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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 CFD를 이용하여 토양 수분을 고려한 토양 열전도 모델과 지상부 열환경 모델을 포함하는 폐쇄생태계내의 지표면 열류 모델을 개발하고 실험을 통하여 검증한 후, 다양한 환경조건에 따른 지표면에서의 열전달계수를 도출하여 토양과 지상부 사이에 전류되는 열량을 정량적으로 파악함으로써, 에너지이용 효율 분석, 온실 지중가온과 지중냉각시스템의 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
- 다양한 환경조건에 따른 지표면에서의 열전달계수 도출, 토양과 지상부 사이에 전류되는 열량의 정량적 파악, 에너지이용 효율 분석 및 지중가온과 지중냉각시스템의 설계를 위한 기초자료 제공을 목적으로 CFD를 이용하여 토양수분을 고려한 토양 열전도 모델과 지상부 열환경 모델을 포함하는 폐쇄생태계 내의 지표면 열류 모델을 개발하고 실험을 통하여 검증하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 실험장치(Closed Ecosystem)는 농촌진흥청에서 제시한 표준형 단동 유리온실(3-1 S형)을 1/10로 축소한 크기로 제작하였다. 각목과 합판을 이용하여 뼈대구조를 만들고, 두께 30mm의 스티로폼을 사용하여 외부환경의 영향을 최소화할 수 있는 단열시스템으로 설계하였다.
- 1은 실험장치의 정면도이며, 폭 900mm, 처마높이 300mm, 지붕높이 530mm 그리고 길이 1,800mm로 제작하였다. 바닥으로부터 흙을 채워 200mm 깊이의 토양층을 형성하였고, 한쪽 벽면에는 강제환기를 위한 4개의 소형팬을 설치하였으며, 반대쪽 벽면의 같은 위치에 팬과 동일한 크기로 4개의 환기창을 구성하였다.
- 실험데이터는 Fig. 2와 같이 지상부, 토양표면 그리고 토양층의 3부분으로 나누어 각각의 열환경 인자(factor)를 계측하였다. 지상부에서는 온도, 습도 및 공기유속을 측정하였고, 지표면에서는 지상부와 토양층 사이에서 교환이 이루어지는 열류량을 계측하였으며, 토양층에서는 높이 및 위치에 따라 토양층의 온도를 측정하였다.
- 2와 같이 지상부, 토양표면 그리고 토양층의 3부분으로 나누어 각각의 열환경 인자(factor)를 계측하였다. 지상부에서는 온도, 습도 및 공기유속을 측정하였고, 지표면에서는 지상부와 토양층 사이에서 교환이 이루어지는 열류량을 계측하였으며, 토양층에서는 높이 및 위치에 따라 토양층의 온도를 측정하였다.
- 온습도 센서(Hobo, Onset Computer Corporation)를 실험장치 중앙 및 실외에 설치하여 30초 간격으로 실내외 온습도를 계측하였다. 그리고 열선 풍속계(Series 640-0, Dwyer Instrument.
- 온습도 센서(Hobo, Onset Computer Corporation)를 실험장치 중앙 및 실외에 설치하여 30초 간격으로 실내외 온습도를 계측하였다. 그리고 열선 풍속계(Series 640-0, Dwyer Instrument. Inc)를 팬의 중심축에 맞춰 실험장치 중앙에 설치하여 실내공기 유속을 계측하였다.
- 토양층에서의 온도는 열전대(T-type, 0.3㎜)를 Fig. 2와 같이 실험장치 중앙 및 전·후 1/4 지점에 각각 50, 100, 150mm 깊이로 매설하여, 총 9지점에서 각각의 토양온도를 계측하였다. 토양층의 지표면 중앙에 열류판(MF-140, EKO Instruments Trading Co.
