우리나라 시설재배면적은 1990년대 정부의 시설현대화사업 지원정책에 따라 급격히 증가했으며, 2000년대에 들어서서는 약 52천ha 수준을 유지하고 있다. 이 중 시설원예 난방면적은 약 30% 수준에 이르고 있으며, 시설재배를 위한 에너지 비용은 농가경영에 부담으로 작용하고 있다. 더욱이 우리나라 시설원예농업의 경우 석유류, 연탄 등 화석연료 의존 비중이 약 80% 이상으로 타 산업에 비해 매우 높은 수준으로, 국제정세 불안 등으로 인한 고유가는 시설원예 경쟁력 확보에 위험요인으로 평가받고 있다. 따라서 시설원예의 에너지 이용 효율화 및 융복합기술 개발은 여전히 중요한 화두가 되고 있다.
국립농업과학원 에너지융복합연구실에서는 겨울철 온실 보온효과 극대화 및 작물 재배환경 개선을 위해 에어로겔을 이용한 고기능성 다겹보온커튼을 개발해 상용화 했다. 에어로겔은 매우 가벼우면서도 보온성이 우수한 고밀도 단열소재이다. PE폼, 화학솜 등을 다겹으로 조합해 사용하는 기존 다겹보온커튼의 경우, PE폼 파손, 화학솜에 수분 유입 및 공기층 감소 등에 따른 보온력 저하가 단점이었다. 이에 반해, ‘에어로겔 다겹보온커튼’은 온실 보온력 저하와 결로발생 등의 단점이 개선되고, 시설재배에 필요한 최적 환경을 조성할 수 있다. 에어로겔 다겹보온커튼에 관한 기술가치평가를 실시한 결과, 시설원예 농가의 직접적인 기술편익은 2031년까지 약 1,427백만원이고, 온실가스 저감량은 205,709 tCO2으로 정부의 탄소중립에도 크게 기여할것으로 기대된다.
더불어, 에너지융복합연구실에서는 겨울철 온실의 에너지 손실은 낮추고 환기효과는 높이는 시설원예 ‘열회수형 온습도 환경제어기술’을 개발했다. 겨울철 저온기에 열 교환과 실내공기 혼합을 통해 에너지 손실을 줄이고, 환기효과를 유지하는 기술이다. 겨울철 온실을 환기시킬 때 외부의 차가운 공기가 실내로 바로 들어오는 것을 막고, 유입된 찬 공기는 내부의 따뜻한 공기와 잘 혼합되도록 설계했다. 특히, 온실 내부의 온도, 습도, 공급되는 공기 온도에 따라 열회수 환기, 강제환기, 실내공기 순환환기, 온도보상환기 등 4개 단계로 설계했다. 딸기 온실에 본 기술을 적용한 결과, 기존 온실보다 상대습도는 12.1% 낮게 유지되는 것으로 나타났다. 잿빛곰팡이병은 기존 온실보다 11.5% 감소했으며, 수확량은 28.6% 늘었다. 또한, 환기 시 내부의 공기가 외부로 나가는 비율이 15%에 그치고, 내부에 머물며 다시 활용되는 비율은 85%로 나타났다. 이렇게 내부의 따뜻한 공기를 재활용함으로써 겨울철 온실 에너지 절감에 매우 효과적인 것으로 나타났다.
환기는 시설 내 공기를 외부공기로 치환하는 것으로 안정적인 작물생산 및 온실 내 미기상환경 개선에 필수적인 역할을 하고 있다. 밀폐된 온실에서 작물을 재배하게 되면, 온실 내 기온이 최고 설정온도 보다 높아져 고온장해가 발생하고, 습도 불량 등으로 작물재배가 현실적으로 불가능하다. 환기는 자연환기와 강제환기로 크게 구분되며, 자연환기는 온실의 측창이나 천창을 개폐해 경제적으로 환기하는 방식이고, 강제환기는 환기팬에 의해 강제적으로 실내공기를 배출하고 외부공기를 유입하는 방식으로 환기성능이 우수한 장점이 있다. 이에 환기창 면적, 외부풍속, 실내외 온도차에 따른 자연환기성능과 미기상환경 변화를 구명했고, 자연환기에 의한 단동온실 내부기온 제어 및 자연환기창 설계 기준을 개발했다. 또한, 강제환기에 의한 단동온실 열환경 변화 예측 모형을 개발하고, 강제환기장치의 효율적 운용방안을 제시했다.
최근 여름철이 길어지고, 폭염이 지속되고 있는 상황에서 주년생산을 위해서는 난방뿐만 아니라 냉방기술이 필요하다. 이에 따라 우리 연구실에서는 히트펌프, 차광막과 안개 분무(포그 냉방) 등을 이용한 시설원예 냉방관리 기술을 개발해 농가에 적용하고 있다.
우리나라 시설원예는 대형화, 디지털 및 스마트화됨에 따라 에너지 비용은 더욱 증가할 것으로 예측된다. 또한, 겨울철뿐만 아니라 여름철에도 신선 농산물의 생산이 요구됨에 따라 효율적 차광 및 냉방연구는 중요한 과제가 될 것으로 예상된다. 이에 국립농업과학원 에너지융복합연구실에서는 지속가능한 시설원예농업의 경쟁력 확보를 위해 냉·난방 에너지의 효율적 이용 기술, 수소에너지 등 신재생에너지 적용 기술을 개발하는데 역량을 집중할 계획이다.