온실 만들기 - 열원에 대하여

 

시골에서 겨울철을 즐겁게 보내기 위해서는 비닐하우스나 온실이 있어야 하는데,

사실 한겨울에는 무가온으로는 별로 도움이 되지 못합니다.

이유는 비닐하우스나 유리온실을 만들었다고 하여도 한밤중에는 영하로 쉽게 내려가 작물을 키울 수가 없게 됩니다.

그러니 전문적으로 농사를 하시는 분들은 열풍기를 사용하던지, 지하수를 사용하여 하우스 안의 온도를 일정하게 유지합니다.

하지만 이런 설비는 많은 돈이 들어가며, 또 상주하지 않으면 관리가 힘들어 취미농에게는 그림의 떡이지요.

 

저도 처음에는 2중 비닐 하우스를 만들어서 겨울철에도 작물을 키워보려고 했는데...

상주하지 않으니, 저녁에 보온덮개를 덮을 수가 없으니 최저 기온 조절이 불가능하였고,

또 별도의 가온 설비를 하기에는 너무 부담스러워서 그냥 포기.

 

그래도 아쉬움이 남아서 비닐 하우스 대신 8평 정도의 유리온실을 만들었습니다.

프레임은 올 스텐으로 유리는 2중 겹유리로 ㅅ자 모양 지붕으로 집처럼 만들었습니다.

그러나 무가온 상태에서는 유리온실도 영하로 떨어지는 상황이 벌어지고,

결국은 꿈을 접고 영하의 추위를 견디는 상추류를 키우는 공간으로 전락한 것이지요.

 

하지만 이미 투자된 것이니 조금 더 개선해서 열대식물을 키울 수 있다면 좋겠다는 욕심을 잠재울 수가 없었고...

몇년 동안의 시행착오 끝에 찾아낸 것이 가온 보다는 무조건 단열이 잘 되어야 한다는 것이였지요.

 

그리고 단열이 안되는 이유도 체득하고...

그 첫번째가 창문 부실.

다음은 유리창으로의 손실.

그리고 프레임을 통한 열 방출 등 등.

 

따라서 단열을 위해서 몇년 전부터 매년 조금씩 조금씩 변화를 주고 있는 상태이지요.  

재작년에는 유행했던 뽁뽁이를 북측 유리창에 전부 바르고,

단열 효과를 검증을 해보았으며, 모양을 그렇게 지저분하게 않게 하면서도 놀랄만한 단열 효과가 있다는 것을 알게되었지요.

 

그러니 작년은 조금 부족한 열원을 보충하는 설비를 하였고, 설정 온도에 따라서 백열 전등을 켜주기 시작한 것이지요.

그리고 올해는 모든 창문은 문틀에 신문지를 말아 넣어서 틈이 없도록 하여 반 밀봉을 시키고,

햇살에 영향을 주지 않는 북쪽 측면에는 스치로폼으로 막아서 더 완벽한 단열을 시키기 등...

 

이러한 노력으로 작년에는 2.5kW의 히터와 몇개의 백열 전등으로 한겨울에도 영하가 되지 안음을 확인하였지요.

하지만 누전으로 정전이 되어 결국은 커피나무는 동해로 죽이고...

그러니 더 완벽한 답을 찾아야 하는데, 짧은 시간 정전이 되어도 열원을 가지는 장치이지요.

 

사실 이런 용도로 처음부터 온실 안에는 큰 수족관 물통 한개와 작은 물통을 여러개 넣어 놓고 있었지요.

이유는 물은 비열이 커서 열을 많이 저장할 수 있어, 우리별 지구에서 생명체가 살아갈 수 있도록 해주는 근원이지요.

분명 물을 넣어두는 것으로도 상당한 온도 변화를 줄일 수 있음을 알 수가 있었습니다.  

 

하지만 그냥 물을 넣어 두는 것으로는 물의 온도 변화가 적어서 큰 역할을 못함을 알았고,

따라서 어항에 넣는 공기발생기를 넣었지요. 즉 공기를 물속에 밀어 넣어서 조금 더 열교환이 일어나도록 하였지요.

그 뒤로는 밤낮의 온도차가 조금씩 줄어들었고, 그 덕도 조금은 보고 있는 것으로 여겨집니다.

