리젠밍(Li Jianming), 쑨궈타오(Sun Guotao) 등온실 원예 농업 공학 기술2022년 11월 21일 17시 42분 베이징에서 발행됨

최근 온실 산업이 급속도로 발전해 왔습니다. 온실 개발은 토지 이용률과 농산물 생산량을 향상시킬 뿐만 아니라, 비수기 과일 및 채소 공급 문제도 해결해 줍니다. 그러나 온실 산업은 전례 없는 도전에 직면해 있습니다. 기존의 시설, 난방 방식, 구조 형태는 환경 및 발전 측면에서 한계를 드러내고 있습니다. 온실 구조를 혁신하기 위한 새로운 소재와 설계가 시급히 요구되며, 에너지 절약과 환경 보호, 생산 및 소득 증대라는 목표를 달성하기 위해서는 새로운 에너지원의 개발 또한 절실합니다.

본 논문은 "새로운 에너지, 새로운 소재, 새로운 디자인을 통해 온실의 새로운 혁명을 이끌어낸다"라는 주제로, 태양 에너지, 바이오매스 에너지, 지열 에너지 등 신에너지원의 온실 적용 연구 및 혁신, 피복재, 단열재, 벽체 및 기타 설비에 사용되는 신소재의 연구 및 응용, 그리고 새로운 에너지, 신소재, 새로운 디자인이 온실 개혁에 기여할 미래 전망과 방향을 제시하여 관련 산업에 참고 자료를 제공하고자 한다.

시설농업 발전은 중요한 지침과 중앙 정부의 결정 정신을 구현하기 위한 정치적 요구이자 불가피한 선택입니다. 2020년 중국의 시설농업 총면적은 280만 헥타르에 달하고 생산액은 1조 위안을 넘어설 것으로 예상됩니다. 이는 신에너지, 신소재, 그리고 새로운 온실 설계를 통해 온실의 채광 및 단열 성능을 개선함으로써 온실 생산 능력을 향상시키는 중요한 방법입니다. 기존 온실 생산 방식에는 여러 가지 단점이 있습니다. 석탄, 연료유 등의 에너지원을 난방에 사용하면서 다량의 이산화탄소를 배출하여 심각한 환경오염을 유발하고, 천연가스, 전기 등의 에너지원 사용으로 온실 운영 비용이 증가합니다. 또한, 기존 온실 벽체의 축열 재료는 주로 점토와 벽돌로 만들어져 토지 자원 고갈을 초래하고, 흙벽을 사용한 기존 태양열 온실의 토지 이용 효율은 40~50%에 불과하며, 일반 온실은 축열 능력이 부족하여 중국 북부 지역의 겨울철 따뜻한 기후를 유지하기 어렵습니다. 따라서 온실 전환을 촉진하거나 기초 연구를 수행하는 데 있어 핵심은 온실 설계, 신소재 및 신에너지 연구 개발에 있다. 본 논문에서는 온실 내 신에너지 연구 및 혁신에 초점을 맞춰 태양 에너지, 바이오매스 에너지, 지열 에너지, 풍력 에너지와 같은 신에너지원과 새로운 투명 피복재, 단열재, 벽체재의 연구 현황을 정리하고, 신에너지 및 신소재를 활용한 신형 온실 건설의 적용 가능성을 분석하며, 미래 온실 발전 및 전환에 있어 이들의 역할을 전망한다.

신에너지 온실 연구 및 혁신

농업 활용 잠재력이 가장 큰 녹색 신에너지에는 태양 에너지, 지열 에너지, 바이오매스 에너지 등이 있으며, 다양한 신에너지원을 종합적으로 활용하여 각 에너지원의 강점을 배우고 효율적인 에너지 이용을 달성할 수 있습니다.

태양 에너지/전력

태양 에너지 기술은 저탄소, 고효율, 지속 가능한 에너지 공급 방식으로서 중국의 전략적 신흥 산업의 중요한 구성 요소이며, 미래 중국 에너지 구조의 전환 및 고도화에 필수적인 선택이 될 것입니다. 에너지 활용 관점에서 볼 때, 온실 자체는 태양 에너지 활용을 위한 시설 구조입니다. 온실 효과를 통해 태양 에너지가 실내로 모여 온실 내부 온도가 상승하고 작물 생장에 필요한 열이 공급됩니다. 온실 식물의 광합성 주 에너지원은 직사광선이며, 이는 태양 에너지를 직접 활용하는 방식입니다.

01 태양광 발전을 통한 열 발생

태양광 발전은 광전 효과를 기반으로 빛 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 기술입니다. 이 기술의 핵심 요소는 태양 전지입니다. 태양 에너지가 직렬 또는 병렬로 연결된 태양광 패널 어레이에 비추면 반도체 소자가 태양 복사 에너지를 전기 에너지로 직접 변환합니다. 태양광 기술은 빛 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하고, 배터리를 통해 전기를 저장하고, 밤에는 온실을 난방할 수 있지만, 높은 비용으로 인해 개발에 제약이 있었습니다. 본 연구팀은 유연한 태양광 패널, 일체형 역제어 장치, 축전지 및 그래핀 발열봉으로 구성된 태양광 그래핀 난방 장치를 개발했습니다. 재배 라인의 길이에 따라 그래핀 발열봉은 기판 백 아래에 묻힙니다. 낮에는 태양광 패널이 태양 복사 에너지를 흡수하여 전기를 생산하고 축전지에 저장하며, 밤에는 저장된 전기가 그래핀 발열봉에 공급됩니다. 실제 측정에서는 17℃에서 시작하여 19℃에서 종료하는 온도 제어 방식을 적용했습니다. 야간(20:00~2일차 08:00) 8시간 가동 시, 식물 한 줄을 난방하는 데 필요한 에너지 소비량은 1.24kWh이며, 야간 배지 백의 평균 온도는 19.2℃로 대조군보다 3.5~5.3℃ 높습니다. 이 난방 방식은 태양광 발전과 결합하여 겨울철 온실 난방 시 발생하는 높은 에너지 소비와 오염 문제를 해결합니다.

