대형 온실에서 온도를 고르게 관리하는 방법은?

대형 온실 환경에서의 온도 변동성 이해하기

열층화와 미세기후 형성의 과학

공기의 밀도에 따라 공기의 행동 방식이 달라지며, 이로 인해 폐쇄된 공간 내부에서 열층화가 발생합니다. 예를 들어 대형 온실에서는 따뜻한 공기가 천장 쪽으로 상승하는 경향이 있는 반면, 차갑고 무거운 공기는 식물이 자라는 바닥 근처에 머무릅니다. 이는 수직적으로 서로 다른 온도 구역이 쌓이는 결과를 초래하며, 바닥과 천장 사이의 온도 차이는 때때로 상당히 커질 수 있으며, 아무런 조치를 취하지 않으면 섭씨 4도 이상 벌어지기도 합니다. 이러한 온도 변화는 식물 생장에 직접적인 영향을 미칩니다. 차가운 지역에서는 광합성 속도가 저하되어 그곳의 작물들이 주변 따뜻한 지역의 작물들만큼 빠르게 성장하지 못합니다.

왜 대형 온실일수록 온도 기울기가 더 심화되는가

규모가 클수록 기후 불균형이 심화됩니다. 소규모 온실은 자연 대류를 통해 비교적 균일한 환경을 유지할 수 있지만, 산업 규모의 시설은 점점 커지는 문제에 직면하게 됩니다.

• 20m 이상의 팬 던지기 거리를 초과할 경우 공기 순환 효율 저하
• 가열 및 냉각 침투를 제한하는 표면적 대 부피 비율
• 센서 커버리지 부족으로 인한 기후 제어 장치 반응 지연
  이러한 요인들로 인해 시스템 조정 후 수 시간 동안 온도 편차가 교정되지 않는 지속적인 '데드 존(dead zones)'이 발생한다.

측정된 영향: 최적화되지 않은 시설에서 수직 방향 최대 8°C 차이

활성 순환이 없는 상업용 온실에서는 현저한 층화 현상이 나타난다는 연구 결과가 있다. 최적화되지 않은 5,000m² 규모의 시설에서 피크 태양 복사 시 수직 온도 기울기는 8°C에 이를 수 있으며, 이때 상층부는 지표 식물보다 70% 더 많은 열 에너지를 흡수하게 된다. 이로 인해 토마토와 같은 작물에서 18%를 초과하는 수확량 변동이 발생한다.

대형 온실 내 균일한 기후를 위한 공기 순환 시스템 최적화

수평 공기 흐름(HAF) 팬: 적절한 간격, 배치 및 공기 속도 기준

수평 공기 흐름(HAF) 팬은 열층화를 방지하고 균일한 기후 조건을 유지하는 데 매우 중요합니다. 적절한 적용에는 다음이 포함됩니다:

• 간격 : 측벽을 따라 10~15미터 간격으로 팬 설치
• 배치 : 최고 높이의 지붕 높이의 2/3 지점에서 위쪽으로 30~45° 각도 유지
• 속도 : 식물 수관 수준에서 0.5~1m/s의 공기 흐름 유지

CFD 모델링 결과, 적절히 구성된 HAF 시스템은 자연 대류에 비해 온도 차이를 70% 감소시키고 공기 유속을 111% 증가시킨다(Renewable Energy 2021).

대규모 환기 시스템을 위한 배기팬과 양압식 냉각의 결합

대형 온실 내 열 균일성을 위해서는 균형 잡힌 환기 시스템이 필수적이다. 배기팬은 능선 환기구를 통해 더운 습기를 제거하고, 벽면에 설치된 도입 시스템은 지면 수준에서 냉각된 공기를 공급한다. 이러한 통합 방식은 다음을 달성한다.

• 5,000m² 이상의 시설에서 시간당 6~8회 완전한 공기 교환
• 재배 구역 전반에 걸쳐 온도 기울기를 2°C 미만으로 유지
• 단독 냉각 시스템보다 30% 낮은 에너지 소비

배기 지점 반대편에 급기구를 배치하면 층류 공기 흐름이 촉진되어 정체 구역을 최소화하고 기후 일관성을 향상시킨다.

