이층커튼 온풍난방 플라스틱온실의 겨울철 포차 및 결로량 변화
이현우1*·김영식2·심상연3·이종원1
1경북대학교 농업토목공학과, 2상명대학교 식물식품공학과, 3경기농업기술원
Variation of Vapor Pressure Deficit and Condensation Flux of Air Heating Plastic Greenhouse Installed with Two Layers Thermal Curtain in Winter
Hyun-Woo Lee1*, Young-Shik Kim2, Sang-Youn Sim3, and Jong-Won Lee1
1Department of Agricultural Eng., Kyungpook National Univ., Daegu 702-701, Korea
2Sangmyung University, San 98-20 Anso-dong Choongnam 330-720, Korea
3Gyeonggi Province Agricultural Research & Extension Services, Hwasung-si 445-972, Korea
Abstract. This study was conducted to provide data necessary for reducing the condensation on greenhouse cover- ing in winter season. The variation of VPD (Vapor Pressure Deficit) and condensation flux was analyzed in experi- mental tomato greenhouse. VPD values in experimental plastic greenhouse were greater than 0.2 kPa of disease prevention threshold, and lower than 0.5 kPa of threshold for dehumidification. The surface temperature of inside covering was slightly higher than the average temperature of outside and above curtain, and changed according to outside temperature. The humidity above curtain was nearly 100% and good condition for condensation. The humid- ity below curtain was 75~90% and comparatively stable condition for growing. The condensation flux value in experimental greenhouse corresponded with result of Seginer and Kantz (1986).
Key words : covering surface temperature, humidity control, thermal screen, tomato growing
서 론
습도에 대한 작물의 생체반응 실험에 의하면 상대습도 40% 이하의 조건에서 광합성의 억제가 시작되고 20%
이하의 저습도가 되면 엽면 증산량이 지나치게 증가하여 심할 경우 고사하게 된다. 반면에 80% 이상의 고습도 환경에서는 광합성 작용의 장해가 발생하며, 병균의 번 식이 쉬워지고, 식물체의 내병성도 저하하게 된다. 또한 이 같은 고습도 환경에 연속적으로 노출되면 식물체의 세포 및 형태의 개체변이를 가져오게 되며 작물의 품질 저하를 초래할 수 있어 습도는 작물재배 관리에 있어 중요한 항목의 하나이다(Kang 등, 2007).
겨울철 우리나라 온실의 실내 온도는 주간에는 일사량 의 유입으로 인해 20oC 이상으로 유지되는 반면, 야간에 는 15oC 이하로 떨어져 주간과 야간의 온도차가 크다.
또한, 온실은 작물재배 특성상 관수 및 방제작업이 빈번 하고 온실 내 습도 관리를 대부분 자연환기에 의존하고 있으나 난방기간 동안에는 온실내의 온도유지를 위해 자
연환기를 최소화 하며,이로 인해 야간의 온실 내 상대습 도는 90% 이상으로 유지되고 있다(Yon 등, 2005). 이와 같은 온실 내 습도가 높은 조건에서는 포차(포화수증기 압차)가 낮게 되고 증산이나 증발에 의해 발생되는 수증 기를 흡수하기가 어려운 환경조건이 된다. 반면에 높은 포차에서는 습도가 낮아 작물의 증산이나 증발을 촉진시 켜 더 많은 수증기를 발생시키게 된다. 따라서 포차는 결로나 증산에 있어서 수증기 흐름을 표시할 수 있는 유용한 도구로 활용될 수 있다. 포차는 온실의 환경상태 를 표시하는 중요한 척도로 사용되고 있고, 병 발생 위 험, 결로 여부, 관개시기 등을 평가하는데 사용되고 있 다(Prenger와 Ling, 2000).
온실에서 낮은 포차에서는 결로가 발생하기 쉽고 결로 가 발생하면 곰팡이병의 발생, 청결유지의 어려움, 온실 구조의 노후화, 작업환경의 악화 등의 문제점이 있다 (Boodley와 Newman, 1996; Hand, 1988). 이러한 문제 점을 해결하기 위해서는 결로 발생을 억제할 필요가 있 으며 이를 위해서 환기, 공기순환, 이중피복 사용, 가온, 제습 등의 방법을 사용하게 된다(Buffington 등, 2008;
Hanan, 1998; JGHA, 1994). 이들 방법과 함께 피복재 표면에 발생된 결로를 수거하여 재사용함으로써 습도를 낮추는 방법도 활용할 수 있다(Granados 등, 2011). 제
*Corresponding author: [email protected]
*Received January 9, 2013; Revised February 12, 2013;
*Accepted February 20, 2013
리표면은 물이 잘 흘러내리지만 플라스틱 필름 표면은 물방울이 맺혀 흘러내리기가 어렵다(Fox와 Zisman, 1950).
