Current on the Heat Loss in Greenhouses during Winter Season - Case Study Based on Gyeongnam Area -

동절기 온실의 열 손실에 관한 실태조사

- 경남지역을 중심으로 - 임재운²·윤성욱³·김현태⁴·윤용철¹*

1경상대학교 지역환경기반공학과(농업생명과학연구원), ²경상대학학교 대학원,

3경상대학교 생업생명과학연구원, ⁴생물산업기계공학과(농업생명과학연구원)

Current on the Heat Loss in Greenhouses during Winter Season

- Case Study Based on Gyeongnam Area -

Jae Un Im², Sung Wook Yun³, Hyeon Tae Kim⁴, and Yong Cheol Yoon¹*

1Dept. of Agricultural Eng., Gyeongsang National Univ. (Institute of Agriculture and Life Science, GNU), Jinju 660-701, Korea

2Graduate school, Gyeongsang National Univ., Jinju 660-701, Korea

3Institute of Agriculture & Life Science, Gyeongsang National University, 900 Gazwa, Jinju, Gyeongnam 660-701, Korea

4Dept. of Bio-Industrial Machinery Eng., Gyeongsang National Univ. (Institute of Agriculture and Life Science), Jinju 660-701, Korea

Abstract. An experiment was conducted to study incidences of heat loss in greenhouse in Gyeongnam province using thermal imaging camera in order to determine ways minimizing greenhouse heat loss. Measurements of this work showed that temperature differences between two experiment zones before and after installation of thermal cur- tains were about 2.0~3.0^oC and 1.0~2.0^oC respectively. There was a high correlation between the temperature data measured using a thermal imaging camera and a temperature sensor. There was no serious difference among areas, but between places on the first and second floor with thermal curtains for heat insulation, there was a relatively larger heat loss on the first floor than the second floor. Then in general the greenhouse types had no particular bearing on this matter, there was a relatively large heat loss in the parts of side wall window, the gaps and the parts folded of horizontal thermal curtains, the gutter parts, and the gaps of thermal curtain in the side wall window and facade · back side for heat insulation, aren’t completely sealed. It was found that there was a substantial heat loss due to infil- tration through cracks on covering material, doors, ventilating openings, roof gables and floors, in particular.

Key words : ambient temperature, greenhouse type. heat loss, infrared thermal imaging system

서 론

우리나라 시설원예는 1920년대 첫 시작으로 1970년 762ha, 1990년 25,450ha에서 2000년 52,189ha로서 10년 사이에 2배 이상 증가하였으며, 시설재배 기술 수준도 한 단계 향상되는 전기를 맞이하였다. 2011년도 말 현재 우리나라의 시설원예 면적은 52,393ha이고 이 중 화훼시 설은 2,856ha로서 전체의 약 5.5% 정도 차지하고 있다.

시설원예 재배면적은 1990년대 후반까지 급격히 증가하 여 2000년도 이후에는 약 52,000~53,000ha 정도로서 거 의 정체 상태를 유지하고 있는 실정이다. 이와 같이 재배

면적이 답보상태를 보이는 것은 농촌 노동인구의 노령화 및 에너지비용 상승 등이 주요 원인인 것으로 판단된다.

전체 시설재배 면적 중 가온면적이 약 31%인 16,263ha 정도로서 2000년, 2009년 및 2010년도에 각각 25%, 26% 및 30% 정도인 것에 비하면 미미하지만 증가하는 추세에 있다(MIFAFF, 2012a, b).

국제 원유가격의 상승에 따라 고유가가 지속되면서 유 류를 많이 사용하는 시설농가의 경영비 부담이 상당한 수준에 이르고 있다. 온실경영비 중 난방비가 차지하는 비중이 30~40% 정도이고, 일부 작물의 경우에는 50%이 상을 차지함으로서 시설농가의 경영이 더욱 위축되고 있 는 실정이다(RDA, 2009). 시설농가의 경우, 겨울철 가 온이 불가피하고, 난방용으로 사용되는 온풍난방기와 온 수보일러 등 대부분은 석유류 연료를 사용하고 있어 난 방비의 비중을 줄이는 것이 가장 시급한 문제이다.

