[논문]드라이아이스를 이용한 딸기재배 온실의 이산화탄소 농도변화

백이; 강석원; 장재경; 권진경

doi:10.5762/kais.2020.21.2.182

초록
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최근에 딸기, 파프리카 등 시설과채류 재배에서 수확량 증대를 위하여 탄산가스를 시비하는 추세로 변화하고 있다. 본 연구에서는 석유화학, 주정공장 등에서 부산물로 발생되는 이산화탄소를 포집하여 정제한 후 작물재배온실에 이용하는 것이 목표이다. 이 목표를 달성하기 위한 방법으로는 드라이아이스 저장 및 탄산가스 공급이 주요하게 적용되고 있다. 드라이아이스 특성은 삼중점 이하의 온도와 압력에서 CO₂는 고체나 기체가 되며 고체는 -78.5℃와 대기압에서는 액체 상태를 거치지 않고 바로 기체로 승화되며 강력한 냉각효과를 볼 수 있다. 온도에 따른 드라이아이스의 소비량은 온도가 5℃, 10℃, 15℃, 20℃일 때 각각 0.983kg/일, 2.358kg/일, 5.102kg/일, 7.035kg/일 소비가 되었고 CO2의 농도는 1,102ppm, 1,481ppm, 1,677ppm, 1,855ppm으로 나타났다. 시험온실에서의 드라이아이스 소모량은 시간당 약 0.9kg이 감소하는 것으로 나타났고 드라이아이스를 공급하기 전 9시에 온실내부의 CO₂농도는 517ppm이었으며, 공급 후 10시 1,519ppm, 11시 1,651ppm, 12시 1,690ppm으로 증가한 후 일정한 수준을 유지하였다. 향후, 본 연구결과를 기반으로 작물에 필요한 탄산가스 공급 영역을 확장하여 공급조건을 도출하여 농가소득을 높이는데 기여하고자 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aimed to collect the carbon dioxide generated as a by-product from petrochemicals and liquor factories and use it in a crop breeding greenhouse. This was applied mainly to the storage of dry ice and the supply of carbon dioxide to achieve this target. Dry ice has a strong cooling effect b...

This study aimed to collect the carbon dioxide generated as a by-product from petrochemicals and liquor factories and use it in a crop breeding greenhouse. This was applied mainly to the storage of dry ice and the supply of carbon dioxide to achieve this target. Dry ice has a strong cooling effect because CO2 becomes a solid or gas at temperatures and pressures below the triple point, and the solid sublimes at -78.5℃ and atmospheric pressure. The consumption of dry ice according to temperature was 0.983kg/day, 2.358kg/day, 5.102kg/day, and 7.035kg/day when the temperature was 5℃, 10℃, 15℃, and 20℃, respectively, which corresponded to 1,102ppm, 1,481ppm, 1,677ppm, and 1,855ppm. Dry ice consumption in the test greenhouse decreased by approximately 0.9kg/h, and the CO2 concentration in the greenhouse at 9 a.m., before supplying dry ice increased to 517ppm, 1,519ppm at 10 a.m., 1,651ppm at 11 a.m., and 1,651ppm at 12 p.m., before maintaining this level of activity. Overall, this study attempted to contribute to increasing farm income by deriving the supply conditions through an expansion of the supply of carbon dioxide gas for crops.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Configuration diagram of carbon dioxide supply system
그림 Fig. 2. Carbon dioxide supply system
그림 Fig. 3. Strawberry test greenhouse
그림 Fig. 4. Strawberry facility cultivation area and open field cultivation area by year
표 Table 1. Specifications of carboned gas supply system
그림 Fig. 5. Strawberry cultivation area and strawberry production by year
그림 Fig. 6. Strawberry facility cultivation and open field cultivation production by year
그림 Fig. 7. Typical phase diagram of dry ice
그림 Fig. 8. Variation of dry ice weight according to the internal temperature of chamber
그림 Fig. 9. Variation of carbon dioxide density by internal temperature of chamber
그림 Fig. 10. Temperature and humidity of greenhouse according to the supply of carbon dioxide
그림 Fig. 11. Variation of dry ice weight over time in greenhouse
그림 Fig. 12. Variation of carbon dioxide density over time in greenhouse

AI 본문요약
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문제 정의

이는 공기가 상부로 올라가 천장벽을 통하여 사방으로 확산되기 때문이며 하부는 틈새 등으로 외부공기의 유입으로 인하여 낮게 나타났으며 이는 주변의 희석된 공기가 냉각하면서 하부로 모이기 때문으로 나타났다고 보고하였다. 본 연구에서는 화력발전소 등에서 발생한 부산물인 이산화탄소를 포집하여 시설온실에 이용방법을 모색하고 탄산가스 시비방법에 따른 탄산가스 농도 분포와 딸기 생육특성 분석을 통하여 시설농가에 고품질 농산물을 생산하여 소득을 높이는데 기초자료로 활용하고자 하였다.

