초록 ▼

Ⅳ. 연구개발결과
제1세부과제: 천정 환기장치의 적정 용량 및 배치 구명
1) 단동 플라스틱 온실 지붕 환기팬 및 환기통의 적정 설치기준을 확립하기 위해 지붕 환기
장치 설치 온실 내 열환경을 해석할 수 있는 CFD 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 1년차에는 실험 규모의 온실(폭 5.6m, 길이 23m, 측고 1.6m, 동고 2.7m)을 대상으로 열환경 해석 CFD 모델을 개발하고 검증하였다. 환기팬과 환기통 설치 온실 각각에 대해 예측 기온과 실측 기온을 비교한 결과 오차가 0～8% 범위에 있어 잘 일치하는 것으로

Ⅳ. 연구개발결과
제1세부과제: 천정 환기장치의 적정 용량 및 배치 구명
1) 단동 플라스틱 온실 지붕 환기팬 및 환기통의 적정 설치기준을 확립하기 위해 지붕 환기
장치 설치 온실 내 열환경을 해석할 수 있는 CFD 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 1년차에는 실험 규모의 온실(폭 5.6m, 길이 23m, 측고 1.6m, 동고 2.7m)을 대상으로 열환경 해석 CFD 모델을 개발하고 검증하였다. 환기팬과 환기통 설치 온실 각각에 대해 예측 기온과 실측 기온을 비교한 결과 오차가 0～8% 범위에 있어 잘 일치하는 것으로 나타났다. 2년차에는 농가 규모의 온실(폭 5.6m, 길이 108m, 측고 1.1m, 동고 2.2m)을 대상으로 열환경 해석 CFD 모델을 개발하고 검증하였다. 환기팬과 환기통 설치 온실 각각에 대해 예측 기온과 실측 기온을 비교한 결과오차가 0.5～11% 범위에 있어 잘 일치하는 것으로 나타났다. 개발된 CFD 모델을 이용하여 환기팬과 환기통 각각에 대해 용량 및 설치간격을 바꿔가면서 온실 내 기온분포를 해석하였다.환기팬의 경우는 용량 1가지(38m³/min),설치간격 3가지(10m, 15m, 20m) 해서 총 3개 case, 환기통의 경우는 지름 2가지(40cm, 60cm, 설치간격 3가지(4m, 6m, 8m) 해서 총 6개 case에 대해 해석하였다. 지붕 환기장치 설치간격에 따른 기온분포와 설치비용을 감안하여 적정 설치기준을 설정하였다. 환기팬은 용량 38m³/min, 15m간격이, 환기통은 지름 60cm, 6m 간격이 적정한 것으로 판단되었다.
2) 참외재배 단동 플라스틱 온실(폭 5.6m, 길이 108m, 측고 1.1m, 동고 2.2m)의 지붕에 환기팬과 환기통을 설치하고 각각 2개의 설치간격에 따른 온실 환기량, 기상환경, 경제성을 분석하였다. 환기팬(용량 38m³/min)의 설치간격은 15m(처리구)와 20m(대조구)이었으며, 환기통(지름 60cm)의 설치간격은 6m(처리구)와 8m(대조구)이었다. 온실 환기량은 추적가스 감쇄법을 이용하여 분석하였는데, 환기팬을 15m 간격으로 설치한 온실에서는 19,140m³/hr, 20m 간격인 경우는 15,845m³/hr이었다. 환기통을 6m 간격으로 설치한 온실에서는 14,961m³/hr, 8m 간격인 경우는 13,414m³/hr이었다. 환기팬 및 환기통 설치간격에 따른 기상환경을 분석하기 위해 기온 및 지온을 조사하였다. 고온기인 6월 평균 낮 동안의 기온변화를 분석한 결과, 환기장치 설치간격이 좁을수록 기온이 낮게 나타났으며, 환기팬을 설치한 온실에서의 기온이 환기통을 설치한 온실에서의 기온에 비해 낮았다. 지온도 기온과 마찬가지로 환기통 설치 온실에 비해 환기팬 설치 온실에서의 지온이 낮게 나타났다. 지붕 환기장치 처리별 전력 소모량은 환기팬 15m 간격의 경우 522kWh, 20m 간격의 경우 399.7kWh, 환기통 6m 간격의 경우 159.4kWh, 8m 간격의 경우는 136.4kWh이었다. 참외 생산금액, 환기장치 감가상각비, 전기요금, 선별 및 포장비용 등을 고려하여 지붕 환기장치 처리별 경제성을 분석한 결과, 환기팬을 15m 간격으로 설치한 경우가 20m 간격으로 설치한 경우에 비해 865,450원, 환기통을 6m 간격으로 설치한 경우가 8m간격으로 설치한 경우에 비해 660,690원의 소득 증가가 있는 것으로 나타났다.
