고 난방설계에 필요한 기준자료를 도출하였다. 난방중인 온실의 지온분포를 실측하여 실내기온과 비교한 결과 온실의 중앙 부분에서는 지온이 실내기온 보다 높고, 온실의 끝부분과 모서리 부분에서는 지온이 실내기온 보다 낮은 것으로 나타났다. 그러므로 온실의 중앙 부분에서는 지중열이 공급되고, 온실의 측면 부분에서는 외주부를 통해서 열손실이 발생하며, 온실의 규모에 따라 차이가 있는 것으로 판단된다. 건물의 외주부를 통한 열손실 개념을 도입하고, 온실의 규모를 반영하여 수정한 온실의 지중전열부하 산정방법은 타당성이 있는 것으로 평가된다. 토양열류센서를 이용하여 실측한 지중전열량은 실내외 기온차에 비례하여 직선적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 지중전열량 분석 결과로부터 지중전열의 방향이 바뀌는 기준온도차를 도출하였으며, 국내 온실의 난방설계에서 대규모 온실은 10oC 내외, 소규모 온실은 12.5 ~15oC를 적용할 것을 제안하였다. 또한 지중열류 실측 결과로부터 온실의 외주부 단위길이당 열손실계수를 도출하였으며, 대규모 온실은 7.5~10W·m-1·K-1, 소규모 온실은 2.5~5.0W·m-1·K-1를 설계기준 자료로 제안하였다.

온실의 냉방부하 산정방법 개발을 위하여 열수지 방법에 기초한 냉방부하 산정식을 구성하고, 포그냉방 온실 에서 냉방부하를 실측하여 검증하였다. 포그냉방 온실의 냉각열량은 포그분사에 의한 증발수량에 물의 증발잠열을 곱하여 구할 수 있다. 여기서, 증발수량은 포그 분사량에 증발효율을 곱하면 구할 수 있으며, 즉 분무수량을 계측하고 포그시스템의 증발효율을 알면 온실의 냉방부하를 실측할 수 있다. 따라서 온실의 냉방부하 실측을 위하여 실험온실에서 포그시스템의 증발효율을 실험하고, 실험온실의 열환경 계측과 더불어 포그 분사량을 계측하여 냉방부하 산정방법을 검토하였다. 먼저 냉방부하 산정식의 환기전열량을 검토하기 위하여 냉방을 실시하지 않은 상태에서 환기량 실측 실험을 통해 비교한 결과 열수지식을 이용한 환기전열량 예측은 비교적 양호한 결과를 보이는 것으로 나타났다. 이류체 포그시스템의 증 발효율은 0.3~0.94의 범위를 보였으며 평균 0.67로 나타 났고, 환기율이 증가함에 따라 커지는 것으로 나타났다. 포그냉방을 실시하면서 온실의 환경을 계측하여 열수지 식으로 냉방부하를 계산하고, 분무량 실측치로부터 증발 냉각열량을 구하여 비교한 결과 냉방부하 계산치와 실측치는 대체로 유사한 경향을 보이는 것으로 나타났다. 냉방부하가 낮은 경우에는 실측치에 비하여 약간 크게 예측되었고, 냉방부하가 높은 경우에는 실측치보다 작게 예측되었다. 온실의 냉방시스템 설계 시에는 최대냉방부하를 이용하여 냉방설비의 용량을 결정하게 된다. 따라서 냉방부하가 큰 쪽에서 실측치보다 작게 예측되는 부분은 검토가 필요하지만 설비용량 산정시의 안전계수를 고려하면 본 연구에서 제시한 냉방부하 산정방법은 온실의 환경설계에 적용할 수 있는 것으로 판단된다.

