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한국생물환경조절학회 / v.5, no.2, 1996년, pp.215-235 
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시뮬레이션 모형에 의한 온실의 열환경 분석
( Analysis of Greenhouse Thermal Environment by Model Simulation ) |
| 서원명;윤용철; 경상대학교 농과대학 농공학과;경상대학교 농과대학 농공학과;
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| 초 록 |
| 본 연구에서 수행한 Model 시뮬레이션에 의한 열환경 분석 기법은 지역별로 다양한 기상여건 하에서 대상온실의 난방 및 냉방부하를 보다 합리적으로 예측할 수 있을 뿐만 아니라 냉방이나 난방용 시스템의 결정을 비롯한 난방대책을 수립하고, 에너지 이용 전략의 수립이나 계절적인 작부계획 수립, 온실산업용 적지선정 등에 유익하게 활용될 수 있을 것이라 판단된다. 본 연구에서는 온실의 적극적인 환경조절 유형을 난방과 냉방의 두 가지로 대별하고, 난방 소요열량 산정을 비롯하여 야간의 보온 커튼효과, Heating Degree-Hour 산정 등 난방과 관련된 시뮬레이션은 동적 모형을 이용하여 시간별, 일별 및 월별로 검토하였으며, 환기를 비롯한 차광, 증발냉각시스템의 효과 분석은 정적모형을 이용하여 검토하였다. 특히 하절기 지하수와 같은 저온수를 직접 이용하거나 Heat Pump를 통하여 확보될 수 있는 저온수를 이용하여 온실의 피복면에 살수함으로서 확보할 수 있는 온실냉방효과를 검토하는 데는 1.2m$ imes$2.4m 크기의 모형온실을 제작하여 기초실험을 수행함으로서 동절기의 수막시스템의 보온효과와 마찬가지로 하절기 냉방 효과를 거둘 수 있다는 가능성을 확인하였다. 본 연구에 활용된 온실의 수치 환경모형 중 난방관련 시뮬레이션용 동적 수치모형은 소기의 목적을 달성하는데 충분히 응용될 수 있는 이론모형이다. 이 이론모형이 범용성이 높은 것은 온실 내ㆍ외의 미기상 변화, 특히 난방이나 냉방이 본격적으로 요구되는 기간동안에 온도, 습도, 일사, 풍속 등의 미기상 인자들을 면밀하게 관찰하여 실측된 자료를 바탕으로 개발되었고, 다양한 자료에 의해 충분히 검정되었기 때문이다. 본 연구에서는 경남 진주지역의 어느 특정 기간(1987년)의 시간별 기상자료를 중심으로 온실의 열적 환경변화에 대한 수치모형 시뮬레이션을 실시하였으며, 아직 수치모형에 의한 시뮬레이션이 불가능한 일부 냉방효과를 검토하는 데는 모형 실험을 실시하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 주간과 야간의 설정온도를 달리하고 다단계 변온조절방식으로 시뮬레이션을 행한 결과 난방 소요열량은 난방 설정온도에 따라 현저한 차이를 보였다. 특히 주간 설정온도에 비하여 야간 설정온도가 난방 소요열량에 예민하게 영향을 미치므로 야간의 설정온도 결정에 신중을 기해야 할 것으로 판단된다. 2. 기존의 Heating Degree-Hour 자료는 평균 외기온을 중심으로 임의의 설정온도에 대하여 산정된 값이므로 난방 소요열량에 대한 상대적인 비교수단은 되나 고려되는 기상인자의 제한과 설정온도의 임의성 때문에 실용성이 부족하다. 따라서 본 연구에서 제시된 것처럼 온실 주변의 제반 미기상 인자나 경계조건이 반영됨은 물론 작물의 생육상태 및 구체적인 설정온도까지도 고려하는 동적 수치모형으로 시시각각으로 예측된 실내기온을 중심으로 재배기간 동안의 난방열량을 적산함이 합리적이라 판단된다. 기존의 MDH 자료로 난방 설계를 할 경우에는 지나치게 과잉설계 될 가능성이 있다. 3. 산정된 난방 소요열량은 물론 커튼의 보온성능도 월별 기상여건에 따라 현저한 차이를 보이며, 시뮬레이션에 이용된 커튼의 경우 높은 보온효과를 보임으로서 년 평균 50% 이상의 난방 에너지를 절감할 수 있으며, 동절기 3-4개월의 집중 난방기에 에너지가 크게 절감됨을 발견할 수 있다. 4. 고온기 환기성능은 온실의 구조, 기상조건, 작물의 생육상태 등에 따라 다소의 차이가 있으나 환기율에 의해 크게 좌우되며, 시뮬레이션에 이용된 두 가지 농가보급형 온실 모두 환기율의 증가에 따른 실내기온의 강하 효과가 환기율이 1회/min 정도를 넘어서면서 급격히 둔화되는 현상을 보인다. 이는 기존에 권장되고 있는 적정 환기율인 1회/min 전후의 환기 시스템을 갖추는 것이 합리적임을 확인해 준다. 5. 작물이 성숙된 유리온실에서 외기의 상대습도가 50%인 쾌청한 주간동안 연속적으로 1회/min로 환기를 시킬 경우 실내기온 36.5$^{circ}C$의 대조구에 비한 온도강하는 50% 차광만 했을 시 2.6$^{circ}C$이고 효율 80%의 Pad ＆ Fan 시스템만 작동시 6.1$^{circ}C$ 정도이며, 차광과 냉각시스템을 동시에 작동시는 약 8.6$^{circ}C$로서 외기온보다 3.3$^{circ}C$가 낮은 28$^{circ}C$까지 실내온도를 낮출 수 있으나, 동일 조건하에서 외기의 상대습도가 80%로 높은 경우에는 Pad ＆ Fan시스템에 의한 온도강하가 2.4$^{circ}C$에 불과하여 50% 차광하에서도 외기온 이하로 실내온도를 낮출 수 없음을 알 수 있다. 6. 하절기 3개월(6/1-8/31)동안 Pad ＆ Fan 시스템의 냉방효과($Delta$T)는 설정된 작동 온도에 따라 다소 차이를 보일 것으로 예상되나 본 시뮬레이션에서 설정한 시스템의 작동 온도 27$^{circ}C$에서 상대습도와의 상관관계는 대략 다음과 같았다: $Delta$T= -0.077RH＋7.7 7. 전형적인 하절기 주간기상 하에서 경시적 냉방효과를 분석한 결과 환기만으로는 실내기온을 외기온 보다 5$^{circ}C$ 높게 유지하는 정도가 고작이고, 차광이나 증발식 냉방시스템 만으로는 작물이 성숙한 단계에서조차도 외기온 이하로 떨어뜨리기가 어려우나 차광과 아울러 증발식 냉방을 병행할 경우에는 작물상태에 따라 다소 차이는 있지만 실내기온을 외기온보다 2.0-2.3$^{circ}C$ 낮게 유지할 수 있음을 발견할 수 있다. 8. 일사가 차단된 27.5-28.5$^{circ}C$의 외기온하에서 6.5-8.5$^{circ}C$의 냉수를 온실 바닥면적 1$m^2$당 1.3 liter/min의 유량으로 온실표면에 살수했을 때 실내기온을 외기온보다 1$0^{circ}C$ 낮은 16.5-18.$0^{circ}C$ 정도로 낮출 수 있었다. 앞으로 살수 수온(T$_{w}$ )이나 외기온(T$_{o}$ ) 뿐만아니라 살수율(Q)에 따라 온실기온 (T$_{g}$ )에 미치는 상관 관계 T$_{g}$ = f(T$_{w}$ , Q, T$_{o}$ )를 구명하여 지하수 자체 또는 Heat Pump를 이용한 지하수온 이하의 냉수로 온실냉방의 가능성을 구명하는 것이 앞으로의 과제이다. |
