스마트온실 환경제어 운영사례

스마트 온실 운영 기본 관리 원칙

목표 : 난방에너지를 적게 사용하고 결로와 일액이 생기지 않도록 관리

• 온실에서 작물을 재배하는 가장 큰 이유는 잎에 이슬, 빗물이 닿지 않도록 하기 위함
• 온실 내 수평·수직 온도편차를 줄임
• 온실 내 공기온도보다는 식물체 온도가 중요
• 공기 습도보다는 미세기후(식물체 잎 주변)가 작물에 영향을 줌
• 온실 내 기후(온도, 습도)는 급격하게 변하지 않게 관리
• 수경재배 시 관수 구역별 오차범위는 10%를 넘지 않아야 함

환경관리 방법

• 대류난방(온풍난방)보다는 복사난방(온수난방)을 원칙으로 함
• 복사열을 반사시킬 수 있는 알루미늄 스크린을 사용
• 스크린(투명)의 사용시간을 늘림
• 미세기후(식물체 잎 주변) 환경 개선을 위해 수직팬, 수평팬, 최소난방 파이프를 사용
  (난방보다는 공기 유동을 하는 것이 경제성에서 유리)

  → 난방은 필요이상의 증산을 유도하여 습도를 낮추기 위해 더 많은 에너지를 사용하게 만듦

• 조조가온을 하여 일출 전 온실의 온도를 높임
• 측면은 광투과율보다 단열성을 중요시 함
• 압력을 충분히 가할 수 있는 가압 다단펌프를 사용하여 관수함
• 광량이 증가함에 따라 평균온도도 높임

주의할 점

• 공기온도 보다는 식물체의 체온이 더 중요함
• 온실 습도보다는 미세기후(식물체 잎 주변) 습도가 중요하게 관리가 되어야 함
• 식물체 온도보다 공기의 온도가 급상승하는 것은 회피하여야 함
• 야간에는 상대습도(RH)보다는 절대습도(AH) 관리에 중점을 둠
• 근권 난방 시 접촉난방은 피하여야 함
• 환기를 할 때에는 온도와 습도를 같이 고려함
• 지하부 온도는 복사열 공급이 멈춘 일몰 직전이 가장 높음

온실 온도와 습도 조절을 위한 스크린 및 천창 개폐

기존과 달라진 스크린 사용 방법

• 기존 온실관리 방법에서는 천창을 닫은 상태에서 스크린 갭을 사용함
• 현재는 스크린이 닫힌 상태에서 천창을 열고 닫으면서 온실내 습도를 조절

  → 스크린 위와 아래의 절대습도차(△AH)를 활용하여 온실 내 습도를 조절

  → 스크린을 완전히 닫으면 스크린 위아래 절대습도차(△AH)가 커져 습(humidity)이 스크린 사이의 작은 구멍으로 빠져나감

  ※ 직조스크린(air tight screen)을 사용할 경우에만 스크린을 닫은 상태에서도 습도 조절이 가능하며 보온다겹스크린은 스크린을 조금 열어야 함

스크린 및 천창 사용 방법

피복재 결로에 의한 온실 내 습도 제어

• 스크린을 사용할 경우 사용하지 않았을 때보다 결로에 의한 습도 제어가 원활함
• 피복재가 더 차가워서 결로가 더 많이 쉽게 생겨 습도 제어가 쉬움(스크린은 반드시 직조스크린이면 효과가 있음)
• 구멍(pore)이 없는 스크린(보온다겹스크린)을 완전히 닫을 경우 결로가 발생되어 작물이 피해
• 보온다겹스크린 등 구멍(pore)가 없는 스크린에서의 갭(gap)활용 습도제어

• 보온다겹스크린은 습이 빠져나갈 구멍(pore)가 없으므로 갭(gap) 활용
• 1중 스크린은 5-10% 정도 열 것, 2중 스크린은 겹쳐서 열 것
• 직조스크린은 구멍이 없는 스크린에 비해 습도 제어에 유리
  

  ※ 갭(gap) 활용 습도 제어 시 문제점

  - 찬 바람이 작물의 생장점에 직접 닿아 저온 장애의 위험이 있음

  - 온실 내 환경 수평 온도 불균형이 발생함

  - 작물의 수직 온도차가 발생하여 팁번, 결로 피해 우려가 높아짐

스크린 사용 개수에 따른 장단점 비교 및 설치방법

스크린 사용 적정 개수

• 일반적으로 스크린을 여러장 사용할수록 보온력이 좋아짐
• 스크린 사용 개수에 따른 보온력 예시

  유리온실에 보온스크린을 1장 설치함.
  유리의 U-value는 7W/m²·℃이고 에너지 스크린의 U-value는 6W/m²·℃, 온실과 외부의 온도차는 15℃이면 보온력은 54% 같은 에너지 스크린을 2장 사용 시 U-value 2.1W/m²·℃, 보온력은 70% 에너지 스크린을 3장 사용 시 U-value 1.5W/m²·℃, 보온력은 78%
  ※ 스크린 설치 개수가 증가함에 따라 보온력은 증가하나 점점 보온력의 증가 정도가 낮아짐

