뉴욕의 유기농 마트에는 옥상온실에서 갓 수확한 신선한 작물을 직접 판매하고, 암스테르담의 호텔에서는 옥상온실과 건물 간에 에너지, 물, CO₂를 주고 받는 지속가능성이 구현되고 있다. 늘어나는 세계 인구와 도시 집중화 현상에 따른 식량 공급 문제가 제기되고 있으며, 이를 해결하기 위한 다양한 형태의 도시농업이 선진국의 대도시 위주로 확산되기 시작하였다. 구글, 아마존과 같은 다국적 대기업이 식물공장 업체에 투자를 진행 중이고, 빌 게이츠는 ‘녹색 혁명’을 외치며 미래농업을 위한 미국 최대의 농부가 되었다. 우리나라도 예외는 아니다. 서울 지하철역에 식물공장이 속속 들어서고, 스마트팜과 가전제품을 결합한 가정용 재배기도 등장하고 있다. 마켓컬리, 쿠팡프레시 같은 온라인 신선식품 시장도 코로나 시대에 맞춰 매우 빠르게 성장 중이다.

도시농업의 가장 큰 장점으로 신선한 농산물을 바로 공급한다는 점이 떠오르지만, 에너지 측면에서의 장점도 매우 크다. 도시의 높은 온도와 CO₂ 농도 조건에서 작물 재배에 필요한 에너지를 절감할 수 있고 수송, 저장 과정을 대폭 생략하여 푸드마일(food miles)과 콜드체인 손실(cold chain loss)을 줄일 수 있다. 한국기계연구원에서는 도시농업의 확산과 에너지 절감이라는 두 가지 목표를 동시에 달성하기 위해 ‘옥상온실’에 주목하였다. 건물의 유휴공간인 옥상에 온실을 설치함으로써 건물에서 버려지는 열과 CO₂를 작물 재배에 이용하고, 스마트팜 제어 및 운전 최적화를 통하여 건물의 냉난방 에너지를 절감하고자 하였다.

기계연구원 스마트팜 연구팀은 가장 적극적인 형태로 건물과 에너지 교환을 하는 ‘에너지 통합형 옥상온실’을 추구하고 있고, 이를 와이즈팜이라 명명하였다. 와이즈팜의 W.I.S.E.는 Waste-free(W), Intelligent(I), Sustainable(S), Energy-efficient(E)를 뜻하며, 각각의 핵심 요소기술 개발을 수행하였다. <Waste-free> 옥상온실에서 발생하는 폐양액을 버리지 않고 순환하여 사용할 수 있는 막여과 기반의 양액 재순환시스템을 개발하였고, <Intelligent> 옥상온실의 최적화를 통하여 건물의 냉난방비를 20% 이상 줄이고, 도시농업 전과정에서 35% 이상의 CO₂ 배출을 억제하는 것으로 나타났다. <Sustainable> 도시에서 발생하는 커피찌꺼기 연료 최적화를 위한 우수한 특성을 갖는 혼합 바이오연료를 생산하였고, <Energy-efficient> 온실에 CO₂를 공급할 수 있도록 배출물을 저감한 65kWe급 친환경 고효율 가스발전기를 개발하였고, 온실 배열활용을 포함한 종합효율 80% 이상을 달성하였다.

개발된 요소기술의 성능을 검증하고, 에너지 통합 시스템 실증을 위한 테스트베드용 옥상온실을 연구원 내 5층 건물에 증축하였다. 가스 발전기 외 가스 히트펌프와 가스보일러가 같이 설치되어 온실 내부 환경에 맞게 에너지원을 선택적으로 운영 중이며, 축열조와 FCU를 이용하여 온실의 냉난방을 공급하고 있다. 측창/천창 및 배기팬 제어를 통한 강제환기 기술, 엔진 배가스를 이용한 탄산시비 기술, 파장변동형 QD-LED를 이용한 신개념 보광 기술 등 독자 개발한 핵심 기술들이 스마트팜 환경/에너지 통합 제어 시스템을 통하여 옥상온실 와이즈팜에서 구현되고 있다.

와이즈팜은 연구 개발을 주목적으로 구축되었으나 다양한 목적으로 활용되고 있다. 기계연구원 패밀리기업인 쉘파스페이스는 와이즈팜에서 개발한 재배용 QD-LED 기술로 2020년 미국 라스베이거스에서 개최된 CES에서 혁신상을 받았다. 또한 사내동호회 참여, 작물 나눔 행사 등 직원 복지용으로도 활용 중이며, 연구원의 대표 견학 코스로 자리매김하였고, TV, 잡지 등 많은 홍보 실적도 올리고 있어 옥상온실이 추구하는 다양한 가치가 연구원 내에서 실현되고 있다. 기계연구원은 최근 와이즈팜 과제의 우수한 성과를 바탕으로 기계/에너지/건축/농업을 아우르는 320억 원 규모의 산업부 건물형 도시농업 신규과제를 수주하였다. 이 과제가 종료되는 2025년에는 미래 도시농업의 새로운 건축모델이 도출될 것으로 기대된다.

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