- 2와 같이 실험장치 중앙 및 전·후 1/4 지점에 각각 50, 100, 150mm 깊이로 매설하여, 총 9지점에서 각각의 토양온도를 계측하였다. 토양층의 지표면 중앙에 열류판(MF-140, EKO Instruments Trading Co. Ltd.)을 설치하여 토양표면에서의 열류량을 계측하였다. 또한 열류판 바로 옆의 토양표면에 열전대를 설치하여 토양표면온도를 계측하였다.
- )을 설치하여 토양표면에서의 열류량을 계측하였다. 또한 열류판 바로 옆의 토양표면에 열전대를 설치하여 토양표면온도를 계측하였다. 열선풍속계, 열전대 및 열류판의 계측값은 Data Recorder(KM-180, Konics)를 이용하여 10분 간격으로 기록하였다.
- 또한 열류판 바로 옆의 토양표면에 열전대를 설치하여 토양표면온도를 계측하였다. 열선풍속계, 열전대 및 열류판의 계측값은 Data Recorder(KM-180, Konics)를 이용하여 10분 간격으로 기록하였다.
- 환기량은 실내의 공기유동뿐 아니라 지표면의 열전달계수에 영향을 주는 요인이므로, 이를 변수로 주기 위해서 실험장치의 한쪽 벽면에는 4개의 소형팬(5915PC-22T-B30-B00, Minebea. Co. Ltd.)을 반대쪽 벽면에는 환기창을 설치하여 총 5단계로 환기량을 조절할 수 있도록 설계하였다. 모형실험이기 때문에 시설의 환기회수를 고려하지 않고, 실내유속을 기준으로 설계하였다.
- )을 반대쪽 벽면에는 환기창을 설치하여 총 5단계로 환기량을 조절할 수 있도록 설계하였다. 모형실험이기 때문에 시설의 환기회수를 고려하지 않고, 실내유속을 기준으로 설계하였다. 작물 생육에 적합한 실내유속은 0.
- 5m/s 정도 되어야 한다고 하였다(김 등, 2002). 겨울철 밀폐된 온실의 경우 실내유속은 0.0m/s에 가깝고 여름철 개방온실의 경우에는 실내유속이 1m/s를 초과하므로 0~1.5m/s 범위내에서 실험이 이루어질 수 있도록 계획하였다. Table 1은 팬의 작동수에 따른 실내유속의 측정결과를 나타낸 것이다.
- 지표면 온도와 실내온도의 차이에 따라 열전달은 지표면온도가 실내온도보다 높은 경우(Tair < Tsurf)와 지표면 온도가 실내온도보다 낮은 경우(Tair > Tsurf)의 2가지로 처리하여 실험을 수행하였다. 지표면 온도가 실내온도보다 낮은 경우, 본 실험이 하절기에 이루어져 계절적 특성상 실내온도가 지표면 온도보다 높게 형성되어 아무런 처리를 하지 않은 상태에서 이루어졌다.
- 지표면 온도가 실내온도보다 낮은 경우, 본 실험이 하절기에 이루어져 계절적 특성상 실내온도가 지표면 온도보다 높게 형성되어 아무런 처리를 하지 않은 상태에서 이루어졌다. 반면, 지표면 온도가 실내온도보다 높은 경우에는 지표면온도가 실내온도보다 높게 형성되도록 하기 위해 토양층의 50mm 깊이에 전열선을 매설하고, 자동 온도조절기를 이용하여 토양 온도가 35~38℃까지 가열되도록 지중가온 처리를 하였다.
- 격자망의 구성은 계산시간 및 계산의 정확도에 영향을 미치게 되기 때문에 격자를 구성할 때 계산영역 내에서도 중요성을 판단하여 격자간의 간격을 적절히 조절해 줄 필요가 있다. 본 모델에서는 축소된 온실 모형 내에서 특히, 토양표면에서 이루어지는 열전달을 정밀하게 파악하기 위해서 토양표면에 가까울수록 격자망을 더 조밀하게 구성하였다. CFD 모델은 다음과 같이 크게 3부분으로 구성되며, 각각의 모델은 시뮬레이션 과정에서 하나로 통합되도록 하였다.