제안 방법

Table 1은 탄산가스 공급장치 형식 및 제원을 나타내었다. 탄산가스 공급방식은 일사량에 따라 비닐하우스 내 부에 탄산가스 농도를 측정하여 작물에 필요한 탄산가스 농도에 따라 외부의 신선한 공기와 혼합하여 탄산가스 농도를 맞추어 작물의 광합성을 잘할 수 있는 탄산가스 농도를 조절하여 탄산가스를 온실 내의 작물 아래 위치에서 공급하도록 하였다.
31기간 동안 실시간으로 측정하였다. 탄산가스센서, 온도와 습도센서(T&D, TR-72ui)를 시험구와 대조구 온실 중앙에 각각 설치하였으며, 드라이아이스는 일출 후 30분부터 공급하였으며 대조구는 관행방법으로 하였다.

대상 데이터

시험온실의 면적은 175m² 로서 시스템의 구성은 Fig. 1과 같이 드라이아이스를 저장하는 저장조, 기화된 탄산가스와 외부에서 유입한 탄산가스를 혼합하는 혼합조, 외부공기를 유입할 수 있는 조절댐퍼, 혼합된 탄산가스를 비닐하우스 내부로 보낼 수 있는 팬코일 유닛, 혼합된 탄산가스를 비닐하우스 내부로 보내는 유도 배관 및 덕트, 탄산가스를 공급할 수 있는 시스템 가동을 제어하기 위한 제어장치와 모니터링 시스템으로 구성하였다. Fig.
10은 드라이아이스 이용 탄산가스 시비에 따른 온실 환경을 나타내고 있다. 재배온실은 폭×길이×측고 (7m×25m×1.7m)로 단동온실이며 2중 비닐과 다겹보온커튼이 설치된 구조이다. 외부 일사량은 해가 뜬 직후 9 시에 64.
최근 국내의 시설재배와 노지재배에 따른 딸기재배면 적은 통계자료(농림부,2017)를 통하여 조사분석하였다. Fig.

데이터처리

드라이아이스 소모량 분석을 위해 전자저울(카스, pb-100)을 사용하였으며 드라이아이스는 30kg을 온실중앙에 두고 자연 상태에서 기화되는 양을 측정하였다. Fig.

성능/효과

7kJ/kg으로 나타났다. 드라이아이스는 상평형선도에서와 같이 삼중점 이하의 온도와 압력에서는 CO₂는 고체나 기체가 되며 고체는 -78.5℃와 대기압에서는 액체상태를 거치지 않고 바로 기체로 승화된다.
035kg/일 소비가 되었고 CO₂의 농도는 1,102ppm, 1,481ppm, 1,677ppm, 1,855ppm으로 나타났다. 시험온실에서의 드라이아이스 소모량은 시간당 약 0.9kg이 감소하는 것으로 나타났고 드라이아이스를 공급하기 전 9시에 온실 내부의 CO₂농도는 517ppm, 10시 1519ppm, 11시 1651ppm, 12시 1690ppm으로 증가한 후 그의 일정한 수준을 유지하였다. 향후, 본 연구결과를 기반으로 작물에 필요한 탄산가스 공급 영역을 확장하여 공급조건을 도출하여 농가소득을 높이는데 기여하고자 하였다.
5℃와 대기압에서는 액체상태를 거치지 않고 바로 기체로 승화된다. 온도에 따른 드라이아이스의 소비량은 챔버 내부온도가 5℃, 10℃, 15℃, 20℃일 때 각각 0.983kg/일, 2.358kg/일, 5.102kg/일, 7.035kg/일 소비가 되었고 CO₂의 농도는 1,102ppm, 1,481ppm, 1,677ppm, 1,855ppm으로 나타났다. 시험온실에서의 드라이아이스 소모량은 시간당 약 0.