대형 온실 구조에서 열 균일성을 향상시키기 위한 설계 전략

지붕 환기구, 벤치 레벨 난방 및 복사 시스템: 공간적 균형 창출

공간 전체에 걸쳐 적절한 열 균형을 이루는 것은 전적으로 시스템 내 모든 구성 요소가 어떻게 상호작용하느냐에 달려 있습니다. 지붕의 환기구를 통해 더운 공기가 자연스럽게 배출되면서 수직 방향으로 온도가 과도하게 누적되는 것을 막을 수 있습니다. 이는 천장과 바닥 사이의 온도 차이가 8도 이상 벌어질 수 있는 대형 온실이나 창고에서 특히 중요합니다. 식물의 경우, 작업대 높이에서의 난방이 결정적인 역할을 합니다. 일부 재배자들은 냉기로 인한 저온 구역을 해소하기 위해 뿌리가 가장 많은 곳 바로 아래에 지하 배관이나 소형 히터를 설치하여 사용하는 사례가 있습니다. 또한 천장에서 매달린 복사판넬(radiant panels)도 있습니다. 이러한 패널은 공기를 가열하는 것이 아니라 물체와 표면을 직접 따뜻하게 하는 적외선을 방출합니다. 대부분의 재배자들은 이러한 패널이 지속적인 공기 순환 조정 없이도 식물 수관을 안정된 온도로 유지하는 데 매우 효과적이라고 평가합니다.

이 시스템들이 동기화되면 공간적 균형이 형성됩니다. 지붕의 환기구들은 대규모 공기 흐름을 관리하고, 벤치 히터들은 지역적 미시 기후에 대응하고, 방사선 시스템은 열 분포를 보장합니다. 이 통합은 에너지 낭비를 최소화하고 성장 영역 전체에서 ± 1 °C 균일성을 유지합니다.

대형 온실의 자동화 모니터링 및 지역 기후 제어

템프큐브 프로와 같은 스마트 컨트롤러: 실시간 조정

오늘날 온실의 기후 조절은 외부 환경 변화에 빠르게 적응할 수 있는 자동화된 시스템에 달려 있습니다. 예를 들어 TempCube Pro를 들어보죠. 온실 내부의 모든 장비와 손잡고 작동합니다. 환기 장치, 히터, 심지어 그림자 천까지요. 만약 온도가 이상적인 온도에서 떨어지면 이 스마트 컨트롤러는 거의 즉시 작동합니다. 그들은 우리가 자주 보는 강력한 HAF 팬을 거나 정답으로 환기 위치를 조정할 수도 있습니다. 결과 는 무엇 입니까? 더 이상 식물들을 스트레스를 받는 뜨거운 점이 없고, 전체 공간에 걸쳐 일관된 성장이 있고, 재배자들이 그들의 설정을 감독하는 데 훨씬 적은 시간을 할애하는 것도 없습니다. 지난해 Greenhouse Tech Journal에 발표된 연구에 따르면 이런 종류의 자동화는 수동 모니터링의 필요성을 약 3/4로 줄여줍니다.

최적 센서 배포: 200m2당 최소 1개

효율적인 존 제어를 구현하려면 공간 내 다양한 위치에 센서를 배치하여 모든 기후 차이를 감지하는 것이 매우 중요합니다. 연구에 따르면 벤치 높이, 캐노피 아래, 천장 근처 등 서로 다른 높이에 최소한 200제곱미터당 하나 이상의 센서를 설치할 경우, 그 전까지는 인지하지 못했던 곳에서 5도 이상의 온도 변화를 확인할 수 있습니다. 다중 높이에서의 모니터링은 실제로 상당히 중요한 역할을 합니다. 식물이 위치한 지면 수준에만 센서를 설치하면 천장 근처 높은 지점에 축적되는 추가 열을 모두 놓치게 되며, 이는 온실이나 대형 실내 재배 공간의 적절한 기후 관리에 큰 영향을 줄 수 있습니다.

자주 묻는 질문

온실에서 열층화가 식물 성장에 미치는 영향은 무엇인가요?

열 층화는 서로 다른 온도 구역을 만들어 광합성 속도에 영향을 미칠 수 있으며, 이로 인해 식물 간 성장률의 차이가 발생할 수 있습니다.

왜 대형 온실에서 적절한 공기 순환이 중요한가요?

적절한 공기 순환은 수직 온도 기울기를 줄이고 균일한 기후 조건을 유지하여 식물의 일관된 생장을 촉진합니다.

스마트 컨트롤러가 온실 기후 관리에서 어떤 역할을 하나요?

스마트 컨트롤러는 센서 데이터에 반응하여 기후 조건을 실시간으로 조정함으로써 균일한 온도를 유지하고 수동 감독을 줄이는 데 도움을 줍니다.