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문제 정의
- 본 연구에서는 농업현장에서 사용하는 보온재를 개발하고 사용하는 과정에서 그 사용방법상의 차이에 따라 보온성이 어떻게 변하는가를 분석하여 올바른 사용 방법을 제시하고자 하였다. 즉, 보온재를 구성하는 재료가 비록 같은 재료라 하더라도 보온재간의 색깔이 다른 경우, 그리고 동일한 보온재의 앞뒤의 색깔이 다른 경우, 알루미늄반사재와 같이 앞뒤가 그 특성이 다른 경우 각각의 경우에 대하여 재료가 어느 방향을 보도록 설치하는가에 따라 보온성이 어떻게 달라지는 가를 비교 분석하였다.
제안 방법
- 그리고 Box1000 안에는 Box700이 들어가고, 박스간 6면 사이의 거리는 모두 150mm가 되도록 하였다. 각 박스는 가로와 세로가 각각 25mm인 각목을 이용하여 후레임을 제작한 후, Box1000의 주위에는 농업용필름(두께 0.1mm)을 씌우고, Box700 주위에는 분석하고자 하는 보온재를 모듈별로 각각 둘러싸서 조립하였다. 조립과정에서 측정을 위한 계측부가 설치되었으며, 조립된 Box1000은 실험실바닥으로부터 400mm 높이의 사각박스위에 설치하여 바닥으로부터 분리하였다.
- 아울러 알루미늄의 반사면의 방향에 따른 영향을 분석하였으며, 동일재료이라 하더라도 내부재료의 구성물질 방향에 따른 영향도 분석하였다. 그리고 내부구성물질의 겹수에 따른 영향 등을 분석하였다.
- 실험재료는 Table 2에 나타낸 바와 같이 13가지로서 앞뒤 색깔이 다른 재료로 구성된 모듈, 보온재내부의 재료가 같은 재료일지라도 그 배치순서가 다른 재료로 구성된 모듈 등으로 구성되어 있다. 보온재의 앞뒤면이 다른 경우는 그 사용방법에 따라 보온성이 달라지는가를 분석하기 위하여 각각 따로 배치된 모듈을 배치하여 비교실험하였다.
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4. 계측부 및 실험수행
실험분석을 위해 계측한 항목은 건구온도, 상대습도이었다. 모듈내부의 광성분을 측정하였으나 가시광선은 나타나지 않았고, 적외선 범위의 열복사도 일부 모듈에서는 감지되었으나 전체적으로는 안정된 측정값으로 나타나지 않았다.
- 실험은 2008년 10월 7일부터 2009년 2월 11일까지 여러 차례에 걸쳐 실시하여 명확한 결과가 나오도록 하였다. 실험은 전열봉을 켜기 전부터 데이터를 기록하기 시작하여 전열봉을 켠지 2시간 이후까지 데이터를 측정하였으며, 측정간격은 2분간격으로 측정 저장하였다.
- 실험은 실제의 사용 농업시설을 고려하여 목재로 모듈을 만들어 바깥 박스에는 비닐을 씌우고 안쪽 박스에는 여러 종류의 보온재의 설치방법을 달리하여 각 모듈별로 보온성을 분석하였다.
- 실험은 2008년 10월 7일부터 2009년 2월 11일까지 여러 차례에 걸쳐 실시하여 명확한 결과가 나오도록 하였다. 실험은 전열봉을 켜기 전부터 데이터를 기록하기 시작하여 전열봉을 켠지 2시간 이후까지 데이터를 측정하였으며, 측정간격은 2분간격으로 측정 저장하였다. 온습도의 변화는 실험기간 중 초기에 변화한 후 거의 일정한 상태를 유지하였으며, 결과에 대한 분석은 내부온도가 일정하게 유지되는 기간의 자료를 이용하였다.
- 실험재료는 시료를 채취하여 KATRI(한국의류시험연구원) 산업환경연구센터에 보내어 열물리적 특성을 측정하였다. 측정항목은 KATRI와 위탁시험기관인 한국 건자재시험연구원에서 측정가능한 항목 중 보온과 관련되는 항목을 중심으로 하여 두께(KS K0506:2006), 공기투과도(KS K 0570:2006), 겉보기밀도(KS M ISO 845:2002), 차광율(KS K 0819:2004), 자외선차단율(KS K 9850:2004), 반사율(Lambda900 UV/VIS/NIR Spectrometer with Integrated Sphere), 열전도율(KS K 0466:2002), 수분흡수율(KS K 0434:2006), 원적외선 방출량(방사율 및 방사에너지, KICM-FIR1005)으로 하였다.