이와 같이 피복조건이나 환경조건에 따라 결로 발생 상 태가 달라지기 때문에 피복재 표면에 발생하는 결로량을 정확히 알아내는 것은 어렵고 복잡하며 지금까지 결로량 에 대한 연구가 많이 이루어지지 않고 있는 실정이다 (Feuilloley와 Guillaume, 1990).
본 연구는 우리나라 온실 피복재의 결로 발생을 억제 하는데 필요한 기초자료를 제공하기 위하여 토마토 재배 용 실험온실의 포차변화 및 피복재에 발생하는 결로량의 변화를 분석하였다.
재료 및 방법
1. 실험온실
본 실험에 사용된 온실의 형태는 Fig. 1과 같고 내부 전경은 Fig. 2와 같으며, 경기도 농업기술원(경기도 화성
Fig. 1. Shape of experimental greenhouse. Fig. 2. Inside view of experimental greenhouses.
Fig. 3. Thermal screens and hot air heating system in experimental greenhouse.
실험온실에서는 토마토가 수경재배 되었다. 모든 온실 내부의 환경계측은 토마토 재배를 위해 관행적으로 이루 어지는 환경조절 조건하에서 수행되었다. 온실의 피복은 2010년 12월 27일 경에 이루어졌다. 보온은 Fig. 3(a)와 같이 온실내부에 옥스퍼드(600 × 600) 이중보온커튼을 사용하여 보온하였으며, 오전 8시 30분경에 커튼을 열고 오후 5시경에 닫았다. 난방은 Fig. 3(b)와 같이 온풍난방 기를 사용하였고, Fig. 3(c)와 같이 PE필름을 사용하여 제작한 덕트를 설치하여 온풍을 온실에 골고루 분배하였 으며, 설정온도는 15oC로 하였다.
겨울철 난방기간 중 온실 내외부의 온습도 및 피복재 표면온도를 측정하기 위하여 Fig. 4와 같이 온습도 센서 및 피복재 표면온도 센서를 설치하였다. Fig. 5는 온실 내의 온습도를 측정하기 위한 센서의 배치도를 나타낸 것이다. 온습도센서(UE-TH100, 한국)는 온실내부에 총
21점을 설치하였고, 외부에 2점을 설치하였으며, 내부피 복재의 표면에 3점의 표면온도센서를 설치하였다. 측정 온도를 평균하여 사용하였다. 데이터로그(ZF-10MX, 한 국)를 사용하여 10분 간격으로 데이터를 측정해 연속 저 장하였다.
3. 포차 및 결로량 계산
포차는 다음 식(Hanan, 1998)을 사용하여 계산하였다.
VPD = vpsat− vpair (1)
여기서, VPD는 포차(Pa), vpsat는 포화수증기압(Pa), vpair는 실제 공기의 수증기압(Pa)이다.
vpsat= e(A− B/T − C lnT) (2)
여기서, e는 로그지수, A는 57.96, B는 6,731, C는 4.796, T는 절대온도(K)이다.
vpair= vpsat× RH÷100 (3)
여기서, RH는 상대습도(%)이다.
시간에 따른 결로량을 다음 식(Bakker 등, 1995; Hanan,
1998)을 사용하여 계산하였다.
C = gcnd× (χa− χ*r) (4)
여기서, C는 결로량(kg · m−2· s−1), gcnd는 전도도(m · s−1), Xa는 내부공기의 절대습도(kg · m−3), Xr*는 피복재에서
의 포화습도(kg · m−3)이다.
(5)
여기서, Ar은 지붕의 피복면적(m2), Ag는 온실의 바닥 면적(m2), 는 내부공기의 가상온도(K), 는 피복재 표면의 가상온도(K)이다.
가상온도는 다음 식(Hanan, 1998)을 사용하여 계산하 였다.
(6)
여기서, Tv는 가상온도(K), ea는 수증기압(Pa), P는 대 기압(101.3kPa), ε은 물과 공기의 분자량 비(0.622)이다.
