온실 원예 농업 공학 기술, 2022년 12월 2일 17시 30분, 베이징에서 발행

사막, 고비 사막, 모래땅 등 경작이 불가능한 지역에 태양열 온실을 개발하는 것은 식량 생산과 채소 재배 간의 토지 경쟁 문제를 효과적으로 해결해 왔습니다. 온도는 온대 작물의 생육과 발달에 결정적인 환경 요인 중 하나이며, 온실 작물 생산의 성공 여부를 좌우하는 중요한 요소입니다. 따라서 경작이 불가능한 지역에 태양열 온실을 개발하기 위해서는 우선 온실의 환경 온도 문제를 해결해야 합니다. 본 논문에서는 최근 경작이 불가능한 지역의 태양열 온실에서 사용되는 온도 제어 방법을 정리하고, 이러한 온실의 온도 및 환경 보호와 관련된 문제점과 발전 방향을 분석 및 제시합니다.

중국은 인구는 많지만 경작 가능한 토지 자원은 부족합니다. 전체 토지 자원의 85% 이상이 경작되지 않은 토지이며, 주로 중국 북서부에 집중되어 있습니다. 2022년 중앙위원회 제1호 문건은 시설농업 발전을 가속화하고 생태환경 보호를 바탕으로 활용 가능한 유휴지와 황무지를 발굴하여 시설농업을 개발해야 한다고 지적했습니다. 중국 북서부는 사막, 고비 사막, 황무지 등 경작되지 않은 토지 자원이 풍부하고 자연 채광과 열 자원도 풍부하여 시설농업 발전에 유리한 조건을 갖추고 있습니다. 따라서 경작되지 않은 토지 자원을 개발 및 활용하여 무경작지 온실을 조성하는 것은 국가 식량 안보를 확보하고 토지 이용 갈등을 완화하는 데 매우 중요한 전략적 의미를 지닙니다.

현재, 비경작지 태양열 온실은 비경작지에서 고효율 농업을 개발하는 주요 형태입니다. 중국 북서부는 일교차가 크고 겨울철 야간 기온이 낮아 온실 내부 최저 온도가 작물의 정상적인 생육 및 발달에 필요한 온도보다 낮아지는 현상이 자주 발생합니다. 온도는 작물의 생육 및 발달에 필수적인 환경 요소 중 하나입니다. 온도가 너무 낮으면 작물의 생리·생화학적 반응이 느려지고 생육 및 발달이 저해됩니다. 작물이 견딜 수 있는 한계 온도 이하로 떨어지면 냉해를 입을 수도 있습니다. 따라서 작물의 정상적인 생육 및 발달에 필요한 온도를 확보하는 것이 매우 중요합니다. 태양열 온실의 적정 온도 유지는 단 하나의 조치로 해결될 수 있는 문제가 아닙니다. 온실 설계, 시공, 자재 선정, 관리 및 일상 운영 등 모든 측면에서 보장되어야 합니다. 따라서 본 논문은 온실 설계 및 시공, 보온 및 난방 조치, 환경 관리 측면에서 최근 중국의 비재배 온실 온도 제어 연구 현황 및 진행 상황을 요약하여 비재배 온실의 합리적인 설계 및 관리를 위한 체계적인 참고 자료를 제공하고자 한다.

온실 구조 및 자재

온실의 열 환경은 주로 온실의 태양 복사열 투과, 차단 및 저장 능력에 따라 결정되며, 이는 온실의 방향, 채광면의 형상 및 재질, 벽체 및 후면 지붕의 구조 및 재질, 기초 단열, 온실 크기, 야간 단열 방식 및 전면 지붕 재질 등의 합리적인 설계와 관련이 있습니다. 또한 온실의 시공 및 건설 과정이 설계 요구 사항을 효과적으로 실현할 수 있는지 여부와도 관련이 있습니다.

전면 지붕의 광투과율

온실의 주요 에너지원은 태양입니다. 전면 지붕의 채광률을 높이면 온실이 더 많은 열을 얻는 데 도움이 되며, 겨울철 온실의 온도 환경을 유지하는 데 중요한 기반이 됩니다. 현재 온실 전면 지붕의 채광률과 채광 시간을 늘리는 주요 방법은 세 가지가 있습니다.

01 온실의 적절한 방향과 방위각을 설계하십시오

온실의 방향은 온실의 채광 성능과 축열 용량에 영향을 미칩니다. 따라서 온실의 축열 효율을 높이기 위해 중국 북서부 지역의 비재배 온실은 주로 남향으로 설치됩니다. 온실의 방위각을 구체적으로 살펴보면, 남동향은 햇빛을 최대한 활용하여 아침에 온실 내부 온도가 빠르게 상승하는 장점이 있고, 남서향은 오후 햇빛을 활용하는 장점이 있습니다. 남향은 이 두 가지 장점을 모두 누릴 수 있는 최적의 방향입니다. 지구물리학적으로 지구는 하루 동안 360° 자전하며, 태양의 방위각은 약 4분마다 1°씩 변화합니다. 따라서 온실의 방위각이 1°씩 달라질 때마다 직사광선을 받는 시간이 약 4분 정도 차이가 나게 되므로, 온실의 방위각은 아침과 저녁에 온실이 햇빛을 받는 시간에 영향을 미칩니다.