- 즉, 재료가 동일하다고 하더라도 설치방법에 따라 보온성이 어떻게 달라지는가를 분석하기 위하여 흑색과 백색의 방향에 따른 효과를 분석하였고, 구성물질이 동일하면서 색깔이 다른 경우도 분석하였다. 아울러 알루미늄의 반사면의 방향에 따른 영향을 분석하였으며, 동일재료이라 하더라도 내부재료의 구성물질 방향에 따른 영향도 분석하였다. 그리고 내부구성물질의 겹수에 따른 영향 등을 분석하였다.
- 여러 가지 보온재의 상대적인 보온성 비교분석을 위하여 실험장치를 제작하고 실험 분석하였다. 보온단열재의 색깔, 방향, 구성재료 등의 영향을 분석하기 위하여 Table 1에 나타낸 바와 같이 모듈을 구성하고 실험과 분석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 농업현장에서 사용하는 보온재를 개발하고 사용하는 과정에서 그 사용방법상의 차이에 따라 보온성이 어떻게 변하는가를 분석하여 올바른 사용 방법을 제시하고자 하였다. 즉, 보온재를 구성하는 재료가 비록 같은 재료라 하더라도 보온재간의 색깔이 다른 경우, 그리고 동일한 보온재의 앞뒤의 색깔이 다른 경우, 알루미늄반사재와 같이 앞뒤가 그 특성이 다른 경우 각각의 경우에 대하여 재료가 어느 방향을 보도록 설치하는가에 따라 보온성이 어떻게 달라지는 가를 비교 분석하였다.
- 보온단열재의 색깔, 방향, 구성재료 등의 영향을 분석하기 위하여 Table 1에 나타낸 바와 같이 모듈을 구성하고 실험과 분석을 실시하였다. 즉, 재료가 동일하다고 하더라도 설치방법에 따라 보온성이 어떻게 달라지는가를 분석하기 위하여 흑색과 백색의 방향에 따른 효과를 분석하였고, 구성물질이 동일하면서 색깔이 다른 경우도 분석하였다. 아울러 알루미늄의 반사면의 방향에 따른 영향을 분석하였으며, 동일재료이라 하더라도 내부재료의 구성물질 방향에 따른 영향도 분석하였다.
- 실험재료는 시료를 채취하여 KATRI(한국의류시험연구원) 산업환경연구센터에 보내어 열물리적 특성을 측정하였다. 측정항목은 KATRI와 위탁시험기관인 한국 건자재시험연구원에서 측정가능한 항목 중 보온과 관련되는 항목을 중심으로 하여 두께(KS K0506:2006), 공기투과도(KS K 0570:2006), 겉보기밀도(KS M ISO 845:2002), 차광율(KS K 0819:2004), 자외선차단율(KS K 9850:2004), 반사율(Lambda900 UV/VIS/NIR Spectrometer with Integrated Sphere), 열전도율(KS K 0466:2002), 수분흡수율(KS K 0434:2006), 원적외선 방출량(방사율 및 방사에너지, KICM-FIR1005)으로 하였다. 측정결과는 아래 Table 3, 4와 같다.
대상 데이터
- 각 실험모듈은 사각형박스 2개로 구성되며, 2개의 사각형박스의 크기는 가로 × 세로 × 높이가 각각 1,000 × 1,000 × 1,000mm(Box1000), 700 × 700 × 700mm(Box700)로 하였다.
- 실험에 사용된 모듈은 정육각형의 모듈 15개를 만들어 이용하였다. 각 실험모듈은 사각형박스 2개로 구성되며, 2개의 사각형박스의 크기는 가로 × 세로 × 높이가 각각 1,000 × 1,000 × 1,000mm(Box1000), 700 × 700 × 700mm(Box700)로 하였다.
- 실험재료는 Table 2에 나타낸 바와 같이 13가지로서 앞뒤 색깔이 다른 재료로 구성된 모듈, 보온재내부의 재료가 같은 재료일지라도 그 배치순서가 다른 재료로 구성된 모듈 등으로 구성되어 있다. 보온재의 앞뒤면이 다른 경우는 그 사용방법에 따라 보온성이 달라지는가를 분석하기 위하여 각각 따로 배치된 모듈을 배치하여 비교실험하였다.