- 3(a)는 지표면 온도가 실내온도보다 낮은 경우(Tair > Tsurf)의 실험모델을 격자망으로 구성한 것이다. 격자망 구성은 먼저 면격자를 작성한 뒤, 공간격자를 구성하였다. 면격자는 총 22,210개의 격자로 구성되었으며, 면적이 넓은 실험장치의 벽면은 간격을 20mm로 하였고, 면적이 작은 팬과 환기창에 해당하는 부분은 간격을 10mm로 하여 구성하였다.
- 3(b) 역시 면격자를 먼저 구성하고, 공간격자를 구성하였다. 그러나 지중가온 모델이기 때문에 토양층에 매설된 전열선을 고려하여 격자를 구성하였다. 전열선의 단면적은 작기 때문에 격자 간격은 5mm로 하여 사각격자로 구성하였다.
- 따라서, 전열선을 포함한 지중가온 모델은 총 61,290개의 면격자로 구성되었으며, 다른 면격자의 구성은 Tair > Tsurf인 경우의 모델과 동일하게 구성되었다. 그러나 공간격자의 구성은 6면체 셀을 이용하여 토양층을 구성한 Tair > Tsurf의 모델과는 달리, 전열선이 매설된 토양층의 공간격자 구성은 육면체 셀이 불가능하기 때문에 공기층과 같은 4면체 셀을 이용하여 구성하였다. 따라서 지중가온 모델의 공간격자는 공기층에서 212,737개와 토양층에서 624,985개가 생성되어 총 837,722개의 공간격자로 구성되었다.
- 본 연구에서 모델의 해석기 선택은 일반적이고 계산이 빠른 분리해석법(segregated solver)을 적용하였으며, 일정한 시간에서 지표면에서의 열류량을 확인하기 위해 정상상태의 3차원 모델로 해석하였다. 공기유동상태를 위한 난류모델은 standard k-ε모델을 적용하였으며, 축소모형에서의 부력효과는 무시하였다.
- 모델을 구성하는 공기, 토양, 합판, 단열재 등 재료의 물리적 특성값은 문헌의 자료(FLUENT Inc., 2001 ; Martinez, 2005)를 이용하여 상수로 취급하였다. 경계조건은 지표면 온도가 실내온도 보다 낮은 모델의 경우 실험장치를 이루고 있는 벽면과 지표면은 Wall로 설정하였으며, 환기창은 Pressure-Inlet, 팬은 Velocity-Outlet으로 설정하였다.
- , 2001 ; Martinez, 2005)를 이용하여 상수로 취급하였다. 경계조건은 지표면 온도가 실내온도 보다 낮은 모델의 경우 실험장치를 이루고 있는 벽면과 지표면은 Wall로 설정하였으며, 환기창은 Pressure-Inlet, 팬은 Velocity-Outlet으로 설정하였다. 지표면 온도가 실내온도보다 높은 모델의 경우에는 토양층에 매설된 전열선을 Wall로 설정하여 Heat source option을 적용하였다.
- 온실의 공기층과 토양층의 온도차로 인하여 일어나는 열전달 과정에서 토양표면에서의 정확한 열전달계수를 해석하기 위해 개발된 CFD 시뮬레이션 모델의 타당성을 검증하기 위하여 온실축소모형의 폐쇄 생태계를 제작하여 실험을 수행하고, 그 결과를 시뮬레이션 결과와 비교하였다.
- 실험은 2005년 8월~9월에 걸쳐 5주 동안 실행되었고, 실험조건은 지표면 온도가 실내온도보다 낮은 경우와 지표면 온도가 실내온도보다 높은 경우의 두 가지 환경조건에서 수행되었다. 벽면에 설치된 팬을 순서대로 작동시켜 실내유속을 조절하며 실내공기 온도, 토양온도 및 지표면에서의 열류량을 측정하여 모델검증을 위한 자료로 사용하였다.