온실의 난방부하 중 틈새환기전열부하 산정방법은 설계 기준마다 제각각이고, 온실의 규모에 따라 각각의 방법에는 큰 차이가 있으므로 보다 정확히 국내에 적용할 수 있는 방법을 정립할 필요가 있다. 본 연구에서는 원예시설의 환경설계 중 난방부하 산정방법 정립에 필요한 기초자료를 제공할 목적으로 다양한 종류의 보온커튼을 설치한 단동 및 연동 플라스틱 온실에서 추적가스법을 이용하여 틈새환기율을 실측하였으며, 온실의 틈새환기 전열부하 산정방법을 검토하였다. 연동온실의 틈새환기 율은 0.042~0.245h-1의 범위로 측정되었으며 단동온실의 틈새환기율은 0.056~0.336h-1의 범위로 측정되어 단동온 실이 약간 큰 것으로 나타났다. 온실의 틈새환기율은 단동, 연동 구분없이 보온커튼의 층수에 따라 크게 감소하는 것으로 나타났다. 또한 틈새환기율은 온실의 실내외 기온차가 커질수록 증가하는 경향을 보였으나, 실험기간 동안의 낮은 풍속 범위에서 외부 풍속에 따른 틈새환기 율의 변화는 일정한 경향을 찾을 수 없었다. 온실의 난방설계를 위한 틈새환기율은 적정 실내외 기온차에서의 값을 제시할 필요가 있고, 최대난방부하 산정의 기준이 되는 낮은 풍속 범위에서 풍속에 따른 틈새환기율의 변화는 고려하지 않아도 되는 것으로 고찰되었다. 다만 강 풍지역에서는 열관류율을 포함하여 최대난방부하를 약간 증가시키는 보정계수의 적용이 필요할 것으로 판단되었다. 온실의 틈새환기전열부하 산정방법을 검토한 결과 틈새환기전열계수와 온실의 피복면적을 이용하는 방법은 문제가 있는 것으로 나타났으며, 틈새환기율과 온실의 체적을 이용하는 방법이 합리적인 것으로 판단되었다.

우리나라 각 지역별 온실의 기간난방부하 산정용 난방 적산온도 자료를 구축하기 위해서는 표준기상데이터가 필요하다. 그러나 국내에는 서울과 6대 광역시 등 7개 지역만 표준기상데이터가 제공되고 있어서 이를 대체할 수 있는 방법을 찾아야 한다. 전국적으로 이용이 가능한 기상자료는 기상청의 일별 평년값 자료 및 30년 (1981~2010)간 매 시각 전체 기상자료이므로 이를 이용하여 난방디그리아워와 난방디그리데이를 구하였다. 표준기상데이터가 있는 7개 지역을 대상으로 평년값 자료 및 전체 기상자료를 사용하여 구한 난방디그리데이와 난방디그리아워를 표준기상데이터를 사용하여 구한 결과와 비교하였다. 전체 기상자료를 이용하여 기본식으로 구한 난방디그리아워의 평균값이 표준기상데이터로 구한 것과 잘 일치하는 것으로 나타났다. 또한 평년값을 이용하여 수정 Mihara식으로 구한 난방디그리아워도 표준기상데이터로 구한 것과 거의 비슷한 경향을 보였다. 이에 비하여 평년값을 이용하여 Mihara식으로 구한 난방디그리 아워는 표준기상데이터로 구한 것 보다 훨씬 작았고 전체 기상자료의 최소값에 가까운 것으로 나타났다. 난방 디그리아워와 동일한 단위로 환산했을 때, 난방 설정온도가 높을 경우에는 난방디그리데이와 난방디그리아워의 차이가 별로 없었으나, 설정온도가 낮을 경우에는 난방디그리데이 방식이 난방디그리아워 방식보다 지역에 따라 3~26%나 작게 나타나는 것으로 분석되었다. 난방디그리데 이는 평년값을 이용하여 기본식으로 구할 수 있기 때문에 간편한 방법이지만 설정온도가 낮을 경우 오차가 크게 발생되므로 난방디그리아워 방식이 더 합리적인 방법으로 판단된다. 결론적으로 온실의 환경설계용 기상자료 구축에 서 난방적산온도는 평년값과 동일한 30년간의 시간별 기상자료를 이용하여 매년 난방디그리아워를 구하고 전체 자료기간의 평균값을 설계 자료로 활용할 것을 제안한다. 또한 최대 및 최소 난방디그리아워 자료를 제공함으로써 기상상황에 따른 에너지 소비량 예측 및 경제성 평가에 활용할 수 있도록 할 필요가 있을 것으로 판단된다.