02 광열 변환 및 활용

태양광 열 변환은 광열 변환 소재로 만들어진 특수 태양광 집광 표면을 이용하여 태양 복사 에너지를 최대한 많이 수집 및 흡수하여 열 에너지로 변환하는 기술입니다. 태양광 발전 방식과 비교했을 때, 태양광 열 변환은 근적외선 대역의 흡수율을 높여 태양광 이용 효율을 향상시키고, 비용이 저렴하며, 기술이 성숙되어 있어 태양 에너지 이용 방식 중 가장 널리 사용되고 있습니다.

중국에서 가장 성숙한 광열 변환 및 활용 기술은 태양열 집열기이며, 그 핵심 부품은 선택적 흡수 코팅이 된 열 흡수판 코어입니다. 이 코어는 덮개판을 통과하는 태양 복사 에너지를 열 에너지로 변환하여 열 흡수 작동 매체로 전달합니다. 태양열 집열기는 집열기 내부에 진공 공간이 있는지 여부에 따라 평판형 태양열 집열기와 진공관형 태양열 집열기로, 채광창에서 태양 복사선의 방향이 바뀌는지 여부에 따라 집광형 태양열 집열기와 비집광형 태양열 집열기로, 그리고 열 전달 작동 매체의 종류에 따라 액체 태양열 집열기와 공기 태양열 집열기로 나눌 수 있습니다.

온실에서 태양 에너지를 활용하는 주요 방법은 다양한 종류의 태양열 집열기를 이용하는 것입니다. 모로코의 이븐 조르 대학교는 온실 난방을 위한 능동형 태양열 난방 시스템(ASHS)을 개발했는데, 이를 통해 겨울철 토마토 총 생산량을 55%까지 증가시킬 수 있었습니다. 중국 농업대학교는 390.6~693.0 MJ의 열 집열 용량을 가진 표면 냉각기-팬 집열 및 배출 시스템을 설계 및 개발했으며, 열 펌프를 이용하여 열 집열 과정과 열 저장 과정을 분리하는 아이디어를 제시했습니다. 이탈리아 바리 대학교는 태양열 시스템과 공기-물 열 펌프로 구성된 온실 복합 난방 시스템을 개발했는데, 이를 통해 온실 내부 온도를 3.6%, 토양 온도를 92%까지 높일 수 있었습니다. 본 연구팀은 가변 경사각을 갖춘 태양열 온실용 능동형 태양열 집열 장비와 온실 내 담수 저장 장치를 개발하여 기후 변화에 따른 열 손실을 최소화했습니다. 경사각 조절형 능동형 태양열 집열 기술은 제한된 집열 용량, 음영 발생, 경작지 점유 등 기존 온실 열 집열 장비의 한계를 극복합니다. 태양열 온실의 특수 구조를 활용하여 온실의 비재배 공간을 최대한 활용함으로써 온실 공간 이용 효율을 크게 향상시킵니다. 일반적인 일조 조건에서 경사각 조절형 능동형 태양열 집열 시스템은 1.9 MJ/(m²h)의 집열 용량을 달성하고, 에너지 이용 효율은 85.1%, 에너지 절감률은 77%에 달합니다. 온실 축열 기술에서는 다상변화 축열 구조를 적용하여 축열 장치의 축열 용량을 증가시키고, 장치에서 열이 서서히 방출되도록 함으로써 온실 태양열 집열 장비로 집열한 열을 효율적으로 이용할 수 있도록 합니다.

바이오매스 에너지

바이오매스 열 발생 장치와 온실을 결합하여 새로운 시설 구조를 구축하고, 돼지 분뇨, 버섯 잔류물, 짚 등의 바이오매스 원료를 퇴비화하여 열을 발생시키고, 발생한 열에너지를 온실에 직접 공급한다[5]. 바이오매스 발효 가열조가 없는 온실과 비교했을 때, 가열 온실은 온실 내부의 지면 온도를 효과적으로 높여 겨울철 정상 기후에서 토양에 재배되는 작물의 뿌리 온도를 적정 수준으로 유지할 수 있다. 예를 들어, 폭 17m, 길이 30m의 단층 비대칭 단열 온실에 농업 폐기물(토마토 짚과 돼지 분뇨 혼합) 8m³를 넣고 뒤집지 않고 자연 발효시키면 겨울철 온실의 일평균 온도를 4.2℃ 상승시키고 일평균 최저 온도를 4.6℃까지 낮출 수 있다.

