온실에서 환기는 온실내외의 공기를 교환하여 온실내부의 환경을 조절하는 수단으로 활용되고 있으나 조절 목표는 한계가 있기 때문에 보조수단의 역할을 한다. 주년재배용 대규모 온실 설계시 해결해야 할 문제중의 하나가 여름철의 고온장해이며 이는 온실의 자연환기 성능과 밀접한 관계를 가지고 있다. 본 강좌에서는 온실의 자연환기에 관한 기본적인 내용을 요약하여 정리하고, 온실구조가 자연환기 성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 수치해석으로 온실의 필요환기량, 측창과 천창의 면적비와 온실 폭이 자연환기 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 온실의 자연환기 성능을 향상시키기 위해서는 주어진 조건하에서 가능한 한 측창과 천창의 면적을 동일하게 설계해야 하고 주년재배용 대규모 온실에서는 폭이 대략 50m이상이 되면 자연환기성능을 기대하기 어렵기 때문에 유의해야 할 것으로 판단된다.

본 연구는 여름 같은 고온기나 외부온도가 높지 않아도 시설내 온도가 많이 상승하는 봄 .가을 같은 시기에 온실내 고온 공기를 외부로 신속하게 유출시켜 강제환기를 사용하지 않고도 온실내부의 환경을 조절 할 수 있는 새로운 자연 환기창을 개발하는데 목적을 두고 수행하였다 패널굴절방식 측창은 지면에 가까운 쪽의 패널 하부에 절점을 두고 패널 상부가 측고 부위로부터 가이드 레일을 따라 하향하도록 구성하여 창이 개방되게 하였고, 천창은 측고 부위에 절점을 두고 용마루 쪽의 패널 상부가 가이드 레일을 따라 경사진 지붕면을 따라 하향하도록 구성하여 고온 공기층이 정체되어 있는 온실 상부인 측고 부위와 용마루 부위가 개방되도록 하였다. 굴절 패널의 상부 개방거리는 X=L(1-cosθ)로 나타낼 수 있고 측면 개방 거리는 Y=L/2×sinθ로 나타낼 수 있다. 천창 개방시간은 4분 20초 소요되었으며 개방 시작한 2분 후부터 온도가 하강하기 시작하였고, 완전 개방 2분 후부터는 외기온과의 온도차 3~4℃정도를 유지하면서 평형상태를 유지하였다. 패널굴절방식 환기창 온실의 환기성능은 체적환기량이 22.3-94.3m3.m-2 .h-1이었으며, 환기 횟수는 15.2~39.3회.h-1로 나타나 일반적인 연속형 천창의 10~15회.h-1 정도에 비해 환기효과가 높은 것으로 나타났다. 그리고 벤로형 온실과의 천창개폐시 온도하강을 비교하였을 때 환기효과가 2배 이상 높은 것으로 판단되었다.

원예작물 중 온실가루이의 발생이 가장 심한 오이를 대상작물로 선정하여 온실가루이에 대한 기존의 살충제를 이용한 화학적 방제체계를 수립하기 위하여, 중후기에 방제효과와 잔효독성, 엽중 농약 잔류량 조사, 방제횟수 절감, 농약 저항성 발달 및 오이의 수량 등 온실가루이 방제체계 확립에 필요한 기초적인 사항을 조사하였다. 조사결과 온실가루이에 대하여 가장 효과적인 살충제는 furathiocarb였고 특히 이 약제는 carbofuran으로 더욱 강력한 활성화 과정을 거치면서 온실가루이의 저항성 발달이 비교적 더디게 나타났고 따라서 방제효과가 길고 결과적으로 방제횟수도 줄이는데 기여하는 것으로 판명되었다. 이와는 달리 기존의 다른 약제들에 대해서는 합성피레스로이드계의 약제, deltamethrin, etopenprox, zetacypermethrin 등에 대해서는 저항성 발달이 빨리 나타났고, 일부 유기인계 약제, methidathion, phenthoate, profenofos 등의 경우에는 살포 후 분해가 빨리되어 약효의 상실이 빨라짐으로 인해서 결과적으로 살포회수를 늘여야하는 것으로 나타났다. 이들 기존 살충제들에 대한 저항성 온실가루이의 발생으로 방제가 곤란한 경우에 acetamiprid가 대체 약제로서 유망하였다.

