1. 서 론
2. 복사냉방 시스템이 적용된 스마트팜 구성 및 측정 방법
2.1 복사냉방 패널이 적용된 스마트팜 내부 구성
2.2 측정 방법
3. 복사냉방 패널을 적용한 스마트팜 내부의 온도 분포 특성
3.1 수평 온도 분포
3.2 수직 온도 분포
4. 결 론
1. 서 론
전 세계적으로 농업의 생산환경은 농촌 고령화 및 일손 부족과 이상기후 현상 등의 예측 불가능한 자연환경에서의 재배로 인해 농업 생산성이 낮은 상황이다1). 스마트팜은 현대의 농촌 사회가 당면하고 있는 지속가능성 문제를 극복할 대안으로 주목받고 있다. 그 중, 수직형 스마트팜은 실내에 선반을 여러 층으로 설치하고 그 위에 작물을 재배하는 방법이다. 기존의 농업방식과는 달리 시간과 공간의 제약 없이 생육환경을 최적상태로 조성하여 효율적 생산과 관리를 목적으로 하는 농업형태이다2).
작물 재배를 위한 열적 환경을 인공적으로 조성하기 위해 스마트팜에는 주로 대류냉방 시스템이 적용되고 있다. 이는 취출구와의 거리와 선반의 높이에 따라 종종 온도 분포의 불균형을 발생시킨다. 이러한 불균형은 스마트팜의 균일한 재배 환경을 유지하기가 어려워 스마트팜의 전체적인 작물 생산성을 저하시킬 수 있다. 대류냉방이 적용된 스마트팜 내부의 온도 분포와 관련한 연구3)에서는, LED off시에는 최소 2.2℃에서 최대 2.9℃, LED on시에는 최소 2.1℃에서 최대 2.9℃의 수평온도 편차가 발생하는 것으로 보고되었으며, 수직 온도 차이는 LED off시에는 최소 2.9℃에서 최대 5.0℃, LED on시에는 최소 2.5℃에서 최대 5.8℃로 나타났다고 제시하고 있다. 이에 수직형 스마트팜에서의 생산성 향상을 위해 균일한 온도 분포를 확보할 수 있는 시스템을 고려할 필요성이 있다. Kim and Oh2)는 LTD (Low Turbulence Distribution Unit)를 적용한 수평급기시스템을 통해 스마트팜의 온도 분포 및 기류 속도를 일정하게 유지할 수는 있지만, 자연스러운 성층화로 인한 수평, 수직 온도 및 기류의 차가 발생하는 것을 실험을 통해 보여주었다.
이에 대류방식보다 온도 균일성 측면에서 유리한 복사방식의 적용을 고려해 볼 수 있다. 복사냉방 시스템을 스마트팜에 적용하면 패널의 표면을 통해 열을 교환하여 스마트팜 내 공기의 흐름에 의존하지 않고 온도를 조절할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 수직형 스마트팜의 온도 균일성 개선을 위해 복사냉방 패널의 설치 대안을 도출하여 제시하였으며, 복사냉방 시스템 적용 시 온도 균일성 개선 효과 검증을 위해, 스마트팜 내부의 수평 및 수직 온도 분포의 균일성 정도를 실험을 통해 분석하였다.
2. 복사냉방 시스템이 적용된 스마트팜 구성 및 측정 방법
2.1 복사냉방 패널이 적용된 스마트팜 내부 구성
(1) Test Cell 구성
스마트팜의 환경 조건을 측정하기 위한 작물 재배용 Test Cell은, 외부 환경 조건의 영향을 최소화하기 위해, 냉난방이 가능한 기존 건물(실험실)의 내부에 W5,000 × D4,000 × H3,050 (mm) 규모로 구축하였다. Test Cell 내부에는 W1,350 × D600 × H2,100 (mm) 크기의 3단 작물 재배대 7개를 설치하였다(Fig. 1).
(2) 복사냉방 시스템 계통
히트펌프(Heat pump), 냉수 탱크(Cool water tank), 온수 탱크(Hot water tank), 열교환기(Heat exchanger), 복사냉방 패널(Radiant cooling panel) 등으로 구성된 시스템은 Fig. 2와 같은 계통으로 설치되었다. 히트펌프를 통해 공급되는 물은 냉수 탱크를 거쳐 복사냉방 패널에 공급되는데, 필요 시 복사패널에 공급되는 물의 온도를 조절할 수 있도록 열교환기를 추가하였다. 또한 3-way mixing valve를 통해서도 적정한 온도의 냉수(Chilled water)가 복사냉방 패널에 공급될 수 있도록 하였다. 공급된 냉수는 복사패널을 순환하며 패널의 표면 온도를 낮추어 패널 주변의 열을 흡수하여 공기를 냉각한다. 이때 열을 흡수한 물은 Return header를 통해 회수된다.