*Corresponding author: [email protected]

*Received March 5, 2013; Revised March 12, 2013;

*Accepted March 15, 2013

온실 난방의 경우, 열원을 이용하여 온실 내 작물재배 에 필요한 온도를 유지하는 것을 의미하며, 태양열, 온 풍난방기, 온수보일러, 지열 등 다양한 열원 즉, 신·재생 에너지와 화석에너지 등이 난방에너지로 활용되고 있다.

그리고 난방비를 절감하기 위하여 지금까지 다양한 기술 이나 방법 등이 연구 개발되어 보급되고 있는 실정이다 (RDA, 2004, 2008a, b, 2010). 이와 같이 에너지를 절감 할 수 있는 새로운 기술 개발도 중요하지만, 온실에 공 급된 에너지의 손실패턴을 과학적으로 조사·분석하여 에너지의 손실을 최소화하는 것도 에너지 절약의 중요한 방안이다. 이 기술의 대표적인 사례로 농촌진흥청(RDA, 2009)이 열화상 기술을 이용하여 온실의 열손실에 대한 사례집을 발간한 것과 Moon 등(2010)이 열화상 분석을 통하여 온실의 열손실을 진단하고 평가하여 보고한 것을 예로 들 수 있다.

적외선 열화상 기술은 물체의 표면에서 방사되는 적외 선을 탐지하여 물체의 표면 온도 측정 또는 온도 분포 를 영상으로 볼 수 있게 하는 기술로써 넓은 면적의 진 단이 가능할 뿐만 아니라 물체의 내부 상태도 간접적으 로 표현할 수 있다. 또한 초기에는 비접촉식 온도측정 장비로 사용되어 왔으나 최근에는 다양한 측정온도범위, 분해능 등을 갖는 기기의 발전으로 인해 온도 측정뿐만 아니라 검출된 적외선을 이용하여 비파괴 진단 및 검사, 고장분석, 응력해석, 건축분야, 의료분야 등에 이르기까 지 다양한 분야에서 응용되고 있다(Seo 등, 2012; Kim, 2011; Kim 등, 2011; Eom 등, 2009). 특히, 적외선 열

화상 기술이 기존의 수동 방식에서 능동 방식으로 개발 되면서 비파괴평가 분야에 다양하게 활용되고 있다.

따라서, 본 연구에서는 온실의 열손실을 최소화할 방 안을 모색하기 위하여 경남지역에 있는 시설 농가를 대 상으로 열화상 카메라를 이용하여 열손실 사례에 대한 실태조사를 실시하였으며, 이를 통하여 온실의 열손실을 최소화할 방안을 모색하고 온실의 보온력향상에 대한 기 초자료를 제공하고자 하였다.

재료 및 방법

온실의 열손실 실태조사는 농촌지역의 에너지 사용(전 기, 유류 등)실태조사와 연계된 지역으로서 다른 지역에 비해 상대적으로 온실이 많은 진주, 김해, 밀양 및 의령 을 대상으로 하였다. 조사기간은 2012년 1월 중순부터 2월 중순까지였으며, 조사는 현지를 방문하여 실시하였 다. 조사 대상지역별로 온실의 형태, 온실 면적, 난방연 료 및 용량, 보온방법 및 재배작물 등을 조사하였다. 진 주, 김해, 밀양 및 의령지역의 조사대상 농가는 각각 8, 4, 7 및 5개로서 총 24개이다. Table 1은 조사내용을 요 약한 것이다.