온실의 차광설계에 필요한 기초자료를 제시하기 위하여 온실모형과 실험온실을 이용하여 외부차광재의 적정 설치간격 분석, 차광재별 광투과율 분석, 차광율에 따른 온실내부온도의 변화 분석, 차광의 온실내부의 지온변화에 미치는 영향 분석 및 외부차광과 내부차광의 차광효과 비교를 실시하였다. 외부경사차광시 온실 지붕과 차광재의 설치간격은 10~30 cm에서 차광효율이 가장 좋은 것으로 나타났으나 환기창의 개폐를 위한 공간이 필요하지 않는 온실에서는 10cm 정도이면 충분한 간격이 될 것으로 판단된다. 경사차광의 온도차가 수평차광보다 높게 나타나 무환기 상태에서는 경사차광의 차광성능이 수평차광보다 더우수함을 알 수 있었다. 차광재 제작사에서 제시한 투과율과 실제 온실에서 계측한 투과율이 상당한 차이가 있으므로 차광재를 온실의 온도환경제어 목적으로 이용하고자 할 경우에는 차광재의 투과율을 미리 측정하여 검증할 필요가 있었다. 자연환기와 무환기 조건 모두에서 85% 차광온실이 55%차광온실 보다 최대 약 4℃, 평균 약 2℃ 정도의 승온억제효과가 더 있었다. 차광온실 내무의 지온변화는 차광율과 차광방법에 따른 차이는 매우 작았으나 무차광온실과는 큰 차이가 있었기 때문에 온실내부의 지온변화는 차광율과 차광방법 보다는 차광의 유무에 큰 영향을 받는다는 사실을 알 수 있었다. 50%인 차광재가 55% 차고아재보다 광투과율이 높음에도 불구하고 차광율 50%인 외부차광온실이 차광율 55%인 내부차광온실보다 승온억제효과가 더 우수한 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 외부차광시 차광재가 흡수한 열이 온실내부로 전달되지 않을 뿐만 아니라 천장을 통한 환기효율이 내부차광보다 양호하기 때문인 것으로 판단되었다.

온실의 환기제어시 외기의 온도와 풍속변화에 보다 유연하게 대처하면서 온도제어성능을 향상시키기 위하여 퍼지제어 알고리즘을 수립하고 제어실험을 실시하였다. 환기창을 열어 환기 시 온실의 실내온도 변화는 실내외온도차 및 외기 풍속의 세기와 방향에 영향을 받으므로 실내온도 기울기를 퍼지변수의 하나로 취급하여 퍼지변수의 수를 줄였다. 설정온도가 일정할 때 제어오차의 증분은 실내온도 증분과 같으므로, 전건부 퍼지변수는 제어오차(실내온도-설정온도)와 그 증분으로 결정하고, 후건부 퍼지변수는 환기창열음량 증분으로 결정하여 실내온도 하나만의 계측으로 제어출력이 가능한 퍼지제어 알고리즘을 구성하였다. 퍼지변수의 범위는 기초환기실험을 통하여 결정한 후 제어주기 3분을 갖는 실제실험 시 최적 값으로 보정하였다. 전건부 퍼지변수인 제어오차와 제어오차 증분의 최적범위는 각각 목표 제어오차의 3배와 1.5배, 후건부 퍼지변수인 환기창열음량 증분의 최적범위는 최대 열림량의 30%로 나타났다. 최적화한 19개의 퍼지규칙을 적용한 퍼지제어 알고리즘을 개발하고 상대적 성능평가를 위하여 최적 게인을 부여한 PID제어와 비교하였다. 퍼지제어와 PID제어의 실내온도 제어오차는 각각 1.3℃, 2.2℃ 미만으로 나타났다. 퍼지제어와 비교하였다. 퍼지제어와 PID제어의 실내온도 제어오차는 각각 1.3℃, 2.2℃ 미만으로 나타났다. 퍼지제어는 PID제어에 비해 환기창 적산열음량, 조작회수 및 반전조작회수가 0.4배, 05배 및 0.3배로 적게 나타나 외기풍속과 실내외온도차의 변동에 유연하게 대처하며 환기창의 점진적 여닫음 조작이 가능하고, 조작에너지도 1/2로 줄일 수 있는 것으로 나타났다.