• 스크린 개수가 증가함에 따라 설치비가 증가하며 온실 내 투광성이 떨어짐

  → 스크린의 내구연한을 고려하여 난방비 절감 효율에 따라 스크린 개수를 정하여야 함
  ※ 일반적으로 중부, 남부 지역 적정 스크린 개수는 2장

• 스크린의 성능은 보온력이 아니라 U-value 값으로 표시되며 값이 낮을수록 보온력이 높음

스크린 선택 및 종류에 따른 설치 방법

• 투광성이 높은 스크린(PE)을 아래쪽에 설치하고, 투광성이 낮은 스크린(알루미늄)을위쪽에 설치함

  ※ 투광성이 높은 것을 아래쪽에 설치해야 오전에 스크린을 열을 때 찬공기가 작물에 직접 닿는 것을 예방할 수 있음

• 스크린은 반듯이 겹치게 설치함
• 스크린을 선택할 때 보온성도 중요하지만 습을 통과하는 투습성도 중요
• 약광기에 작물을 재배하는 온실에서는 반듯이 투광성이 높은 스크린을 1장 이상 설치하여야 함
• 스크린 개폐방법에는 예인식, 권취식, 기어 방식이 있으며 기어 방식이 고장이 적고 더 정교하게 온실을 제어할 수 있음
• 스크린 개수가 증가함에 따라 설치비가 증가하며 온실 내 투광성이 떨어짐

  → 스크린의 내구연한을 고려하여 난방비 절감 효율에 따라 스크린 개수를 정하여야 함
  ※ 일반적으로 중부, 남부 지역 적정 스크린 개수는 2장

• 스크린의 성능은 보온력이 아니라 U-value 값으로 표시되며 값이 낮을수록 보온력이 높음

천창을 이용한 효과적인 환기 방법

기존과 달라진 스크린 사용 방법

• 기존 온실천창은 풍향의 반대창을(leeside)를 열어서 환기를 하였음
• 대부분 한쪽(바람 방향창)은 크게 열고 반대창(leeside)은 닫거나 작게 열음

  → 찬바람이 직접 식물체 생장점에 닿거나 온실 내 온도 불균형이 발생하였음

  → 작물 내 미세기후(식물체 잎 주변)가 효과적으로 제어되지 못함

• 투명스크린을 치고 양창을 작게 열게 되면 온실 내 환경이 균일해지고 작물 내 습도관리에 유리함

천창 개폐 방법에 따른 온실 내 환경 영향

가. 풍향 반대창(lee side) 열음

• 온실에서 바람을 처음 받는 구역은 벤추리 효과에 의해 온실 내부의 공기가 밖으로 빠져나감
• 풍향 반대 쪽 구역은 벤츄리 효과에 의해 빠져나간 공기를 채우기 위해 외부 차가운 공기가 온실 안쪽으로 들어옴

  → 풍향 구역 온실 공기는 반대 구역보다 온도가 높음

  → 풍향 반대 쪽 구역은 생장점에 찬공기를 직접 맞을 위험이 높아짐

나. 풍향창(wind side) 열음

복사난방(온수난방)을 사용한 온실 난방

대류난방(온풍난방)과 비교한 복사난방(온수난방)의 장점

• 복사열은 빛에너지로 공기를 덥히지 않고 직접 식물체 온도를 높임
• 복사난방이 대류난방에 비해 식물체의 온도를 빨리 높일 수 있음
• 공기온도에 비해 식물체 온도가 비교적 높음

  → 식물체 증산을 촉진시켜 미량원소 흡수에 도움이 되며, 결로 및 일액을 예방

• 공기의 비열은 낮아 난방기로부터 멀어질수록 온도가 급격하게 떨어짐
• 물은 비열이 공기보다 높아 난방기부터 멀어져도 온도가 천천히 떨어짐

  ※ 복사난방이 대류난방에 비해 온실 내 온도가 균일하고 온도의 상승과 하강이 비교적 부드럽게 변함

온수난방에서 파이프 온도에 따른 복사열과 대류열의 크기

• 온수난방을 하게 되면 복사열 뿐만 아니라 일정 부분 대류열이 발생함
• 파이프의 온도가 높고 난방 객체의 온도가 낮을수록 더 많은 복사열이 발생함

  ※ Stefan-Bolzman 법칙에 의하면 온도가 높을수록 복사열의 비율이 증가
   예시) 공기와 작물 온도가 18℃, 파이프 두께가 51mm 대류열과 복사열 발생 정도