후속연구

9kg이 감소하는 것으로 나타났고 드라이아이스를 공급하기 전 9시에 온실 내부의 CO₂농도는 517ppm, 10시 1519ppm, 11시 1651ppm, 12시 1690ppm으로 증가한 후 그의 일정한 수준을 유지하였다. 향후, 본 연구결과를 기반으로 작물에 필요한 탄산가스 공급 영역을 확장하여 공급조건을 도출하여 농가소득을 높이는데 기여하고자 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄산가스는 무엇인가?	강 등(2007)[3] 에 의하면 착색단고추 생육에서 탄산가스 농도 및 공급 시기에 대한 연구로서 겨울철에는 광도 제한으로 탄산가스 농도보다는 사용시간이 길수록 생육이 양호하다고 보고하였다. 탄산가스는 광합성의 주요 구성요인으로서 CO2 처리 효과는 품종, CO2 농도, 성숙상태, 처리 온도와 시간에 따라 다양하고 광합성에 관여하는 효소들의 활성을 결정하기 때문에 Sink-Source 균형에 영향을 미치는 주요한 환경요인이라고 보고하였다(Arp,1991)[4]. 대부분의 원예 작물은 CO2 포화점이 대기 중 CO2 농도 보다 높기 때문에 CO2 시비는 온실에서 일반적으로 사용된다.
	탄산가스를 정식 후 사용할 경우 문제점은 무엇인가?	탄산가스 사용은 보통 보온개시 후 또는 촉성재배 시 정식 30일 후부터 시용을 하며 시용시간은 일출 후 30분부터 환기 시까지 2~3시간 공급을 하고 있다. 정식 후 사용을 할 경우 영양생장이 왕성하여 과번무가 되거나 암꽃이 개화가 되지 않는 현상이 발생한다. 탄산시 에 대한 연구로서는 최 등(2017)[2]에 의하면 탄산가스 시비는 딸기 재배시 1,000ppm 시비시 당도, 산도, 경도가 높고 수량이 증가한다고 보고하였다.
	드라이아이스의 물리적 특성은?	2%) 증가 하였다. 드라이아이스의 물리적 특성은 비중 1.529, 승화 점 –78.5℃, 기화열368.9kJ/kg, 냉각효과가 639.7kJ/kg 으로 나타났다. 드라이아이스는 상평형선도에서와 같이 삼중점 이하의 온도와 압력에서는 CO2는 고체나 기체가 되며 고체는 -78.

참고문헌 (9)

MAFRA, Agriculture, the major statistics in agriculture, food and tutal affairs, Sejong, South Korea, 2017.
I. L. Choi, J. S. Yoon, H. S. Yoon, K. Y. Choi, I. S. Kim, H. M. Kang, "Effects of carbon dioxide fertilization on the quality and storability of strawberry 'Maehyang'", Protected Horticulture and Plant Factory, 26(2), 140-145, 2017. DOI : https://doi.org/10.12791/KSBEC.2017.26.2.140

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Y. I. Kang, S. Y. Lee, H. J. L. Kim, H. Chun, B. R. Jeong, "Effects of $CO_2$ Enrichment Concentration and Duration on Growth of Bell Pepper (Capsicum annuum L.)", Protected Horticulture and Plant Factory, 16(4), 352-357, 2007.
W. J. Arp, "Effects of source-sink relations on photosynthetic acclimation to elevated $CO_2$ ", Plant, Cell & Environment, 14(8), 869-875, 1991. DOI : https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.1991.tb01450.x

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C. S. Jeong, I. S. Kim, S. S. Kim, D. H. Cho, Y. R. Yeoung, "Effects of $CO_2$ enrichment on the net photosynthesis, yield, content of sugar and organic acid in strawberry fruits", Journal of the Korean Society for Horticultural Science (Korea Republic), 1996.
L. M. Mortensen, " $CO_2$ enrichment in greenhouses Crop responses", Scientia Horticulturae, 33(1-2), 1-25, 1987. DOI : https://doi.org/10.1016/0304-4238(87)90028-8

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J. Yu, M. Wang, C. Dong, B. Xie, G. Liu, Y. Fu, H. Liu, "Analysis and evaluation of strawberry growth, photosynthetic characteristics, biomass yield and quality in an artificial closed ecosystem", Scientia Horticulturae, 195, 188-194, 2015. DOI : https://doi.org/10.1016/j.scienta.2015.09.009

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Y. B. Lee, B. Y. Lee, "Effect of long-term $CO_2$ enrichment on leaf temperature, diffusion resistance, and photosynthetic rate in tomato plant", Journal of The Korean Society for Horticultural Science, 1994.
Y. M. Cho, J. Y. Lee, S. B. Kwon, D. S. Park, J. H. Park, K. C. Cho, "The Distribution Characteristics of Carbon Dioxide in Indoor School Spaces", Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, 27(1), 117-125, 2011. DOI : https://doi.org/10.5572/KOSAE.2011.27.1.117

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