기상청에서 제공하는 전체 기상자료와 평년값 자료 및 태양에너지학회에서 제공하는 표준기상데이터를 이용하여 위험률별 난방설계용 외기온과 상대습도, 냉방설계용 건구온도, 습구온도 및 일사량 자료를 분석하였다. 표준 기상데이터는 평균에 가장 가까운 대표성을 갖는 1개년의 데이터로 가공 처리한 매시간별 기상자료이고, 평년 값 자료는 30년(1981~2010년) 평균 일별 기상자료이며, 전체 기상자료는 평년값과 동일기간의 매시간별 기상자료이다. 일부 분석방법은 평년값 자료를 이용하는 경우도 있지만 대부분 매시간별 기상자료가 필요하고 대표성을 갖기 위해서는 표준기상데이터를 이용하는 것이 가장 적합하다. 그러나 현재 표준기상데이터는 서울과 6대 광역시 등 7개 지역만 제공되고 있기 때문에 전국을 커버 할 수 있는 지역별 온실 환경설계용 기상자료의 구축에는 전체 기상자료를 이용할 수밖에 없다. 따라서 본 연구에서는 표준기상데이터가 제공되고 있는 7개 지역을 대상으로 전체 기상자료 및 평년값 자료를 이용한 방법으로 분석하여 표준기상데이터로 구한 값과 비교 검토하였다. 위험률별 설계 기상자료는 전체 기상자료를 이용하여 구한 평균값이 표준기상데이터로 구한 결과와 잘 일치하였다. 따라서 표준기상데이터가 없는 지역의 위험률별 설계용 기상자료는 전체 기상자료를 이용하여 구하고, 전체자료 기간의 평균값을 온실의 환경설계 기준으로 사용하며, 최대값과 최소값을 제공함으로써 참고자료로 활용할 수 있도록 하는 것이 합리적인 방법으로 판단된다. 최근의 기후변화 문제로 냉난방 설계기온의 지 속적인 변화가 예상되므로 이에 대응하기 위해서는 전문 가들로 구성된 온실설계위원회와 같은 기구의 설치가 절실히 요청된다. 위원회에서는 자료기간 및 분석방법에 대한 기준을 설정하고, 최소한 10년 간격의 정기적인 검토를 통하여 기상자료를 분석하고 온실설계기준 및 가이드라인을 제공할 필요가 있다.

주변 환경이 작물의 엽온에 미치는 영향을 규명하고, 포그분사 및 공기유동에 의한 엽온조절의 효과를 검토하기 위하여 이류체 포그시스템 및 공기유동 장치를 설치한 토마토 재배온실에서 다양한 실험조건하에 작물의 엽온과 실내외 온습도, 일사량, 풍속 등의 환경을 계측하여 분석하였다. 처리조건별 엽온 및 실내외 기온의 변화를 분석한 결과, 무처리와 차광조건에서는 실내기온과 엽온 모두 외기온보다 상당히 높았으나, 포그분사 조건 에서는 실내온도가 외기온보다 낮거나 약간 높은 정도를 유지하는 것으로 나타났고, 포그분사와 공기유동 조건에서는 엽온을 실내온도와 비슷하거나 더 낮게 유지할 수 있는 것으로 나타났다. 일사량, 풍속 및 포차에 따른 엽 기온차의 변화를 분석하였으며, 주변 환경요인과 엽온과의 관계를 도출하기 위하여 다중회귀분석을 실시하였다. 엽기온차에 대한 최적의 회귀방정식은 일사량, 풍속, 포차를 모두 고려한 것으로써 RMS 오차는 0.8oC였다. 본 회귀방적식을 이용하여 온실의 온습도, 일사량, 풍속을 측정하면 엽온을 추정할 수 있으며, 토마토 재배온실의 고온기 작물 스트레스 경감을 위한 환경조절에 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 처리조건별 광합성 속도는 포그분사와 공기유동의 병행 처리에서 가장 컸고, 포그분 사, 공기유동, 무처리 순으로 나타났다. 포그분사에 공기 유동까지 병행하면 체온조절 효과가 증대하여 작물의 고온 스트레스를 경감할 수 있으며 결국 광합성을 증대시킬 수 있는 것으로 판단된다. 이상을 종합해보면 엽온과 기온의 차이는 주변 환경에 큰 영향을 받는 것으로 나타났으며, 주변 환경을 계측함으로써 엽온을 추정할 수 있고, 그것을 고온 스트레스 경감을 위한 환경조절에 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 포그분사 및 공기 유동을 통해 엽기온차를 줄이고 광합성 속도를 증가시켜 작물생장에 유리한 환경을 조성할 수 있으며, 고온 스트레스를 경감시키는데 효과적일 것으로 판단된다.