바이오매스 에너지 이용 제어 발효는 기기와 장비를 사용하여 발효 과정을 제어함으로써 바이오매스의 열에너지와 이산화탄소 가스 비료를 신속하고 효율적으로 얻고 이용하는 발효 방식입니다. 이 중 환기와 습도는 바이오매스 발효열 및 가스 생산량을 조절하는 핵심 요소입니다. 환기가 잘 되는 환경에서 발효 더미 내 호기성 미생물은 산소를 이용하여 생명 활동을 하고, 생성된 에너지의 일부는 자신의 생명 활동에 사용되며, 나머지는 열에너지 형태로 환경으로 방출되어 주변 환경의 온도를 높이는 데 기여합니다. 물은 발효 과정 전반에 걸쳐 미생물 활동에 필요한 용해성 영양분을 공급하고, 동시에 물을 통해 수증기 형태로 더미의 열을 방출하여 더미의 온도를 낮추고 미생물의 수명을 연장하며 더미 전체의 온도를 높이는 역할을 합니다. 발효조에 짚 침출 장치를 설치하면 겨울철 실내 온도를 3~5℃ 높여 식물의 광합성을 강화하고 토마토 수확량을 29.6% 증가시킬 수 있습니다.

지열 에너지

중국은 풍부한 지열 자원을 보유하고 있습니다. 현재 농업 시설에서 지열 에너지를 활용하는 가장 일반적인 방법은 지열 히트펌프를 사용하는 것입니다. 지열 히트펌프는 소량의 고온 에너지(예: 전기 에너지)를 투입하여 저온 열에너지를 고온 열에너지로 변환할 수 있습니다. 기존의 온실 난방 방식과 달리, 지열 히트펌프 난방은 뛰어난 난방 효과뿐만 아니라 온실 냉방 및 습도 조절 효과까지 제공합니다. 주택 건설 분야에서 지열 히트펌프의 응용 연구는 이미 성숙 단계에 있습니다. 지열 히트펌프의 냉난방 성능에 영향을 미치는 핵심 요소는 지하 열교환 모듈이며, 이는 주로 매설 배관, 지하 우물 등으로 구성됩니다. 비용 대비 효과의 균형을 이룬 지하 열교환 시스템을 설계하는 것이 이 분야의 주요 연구 과제입니다. 또한, 지열 히트펌프를 적용할 때 지하 토양층의 온도 변화 역시 히트펌프 시스템의 효율에 영향을 미칩니다. 여름철 온실 냉방에 지열 히트펌프를 사용하고 열에너지를 지하 깊은 토양층에 저장하면 지하 토양층의 온도 강하를 완화하고 겨울철 지열 히트펌프의 열 생산 효율을 향상시킬 수 있습니다.

현재 지열 히트펌프의 성능 및 효율 연구에서는 실제 실험 데이터를 바탕으로 TOUGH2 및 TRNSYS와 같은 소프트웨어를 사용하여 수치 모델을 구축하고 있으며, 이를 통해 지열 히트펌프의 난방 성능과 성능 계수(COP)가 3.0~4.5에 도달하여 우수한 냉방 및 난방 효과를 나타내는 것으로 결론지었습니다. 히트펌프 시스템의 운전 전략 연구에서 푸윈준(Fu Yunzhun) 등은 부하측 유량보다 지열측 유량이 장치의 성능과 매설관의 열전달 성능에 더 큰 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. 유량 설정 조건에서 2시간 운전 후 2시간 정지하는 운전 방식을 채택하면 장치의 최대 COP 값이 4.17에 도달할 수 있습니다. 스후이셴(Shi Huixian) 등은 물 저장식 냉방 시스템의 간헐 운전 모드를 채택하여 여름철 고온 환경에서 전체 에너지 공급 시스템의 COP가 3.80에 도달할 수 있음을 보여주었습니다.

온실용 심토 열 저장 기술

온실 지하 열 저장 장치는 온실 내 "열 저장고"라고도 불립니다. 겨울철 냉해와 여름철 고온은 온실 생산의 주요 장애물입니다. 심층 토양의 강력한 열 저장 능력을 활용하여 연구팀은 온실 지하 열 저장 장치를 설계했습니다. 이 장치는 온실 지하 1.5~2.5m 깊이에 매설된 이중 병렬 열 전달 파이프라인으로 구성되며, 온실 상단에 공기 흡입구, 지면에 공기 배출구가 있습니다. 온실 내부 온도가 높을 때는 팬을 이용하여 실내 공기를 강제로 지하로 보내 열을 저장하고 온실 온도를 낮춥니다. 반대로 온실 내부 온도가 낮을 ​​때는 토양에서 열을 추출하여 온실을 따뜻하게 합니다. 생산 및 적용 결과, 이 장치는 겨울밤 온실 온도를 2.3℃ 높이고 여름 낮에는 2.6℃ 낮추며, 667m² 면적의 온실에서 토마토 수확량을 1,500kg 증가시킬 수 있는 것으로 나타났습니다.²이 장치는 지하 깊은 곳의 "겨울에는 따뜻하고 여름에는 시원하며" "일정한 온도"를 유지하는 특성을 최대한 활용하여 온실에 "에너지 공급원"을 제공하고 온실의 냉난방 보조 기능을 지속적으로 수행합니다.

