도입

네덜란드 Priva社는 오랜 연구개발로 축적된 기술과 노하우로 유리온실 기술에서 세계적으로 가장 앞서가고 있고 국내에도 선도 농가 중심으로 일부 도입이 되어 활용되고 있다. 그러나 대규모 유리온실 단지를 조성하기 어려운 우리나라의 농업 현실에서는 투자대비 수익성이 높지 않아 유럽형 유리온실의 확산은 원활하지 않다. 최근 농업현장에서 한국형 스마트팜이 확산되면서 ICT 기반의 연동형 비닐온실이 확산되고 있고, 센서 데이터를 이용한 온실환경 자동제어 기술의 중요성이 높아지고 있으나 아직까지는 기술 개발 초기 단계로 상용화 단계까지는 이르지 못하고 있다. 한편 정부 산하 연구기관들을 중심으로 주요 작물들에 대한 최적생육모델 개발과 최적환경 자동제어 기술에 대한 연구들은 활발하게 진행되고 있으나 오랜시간 이 주제에 대해 관심을 가지고 연구를 할 수 있는 전문인력들이 부족한 것이 현실이다. 안타까운 마음에 관련 지식을 Post를 통해 공유하여 관심있는 연구자들과의 논의로 발전하기를 바란다.

관리 대상 온실 환경요소의 특징

온실의 내부 환경에서 관리할 수 있는 주요 요소는 온도, 이산화탄소, 일사량, 습도이다. 작물의 생육주기에서 적정온도가 유지되지 않으면 개화와 착과, 과실 비육 등의 생육요소들에 부정적인 영향을 미치게 된다.

이산화탄소는 광합성에 필요한 요소로 작물의 광포화점 이전까지의 일사량에서는 적정 이산화탄소 농도가 유지될 때 광합성이 원활히 발생할 수 있으며 일사량에 따른 광포화점 이상에서는 더 이상 이산화탄소 농도가 높을 필요는 없다.

일사량의 경우 작물의 광합성에 필수적인 요소이며 일정 기준 이상의 일사량은 반드시 필요하나 흐리거나 비 오는 날은 일사량이 감소하게 되어 날씨에 영향을 받는 요소이다. 보광등을 설치할 경우 악천후에서도 광합성을 유도할 수 있으나 대규모 온실에서는 에너지 사용량 대비 광합성 효과가 크지 않아서 권장되지 않는다.

일사량은 광포화점 이상의 일사량은 필요하지 않으므로 일사량이 많아 온실 내부온도가 높아지게 되어 적정 내부온도를 넘어갈 경우는 스크린을 닫아서 일사량일 줄일 필요가 있다.

습도의 경우 온실 내부의 습도가 낮으면 작물의 증산작용이 많아지고 수분필요량이 많아져서 생육에 부정적일 수 있다. 반대로 습도가 높아질 경우 야간에 내부온도가 급격히 떨어지면서 이슬점 이하의 온도로 내려갈 경우 작물에 성에가 끼게 되고 곰팡이 등 병해를 유발할 수 있기 때문에 성에가 끼지 않을 정도로 습도를 관리하는 것이 중요하다. 낮은 습도에서는 포그기 등을 이용하여 습도를 높일 수 있으나 내부 온도가 떨어지게 되므로 환경요소들 간의 관계를 고려하여 적절한 제어가 필요하다.

관리 대상 온실 환경요소의 제어 대상 및 방법

각 환경 요소들을 제어하기 위한 방법을 살펴보면 온실의 내부온도 일반적으로 외부온도보다 높은 상태이므로 온도를 낮추기 위해서는 천창, 측창과 같은 창문을 개방하여 외부의 차가온 공기를 유입하는 것이 가장 일반적인 방법이다. 그러나 여름철에는 외부 기온 역시 높아 창문 개방만으로는 온도를 낮추는 것이 어려우므로 냉방기를 이용하여 온도를 낮추어야 한다. 반대로 겨울철에는 창문을 열지 않고 있어도 외부 기온이 낮아서 적정온도까지 높이기 어려우므로 난방기를 이용하여 온도를 높여야 한다.

이산화탄소의 경우 주간에는 광합성이 활발하여 농도가 떨어지고 야간에는 광합성이 없이 호흡만 하기 때문에 농도가 높아진다. 온실 내부의 이산화탄소 농도는 대기중 농도보다 높을 경우(야간)에는 창문 개방에 의해서 외기 유입 시 내부 농도가 낮아지게 되므로 농도 유지를 위해서는 창문을 닫고 있어야 하고, 대기중 농도보다 낮을 경우(주간)에는 창문 개방에 의해서 외기 유입 시 내부 농도를 외기수준으로 맞추고 작물에게 지속적으로 이산화탄소를 공급할 수 있다. 아침 시간에는 야간에 떨어진 온실의 내부온도를 높여야 하므로 창문 개방을 하지 않는 것이 일반적인데 이 경우 야간에 축적된 이산화탄소량이 충분하지 않으면 일사량의 증가와 함께 광합성량이 많아지는 시점에 이산화탄소량이 충분하지 않은 문제가 발생할 수 있다. 이산화탄소 시비기는 이 시점에서 가장 많이 사용하는 제어기로 오전시간에 부족한 이산화탄소량을 적정량만큼 보충해주는 역할을 한다.

