This study was conducted to estimate the optimum temperature and required time for soil sterilization when heated water was circulated through underground heating pipes in the greenhouse which solar heat was influenced to the temperature of soil during the summer day. Two different types of heating ...
This study was conducted to estimate the optimum temperature and required time for soil sterilization when heated water was circulated through underground heating pipes in the greenhouse which solar heat was influenced to the temperature of soil during the summer day. Two different types of heating pipes were used for the experiment. One was a polyethylene pipe(XL) and the other was a corrugated ring shaped stainless steel pipe(STS). The results of the studies were summarized as follows; By measuring the thermal characteristics of the XL and STS, it was examined that the average temperature differences of the inlet and outlet were $8.5^{\circ}C$ and $13.3^{\circ}C$, the average flowrates were 15.3 L/min and 5.6 L/min, and the average radiation powers were 9.1 kW and 4.1 kW, respectively. As results of the regression analysis of underground temperatures, when average soil temperature was$35^{\circ}C$, an average water temperature was $80^{\circ}C$, and XL was used, it was estimated that the possible heat transfer distance, the required time for heat transfer and heat flux to reach the underground temperature of $60^{\circ}C$ were 300 mm, 230 hours, and $7.57kW/m^2$, respectively.
This study was conducted to estimate the optimum temperature and required time for soil sterilization when heated water was circulated through underground heating pipes in the greenhouse which solar heat was influenced to the temperature of soil during the summer day. Two different types of heating pipes were used for the experiment. One was a polyethylene pipe(XL) and the other was a corrugated ring shaped stainless steel pipe(STS). The results of the studies were summarized as follows; By measuring the thermal characteristics of the XL and STS, it was examined that the average temperature differences of the inlet and outlet were $8.5^{\circ}C$ and $13.3^{\circ}C$, the average flowrates were 15.3 L/min and 5.6 L/min, and the average radiation powers were 9.1 kW and 4.1 kW, respectively. As results of the regression analysis of underground temperatures, when average soil temperature was$35^{\circ}C$, an average water temperature was $80^{\circ}C$, and XL was used, it was estimated that the possible heat transfer distance, the required time for heat transfer and heat flux to reach the underground temperature of $60^{\circ}C$ were 300 mm, 230 hours, and $7.57kW/m^2$, respectively.
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문제 정의
, 2005), 태양열과 지중난방시스템을 겸하였을 때 나타나는 지중 열전달 특성에 대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 온실 내 토양소독을 위하여 태양열과 병행하여 지중난방관으로 고온수를 순환시켰을 때 지중의 온도변화와 분포를 측정하고, 지중위치별로 열전달 소요시간, 열전달거리 등의 특성을 파악하여 토양소독에 적합한 온도와 시간 및 소요열량을 산출하는 기초자료를 분석하고자 하였다.
본 연구는 온실 내 태양열과 병행하여 지중난방관으로 고온수를 순환시켰을 때 토양소독에 적합한 온도와 소요시간 및 소요열량을 산출할 목적으로 수행되었다. 지중 난방 방법은 재질과 형상이 다른 15A용 폴리에틸렌-관(XL), 스테인레스-환상주름관(STS) 및 무처리구에 따르는 두둑별 토양내 온도변화특성, 온도분포특성, 지중난방관의 방열특성을 분석하고, 토양내 온도상승 패턴, 토양소독에 필요한 열량을 산출하였다.
제안 방법
그림 4에서와 같이 고온수의 온도(T∞)에 수렴하는 Newton equation을 이용하여 식 (2)의 근사해를 유도하고(Holman, 2002), 근사해로부터 미분방정식을 도출하여 해를 계산하였다. 그 해는 반대수(semi-log) 눈금에서 직선의 방정식으로 나타낼 수 있으며 이를 이용하여 깊이별 온도상수 a, b 값을 산출한 후 지중 온도 변화를 예측하였다. 이때, 시간에 따른 지중온도 변화 예측곡선과 특정 지중온도(T)에서의 열전파시간과 열전파거리의 산출은 SigmaPlot V8.
약 330 m2의 온실 내에 폭 450 mm, 높이 450 mm, 길이 50 m의 두둑을 두둑성형기를 이용하여 성형하였고, 열전달을 양호하게 하기 위하여 토양표면에 물을 충분히 관수한 후 토양표면에는 폴리에틸렌 필름을 피복하였다. 매설형태는 두둑 중앙에 400 mm 간격으로 지표 100 mm 아래에 2열 배관인 Direct return 방식으로 배치하고 고온수를 공급할 수 있도록 난방기(SGS-120, Shinan Green-Tech, Suncheon, Korea)를 설치하였다. 지중난방관은 그림 2와 같이 재질과 형상이 다른 15A용 폴리에틸렌-관(XL)과 스테인레스-환상 주름관(STS) 2종류를 이용하였으며 각각의 열전도계수는 XL의 경우 0.
온실 내 토양소독을 위한 지중난방장치의 지중 열전달 특성을 조사하기 위하여 전체 시스템을 그림 1과 같이 구성하였다. 약 330 m2의 온실 내에 폭 450 mm, 높이 450 mm, 길이 50 m의 두둑을 두둑성형기를 이용하여 성형하였고, 열전달을 양호하게 하기 위하여 토양표면에 물을 충분히 관수한 후 토양표면에는 폴리에틸렌 필름을 피복하였다. 매설형태는 두둑 중앙에 400 mm 간격으로 지표 100 mm 아래에 2열 배관인 Direct return 방식으로 배치하고 고온수를 공급할 수 있도록 난방기(SGS-120, Shinan Green-Tech, Suncheon, Korea)를 설치하였다.