- 외기 온도와 습도는 바닥으로부터 1400mm 위치에서 측정하였다. 열전대는 K 타입의 열전대를 사용하였다. 내부온도 및 습도는 Box700 하단으로부터 500mm 위치에서 측정하였다.
- 온도와 습도의 측정을 위한 온습도 및 온도로거는 Testo 177-H1, Sato SK-L200TH-α, Testo 177-T4를 사용하였다.
- 실험은 전열봉을 켜기 전부터 데이터를 기록하기 시작하여 전열봉을 켠지 2시간 이후까지 데이터를 측정하였으며, 측정간격은 2분간격으로 측정 저장하였다. 온습도의 변화는 실험기간 중 초기에 변화한 후 거의 일정한 상태를 유지하였으며, 결과에 대한 분석은 내부온도가 일정하게 유지되는 기간의 자료를 이용하였다.
성능/효과
- 가장 뛰어난 보온력을 보인 것은 8번 모듈이며 각 실험변수에서 알루미늄반사재의 경우 반짝이는 유광면이 바깥쪽을 향하도록 설치하는 것이 보온성이 좋은 것으로 나타났다. 이 결과는 Kim 등(2007)에 의한 연구, Ko(2009)에 의한 연구결과와 같으며, 유광면은 비유광면과 비교할 때 반사율이 높은 반면 원적외선 방사율과 에너지강도가 낮은 것으로 분석되었다(Table 4참조).
- 그 결과 보온 커튼재의 인장응력 시험결과를 보면 인장하중은 3.4~13.4kg 범위이고 인장응력은 0.32~l.82kg/mm2 범위에서 커튼이 두꺼워짐에 따라 인장하중은 증가하나 인장응력은 큰 차이가 나타나지 않았으며, 폴리프로필렌계가 신장율이 크고, 폴리에스터계는 인장 하중과 응력이 큰 경향을 보였다.
- 뿐만아니라 모듈 11A와 모듈 11B도 같은 재료이지만 모듈 11A는 흑색이 외향인 경우로서 역시 백색이 외향인 모듈 11B보다 매우 좋은 보온성을 나타내었다. 그 물리적 특성을 살펴보면 원적외선 방사율이나 원적외선 방사 에너지는 큰 차이가 없으나 반사율의 경우 두 재료의 경우 모두 흑색이 백색표면에 비해 매우 반사율이 낮으며 반사율이 낮은 표면을 외향으로, 반사율이 높은 표면을 내향으로 설치하는 것이 보온성이 좋은 것으로 나타났다.
- 그리고 모듈 8번과 모듈 9번은 각각 같은 재료를 사용하면서 안쪽에 피폰(폴리에틸렌포옴 1mm)을 두겹 넣은 경우와 세 겹 넣은 경우로서 한겹을 더 넣은 모듈 8번이 모듈 9번에 비해 매우 보온성이 좋은 것을 알 수 있었다.
- 동일한 재료라 하더라도 색깔의 내외방향에 따라서 보온효과가 어떻게 달라지는가를 알아보기 위한 실험에서 모듈 5A와 모듈 5B는 같은 재료로서 모듈 5A는 흑색이 외향이며 백색이 외향인 경우의 5B보다 상당히 보온효과가 좋은 것으로 나타났다. 뿐만아니라 모듈 11A와 모듈 11B도 같은 재료이지만 모듈 11A는 흑색이 외향인 경우로서 역시 백색이 외향인 모듈 11B보다 매우 좋은 보온성을 나타내었다.
- 동일한 재료이면서 표면이 색깔이 다른 경우를 비교하기 위한 실험에서 모듈 12번은 전체가 백색, 모듈 13번은 전체가 흑색으로서 흑색인 경우가 백색인 경우에 비해 보온성이 매우 좋은 것으로 나타났다. 이는 역시 원적외선방사율이나 원적외선방사에너지의 크기는 거의 같지만 반사율이 적은 쪽이 훨씬 보온성이 좋은 것으로 나타났다.