다중 에너지 조정

두 가지 이상의 에너지원을 활용하여 온실을 난방하면 단일 에너지원의 단점을 효과적으로 보완하고 "1+1은 2보다 크다"는 시너지 효과를 낼 수 있습니다. 지열 에너지와 태양 에너지의 상호보완적 협력은 최근 농업 생산 분야의 신에너지 활용 연구에서 중요한 연구 주제입니다. Emmi 등은 태양광-열 하이브리드 태양열 집열기를 장착한 다중 에너지원 시스템(그림 1)을 연구했습니다. 일반적인 공기-물 열펌프 시스템과 비교했을 때, 다중 에너지원 시스템의 에너지 효율은 16%~25% 향상되었습니다. Zheng 등은 태양 에너지와 지열 열펌프를 결합한 새로운 유형의 축열 ​​시스템을 개발했습니다. 이 태양열 집열 시스템은 겨울철 고품질 난방과 여름철 고품질 냉방을 위한 고품질 계절별 난방 축열을 실현할 수 있습니다. 매설관 열교환기와 간헐식 축열 탱크는 모두 시스템에서 원활하게 작동하며, 시스템의 COP 값은 6.96에 달합니다.

태양 에너지와 결합하여 상용 전력 소비를 줄이고 온실 내 태양광 발전 공급의 안정성을 높이는 것을 목표로 합니다. 완야(Wan Ya) 외 연구진은 온실 난방을 위해 태양광 발전과 상용 전력을 결합한 새로운 지능형 제어 기술 방안을 제시했습니다. 이 방안은 햇빛이 있을 때는 태양광 발전을 이용하고 햇빛이 없을 때는 상용 전력으로 전환하여 부하 전력 부족률을 크게 줄이고 배터리를 사용하지 않고도 경제적 비용을 절감할 수 있습니다.

태양 에너지, 바이오매스 에너지, 전기 에너지를 결합하여 온실을 난방할 수 있으며, 높은 난방 효율을 달성할 수 있습니다. 장량루이(Zhang Liangrui) 연구팀은 태양열 진공관 집열기와 계곡형 전기 축열수를 결합한 온실 난방 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 우수한 열 쾌적성을 제공하며, 평균 난방 효율은 68.70%에 달합니다. 전기 축열수는 전기 가열 방식의 바이오매스 가열용 온수 저장 장치입니다. 가열단부 유입수의 최저 온도를 설정하고, 태양열 집열부와 바이오매스 축열부의 저장수 온도에 따라 시스템 운전 전략을 결정함으로써 가열단부의 안정적인 난방 온도를 유지하고 전기 에너지와 바이오매스 에너지 원료를 최대한 절약할 수 있습니다.

혁신적인 연구 및 새로운 온실 재료의 응용

온실 면적이 확대됨에 따라 벽돌이나 흙과 같은 전통적인 온실 자재의 적용상의 단점이 점차 드러나고 있다. 따라서 온실의 단열 성능을 더욱 향상시키고 현대 온실의 발전 요구를 충족시키기 위해 새로운 투명 피복재, 단열재 및 벽체 자재에 대한 연구와 적용이 활발히 이루어지고 있다.

새로운 투명 피복재의 연구 및 응용

온실용 투명 덮개 재료는 주로 플라스틱 필름, 유리, 태양광 패널, 태양열 패널 등으로 나뉘며, 그중 플라스틱 필름이 가장 널리 사용된다. 기존의 온실용 PE 필름은 수명이 짧고, 분해되지 않으며, 기능이 단일하다는 단점이 있다. 최근에는 기능성 시약이나 코팅을 첨가하여 다양한 기능성 필름이 개발되고 있다.

광변환 필름:광변환 필름은 희토류 및 나노 물질과 같은 광변환제를 사용하여 필름의 광학적 특성을 변화시켜 자외선 영역을 식물 광합성에 필요한 적황색 및 청자색으로 변환할 수 있습니다. 이를 통해 작물 수확량을 증가시키고 비닐하우스 내 작물과 비닐하우스 필름에 대한 자외선 손상을 줄일 수 있습니다. 예를 들어, VTR-660 광변환제를 사용한 광대역 보라색-적색 비닐하우스 필름은 비닐하우스에 적용했을 때 적외선 투과율을 크게 향상시키며, 대조군 비닐하우스와 비교했을 때 토마토의 헥타르당 수확량, 비타민 C 함량 및 리코펜 함량이 각각 25.71%, 11.11%, 33.04% 유의미하게 증가했습니다. 그러나 현재 이러한 새로운 광변환 필름의 수명, 분해성 및 비용에 대해서는 추가적인 연구가 필요합니다.

흩어진 유리 조각온실용 산란 유리는 유리 표면에 특수 패턴과 반사 방지 기술을 적용하여 햇빛을 산란광으로 전환시켜 온실 내부로 최대한 많이 유입되도록 함으로써 작물의 광합성 효율을 높이고 수확량을 증가시킵니다. 산란 유리는 특수 패턴을 통해 온실로 들어오는 빛을 산란광으로 만들어 온실 내부를 더욱 고르게 비추고, 온실 골조의 그림자 영향을 없애줍니다. 일반 플로트 유리 및 초백색 플로트 유리와 비교했을 때, 산란 유리의 광투과율은 91.5%로 일반 플로트 유리의 88%보다 높습니다. 온실 내부의 광투과율이 1% 증가할 때마다 수확량은 약 3% 증가하고, 과일과 채소의 당분 및 비타민 C 함량도 증가합니다. 온실용 산란 유리는 코팅 후 강화 처리되어 자폭률이 국가 기준 이상인 2‰에 달합니다.