(3) 복사냉방 패널 구성
수직형 스마트팜(Test cell) 내의 복사냉방 패널은 보다 효율적인 냉방과 온도 분포의 균일성 확보를 위해 천장뿐만 아니라 각 재배단의 모종판 아래에도 설치하였다. Test cell (스마트팜) 전체 공간의 냉방효과를 위해, 600 × 600 (mm) 크기의 복사냉방 패널을 천장에 설치(천장 복사냉방 패널)하였으며, 이 복사패널은 알루미늄 마감재와 10 mm 직경의 PB배관을 100 mm 간격으로 배치한 형태로 제작되었다. 한편, 각 재배단(모종판 아래)에 설치된 복사패널은 상부로는 양액을 냉각시키고, 하부로는 작물과의 복사열 교환을 통해 작물 주변을 냉각한다. 재배단에 부착/설치된 복사패널은 500 × 500 (mm) 크기로, 플라스틱 계열의 20 mm 두께 패널에 10 mm 직경의 PB 배관을 120 mm 간격으로 배치하였으며, 열전도층으로 알루미늄 호일이 추가되어 제작되었다. 전체 복사냉방 패널은 Fig. 3과 같이 설치되었다.
2.2 측정 방법
수직형 스마트팜(Test cell or Chamber) 내의 주요 재배영역에서의 수평 온도 분포를 측정하기 위해, Fig. 4(a)와 같이 두 개의 구획으로 구분되어 제작된 재배대 A와 재배대 B의 각 재배단에 각각 5개씩의 온도센서를 설치하였다. 또한 수직 온도 분포를 측정하기 위해 Fig. 4(b)와 같이 두 재배대의 모든 재배단(1 ~ 3 Layer)에 수평 온도 측정 지점과 동일한 위치에 온도센서를 설치하였다. 즉, 한 개의 재배단에 5개씩, 2개의 재배대 내 3개의 재배단에 설치하여, 총 30개의 온도센서를 설치하였다. 수평 및 수직 온도 측정을 위한 총 30개의 센서는 각 재배단의 표면으로부터 위로 500 mm (모종판의 표면으로부터 200 mm) 높이에 설치하였다. 또한 Test cell 내부 재배대와 재배대 사이의 작업(통로) 공간의 온도와 Test cell을 구축한 공간(기존 실험실, Indoor) 내부 온도를 측정하기 위해 각각 바닥면으로부터 1.5 m 높이에 Fig. 4(c)와 같이 온도센서를 설치하였다. 온도는 T-type thermocouple을 이용하여 측정하였으며, National Instrument사의 cDAQ 섀시와 thermocouple 전용 module, LabVIEW software를 이용하여 1분 간격으로 3시간 동안 온도 측정값을 수집/저장하였다(Table 1).
Table 1
Specification of measurement devices
본 연구에서는 복사냉방 패널을 이용한 스마트팜 내부 주요 영역에서의 수평 및 수직 온도 분포 균일성을 확인하는 것이 주된 목적이었으므로, 복사냉방 패널의 표면온도 제어나 재배영역의 목표 온도 유지를 위한 제어는 별도로 적용하지 않았으며, 다만 스마트팜 내부 온도의 과도한 상승을 억제하기 위해 히트펌프를 통해 공급되는 냉수의 온도는 12℃로 설정하여 운전하였다. 각각의 재배단에는 상추를 재배 중이었으며, 각 재배단 상부에 설치된 LED 등을 소등(off)한 상태에서 1시간이 경과한 후에 LED 등을 점등(On)하고 2시간이 경과할 때까지의, 총 3시간에 걸쳐 온도를 측정하였다. Test cell에는 습도 제어를 위한 제습장치가 설치되어 있었으나, 복사냉방 패널에 의한 온도 분포 분석을 위해 측정기간 동안 제습장치는 가동하지 않았다.