제2세부과제: 천정 환기장치 설치 하우스의 작물 재배효과 구명
1) 천정 환기시설의 실태조사는 박과채소(수박, 오이, 참외, 멜론)와 가지과채소(토마토, 풋고추) 재배시설을 대상으로 수행되었다. 실태분석을 위해 작물별 주산지를 중심으로 천정환기가 설치된 농가를 대상으로 하우스 규격, 천정 환기장치의 설치제원, 재배현황 등을 조사하였다.함안, 부여지역 수박재배 하우스의 환기시설은 ‘측창(환기공) + 천정환기(원형 또는 굴뚝형 환기창) + 온실 전후면 환기팬’ 또는 ‘측창(권취식 또는 환기공) + 천정환기(원형 환기창)’의 형태로 굴뚝식 및 원형환기창의 직경은 대부분 60cm이었으며, 설치대수는 온실 전 후면에 환기팬을 설치한 90∼100m 길이 하우스의 경우 평균 10.5개이며, 설치 간격은 6.75m이었다. 천정 환기창의 개구면적은 환기팬 사용시 ‘측창(환기공) + 천정환기(원형 또는 굴뚝형 환기창) + 온실전후면 환기팬’ 의 환기시설일 경우 바닥면적에 대해 평균 0.46%, 측창 환기면적에 대해 7.6%로 나타났다. 함안, 창녕 등 남부지역의 오이 재배지의 경우 단동하우스의 형태는 대부분 지붕형 하우스로서 전체 조사 하우스중 70.6%는 환기팬을 사용하고 있었으며, 58.8%는 순환팬을,환기팬과 순환팬을 모두 사용하는 하우스는 47.0%로 나타났다. 천정 환기창의 개구면적은 바닥면적에 대해 평균 0.61∼0.96%이었으며, 렉엔피니언 개폐방식의 사각환기창의 경우 개구면적은 원형 환기창에 비해 크게 나타났다. 오이재배 단동하우스에서 천정 환기팬은 평균 소비전력 210W, 최대풍량 85.0m³/min으로 나타났으며, 각각 한 동당 9.75개가 설치되어 있었다. 성주,고령, 함안 등 참외 주산지의 단동하우스의 굴뚝식 및 원형 환기창의 설치대수는 측창(권취식)+ 천정환기(원형 환기창) + 환기팬’의 환기시설을 가진 농가의 경우 하우스 한 동당 평균 7개였고, 권취식 측창과 천정 환기창만 사용하는 농가의 경우는 8∼21개로 다양하였으며, 평균14.8개로서 다른 박과작물보다 환기창의 개수가 많았다.
