지중냉각이나 양액냉각과 같은 근권부 냉각은 뿌리의 활력 증진, 양수분 흡수력의 향상, 작물체온의 강하 및 고온스트레스의 감소 등에 효과가 있는 것으로 알려져 있으며, 또한 온실 전체를 냉방하는것 보다 경제적이다. 따라서 본 연구에서는 지중냉각시스템을 경제적인 고온극복 방법중의 하나로 생각하고, 기술을 체계화하기 위한 시도로 지중냉각시스템의 열전달 특성을 분석하여 냉각부하를 산정하기 위한 실험을 수행하였다. 지중열류 측정자료로부터 힘수비에 따른 토양의 열전도율을 분석하였으며, 함수비 19~36%의 범위에서 열전도율은 0.83~0.96W.m$^{-}$.$^{\circ}C$$^{-}$로 직선적인 증가를 보였다. 일사량, 지표온도 및 기온의 관측치로부터 일사량에 따른 지표온도 상승을 회귀분석한 결과 거의 직선적인 관계를 보였으며, 지표온도는 실내 수평면 일사량 300~800W.m$^{-2}$ 범위에서 작물이 없는 경우 3.5~7.$0^{\circ}C$,작물이 지표면을 거의 덮고 있는 경우 1.0~2.5$^{\circ}C$ 정도 기온보다 상승하는 것으로 나타났다. 실험자료를 이용하여 온실의 설계기온과 냉각설정 지온, 일사량 및 토양의 함수비에 따른 지중냉각시스템의 냉각부하를 구하였다. 실내일사량 300~600W.m$^{-2}$ , 토양함수비 20~40%의 범위에서 기온과 지온의 차이를 1$0^{\circ}C$로 유지하기 위해서는 46~59W.m$^{-2}$ 의 냉각열량이 필요한 것으로 나타났다. 보다 정확한 설계자료의 구축을 위해서는 다양한 조건별 실험을 추가로 수행해야 할 것으로 생각된다.EX>$\mu$$_{r}$′) and the dielectric loss ($\varepsilon$$_{r}$"/$\varepsilon$$_{r}$′) were increased. It was caused that the absorption characteristics of the absorber were improved. The conduction loss and magnetic loss were expected to be occurred together because two matching frequencies were shown with carbon addition. It was confirmed that the matching frequency of the microwave absorber could be controlled by controlling heat-treatment temperatures and carbon additions.ons.tions.加的)으로 되거나 과가황(過加黃)이 될 우려가 있는 제조공정(製造工程)에서는 흔히들 이 방법(方法)을 무시(無視)하고 있다. 여기서 강조(强調)해 두어야 할 것은 항상 제품(製品)의 외부(外部)를 완전(完全)히 가황(加黃)시킬 필요(必要)는 없다는 것이다. 다공성(多孔性)이나 기포생성(氣泡生成)을 조장(助長)하는 불량가황상태(不良加黃狀態)와 표면(表面)에서의 과가황상태간(過加黃狀態間)의 균형(均衡)을 취(取)해 줘야 하는데 물론(勿論) 이때는 가황시간(加黃時間)을 단축(短縮)시켜야 한다는 경제적(經濟的)인 측면(側面)도 아울러 고려(考慮)해야 한다. 이것은 고무기술자(技術者)가 당면(當面)해야할 과제(課題)
지중냉각이나 양액냉각과 같은 근권부 냉각은 뿌리의 활력 증진, 양수분 흡수력의 향상, 작물체온의 강하 및 고온스트레스의 감소 등에 효과가 있는 것으로 알려져 있으며, 또한 온실 전체를 냉방하는것 보다 경제적이다. 따라서 본 연구에서는 지중냉각시스템을 경제적인 고온극복 방법중의 하나로 생각하고, 기술을 체계화하기 위한 시도로 지중냉각시스템의 열전달 특성을 분석하여 냉각부하를 산정하기 위한 실험을 수행하였다. 지중열류 측정자료로부터 힘수비에 따른 토양의 열전도율을 분석하였으며, 함수비 19~36%의 범위에서 열전도율은 0.83~0.96W.m$^{-}$.$^{\circ}C$$^{-}$로 직선적인 증가를 보였다. 일사량, 지표온도 및 기온의 관측치로부터 일사량에 따른 지표온도 상승을 회귀분석한 결과 거의 직선적인 관계를 보였으며, 지표온도는 실내 수평면 일사량 300~800W.m$^{-2}$ 범위에서 작물이 없는 경우 3.5~7.$0^{\circ}C$,작물이 지표면을 거의 덮고 있는 경우 1.0~2.5$^{\circ}C$ 정도 기온보다 상승하는 것으로 나타났다. 실험자료를 이용하여 온실의 설계기온과 냉각설정 지온, 일사량 및 토양의 함수비에 따른 지중냉각시스템의 냉각부하를 구하였다. 실내일사량 300~600W.m$^{-2}$ , 토양함수비 20~40%의 범위에서 기온과 지온의 차이를 1$0^{\circ}C$로 유지하기 위해서는 46~59W.m$^{-2}$ 의 냉각열량이 필요한 것으로 나타났다. 