- 실험데이터 중에서 실내유속 조건에 따라 각각 10세트의 데이터를 선별하여 열전달계수를 계산하였고, 그와 동일한 조건의 경계값을 입력자료로 사용하여 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 즉, 모델의 검증은 실내공기온도, 토양층의 온도 및 지표면에서의 열전달계수에 대한 실험값과 모델에 의한 예측값의 비교를 통해 이루어졌다.
- 지표면 온도가 실내온도보다 낮은 경우, 즉 하향열류가 있는 경우에 작동시킨 팬의 개수에 따라 각각 다른 실내유속 조건의 토양표면에서 발생하는 열류량과 그것으로부터 다음 식을 이용하여 열전달계수를 구하였다.
- 상향열류와 하향열류시 열전달계수값은 큰 차이를 보이기 때문에 열전달계수의 모델검증은 열류방향별로 나누어서 분석하였다. Fig.
- 폐쇄생태계내 토양표면의 열전달계수를 구하기 위하여 모형실험을 실시하였다. 실험장치는 지표면 온도가 실내온도보다 높은 경우와 낮은 경우의 2가지 처리 및 5단계로 조절된 실내유속 하에서 지표면 열류량을 계측하여 열전달계수를 구하였다.
- 폐쇄생태계내 토양표면의 열전달계수를 구하기 위하여 모형실험을 실시하였다. 실험장치는 지표면 온도가 실내온도보다 높은 경우와 낮은 경우의 2가지 처리 및 5단계로 조절된 실내유속 하에서 지표면 열류량을 계측하여 열전달계수를 구하였다. 토양층을 갖는 폐쇄생태계의 열환경을 시뮬레이션 할 수 있는 3차원 CFD 모델을 구축하였다.
- 실험장치는 지표면 온도가 실내온도보다 높은 경우와 낮은 경우의 2가지 처리 및 5단계로 조절된 실내유속 하에서 지표면 열류량을 계측하여 열전달계수를 구하였다. 토양층을 갖는 폐쇄생태계의 열환경을 시뮬레이션 할 수 있는 3차원 CFD 모델을 구축하였다. 난류모델은 standard k-ε모델을 선택하였으며, 환기구는 pressure-inlet으로 팬은 velocityoutlet으로 경계조건을 설정하고, 지표면 온도가 실내온도보다 높은 경우를 모의하기 위하여 토양층에 매설된 전열선은 heat source option으로 처리하였다.
대상 데이터
-
1) 실험장치
실험장치(Closed Ecosystem)는 농촌진흥청에서 제시한 표준형 단동 유리온실(3-1 S형)을 1/10로 축소한 크기로 제작하였다. 각목과 합판을 이용하여 뼈대구조를 만들고, 두께 30mm의 스티로폼을 사용하여 외부환경의 영향을 최소화할 수 있는 단열시스템으로 설계하였다.
- Fig. 1은 실험장치의 정면도이며, 폭 900mm, 처마높이 300mm, 지붕높이 530mm 그리고 길이 1,800mm로 제작하였다. 바닥으로부터 흙을 채워 200mm 깊이의 토양층을 형성하였고, 한쪽 벽면에는 강제환기를 위한 4개의 소형팬을 설치하였으며, 반대쪽 벽면의 같은 위치에 팬과 동일한 크기로 4개의 환기창을 구성하였다.
- 격자망 구성은 먼저 면격자를 작성한 뒤, 공간격자를 구성하였다. 면격자는 총 22,210개의 격자로 구성되었으며, 면적이 넓은 실험장치의 벽면은 간격을 20mm로 하였고, 면적이 작은 팬과 환기창에 해당하는 부분은 간격을 10mm로 하여 구성하였다. 그러나 실험장치 벽면 중 팬과 환기창이 달려있는 전면과 후면은 5각형 모양이므로 격자 요소에 있어, 사각형 모양의 격자는 불가능하여 삼각형 모양의 격자를 이용하였으며, 나머지는 사각격자를 이용하여 구성하였다.
