중국의 태양열 축열식 비닐하우스의 구조와 성능

[햇빛전사]

 (퍼온 글)

중국의 태양열 축열식 비닐하우스

(중국의 태양열 축열 온실. 좌상: 짚으로 된 보온 덮개, 좌하: 온실 내부 좌측 축열 북벽, 중: 좌 북벽,  우상: 이중 벽돌 벽, 우중: 짚 보온덮개, 우하: 덧 비닐 )

겨울이 되면 화훼 농가나 신선 채소를 비닐하우스 안에서 재배하는 농가는 시름이 는다. 비닐하우스는 겨울이라도 낮 동안 태양열로 인해 어느 정도 온도를 유지할 수 있다. 밤이 되면 채소나 꽃이 얼지 않도록 하기 위해 난방을 해야만 한다. 대개 비닐하우스 농가에선 등유 온풍기나 나무펠릿 온풍기를 사용하지만 연료비 부담이 크다. 일조량이 부족한 독일 일부에서는 고효율 화목 보일러와 데워진 뜨거운 물을 저장할 수 있는 대형 온수통과 온수 배관을 이용해서 비닐하우스 난방을 해결한다. 물이 열 저장 능력이 높고 한번 데워진 물을 천천히 순환시켜 일정한 온도를 유지하기 쉽기 때문이다. 이 방법은 설비의 설치와 유지 비용이 높다. 아무리 나무를 연료로 사용한다 해도 장작을 구하는 비용도 들게 된다. 초기 설비 비용을 줄이면서 연료비 부담이 없는 비닐하우스 난방 방법은 없을까? 중국의 '태양열 축열 온실'는 그 해답이 될 수 있다. 

중국 태양열 축열 온실의 구조

(A  →  D 방향으로 중국의 태양열 축열 온실은 개선되고 있다. )

태양열 온실은 위도에 따른 여름과 겨울 태양고도를 계산하여 만든다. 여름철 뜨거운 태양열이 온실 북벽에 닿지 않도록 차양이 될 수 있도록 만들고, 겨울철 햇볕이 북쪽 벽 깊숙이 닿을 수 있도록 만든다. 중국의 태양열 축열 온실은  남쪽은 낮 동안 햇빛을 받아들일 수 있는 투명 비닐하우스로 되어 있다 온실의 북쪽 벽은 벽돌과 다짐 흙벽 또는 흙 둔덕으로 만들어져 있다. 북쪽 벽은 온실의 1/3 정도를 차지한다. 온실 동서는 벽돌로 쌓아 막는다. 북쪽 벽은 낮 동안 태양열을 흡수하여 저장한다. 밤이 되면 비닐하우스 위에 짚으로 만든 보온 덮개와 덧 비닐을 덮어 열손실을 줄인다. 북쪽 벽은 차가운 북풍을 막고 내부로 낮 동안 저장해두었던 열기를 온실 내부로 내보낸다. 최근에 태양열 축열 온실은 더욱 발전하였다. 북벽에 스치로폼을 단열재로 사용하거나, 보온 덮개를 자동 개폐하는 장치라든지, 더욱 정교한 환기시스템을 부착되었다. 또는 이중 지붕 구조나 반사단열재 등이 이용되고 있다. 축열벽을 만드는 대신 낮 동안 저장할 수 있는 축열 용량을 높이기 위해 온실 북쪽 벽에 빛을 흡수할 수 있는 검은 색을 칠한 저수통을 배치한 축열 온실을 만들 수 있다 .

중국 태양열 축열 온실의 성능

태양열을 축열하여 비닐하우스 난방에 이용하는 '중국 태양열 축열 온실'은 중국 비닐하우스 중 1/5를 차지한다. 중국 정부는 태양열 축열 온실에 대한 인센티브 정책을 실시했다. 그 결과 특히 북부 지역에서 농업 생산성을 높였다. 2020 년까지 이 방식의 온실은 적어도 1백50만 헥타르을 차지 할 것으로 예상된다. 야외 온도가 영하로 떨어질 경우에도 중국의 태양열 축열 온실 내부는 야외 보다 평균 25°C 정도 높을 정도로 효과적이다.   