2) 단동 비닐하우스에서 기존 환기방법별 작물재배효과를 분석하기 위해 환기방법과 설정온도에 따른 기상환경, 과실 수량 및 품질, 및 병발생도를 조사하여 천정 환기장치의 적정 용량 및 배치 기준 설정시 기초자료를 제공하기 위해 본 실험이 수행되었다. 환기방식은 측창(권취식)환기(SV)와 측창+천정 환기로서 측창+환기통 환기(SV+RV) 및 측창+환기팬 환기(SV+RF)의 3가지 방식으로 처리되었다. 환기방법별 온도설정은 측창(권취식) 환기의 경우 35℃열림/ 33℃닫힘으로 설정하였고, 측창(권취식)+천정 환기(환기팬 또는 환기팬)의 경우 천창(환기통 또는 환기팬)은 35℃열림/ 33℃닫힘, 측창은 37℃열림/35℃닫힘으로 설정하였다. 단동하우스 참외재배시 전생육기간 동안 시설내 일평균 습도는 측창환기 처리보다 측창과 함께 환기통 또는 환기팬을 사용한 측창+천정 환기 처리에서 낮게 나타났다. 일일 온도변화를 분석한 결과, 4월의 경우 측창+천정 환기 처리의 경우 35℃ 이상의 온도에서 환기통 또는 환기팬이 우선적으로 작동된 후 측창이 열리는 설정에 의해 측창 환기보다 주야간 습도가 낮고 주간 온도는 더 높은 분포를 보였다. 외기온도가 높은 6월경, 주간동안 시설내 온도는 측창+환기팬 방식에서 가장 낮았으며, 상대습도는 가장 높았다. 측창+환기통(60 φ) 환기방식의 경우, 일시적으로 일일 최고 온도가 38℃부근까지 올라가나 고온성 작물인 참외의 생육에는 크게 영향을 미치지 않았으며, 흰가루병 및 노균병에 있어서 관행의 측창환기 대비 26∼75%의 병해 경감효과를 볼 수 있었다. 관행의 측창환기시 흰가루병 및 노균병 발병도(%)는 대박꿀참외의 경우 각각 1.4∼7.7%, 4.2∼15.9%, 일등꿀참외의 경우 20.3∼22.8%, 2.8∼11.3%로 나타났다. 수량은 일등꿀참외의 경우 측창환기 1,277 kg/10a(상품과율 91.3%), 측창+환기통 환기 2,537 kg/10a(상품과율 91.8%), 측창+환기팬 환기 782kg/10a(상품과율 90.5%)로 나타났고, 대박꿀참외의 경우 측창환기 1,764 kg/10a(상품과율 76.3%), 측창+환기통 환기 2,105 kg/10a(상품과율 93.2%), 측창+환기팬’환기 698 kg/10a(상품과율 78.9%)로 나타났다. 두 품종 모두, 측창+환기통 처리에서 과실의 평균과중, 과장, 과육두께가 다른 처리에 비해 더 높게 나타났으나, 당도에서는 처리 간 유의적인 차이가 나타나지 않았다.
3) 1세부 과제의 결과로 도출된 천정 환기장치 설치방법의 개선에 의한 작물 재배효과를 검증하고자 농가현장에서 개선 천정 환기방식과 관행 방식을 비교, 분석하였다. 개선 천정 환기방식은 참외재배 단동 플라스틱 온실(폭 5.6m, 길이 108m, 측고 1.1m, 동고 2.2m)에 지붕 환기팬(용량 38m³/min)과 환기통(지름 60cm)을 각각 15m와 6m 간격으로 설치하였고, 대조구로서 관행 천정 환기방식은 각각 20m와 8m 간격으로 설치하였다. 기존 및 개선 천정 환기 방식에 따른 생육을 조사한 결과, 관행 환기통 및 환기팬 처리에 비해 개선 환기통, 개선 환기팬처리에서 경경, 엽장, 엽병장, 및 엽폭의 값이 낮게 나타나는 경향을 보였다. 환기팬 설치 하우스에 비해 환기통 설치 하우스에서의 작물의 경경, 엽장, 엽병장 등의 값은 더 높게 나타났으며, 고온기인 생육 후반부로 갈수록 기존 및 개선 천정 환기장치 설치 하우스 간의 생육특성 차이는 줄어드는 경향이었다. 생육기 전반부에 기존 환기통 처리는 환기팬 처리 에 비해 절간장이 다소 길게 발달하였는데 이는 착과수가 환기팬 처리에 비해 적었고, 착과수 감소로 인해 동화산물이 잎과 줄기의 신장부로 좀 더 이동된 영향으로 판단되었다. 참외재배 단동 비닐하우스에서 과실 수량을 조사한 결과, 개선 환기팬과 환기통 처리에서 관행재배에 비해 과중은 약간 작았지만, 착과수 증가로 인해 전체 수량은 높은 것으로 나타났다. 개선 환기팬 및 환기통 설치하우스에서는 기존 천정 환기 하우스에 비해 상품과율이 높게 나타났으며, 10a당 상품수량도 각각 8,391kg, 7,283kg 으로 나타나 기존 천정 환기에 비해 환기팬 처리는 661kg, 환기통 처리는 487kg 더 증가하였다. 개선 환기팬 처리에서 관행의 환기통 처리에 비해 과실의 크기가 작은 것은 착과수의 증가에 의한 것으로 판단되며, 환기팬 처리는 생육조사 결과에서도 나타난것과 같이 초세를 억제시키는 동시에 착과수 증가 및 낙과수 감소를 가져왔다. 특히 개선 환기팬 처리에서 고온기에 암꽃수와 착과수가 가장 많았고, 낙과수는 가장 낮게 나타났다. 시기별환기방식에 따른 참외과실의 품질을 조사한 결과, 기존 환기통 환기에서 과중, 과경, 과폭, 및 과육두께가 가장 높게 나타났으나, 과폭, 과육두께에 있어서는 통계적인 유의차는 나타나지 않았다(Table 2-17). 생육전반기에 개선 환기팬 및 환기통 환기방식은 기존 환기방식에 비해 다소 과중이 작고 크기가 작으며, 가식부위인 과육두께가 작은 과실을 생산하였으나 당도와 과육두께에 있어서 유의적인 차이는 나타나지 않았다.