- 면격자는 총 22,210개의 격자로 구성되었으며, 면적이 넓은 실험장치의 벽면은 간격을 20mm로 하였고, 면적이 작은 팬과 환기창에 해당하는 부분은 간격을 10mm로 하여 구성하였다. 그러나 실험장치 벽면 중 팬과 환기창이 달려있는 전면과 후면은 5각형 모양이므로 격자 요소에 있어, 사각형 모양의 격자는 불가능하여 삼각형 모양의 격자를 이용하였으며, 나머지는 사각격자를 이용하여 구성하였다. 공간 격자의 구성 역시 면격자와 같이, 육면체 모양의 토양층은 공간격자요소로 6면체 셀을 이용하였고, 칠면체 모양의 공기층은 격자요소로 4면체 셀을 사용하여 총 261,439개의 셀로 구성하였다.
- 그러나 실험장치 벽면 중 팬과 환기창이 달려있는 전면과 후면은 5각형 모양이므로 격자 요소에 있어, 사각형 모양의 격자는 불가능하여 삼각형 모양의 격자를 이용하였으며, 나머지는 사각격자를 이용하여 구성하였다. 공간 격자의 구성 역시 면격자와 같이, 육면체 모양의 토양층은 공간격자요소로 6면체 셀을 이용하였고, 칠면체 모양의 공기층은 격자요소로 4면체 셀을 사용하여 총 261,439개의 셀로 구성하였다.
- 그러나 공간격자의 구성은 6면체 셀을 이용하여 토양층을 구성한 Tair > Tsurf의 모델과는 달리, 전열선이 매설된 토양층의 공간격자 구성은 육면체 셀이 불가능하기 때문에 공기층과 같은 4면체 셀을 이용하여 구성하였다. 따라서 지중가온 모델의 공간격자는 공기층에서 212,737개와 토양층에서 624,985개가 생성되어 총 837,722개의 공간격자로 구성되었다.
- 실험은 2005년 8월~9월에 걸쳐 5주 동안 실행되었고, 실험조건은 지표면 온도가 실내온도보다 낮은 경우와 지표면 온도가 실내온도보다 높은 경우의 두 가지 환경조건에서 수행되었다. 벽면에 설치된 팬을 순서대로 작동시켜 실내유속을 조절하며 실내공기 온도, 토양온도 및 지표면에서의 열류량을 측정하여 모델검증을 위한 자료로 사용하였다. 실험데이터 중에서 실내유속 조건에 따라 각각 10세트의 데이터를 선별하여 열전달계수를 계산하였고, 그와 동일한 조건의 경계값을 입력자료로 사용하여 시뮬레이션 결과와 비교하였다.
데이터처리
- 벽면에 설치된 팬을 순서대로 작동시켜 실내유속을 조절하며 실내공기 온도, 토양온도 및 지표면에서의 열류량을 측정하여 모델검증을 위한 자료로 사용하였다. 실험데이터 중에서 실내유속 조건에 따라 각각 10세트의 데이터를 선별하여 열전달계수를 계산하였고, 그와 동일한 조건의 경계값을 입력자료로 사용하여 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 즉, 모델의 검증은 실내공기온도, 토양층의 온도 및 지표면에서의 열전달계수에 대한 실험값과 모델에 의한 예측값의 비교를 통해 이루어졌다.
이론/모형
- 본 연구에서는 폐쇄생태계 내 토양표면의 열전달에 관한 CFD 시뮬레이션을 위해 상용 패키지인 Fluent (Version 6.1.1.2)를 사용하였다. 시뮬레이션에 앞서 기하학적 요소 및 계산 영역의 요소 분할을 위한 격자망 구성은 Gambit (Version 2.