  ※ 30℃에서 전체 에너지 중 복사열 비중은 32%였으나 75℃에서는 37%로 파이프의 온도가 높아질수록 복사에너지 비율이 높아지는 것을 볼 수 있음

생산성 증대를 위한 온도, 광, 습도, 이산화탄소 등 환경제어

광량과 온도와의 관계

• 기본적으로 광량이 증가함에 따라 온실 내 평균온도를 높임

  ※ 광량이 낮아지면 평균온도도 따라서 내림

이산화탄소, 온도에 따른 광합성 속도

• 같은 광량이라도 공기 중 이산화탄소의 농도가 낮으면 평균온도를 낮추어야 함
• 일반적인 공기 중 이산화탄소 350ppm에서는 평균온도 23℃이상에서 광합성량이 감소하나 1000ppm에서는 32℃증가

이산화탄소, 온도, 광량에 따른 광합성 속도

• 광량(PAR)가 증가함에 따라 이산화탄소 농도가 높을 때 광합성 속도가 빨라짐
• 광량(PAR)가 증가함에 따라 온도도 높아지면 광합성 속도가 빨라짐
• 광량(PAR)이 증가하고 이산화탄소 농도와 온도가 높으면 광합성 속도가 가장 빠름

  ※ 온실 내 온도와 이산화탄소 농도는 광의 강도에 따라 조절

습도와 광합성과의 관계

• 습도가 낮으면 기공이 닫히고 광합성이 감소하게 됨
• 일반적으로 온도가 높고, 광이 강하면 환기를 많이 하게 됨

  → 과도한 환기는 온실 내 습도를 떨어뜨리며 부가적으로 탄산시비의 효율성을 낮춤

  → 광이 강한 시기에는 온실 내 인공적으로 습도를 높이는 시설을 하여야 광합성 효율을 증가시킬 수 있음

스마트온실 작물재배 사례

식물 부하, 온도, 광량 관리

• 광합성량은 한정되어 있음
• 온도와 식물 부하(과일, 꽃, 어린잎, 뿌리)는 같음

  → 온도가 높으면 식물의 호흡량이 증가하고 생육이 빨라져 동화산물 소비가 증가

  → 동화산물 소비 = 식물부하 + 온도

• 광량이 낮으면 식물부하를 감소시키거나 온도를 낮추어야 동화산물 균형을 유지하여 식물을 건강하게 키울 수 있음

• 광량, 화방수에 따른 온실 내 적정온도(토마토)

  광량, 화방수에 따른 온실 내 적정온도(토마토)

  화방	100	200	400	800	1200	1600	J/cm2/d
  2	18.5	18.7	19.3	20.4	21.5
  3	17.4	17.7	18.3	19.6	20.8
  4	16.5	16.8	17.2	18.2	19.2	20.1
  5	16.3	16.6	17.0	19.7	18.8	19.8
  6	16.0	16.3	16.7	17.6	18.6	19.5
  7	15.8	16.1	16.5	17.5	18.4	19.3
  8	15.5	15.8	16.2	17.2	18.1	19
  90	462.3	462.3	462.3	720	462.3	462.3

  * 광량이 작아질수록, 화방 수가 증가할수록 평균온도는 내려감

• 일반적으로 지하부(배지, 토양)의 온도는 일몰 직후가 가장 높음

잘못된 지하부 온도에 대한 상식

• 지하부의 온도는 광량이 강한 정오 직후 가장 높다고 생각함

  → 그러나 복사에너지가 유입되지 않는 일몰 직후가 가장 높음

• 일몰 무렵 지하부 온도가 높아 여러 가지 문제 발생

  → 지하부 온도가 높으면 근압(root pressure)이 높아짐

  → 높은 근압은 지상부의 온도 저하하면 일액이 발생

  → 일액은 모든 작물에서 지하부에는 근부를 썩게 만들어 시들음병 유발, 지상부에는 잿빛곰팡이병 등 곰팡이병을 유발

• 지하부의 온도가 높아 Ca, B, Fe 결핍이 발생하는 것으로 알려져 있으나 아래의 그래프와 같이 근권의 최고, 최저온도 변화는 크지 않음

근압에 의한 일액 발생 예방 방법

• 일몰 후 근권온도가 높으면 근압도 같이 높아지므로 관수를 일몰 전 일찍 마감하여 근권 수분 함량은 낮추고 EC는 높여 근압을 낮추어 줌
• 작물의 체온이 천천히 떨어지게 하면 기공이 천천히 닫혀 근압을 낮추는데 도움이 됨
• 온풍난방(대류난방)보다는 온수난방(복사난방)이 근압을 낮추는데 유리함

환경제어 실패로 곰팡이병 다 발생(대형온실, 흐린 날)