아침과 오후의 일조 시간이 같고, 동쪽이나 서쪽에서 들어오는 햇빛의 각도가 같을 때, 온실은 동일한 일조 시간을 확보할 수 있습니다. 그러나 북위 37도 이북 지역은 아침 기온이 낮아 보온 덮개를 벗기는 시기가 늦어지고, 오후와 저녁에는 기온이 비교적 높기 때문에 보온 덮개를 닫는 시기를 늦추는 것이 적절합니다. 따라서 이러한 지역에서는 남서쪽 방향을 선택하여 오후의 햇빛을 최대한 활용해야 합니다. 북위 30~35도 지역은 아침 일조량이 좋기 때문에 보온 덮개를 닫고 온실을 유지하는 시기를 앞당길 수 있습니다. 따라서 이러한 지역에서는 남동쪽 방향을 선택하여 온실에 더 많은 아침 일조량을 확보하는 것이 좋습니다. 하지만 북위 35~37도 지역에서는 아침과 오후의 일조량 차이가 크지 않으므로 정남쪽 방향을 선택하는 것이 더 효과적입니다. 남동쪽이든 남서쪽이든 편차각은 일반적으로 5°~8°이며, 최대 10°를 넘지 않아야 합니다. 중국 북서부는 북위 37°~50° 범위에 위치하므로 온실의 방위각은 일반적으로 남쪽에서 서쪽입니다. 이를 고려하여 타이위안 지역의 장징서 등이 설계한 일광 온실은 남서쪽으로 5° 방향을 선택했고, 허시 회랑 고비 지역의 장메이메이 등이 건설한 일광 온실은 남서쪽으로 5°~10° 방향을 채택했으며, 신장 북부의 마즈구이 등이 건설한 일광 온실은 남서쪽으로 8° 방향을 채택했습니다.

02. 적절한 전면 지붕 형상 및 경사각을 설계하십시오.

전면 지붕의 형상과 경사각은 태양광의 입사각을 결정합니다. 입사각이 작을수록 투과율이 높아집니다. 쑨주런(Sun Juren)은 전면 지붕의 형상은 주로 주 채광면의 길이와 후면 경사면의 비율에 의해 결정된다고 주장합니다. 긴 전면 경사면과 짧은 후면 경사면은 전면 지붕의 채광 및 보온에 유리합니다. 천웨이첸(Chen Wei-Qian) 등은 고비 사막에서 사용되는 태양열 온실의 주 채광 지붕이 반지름 4.5m의 원형 아치를 채택하여 효과적으로 추위를 막을 수 있다고 생각합니다. 장징셰(Zhang Jingshe) 등은 고산 지대나 고위도 지역의 온실 전면 지붕에는 반원형 아치를 사용하는 것이 더 적합하다고 주장합니다. 전면 지붕의 경사각에 관해서는, 플라스틱 필름의 광투과 특성에 따라 입사각이 0~40°일 때 전면 지붕의 태양광 반사율이 낮고, 40°를 초과하면 반사율이 크게 증가합니다. 따라서, 동지에도 태양 복사열이 온실 내부로 최대한 유입될 수 있도록 전면 지붕의 경사각을 계산할 때 최대 입사각을 40°로 설정했습니다. 이와 같이 허빈(He Bin) 등은 내몽골 우하이의 경작하지 않는 지역에 적합한 태양열 온실을 설계할 때 입사각을 40°로 설정하여 전면 지붕의 경사각을 계산했고, 30° 이상이면 온실의 채광 및 보온 요건을 충족할 수 있다고 판단했습니다. 장차이훙(Zhang Caihong) 등은 신장의 경작하지 않는 지역에 온실을 건설할 때, 신장 남부 지역의 온실 전면 지붕 경사각은 31°, 신장 북부 지역은 32°~33.5°가 적절하다고 주장했습니다.

03. 적합한 투명 덮개 재료를 선택하십시오.

외부 태양 복사 조건의 영향 외에도 온실 필름의 재질 및 광투과 특성은 온실의 빛과 온도 환경에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 현재 PE, PVC, EVA, PO 등의 플라스틱 필름은 재질과 필름 두께에 따라 광투과율이 다릅니다. 일반적으로 1~3년 사용한 필름의 광투과율은 전체적으로 88% 이상을 보장할 수 있으며, 작물의 광량 및 온도 요구 조건에 따라 선택해야 합니다. 또한 온실 내 광투과율뿐만 아니라 온실 내 빛 환경 분포도 점점 더 중요하게 여겨지고 있습니다. 따라서 최근에는 특히 중국 북서부 지역처럼 태양 복사량이 강한 지역에서 빛 산란 특성을 강화한 광투과율 향상 코팅재가 업계에서 큰 주목을 받고 있습니다. 광 산란 강화 필름을 적용하면 작물 군락의 상하부 음영 효과를 줄이고, 군락 중간 및 하부의 광량을 증가시켜 작물 전체의 광합성 특성을 개선하고, 생장 촉진 및 생산량 증대에 좋은 효과를 나타낸다.

