[요약] 현재 가정용 재배 장치는 대개 일체형으로 설계되어 이동 및 상하차에 많은 불편함을 초래합니다. 본 논문에서는 도시 거주 공간의 특성과 가정에서 식물을 재배한다는 설계 목표를 고려하여 새로운 유형의 조립식 가정용 재배 장치 설계안을 제안합니다. 이 장치는 지지대, 재배 시스템, 급수 및 비료 공급 시스템, 그리고 조명 보조 시스템(주로 LED 재배등)의 네 부분으로 구성됩니다. 작은 설치 공간, 높은 공간 활용도, 혁신적인 구조, 편리한 분해 및 조립, 저렴한 비용, 그리고 뛰어난 실용성을 자랑합니다. 이 장치는 도시 거주민들이 상추부터 셀러리, 빨리 자라는 채소, 영양이 풍부한 양배추, 베고니아 핌브리스티풀라까지 재배하고자 하는 요구를 충족할 수 있습니다. 소규모 개조를 거치면 식물 과학 실험 연구에도 활용될 수 있습니다.

재배 장비의 전체 ​​설계

디자인 원칙

이 조립식 재배 시설은 주로 도시 거주자를 대상으로 합니다. 설계팀은 도시 거주 공간의 특성을 면밀히 조사했습니다. 면적은 작지만 공간 활용률은 높고, 구조는 참신하고 아름다우며, 조립과 분해가 간편하고 배우기 쉬우며, 비용이 저렴하고 실용성이 뛰어납니다. 이러한 네 가지 원칙은 전체 설계 과정에 반영되어 주거 환경과의 조화, 아름답고 품격 있는 구조, 경제적이고 실용적인 사용 가치라는 궁극적인 목표를 달성하고자 했습니다.

사용될 재료

지지대는 시중에서 판매하는 다층 선반 제품을 사용하며, 길이는 1.5m, 폭은 0.6m, 높이는 2.0m입니다. 재질은 강철이며, 스프레이 방청 처리되어 있습니다. 지지대의 네 모서리에는 브레이크가 장착된 만능 바퀴가 용접되어 있습니다. 지지대 층 보강재로는 2mm 두께의 강판에 스프레이 방청 처리를 한 것을 층당 두 장씩 사용했습니다. 재배조는 뚜껑이 열린 PVC 수경재배용 사각 튜브(10cm×10cm)를 사용하며, 재질은 두께 2.4mm의 경질 PVC 보드입니다. 재배 구멍의 지름은 5cm이고, 구멍 간격은 10cm입니다. 양액 탱크 또는 물탱크는 벽 두께 7mm의 플라스틱 상자로, 길이는 120cm, 폭은 50cm, 높이는 28cm입니다.

재배 장치 구조 설계

전체 설계 계획에 따르면, 조립식 가정용 재배 장치는 지지 시스템, 재배 시스템, 급수 및 비료 공급 시스템, 그리고 조명 보조 시스템(주로 LED 재배등)의 네 부분으로 구성됩니다. 시스템 내 구성은 그림 1에 나타나 있습니다.

그림 1은 시스템 내의 분포를 보여줍니다.

지원 시스템 설계

조립식 가정용 재배 장치의 지지 시스템은 기둥, 보, 그리고 상판으로 구성됩니다. 기둥과 보는 나비형 버클을 통해 끼워 맞춰지므로 분해 및 조립이 편리합니다. 보는 보강된 상판으로 지지됩니다. 재배 프레임의 네 모서리에는 브레이크가 장착된 만능 바퀴가 용접되어 있어 재배 장치의 이동 유연성을 높였습니다.

재배 시스템 설계

재배조는 덮개가 개방된 10cm×10cm 크기의 사각 수경재배용 튜브로, 청소가 용이하며 양액 재배, 배지 재배 또는 토양 재배에 사용할 수 있습니다. 양액 재배 시에는 파종 바구니를 파종 구멍에 넣고 규격에 맞는 스펀지로 모종을 고정합니다. 배지 또는 토양 재배 시에는 배지나 흙이 배수구를 막지 않도록 재배조 양 끝의 연결 구멍에 스펀지나 거즈를 채워 넣습니다. 재배조 양 끝은 내경 30mm의 고무 호스로 순환 시스템에 연결되어 있어 PVC 접착제 접합으로 인한 구조적 경직성으로 인한 움직임 제약 등의 단점을 효과적으로 방지합니다.

물과 비료 순환 시스템 설계

양액 재배에서는 조절식 펌프를 사용하여 최상층 배양 탱크에 양액을 공급하고, PVC 파이프 내부 마개를 통해 양액의 흐름 방향을 제어합니다. 양액의 불균일한 흐름을 방지하기 위해 동일 층 배양 탱크 내에서는 양액이 한 방향으로 흐르는 "S자형" 흐름 방식을 채택합니다. 양액의 산소 함량을 높이기 위해 최하층 양액이 배출될 때 물 배출구와 물탱크의 수위 사이에 일정한 간격을 유지합니다. 기질 또는 토양 재배에서는 물탱크를 최상층에 설치하고 점적 관수 시스템을 통해 물 공급과 시비를 합니다. 주 배관은 직경 32mm, 벽 두께 2.0mm의 검은색 PE 파이프를 사용하고, 분기관은 직경 16mm, 벽 두께 1.2mm의 검은색 PE 파이프를 사용합니다. 각 분기관에는 개별 제어를 위한 밸브를 설치합니다. 이 시스템은 압력 보상형 직선형 점적기를 사용하며, 재배 구멍의 묘목 뿌리 부분에 구멍당 2개씩 설치됩니다. 과도한 물은 배수 시스템을 통해 모아져 여과된 후 재사용됩니다.