- 2)를 사용하였다. 시뮬레이션에 앞서 기하학적 요소 및 계산 영역의 요소 분할을 위한 격자망 구성은 Gambit (Version 2.1.6) 프로그램을 이용하였다.
- 본 연구에서 모델의 해석기 선택은 일반적이고 계산이 빠른 분리해석법(segregated solver)을 적용하였으며, 일정한 시간에서 지표면에서의 열류량을 확인하기 위해 정상상태의 3차원 모델로 해석하였다. 공기유동상태를 위한 난류모델은 standard k-ε모델을 적용하였으며, 축소모형에서의 부력효과는 무시하였다. 복사모델은 온실과 같이 투명한 벽체를 사용하지 않고 단열벽으로 이루어져 있기 때문에 활성화시키지 않았다.
- 토양층을 갖는 폐쇄생태계의 열환경을 시뮬레이션 할 수 있는 3차원 CFD 모델을 구축하였다. 난류모델은 standard k-ε모델을 선택하였으며, 환기구는 pressure-inlet으로 팬은 velocityoutlet으로 경계조건을 설정하고, 지표면 온도가 실내온도보다 높은 경우를 모의하기 위하여 토양층에 매설된 전열선은 heat source option으로 처리하였다.
성능/효과
- 전열선의 단면적은 작기 때문에 격자 간격은 5mm로 하여 사각격자로 구성하였다. 따라서, 전열선을 포함한 지중가온 모델은 총 61,290개의 면격자로 구성되었으며, 다른 면격자의 구성은 Tair > Tsurf인 경우의 모델과 동일하게 구성되었다. 그러나 공간격자의 구성은 6면체 셀을 이용하여 토양층을 구성한 Tair > Tsurf의 모델과는 달리, 전열선이 매설된 토양층의 공간격자 구성은 육면체 셀이 불가능하기 때문에 공기층과 같은 4면체 셀을 이용하여 구성하였다.
- 그리고 작동하는 팬의 숫자를 증가시켜 실내 유속이 빨라지면, 토양표면과 유입된 공기간의 열전달에 의해 토양표면의 지온이 일정하고 균일하게 분포되는 것을 볼 수 있다. 한편, Tair < Tsurf의 경우는 토양층 온도분포가 뚜렷이 구분되며, 팬이 작동함에 따라 토양표면과 실내공기 사이의 열전달도 가속되어 토양층의 온도 분포 간격은 더욱 커지는 것을 볼 수 있었다.
- 폐쇄생태계내의 기온 계측값과 CFD 모델의 시뮬레이션 결과를 비교한 결과 실험치와 예측치는 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났으며, 회귀 분석 결과 조정된 R2값은 0.875이고, 유의성 검정 결과 고도로 유의한 것으로 나타났다(p < 0.001). 폐쇄생태계내의 토양온도 계측값과 CFD 모델의 시뮬레이션 결과를 층별로 비교한 결과도 실험치와 예측치는 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났으며, 회귀분석 결과 조정된 R2값은 토양깊이에 관계없이 모두 0.
- 001). 폐쇄생태계내의 토양온도 계측값과 CFD 모델의 시뮬레이션 결과를 층별로 비교한 결과도 실험치와 예측치는 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났으며, 회귀분석 결과 조정된 R2값은 토양깊이에 관계없이 모두 0.874였고, 토양깊이 50, 100, 150mm에서 모두 고도로 유의한 것으로 나타났다(p < 0.001).
- 6은 하향 열류시 폐쇄생태계내 토양표면의 열전달계수 값과 CFD 모델의 시뮬레이션 결과를 비교한 것이다. 실험치와 예측치는 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났으며, 회귀분석 결과 조정된 R2값은0.664이고, 유의성 검정 결과 고도로 유의한 것으로 나타났다(p < 0.001).
- 7은 상향열류시 폐쇄생태계내 토양표면의 열전달계수값과 CFD 모델의 시뮬레이션 결과를 비교한 것이다. 실험치와 예측치는 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났으며, 회귀분석 결과 조정된 R2값은 0.699이고, 유의성 검정 결과 1% 유의 수준에서 유의한 것으로 나타났다(p < 0.01).