본 연구는 식물공장용으로 방전램프로서 메탈할라이드 램프(MH), 고압나트륨램프(HPS), 제논램프(XE)를 사용하고, 냉백색형광등(FL)을 대조구로 사용한 가운데 상추 (Lactuca sativa L. cv. Jeokchima)의 생육 및 파이토케미컬의 특성을 분석하고자 수행되었다. 식물공장 내부의 환경 조건은 광주기 16/8h, 광합성유효광양자속(photosynthetic photon flux, PPF) 200μmol · m−2 · s−1, 기온 22/18oC, 습도 70%, CO2 농도 400μmol · mol−1로 조절하였다. 각 램프의 분광 특성을 이용하여 PPF에 대한 청색광 영역 (400~500nm), 녹색광 영역(500~600nm), 적색광 영역 (600~700nm)의 비율을 계산하였다. MH램프의 청색광 영역은 23.0%로서 다른 처리구에 비해서 가장 높게 나타났다. 한편 HPS램프의 청색광 영역은 4.7%로서 가장 낮게 나타났으나, 적색광 영역은 38.0%로서 다른 처리구에 비해서 높게 나타났다. 정식 후 11일째와 21일째에 측정된 상추의 엽장, 엽폭, 엽면적, 지상부 생체중 및 건물중은 방전램프의 광질에 따른 유의차가 나타날 정도로 다르게 나타났다. HPS 처리구의 엽면적은 143,486mm2 로서 대조구의 98,474mm2에 비해서 45.7% 크게 나타났으며, MH와 XE 처리구는 대조구에 비해서 각각 16.3%, 9.5%로 크게 나타났다. 이러한 결과는 지상부 생체중에서도 유사하게 나타났다. 적색광 영역의 비율이 높은 HPS 처리구에서는 상추의 잎 관련 생장 특성에서 최대치가 나타났으나, 청색광 영역의 비율이 높은 MH와 XE 처리구에서는 낮게 나타났다. 방전등 처리구에 따라 상추 잎에 축적된 아스코르빈산 함량은 대조구에 비해서 작게 나타났으며, 처리구 사이에 유의차가 인정되지 않았다. 상추 잎의 안토시아닌 함량은 MH 처리구에서 0.70mg/100g으로 최대치가 나타났으며, XE와 HPS 처리 구는 대조구의 0.58mg/100g에 비해서 각각 79.3%, 8.6% 수준이었다. 결과적으로 방전램프의 종류에 따라 상추의 생장 특성, 아스코르빈산 및 안토시아닌 함량이 다르게 나타났다. 따라서 식물공장용 인공광원으로서 방전램프 를 효율적으로 활용하면서, 상추의 생장 및 파이토케미컬 함량을 증진시키기 위해서는 분광 특성이 상이한 방전램프의 병용 또는 단색광 LED의 추가 설치 등과 같은 방전램프의 광질 개선이 요구된다.