보다 정확한 설계자료의 구축을 위해서는 다양한 조건별 실험을 추가로 수행해야 할 것으로 생각된다.EX>$\mu$$_{r}$′) and the dielectric loss ($\varepsilon$$_{r}$"/$\varepsilon$$_{r}$′) were increased. It was caused that the absorption characteristics of the absorber were improved. The conduction loss and magnetic loss were expected to be occurred together because two matching frequencies were shown with carbon addition. It was confirmed that the matching frequency of the microwave absorber could be controlled by controlling heat-treatment temperatures and carbon additions.ons.tions.加的)으로 되거나 과가황(過加黃)이 될 우려가 있는 제조공정(製造工程)에서는 흔히들 이 방법(方法)을 무시(無視)하고 있다. 여기서 강조(强調)해 두어야 할 것은 항상 제품(製品)의 외부(外部)를 완전(完全)히 가황(加黃)시킬 필요(必要)는 없다는 것이다. 다공성(多孔性)이나 기포생성(氣泡生成)을 조장(助長)하는 불량가황상태(不良加黃狀態)와 표면(表面)에서의 과가황상태간(過加黃狀態間)의 균형(均衡)을 취(取)해 줘야 하는데 물론(勿論) 이때는 가황시간(加黃時間)을 단축(短縮)시켜야 한다는 경제적(經濟的)인 측면(側面)도 아울러 고려(考慮)해야 한다. 이것은 고무기술자(技術者)가 당면(當面)해야할 과제(課題)
Root zone cooling, such as soil or nutrient solution cooling, is less expensive than air cooling in the whole greenhouse and is effective in promoting root activity, improving water absorption rate, decreasing plant temperature, and reducing high temperature stress. The heat transfer of a soil cooli...
Root zone cooling, such as soil or nutrient solution cooling, is less expensive than air cooling in the whole greenhouse and is effective in promoting root activity, improving water absorption rate, decreasing plant temperature, and reducing high temperature stress. The heat transfer of a soil cooling system in a plastic greenhouse was analyzed to estimate cooling loads. The thermal conductivity of soil, calculated by measured heat fluxes in the soil, showed the positive correlation with the soil water content. It ranged from 0.83 to 0.96 W.m$^{[-10]}$ .$^{\circ}C$$^{[-10]}$ at 19 to 36％ of soil water contents. As the indoor solar radiation increased, the temperature difference between soil surface and indoor air linearly increased. At 300 to 800 W.m$^{-2}$ of indoor solar radiations, the soil surface temperature rose from 3.5 to 7.$0^{\circ}C$ in bare ground and 1.0 to 2.5$^{\circ}C$ under the canopy. Cooling loads in the root zone soil were estimated with solar radiation, soil water content, and temperature difference between air and soil. At 300 to 600 W.m$^{-2}$ of indoor solar radiations and 20 to 40％ of soil water contents,46 to 59 W.m$^{-2}$ of soil cooling loads are required to maintain the temperature difference of 1$0^{\circ}C$ between indoor air and root zone soil.