조사대상 온실에서 열손실이 발생될 수 있는 부분을 주간에 사전답사한 후, 야간에 열화상 카메라를 이용하 여 주간에 확인한 부분을 중심으로 온실의 내·외 부위 를 촬영하였다. 이 때, 난방 설정온도, 풍속(KANOMAX 6511, Japan) 및 외기온(CENTER 300, Japan)도 동시에

Table 1. Detailed contents of investigation.

Classification Jinju Gimhae Miryang Uireong Total

Greenhouse type

1-2W Venlo Miryang Three quarter

2 1 2 3

4 - - -

1 - 4 2

3 - 2 -

10 01 08 05 Floor area (m²)

150~300 300~450 450~600

4 1 3

- 4 -

4 3 -

2 3 -

10 11 03 Energy source

Diesel Kerosene Others

8 - -

1 - 3

5 - 2

4 1 -

18 01 05

Heater capacity (kcal · h⁻¹)

160,000 180,000 200,000 300,000≥ Others

- 5 1 2 -

- - - 3 1

1 - 1 4 1

- 1 - 4 -

01 06 02 12 03

Growing crops

Paprika Pepper Tomato Others

4 3 - 1

- - - 4

4 1 2

2 - - 3

06 07 01 10

Total 8 4 7 5 24

측정하였다. Table 2는 열화상 카메라의 사양 및 제원을 나타낸 것이다.

결과 및 고찰

온실을 관리할 때의 중요성을 보여주는 한 사례를 나 타낸 것이 Fig. 1이다. Fig. 1에서 A 및 B로 표시되어 있는 것은 각각 실험구와 대조구이다. Fig. 1은 경상대 학교 내에 설치되어 있는 폭 11.8m, 길이 20m 동고 4m 인 1-2W형 온실을 대상으로 온실 내부에 설치되어 있는 측창 부직포의 문제점을 개선하기 전·후의 온도변화를 나타낸 것이다. 즉, 개선 전 온실의 내부 측창 부직포는 설치당시 온실바닥에서 약 10cm 정도 짧게 설치되어 있 었고, 이것을 개선하기 위하여 짧게 설치되어 있는 부직 포를 덮씌우기 방법(현장에서는 일반적으로 치마라고 함) 으로 개선하였을 때의 온도변화이다. 덮씌우기의 비용은 아주 미미하므로 일반 농가에서도 가끔 사용되고 있는 방법이기도 하다.

Fig. 1를 보면, 외기온의 영향도 있겠지만 개선 전·후

의 두 실험구간의 온도차는 각각 2.0~3.0^oC 및 1.0^oC 정 도인 것을 알 수 있다. Fig. 1(b)에서 개선 후에도 두 실 험구간 온도차는 온실의 방향이나 약간의 구조적 차(방 풍벽 유무)이 때문인 것으로 판단된다. 이것을 고려하여 도 개선 후에 약 1.0~2.0^oC 정도 온도상승 효과가 있음

을 알 수 있다. 이것을 최저 외기온과 온실 내 설정온도 를 각각 −20.0~0.0^oC 및 5.0~25.0^oC 범위로 전제한 후, 온실단위 면적당 일일 난방부하(kcal · day⁻¹)로 환산하면 1.0^oC 및 2.0^oC의 온도차에 대해서 난방부하가 각각 약 2.5~182.0% 및 7.8~364.0% 정도 증가하는 것으로 나타 났다(RDA, 2008a). 이것으로 미루어 볼 때, 온실의 유 지관리에 조금만 주의를 기울이면 난방에너지 절감에 크 게 기여할 것으로 판단된다. 본 연구실에서는 열화상 기 기를 이용한 열손실 실태조사도 이 사례의 경험에서부터 출발되었다.

