Ⅰ시설원예작물의 효율적인 에너지 절감 요령

다가오는 겨울철에 시설재배농가의 가장 큰 고민거리인 난방비부담을 덜어 줄 수 있는 방법으로 1) 지역특성에 알맞은 작목 및 작형 선택요령, 2) 새롭게 개발된고효율 에너지 절감장비 및 자재, 3) 난방용 원료별 효율성비교, 4) 하우스 설치 및 피복자재 선택과 재배관리요령에 대해 기술하고자 한다.

우리나라 국민 소득 향상으로 웰빙 인구가 증가되면서 계절에 관계없이 신선채소 소비량이 증가되고 있어 이런 추세에 부응하기 위하여 농업인은 안전하고 값싼 신선채소를 안정으로 공급하기 위하여 모든 기술을 도입하여 활용하고 있다.
특히 겨울철에는 시설에서만 재배가 가능하기 때문에 시설면적이 52천ha로 확대되었고, 또한 가온면적도 13천ha로 확대되었다.
시설재배는 작물이 잘 자랄 수 있도록 인위적으로 환경을 만들어 주어 지역과 계절을 초월하여 수확을 할 수 있다. 우리나라 년간 채소생산량은 총 9,586천톤인데 시설에서 33.6%인 3,219천톤을 생산하고 있으며, 해가 갈수록 점유비율이 높아지는 경향을 보이고 있다.
시설재배는 환경조절이 가능하므로 계절에 관계없이 연중생산 할 수 있으며, 단위면적당 생산량이 많고, 비, 바람, 눈 등에 의한 자연재해 피해를 줄일 수가 있고, 또한 농가 여건에 맞도록 작부체계를 조절하여 노동력을 안배할 수 있으며, 좋은 환경에서 작업을 할 수 있다.
겨울철 시설원예는 대부분 난방이 필요하며, 난방연료의 95%가 유류를 사용하고 있으며, 시설원예 생산비중에서 연료비가 차지하는 비중이 25～30% 차지하고 있으므로 난방용 기름값이 많이 오르면 시설농업의 경쟁력이 떨어진다.
전년도에 사용한 농업용 전체 면세유 공급량 2,596천㎘을 연간 농가부담 경감액은 약 1조 2,437억원으로 추정되고 있다.

<표 1> 채소·화훼의 시설면적 추이(단위:ha)

	‘89	‘94	‘99	‘04	‘05
계	23,566	40,645	51,232	51,986	52,022
채 소	22,220	37,801	47,940	48,589	48,574
화 훼	1,346	2,844	3,292	3,397	3,448

 ※ 자료 : 농림부, 농림업주요통계, 2006

새롭게 개발된 고효율 에너지절감장비 및 자재

농촌진흥청에서는 개발하여 농가들에게 보급하고 있는 가온을 할 수 있는 장비와 보온을 할 수 있는 기자재를 소개한다.

가. 가온시설장비

1) 무한궤도 연소식 석탄온풍난방기
연탄연료 사용시 단점으로는 무게가 무겁고, 연탄을 갈 때 불편하고, 간 직후에는 온도가 낮아 작물이 피해를 입을 수가 있고, 연탄재 처리에 힘이 드는데도 난방비용이 적게 들어 일부농가들이 사용하고 있다.
농촌진흥청에서는 기능을 자동화하여 개발한 난방기로서 1회 석탄 공급으로 1∼2일 연속 가동할 수 있고, 정밀온도 조절 및 시간대별 4단 변온관리가 가능하고, 난방이 필요 없는 시간대에는 최소한의 불씨유지 기능이 가능하고, 완전연소되는 등 기존의 연탄난방기기의 단점을 보완하였으며 난방비는 경유대비 50% 절감된다.

2) 열매체 전기온풍난방기

전기 난방은 열원자체가 진공으로 밀폐되어 매우 안전하며, 열전달 마찰계수가 매우 높은 열매체를 이용하므로 획기적인 열효율을 얻을 수 있는 친환경 청정에너지로 각광을 받고 있으며, 농사용은 아주 저렴하게 공급하고 있으며, 남부지역에서는 경유대비 50%내외 에너지를 절감할 수 있다. 전기 난방기를 사용하려면 한국전력과 사전에 협의하여 전기승압공사를 할 수 있는 지를 확인하여야 한다. 경유 등 화석연료는 이산화탄소와 배기가스 등의 배출량이 많고 연료비가 많이 소비되어 생산비가 많이 들고 작업환경이 좋지 못하는 등 단점이 있다.