온실 크기의 적절한 설계

온실의 길이가 너무 길거나 짧으면 실내 온도 조절에 영향을 미칩니다. 길이가 너무 짧으면 일출과 일몰 시 동서 박공에 의해 그늘지는 면적이 넓어 온실의 보온에 불리하고, 부피가 작아 실내 토양과 벽체의 열 흡수 및 방출에 지장을 줍니다. 반대로 길이가 너무 길면 실내 온도 조절이 어려워지고, 온실 구조의 안정성과 단열 덮개 설치에 문제가 생길 수 있습니다. 온실의 높이와 폭은 전면 지붕의 채광, 온실 공간의 크기, 단열률에 직접적인 영향을 미칩니다. 온실의 길이와 폭이 고정된 경우, 높이를 높이면 채광 환경 측면에서 전면 지붕의 채광각이 넓어져 채광이 좋아지고, 열 환경 측면에서는 벽체의 높이가 높아져 뒷벽의 축열 면적이 증가하여 뒷벽의 축열 및 방열 효율이 향상됩니다. 게다가 공간이 넓어 열용량도 크고 온실의 열환경이 더욱 안정적입니다. 물론 온실 높이를 높이면 비용이 증가하므로 종합적인 고려가 필요합니다. 따라서 온실을 설계할 때는 지역 조건에 따라 적절한 길이, 폭, 높이를 선택해야 합니다. 예를 들어 장차이훙(Zhang Caihong) 등은 신장 북부 지역에서는 온실 길이 50~80m, 폭 7m, 높이 3.9m가 적절하고, 신장 남부 지역에서는 길이 50~80m, 폭 8m, 높이 3.6~4.0m가 적절하다고 제안했습니다. 또한 온실의 폭은 최소 7m 이상이어야 하며, 8m일 때 보온 효과가 가장 좋다고 합니다. 또한, 천웨이첸을 비롯한 연구진들은 간쑤성 주취안의 고비 사막 지역에 태양열 온실을 건설할 경우 길이 80m, 폭 8~10m, 높이 3.8~4.2m가 적절하다고 생각한다.

벽의 열 저장 및 단열 성능을 향상시키세요

낮 동안 벽은 태양 복사열과 실내 공기의 열을 흡수하여 열을 축적합니다. 밤에는 실내 온도가 벽 온도보다 낮아지면 벽이 자연적으로 열을 방출하여 온실을 데웁니다. 온실의 주요 축열체인 벽은 축열 능력을 향상시킴으로써 온실의 야간 온도 환경을 크게 개선할 수 있습니다. 동시에 벽의 단열 기능은 온실 열 환경의 안정성을 위한 기반이 됩니다. 현재 벽의 축열 및 단열 능력을 향상시키는 여러 가지 방법이 있습니다.

01 합리적인 벽체 구조 설계

벽체의 주요 기능은 축열 및 보온이며, 동시에 대부분의 온실 벽체는 지붕 트러스를 지지하는 하중 지지 부재 역할도 합니다. 쾌적한 열환경을 확보하기 위해서는 합리적인 벽체 구조가 내부에는 충분한 축열 용량을, 외부에는 충분한 보온 용량을 갖추면서 불필요한 냉교 현상을 최소화해야 합니다. 벽체 축열 및 단열 연구에서 바오 엔차이(Bao Encai) 등은 내몽골 우하이 사막 지역에 응고사 수동 축열벽을 설계했습니다. 이 벽체는 외부에 다공성 벽돌을 단열층으로, 내부에는 응고사를 축열층으로 사용했습니다. 실험 결과, 맑은 날에는 실내 온도가 13.7℃까지 상승하는 것을 확인했습니다. 마 웨훙(Ma Yuehong) 등은 신장 북부에 밀기울 모르타르 블록 복합벽을 설계했는데, 이 벽체는 모르타르 블록에 생석회를 채워 축열층으로 사용하고 외부에 슬래그 자루를 쌓아 단열층으로 사용했습니다. 간쑤성 고비 사막 지역에서 자오펑 등이 설계한 중공 블록 벽은 외부에 100mm 두께의 벤젠 보드를 단열층으로, 내부에 모래와 중공 블록 벽돌을 축열층으로 사용했습니다. 시험 결과 겨울철 야간 평균 온도가 10℃ 이상으로 유지되는 것으로 나타났습니다. 차이 재생 등도 간쑤성 고비 사막 지역에서 모래와 자갈을 벽의 단열층 및 축열층으로 활용하고 있습니다. 냉교 현상 감소 측면에서 옌쥔웨 등은 가볍고 조립이 간편한 뒷벽을 설계했는데, 이는 벽의 단열 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 뒷벽 외부에 스티로폼 보드를 부착하여 밀폐성도 개선했습니다. 우러톈 등은 온실 벽 기초 위에 철근 콘크리트 링 빔을 설치하고, 링 빔 바로 위에 사다리꼴 벽돌을 쌓아 뒷지붕을 지지함으로써 신장 허톈 지역 온실에서 흔히 발생하는 균열 및 기초 침하 문제를 해결하여 온실의 단열 성능을 개선했습니다.

02 적합한 축열 및 단열재를 선택하십시오.