Abstract ▼

To enhance crop productivity in protected cultivation, it is necessary to maximize the amount of ventilation in a greenhouse. The single-span greenhouse, which accounts for 86% of greenhouses in South Korea, is of a structure that is difficult to have a ventilator installed in the roof; and thus onl

To enhance crop productivity in protected cultivation, it is necessary to maximize the amount of ventilation in a greenhouse. The single-span greenhouse, which accounts for 86% of greenhouses in South Korea, is of a structure that is difficult to have a ventilator installed in the roof; and thus only roll-up type side ventilators are mostly being used. It is difficult to grow a crop by using only sidewall ventilation, for temperature in a greenhouse rises higher than critical growth temperature during the high temperature season. Recently, many farm households have installed ventilation devices such as fan and stack in the roof of a single span plastic greenhouse in order to lower temperature by increasing the amount of ventilation. Most farm households rely on the opinions of companies alone, for there is no standard for the optimum installation of roof ventilation devices; in fact, the use efficiency of the ventilation devices is low because their capacity is small and their spacing is wide. The purpose of this study is to provide the standard for the optimum installation of roof ventilation devices in arched single-span plastic greenhouses. In the 1st sub-task, a standard for the optimum installation of roof ventilation devices was established, and in the 2nd sub-task, the effects of improved ventilation device deployment on crop cultivation were investigated.
1st sub-task: Investigation into the optimum capacity of roof ventilation devices and their deployment
1) The CFD simulation models capable of analyzing the thermal environment of roof ventilation device-installed greenhouses were developed in order establish the standard for the optimum installation of fans or stacks in the roof of single-span plastic greenhouse. In the first year, the CFD model for analyzing thermal environment was developed and validated with greenhouses of an experimental scale (5.6m in width, 23m in length, 1.6m in eaves height, and 2.7m in ridge height). As a result of comparing the predictive temperature with the actual measured temperature for the fan-installed greenhouse and the stack-installed greenhouse, respectively, it was found that the temperatures agreed well each other, with an error range of 0～8%. In the second year, the CFD model for analyzing thermal environment was developed and validated with greenhouses of a farmhouse scale(5.6m in width, 108m in length, 1.1m in eaves height, and 2.2 m in ridge height). As a result of comparing the predictive temperature with the actual measured temperature for the fan-installed greenhouse and the stack-installed greenhouse, respectively, it was found that the temperatures agreed well each other, with an error range of 0.5～11%. The capacity and spacing of the fan and the stack were changed to analyze temperature distribution in the greenhouses, using the developed CFD model. In the case of the fan, a total of three cases were analyzed with one type of capacity (38m³/min) and three types of spacing(10m, 15m, and 20m); and in the case of the stack, a total of six cases were analyzed with two types of diameter (40cm and 60cm) and three types of spacing (4m, 6m, and 8m). The standard for optimum installation was established, considering the temperature distribution and the installation cost that varied according to the spacing of roof ventilation devices. It was found that the capacity of 38m³/min and the spacing of 15m were optimum for the fan, and that the diameter of 60cm and the spacing of 6m were optimum for the stack.