 

하지만 밖의 온도는 영하권이라도 햇살이 좋은 한낮의 온실안 최고 기온은 40도 이상까지 나옵니다.

즉 아래쪽은 20도 정도이지만, 위쪽은 한증탕 수준.

그러니 작물 입장에서는 하루 사이에 냉대와 열대를 오가는 완전 사막의 기후이지요. 

 

작년의 온실 모습 

 

올 이른 봄의 온실 풍경 

 

2015년 12월 초의 온실 모습

 

2015년 12월 초의 온실 모습

 

 

그래서 올해는 더 본격적으로 물을 이용한 에너지 저장장치를 고민하게 된 것입니다. 

장치를 만들기 전에 미리 열에 대한 정리를 먼저해보는 것이 더 확실한 가능성을 예측할 수 있겠지요.

조금 복잡해 보일 수 있겠지만, 고등학교에서 배운 내용을 중심으로 정리를 해봅니다.

 

사실 이런 계산은 대강은 알고 있지만, 내가 필요해서 다시 들여다보니 공부가 많이 됩니다.

먼저 전력과 온도 사이의 관계를 알아 보아야겠지요.

간단히 정리해보겠습니다.

 

물 1그램을 1도시 올리는데 필요한 열량: 1칼로리=4.2줄=4.2W-sec

1kWh 전력으로 1리터(1kg) 물의 온도를 얼마나 올릴 수 있을까:

   1kWh = 1000W*60분*60초 = 3600,000W-sec

   따라서 3,600,000/4.2 = 857,143 칼로리, 즉 1리터의 물의 경우 857도 올림(단순 계산)

   즉 물 1톤(1m^3)을 0.857도 올리는 열량이다.

   이는 물 1톤에서 1도 온도 차가 발생하려면 1.167kWh의 전력이 필요하다.

 

다시말하면, 물 1톤을 낮에 10도 정도 올렸다가 밤중에 다시 열을 방출 하도록 한다면,

밤중 10 시간 동안 1.167kW 전열기를 켜두는 것과 동일 하다는 것이지요. 

그럼 상당한 열량이 된다는 것이 확인 된 것이지요.

 

사실 이런 원리를 이용하는 것이 심야전기보일러이지요.

즉 밤중 8시간 동안 물의 온도를 높혀서 그 열을 이용하는 것이지요.

보통 가장 소형의 경우 물 1톤(~1.5톤) 정도를 85도까지 올려서 20도 정도까지 떨어뜨리는 것이며,

따라서 약 60도 정도의 물의 온도차를 보온에 활용하는 것이지요. 

 

하지만 경제적인 측면도 함께 고민해 보아야 진정한 엔지니어이지요.

전기요금이라는 것이 요상한 고무줄이라서...

아래 계산식은 저렴하고 누진이 안되는 농사용을 사용하는 것을 기본으로 계산하겠습니다.

 

농사용 을(보통의 농사용 전기)으로 전기요금은  1kWh 당 50원 정도 됩니다.

그러니 앞의 계산에서 1달 전기 사용량은 350kWh이고, 금액은 약 2만원 정도 나옵니다.

따라서 겨울철 동안 약 8만원 정도의 이익이 나오는 것이고, 80만원을 투자해서 가능하다면 10년 정도에 회수가 되는 것이지요.

이렇게 따져보니 상대적으로 전기료가 너무 적어서 이렇게 복잡하게 만들 이유가 없어집니다.

 

수정: 저가 착오가 있었습니다. 4계절 사용 가능한 농사용 전기는 갑이 아니고 을이라고 합니다.

       (농사용 갑(논 양수기 전용 전기)으로 전기요금은  1kWh 당 27원 정도 됩니다.

       그러니 앞의 계산에서 1달 전기 사용량은 350kWh이고, 금액은 약 1만원 정도 나옵니다.)

  

그러니 단기적인 측면에서는 단열을 잘해서 상대적으로 열이 잘 빠져나가지 않도록 하고 그냥 전열기를 사용하는 것이 최선인 것 같습니다.

하지만 많은 전류가 흐르는 상태의 전기는 항상 위험성이 따르며, 또 정전을 대비할 수가 없으니 완벽한 답은 아니지요.

 

즉 40도 정도 벌어지는 밤낮의 극심한 온도 변화를 줄여주어야 하는데...