포그냉방시스템의 냉방효과는 온실 내부의 상대습도, 공기유동과 밀접한 관계가 있다. 냉방설계용 VETH선도에서 냉발효율은 환기회수의 증가와 그에 상응하는 분무수량의 증가로 인하여 개선될 수 있다. 시간제어방식을 이용한 무차광 실험온실에서 분당 환기회수가 평균 0.77회, 분무수량이 2,009g 일 때 온실 내부의 기온이 31℃로 외부기온과 거의 같게 나타났으며, 이 때의 증발효율은 82%이다. 분당 환기회수가 평균 0.26회, 분무수량이 1.256g인 경우 무냉방 온실의 기온과 비슷한 37.1℃였다. 차광율 70%인 실험온실의 분당 환기환수가 평균 2.59회, 분무수량이 2,009g 일 때, 내부의 상대습도는 증가하나 기온은 하강하지 못했다. 그러나 분당 환기회수가 평균 2.33회, 분무수량이 2,009g인 경우 내부의 기온이 31.4℃로 이 때 온실의 유입구 풍속은 최고 1.9m.s-1였다. 시간제어의 경우 일정간격으로 일정한 수량을 분무하기 때문에 분무입자가 모두 증발하지 못하고 온실 내부에 누적되어 온실 내부의 상대습도를 증가시켜 냉방효율을 감소 시키는 원인이 되고 차광망이 온실내부의 공기흐름을 차단하여 증발효율을 감소시키는 것으로 나타났다. 포그냉방시스템의 냉방효율을 높이기 위해서는 온실 내부의 상대습도에 의한 제어방식과 내부 공기의 순환에 대한 연구가 필요하다.

현재 온실에서 농작업을 작업기는 사람이 운전하고 있다. 온실 안은 무척이나 무덥고 열악한 작업조건이다. 그렇기 때문에 앞으로 무더운 온실내의 작업기 개발은 사람이 직접 운전하지 않고, 자동화에 의한 무인화 될 것으로 전망된다. 온실에서 자동화 및 무인화의 작업을 돕기 위하여 온실내의 경로(길)에 따라 자동적으로 이동할 수 있는 시스템을 개발하게 되었다. 이 시스템은 작업기의 자동화와 무인화를 위한 것이며, 이를 위하여 온실의 천장에 가이드를 연결한 후 이를 따라 시스템이 자동으로 이동할 수 있는 경로 자동변환 시스템이다. 이 시스템은 연마봉으로 만들어진 경로를 따라 선회 및 직선운동이 가능하며, 이 시스템은 경로 변경을 위한 리미트 스위치와 소프트웨어로 구성되어 있다. 이 시스템의 작동여부를 실험하기 위하여 시테핑모터를 가진 마이크로 마우스를 이용하였다. 견고한 실험실의 평면 위에서의 작동실험은 시스템 작동이 100% 성공률을 나타내었지만 모래위나 다른 조건에서는 성공률이 80% 이하로 낮게 나타났다. 실제 온실에서도 충분한 강도를 가진 연마봉을 이용하여 처짐에 대한 부분을 고려하여 사용한다면 경로를 따라 주행하는 이 시스템은 잘 작동할 수 있을 것으로 기대된다.