벽체의 축열 및 단열 효과는 우선 재료 선택에 달려 있습니다. 중국 북서부 사막, 고비 사막, 모래 지대 등지에서 연구자들은 현장 조건에 따라 현지 재료를 활용하여 다양한 종류의 태양열 온실 뒷벽을 설계하는 데 과감한 시도를 했습니다. 예를 들어, 장궈센(Zhang Guosen) 연구팀은 간쑤성 모래자갈 지대에 온실을 건설할 때 모래와 자갈을 벽체의 축열 및 단열층으로 사용했습니다. 자오펑(Zhao Peng) 연구팀은 중국 북서부 고비 사막의 특성을 고려하여 사암과 속이 빈 블록을 재료로 사용하는 속이 빈 블록 벽체를 설계했습니다. 실험 결과, 실내 평균 야간 온도가 10℃ 이상으로 유지되는 것으로 나타났습니다. 중국 북서부 고비 사막 지역은 벽돌이나 점토와 같은 건축 자재가 부족하기 때문에, 저우창지(Zhou Changji) 연구팀은 신장 키르기스스탄 고비 사막 지역의 태양열 온실을 조사하면서 현지 온실들이 일반적으로 자갈을 벽체 재료로 사용한다는 사실을 발견했습니다. 자갈의 열 성능과 기계적 강도를 고려할 때, 자갈로 지은 온실은 단열, 축열 및 하중 지지 측면에서 우수한 성능을 보입니다. 마찬가지로, 장용(Zhang Yong) 등은 자갈을 벽체의 주요 재료로 사용하여 산시성 등지에서 독립형 축열 자갈 뒷벽을 설계했으며, 시험 결과 우수한 축열 효과를 나타냈습니다. 장용 등은 고비 사막 북서부 지역의 특성을 고려하여 실내 온도를 2.5℃까지 높일 수 있는 사암 벽체를 설계하기도 했습니다. 또한, 마웨훙(Ma Yuehong) 등은 신장 허톈에서 블록 채움 모래 벽체, 블록 벽체, 벽돌 벽체의 축열 능력을 시험한 결과, 블록 채움 모래 벽체의 축열 능력이 가장 큰 것으로 나타났습니다. 이 밖에도 벽체의 축열 성능을 향상시키기 위해 연구자들은 새로운 축열 재료와 기술을 활발히 개발하고 있습니다. 예를 들어, 바오언차이(Bao Encai)는 상변화 경화제 재료를 제안했는데, 이는 서북부 황무지의 태양열 온실 뒷벽체 축열 능력을 향상시키는 데 사용할 수 있습니다. 지역 자원 활용의 일환으로 건초더미, 슬래그, 벤젠 보드, 짚 등이 벽체 재료로 사용되지만, 이러한 재료들은 일반적으로 단열 기능만 있고 열 저장 능력은 없습니다. 일반적으로 자갈과 블록으로 채워진 벽체는 열 저장 및 단열 능력이 뛰어납니다.

03 벽 두께를 적절히 늘리십시오

일반적으로 열저항은 벽체의 단열 성능을 측정하는 중요한 지표이며, 열저항에 영향을 미치는 요소는 재료의 열전도율 외에도 재료층의 두께입니다. 따라서 적절한 단열재를 선택하는 것 외에도 벽체의 두께를 적절히 늘리면 벽체의 전체 열저항을 높이고 벽체를 통한 열손실을 줄여 벽체와 온실 전체의 단열 및 축열 용량을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 간쑤성 등지에서 장예시의 모래주머니 벽체의 평균 두께는 2.6m이고, 주취안시의 모르타르 조적 벽체의 평균 두께는 3.7m입니다. 벽체가 두꺼울수록 단열 및 축열 용량이 커집니다. 그러나 벽체가 너무 두꺼우면 토지 점유 면적과 온실 건설 비용이 증가합니다. 따라서 단열 성능 향상 측면에서도 폴리스티렌, 폴리우레탄 등과 같이 열전도율이 낮으면서 열전도율이 높은 고단열재를 우선적으로 선택하고, 그에 맞춰 벽체의 두께를 적절히 늘려야 합니다.

뒷지붕의 합리적인 디자인

뒷지붕 설계의 주요 고려 사항은 음영 발생을 최소화하고 단열 성능을 향상시키는 것입니다. 뒷지붕의 음영 영향을 줄이기 위해 경사각 설정은 작물 재배 및 생산 기간 동안 뒷지붕이 직사광선을 최대한 받을 수 있도록 하는 데 중점을 둡니다. 따라서 뒷지붕의 경사각은 일반적으로 동지 때의 해당 지역 태양 고도각인 7°~8°보다 높게 설정됩니다. 예를 들어, 장차이훙(Zhang Caihong) 등은 신장 고비 사막 및 염알칼리 토양 지역에 태양열 온실을 건설할 때 뒷지붕의 예상 길이가 1.6m이므로 신장 남부에서는 40°, 신장 북부에서는 45°의 경사각이 적절하다고 주장했습니다. 천웨이첸(Chen Wei-Qian) 등은 주취안 고비 사막 지역의 태양열 온실 뒷지붕은 40°로 경사시켜야 한다고 제안했습니다. 뒷지붕의 단열을 위해서는 단열재의 선택, 필요한 두께 설계, 그리고 시공 시 단열재의 적절한 겹침 이음매 처리를 통해 단열 성능을 확보해야 합니다.

토양 열 손실을 줄입니다

겨울밤에는 실내 토양 온도가 실외 토양 온도보다 높기 때문에 열전도에 의해 실내 토양의 열이 실외로 전달되어 온실의 열 손실이 발생합니다. 토양 열 손실을 줄이는 방법은 여러 가지가 있습니다.

01 토양 단열

지반을 적절히 가라앉혀 동결층을 피하고 토양을 열 보존에 활용하는 방식이 사용됩니다. 예를 들어, 차이 재생(Chai Regeneration) 등이 허시 회랑(Hexi Corridor)의 경작 불가능한 토지에 개발한 "1448 삼재료일체" 태양열 온실은 1m 깊이로 굴착하여 건설함으로써 동결층을 효과적으로 방지했습니다. 투르판(Turpan) 지역의 동결층 깊이가 0.8m라는 ​​점을 고려하여 왕화민(Wang Huamin) 등은 온실의 단열 성능을 향상시키기 위해 0.8m 깊이로 굴착할 것을 제안했습니다. 장궈센(Zhang Guosen) 등은 경작 불가능한 토지에 이중 아치 이중막 굴착형 태양열 온실의 뒷벽을 건설할 때 1m 깊이로 굴착했습니다. 실험 결과, 야간 최저 온도가 기존 2세대 태양열 온실보다 2~3℃ 상승하는 것으로 나타났습니다.