새로운 단열재의 연구 및 응용

온실에 사용되는 기존 단열재는 주로 짚매트, 종이 퀼트, 니들펠트 단열 퀼트 등으로, 주로 지붕의 내외부 단열, 벽체 단열, 그리고 일부 축열 및 열 저장 장치의 단열에 사용됩니다. 그러나 이러한 기존 단열재들은 장기간 사용 후 내부 습기로 인해 단열 성능이 저하되는 단점이 있습니다. 따라서 새로운 고성능 단열재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 새로운 단열 퀼트, 축열 및 열 저장 장치 분야에 대한 연구가 집중되고 있습니다.

새로운 단열재는 일반적으로 방수 및 내노화성이 뛰어난 직물 필름이나 코팅 펠트와 같은 소재에 스프레이 코팅 면, 캐시미어, 진주솜과 같은 솜털 형태의 단열재를 가공 및 복합하여 제조됩니다. 중국 동북 지역에서 직물 필름에 스프레이 코팅 면을 첨가한 단열 이불을 시험한 결과, 스프레이 코팅 면 500g을 첨가했을 때 시중에서 판매되는 4500g 흑색 펠트 단열 이불과 동등한 단열 성능을 나타내는 것으로 확인되었습니다. 동일 조건에서 스프레이 코팅 면 700g을 첨가한 이불은 500g을 첨가한 이불에 비해 단열 성능이 1~2℃ 향상되었습니다. 또한, 다른 연구에서도 시중에서 흔히 사용되는 단열 이불과 비교했을 때 스프레이 코팅 면과 캐시미어를 첨가한 단열 이불의 단열 효과가 각각 84.0%와 83.3%로 더 우수한 것으로 나타났습니다. 최저 외부 온도가 -24.4℃일 때, 실내 온도는 각각 5.4℃와 4.2℃에 도달할 수 있습니다. 기존의 짚으로 만든 단열 담요와 비교했을 때, 새로운 복합 단열 담요는 경량성, 높은 단열률, 강력한 방수 및 내노화성 등의 장점을 가지며, 태양열 온실용 고효율 단열재로 활용될 수 있습니다.

한편, 온실 열 집열 및 저장 장치용 단열재 연구에 따르면, 두께가 동일할 경우 다층 복합 단열재가 단일 소재보다 우수한 단열 성능을 나타내는 것으로 밝혀졌습니다. 서북농림대학교 리젠밍 교수 연구팀은 진공판, 에어로젤, 고무솜 등 온실 물 저장 장치용 단열재 22종을 설계 및 선별하고 열적 특성을 측정했습니다. 그 결과, 80mm 두께의 단열 코팅+에어로젤+고무-플라스틱 단열솜 복합 단열재는 80mm 두께의 고무-플라스틱 단열솜에 비해 단위 시간당 열 손실을 0.367MJ 감소시킬 수 있었으며, 복합 단열재의 두께가 100mm일 때 열전달 계수는 0.283W/(m²·k)인 것으로 나타났습니다.

상변화 물질은 온실 소재 연구의 핵심 분야 중 하나입니다. 서북농림대학교는 두 종류의 상변화 물질 저장 장치를 개발했습니다. 첫 번째는 검은색 폴리에틸렌으로 제작된 저장 상자로, 크기는 50cm×30cm×14cm(길이×높이×두께)이며 상변화 물질로 채워져 열을 저장하고 방출할 수 있습니다. 두 번째는 새로운 유형의 상변화 벽판입니다. 이 상변화 벽판은 상변화 물질, 알루미늄 판, 알루미늄-플라스틱 판, 알루미늄 합금으로 구성됩니다. 상변화 물질은 벽판의 가장 중앙에 위치하며 크기는 200mm×200mm×50mm입니다. 상변화 전후 모두 분말 형태의 고체 상태이며, 녹거나 흐르는 현상이 없습니다. 상변화 물질로 채워진 네 벽면은 각각 알루미늄 판과 알루미늄-플라스틱 판으로 이루어져 있습니다. 이 장치는 낮에는 주로 열을 저장하고 밤에는 주로 열을 방출하는 기능을 수행할 수 있습니다.

따라서 단일 단열재를 적용할 경우 단열 효율이 낮고 열 손실이 크며 축열 시간이 짧다는 등의 문제가 있습니다. 그러므로 복합 단열재를 축열 장치의 단열층 및 내외부 단열 피복층으로 사용하면 온실의 단열 성능을 효과적으로 향상시키고 온실의 열 손실을 줄여 에너지 절약 효과를 얻을 수 있습니다.

새로운 벽의 연구 및 응용

외벽은 온실의 냉해 방지 및 보온에 중요한 역할을 하는 구조물입니다. 온실 북벽은 재료와 구조에 따라 크게 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 흙이나 벽돌 등으로 만든 단층벽과, 점토벽돌, 블록벽돌, 스티로폼판 등을 사용하여 내부에는 축열 기능을, 외부에는 단열 기능을 갖춘 적층벽이 있습니다. 이러한 적층벽은 대부분 시공에 시간과 노동력이 많이 소요됩니다. 따라서 최근에는 시공이 간편하고 조립이 빠른 새로운 유형의 북벽들이 많이 등장하고 있습니다.