여름철 고온기에 시설 이용율을 높이고 안정적인 생산을 하기 위해서는 고온 극복 시스템의 도입이 필요하며, 이러한 시스템을 도입하기 위하여는 적정 설비용량의 중요하다. 온실의 고온극복방법을 차광환기시스템, 차광환기 패드시스템, 차광환기 포그시스템으로 설정하고, 각 방법별로 시스템의 설계제원 결정을 위한 열평형식을 구성하였으며 현장 실험을 통하여 적용성을 검토하였다. 환기창 단면 풍속을 1분 간격으로 측정하여 유량으로 환산한 값을 환기량의 실측치로 하고 열평형식을 이용하여 계산한 환기량과 비교한 결과 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다. 열평형 모델의 입력변소중 피복재의 열관류이 1% 증가하면 필요환기량은 0.3% 감소하였고, 태양복사에 대한 증발산비(E)의 값이 1% 증가하면 필요환기량은 1.3%나 감소하는 것으로 나타났다. 따라서, E 값의 선택이 매우 중요하며 온실의 환기 및 냉방 설계기준을 설정하기 위해서는 여러 가지 작물의 상태에 따른 E값의 변화를 실측한 자료의 축적을 통해 가이드라인이 제시되어야 할 것으로 판단된다. 온실의 환기 및 냉방 설비 용량 결정을 위한 열평형 모델의 적용성을 검토하기 위하여 6가지의 동일한 조건에 대하여 시뮬레이션한 결과, 필요 공기교환율은 5.1∼7.7%정도, 증발수량은 6.8∼9.3%정도 fan and pad 시스템이 포그시스템에 비하여 큰 것으로 나타났다.

자연열(태양열)을 효율적으로 이용하기위해 1999년부터 2000년 까지 2년간 상면적이 100m2인 3동의 유리온실에 각기 다른 집열시스템을 설치하였다. 즉, 집열면적과 경사도가 각각 24m2, 50˚로서 현재 시판되고 있는 태양열 집열기(평판형, Solar hart Inc.)를 이용하는 방법, 직경과 송풍량이 각각 1m, 2.5m-3.m-2 .min로서 라디에이터가 부착된 2개의 유동팬을 천장부에 설치하고 천창을 밀폐한 후 온실상부의 열을 집열하는 방법, 온실의 중도리 전부를 물이 순환되는 각관 (75x45x3t, 1m 간격x10줄x온실길이 12m=120m)으로 설치하여 집열하는 방법 등으로 하였다. 각 동마다 지하에 26톤의 저수 능력을 갖는 D2000xW1500xL8600의 축열조를 설치한 후 중간을 막아 저온수조와 고온수조로 구분하였고, 수조 중간 1.5m 높이에 통수로를 내어 일정량의 물(약 15톤)이 지속적으로 순화될 수 있도록 하였다. 최저기온 9℃로 설정하여 1,000m2를 공간 난방할 경우 난방연료 절감율은 태양열 집열기, 유동팬 및 각관에서 각각 7%, 19%, 28%로 나타났다. 태양열 집열기를 이용하는 대부분의 농가에서는 40~50m2 정도의 집열면적을 갖는 집열기를 이용하고 있는데 이 경우 년간 난방연료 절감율은 14% 정도로서 경제성이 없으며, 유동팬도 집열효율에 비해 제작, 설치 및 유지비가 과다하게 소요되므로 경제성이 없다. 각관의 경우 관 자체의 자재비나 설치비에 추가부담이 적으면서 집열효율이 비교적 높기 때문에 관의 부식, 골조 표면적 증가에 의한 시설내 차광 증가, 중도리의 각형 구조로 인한 강도저하 등의 문제가 해결되면 집열 방법으로 고려될 수 있을 것이다.