02 기초 방한

주된 방법은 전면 지붕 기초 부분에 방한 도랑을 파고 단열재를 채우거나, 기초 벽 부분을 따라 단열재를 연속적으로 지하에 매설하는 것입니다. 이 모든 방법은 온실 경계면에서 토양을 통한 열 전달로 인한 열 손실을 줄이기 위한 것입니다. 사용되는 단열재는 주로 중국 북서부 지역의 환경 조건을 고려하여 현지에서 구할 수 있는 재료들을 사용하는데, 예를 들어 건초, 슬래그, 암면, 스티로폼, 옥수수 줄기, 마분, 낙엽, 잘게 부순 풀, 톱밥, 잡초, 짚 등이 있습니다.

03 멀칭 필름

비닐 필름으로 덮으면 낮에는 햇빛이 필름을 통과해 토양에 도달하고, 토양은 태양열을 흡수하여 온도가 올라갑니다. 또한, 비닐 필름은 토양에서 반사되는 장파 복사열을 차단하여 토양의 복사열 손실을 줄이고 토양의 열 저장량을 증가시킵니다. 밤에는 비닐 필름이 토양과 실내 공기 사이의 대류 열 교환을 막아 토양의 열 손실을 줄입니다. 동시에, 비닐 필름은 토양 수분 증발로 인한 잠열 손실도 줄여줍니다. 웨이원샹은 칭하이 고원의 온실을 비닐 필름으로 덮고 실험을 진행한 결과, 지면 온도가 약 1℃ 상승하는 것을 확인했습니다.

전면 지붕의 단열 성능을 강화하십시오.

온실 전면 지붕은 주요 열 방출 표면이며, 이 부분에서 발생하는 열 손실은 온실 전체 열 손실의 75% 이상을 차지합니다. 따라서 온실 전면 지붕의 단열 성능을 강화하면 전면 지붕을 통한 열 손실을 효과적으로 줄이고 온실의 겨울철 온도 환경을 개선할 수 있습니다. 현재 전면 지붕의 단열 성능을 향상시키는 주요 방법은 세 가지가 있습니다.

01 다층 투명 코팅이 채택되었습니다.

구조적으로, 온실의 채광면에 이중막 또는 삼중막을 사용하면 온실의 단열 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 장궈선(Zhang Guosen) 연구팀은 주취안시 고비 사막 지역에 이중 아치형 이중막 굴착식 태양열 온실을 설계했습니다. 온실 전면 지붕의 바깥쪽은 EVA 필름으로, 안쪽은 PVC 방수 노화 방지 필름으로 제작했습니다. 실험 결과, 기존 2세대 태양열 온실에 비해 단열 효과가 탁월하며, 야간 최저 온도가 평균 2~3℃ 상승하는 것으로 나타났습니다. 마찬가지로, 장징셰(Zhang Jingshe) 연구팀은 고위도 및 혹한 지역의 기후 특성에 맞춰 이중막 덮개 태양열 온실을 설계하여 온실의 단열 성능을 크게 향상시켰습니다. 대조군 온실과 비교했을 때 야간 온도가 3℃ 상승했습니다. 또한, 우러톈(Wu Letian) 연구팀은 신장 허톈 사막 지역에 설계된 태양열 온실의 전면 지붕에 0.1mm 두께의 EVA 필름 3겹을 적용하는 실험을 진행했습니다. 다층 필름은 전면 지붕의 열 손실을 효과적으로 줄일 수 있지만, 단층 필름의 광투과율이 기본적으로 약 90%이기 때문에 다층 필름을 사용하면 광투과율이 자연스럽게 감소합니다. 따라서 다층 광투과 필름을 선택할 때는 온실의 조명 조건과 조명 요구 사항을 충분히 고려해야 합니다.

02 전면 지붕의 야간 단열을 강화하십시오

전면 지붕에는 낮 동안 채광을 높이기 위해 플라스틱 필름이 사용되지만, 밤에는 온실 전체에서 가장 취약한 부분이 됩니다. 따라서 전면 지붕의 외면을 두꺼운 복합 단열재로 덮는 것은 태양열 온실의 필수적인 단열 조치입니다. 예를 들어, 칭하이 고산 지역에서 류옌제(Liu Yanjie) 연구팀은 짚 커튼과 크라프트지를 단열재로 사용하여 실험을 진행했습니다. 실험 결과, 야간 온실 내부 최저 온도가 7.7℃ 이상에 도달하는 것으로 나타났습니다. 또한, 웨이원샹(Wei Wenxiang)은 이 지역에서 이중 짚 커튼이나 짚 커튼 바깥쪽에 크라프트지를 사용하여 단열하면 온실의 열손실을 90% 이상 줄일 수 있다고 주장합니다. 이 밖에도, 저우핑(Zou Ping) 연구팀은 신장 고비 지역의 태양열 온실에 재활용 섬유 니들펠트 단열재를 사용했고, 창메이메이(Chang Meimei) 연구팀은 허시 회랑 고비 지역의 태양열 온실에 샌드위치 구조의 면 단열재를 사용했습니다. 현재 태양열 온실에 사용되는 단열 퀼트는 여러 종류가 있지만, 대부분 니들펠트, 접착 스프레이 면, 진주솜 등으로 만들어지고 양면에 방수 또는 노화 방지 코팅층이 있습니다. 단열 퀼트의 단열 메커니즘을 고려할 때, 단열 성능을 향상시키려면 먼저 열 저항을 개선하고 열 전달 계수를 낮춰야 하며, 주요 방법은 재료의 열전도율을 낮추거나, 재료 층의 두께를 늘리거나, 재료 층의 수를 늘리는 것 등입니다. 따라서 현재 고성능 단열 퀼트의 핵심 재료는 주로 다층 복합 재료로 만들어집니다. 시험 결과에 따르면, 현재 고성능 단열 퀼트의 열 전달 계수는 0.5W/(m²℃)에 달하여 추운 지역의 온실 겨울철 단열에 탁월한 효과를 제공합니다. 물론 북서쪽 지역은 바람이 많이 불고 먼지가 많으며 자외선이 강하기 때문에 단열 표면층은 우수한 노화 방지 성능을 갖춰야 합니다.