- 82kg/mm2 범위에서 커튼이 두꺼워짐에 따라 인장하중은 증가하나 인장응력은 큰 차이가 나타나지 않았으며, 폴리프로필렌계가 신장율이 크고, 폴리에스터계는 인장 하중과 응력이 큰 경향을 보였다. 또한, 광투과성은 390~1100nm 파장대 범위에서 평균 50.3~81.7% 범위로 보온커튼재가 두꺼울수록 광투과율이 낮고 상대적으로 차광율이 높아지며, 비슷한 두께에서 폴리프로필렌계가 폴리에스터계보다 광투과율이 20~30% 더 높은 것으로 나타났다. 보온율은 18.
- 실험분석을 위해 계측한 항목은 건구온도, 상대습도이었다. 모듈내부의 광성분을 측정하였으나 가시광선은 나타나지 않았고, 적외선 범위의 열복사도 일부 모듈에서는 감지되었으나 전체적으로는 안정된 측정값으로 나타나지 않았다. 이는 실험을 모듈내 온도차조성의 필요 때문에 야간실험을 하였고 모듈내 가온 전열봉에 의한 열복사 적외선이 크지 않았기 때문으로 보인다.
- 7% 범위로 보온커튼재가 두꺼울수록 광투과율이 낮고 상대적으로 차광율이 높아지며, 비슷한 두께에서 폴리프로필렌계가 폴리에스터계보다 광투과율이 20~30% 더 높은 것으로 나타났다. 보온율은 18.2~41.1% 범위에서 보온재가 두꺼워질수록 증가하였으며, 폴리프로필렌계가 폴리에스터계보다 보온율이 다소 높은 경향을 보였다. 그리고, 보온커튼재는 폴리프로필렌계가 신장율, 보온성, 광투성 측면에서 우수하고 폴리에스테계가 인장응력이나 차광성 측면에서 우수하다고 하였다.
- 3과 같다. 본 실험에서는 겨울실험으로서 전체적으로 상대습도가 상당히 낮은 값을 나타내고 있었다. 실험시작단계에서도 모듈별 내부 건구온도차이에 의해 모듈별 다른 값을 나타내었으며 이런 경향은 4번의 반복실험과정에서 비슷한 현상을 나타내었다.
- 동일한 재료라 하더라도 색깔의 내외방향에 따라서 보온효과가 어떻게 달라지는가를 알아보기 위한 실험에서 모듈 5A와 모듈 5B는 같은 재료로서 모듈 5A는 흑색이 외향이며 백색이 외향인 경우의 5B보다 상당히 보온효과가 좋은 것으로 나타났다. 뿐만아니라 모듈 11A와 모듈 11B도 같은 재료이지만 모듈 11A는 흑색이 외향인 경우로서 역시 백색이 외향인 모듈 11B보다 매우 좋은 보온성을 나타내었다. 그 물리적 특성을 살펴보면 원적외선 방사율이나 원적외선 방사 에너지는 큰 차이가 없으나 반사율의 경우 두 재료의 경우 모두 흑색이 백색표면에 비해 매우 반사율이 낮으며 반사율이 낮은 표면을 외향으로, 반사율이 높은 표면을 내향으로 설치하는 것이 보온성이 좋은 것으로 나타났다.
- 동일한 재료이면서 표면이 색깔이 다른 경우를 비교하기 위한 실험에서 모듈 12번은 전체가 백색, 모듈 13번은 전체가 흑색으로서 흑색인 경우가 백색인 경우에 비해 보온성이 매우 좋은 것으로 나타났다. 이는 역시 원적외선방사율이나 원적외선방사에너지의 크기는 거의 같지만 반사율이 적은 쪽이 훨씬 보온성이 좋은 것으로 나타났다.
후속연구
- 우리나라 농업에너지 중 약 45% 이상이 시설원예의 난방을 위해 사용되고 있다(RDA, 2005). 시설원예를 비롯한 시설농업의 필요성은 농업생산의 계절성을 극복하고, 소비자의 안전하면서도 고품질의 농산물 요구에 부응하여 계속적으로 요청될 것이므로 시설농업에 투입되는 에너지의 절감방안이 지속적이고 적극적으로 연구되어야 할 것으로 판단된다. 시설농업에서의 에너지절감방안 중 가장 우선적이며 적극적으로 논의되어야 할 분야가 난방에너지를 많이 소모하는 겨울철 온실의 보온성향상이라 할 수 있다.
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