3. 복사냉방 패널을 적용한 스마트팜 내부의 온도 분포 특성
3.1 수평 온도 분포
각 재배단(Layer)의 주요 지점(측정 point)에서의 온도를 측정하여, 재배단(Layer)별 수평 온도 분포를 분석하였다. LED 등이 소등(off)된 상태에서, 각 재배단 내 5개의 측정지점 온도 평균은 18.4℃로 나타났으며, 이는 18.6℃로 유지되는 Test Cell 내부 온도와 유사한 온도 범위였다. 이후 LED 등이 점등(on)된 상태에서는, 각 재배단 내 측정지점 온도가 평균 3.5℃ 상승하였으나, Fig. 5와 같이 23℃ 이하의 온도로 유지되었다. 한편, 특별히 온도 제어를 수행하지는 않았으나, LED 등의 점등 여부와 무관하게 상추의 적정 생육온도 범위 내의 온도로 유지되어 상추가 양호하게 생육하는 것을 확인하였다.
각 재배단에서의 수평 온도 편차를 분석한 결과, 재배대 A의 각 재배단(Layer) 내에서의 수평 온도는, LED 등이 소등된 상태에서는 평균 0.13 ~ 0.38℃ 범위의 편차, LED 등이 점등된 상태에서는 평균 0.47 ~ 0.61℃ 범위의 편차를 나타냈다(Table 2). 또한 재배대 B의 각 재배단 내에서의 수평 온도는, LED 등이 소등된 상태에서는 평균 0.15 ~ 0.55℃ 범위의 편차, LED 등이 점등된 상태에서는 평균 0.33 ~ 0.77℃ 범위의 편차를 나타냈다(Table 3). 주요 재배영역에서의 수평 온도 분포를 분석한 결과, LED 등에 의한 발열이 거의 없는 조건과 LED 등에 의한 발열이 많은 조건 모두에서 각 재배단 내에서의 수평 온도 편차는 1℃를 넘지 않은 것으로 나타났으며, 이는 동일 높이의 재배단에서 재배되는 작물들이 균일하게 생육할 수 있을 것을 기대할 수 있는 결과라고 판단된다.
Table 2
Horizontal temperature distribution of cultivation stand A
Table 3
Horizontal temperature distribution of cultivation stand B
한편, 복사냉방 패널을 적용했을 때의 수평 온도편차 저감 효과를 간접적으로 분석하기 위해, 대류냉방 시스템을 적용한 수직형 스마트팜에서의 온도 편차 정보를 제시하고 있는 기존 연구3) 데이터를 Fig. 6과 Fig. 7에 병기하여 제시하였다. 비교․분석 결과, 대류냉방 시스템을 적용했을 때에 비해 복사냉방 시스템을 적용했을 때 동일 높이의 재배단 내에서의 수평 온도편차가 현저하게 감소함을 확인할 수 있었다.
3.2 수직 온도 분포
수평 온도 분포 분석 결과를 고려할 때, 본 연구에서 제안된 방식으로 복사냉방 패널을 설치하면 동일 재배단에 식재된 작물은 유사한 온도 조건 하에서 재배될 수 있을 것으로 기대할 수 있다. 그러나 스마트팜 내에서의 균일한 작물 생육을 위해서는 각 재배단별 온도 편차, 즉 수직 온도도 균일한 상태를 유지해야 한다. 따라서 각 재배단별 수직 온도 분포를 확인하기 위해, 각 재배단(Layer) 내의 측정 지점 중 Point 2, 3, 4를 선택하여 온도 분포를 분석하였다. Fig. 8과 같이 전반적인 수직 온도 분포는 수평 온도 분포 결과와 유사하게 나타났다.
재배단의 동일 지점에 대한 수직 온도 편차를 분석한 결과, 재배대 A의 분석 대상 지점(Point 2, 3, 4)에서의 수직 온도 편차는, LED 등이 소등된 상태에서는 평균 0.28 ~ 0.47℃ 범위로, LED 등이 점등된 상태에서는 평균 0.45 ~ 0.62℃ 범위로 나타났다(Table 4). 또한 재배대 B에서의 분석 대상 지점별 수직 온도 편차는, LED 등이 소등된 상태에서는 평균 0.31 ~ 0.73℃, LED 등이 점등된 상태에서는 평균 0.31 ~ 0.48℃ 범위의 편차를 각각 나타내었다(Table 5).
Table 4
Vertical temperature distribution of cultivation stand A
Table 5
Vertical temperature distribution of cultivation stand B
각 재배대의 분석 대상 지점에서의 수직 온도 분포를 분석한 결과, LED 등의 점등 여부(on/off)와 무관하게 각 측정 지점에서의 수직 온도 편차는 1℃ 미만으로 나타났다. 이는 동일 높이에서 재배되는 작물 뿐 아니라 서로 다른 높이의 재배단에서 재배되는 작물들도 유사한 온도조건에서 생육함으로써, 동일 스마트팜 공간 내의 모든 작물이 균일하게 생육할 수 있을 것이라는 예상을 가능하게 하는 결과라 판단된다.