3) 온실 냉난방 겸용 지열히트펌프 시스템

친환경 신재생 에너지인 땅속에 있는 지하수 또는 지열을 이용하는 기술을 최근에 개발하였다. 수직형은 땅속 50～500m 깊이까지 수직으로 구멍을 뚫어 지중배관을 2개 매설하는데 하나는 15～20℃의 지하수를 지상으로 끌어올려 히트펌트를 통하여 열원으로 이용하고, 다른 하나는 열이 식은 물을 다시 지하수로 돌려보내는 시스템이고, 수평형은 온실 지하 1.5～3.0m 깊이에 수평으로 코일배관을 땅속에 매설하여 8～12℃의 지열을 열원으로 이용하는 시스템인데 여름철 고온기에는 냉방시스템으로 활용하고, 겨울철에는 난방으로 활용한다
이 시스템은 초기에 투자비가 많이 소요되나 난방비용이 경유대비 70% 절감되고, 초기 투자비 회수 기간이 5년밖에 안되므로 대규모 면적을 경영하는 농업인은 고려해 볼만하다.

4) 수막재배시설

수막시설은 비닐하우스에 비해 야간 습도가 다소 높고, 이중구조로 환기가 불량하므로 고온성 과채류 재배는 부적당하므로, 주로 상추, 들깨잎 등 엽채류와 딸기 등 저온성 과채류를 대상으로 무가온 단동비닐하우스에 설치하는 것이 효과적이다. 수막시설을 하려면 지하수의 온도가 15℃이상 되고, 지하수량이 풍부하면서 염분, 철분, 모래 등이 적어 수질이 좋은 지역에서 설치하여야 한다.
그러나 수질과 수량이 많은데 철분이 많은 지역에서는 이중커튼에다 권취장치를 하여 야간에는 내려서 가동하고 주간에는 권취를 하여두면 햇빛 투광에는 문제가 없어서 재배할 수 있는 기술과 지하수량이 적은지역에서는 수막재배를 하고 버려지는 물을 집수통에 회수하여 햇빛, 전기, 경유 등으로 물을 데워 재사용하는 기술도 보급하고 있다. 지하수 온도가 16.5℃인 물을 10a에 1분간에 234ℓ를 뿌려주면 외기온도가 영하 6.3℃일 때 하우스내 온도는 12.8℃가 유지되어 작물이 피해를 입지 않는다.

나. 보온시설시스템

1) 수평예인 다겹 보온커튼시설

1-2W형 표준 하우스 등에서 보온효과를 최대한으로 증대시키고, 자동권취 시설에 의한 노력절감 및 열 손실을 방지하기 위하여 부직포, 화학솜, 폴리폼, 폴리프로필렌 등으로 다겹보온자재를 만들어 비닐하우스의 상부, 측면, 전후면을 다겹보온커튼으로 완전 밀폐하여 보온력 높이고, 자동모터를 사용하여 노동력을 줄일 수 있고, 열림시 권취식으로 곡부아래에 밀착하므로 그림자를 최소화하여 햇빛 채광을 좋게 하였다. 효과는 기존의 부직포 수평커튼에 비해 오이 고추 등 겨울철 고온성 작물재배시 내부온도가 2～3℃ 높아 연료를 46% 절감 할 수 있고 수량도 27%수량을 증수할 수 있다.

2) 중앙권취식 보온터널 자동개폐장치

겨울재배시 난방비를 절감할 수 있는 방법은 야간에 난방 공간을 작물주위로 제한하는 것이 가장 효과적이다. 난방공간을 작물주위로 제한하는 방법은 주로 엽채류를 재배하는 농가에서 이미 많이 이용하고 있는 방법이다. 그러나 보온터널을 이용한 재배는 주간에는 보온터널을 열어주고 야간에만 덮어주어야 하는 번거로움이 있기 때문에 노동력이 많이 들어가므로 보급이 활성화 되지 못하였다.
중앙권취식 보온터널 자동개폐장치는 온실의 서까래에 고정할 수 있는 권취 롤러를 2m 간격으로 설치하여 2겹의 보온터널용 비닐이 권취된 파이프를 지지함으로서 개폐부하를 균등하게 분배하여 기존의 소형모터(70W)로도 100m길이의 보온터널개폐가 원활하게 이루어진다.