새로운 유형의 조립식 벽체의 등장은 조립식 온실의 급속한 발전을 촉진하고 있으며, 여기에는 외부 방수 및 노화 방지 표면 소재와 펠트, 진주솜, 공간솜, 유리솜 또는 재활용솜과 같은 단열재를 사용하는 새로운 유형의 복합 벽체가 포함됩니다. 예를 들어 신장 지역에서 개발된 분무 접착 솜을 사용한 유연한 조립식 벽체가 있습니다. 또한, 신장 지역에서 개발된 벽돌로 채운 밀기울 모르타르 블록과 같은 축열층을 갖춘 조립식 온실의 북벽에 대한 연구도 보고되었습니다. 동일한 외부 환경에서 최저 외부 온도가 -20.8℃일 때, 밀기울 모르타르 블록 복합 벽체를 사용한 태양열 온실의 온도는 7.5℃인 반면, 벽돌-콘크리트 벽체를 사용한 태양열 온실의 온도는 3.2℃에 불과했습니다. 벽돌 온실의 토마토 수확 시기는 16일 앞당겨지고, 단일 온실의 수확량은 18.4% 증가할 수 있었습니다.

서북농림대학교 시설팀은 채광과 벽체 설계를 단순화하는 관점에서 짚, 흙, 물, 돌, 상변화 물질을 단열 및 축열 모듈로 만드는 설계 아이디어를 제시하여 모듈식 조립 벽체의 응용 연구를 촉진했습니다. 예를 들어, 일반 벽돌 벽 온실과 비교했을 때, 이 온실의 평균 온도는 맑은 날에 4.0℃ 더 높습니다. 상변화 물질(PCM)과 시멘트로 만들어진 세 가지 종류의 무기 상변화 시멘트 모듈은 각각 74.5, 88.0, 95.1 MJ/m²의 축열 용량을 나타냅니다.³그리고 59.8, 67.8, 84.2 MJ/m의 열을 방출했습니다.³각각 낮에는 "피크를 줄이는" 기능, 밤에는 "밸리를 채우는" 기능, 여름에는 열을 흡수하고 겨울에는 열을 방출하는 기능을 합니다.

이러한 새로운 벽체는 현장에서 조립되며, 시공 기간이 짧고 수명이 길어 경량화, 간편화, 신속 조립식 온실 건설에 유리한 조건을 조성하고 온실 구조 개혁을 크게 촉진할 수 있습니다. 그러나 이러한 벽체에는 몇 가지 단점이 있습니다. 예를 들어, 스프레이 접착식 면 단열 퀼트 벽체는 단열 성능은 우수하지만 축열 능력이 부족하고, 상변화 건축 자재는 사용 비용이 높다는 문제가 있습니다. 향후 조립식 벽체의 응용 연구를 강화해야 합니다.

새로운 에너지, 새로운 소재, 그리고 새로운 디자인은 온실 구조의 변화를 돕습니다.

신에너지 및 신소재 연구 개발은 온실 설계 혁신의 토대를 제공합니다. 에너지 절약형 태양열 온실과 아치형 온실은 중국 농업 생산에서 가장 큰 비중을 차지하는 온실 구조물이며, 농업 생산에 중요한 역할을 합니다. 그러나 중국 사회경제 발전과 함께 이러한 두 가지 시설 구조의 단점이 점차 드러나고 있습니다. 첫째, 시설 공간이 협소하고 기계화 수준이 낮습니다. 둘째, 에너지 절약형 태양열 온실은 단열 성능은 우수하지만 토지 이용 효율이 낮아 사실상 온실 에너지 소비를 토지 이용 효율로 대체하는 것과 같습니다. 일반 아치형 온실은 공간이 협소할 뿐만 아니라 단열 성능도 떨어집니다. 다경간 온실은 공간은 넓지만 단열 성능이 좋지 않고 에너지 소비가 높습니다. 따라서 중국의 현재 사회경제적 수준에 적합한 온실 구조를 연구 개발하는 것이 시급하며, 신에너지 및 신소재 연구 개발은 온실 구조의 변화를 촉진하고 다양한 혁신적인 온실 모델 또는 구조를 개발하는 데 기여할 것입니다.

대형 비대칭형 수분 조절 양조 온실에 대한 혁신적인 연구

대형 비대칭형 수분 조절 양조 온실(특허 번호: ZL 201220391214.2)은 일조 온실의 원리를 기반으로 일반 비닐 온실의 대칭 구조를 변경하여 남쪽 스팬을 늘려 남쪽 지붕의 채광 면적을 확대하고 북쪽 스팬을 줄여 열 방출 면적을 감소시킨 구조입니다. 스팬은 18~24m, 용마루 높이는 6~7m이며, 설계 혁신을 통해 공간 구조가 크게 향상되었습니다. 동시에 바이오매스 양조열과 신소재 단열재를 활용하여 겨울철 온실 내부 열 부족 문제와 일반 단열재의 단열 성능 저하 문제를 해결했습니다. 생산 및 연구 결과에 따르면, 대형 비대칭형 수분 조절 양조 온실은 맑은 날 평균 온도 11.7℃, 흐린 날 평균 온도 10.8℃를 유지하여 겨울철 작물 생육 수요를 충족할 수 있으며, 폴리스티렌 벽돌 벽 온실에 비해 건설 비용이 39.6% 절감되고 토지 이용률이 30% 이상 향상되는 것으로 나타났습니다. 따라서 이 온실은 중국 황화허 유역에서 더욱 보편화 및 적용될 가치가 있습니다.