결과 및 고찰
1. 포차 변화
곰팡이균은 0.43kPa 미만의 포차에서 가장 잘 생존하 고 병 발생은 0.2kPa 미만에서 잘 발생하는 것으로 알 려져 있다(Prenger와 Ling, 2000). 또한, 온실 작물의 최 적 생장을 위해 권장되는 최소포차는 0.2~0.3kPa이고, 제습을 결정하는데 임계포차로 사용되는 값은 0.5kPa이 다(Hand, 1988). 또한 양분흡수나 광합성 등 생육에 적
gcnd = Ar Ag
--- 1.64× ×10−3×(T˜a − T˜r)1/3
T˜a T˜r
Tv = T
1 − ea ---- 1 − εP( )
⎩ ⎭
⎨ ⎬
⎧ ⎫
--- Fig. 4. Air and covering surface temperature, and humidity sensors installed in experimental greenhouse.
Fig. 5. Location of temperature and humidity sensors (Unit: m).
절한 포차의 범위는 0.4~0.7kPa로 알려져 있다(Kim 등, 2012). Fig. 6(a)는 2011년 2월의 주야간 및 2월 3일의 야간에 대하여 그리고 Fig. 6(b)는 2012년 2월의 주야간 및 2월 3일의 야간에 대하여 실험온실내 보온커튼 상부 와 하부 위치에서의 포차 변화를 도시한 것이다. 커튼이 닫혀 있는 야간에 커튼 상부는 포차가 거의 0kPa로 유 지되었고 작물이 자라는 하부는 0.2~0.6kPa 범위로 유지 되었으며, 커튼이 열려 있는 주간에는 상부와 하부 공간 에서 거의 동일한 포차가 유지되었다. 작물의 최적 생장 을 위해 권장되는 최소포차인 0.2kPa과 제습을 결정하는 데 임계포차로 사용되는 0.5kPa을 기준으로 분석한 결과, 야간에 보온커튼 하부의 포차는 두 해 모두 대부분의 날에 0.2kPa보다는 크나 0.5kPa보다는 작게 나타났다.
실험온실의 경우 포차가 병 발생을 유발하기 쉬운 한계 포차인 0.2kPa보다 더 크게 유지되어 온습도환경이 양호 한 것으로 판단되었고 0.5kPa보다는 작게 나타나 제습이 필요한 것으로 판단되었다. 주간의 포차는 2012년의 경 우 1.7kPa 이하로 낮게 유지되어 2011년에 비해 온습도 관리가 잘 된 것으로 분석되었다.
2. 온도 변화
Fig. 7은 야간에 외부온도가 비교적 낮을 때와 높을
때 온실의 내부온도 및 내부피복재 표면온도의 변화를 도시한 것이다. 커튼 하부의 온도는 온풍난방의 설정온 도인 15oC가 잘 유지되고 있는 것으로 나타났다. Fig.
7(a)에서 보는 바와 같이 커튼 상부의 온도는 비록 외부 온도가 −11~16oC 범위로 낮게 유지되었지만 1.5~3.0oC 범위의 영상의 값으로 유지되었으며 이는 이중피복의 보 온효과 때문인 것으로 판단된다. 내부피복재의 표면온도 는 외부온도와 커튼상부온도의 평균값 보다 약간 더 큰 것으로 나타났으며, 대체로 외부온도의 변화에 비례하여 변화하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 내부피복재에 발생하는 결로량을 산정하는데 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
3. 습도 변화
Fig. 8은 야간에 외부온도가 비교적 낮을 때와 높을 때 커튼 상부 및 하부의 습도변화를 도시한 것이다. 외 부의 온도 및 습도 변화에 상관없이 커튼 상부의 습도 는 거의 100%에 가까운 상대습도를 유지하여 결로발생 이 용이한 조건인 것으로 나타났다. 커튼하부의 습도는 내부습도의 큰 변화에도 불구하고 75~90% 정도로 안정 된 값을 유지하였으며, 이는 온풍난방을 실시하여 온도 를 15oC로 유지하였기 때문이다. 이러한 결과는 온실내 Fig. 6. Variation of vapor pressure deficit in experimental greenhouse.