 

작물의 크기에 관계없이 모든 작물의 보온터널재배가 가능하게 되었으며, 소형보일러와 XL배관으로 온수난방을 하게 되면 기존의 재배방식과 비교할 때 엽채류나 딸기 등 초장이 짧은 작물은 60～70%까지 난방비를 절감할 수 있고, 또한 보온터널 개폐를 생력화하여 보온터널 개폐에 소요되는 노력을 ON/OFF 버튼의 조작으로 대체하였다.

3) 일사감응변온 및 경보시스템

온풍기에 사용되는 4단 변온장치는 단순한 시간 분할 온도제어로 작물재배에 대한 효율성이 낮으므로 생산성 및 품질 향상을 위해 재배작물의 생리반응을 고려하여 작물이 광합성 양에 따라 야간온도를 자동으로 조절할 수가 있어 토마토와 오이에서는 25～30%에너지를 절감할 수 있고, 하우스의 기계고장이나 기상재해 피해가 우려되면 경보장치가 작동하여 피해를 사전에 예방할 수 장치이다.

4) 온풍난방기 배기열 회수장치 및 지중난방시스템

경유 온풍난방기에서 연소할 때 연통을 통하여 버려지는 배기폐열 온도는 200～300℃로서 비교적 높게 설계 되어 있다. 이와 같은 원인은 보급초기의 경유에 불순물이 많이 포함되었기 때문이며, 최근에는 경유의 정제기술이 발달하여 불순물이 많이 제거되었기 때문에 배기폐열의 온도를 100℃로 낮추어도 연소 후 배기가스의 수분응축으로 인한 부식현상이 거의 없으므로 보다 많은 열을 온풍으로 회수하여 사용할 수 있다.
온풍난방기의 배기가스연통에 간단하게 부착하여 배기폐열 온도를 100～150℃ 수준으로 낮추면서 회수된 열을 온실내에 40～60℃의 온풍으로 공급할 수 있는 온풍난방기 배기열 회수장치를 개발하여 난방비를 10% 이상 절약할 수 있고, 또한, 배기열 회수장치에다 히트파이프 방식을 채용하여 폐열 회수속도를 크게 증가시키면서 소형화하여 배기가스로 손실되는 에너지를 35℃이상 온수로 변환하여 지중난방에 이용하면 난방 연료비 30% 이상 절감할 수 있다.

5) 시설원예용 자동제습장치

온실재배시 과습으로 인해 병해가 많이 발생하여 농약을 과다 시용함으로서 품질 저하와 안전성에 문제가 있어 이를 개선하기 위하여 하우스내 상대습도 90%이상 공기를 냉각부에서 제거하여 절대습도를 감소시키고, 가열부에서 상대습도를 감소시켜 혼합한 후 습기가 제거된 공기를 온풍으로 만들어 온실내로 배출하는 시스템으로 재배작물에 적합하게 조절하면서 제습량은 시간당 5～7ℓ를 하고 온풍배출에 의한 열을 이용하여 난방비 10% 절감할 수 있다.

6) 지중난방 시설

온실재배시 과습으로 인해 병해가 많이 발생하여 농약을 과다 시용함으로서 품질 저하와 안전성에 문제가 있어 이를 개선하기 위하여 하우스내 상대습도 90%이상 공기를 냉각부에서 제거하여 절대습도를 감소시키고, 가열부에서 상대습도를 감소시켜 혼합한 후 습기가 제거된 공기를 온풍으로 만들어 온실내로 배출하는 시스템으로 재배작물에 적합하게 조절하면서 제습량은 시간당 5～7ℓ를 하고 온풍배출에 의한 열을 이용하여 난방비 10% 절감할

7) 전기발열체 또는 온수파이프를 이용한 축열 물주머니 활용

전기발열체는 두께 0.15cm, 직경 45cm 축열 물주머니 속에 전기발열체(폭2cm, 두께 1.2mm)를 설치하여 작물과 작물사이에 넣어두면 낮에는 태양에 의해 햇빛을 받아 에너지를 저장하고 밤에는 설정온도에 따라 비축열을 발산하는데 온도가 낮아지면 전기발열체가 작동하여 온도를 조절한다.