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| The thermal analysis by mathematical model simulation makes it possible to reasonably predict heating and/or cooling requirements of certain greenhouses located under various geographical and climatic environment. It is another advantages of model simulation technique to be able to make it possible to select appropriate heating system, to set up energy utilization strategy, to schedule seasonal crop pattern, as well as to determine new greenhouse ranges. In this study, the control pattern for greenhouse microclimate is categorized as cooling and heating. Dynamic model was adopted to simulate heating requirements and/or energy conservation effectiveness such as energy saving by night-time thermal curtain, estimation of Heating Degree-Hours(HDH), long time prediction of greenhouse thermal behavior, etc. On the other hand, the cooling effects of ventilation, shading, and pad ||||&|||| fan system were partly analyzed by static model. By the experimental work with small size model greenhouse of 1.2m$ imes$2.4m, it was found that cooling the greenhouse by spraying cold water directly on greenhouse cover surface or by recirculating cold water through heat exchangers would be effective in greenhouse summer cooling. The mathematical model developed for greenhouse model simulation is highly applicable because it can reflects various climatic factors like temperature, humidity, beam and diffuse solar radiation, wind velocity, etc. This model was closely verified by various weather data obtained through long period greenhouse experiment. Most of the materials relating with greenhouse heating or cooling components were obtained from model greenhouse simulated mathematically by using typical year(1987) data of Jinju Gyeongnam. But some of the materials relating with greenhouse cooling was obtained by performing model experiments which include analyzing cooling effect of water sprayed directly on greenhouse roof surface. The results are summarized as follows : 1. The heating requirements of model greenhouse were highly related with the minimum temperature set for given greenhouse. The setting temperature at night-time is much more influential on heating energy requirement than that at day-time. Therefore It is highly recommended that night- time setting temperature should be carefully determined and controlled. 2. The HDH data obtained by conventional method were estimated on the basis of considerably long term average weather temperature together with the standard base temperature(usually 18.3$^{circ}C$). This kind of data can merely be used as a relative comparison criteria about heating load, but is not applicable in the calculation of greenhouse heating requirements because of the limited consideration of climatic factors and inappropriate base temperature. By comparing the HDM data with the results of simulation, it is found that the heating system design by HDH data will probably overshoot the actual heating requirement. 3. The energy saving effect of night-time thermal curtain as well as estimated heating requirement is found to be sensitively related with weather condition: Thermal curtain adopted for simulation showed high effectiveness in energy saving which amounts to more than 50% of annual heating requirement. 