03 내부 단열 커튼을 설치하십시오.

햇빛 온실의 전면 지붕은 밤에 외부 단열 덮개로 덮여 있지만, 온실 전체 구조물과 비교했을 때 전면 지붕은 여전히 ​​야간에 온실 전체의 단열에 취약한 부분입니다. 따라서 "서북부 비경작지 온실 구조 및 시공 기술" 프로젝트 팀은 간단한 내부 단열 롤업 시스템(그림 1)을 설계했습니다. 이 시스템은 전면 하단에 고정된 내부 단열 커튼과 상단에 이동 가능한 내부 단열 커튼으로 구성됩니다. 상단의 이동식 단열 커튼은 낮에는 온실 뒷벽 쪽으로 펼쳐서 접어둘 수 있어 온실의 채광에 영향을 주지 않습니다. 하단의 고정된 단열 덮개는 밤에 밀폐 역할을 합니다. 이 내부 단열 설계는 깔끔하고 조작이 간편하며, 여름에는 차광 및 냉방 효과도 제공합니다.

능동형 발열 기술

중국 북서부 지역의 겨울철 저온 현상 때문에 온실의 보온 및 축열에만 의존해서는 추운 날씨에 작물의 월동 생산 요건을 충족할 수 없으므로, 적극적인 보온 대책 또한 고려되고 있습니다.

태양 에너지 저장 및 열 방출 시스템

벽체가 보온, 축열, 하중 지지 기능을 모두 수행해야 한다는 점은 태양열 온실의 높은 건설 비용과 낮은 토지 이용률의 주요 원인입니다. 따라서 태양열 온실의 구조 간소화 및 조립화는 향후 중요한 발전 방향이 될 것입니다. 벽체의 기능 간소화란 벽체의 축열 및 방출 기능을 분리하여 뒷벽이 보온 기능만 수행하도록 하는 것을 의미하며, 이는 효과적인 개발 간소화 방안입니다. 예를 들어, 팡후이(Fang Hui)의 능동형 축열 및 방출 시스템(그림 2)은 간쑤, 닝샤, 신장 등 경작이 불가능한 지역에서 널리 사용되고 있습니다. 이 시스템의 집열 장치는 북벽에 설치되어 있습니다. 낮에는 집열 장치가 수집한 열이 축열체의 순환을 통해 축열체에 저장되고, 밤에는 축열체의 순환을 통해 열이 방출되어 가열됩니다. 이러한 방식으로 시공간적으로 열 전달이 이루어집니다. 실험 결과, 이 장치를 사용하면 온실의 최저 온도를 3~5℃ 높일 수 있는 것으로 나타났습니다. 왕즈웨이(Wang Zhiwei) 등은 신장 남부 사막 지역의 태양열 온실에 수막 가열 시스템을 제안했는데, 이 시스템을 이용하면 밤에 온실 온도를 2.1℃까지 높일 수 있습니다.

또한, 바오 엔차이(Bao Encai) 등은 북벽에 능동형 축열 순환 시스템을 설계했습니다. 낮에는 축류 팬의 순환을 통해 실내의 따뜻한 공기가 북벽에 내장된 열전달 덕트를 통과하고, 이 열전달 덕트는 벽 내부의 축열층과 열을 교환하여 벽의 축열 용량을 크게 향상시킵니다. 더불어, 옌 옌타오(Yan Yantao) 등이 설계한 태양열 상변화 축열 시스템은 낮에 태양열 집열기를 통해 상변화 물질에 열을 저장하고, 밤에는 공기 순환을 통해 실내 공기로 열을 방출하여 야간 평균 온도를 2.0℃까지 높일 수 있습니다. 위의 태양 에너지 활용 기술 및 장비는 경제성, 에너지 절약, 저탄소 특성을 지니고 있습니다. 최적화 및 개선을 거치면 중국 북서부 지역처럼 태양 에너지 자원이 풍부한 지역에서 좋은 활용 전망을 가질 것으로 기대됩니다.

기타 보조 난방 기술

01 바이오매스 에너지 난방

깔짚, 짚, 소똥, 양똥, 가금류 똥 등을 생물 박테리아와 섞어 온실 토양에 묻으면 발효 과정에서 많은 열이 발생하고 유익균, 유기물, 이산화탄소가 생성됩니다. 유익균은 다양한 세균의 증식을 억제하고 사멸시켜 온실 내 병해충 발생을 줄여줍니다. 유기물은 작물의 비료로 사용될 수 있으며, 생성된 이산화탄소는 작물의 광합성을 촉진합니다. 예를 들어, 웨이원샹은 칭하이 고원의 태양열 온실 실내 토양에 말똥, 소똥, 양똥과 같은 고온 유기질 비료를 묻어 지면 온도를 효과적으로 높였습니다. 간쑤 사막 지역의 태양열 온실에서는 저우즈룽이 작물 재배 사이에 짚과 유기질 비료를 발효시켜 온실 온도를 2~3℃ 상승시키는 효과를 보았습니다.