온수파이프 이용방법은 축열물주머니 속에 전기발열체대신 난방용 온수순환파이프를 넣어 가온하는 방법인데 보온력이 증대되고 난방효과가 좋아 중부지방기준으로 작형을 1개월 정도 앞당길 수 있다.

다. 난방효율 증진을 위한 관리요령

1) 온풍난방기 청소에 의한 난방비 절감

다년간 사용한 온풍난방기는 연소로와 열교환기에 일정한 두께 이상 그을음이 생겨 열교환 효율저하로 온풍으로 변환되는 열량이 크게 감소되어 온풍으로 공급되는 열량은 초기 80%이상에서 점차로 줄어들어 많게는 60%까지 감소한다.

 분진제거(청소)방법은 소형 이동식 에어콤프레서를 이용하여 온풍난방기의 버너를 분리하여 버너와 노즐을 에어콤프레서로 청소하고, 연통을 분리하여 배기가스 토출구에 그을음을 제거한 후 다시 조립하여 가동하면 열효율이 약 63%에서 81%로 크게 증가하여 약18% 난방비 절감효과를 얻는다.

2) 온풍난방기용 이중덕트

온풍난방기에 일반적으로 사용되고 있는 덕트는 난방기에서 멀어질수록 온도편차가 커서 열효율이 떨어지고, 작물 생육이 고르지 못해 수량이 떨어진다. 온도편차를 줄이고 난방에너지를 절감하기 위해 덕트를 2중 구조로 개선하여 열 분배를 합리화한 장치이다
안쪽덕트는 직경이 50～55cm 덕트를 사용하여 온풍기 토출구에 안쪽 덕트를 고정하고, 13m간격으로 온풍기에서 가장 가까운 곳 7cm, 중간지점 15cm, 가장 먼 곳 35cm크기로 구멍을 뚫는다.
바깥쪽 덕트는 70～75cm 직경에 2～3m간격으로 직경 10cm 크기의 구멍을 뚫어 사용하면 일반덕트에서는 13～15℃ 편차가 생기나 이중덕트를 하면 3～4℃ 밖에 차이가 나지 않아 난방비는 13% 절감되고 수량은 18% 증수된다.

효율이 좋은 난방연료 선택

겨울철 시설하우스 가온을 하는데 난방연료선택에 따라 연료비용 차이가 심하다. 난방연료를 선택할 때는 지역, 작목, 작형, 재배규모에 따라 연료 유효발열량당 가격, 난방기 설치비용, 난방기 사용 편리성, 연간 연료사용량 등을 고려하여 선택한다.

<표 2> 사용연료별 난방 특성 비교

구 분	장 점	단 점	비 고
경유난방	취급이 간단, 온도조절 용이	연료비용이 많음	3만~20만kcal/h, 보편적 난방수단
중유난방	발열량이 큼, 온도조절 용이, 경유보다 경제적	연료가열장치 필요, 저장탱크 용량이 큼	10만~100만kcal/h, 온수ㆍ온풍난방, 중유공급이 제한적
연탄난방	가격이 저렴	온도조절 불리, 축열탱크 필요, 연탄교환 노력	장비가 쉽게 부식, 유해가스 주의
전기난방	열손실이 없음	수전설비 필요, 축열탱크 필요	심야전기, 농사용 전기이용
가스난방	열효율이 높음, 유해가스가 없음, 취급이 간단	연료비용이 많음, 설비비 고가, 가스취급교육 필요	직화식 연소시 탄산가스, 장애 주의