최근 국내에 많이 보급되고 있는 이류체 포그 냉방시스템의 효율적인 제어알고리즘을 개발하기 위하여 다양한 조건의 분무사이클을 설정하여 토마토재배 온실에서 냉방실험을 실시하였다. 냉방효과는 평균 1.2~4.0℃를 보였고, 냉방효율은 평균 8.2~32.9%로 나타났다. 분무간격에 따른 실험에서 90초 분무사이클의 냉방효율이 가장 높았고, 대체로 분무시간이 길수록, 정지시간이 짧을수록 냉방효율이 높게 나타났다. 이류체 포그시스템의 분무량이 증가할수록 냉방효율이 높아지는 경향을 찾을 수 있었다. 그러나 분무량을 증가시키더라도 내부공기가 포화상태에 가까워지면 더 이상 증발이 일어나지 않으므로 내부공기가 포화상태에 도달하기 전까지 분무량을 증대시키는 방법으로 냉방효율을 높일 수 있을 것으로 판단된다. 냉방효율이 증가함에 따라 실내공기의 포차는 감소하였고 실내외 절대습도 차이는 증가하는 경향을 보였다. 포그의 증발량이 증가할수록 실내와 실외의 절대습도 차이는 커지고, 이에 따라 환기에 의한 수증기 배출이 잘 되어 다시 증발효율을 상승시키므로 냉방효율이 높아지는 순환구조를 갖게 되는 것으로 판단된다. 분무시간과 정지시간에 따른 실내공기의 포차변화를 회귀분석한 결과 10g·kg-1의 포차 변화에 필요한 분무시간은 120초, 정지시간은 60초로 나타났다. 그러나 온도의 진동폭을 줄이고 냉방효율을 높이기 위해서는 포차의 변동범위를 5g·kg-1으로 설정하여 60초 분무, 30초 정지가 더 적당할 것으로 판단된다. 이류체 포그시스템의 제어방식을 컴퓨터 제어시스템과 현재 보급되고 있는 간편제어시스템으로 분류하여 제어알고리즘을 유도하였다. 자연환기 온실에서 간편 제어시스템을 사용한다면 분무사이클을 60초 on, 30초 off로 설정하고 온도하한은 30~30~32℃, 습도상한은 85~90%로 설정할 것을 제안한다.

본 연구는 과수재배 시설의 표준화 및 환경조절기술개발을 위한 기초자료로 제공하는 것을 목적으로 과수재배용 온실의 실태를 조사하여 구조유형과 설계요소를 분석하고, 기상재해에 대한 안전성과 구조 및 환경관리에 대한 개선방안을 검토하였다. 시설재배 면적이 가장 많은 5개 품목 중 주로 제주도에서 재배되고 있는 감귤과 현재 재배온실을 찾을 수 없는 단감을 제외한 포도, 배 및 복숭아재배 온실을 연구대상으로 하였다. 감귤과 포도재배 온실은 꾸준히 증가하고 있으나 저장시설의 발달로 배와 단감재배 온실은 감소하고 있는 추세이다. 앞으로는 비가림 효과가 크고 저장성이 떨어지는 품목을 중심으로 과수재배 온실의 변화가 예상된다. 조사대상 온실 중 배 재배 온실과 복숭아재배 대형 단동온실을 제외하고는 대체로 보급형 온실의 규격을 따르고 있으며, 재배작목별로 특성화된 온실은 없는 것으로 나타났다. 과수재배 온실의 대부분은 농촌진흥청과 농림수산식품부에서 고시한 농가보급형 모델이나 내재해형 모델의 부재규격을 따르고 있었다. 기초는 대부분 콘크리트 기초를 사용하고 있었으며, 배 재배 온실의 경우에는 내재해형 모델보다 두꺼운 단면의 기둥을 사용하고, 강판을 기둥의 하단에 용접하여 매설한 형태의 특수한 기초를 적용하고 있었다. 조사대상 온실의 구조적 안전성을 검토한 결과 대부분 안전하였으나 김천과 천안의 포도재배 온실, 남원과 천안의 복숭아재배 온실에서 적설에 불안전한 것으로 나타났고, 남원의 복숭아재배 온실은 풍속에 대한 안전성도 부족한 것으로 나타났다. 또한 채소재배 온실을 복숭아재배로 전용한 온실의 경우 적설과 풍하중 모두 상당히 불안정한 것으로 나타났다. 과수의 수형, 수고 및 재식간격을 고려하여 과수 재배 온실의 적정규격을 검토한 결과 포도재배 온실은 폭 7.0~8.0m, 측고 2.5~2.8m가 적당하고, 배와 복숭아재배 온실은 폭 6.0~7.0m, 측고 3.0~3.3m 정도가 적당한 것으로 판단된다.