조립식 햇빛 온실

조립식 태양열 온실은 기둥과 지붕 골조를 하중 지지 구조로 하고, 벽체는 주로 단열재로 구성되며, 하중을 지지하거나 수동적으로 열을 축열 및 방출하는 구조는 아닙니다. 주요 재료로는 (1) 코팅 필름이나 컬러 강판, 짚 블록, 연질 단열 퀼트, 모르타르 블록 등 다양한 재료를 조합하여 만든 새로운 유형의 조립식 벽체, (2) 조립식 시멘트 보드-폴리스티렌 보드-시멘트 보드로 구성된 복합 벽체, (3) 플라스틱 사각 버킷 축열기, 파이프라인 축열기 등 능동적인 열 축열 및 방출 시스템과 제습 시스템을 갖춘 경량의 간편 조립식 단열재가 있습니다. 이러한 새로운 단열재와 축열재를 기존의 흙벽 대신 사용하여 태양열 온실을 건설하면 넓은 공간을 확보하면서 토목 공사를 최소화할 수 있습니다. 실험 결과, 뒷벽 두께가 166mm일 때 겨울철 야간 온실 온도가 기존 벽돌 온실보다 4.5℃ 높은 것으로 나타났습니다. 600mm 두께의 벽돌벽 온실과 비교했을 때, 벽체 점유 면적이 72% 감소하고 평방미터당 비용은 334.5위안으로 벽돌벽 온실보다 157.2위안 저렴하여 건설 비용이 크게 절감되었습니다. 따라서 조립식 온실은 경작지 파괴 감소, 토지 절약, 빠른 시공 속도 및 긴 수명 등의 장점을 가지며, 현재와 미래의 태양열 온실 혁신 및 발전의 핵심 방향입니다.

슬라이딩식 햇빛 온실

선양농업대학교에서 개발한 스케이트보드 조립식 에너지 ​​절약형 태양열 온실은 온실 뒷벽에 물 순환식 벽체 축열 시스템을 설치하여 열을 저장하고 온도를 높입니다. 이 시스템은 주로 32m² 크기의 수영장으로 구성됩니다.³), 광 수집판(360m)²이 온실은 지붕, 물 펌프, 급수관 및 제어 장치로 구성됩니다. 유연한 단열 덮개는 상단에 새로운 경량 암면 컬러 강판 소재로 교체되었습니다. 연구 결과, 이 설계는 박공이 빛을 차단하는 문제를 효과적으로 해결하고 온실의 채광 면적을 증가시키는 것으로 나타났습니다. 온실의 채광각은 41.5°로, 대조군 온실보다 약 16° 높아 채광률이 향상되었습니다. 실내 온도 분포가 균일하여 식물이 고르게 자랍니다. 이 온실은 토지 이용 효율을 높이고, 온실 규모를 유연하게 설계할 수 있으며, 건설 기간을 단축하는 장점을 가지고 있어 경작지 자원과 환경 보호에 매우 중요한 의미를 지닙니다.

태양광 온실

농업용 온실은 태양광 발전, 지능형 온도 제어 및 현대적인 첨단 재배 기술을 통합한 온실입니다. 철골 구조에 태양광 모듈을 설치하여 태양광 발전 모듈의 조명 요구 사항과 온실 전체의 조명 요구 사항을 충족합니다. 태양 에너지로 생성된 직류는 농업용 온실의 조명을 직접 보충하고, 온실 장비의 정상적인 작동을 지원하며, 관개 용수를 공급하고, 온실 온도를 높여 작물의 빠른 성장을 촉진합니다. 이러한 방식으로 태양광 모듈은 온실 지붕의 조명 효율에 영향을 미치고, 결과적으로 온실 작물의 정상적인 성장에 영향을 미칩니다. 따라서 온실 지붕에 태양광 패널을 합리적으로 배치하는 것이 핵심적인 적용 사항입니다. 농업용 온실은 관광 농업과 시설 원예가 유기적으로 결합된 제품으로, 태양광 발전, 농업 관광, 농작물, 농업 기술, 경관 및 문화 발전을 통합한 혁신적인 농업 산업입니다.

서로 다른 유형의 온실 간 에너지 상호 작용을 고려한 혁신적인 온실군 설계

베이징 농림과학원 연구원인 궈원중은 온실 간 에너지 전달 난방 방식을 이용하여 하나 이상의 온실에 남아있는 열에너지를 모아 다른 온실을 난방하는 기술을 개발했습니다. 이 방식은 온실 에너지를 시간과 공간을 초월하여 전달할 수 있게 해주고, 남아있는 열에너지의 이용 효율을 높여 총 난방 에너지 소비량을 줄여줍니다. 두 온실은 서로 다른 종류일 수도 있고, 상추와 토마토처럼 다양한 작물을 재배하는 동일한 종류의 온실일 수도 있습니다. 열 수집 방법은 주로 실내 공기열 추출과 입사 복사열 직접 흡수를 포함합니다. 태양열 집열, 열교환기를 이용한 강제 대류, 열펌프를 이용한 강제 추출 등을 통해 고에너지 온실의 잉여열을 추출하여 온실을 난방합니다.