4. The ventilation performances doting warm seasons are mainly influenced by air exchange rate even though there are some variations depending on greenhouse structural difference, weather and cropping conditions. For air exchanges above 1 volume per minute, the reduction rate of temperature rise on both types of considered greenhouse becomes modest with the additional increase of ventilation capacity. Therefore the desirable ventilation capacity is assumed to be 1 air change per minute, which is the recommended ventilation rate in common greenhouse. 5. In glass covered greenhouse with full production, under clear weather of 50% RH, and continuous 1 air change per minute, the temperature drop in 50% shaded greenhouse and pad ＆ fan systemed greenhouse is 2.6$^{circ}C$ and.6.1$^{circ}C$ respectively. The temperature in control greenhouse under continuous air change at this time was 36.6$^{circ}C$ which was 5.3$^{circ}C$ above ambient temperature. As a result the greenhouse temperature can be maintained 3$^{circ}C$ below ambient temperature. But when RH is 80%, it was impossible to drop greenhouse temperature below ambient temperature because possible temperature reduction by pad ||||&|||| fan system at this time is not more than 2.4$^{circ}C$. 6. During 3 months of hot summer season if the greenhouse is assumed to be cooled only when greenhouse temperature rise above 27$^{circ}C$, the relationship between RH of ambient air and greenhouse temperature drop($Delta$T) was formulated as follows : $Delta$T= -0.077RH＋7.7 7. Time dependent cooling effects performed by operation of each or combination of ventilation, 50% shading, pad ＆ fan of 80% efficiency, were continuously predicted for one typical summer day long. When the greenhouse was cooled only by 1 air change per minute, greenhouse air temperature was 5$^{circ}C$ above outdoor temperature. Either method alone can not drop greenhouse air temperature below outdoor temperature even under the fully cropped situations. But when both systems were operated together, greenhouse air temperature can be controlled to about 2.0-2.3$^{circ}C$ below ambient temperature. 8. When the cool water of 6.5-8.5$^{circ}C$ was sprayed on greenhouse roof surface with the water flow rate of 1.3 liter/min per unit greenhouse floor area, greenhouse air temperature could be dropped down to 16.5-18.$0^{circ}C$, whlch is about 1$0^{circ}C$ below the ambient temperature of 26.5-28.$0^{circ}C$ at that time. The most important thing in cooling greenhouse air effectively with water spray may be obtaining plenty of cool water source like ground water itself or cold water produced by heat-pump. Future work is focused on not only analyzing the feasibility of heat pump operation but also finding the relationships between greenhouse air temperature(T$_{g}$ ), spraying water temperature(T$_{w}$ ), water flow rate(Q), and ambient temperature(T$_{o}$). |
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| 키워드 |
| 난방;냉방;온실;모형 시뮬레이션;heating;cooling;greenhouse;model simulation; |
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생물환경조절학회지 / v.5, no.2, 1996년, pp.215-235
한국생물환경조절학회
ISSN : 1229-4675
UCI : G100:I100-KOI(KISTI1.1003/JNL.JAKO199611922405105)
언어 : 한국어 |
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| 논문 제공 : KISTI 한국과학기술정보연구원 |
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