측고, 연동수, 측창의 유무 및 천창의 위치에 따른 다연동 온실의 환기성능을 평가하기 위하여 다양한 유형의 연동 플라스틱 온실을 대상으로 실제 농가의 재배현장에서 환경계측 실험을 수행하였다. 실험 대상 온실은 모두 토마토를 수경재배하고 있는 농가였으며, 열수지 방법으로 환기율을 비교 분석하였다. 측고가 4m인 온실은 측고가 2m인 온실에 비하여 22% 정도의 환기율이 증가하는 것으로 나타났다. 9연동 온실은 5연동 온실에 비하여 17% 정도의 환기율이 감소하는 것으로 나타났다. 9연동 온실에서 측창이 없는 경우에는 측창을 설치한 경우 보다 환기율이 1/3 정도로 낮게 나타났다. 전체적으로 다연동 온실의 환기성능은 측고가 높을수록 좋고, 연동수가 많을수록 떨어지며, 측창이 없으면 현저하게 저하하는 것으로 나타났다. 또한, 측고가 높고 천창을 용마루에 설치한 경우의 환기성능이 가장 우수한 것으로 나타났다. 따라서 다연동 온실의 자연환기 성능을 극대화하기 위해서는 온실의 측고는 높이고, 지붕 환기창의 위치는 곡부가 아니라 용마루에 설치하며, 측창을 반드시 설치하고, 연동수는 10연동 내외로 제한하는 등의 구조개선이 필요하다.

온실의 한쪽 벽에 패드를 설치하고 반대쪽 벽에 팬을 설치하여 가동하는 팬 앤 패드 냉방 온실의 온도 경사 문제를 극복하기 위한 목적으로 일체형 팬 앤패드 시스템과 에어 덕트를 설치한 온실의 냉방 실험을 통하여 냉방성능을 분석하였다. 일체형 팬 앤 패드 증발냉각기의 효율은 1단 가동시 75.7%, 2단 가동시 88.6%로 나타나 대체로 우수한 냉각효율을 보이는 것으로 판단된다. 온실의 냉방성능 실험 결과 무차광 조건에서 온실 냉방 시스템을 가동할 경우 대조구 온실에 비해서 5.7~7.6℃ 정도의 냉방효과가 있으며 차광 조건에서는 7.4~9.7℃ 정도의 냉방효과가 있는 것으로 나타났다. 본 시스템을 적용할 경우 여름철 온실의 최고기온을 37℃ 정도로써 외기온 대비 5℃ 이내로 유지할 수 있으며, 적절한 차광을 실시할 경우에는 33℃ 정도에 2℃ 이내로 유지하는 것이 가능하여 고온기 작물재배에 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 생각한다. 한편, 본 냉방 실험에서 온실의 온도 분포를 분석한 결과 18m 길이의 온실 내 최대 온도 편차는 차광시 1.6~1.7℃, 무차광시 2.3~2.7℃ 정도로 나타났다. Kittas 등(2003)과 Nam 등(2005)의 자료와 비교한 결과 본 연구에서 구상한 일체형 팬 앤 패드 시스템과 에어 덕트를 이용한 온실 냉방시스템은 기존의 팬 앤 패드 냉방 온실의 최대 단점인 온도 편차를 40~50% 정도 개선할 수 있는 것으로 나타났다. 본 시스템은 자연환기 상태에서 가동할 수 있으므로 단동 온실에 적용하기가 쉬우며, 일체형 증발냉각기 출구로부터 온실 내 에어 덕트 시점까지의 연결 덕트 부분을 철저하게 단열하면 냉방성능을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