부의 습도관리와 내부피복재에 발생하는 결로량을 산정 하는데 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
4. 피복재의 결로량 분석
Fig. 9는 야간에 내부피복재와 커튼 사이 공간에서의
여러 가지 온도조건에 대하여 내부피복재 표면에 발생하 는 결로량의 시간에 따른 변화를 도시한 것이다. 결로량 이 평균온도가 5.6oC에서는 5.0mg · m−2· s−1(18.0ml · m−2· h−1)이었고, 7.6oC에서는 4.2mg · m−2· s−1(15.1ml · m−2· h−1) 이었으며, 2.8oC에서는 6.6mg · m−2· s−1(23.8ml · m−2· h−1) 로 나타나 온실내부의 온도가 낮을수록 결로 발생량은 더 큰 것으로 나타났다. 이는 Granados 등(2011)의 연구 결과와 잘 일치하고 있다. 기존의 결로량 측정관련 연구 결과들을 살펴보면 1쌍의 폴리에틸렌필름 덕트 내부로 각각 9oC와 38oC의 공기(상대습도 72~100%)를 불어 넣었을 때 측정된 결로량은 39~162ml · m−2· h−1이었다 (Delwiche와 Willits, 1984). 이스라엘의 전기난방 일중 폴리에틸렌필름피복온실에서 야간에 온실내부의 온도가 11.7~37.0oC 범위이고 외부온도가 10.2~29.7oC 범위이며 온실내부습도가 15~99% 범위일 때 결로량은 2.9~23.8ml · m−2· h−1이었다(Seginer와 Kantz, 1986). 스페인 남부의 오이재배용 온수난방 벤로유리온실에서 야간에 온실내부
설정온도가 14oC이고 외부온도가 5~10oC이며 온실내부 최대상대습도가 90~95% 범위일 때 결로량은 0~15.6ml · m−2· h−1이었다(Granados 등, 2011). 그리스 동부 해안지 역의 일중 폴리에틸렌필름피복온실에서 온수난방만 사용 하였을 때(온실내부온도 14~16oC, 외부평균온도 8.0oC, 평균상대습도 78.5%)의 결로량은 13.7ml · m−2· h−1이었 고, 온수난방과 온풍난방을 동시에 사용하였을 때(온실 내부온도 14~16oC, 외부평균온도 4.6oC, 외부평균상대습 도 74.0%)에는 결로량이 2.3ml · m−2· h−1이었다(Bartzanas 등, 2005). 이와 같이 실험조건 및 피복재의 종류 등에 따라 결로 발생량은 많은 차이가 있었다. 본 연구의 결 과는 Seginer와 Kantz(1986)의 연구결과와 가장 잘 일치 하는 것으로 나타났으나 다른 온실실험 결과들과는 약간 의 차이를 보여주고 있기 때문에 앞으로 실험을 통해서 더 자세한 검증을 거친다면 우리나라 온실 피복재에 발 생하는 결로량을 분석하는데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
적 요
본 연구는 우리나라 온실 피복재의 결로 발생을 억제 하는데 필요한 기초자료를 제공하기 위하여 토마토 재배 Fig. 7. Temperature variation at each part of experimental green-
house.
Fig. 8. Humidity variation with outside temperature condition in experimental greenhouse.
용 실험온실의 포차변화 및 피복재에 발생하는 결로량의 변화를 분석하였으며 결과를 요약하면 다음과 같다. 실 험온실의 경우 포차가 병 발생을 유발하기 쉬운 한계포 차인 0.2kPa보다 더 크게 유지되어 온습도환경이 양호한 것으로 판단되었고 제습여부 결정을 위한 임계포차인 0.5kPa보다는 작게 나타나 제습은 필요한 것으로 판단되 었다. 내부피복재의 표면온도는 외부온도와 커튼상부온 도의 평균값 보다 약간 더 큰 것으로 나타났으며, 대체 로 외부온도의 변화에 비례하여 변화하는 것으로 나타났 다. 외부의 온도 및 습도 변화에 상관없이 커튼 상부의
있는 것으로 알려져 있다. 실험온실의 결로 발생량은 Seginer와 Kantz(1986)의 연구결과와 가장 잘 일치하는 것으로 나타났으나 다른 온실실험 결과들과는 약간의 차 이를 보여주고 있기 때문에 앞으로 실험을 통해서 더 자세한 검증을 거친다면 우리나라 온실 피복재에 발생하 는 결로량을 분석하는데 유용하게 활용될 수 있을 것으 로 기대된다.
주제어 : 보온스크린, 습도조절, 토마토 재배, 피복재 표 면온도
사 사
본 연구는 농림수산식품부 농림기술개발사업의 지원 및 2012학년도 경북대학교 학술연구비에 의하여 연구되 었음.
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