중국 태양열 온실의 성능은 설계, 위도, 지역의 기후에 따라 달라진다.  최근의 심양, 요녕 지방에서 실시한 조사의 결과를 주목해볼 필요가 있다. 이곳에서 가장 추운 달의 평균 온도는  -15°~ -18°C였다. 이곳에 설치된 중국 태양열 3동의 온실은 길이 60 X  폭 12.6 X  높이 5.5 m 였다. 북, 동서의 벽, 지붕 비닐,  야간 열손실을 줄이기 위한 짚으로 된 보온 덮개, 차 이슬을 막기 위한 덧 비닐, 온실 북쪽 벽돌벽과 단열을 위한 스치로폼으로 구성하거나 단순히 북쪽 벽 뒤에 흙을 다져 쌓은 형태로 만들었다. 이 지역에서 12월 초에 일반 비닐하우스라면 내부 온도가 영하로 떨어져 작물의 재배가 불가 하다. 그러나 태양열 축열 온실은 이 지역에서 내내 추가적인 난방 없이 태양열만을 이용해 밤낮 내내 영상의 온도를 유지하는 데 성공했다. 무엇보다 여름작물인 토마토나 오이가 자랄 수 있는 온도인 10~15°C를 유지할 수 있었다. 

2005년 북위 50°N인 캐나나 메니토바에서도 중국 태양열 축열 온실을 실험한 결과는 주목할만하다. 온실의 북쪽 벽은 3.6 RSI 유리 섬유로 단열되었다. 밤엔 1.2 RSI 정도의 단열성을 갖는 보온 덥게를 덮었다. 가장 추운 2월 동안 외부 온도는 + 4.5°C~-29°C였다. 온실 내부의 온도는 외기 보다 평균 18°C 이상 높았지만 한계가 있었다. 외기가 -29°C일 경우 온실 내부 온도는 -11°C 가 된다. 결과적으로 추가적인 난방 없이 식물 재배는 불가능했다 . 그럼에도 불구하고, 에너지 절감 효과는 일반적인 유리 온실에 비해 매우 클 수 있다.

중국 태양열 온실의 단점

중국 태양열 축열 온실은 난방비용을 줄일 수 있지만 실 재배 면적은 크게 낮아진다. 태양열을 축열하기 위한 북벽이 차지하는 면적 때문에 실 재배면적은 준다. 유리온실과 비교해 중국 태양온실의 생산량은 유리온실에 비해 2~3배 낮다. 중국 태양열 축열 온실에서 평방 미터 당 오이나 토마토는 30kg 정도 수확할 수 있다 . 반면, 유리 온실은 평방 미터 당 평균 토마토 60kg, 오이 100kg을 생산할 수 있다. 

중국 태양열 축열 온실의 또 다른 단점은 이산화탄소(CO2) 부족이다. 현대 온실에서 작물 수확량을 늘이기 위해서는 야외 이산화탄소 량보다 최소 3배 정도 이상의 이산화탄소가 필요하다. 중국 태양열 축열 온실에서는 종종 동물의 축분과 함께 잡풀을 혼합한 퇴비를 온실 내부에 두어 이 문제를 해결한다. 축분과 퇴비는 식물이 흡수할 수 있는 이산화탄소를 배출하고 발효과정에서 열을 발산한다.  이러한 점을 응용하여 시베리아 수도원에 살고 있는 미국인 저스틴 워커는 말, 염소와 양의 축분을 사용한 통합적인 온실을 만들었다. 그의 온실 내 퇴비에서 발생하는 열을 회수할 수 있는 난방 배관이 온실 바닥과 연결되어 있다. 

(온실의 뒷벽에 퇴비를 쌓아두고 퇴비 사이로 열회수를 위한 난방배관이 통과한다.)

그 밖의 소소한 단점은 온실 좌우벽이 벽돌로 되어 있어 동서의 햇빛을 차단한다. 온실 내부의 습기를 조절하기 쉽지 않다. 물론 최근엔 환기시스템이 도입되는 등 급격한 개선이 일어나고 있다. 여름철엔 태양고도를 고려해 북쪽 축열벽에 차양 되도록 하고 비닐을 걷어 바람이 통하게 하지만 온실 내부의 온도를 충분히 내리는 데 한계가 있다. 

참조 :

http://indoorgardenhq.com/2014/07/09/23/passive-solar-greenhouses-chinese-design/

http://www.lowtechmagazine.com/2015/12/reinventing-the-greenhouse.html

http://www.resilience.org/stories/2010-04-06/solar-greenhouses-chinese-style

https://energyfarms.wordpress.com/2010/04/05/solar-greenhouses-chinese-style/

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168169909000878

[출처] 중국의 태양열 축열식 비닐하우스의 구조와 성능 (흙부대 생활기술 네트워크) |작성자 팻독피쉬