온실의 환기설계 기준 설정 및 단동 플라스틱 온실의 원형 천창 설치 가이드라인 제정을 위한 기초자료를 제공할 목적으로 천창이 설치된 토마토 재배 단동 온실에서 환기실험을 통하여 자연환기 성능을 분석하고, 열평형 모델을 이용하여 온실 재배 토마토의 증발 추정하였다. 직경 60cm의 원형 천창을 지붕의 중앙에 8m 간격으로 설치한 단동온실의 자연환기 성능을 실험한 결과 환기회수는 분당 0.02~0.32회(평균 0.17회 min-1)의 범위를 보여 상당히 낮은 것으로 나타났다. 그러나 상업용 온실의 권장환기율과 비교하면 6m 간격으로 설치할 경우에는 봄이나 가을철에 필요한 환기량을 충족할 수 있을 것으로 판단되며, 여름철 권장환기를 위해서는 2m 정도의 간격으로 설치한 해야만 가능할 것으로 판단되므로 광투과를 저해하지 않으면서 지붕의 개구면적을 확대할 수 있는 방안을 찾아야 할 것으로 생각된다. 실험에 사용한 단동 온실은 인접 동 간격이 1.2m에 불과한 밀집된 단지 내에 위치하고 있어서 측창 주변의 외부 풍속이 최대 0.9m·s-1(평균 0.4m·s-1에 불과하고 풍력에 의한 환기효과를 기대하기가 어려웠다. 환기량과 풍속 및 실내외 온도차와의 관계를 비교 분석해 본 결과 중력환기가 우세함을 확인 할 수 있었다. 본 환기실험 자료를 온실의 환기설계를 위한 열평형모델에 적용하여 증발산계수를 추정해 본 결과 0.39~0.85의 범위(평균 0.62)를 보였고, 다른 연구자들이 제시하는 일반적인 온실의 설계 권장 값과 유사한 경향을 나타냈다. 따라서 토마토 재배 단동 플라스틱 온실의 환기설계에서 증발산계수는 0.6 정도를 사용하면 적당할 것으로 판단된다.

공기유동 제어기술의 개발을 위한 기초자료를 제공 할 목적으로 토마토 재배 온실의 냉난방과 환기 및 공기유동 관련 실태를 조사하고, 온실유형과 난방방식별 온습도 분포를 실측하여 균일도를 분석하였다. 충남 부여 세도지역의 토마토 재배 온실 136농가를 대상으로 조사한 결과 대부분을 차지하는 단동 플라스틱 온실의 천창 설치 비율이 낮고 환기팬과 유동팬 설치비율도 매우 낮을 뿐만 아니라 설치제원도 편차가 매우 큰 것으로 나타났다. 아치형 단동 플라스틱온실의 천창 환기 구조의 개발보급과 연동곡부의 천창도 지붕상부로 이동시킬 필요가 있으며, 개별 천창구조 및 환기팬과 유동팬에 대한 설치 가이드라인의 제정이 요구된다. 냉방설비를 설치한 농가는 하나도 없었으며 난방방식의 대부분을 차지하는 온풍난방에서 덕트의 설치제원 역시 편차가 큰 것으로 나타났고, 온풍덕트의 배기풍속 및 배기온도 또한 거리에 따른 편차가 매우 큰 것으로 관측되었다. 수출경쟁력 화보를 위한 고품질의 생산물을 연중 안정적으로 생산하기 위해서는 온실냉방기술의 보급이 절실하며 난방방식이나 덕트설치 방식의 개선이 필요한 것으로 판단된다. 온실내 온습도 분포가 균일한지 여부를 판단하는 지표로 사용되고 있는 최대 편차와 실제 균등한 정도를 나타낼 수 있는 균일도와의 관계를 분석해 본 결과 높은 상관관계를 보였으나 주간에는 직선식으로 야간에는 2차 곡선식으로 다르게 표현되었다. 온습도 분포의 균일한 정도를 판정할 수 있는 객관적인 기준이 마련된다면 최대편차 대신 균일도를 지표로 사용하는 것이 더 합리적일 것으로 판단된다. 온실유형과 난방방식에 따라 온 습도분포의 균일도가 상당히 다른 것을 확인할 수 있었으며 야간에는 온수난방의 경우 이랑배관으로, 온풍난방의 경우 온풍덕트의 적절한 배치를 통하여, 주간에는 환기와 공기유동을 통하여 균일도를 개선할 수 있을 것으로 판단되었다.