 주)자료 : 원예연구소, 시설원예 에너지절감, 2005

<표 3> 시설원예 난방 연료별 가격 비교

연료종류	가 격(원/ℓ,㎾h,kg)	유효발열량(㎉)	천㎉당 가격(원)	00원당 효발열량(㎉)
경 유	624	7,360	84.8(100)	1,179(100)
중 유	402	7,760	51.8(61)	1,930(164)
LPG가스	1,006	10,200	98.6(116)	1,014(86)
전기(농용,병)	36	860	42.0(50)	2,382(202)
연 탄	64	2,760	23.1(27)	4,320(366)

 주)자료 : 농촌진흥청 농업경영관리실, 2005

가격면에서 유리한 연료는 연탄> 전기> 중유> 경유> LPG순이며, 이외에 화목류 코크스, 태양열, 지열 등 다양한 연료가 있다.
온풍기 종류별 고정비 및 전기료, 인건비 등 부수적인 비용을 고려한 경제성을 분석한 결과 경제적인 연료는 유가수준 및 연간유류사용량에 따라 다르나, 고온성작물의 경우는 연탄온풍기가 경제적이나, 온도관리 및 에너지효율 면에서 중유온풍기와 병용하는 것이 바람직하다.

지역특성에 알맞은 에너지 절감을 위한 관리요령

가. 시설의 설치방향은 단동에서는 동서로 하고, 연동에서는 남북으로 한다.

단동에서는 동서로 길이 방향을 유지하는 것이 가온을 하는 겨울철과 초봄(초가을)에 남북으로 유지하는 것보다 5～13% 정도 햇빛 투과율이 높다. 그러나 연동에서는 남북으로 유지하는 것이 아침과 저녁에 투광량이 많아져서 온도상승이 빠르고 작물의 광합성 이용율도 높기 때문에 유리하다.

나. 외부피복자재는 햇빛 투과율이 높은 필름을 사용한다.

외부피복자재는 투명도의 차이로 햇빛 투과율이 다르게 나타난다. 비닐하우스에서 많이 이용하는 연질필름으로는 PVC, EVA, PE 순으로 햇빛 투과율이 높다.

<표 4> 시설유형별 골조율, 광 투과율, 환기면적율

시설유형	골조율(%)	광 투과율(%)*	환기면적률(%)**
유리온실(양지붕형)	18-20	65-70	25-30
유리온실(벤로형)	10-12	70-72	10-15
경질온실	13-15	65-67	25-30
비닐하우스	8-10	60-65	20-25

 주)자료 : 원예연구소, 시설원예 에너지절감, 2005

다. 방적성이 우수한 피복자재를 사용한다.

비닐하우스 내외 온도 차이로 내부의 습한 공기가 응축되어 피복자재에 물방울이 형성되면, 투광률을 떨어뜨려 햇빛의 유입을 억제하고 다습하여 병 발생도 많게 한다. 비닐하우스에서 환기닥트를 이용하여 찬 공기와 더운 공기를 서서히 만나게 하면 기온을 적절하게 유지하면서 효과적으로 환기를 실시할 수가 있다.

<표 5> 연질 피복자재 종류별 물방울에 대한 방적성

피복자재	수적량(mL·100m-2)	물방울없는 상태 투광율(%)	물방울있는 상태 투광율(%)
PE필름	2.51	88	80
EVA필름	2.45	89	79
직조필름	0.55	80	77

라. 지역에 알맞은 작목을 선정한다.

재배하는 작물에 따라 좋아하는 온도, 습도, 햇빛, 탄산가스 필요량 등이 다르다. 작물의 환경조건을 효율적으로 맞춰주는 것이 재배기술이다. 일반적으로 오이, 고추, 멜론, 수박 등 열매채소는 온도를 높게 관리하고, 상추, 배추, 무 등 엽채류는 낮은 온도에서도 자랄 수 있다.
지역특성을 살려 중북부지역은 상추, 시금치, 프리지아 등 저온성 엽채류 및 화훼류를 재배하고, 중부지역은 수박, 가지, 토마토, 국화 등 중온성 채소와 화훼류를 재배하고, 남부지역은 파프리카, 멜론, 풋고추, 오이, 장미 등 고온성 작물을 재배함으로서 난방비를 줄일 수 있다.