이미 잘 알려져 있는바와 같이 열화상 측정 기법은 물 체에서 방출되는 적외선 복사, 즉 적외선 열에너지를 검 출하고 측정하기 위해 사용된다. 이러한 적외선 에너지 는 원자와 분자의 진동과 회전으로 발생되는 것이므로 물체의 온도가 상대적으로 높을수록 더 많이 움직이므로 결국 더 많은 적외선 에너지를 복사한다. 이 에너지가 적외선 열화상카메라에 감지되는 것이다. 그리고 열화상 측정기로부터 표시되는 온도는 실제 물체의 온도를 정확 히 표시하는 것은 아니지만, 복사율이 높은 물체의 표면 이라면 실제의 온도와 거의 같다(Choi 등, 2012). 따라 서 본 조사에 사용된 열화상 기기의 정확도를 알아보기 위하여 복사율이 상대적으로 높은(0.93~0.97) 유리, 목재, 플라스틱 필름, 콘크리트 및 종이를 대상으로 열화상 기 기와 온도 계측기(GL-800, T-type thermocouple, Korea) 의 온도를 비교하여 보았다. Fig. 2는 그 결과를 나타낸 것이다.

Fig. 2에서 알 수 있듯이 복사율이 높은 물체이기 때 문에 표면의 열화상 기기에 의해 계측된 온도와 온도 센서에 의해 계측된 온도와는 상관관계가 큰 것으로 나 타났다. 따라서 본 실험에서 열화상 기기의 주 대상은 플라스틱 필름과 유리이기 때문에 열화상 기기에 의해 표시되는 온도는 실제온도와 유사할 것으로 판단된다.

진주지역의 경우, 조사대상 온실의 형태는 Three quarter, Table 2. Specification of infrared thermal imaging camera.

Items Specification Remarks

Model Testo 881-3set Germany

Resolution 160 × 120 pixel Heat resolution

(NETD)

0.05^oC at 30^oC

Measuring range −20^oC~ + 100^oC/0^oC~ + 350^oC Accuracy ± 2^oC, ± 2% of the measure

(−20^oC~350^oC)

Fig. 1. Variation of temperature before and after improvement.

Venlo, 1-2W형 및 밀양형(단동온실로서 온실 폭이 넓은 타입) 이었다. 플라스틱 필름 온실의 경우, 피복재로 대 부분 PE필름을 사용하고 있었으며, 주요 재배작물은 고 추, 파프리카 등 이었다. 보온용 커튼은 1층 또는 2층 부직포를 많이 사용하였다. 난방시스템은 화석연료를 사 용하는 경유 온풍기가 대부분 이었다. Three quarter 및 밀양형의 경우는 온실외부에 보온용 매트를 설치하여 보 온하는 방식이었었다. 온실의 주·야간 설정온도는 재배 작물에 따라 17~28^oC 범위인 것으로 조사되었고, 실태 Fig. 2. Calibration of infrared thermal imaging camera.

Fig. 3. Infrared thermal imaging on the outside surface of 1-2W type greenhouse in Jinju.

Fig. 4. Infrared thermal imaging on the outside surface of Venlo type greenhouse in Jinju.

조사 실시일(2012. 1. 27~28)의 외기온과 풍속은 각각 2.0~6.0^oC 및 4.6~7.0m · s⁻¹ 정도의 범위에 있었다. 온실 내부의 온도는 설정온도보다 −4.8~1.4^oC 정도 낮거나 높 게 유지되는 경향이 있었다.

Fig. 3은 1-2W형 온실 외부의 열화상을 나타낸 것으 로서 Fig. 3 내부에 실선으로 표시되어 있는 부분은 상 대적으로 열손실이 많은 부분을 나타낸 것이다. Fig. 3 에서 알 수 있듯이 온실의 단부(전면), 곡부(박공) 및 측 벽 부위에서 많은 열손실이 일어나는 것으로 나타났다.

그리고 전면부의 온실바닥 부근에서도 열손실이 큰 것을 알 수 있다.