낮에는 더운 공기를 밖으로 그냥 버려야되고, 밤에는 히터를 켜서 열을 내야하니 에너지 낭비가 너무 십하지요.

사실은 낮에 공기를 빼내는 일은 적은 전력으로 가능하지만,

그 구멍으로 저녁에는 찬공기가 역류를 하기 때문에 이를 막는 것이 단순하지 않는다는 것이 문제이지요.

그러니 자체적으로 열을 저장 방출 할 수 있는 장치를 만들면 어떨까 고민하게 된 것이지요. 

또 이런 방법이 성공을 하게되면, 지금까지 겨울철에만 사용하던 온실을 4계절 사용 가능하게 된다는 것이지요.

 

참고:

1. 비닐하우스나 유리온실에서 중요한 것은 온도뿐만이 아니고 빛 투과율입니다.

    두꺼운 비닐을 사용하면 보온에는 유리하나 투과율이 떨어집니다. 그리고 한 계절 사용하면 투과율이 많이 떨어집니다.

    따라서 전업농은 매년 비닐을 다시 하게됩니다.

2. 유리는 장기적인 사용을 위해서 하지만, 몇년 사용하면 투과율이 현저히 떨어집니다.

    저의 경우 15년 정도 사용을 하니 지금은 반투명 유리가 되었습니다.

    그러니 빛이 부족한 상태가 됩니다. 따라서 본격적으로 작물을 완벽하게 키우는 것은 어렵습니다.

    그러니 잘 자라는 상추류와 겨울철 열대 과수나무를 넣어 놓기 위한 용도로 사용하고 있습니다.

3. 따라서 하우스나 유리온실에서는 열원 뿐만이 아니라, 보조 광원도 필요합니다.

    올해 보온 작업이 정리가 되면, 내년에는 보조 광원을 사용하기 쉽고, 위험성이 적은 LED 등으로 영구적으로 설치하는 작업을 하려고 합니다.

 

  이렇게 돈 안되는 쓸대없는 고민하느라고 요즈음 시골 들어가면 하루 종일 온실 안에서 놀고 있습니다.

  그리고 이런 일들은 정해진 것들이 없으니, 이리저리 고민하는 생각이 전부이고, 또 남을 시켜서 할 수도 없는 일거리들입니다.

  그러니 취미가 맞지 않으면 도저히 할 수 없는 일이니, 분명 놀이터이고 혼자서도 잘 놀고 있지요.

 

  하지만 또 몇년 지나면 생각이 바뀌고 다시 개조 작업을 할지도 모릅니다.

  (땅을 깊이 파고 땅속에 큰 물통을 묻어 지열을 이용하는 보온장치나 보일러:

  지열냉난방이 있기는 하지만 비용이 너무 비싸고 장기적으로 효율성이 있을가가 의심스러워 못하고 있는데, 이를 직접 자작해 볼까 하는 중)

 

  한편 요즈음 저가 하는 것들에 대한 당위성 및 자기 합리화.

  즉 지금 안하면 다시는 못할 일들이고, 또 내 생의 마지막 일들이라고...

  또 지금까지 나를 위해서 투자한 것들이 거의 없는데, 이제는 한번쯤은 해야한다고 몸부림 하는 것입니다.

 

참고:

1cal:  물 1그램을 1도시 올리는데 필요한 열량(물의 온도에 따라서 달라지며, 정의는 1기압하에서 14.5도를 15.5도로 올리는데 필요한 열량)

        과학적으로 정의된 수치는 아님, 많이 통용되는 음식물의 열량 단위는 Cal이며, 이는 정의식의 cal의 1000배인 Kcal를 의미함.

1J = 1N.m = 1kg.m^2/s^2  = 1W.1sec

1cal = 4.1868J

 

태양광 에너지: 일사량으로, 가장 햇살이 좋은 날의 최대가 1200W/m^2 정도 입니다. 따라서 일사되는 태양광에 수직되는 면적이 10m^2 이라면

        최대 12kW의 전기 에너지가 들어오고 있다는 것이 되지요. 따라서 절반 정도가 온실 안으로 들어오면 5kW 의 에너지에 해당합니다.

        다만 이런 열원이 주변으로 빠져 나가는 것들이 있으니, 단열만 완벽하다면 햇살 만큼 좋은 열원은 없지요.