Root zone cooling, such as soil or nutrient solution cooling, is less expensive than air cooling in the whole greenhouse and is effective in promoting root activity, improving water absorption rate, decreasing plant temperature, and reducing high temperature stress. The heat transfer of a soil cooling system in a plastic greenhouse was analyzed to estimate cooling loads. The thermal conductivity of soil, calculated by measured heat fluxes in the soil, showed the positive correlation with the soil water content. It ranged from 0.83 to 0.96 W.m$^{[-10]}$ .$^{\circ}C$$^{[-10]}$ at 19 to 36％ of soil water contents. As the indoor solar radiation increased, the temperature difference between soil surface and indoor air linearly increased. At 300 to 800 W.m$^{-2}$ of indoor solar radiations, the soil surface temperature rose from 3.5 to 7.$0^{\circ}C$ in bare ground and 1.0 to 2.5$^{\circ}C$ under the canopy. Cooling loads in the root zone soil were estimated with solar radiation, soil water content, and temperature difference between air and soil. At 300 to 600 W.m$^{-2}$ of indoor solar radiations and 20 to 40％ of soil water contents,46 to 59 W.m$^{-2}$ of soil cooling loads are required to maintain the temperature difference of 1$0^{\circ}C$ between indoor air and root zone soil.
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문제 정의
그러나 지중가온은 주로 일사가 없는 야간에 이루어지는데 반하여 지중냉각은 일사가 강한 여름철의 주간에 실시되므로 열부하는 큰 차이를 보이게 될 것이다. 따라서 본 연구에서는 지중 냉각시스템의 기술을 체계화하고 설계자료를 제공할 목적으로 실험을 통하여 지중 냉각시스템의 열전달 특성을 분석하고, 환경조건별로 냉각부하를 산정하였다.
제안 방법
토양수분을 텐시오미터(DIK-3150, Daiki)로 측정하고, 수분장력 (pF)은 동일한 토양샘플로부터 실내실험을 통하여 함수비 (%)로 변환하였다. 또한 지하수 유량과 수온, 지표 및 지중온도(50 cm 깊이), 온실 내의기온, 일사량, 풍속 등을 동시에 계측하였다. 실험은 2001년(작물이 없는 상태)과 2002년(공시작물 호박) 7~8월중에 충남대학교 부속농장에 설치된 단동 플라스틱 온실 (6 m X 18 m)에서 실시하였다.
실험결과를 기초로 온실 기온과 설정 지온의 차이, 실내 일사량및 토양의 함수비에 따른 지중 냉각부하를 구하였다. 지중에 매설된 냉각파이프를 통하여 제거해야할 열량은 거의 대부분 지표로부터 냉각파이프 상단으로 유입되는 지중열류이므로 다음 식과 같이 된다.
1은 지중 냉각시스템의 열전달 실험 모식도이다. 외경 27.2 mm, 두께 3 mm, 길이 6 m인 스테인레스 파이프를 지중 20 cm 깊이에 매설하고, 지하수를 흘리면서 지중냉각 실험을 수행하였다. 그림에서와같이 토양층에 격자망을 구성하여 열전대(T형, 0.
4 및 식 (6)), 지중열류 계측치로부터 구한 함수비에 따른 열전도율(식(4))을 이용하여, 지중 20 cm에 매설된 파이프의 상부로부터 토양을 통하여 전달되는 전도열 전달량(식(1))을 구하여 냉각부하로 하였다. 지중가온 시스템의 난방부하를 구하는 방법과 유사하게 목표로 하는 온실의 설계온도와 냉각설정 지온, 토양의 함수비와 실내일사량을 입력자료로 하여 지중냉각부하를 구할 수 있는 도표를 작성하였다.
토양 함수비에 따른 지중 열류와 토양의 열전도율, 일사랑에 따른 지표온도와 실내온도의 차이, 지하수 유량에 따른 지중 냉각열량의 변화, 냉각열량에 따른 평균지온의 변화와 냉각 효과를 분석하였다. 실험결과를 기초로 온실 기온과 설정 지온의 차이, 실내 일사량및 토양의 함수비에 따른 지중 냉각부하를 구하였다.
3 nun)로 온도를 계측하고, 냉각파이프 상하 연직 및 수평 방향의 열류를 열류판(MP-75-D, EKO)으로 계측흐]" 였다. 토양수분을 텐시오미터(DIK-3150, Daiki)로 측정하고, 수분장력 (pF)은 동일한 토양샘플로부터 실내실험을 통하여 함수비 (%)로 변환하였다. 또한 지하수 유량과 수온, 지표 및 지중온도(50 cm 깊이), 온실 내의기온, 일사량, 풍속 등을 동시에 계측하였다.