Fig. 4는 Venlo 형 온실의 경우를 나타낸 것으로서 온 실의 단부에는 플라스틱필름으로 방풍벽이 설치되어 있 다. 이 온실도 1-2W 형과 마찬가지로 곡부(박공), 단부 및 측벽 부위에서 많은 열손실이 발생되고 있는 것을 알 수 있다.

또한 그림으로 나타내지 않았지만, 1층 부직포로 운영 되는 온실이 2층 부직포보다 상대적으로 열 손실이 큰 것으로 조사되었다.

이상과 같이 손실되는 열량을 줄이기 위해서는 온실내 부에 단열성이 상대적으로 높은 다겹 보온재를 설치하거 나 기밀성 등을 개선하여야 할 것으로 판단된다.

김해지역의 경우, 조사대상 온실은 1-2W형이었으며, 화훼류를 재배하고 있었다. 피복재는 PE필름을 사용하고

있었으며, 난방연료로 벙커 C를 사용하는 농가도 2농가 였다. 보온용 커튼은 주로 2층 부직포를 사용하였다. 온 실의 주·야간 설정온도는 재배작물에 따라 15~26^oC 범 위인 것으로 조사되었고, 실태조사 실시일(2012. 2. 16~

17)의 외기온과 풍속은 각각 1.8~2.1^oC 및 8.3~9.8m · s⁻¹ 정도의 범위에 있었다. 온실 내부의 온도는 설정온도보 다 ± 0.5^oC 정도로 유지되는 경향이 있었다.

Fig. 5는 1-2W 형 온실의 열화상을 나타낸 것으로서 온실의 피복과 보온커튼은 1중으로 되어 있다. 김해지역 도 진주지역과 크게 다르지 않은 것을 알 수 있고, 온실 내부의 측창을 나타낸 Fig. 5(b)를 보면, 외부에서 촬영 한 것과 동일한 것을 알 수 있다.

밀양지역의 경우, 조사대상 온실은 Three quarter, 밀 양형 및 1-2W형이었고, 재배되는 작물은 고추, 토마토, 수박 및 화훼류이었다. 피복재는 다른 지역과 마찬가지 로 PE필름을 사용하였으며, 난방은 온풍 난방기를 주로 사용하였지만, 연탄보일러로 보조난방을 하는 농가도 있 었다. 보온방법은 온실형태별로 진주지역과 동일하였다.

온실의 주·야간 설정온도는 재배작물에 따라 18~31^oC 범위인 것으로 조사되었고, 실태조사 실시일(2012. 2. 1~

2)의 외기온과 풍속은 각각 −3.5~−4.8^oC 및 6.8~12.0m · s⁻¹ 정도의 범위에 있었다. 온실 내부의 온도는 설정온도 보다 −4.3~1.4^oC 정도 낮거나 높게 유지되는 경향이 있 었다.

Fig. 6 Three quarter 형 온실의 열화상을 나타낸 것으 로서 야간에는 온실외부를 보온용 매트로 보온하는 것이 특징이다. Fig. 6에서 알 수 있듯이 보온용 매트가 설치 되어 있기 때문에 1-2W형이나 Venlo 형보다 상대적으 로 열손실이 적지만, 측면, 전면 및 온실바닥의 경우는 지붕에 비해 상대적으로 많은 열손실이 발생되고 있는 것으로 나타났다. 그리고 전면과 측면부가 만나는 위치, 즉 보온덮개 이음부분에서 열손실이 발생되고 있는 것으 로 나타났다.

이러한 열손실을 최소화하기 위해서는 보온용 매트의 전면과 측면 그리고 지붕면의 이음부분에서 발생되는 열 손실 즉, 틈새부분에 대한 농가의 적절한 유지관리가 필 요한 것으로 판단된다.