02 석탄 난방

인공 난로, 에너지 절약형 온수기, 그리고 일반 난방 방식 등이 있습니다. 예를 들어, 웨이원샹은 칭하이 고원을 조사한 결과, 인공 화로를 이용한 난방이 주로 사용되고 있음을 발견했습니다. 이 난방 방식은 가열 속도가 빠르고 난방 효과가 뚜렷하다는 장점이 있습니다. 그러나 석탄 연소 과정에서 SO2, CO, H2S와 같은 유해 가스가 발생하므로, 유해 가스 배출에 대한 철저한 관리가 필요합니다.

03 전기 난방

전기 발열선을 이용하여 온실 앞쪽 지붕을 가열하거나 전기 히터를 사용할 수 있습니다. 가열 효과가 뛰어나고 사용이 안전하며 온실 내부에 오염 물질이 발생하지 않고 난방 장비 제어도 간편합니다. 천웨이첸(Chen Weiqian) 외 연구진은 주취안 지역의 겨울철 동해 문제가 고비 사막 농업 발전을 저해하고 있으며, 전기 발열체를 이용하여 온실을 난방하는 것이 효과적이라고 생각합니다. 그러나 고품질 전기 에너지를 사용하기 때문에 에너지 소비량과 비용이 높습니다. 따라서 극심한 추위 시 임시방편으로 사용하는 것이 바람직하다고 제안합니다.

환경 관리 조치

온실의 생산 및 사용 과정에서 완벽한 설비와 정상적인 작동만으로는 온실의 열환경이 설계 요구사항을 충족하는지 효과적으로 보장할 수 없습니다. 실제로 설비의 사용 및 관리는 열환경의 형성과 유지에 핵심적인 역할을 하며, 그중에서도 가장 중요한 것은 단열막과 환기 장치의 일상적인 관리입니다.

단열 이불 관리

단열 덮개는 전면 지붕의 야간 단열에 핵심적인 역할을 하므로, 일상적인 관리 및 유지 보수에 특히 신경 써야 하며, 다음 사항에 유의해야 합니다. ① 단열 덮개의 적절한 개폐 시간을 선택해야 합니다. 단열 덮개의 개폐 시간은 온실의 일조 시간뿐만 아니라 온실 내부의 난방 과정에도 영향을 미칩니다. 단열 덮개를 너무 일찍 또는 너무 늦게 열거나 닫으면 열 축적에 도움이 되지 않습니다. 아침에 덮개를 너무 일찍 열면 낮은 외부 온도와 약한 일조량으로 인해 실내 온도가 너무 많이 떨어집니다. 반대로 덮개를 너무 늦게 열면 온실의 일조 시간이 짧아져 실내 온도 상승 시간이 지연됩니다. 오후에 단열 덮개를 너무 일찍 닫으면 실내 일조 시간이 짧아져 온실 토양과 벽체의 열 축적이 줄어듭니다. 반대로, 보온 장치를 너무 늦게 끄면 낮은 외부 온도와 약한 빛으로 인해 온실의 열 방출이 증가합니다. 따라서 일반적으로 아침에 보온 덮개를 켤 때는 온도가 1~2℃ 떨어진 후에 올리는 것이 좋고, 보온 덮개를 끌 때는 온도가 1~2℃ 떨어진 후에 올리는 것이 좋습니다. ② 보온 덮개를 닫을 때는 보온 덮개가 앞쪽 지붕을 모두 팽팽하게 덮었는지 확인하고 틈이 있으면 즉시 조정하십시오. ③ 보온 덮개를 완전히 덮은 후에는 아랫부분이 잘 다져졌는지 확인하여 밤에 바람에 보온 효과가 날아가지 않도록 하십시오. ④ 보온 덮개를 제때 점검하고 유지 보수하십시오. 특히 보온 덮개가 손상된 경우에는 즉시 수리하거나 교체하십시오. ⑤ 기상 상황에 즉시 주의를 기울이십시오. 비나 눈이 오는 경우에는 보온 덮개를 즉시 덮고 눈을 치우십시오.

환기구 관리

겨울철 환기의 목적은 첫째, 정오 무렵의 과도한 온도 상승을 방지하기 위해 실내 온도를 조절하는 것, 둘째, 온실 내부의 습기를 제거하고 습도를 낮춰 병해충을 방제하는 것, 셋째, 실내 이산화탄소 농도를 높여 작물 생장을 촉진하는 것입니다. 그러나 환기와 보온은 상충되는 개념입니다. 환기가 제대로 관리되지 않으면 저온 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 환기구의 개폐 시점과 시간은 온실 환경 조건에 따라 실시간으로 동적으로 조절해야 합니다. 서북부 지역의 경작되지 않는 지역에서는 온실 환기 관리 방식이 주로 수동 조작과 간단한 기계식 환기 두 가지로 나뉩니다. 하지만 환기구의 개폐 시간과 환기량은 대부분 사람의 주관적인 판단에 의존하기 때문에 너무 일찍 또는 너무 늦게 환기구를 여는 경우가 발생할 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 인이레이(Yin Yilei) 등은 실내 환경 변화에 따라 환기구의 개폐 시간과 개폐 크기를 결정할 수 있는 지붕 지능형 환기 장치를 설계했습니다. 환경 변화 법칙과 작물 수요에 대한 연구가 심화되고, 환경 감지, 정보 수집, 분석 및 제어와 같은 기술 및 장비가 보급 및 발전함에 따라, 태양열 온실의 환기 관리 자동화는 향후 중요한 발전 방향이 될 것입니다.