<표 6> 주요 원예작물의 재배온도

작 물 명	최저온도(℃)	최적온도(℃)	최고온도(℃)
고추, 토마토, 수박	10~15	25	35
배추, 상추, 딸기	4~5	17~20	25~30
튤립, 수선	10	15~18	20~
야자식물류	15~18	25~30	35~40

지역에 따라 시설원예 작목의 난방용 경유소요량의 차이가 연간 5～8천ℓ/10a 발생하며, 고온성작물에서 그 차이가 더욱 크게 나타난다.

<표 7> 지역별, 작목별 난방용경유 연간소요량 추정(단위:L/10a)

작 목	용 인 (A)	김 해 (B)	대비(A-B)
토 마 토 (8.7℃)	10,035	4,689	5,346
오 이 (13.1)	15,352	8,610	6,743
꽈리고추 (17.4)	21,463	13,613	7,851

 

* ( )내는 조사농가의 야간관리온도임

 

* 관행연동비닐하우스(동고 2.9m), 3중 비닐피복, 경유이용, 연중재배

 

마. 작물별 적온 및 변온 관리하여 난방비를 줄일 수 있다.

작물별 겨울철 야간최저온도 설정은 오이 촉성재배 10～12℃, 완숙용 토마토 및 내수용 방울토마토 10℃, 청양고추 16～18℃, 녹광고추 14～17℃, 가지 14℃, 국화 8～10℃, 카네이션 5℃, 거베라 11～13℃, 장미 14～18℃, 심비디움 15℃, 호접란 16℃로 관리하여도 생육에 큰 지장 없이 난방비를 줄일 수 있다. 대부분의 고온성 과채류는 적온보다 2～4℃ 높게 관리하여 난방비가 많이 소요되는데 1℃ 낮춰 관리할 경우 저온성 작물 8℃에서 7℃로 낮춰 관리를 할 때 483천원/10a을 절감할 수 있고, 고온성작물은 17℃에서 16℃로 관리를 할 때 782천원/10a 줄일 수 있다.
또한 요즈음 시판되는 난방온풍기는 4단변온장치가 설치되어 있으므로 야간변온 관리를 실시하면 연료비가 토마토·오이 18～25%, 장미 14%내외 절감되고 수량도 증수하므로 작물별로 알맞게 변온관리를 하면 에너지를 절감할 수 있다.

<표 8> 일사량에 따른 4단 변온 관리 설정온도(℃)

작 목	구 분	해질 때~20시	20~22시	22~24시	24시~해뜨기전
오이	-	20	18	16	12
토마토	맑은 날	18	18	15	12
	흐린 날	16	16	13	10
풋고추	-	20	18	17	16
수출가지	-	18	18	16	14
장미		18	18	18	14

바. 지역실정을 고려하여 재배 작형을 조절한다.

남부지방보다 상대적으로 추운 중부 및 중북부지방에서는 촉성재배에서 반촉성재배나 조숙재배로 작형을 늦추고, 남부지방은 억제재배나 촉성재배를 하면 지역특성에 알맞은 작형 개발로 난방비를 절감하여 경쟁력을 높일 수 있다.

<표 9> 작형별 유류사용량(단위:L/10a, %)

구 분	촉 성	반 촉 성	억제
오이	6,929(100)	3,212(46)	553(8)
토마토	3,003(100)	1,676(56)	-
멜론	3,731(100)	-	1,866(50)

* 동일 지역에서도 촉성·반촉성 작형의 경우 정식시기를 1개월 늦추면 35～55%의 난방비 절감 효과가 있음

<표 10> 정식시기별 난방용 경유 연간소요량 추정(용인지역)(단위:L/10a)

구 분	정식시기			대 비
	1월(A)	2월(B)	3월(C)	A-B	B-C
토마토(8.7℃)	6,270	3,794	1,714	△2,476	△2,079
오이(13.1)	9,467	3,794	3,390	△3,279-	△2,797

토마토를 1월에 정식하던 것을 2월에 정식을 하면 난방비가 52～58%를 줄일 수 있고, 오이는 2월에 정식하던 것을 3월에 정식을 하면 51～62% 절감한다.
동일한 작물도 작형에 따라 유류사용량의 차이가 많아 반촉성작형의 유류사용량은 촉성작형의 46～56%수준이고, 시설억제작형의 유류사용량은 촉성작형의 8～50% 차이가 난다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

자료:농촌진흥청