플라즈마 필름은 플라스틱 필름 표면의 유적성을 향상시키기 위하여 고전압처리 되었다. 플라즈마 필름과 계면활성제 필름(대조구)를 각각 직경 25mm 두께 1.5mm 골조 파이프 하우스에 피복하였다. 또한 40일 플러그 육묘된 풋고추를 110cmx25cm 간격으로 정식하였다. 피복시 수온을 70℃로 처리된 수적발생 장치에서 나온 수증기가 필름 표면에서 응결되어 흘러내려 비이커에 모인 양을 150분 후에 측정한 결과, 플라즈마 필름에서 2.56mL.100cm-2 , 계면활성제 필름에서 0.94mL.100cm-2 이 나왔다. 피복 60일 후 오전 8시 20분에 시설내 필름 표면에 부착된 수적량은 플라즈마 필름에서 0.34mL.100cm-2 , 계면활성제필름에서 0.32mL.10cm-2 이었다. 광 투과율은 플라즈마 필름 피복시설이 계면활성제 피복시설 보다 2.0% 높았다. 그리고 시설내 기온은 플라즈마 필름 피복시설이 계면활성제 피복시설 보다 0.5℃ 높았다. 그러나 상대습도는 차이가 없었다. 풋고추 초장, 엽면적, 건물중 및 초기수량 또한 처리간에 차이가 없었다.

우리나라의 주요지역에 대하여 일최저기온의 월평균값, 일최고기온의 월평균값, 전천일사량의 월평균값을 사용하여 외기온과 전천일사랑과의 관계를 도시하고, 온실의 형태와 작물의 종류에 따른 한계 최저외기온 및 한계 최고외기온을 산정하여 Climagraph를 작성하였다. 이 그래프를 이용하면 지역별로 냉난방설비를 이용하지 않고 온실재배가 가능한 기간을 결정할 수 있을 뿐만 아니라 각종의 온실재배작물을 재배하기에 적절한 지역을 선정하는데 이용될 수 있고, 지역별 기후특성 분석, 지역별 온실특성의 규명, 작물의 생육환경 추정 및 조절, 온실작물생산의 합리적인 계획등을 위한 도구로도 이용될 수 있을 것이다. 본 연구를 수해하면서 climagraph를 작성하는데 필요한 명확한 자료를 구하기가 상당히 어려웠기 때문에 이러한 그래프를 국내의 온실재배에 효율적으로 이용하기 위해서는 많은 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단되었다. 특히 난방과 냉방기간을 결정함에 있어 경계시기를 결정하는데 필요한 구체적인 자료를 구하기가 어려웠으며, 작물별 생육에 필요한 한계 최저회부일사랑을 결정 하는데 어려움이 있었다.

여름철 시설내 온도강하를 위해 차광, 포그, 미스트, Fan and Pad 등 다양한 방법들이 행해지고 있고 그 효과에 대해서도 잘 알려져 있다. 그러나 대부분의 효과가 처리방법간 일 최고 기온시의 상대적인 비교를 나타낸 것이므로 실제로 일평균, 순평균하게 되면 그효과는 미미하게 된다. 더구나 우리나라는 8월중 맑은날이 10일 미만이고 상대습도가 놀기 때문에 기화냉각 효과는 더욱 떨어지게 된다. 따라서 여름철 토마토 재배시 온도강하 방법으로 포그처리는 냉방효파에 비해 설치 및 유지관리비에 많은비용이 소요되는 문제가 있고, 온도제어 차광은 지나치게 차광되어 수량감소가 많아 부적합하므로 팬＋일사제어 자동차광으로 외기온 가까이 온도를 내리는 것을 목표로 하는 것이 경제적일 것으로 생각된다.