기타 관리 조치

다양한 종류의 차광막을 사용하는 과정에서 차광막의 광투과율은 점차 감소하며, 감소 속도는 차광막 자체의 물리적 특성뿐만 아니라 주변 환경 및 사용 중 관리 상태에도 영향을 받습니다. 사용 과정에서 차광 성능 저하의 가장 중요한 원인은 차광막 표면의 오염입니다. 따라서 여건이 허락하는 한 정기적인 청소와 세척을 실시하는 것이 매우 중요합니다. 또한 온실의 외벽 구조를 정기적으로 점검해야 합니다. 벽이나 전면 지붕에 틈새가 있는 경우, 냉기 유입으로 인한 온실 성능 저하를 방지하기 위해 즉시 보수해야 합니다.

기존 문제점 및 개발 방향

연구자들은 수년간 중국 북서부 비경작지 온실의 보온 및 저장 기술, 관리 기술, 보온 방법을 탐구하고 연구해 왔으며, 이를 통해 채소의 월동 생산을 기본적으로 실현하고, 온실의 저온 피해 저항력을 크게 향상시켜 중국에서 식량 생산과 채소 생산 간의 토지 경쟁 문제를 완화하는 데 역사적인 공헌을 했습니다. 그러나 중국 북서부 지역의 온도 보장 기술에는 여전히 다음과 같은 문제점이 존재합니다.

업그레이드될 온실 유형

현재 온실은 여전히 ​​20세기 후반과 20세기 초반에 지어진 일반적인 형태에 머물러 있으며, 구조가 단순하고 설계가 비효율적이며 온실 내 온도 유지 및 자연재해 저항력이 떨어지고 표준화가 부족합니다. 따라서 향후 온실 설계에서는 지역의 지리적 위도와 기후 특성을 최대한 고려하여 전면 지붕의 형태 및 경사도, 온실의 방위각, 후면 벽의 높이, 온실의 매설 깊이 등을 표준화해야 합니다. 또한, 가능한 한 온실 하나에는 한 가지 작물만 재배하여 재배 작물의 일조량 및 온도 요구 조건에 따라 표준화된 온실 구성을 시행해야 합니다.

온실 규모는 비교적 작습니다.

온실 규모가 너무 작으면 온실 내 열 환경의 안정성과 기계화 발전에 악영향을 미칩니다. 노동 비용이 점차 증가함에 따라 기계화 발전은 미래의 중요한 방향입니다. 따라서 앞으로는 지역 개발 수준을 고려하고 기계화 발전의 필요성을 감안하여 온실 내부 공간과 배치를 합리적으로 설계하고, 지역 특성에 맞는 농업 장비 연구 개발을 가속화하여 온실 생산의 기계화율을 높여야 합니다. 동시에 작물 종류와 재배 방식의 필요에 따라 관련 장비를 표준에 맞춰 도입하고, 환기, 저습, 보온 및 난방 장비의 통합적인 연구 개발, 혁신 및 보급을 촉진해야 합니다.

모래벽이나 속이 빈 블록으로 만든 벽도 여전히 두껍습니다.

벽이 너무 두꺼우면 단열 효과는 좋지만 토양 이용률이 저하되고 비용과 시공 난이도가 증가합니다. 따라서 향후 개발에서는 한편으로는 지역 기후 조건에 따라 벽 두께를 과학적으로 최적화하고, 다른 한편으로는 뒷벽의 경량화 및 간소화를 추진하여 뒷벽은 단열 기능만 유지하고 태양열 집열기 등의 장비를 사용하여 벽의 열 저장 및 방출 기능을 대체해야 합니다. 태양열 집열기는 높은 열 집열 효율, 강력한 열 용량, 에너지 절약, 저탄소 등의 특징을 가지고 있으며, 대부분 능동 조절 및 제어가 가능하여 온실의 환경 요구 사항에 따라 야간에 선택적으로 발열 난방을 수행함으로써 열 이용 효율을 높일 수 있습니다.

특수 단열 이불을 개발해야 합니다.

온실에서 열 방출의 주요 부분은 전면 지붕이며, 단열 퀼트의 단열 성능은 실내 온도 환경에 직접적인 영향을 미칩니다. 현재 일부 지역의 온실 온도 환경이 좋지 않은 이유는 단열 퀼트가 너무 얇거나 사용된 재료의 단열 성능이 불충분하기 때문입니다. 또한 단열 퀼트는 방수 및 활강 성능이 떨어지고, 표면 및 내부 재료의 노화가 용이하다는 등의 문제점을 여전히 안고 있습니다. 따라서 향후에는 지역 기후 특성과 요구 사항에 따라 적절한 단열재를 과학적으로 선정하고, 지역 실용성과 보급률에 적합한 특수 단열 퀼트 제품을 설계 및 개발해야 합니다.

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인용된 정보

Luo Ganliang, Cheng Jieyu, Wang Pingzhi 등. 서북부 비경작지 태양열 온실의 환경 온도 보장 기술 연구 현황 [J]. 농업공학기술, 2022,42(28):12-20.