한편, 수평 온도편차 분석 과정과 동일하게, 복사냉방 패널을 적용했을 때의 수직 온도편차 저감 효과의 간접적 분석을 위해, 대류냉방 시스템을 적용한 수직형 스마트팜에서의 온도 편차 정보를 제시하고 있는 기존 연구3)에서의 수직 온도편차 데이터를 Fig. 9 및 Fig. 10에 병기하여 제시하였다. 비교․분석 결과, 대류냉방 시스템을 적용했을 때에 비해 복사냉방 시스템을 적용했을 때 동일 재배대 내의 같은 지점의 수직 온도편차가 현저하게 감소함을 확인할 수 있었다. 특히, 작물 재배단의 공기의 이동 방해로 인해, 수평 온도편차에 비해 수직 온도편차가 크게 발생했던 대류냉방 시스템 적용 스마트팜에서의 수직 온도편차를 크게 저감하는 효과를 통해, 스마트팜에의 복사냉방 패널 적용 타성성이 충분히 확보될 수 있을 것이라 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 수직형 스마트팜의 온도 균일성 개선을 위해 복사냉방 패널의 설치 대안을 제시하였으며, 실험을 통해 기존의 대류냉방 시스템을 적용했을 때 발생하던 스마트팜 내부의 수평 및 수직 온도의 불균일성을 복사냉방 시스템 적용으로 개선할 수 있음을 확인하였다. 복사냉방 패널 적용 시, 수평 및 수직 온도편차는 모두 1℃ 이내로 유지됨과 동시에 기존의 대류냉방 시스템이 적용된 수직형 스마트팜에 비해 온도 균일성이 개선되었음을 확인하였다.
본 연구의 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 주요 재배영역에서의 수평 온도 분포를 분석한 결과, LED 등에 의한 발열이 거의 없는 조건과 LED 등에 의한 발열이 많은 조건 모두에서 각 재배단 내에서의 수평 온도는 1℃ 이내의 온도 편차로 유지되었다.
(2) 각 재배대의 분석 대상 지점에서의 수직 온도 분포를 분석한 결과, LED 등의 점등 여부와 무관하게 각 측정 지점에서의 수직 온도 편차가 1℃ 이내로 유지되었다.
(3) 본 연구에서 제시한 천장 복사냉방 패널 및 각 재배단에의 복사냉방 패널 적용을 통해, 스마트팜 내에서의 주요 지점별 온도 편차를 줄여 수평 및 수직 온도 불균일성을 해소할 수 있음을 확인하였다.
스마트팜 내부 온도 균일성과 관련하여 공인된 국내 기준이 제시되지 않은 상황을 고려하여, 본 연구에서는 기존 연구와의 상대적 비교 방법을 통해 온도 균일성 개선 효과를 검증하는 방식으로 연구를 진행하였다. 뿐만 아니라, 비교 대상으로 삼았던 기존 연구결과 또한 본 연구에서의 측정 조건과 정확히 일치하는 조건이 아니라는 점은 본 연구의 한계라고 볼 수도 있다. 그럼에도 불구하고 복사냉방 패널 적용의 수평 및 수직온도 균일성 개선 효과를 예측할 수 있는 중요한 결과를 도출하였다고 판단된다.
따라서 본 연구결과는 복사냉방 패널이 적용된 수직형 스마트팜 온도 균일성 확보에 대한 객관적 근거가 될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 공기의 순환을 다루는 대류냉방 시스템에 비해 에너지 소비가 적어 운영비를 감소시킬 수 있으며, 온도 균일성 개선으로 작물의 균일한 품질 및 수확량 확보에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구는 복사냉방 패널이 적용된 수직형 스마트팜의 수평 및 수직 온도 균일성 확보 방법으로서의 타당성만을 확인하였다. 따라서 향후 연구에서는 작물 생육을 위한 적정온도 유지, 복사냉방 패널 적용 시 발생 가능한 표면 결로 제어 방안 등 추가적인 연구를 진행할 계획이다. 또한 복사냉방의 경우 표면 결로 발생 가능성으로 인해 제습 설비가 요구될 수 있으며, 작물의 증산작용에 의한 습기발생량이 많은 스마트팜에서는 더더욱 중요한 요인이므로, 제습 설비의 통합 및 연동 운전에 대한 연구도 필요하다고 판단된다.