광보충 시스템

발코니에서 재배할 경우, 발코니의 자연광만으로도 충분하거나 보조 조명이 거의 필요하지 않습니다. 하지만 거실에서 재배할 경우에는 보조 조명 설계가 필수적입니다. 조명 기구는 길이 1.2m의 LED 식물 재배등이며, 자동 타이머로 조명 시간을 제어합니다. 조명 시간은 14시간으로 설정하고, 보조 조명 없이 재배하는 시간은 10시간으로 설정합니다. 각 층에는 4개의 LED 조명이 있으며, 층 하단에 설치합니다. 같은 층의 4개 조명은 직렬로 연결하고, 층들 간에는 병렬로 연결합니다. 식물 종류에 따라 필요한 조명 스펙트럼이 다른 LED 조명을 선택하여 사용할 수 있습니다.

장치 조립

조립식 가정용 재배 장치는 구조가 간단하고(그림 2) 조립 과정도 간단합니다. 첫 번째 단계는 재배 작물의 높이에 따라 각 층의 높이를 정한 후, 기둥의 나비 구멍에 빔을 삽입하여 장치의 골격을 만드는 것입니다. 두 번째 단계는 각 층 뒷면의 보강재에 LED 재배등을 고정하고, 재배 프레임의 가로대 안쪽 홈에 층을 넣는 것입니다. 세 번째 단계는 재배 홈과 물·비료 순환 시스템을 고무 호스로 연결하는 것입니다. 네 번째 단계는 LED등을 설치하고 자동 타이머를 설정한 후 물탱크를 놓는 것입니다. 다섯 번째 단계는 시스템 점검입니다. 물탱크에 물을 채우고 펌프의 양정과 유량을 조정한 후, 물·비료 순환 시스템과 재배 홈 연결 부위에 누수가 없는지 확인하고, 전원을 켜서 LED등 연결 상태와 자동 타이머 작동 여부를 점검합니다.

그림 2. 조립식 재배 장치의 전체 설계도

적용 및 평가

재배 응용 프로그램

2019년에는 이 장치를 이용하여 상추, 배추, 셀러리 등의 채소를 소규모로 실내 재배했습니다(그림 3). 2020년에는 기존 재배 경험을 종합하여 식품 및 의약품과 동종인 채소의 유기 배지 재배법과 베고니아 핌브리스티풀라 한스의 영양액 재배 기술을 개발하여 이 장치의 가정 활용 사례를 더욱 풍부하게 했습니다. 지난 2년간의 재배 및 활용 결과, 상추와 속성 채소는 실내 온도 20~25℃에서 재배 후 25일 만에 수확할 수 있었고, 셀러리는 35~40일 정도 재배해야 했습니다. 베고니아 핌브리스티풀라 한스와 배추는 여러 번 수확할 수 있는 다년생 작물입니다. 베고니아 핌브리스티풀라는 약 35일 만에 줄기와 잎의 윗부분 10cm를 수확할 수 있고, 배추는 약 45일 만에 어린 줄기와 잎을 수확할 수 있습니다. 상추와 배추는 수확 시 포기당 100~150g, 흰 셀러리와 붉은 셀러리는 포기당 100~120g을 수확할 수 있습니다. 베고니아 핌브리스티풀라 한스는 첫 수확 시 포기당 20~30g으로 수확량이 적지만, 곁가지가 계속 발아하여 약 15일 간격으로 두 번째 수확이 가능하며, 이때 수확량은 포기당 60~80g입니다. 영양채소는 25일마다 한 번씩 수확할 수 있으며, 수확량은 50~80g으로 연속 수확이 가능합니다.

그림 3. 조립식 재배 장치의 생산 적용 사례

응용 효과

1년 이상의 생산 및 적용 경험을 바탕으로 개발된 이 장치는 실내 공간을 3차원적으로 활용하여 다양한 작물을 소규모로 재배할 수 있도록 설계되었습니다. 적재 및 하역 작업이 간단하고 배우기 쉬워 전문적인 교육이 필요하지 않습니다. 워터 펌프의 양정 및 유량을 조절하여 재배 탱크 내 영양액의 과유량 및 넘침 문제를 방지할 수 있습니다. 재배 탱크는 개방형 뚜껑 디자인으로 사용 후 청소가 용이할 뿐만 아니라 부품 손상 시 교체도 간편합니다. 재배 탱크는 물과 비료 순환 시스템의 고무 호스와 연결되어 재배 탱크와 물/비료 순환 시스템의 모듈식 설계를 구현함으로써 기존 수경재배 장치의 일체형 설계의 단점을 해결했습니다. 또한, 이 장치는 가정용 작물 재배 외에도 온도와 습도를 조절할 수 있는 환경에서 과학 연구에도 활용할 수 있습니다. 실험 공간을 절약할 뿐만 아니라 생산 환경, 특히 뿌리 생장 환경의 일관성 유지에 필요한 조건을 충족합니다. 간단한 개선을 통해 이 재배 장치는 다양한 근권 환경 처리 방법의 요구 사항도 충족할 수 있게 되었으며, 식물 과학 실험에 널리 사용되고 있습니다.

기사 출처: 위챗 계정농업공학기술 (온실원예) 

참고 정보: Wang Fei, Wang Changyi, Shi Jingxuan, et al.조립식 가정용 재배 장치의 설계 및 응용[J]. 농업공학기술, 2021, 41(16): 12-15.