• 발생

  지역 : 화성 / 시기 : 12월

• 이상증상

  지상부는 잿빛곰팡이, 잎곰팡이병, 점무늬병, 지하부는 시들음병 발생

• 원인분석

  - 겨울철 흐린 날은 비교적 따뜻한 날로 전체적으로 난방부하는 발생하지 않음

  - 일출 후 온도도 완만하게 상승(시간 당 1℃ 정도 상승)하고 있음

  - 그러나 주간 HD가 2 이하로 증산을 하지 못하고 있음

  - 증산을 하지 못하면 Ca흡수율이 떨어져 세포가 약해지고 병해에 취약해짐

  - 습도가 높은 상태가 지속되어 곰팡이병에 취약해짐

• 기술지도

  - 겨울철 흐린 날 낮에는 난방과 환기를 동시에 시행하여 작물의 증산을 유도할 것

  - 최소난방파이프 또는 유동팬을 이용하여 식물주변의 미세기후를 관리할 것

환경제어 실패로 곰팡이병 다 발생(대형온실, 맑은 날)

• 발생

  지역 : 화성 / 시기 : 12월

• 이상증상

  지상부는 잿빛곰팡이, 잎곰팡이병, 점무늬병, 지하부는 시들음병 발생

• 원인분석

  - 수경재배로 광량제어를 하고 있으나 오전 환기가 없어 증산이 없는 상태에서 광량에 따라 관수가 되어 뿌리에 습해가 발생하였음

  - 난방용량이 충분하지 못하여 해 뜨기 직전 온도가 떨어지고 있으며 난방설계가 잘못되어 온실내 온도차가 크게 발생하고 있음

  - 일출 후 온도가 급상승(시간 당 3℃ 정도 상승)하여 잎에 결로가 발생하고 있음

  - 난방은 대류난방으로 식물체보다 공기온도가 너무 높아 결로에 취약함

  ※ 낮은 야간습도(높은 HD)에도 불구하고 곰팡이병 발생이 많았던 것은 온실 내 환경이 불균일하고 온도변화가 컸기 때문임

• 기술지도

  - 일출 후 온도가 급상승하지 못하게 환기를 철저히 할 것

  - 구역별 온도편차 및 난방용량을 증가시킬 것(축열탱크)

  - 온수난방 위주로 난방을 할 것

저온기 습도, 온도 등 환경제어(예시)

환경데이터 해석

• 구역의 2개 온도계의 온도가 비슷함

  → 온실 내 수평온도차가 발생하지 않음

  ※ 수평온도차가 발생하는 것은 배관, 축열탱크 설계가 잘못된 것임

• 저녁 12시부터 일출 2시간 전까지 온도가 수평으로 유지되고 일출 2시간 전부터는 온도가 상승하기 시작

  → 온실의 난방설비가 적절하게 설계되었고 난방 용량도 충분함

• 최저온도 오전 7시, 14℃에서 온도가 상승하여 12시, 22℃로 비교적 완만하게 상승
• 야간 습도는 높음(HD 1g/㎥)

온실 환경 관리 결과

• 야간습도가 높음에도 곰팡이병 발생이 없음
• 구역별 생장속도의 차이가 없이 균일함

스크린 사용에 의한 잎의 냉각효과로 증산 유도(광이 강한시기)

• 발생

  지역 : 논산 / 시기 : 6월

• 환경

  • 광이 강하고 기온이 높으며 공기가 건조함
  • 한낮의 잎의 온도가 공기 온도보다 높음
  • 스크린을 사용하자 공기온도는 그대로이나 잎의 온도는 공기온도보다 내려감

• 데이터 분석

  • 광이 강하면 복사에너지에 의해 잎의 온도가 증가함
  • 강한 광에 의해 환기를 많이 하게 되어 온실 내 습도는 매우 낮음(높은 HD)
  • 스크린을 사용하지 않으면 VPD가 높아져 기공이 닫히게 되고 잎이 증산을 멈추게 되나 스크린 사용하는 경우 잎에 도달하는 복사에너지의 양이 줄어 공기의 온도와 잎의 온도가 역전됨
  • 스크린을 사용한 이후부터 증산작용을 시작했음

• 기술지도

  스크린을 활용하여 차광을 실시하자 엽온이 기온보다 내려가고 증산을 시작

• ※ 환기창을 열고 직조스크린(air tight screen)을 닫을 경우 온실 내 절대습도(AH)가 하강함
• ※ 약광기 수확시기를 앞당기기 위한 강한 적엽 방법
• ※ 일출 후 수직온도 차에 의한 결로 발생 및 해결방안
• ※ 일몰 후 수직 온도차에 의한 결로 및 일액 발생 문제

  같은 방법으로 서술할 예정입니다.