2) Fans and stacks were installed in the roof of single-span plastic greenhouses for growing oriental melons (5.6m in width, 108m in length, 1.1m in eaves height, and 2.2m in ridge height); and the greenhouse ventilation amount, the meteorological environment, the oriental melon yield, and the economic efficiency were analyzed according to the spacing of their respective two devices. The spacing for the fans (capacity of 38m³/min) was 15m (treatment) and 20m (control); and the spacing for the stacks (diameter of 60cm) was 6m (treatment) and 8m (control). The greenhouse ventilation amount was analyzed, using the tracer decay method, and was found to be 19,140m³/hr in the greenhouse with fans installed at intervals of 15m, and 15,845m³/hr with fans installed at intervals of 20m. The amount of ventilation was 14,961m³/hr in the greenhouse with stacks installed at intervals of 6m, and 13,414m³/hr with stacks installed at intervals of 8m. Air temperature and ground temperature were examined in order to analyze meteorological environment according to the spacing of fans and stacks. As a result of analyzing changes in average day-time temperature during June, a high-temperature period, it was found that the narrower the spacing of ventilation devices, the lower the air temperature; and that air temperature in the greenhouse with fans was lower than that in the greenhouse with stacks. Like the air temperature, ground temperature was found to be low in the greenhouse with fans, compared with the greenhouse with stacks. As for the supplied electrical power according to roof ventilation device treatments, it was 522kWh in the case of spacing fans 15m apart and 399.7kWh in the case of spacing fans 20m apart; and it was 159.4kWh in the case of spacing stacks 6m apart and 136.4kWh in the case of spacing stacks 8m apart. As a result of analyzing economic efficiency according to roof ventilation device treatments, taking into account the value of oriental melon production, the depreciation of ventilation devices, the electric rates, and the expenses for selection and packaging, it was found that income increased KRW865,450 in the case of spacing fans 15m apart, compared with the case of spacing them 20m apart; and that income increased KRW660,690 in the case of spacing stacks 6m apart, compared with the case of spacing them 8m apart.
2nd sub-task: Effects of roof ventilation device for single-span plastic greenhouse on growing crops
1) The first year’s research was conducted to obtain the basic information for establishment of standard guidelines in the design and installation of roof ventilation system in single-span plastic greenhouse. To achieve this, the greenhouse structure & characteristics, cultivation status, and ventilation system were investigated for single-span greenhouse with roof ventilation system cultivating the Cucurbitaceae vegetables ( watermelon, cucumber, oriental melon etc) and the Solanaceae vegetables (tomato, green pepper). Most of single-span watermelon greenhouse in Haman and Buyeo area were a hoop-style and the ventilation system in those greenhouses mostly consisted of two different types of 'roof vent (circular or chimney type) + side vent (hole) + fan' and 'roof vent (circular type) + side vent (hole or roll-up type)'. The diameter of circular and chimney-type vent was mostly 60cm and the average number of vents was 10.5 per a bay with vent spacing of average 6.75m. The ratio of roof vent area to floor area and side vent area in the single-span watermelon greenhouse with ventilation fan were 0.46% and 7.6%, respectively. The single-span cucumber greenhouse in Haman and Changnyeong area were a gable roof type, such as even span, half span, three quarter and the 70.6% of total investigated single-span greenhouses was equipped with a roof ventilation fan while 58.8% had a circulation fan inside the greenhouse. The ratios of roof vent area to floor area in the single-span cucumber greenhouse ranged from 0.61 to 0.96% and in the case of the square roof vent, were higher than that of the circular type vent. On average, the roof ventilation fan in single-span cucumber greenhouse was equipped with the power input of 210W and maximum air volume of 85.0 m³/min, and the number of fans was 9.75 per a bay. The number of roof vent of single-span oriental melon greenhouse with only roll-up type side vent ranged from 8 to 21 (average 14.8), which was higher than that of other Cucurbitaceae vegetables while the vent number of the greenhouse with a roof ventilation fan was average 7 per a bay.