대상 데이터
또한 지하수 유량과 수온, 지표 및 지중온도(50 cm 깊이), 온실 내의기온, 일사량, 풍속 등을 동시에 계측하였다. 실험은 2001년(작물이 없는 상태)과 2002년(공시작물 호박) 7~8월중에 충남대학교 부속농장에 설치된 단동 플라스틱 온실 (6 m X 18 m)에서 실시하였다.
성능/효과
실험 온실 토양의 토성은 국제토양학회법에 의해 사양토(SL)로 분류되었으며, 실험기간 동안의 지면 50cm 높이의 실내풍속은 0.1~0.4 m・ L의 범위로 나타났다. 토양의 함수비는 18.
5는 지하수 유량에 따른 지중냉각 열량을 나타낸 것으로서 유량이 증가함에 따라 지중냉각 열량도 증가하지만, 그 증가율은 감소하는 것으로 나타났다. 실험기간동안 냉각파이프 입구의 지하수 수온은 18.2~ 21.4°C(2(평균 19.9°C0로 비교적 높았다. 온실로부터 수원까지의 거리가 멀고, 기계적인 냉각장치를 사용하지 않았기 때문으로써 지중냉각시스템의 광범위한 열특성을 파악하는 것은 어려웠지만, 냉각하지 않은 경우의 평균 지온이 27~29.
9°C0로 비교적 높았다. 온실로부터 수원까지의 거리가 멀고, 기계적인 냉각장치를 사용하지 않았기 때문으로써 지중냉각시스템의 광범위한 열특성을 파악하는 것은 어려웠지만, 냉각하지 않은 경우의 평균 지온이 27~29.5°C(2까지 상승하였으므로 냉각효과를 분석하는데는 큰 문제가 없는 것으로 판단되었다.
4는 일사량에 따른 지표온도의 상승을 실내온도와의 차이로 나타낸 것이다. 일사량의 증가에 따라 지표온도는 거의 직선적으로 상승하는 것으로 나타났으며, 지표층의 피복상태에 따라 큰 차이를 보이는 것을 알 수 있었다. 지표온도의 상승을 작물이 거의 없는 상태(LAI<0.
함수비가 증가함에 따라 열전도율이 커지기 때문에 열류도 증가하지만, 적정 함수비 범위에서는 큰차이가 없는 것으로 나타났다. 지표에서의 일사 흡수 및 냉각파이프와 지온의 차이가 큰 파이프 상부의 수직 열류가 가장 커서 40~120W・m-2의 범위를 보였고, 하부는 약 3%, 수평 방향은 10% 정도로 작게 나타났다.
2와 같이 나타났다. 함수비가 증가함에 따라 열전도율이 커지기 때문에 열류도 증가하지만, 적정 함수비 범위에서는 큰차이가 없는 것으로 나타났다. 지표에서의 일사 흡수 및 냉각파이프와 지온의 차이가 큰 파이프 상부의 수직 열류가 가장 커서 40~120W・m-2의 범위를 보였고, 하부는 약 3%, 수평 방향은 10% 정도로 작게 나타났다.
여기서,는 토양의 함수비(%)이다. 회귀식의 R2 값은 0.485로 비교적 낮지만, F검정 결과 1%의 유의수준에서 유의성이 인정되었다. 사양토의 열전도율은 건조 상태에서 0.
후속연구
본 연구는 제한된 조건하에서 수행된 실험 결과를 이용하여 지중냉각시스템의 냉각부하를 추정해본 것으로서, 보다 정확한 설계자료의 구축을 위해서는 다양한조건별 실험을 추가로 수행해야 할 것으로 생각된다.
한편 파이프의 매설 깊이와 간격은 작물의 재식 거리와 뿌리의 분포, 즉 근군역의 범위를 고려하여 결정하고, 파이프의 길이가 너무 길면 냉각수의 수온이 상승하여 후반부의 냉각효과가 떨어지므로 냉각수의 입구와 출구를 분리한 병렬 연결의 파이프라인을 구성하는 것이 바람직할 것이다.
참고문헌 (9)
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