- 전체적으로 실내기온과 토양온도에 비하여 열전달계수의 조정된 R2값이 작게 나왔으나, 유의성 검정 결과 0.1~1% 유의수준에서 모두 유의성이 있는 것으로 나타났다. 따라서, 본 모델은 농업시설의 열전달해석에 활용이 가능한 것으로 판단된다.
- 1~1% 유의수준에서 모두 유의성이 있는 것으로 나타났다. 따라서, 본 모델은 농업시설의 열전달해석에 활용이 가능한 것으로 판단된다.
- 실내공기와는 반대로, 토양층에서는 팬이 작동하지 않는 경우에 토양온도가 균일하고, 팬이 작동한 경우에는 토양표면에서 열교환이 왕성하게 일어남에 따라 토양층의 온도분포가 뚜렷이 형성된 것을 볼 수 있었다.
- 팬의 작동수에 따른 실내유속분포는 작동하는 팬의 수가 증가함에 따라 실험장치내의 실내유속이 증가하고, 유속분포는 환기창과 팬의 중심선을 따라 크게 발달하고, 토양표면과 벽면에서는 감소하는 것으로 나타났다. 유입구와 유출구의 유속이 작은 경우에는 실내유속분포가 비교적 균일하고 난류의 발달도 미약하지만, 유속이 증가함에 따라 난류가 크게 발달하고, 모서리 부분에서는 소용돌이가 발생하는 것을 볼 수 있었다.
- 팬의 작동수에 따른 실내유속분포는 작동하는 팬의 수가 증가함에 따라 실험장치내의 실내유속이 증가하고, 유속분포는 환기창과 팬의 중심선을 따라 크게 발달하고, 토양표면과 벽면에서는 감소하는 것으로 나타났다. 유입구와 유출구의 유속이 작은 경우에는 실내유속분포가 비교적 균일하고 난류의 발달도 미약하지만, 유속이 증가함에 따라 난류가 크게 발달하고, 모서리 부분에서는 소용돌이가 발생하는 것을 볼 수 있었다.
- 0m/s일 때의 실내온도 분포를 나타낸 것이다. 팬이 작동하지 않는 경우에는 실내유속이 없기 때문에 공기 유동은 없으나, 토양층에 매설된 전열선에서 공급되는 열량이 상하층으로 전도되고, 다시 지표면에서 실내공기로 대류열교환을 통하여 전류되면서 지상부와 토양층 모두 온도수직분포가 뚜렷이 나타났다. 그러나 팬이 작동하여 실내유속이 증가한 경우에는 환기에 의하여 실내공기가 외부공기로 치환됨으로써 실험장치 내 실내공기의 온도분포는 거의 균일하게 나타났으며, 실내유속 증가에 따라 토양표면에서의 열교환이 급격히 커지면서 토양층에서의 온도분포도 거의 균일해지는 것을 알 수 있었다.
- 팬이 작동하지 않는 경우에는 실내유속이 없기 때문에 공기 유동은 없으나, 토양층에 매설된 전열선에서 공급되는 열량이 상하층으로 전도되고, 다시 지표면에서 실내공기로 대류열교환을 통하여 전류되면서 지상부와 토양층 모두 온도수직분포가 뚜렷이 나타났다. 그러나 팬이 작동하여 실내유속이 증가한 경우에는 환기에 의하여 실내공기가 외부공기로 치환됨으로써 실험장치 내 실내공기의 온도분포는 거의 균일하게 나타났으며, 실내유속 증가에 따라 토양표면에서의 열교환이 급격히 커지면서 토양층에서의 온도분포도 거의 균일해지는 것을 알 수 있었다.