요약

이러한 새로운 태양열 온실은 빠른 조립, 건설 기간 단축, 토지 이용률 향상 등의 장점을 가지고 있습니다. 따라서 다양한 지역에서 이러한 신형 온실의 성능을 더욱 심층적으로 연구하고, 신형 온실의 대규모 보급 및 적용 가능성을 모색해야 합니다. 동시에 온실 구조 개혁을 위한 동력을 제공하기 위해 온실 분야에 신에너지 및 신소재 적용을 지속적으로 강화해야 합니다.

미래 전망 및 구상

전통적인 온실은 높은 에너지 소비, 낮은 토지 이용률, 시간과 노동력 소모, 성능 저하 등의 단점을 가지고 있어 현대 농업의 생산 요구를 충족시키지 못하고 있으며, 점차 사라질 운명에 처해 있습니다. 따라서 태양 에너지, 바이오매스 에너지, 지열 에너지, 풍력 에너지와 같은 신에너지원, 새로운 온실 소재 및 설계 방식을 활용하여 온실 구조의 변화를 촉진하는 것이 발전 추세입니다. 첫째, 신에너지와 신소재를 기반으로 하는 새로운 온실은 기계화 운영의 요구를 충족할 뿐만 아니라 에너지, 토지, 비용을 절감해야 합니다. 둘째, 다양한 환경에서 새로운 온실의 성능을 지속적으로 연구하여 온실의 대규모 보급을 위한 여건을 조성해야 합니다. 앞으로 온실 적용에 적합한 신에너지와 신소재를 더욱 연구하고, 신에너지, 신소재, 온실의 최적 조합을 찾아 저비용, 단기 건설, 저에너지 소비, 우수한 성능을 갖춘 새로운 온실을 건설함으로써 온실 구조의 변화를 촉진하고 중국 온실의 현대화 발전을 이끌어야 합니다.

신에너지, 신소재, 신설계를 온실 건설에 적용하는 것은 불가피한 추세이지만, 여전히 연구하고 극복해야 할 많은 문제점이 존재합니다. (1) 건설 비용 증가: 석탄, 천연가스, 석유를 이용한 기존 난방 방식과 비교했을 때, 신에너지와 신소재를 적용하는 것은 환경친화적이고 무공해라는 장점이 있지만, 건설 비용이 상당히 증가하여 생산 및 운영 투자 회수에 부정적인 영향을 미칩니다. 특히 신소재의 비용은 에너지 활용 비용보다 훨씬 높습니다. (2) 열에너지의 불안정한 이용: 신에너지 이용의 가장 큰 장점은 낮은 운영 비용과 낮은 이산화탄소 배출량이지만, 에너지 및 열 공급이 불안정하며, 흐린 날씨는 태양열 이용에 가장 큰 제약 요인이 됩니다. 바이오매스 발효를 통한 열 생산 과정에서는 발효열량이 낮고, 관리 및 제어가 어려우며, 원료 운송을 위한 대규모 저장 공간이 필요하다는 문제점으로 인해 에너지의 효율적인 이용이 제한됩니다. (3) 기술 성숙도: 신에너지와 신소재에 사용되는 기술들은 첨단 연구 및 기술적 성과이며, 그 적용 분야와 범위는 아직 상당히 제한적입니다. 여러 차례, 여러 현장에서, 대규모 실증 검증을 거치지 않았기 때문에 적용 과정에서 필연적으로 몇 가지 결함과 개선이 필요한 기술적 내용이 존재합니다. 사용자들은 이러한 사소한 결함 때문에 기술 발전을 인정하지 않는 경우가 많습니다. (4) 기술 보급률이 낮습니다. 과학 기술적 성과가 널리 적용되려면 일정 수준의 인지도가 필요합니다. 현재 신에너지, 신기술, 신형 온실 설계 기술은 모두 일정 수준의 혁신 능력을 갖춘 대학 연구센터 팀에 집중되어 있으며, 대부분의 기술 수요자나 설계자는 아직 이러한 기술에 대해 알지 못합니다. 또한 신기술의 핵심 장비가 특허로 보호되고 있기 때문에 신기술의 보급과 적용은 여전히 ​​상당히 제한적입니다. (5) 신에너지, 신소재, 온실 구조 설계의 통합을 더욱 강화해야 합니다. 에너지, 소재, 온실 구조 설계는 서로 다른 세 분야에 속하기 때문에 온실 설계 경험이 있는 인재는 온실 관련 에너지 및 소재 연구가 부족한 경우가 많고, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 따라서 에너지 및 재료 연구 관련 연구자들은 온실 산업 발전의 실제 요구 사항에 대한 조사와 이해를 강화해야 하며, 구조 설계자들은 신소재와 신에너지를 연구하여 세 가지 요소의 심층적인 융합을 촉진함으로써 실용적인 온실 연구 기술, 저비용 건설, 우수한 활용 효과를 달성해야 합니다. 이러한 문제점을 바탕으로 국가, 지방 정부 및 과학 연구 기관은 기술 연구를 강화하고, 심층적인 공동 연구를 수행하며, 과학 기술 성과의 홍보를 강화하고, 성과 보급을 개선하여 신에너지와 신소재가 온실 산업의 새로운 발전을 이끌 수 있도록 신속하게 목표를 달성해야 합니다.

인용된 정보

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin. 새로운 에너지, 새로운 재료 및 새로운 디자인은 온실의 새로운 혁명을 돕습니다[J]. 채소, 2022,(10):1-8.