온실의 경제적 고온극복 방안의 방향 설정을 위한 기초 자료를 얻기 위하여 비닐하우스 96농가, 유리온실 75농가를 대상으로 하절기 온실의 활용실태를 조사한 결과 유리온실 18.7%, 비닐하우스 24.0%, 전체 21.6%의 시설재배 농가가 휴경하고 있었으며, 나머지 경우도 매우 열악한 환경 하에서 재배가 이루어지고 있었고, 고온 극복을 위한 저비용 기술의 개발에 관한 요구가 매우 높았다. 냉방 및 보조냉방 처리별 온실의 열환경을 비교 측정한 결과 자연환기만으로는 74.8%, 지붕살수시 58.2%가 35℃를 초과하여 작물재배가 곤란한 것으로 나타났다 환기와 차광을 병행할 경우에는 26.9%만 35℃를 초과하는 것으로 나타나 약간만 개선하면 어느 정도의 고온극복은 가능할 것으로 판단되었다. 차광과 증발냉각의 일종인 에어쿨팬의 가동으로 자연환기 온실에 비하여 3.8~4.2℃의 냉방효과를 보였으며, 온실내의 기온을 대부분 35℃ 이내로 유지하는 것이 가능한 것으로 나타났다. 증발냉각시스템의 도입으로 고온극복이 가능하지만 확대보급을 위해서는 비용절감 및 체계화기술 개발이 과제로 남아 있다. 한편, 차광과 고효율의 환기로 어느 정도의 고온극복이 가능하므로 비교적 시설비 투자가 적은 온실에 대하여는 환기시스템 및 차광방법 개선 등의 연구를 통한 경제적인 고온극복 방안 설정이 필요할 것으로 판단되었다.

본 논문에서는 온실재배 토마토에서 수분 상태를 고려한 정밀한 관개를 위하여 경직경의 변화에 근거한 자동관개 시스템을 구현하고자 하였으며 이와 같은 작물적 지표에 의한 관개제어시스템을 포트재배(closed feeding system) 조건과 포장재배 조건의 재배에 적용하여 토마토의 수량과 과실의 품질에 대하여 그 적합도를 평가하였다. 작물적 지표에 의한 관개 자동화를 위하여 경직경 측정 센서를 이용하여 측정한 경직경 일증가량(DI)를 관개 개시점의 결정에 이용하고, 동시에 이때의 관개량을 결정하기 위하여 토마토 증산모델을 적용한 마이크로 컴퓨터 자동관개 시스템을 구현하고 그 성능을 평가하였는데, 이 자동 관개 시스템을 이용하여 관개처리한 결과 포트재배에서는 토양수분에 의한 관개방식보다 수량 및 과실의 당도가 증가하였으나 포장조건에서는 관개방법간에 큰 차이가 없었다. 따라서 경직경 증가에 근거한 관개 개시점을 판단하고 관계량을 결정하는 증산모델을 사용하는 컴퓨터 시스템은 특히 closed feeding System에서 유용하며 토양조건에서는 토양의 상태, 작물의 반응 등을 고려하여 적용하여야 할 것으로 판단되었다.

김과 이(1997, 1998a, 1998b)가 개발한 컴퓨터 시뮬레이션 모형을 이용하여 온실의 골조율과 동길이가 직달일사 및 산란일사 투과율에 미치는 영향을 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다. 글조율의 증가에 따라 산란일사 투과율이 조금씩 감소하였으나, 산란일사 투과율에 미치는 골조율의 영향은 작게 나타났다. 동일한 골조율에서 산란일사 투과율에 미치는 동수의 영향은 거의 없는 것으로 나타났다. 단동 또는 연동온실의 기본 골조물을 14.9%로 설정하였을 때 11.3%의 골조율에서 직달일사 투과율은 약 1.5∼3.0% 증가하였으며, 골조율이 18.3%일 때에는 1. 5∼3.0% 낮게 나타났다. 연동 온실에서 골조율의 증가 또는 감소가 직달일사 투과율에 미치는 효과는 동서동과 남북동 온실에서 유사하게 나타났다. 직달일사 투과율의 차이가 동계에 온실내의 식물 생육에 미치는 영향이 크기 때문에, 온실을 설계할 때 구조물의 안전이 유지되는 범위 내에서 내구력을 지닌 경량의 구조재를 사용하여 일사 투과를 각 대화시키는 것이 바람직하다 한편, 동길이가 24.5m 이상인 경우 동서동 또는 남북동에서 직달일사 투과율에 미치는 동길이의 영향은 거의 없는 것으로 나타났다.