- 9는 3대의 팬을 작동시킨 경우의 실내유속분포를 vector로 나타낸 것이다. 지표면 온도가 실내온도보다 낮은 경우와 마찬가지로 유속이 증가함에 따라 난류의 발달이 커지는 것을 알 수 있었다. 하향열류에 비하여 상향열류의 경우에는 지표면으로부터 열이 공급됨에 따라 난류 발달과 소용돌이의 발생이 더 커지는 것으로 나타났다.
- 이상과 같이 개발된 CFD 모델은 폐쇄생태계내의 공기온도와 유속분포 및 토양층의 온도분포를 잘 시뮬레이션 하는 것으로 나타났으며, 이 모델을 활용하여 토양표면에서의 열전달계수를 정량적으로 분석할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서, 본 모델을 약간만 수정보완하면 다양한 형태의 농업시설에 적용하여 실내공기와 표면사이의 열전달계수를 유도할 수 있을 것으로 판단된다.
- 지상부에서 토양층으로 열이 이동하는 경우와 반대로 토양층에서 지상부로 열이 이동하는 경우에 있어서 토양층 온도 분포 및 토양표면의 열전달계수는 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다. 실내유속 증가에 따른 열전달계수의 증가율은 거의 비슷하였고, 직선적으로 증가하였으나 상향열류시가 하향열류시 보다 상당히 큰 값으로 나타났다.
- 지상부에서 토양층으로 열이 이동하는 경우와 반대로 토양층에서 지상부로 열이 이동하는 경우에 있어서 토양층 온도 분포 및 토양표면의 열전달계수는 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다. 실내유속 증가에 따른 열전달계수의 증가율은 거의 비슷하였고, 직선적으로 증가하였으나 상향열류시가 하향열류시 보다 상당히 큰 값으로 나타났다. 모형실험의 계측값과 CFD 모델의 시뮬레이션 값의 비교를 통하여 모델을 검증한 결과, 실내온도, 깊이별 토양층의 온도 및 토양표면에서의 열전달계수에 대한 실측값과 시뮬레이션 값은 비교적 잘 일치하였으며, 조정된 R2값은 0.
- 실내유속 증가에 따른 열전달계수의 증가율은 거의 비슷하였고, 직선적으로 증가하였으나 상향열류시가 하향열류시 보다 상당히 큰 값으로 나타났다. 모형실험의 계측값과 CFD 모델의 시뮬레이션 값의 비교를 통하여 모델을 검증한 결과, 실내온도, 깊이별 토양층의 온도 및 토양표면에서의 열전달계수에 대한 실측값과 시뮬레이션 값은 비교적 잘 일치하였으며, 조정된 R2값은 0.664~0.875의 범위로 나타났다.
- 개발된 CFD 모델은 폐쇄생태계내 공기온도와 유속분포 및 토양층의 온도분포를 잘 시뮬레이션하는 것으로 나타났으며, 이 모델을 활용하여 토양표면에서의 열전달계수를 정량적으로 분석할 수 있었다. 따라서, 본 모델은 다양한 형태의 농업시설에 대하여 실내공기와 표면사이의 열전달계수 분석에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 이상과 같이 개발된 CFD 모델은 폐쇄생태계내의 공기온도와 유속분포 및 토양층의 온도분포를 잘 시뮬레이션 하는 것으로 나타났으며, 이 모델을 활용하여 토양표면에서의 열전달계수를 정량적으로 분석할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서, 본 모델을 약간만 수정보완하면 다양한 형태의 농업시설에 적용하여 실내공기와 표면사이의 열전달계수를 유도할 수 있을 것으로 판단된다.
- 개발된 CFD 모델은 폐쇄생태계내 공기온도와 유속분포 및 토양층의 온도분포를 잘 시뮬레이션하는 것으로 나타났으며, 이 모델을 활용하여 토양표면에서의 열전달계수를 정량적으로 분석할 수 있었다. 따라서, 본 모델은 다양한 형태의 농업시설에 대하여 실내공기와 표면사이의 열전달계수 분석에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
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