일사량은 작물의 광포화점까지는 높을수록 좋으나 그보다 더 높을 필요는 없는 속성을 가진다. 따라서 일사량으로 인해 내부온도가 상승하므로 내부온도가 관리기준 이상 높아지지 않게 하려면 천장에 설치된 스크린을 일정비율 닫아줌으로써 일사에 의한 내부온도 상승을 막아줘야 한다. 비닐온실 외부의 비닐은 장시간 사용시 먼지 등으로 오염되어 투광량이 줄어들게 되므로 정기적으로 비닐을 청소해주고 청소로도 투명도가 개선되지 않으면 새로운 비닐로 교체할 필요가 있다. 부족한 일사량을 보충하기 위해서는 형광등, LED등과 같은 보광등을 설치할 수 있다. 출하기간 단축, 속성재배를 위해서 보광등을 설치할 수 있으며 보광등에 의한 에너지 소비가 큰만큼 사용효율에 대한 사전 검토가 필요하다.

습도의 경우 온실 내부의 습도가 외부보다 높으면 창문 개방에 의해 습도를 낮출 수 있고 온실 내부의 습도가 외부보다 낮으면 창문 개방으로 습도를 높일 수 있다. 야간의 경우 기온이 하강하기 때문에 창문을 개방하지 않게 되는데 이에 따른 고습에 의한 성에발생을 예방하기 위해서는 제습기를 사용하거나 난방기로 내부기온을 높여서 이슬점을 높이는 방법을 사용할 수 있다. 일반적인 농장에서는 제습기보다는 난방기를 이용한 가온 방식을 많이 사용한다.

온실 환경요소의 관리의 제약조건

앞서 살펴본 온도, 이산화탄소, 일사량, 습도와 같은 환경요소들을 제어하는 여러 가지 제어기 사용에서의 최적 에너지 효율을 달성하기 위한 전제조건은 작물의 최적생육이 가능한 환경조건을 벗어나지 않는 범위에서 제어기의 에너지 사용을 절감해야 하는 것이다. 일반적으로 온도, 이산화탄소, 일사량은 작물의 생육주기에서 적정한 범위에 대한 가이드라인들이 제시되어 있으나 품종이나 온실의 지역적인 특징에 의해서 적정 가이드라인의 범위는 다르게 관리되어야 할 수도 있다. 습도의 경우 습도가 낮아서 발생하는 문제보다는 고습에 의한 성에로 인한 병해 발생이 온실 관리에서 가장 핵심적인 관리요소 중 하나이다. 따라서 습도는 성에 예방 수준에 대한 준수의 제약조건이 반드시 필요하면 온도, 이산화탄소, 일사량은 작물의 생육주기에 맞는 최적환경조건의 범위 준수의 제약조건이 필요하다.

제약조건 하에서의 에너지 절감 방법

온도를 최적 조건에서 관리하면서 에너지 절감을 하기 위해서는 냉난방기를 최소한도로 구동하는 것을 목표로 해야 한다. 따라서 창문 개폐와 스크린 개폐를 이용한 온도관리에 우선순위를 두어야 하며, 냉난방기 사용시 적정 환경관리 범위에서 최소한의 에너지를 사용하는 방향으로 냉난방기 ON/OFF를 제어해야 한다.

이산화탄소의 경우 이산화탄소 시비기 사용을 최소화하는 것을 목표로 해야 한다. 따라서 야간에 축적되는 이산화탄소를 최대한 외부로 빠져나가지 않도록 창문 개방을 최소화해야 하며, 시비기를 사용할 경우에는 햇빛의 광량 수준에 맞게 적절한 양만 시비될 수 있도록 제어해야 한다. 따라서 광량에 따른 적정 이산화탄소 농도를 산출한 후 그 기준에 맞게 이산화탄소 농도를 제어하는 것이 필요하다.

일사량의 경우 광포화점보다 높은 일사량이 관측될 경우에는 내부온도의 관리 수준을 고려하여 스크린 개폐를 결정해야 하면 스크린을 어느 정도 수준으로 닫을지 결정하기 위해서는 스크린 개방 비율에 따른 일사량 감소 효과에 대한 계산식을 실험을 통해 산출할 필요가 있다. 생육주기상 일사량이 중요한 시기에 악천후로 일사량이 기준에 미달할 경우에는 보광등을 사용해야 하며 보광등의 소비전력대비 광량에 대한 계산식을 산출한 후 에너지 효율의 극대화될 수 있는 지점에서의 보광을 실시해야 한다.

습도의 경우 새벽시간에 성에가 발생하지 않게 하기 위해 온실 내부의 습도의 이슬점을 산출 새벽시간 예상되는 최저 기온이 이슬점에 가깝게 떨어질 것인지를 판별해야 한다. 판별 결과 이슬점 이하로 떨어질 것이 예상되면 난방기를 이용한 가온으로 이슬점 이하로 내부온도가 내려가는 것을 사전에 예방해야 한다.