2) The second year’s research was conducted to investigate the effects of ventilation systems and set temperature of single-span plastic greenhouse on disease incidence, fruit quality and yield in oriental melon (Cucumis melo L.) cultivation and to obtain the basic information for establishment of standard guidelines in the installation of roof ventilation system. The ventilation systems composed three types of side vent (roll-up style) ‘SV’, side vent (roll-up) + roof vent (60φ) ‘SV+RV’, and side vent (roll-up) + roof fan (60φ)‘SV+RF’ with 7.5m spacing, with specific set point temperatures for ventilation: SV (35℃ open / 33℃ close), SV+RV or SV+RH (35℃ open / 33℃ close for root ventilation and 37℃ open / 35℃ close for side vent). The daily average RH (%) inside the single-span plastic greenhouse was lower in simultaneous treatment with side vent and roof ventilation (roof vent or roof fan) than in the SV treatment for the whole growth period. Based on the diurnal changes in the air temperature (℃) and RH (%) inside the greenhouse according to ventilation systems, the treatments of SV+roof ventilation (RV or SV+RH) showed higher temperatures (℃) and lower RHs (%) during day and night time than those of the SV treatment by specific set point temperature (35℃ open / 33℃ close for root ventilation and 37℃ open / 35℃ close for side vent) on April. In June, the temperature inside the greenhouse was lower and the RHs was higher in the SV+RF treatment during day time than other treatments. In the treatment of SV+RV, although the daily average maximum temperature inside the single-span greenhouse temporarily increased by 38~40℃, thermal stress by high temperature did not occur and the disease incidence (%) of powdery mildew and downy mildew on oriental melon ‘Deabakkul’ and ‘Ildeungkkul’ were 25~75% lower than in the conventional SV treatments. In the SV treatment, the disease incidence (%) of powdery mildew and downy mildew were 1.4∼7.7% and 4.2∼15.9% for ‘Deabakkul’, and 20.3∼22.8% and 2.8∼11.3%, respectively for ‘Ildeungkkul’. The yield for one month was higher in the treatment of SV+RV than those in other treatments, with values of 2,105kg/10a (marketable yield 91.8%) for ‘Deabakkul’ and 2,537kg/10a (marketable yield 93.2%) for ‘Ildeungkkul’. The simultaneous treatment with side vent and roof vent resulted in 16.2% higher yield (18.1% higher marketable yield) than that in the SV treatment for‘Deabakkul’. For both cultivars, average fruit weight, fruit length, and flesh thickness were higher in the SV+RV treatment than other treatments, but there was no significant difference in soluble solids (oBrix) among the treatments.
3) In order to evaluate the improved installation methods of roof ventilation devices, derived from the 1st sub-task (Investigation into the optimum capacity of roof ventilation devices and their deployment), the conventional and improved (modified) roof ventilation systems were installed in the single-span plastic greenhouse for growing oriental melons. The roof vents (60φ) and roof fans (maximum air capacity of 38m³/min) were installed in the spacing of 15m and 6m respectively on the roof of greenhouses for the improved roof ventilation treatments and 20m and 8m for the conventional ones. The treatments of improved roof ventilation systems, FT (modified ‘side vent+roof fan’ ventilation) and TT(modified ‘side vent+roof vent’ ventilation), were lower in the stem diameter, leaf blade lengh, petiole length, and leaf width than those of the conventional treatments, FC(conventional ‘side vent+roof fan’ ventilation) and TC(conventional ‘side vent+roof vent’ ventilation). Although the treatments of FT and TT were slightly lower in fruit weight,the total yield and marketable fruit ratio (%) were higher, as a result of increase of fruiting ratio (%) in these treatments, than those of the treatments of FC and TC. The marketable yield (kg/10a) in the treatment of FT and TT were 8,391 kg/10a and 7,283 kg/10a respectively and were 661 kg/10a and 487 kg/10a higher than those in the treatment of FC and TC. The improved installation method of roof fan resulted in more female flowers and lower fruit drop ratio (%) than in other treatments. In the treatment of the conventional ventilation with roof vent, the fruit weight, fruit length & width, and flesh thickness were higher than in other treatments, but there were no significant differences in the fruit width and flesh thickness among the treatments.