의령지역의 경우, 대상온실은 1-2W형과 Miryang형 온 실이었다. 재배작물은 파프리카, 애호박, 양상추 및 가지 이었다. 피복재는 PE필름을 사용하였고, 난방은 화석연 료인 경유와 등유를 사용하는 온풍난방이었다. 보온피복 으로는 대부분 2층 보온 부직포를 사용하고 있었다. 온 실의 주·야간 설정온도는 재배작물에 따라 12~28^oC 범 위인 것으로 조사되었고, 실태조사 실시일(2012. 1. 18~

19)의 외기온과 풍속은 각각 6.0~7.5^oC 및 4.9~9.1m · s⁻¹ 이었다. 온실 내부의 온도는 설정온도보다 −4.8~3.1^oC 정도 낮거나 높게 유지되는 경향이 있었다.

Fig. 7은 Miryang 형 온실의 열화상을 나타낸 것이다.

Fig. 5. Infrared thermal imaging on the inside and outside surface of 1-2W type greenhouse in Gimhae.

Fig. 6. Infrared thermal imaging on the outside surface of Three quarter type greenhouse in Miryang.

Fig. 7에서 알 수 있듯이 측면부의 손실은 다른 지역과 유사하지만, 온실의 출입문 상부인 온실 곡부인 서까래 와 용마루가 만나는 부분에서 열손실이 크게 발생되고 있는 것이 특징이다. 이 부분에 대한 관리가 철저히 이 루어져야 할 것으로 판단된다.

이상과 같이 4개 지역을 대상으로 한 열손실 실태조사 의 종합적인 결과는 다음과 같다. 실태조사 지역 간에 큰 차이는 나타나지 않았지만 보온용 부직포가 1층인 경우와 2층인 경우를 보면, 1층이 2층에 비해 상대적으 로 열손실 크게 나타났다. 그리고 전체적으로 온실의 형 태와 무관하게 측창부분과 수평 보온커튼의 틈새, 수평 보온커튼을 유인할 때 발생되는 커튼이 접히는 부분, 연 동인 경우에 물받이 부분 및 측면과 전·후면 보온용 커 튼의 이음부분이 완전히 밀폐되지 않아 열손실이 상대적 으로 큰 것으로 나타났다. 특히, 파손된 피복재나 출입 문, 환기구, 박공부, 바닥부근 등에서 많은 양의 열이 손 실되고 있었다. 따라서 열손실을 방지하기 위해서는 단 열 및 보온성이 우수한 보온재를 사용하는 것도 중요하 지만 무엇보다 농가의 관리 및 노력으로 해소할 수 있 을 것으로 판단된다. 물론 좀 더 상세한 검토는 금년도 동절기에 현장조사를 추가로 실시한 후, 추후에 진행 할 예정이다.

적 요

본 연구에서는 온실의 열손실을 최소화할 방안을 모색 하기 위하여 경남지역에 있는 시설 농가를 대상으로 열 화상 카메라를 이용하여 열손실 사례에 대한 실태조사를 실시하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다. 치마처리 전·후의 두 실험구간의 온도차는 각각 2.0~3.0^oC 및 1.0~2.0^oC 정도인 것을 알 수 있다. 열화상 기기에 의해 계측된 온도와 온도 센서에 의해 계측된 온도와는 상관 관계가 큰 것으로 나타났다. 실태조사 지역 간에 큰 차 이는 없었지만 보온용 부직포가 1층인 경우와 2층인 경 우를 보면, 1층이 2층에 비해 상대적으로 열손실 크게 나타났다. 그리고 전체적으로 온실의 형태와 무관하게

측장부분과 수평보온커튼의 틈새, 측면과 전·후면 보온 용 부직포의 이음부분이 완전히 밀폐되지 않아 열손실이 상대적으로 큰 것으로 나타났다. 특히, 파손된 피복재나 출입문, 환기구, 박공, 바닥부근 등에서 틈새가 생겨서 많은 양의 열이 손실되고 있었다.

주제어 : 열손실, 온실 형태, 외기온, 적외선 열화상 카메라

사 사

본 연구는 농림수산식품부 생명산업기술개발사업에 의 해 이루어진 것임.

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