그 해는 반대수(semi-log) 눈금에서 직선의 방정식으로 나타낼 수 있으며 이를 이용하여 깊이별 온도상수 a, b 값을 산출한 후 지중 온도 변화를 예측하였다. 이때, 시간에 따른 지중온도 변화 예측곡선과 특정 지중온도(T)에서의 열전파시간과 열전파거리의 산출은 SigmaPlot V8.0(SPSS Inc., Chicago, USA)과 Surfer V8.0(Golden Software Inc., Colorado, USA) 프로그램을 이용하였다.
본 연구는 온실 내 태양열과 병행하여 지중난방관으로 고온수를 순환시켰을 때 토양소독에 적합한 온도와 소요시간 및 소요열량을 산출할 목적으로 수행되었다. 지중 난방 방법은 재질과 형상이 다른 15A용 폴리에틸렌-관(XL), 스테인레스-환상주름관(STS) 및 무처리구에 따르는 두둑별 토양내 온도변화특성, 온도분포특성, 지중난방관의 방열특성을 분석하고, 토양내 온도상승 패턴, 토양소독에 필요한 열량을 산출하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
지중난방관의 방열특성은 XL처리구와 STS처리구의 입구 관과 출구관에 온도센서를 각 1점씩을 설치하고 각각의 유량과 온도를 측정한 후 식 (1)을 이용하여 산출하였다. 또한, 난방기 경유사용량을 측정하기 위하여 적산식 유량계를 사용하였다.
초기의 토양온도는 3가지 실험구의 두둑 단면별과 지중 깊이별로 다르며, 고온수의 유출입 온도는 50m의 두둑 길이별로 온도편차가 발생하기 때문에 지중관으로 유입되는 고온수의 온도(T∞)와 초기 토양온도(To)에 따른 시간(θ)에 따라 변화되는 지중온도(T)의 변화를 분석하였다.
토양내 온도상승 패턴 분석은 다음의 방법으로 수행하였다. 초기의 토양온도는 3가지 실험구의 두둑 단면별과 지중 깊이별로 다르며, 고온수의 유출입 온도는 50m의 두둑 길이별로 온도편차가 발생하기 때문에 지중관으로 유입되는 고온수의 온도(T∞)와 초기 토양온도(To)에 따른 시간(θ)에 따라 변화되는 지중온도(T)의 변화를 분석하였다.
토양의 온도변화 측정은 열전대(K Type)와 온도기록계 (DR230, Yokogawa, Tokyo, Japan)를 이용하여 온실내 대기온 1점과 그림 3과 같이 무처리구, XL처리구, STS처리구의 두둑별로 온실입구에서 15 m 지점에 각각 19점씩 지중온도를 측정하였다.
한편, 지중가온을 목적으로 설계된 농가보급형 자동화온실 (1-2W형) 1000 m2을 기준으로 필요열량을 산출하였다. 이때 지중온도가 55℃와 60℃에 도달되는데 필요한 열량은 약 5,382 kW와 7,567 kW가 되는 것으로 나타났다.
대상 데이터
지중난방관은 그림 2와 같이 재질과 형상이 다른 15A용 폴리에틸렌-관(XL)과 스테인레스-환상 주름관(STS) 2종류를 이용하였으며 각각의 열전도계수는 XL의 경우 0.38 W/m·℃, STS는 16.29 W/m · ℃이다.
이론/모형
그림 4에서와 같이 고온수의 온도(T∞)에 수렴하는 Newton equation을 이용하여 식 (2)의 근사해를 유도하고(Holman, 2002), 근사해로부터 미분방정식을 도출하여 해를 계산하였다.
지중난방관의 방열특성은 XL처리구와 STS처리구의 입구 관과 출구관에 온도센서를 각 1점씩을 설치하고 각각의 유량과 온도를 측정한 후 식 (1)을 이용하여 산출하였다. 또한, 난방기 경유사용량을 측정하기 위하여 적산식 유량계를 사용하였다.
(2) 지중관 고온수 온도와 초기 토양온도에 따른 지중온도의 변화를 회귀 분석한 결과, 일정 시간이 흐를수록, 지중 깊이 들어갈수록 실험치와 예측치는 유사한 경향을 보이는 것으로 나타났다.
(3) 토양 평균온도가 35℃, 유출입 고온수 평균온도가 80℃일 때, 지중온도 55℃와 60℃에 도달되는 시간은 XL의 경우 열전파거리가 300 mm일 때 164 h, 230 h 로, STS는 171 h, 240 h로 나타났다.
(4) 지중가온을 목적으로 설계된 농가보급형 자동화온실을 기준으로 토양소독을 할 경우 지중온도 60 ℃, 열전달거리가 300 mm일 때 XL의 경우 소요열량은 7.57 kW/m2이 필요한 것으로 나타났다
26 L/h로 나타났다. 경유발열량 8,700 kcal/L를 기준으로 할 때, 난방기의 총발열량은 2843.2 kWh, 토양 내 총방열량은 총 2172.6 kWh로서 난방기의 효율은 76.4%로 나타났다.
5℃로 나타났다. 따라서 두둑 중앙의 지중 150 mm까지는 온도 강하가 급격히 이루어져 온실내 기온의 영향을 많이 받았으나, 지중 350 mm이상에서는 온도 강하가 느려 거의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 또한, 온실 내 온도가 최고값 및 최저값이 나타나는 시점에서 지표면에서 지중으로 들어갈수록 지온의 최저치와 최고치에 도달하는 시각이 점차 지연됨을 알 수 있는 데, 이를 통해 지중 깊이 들어갈수록 토양의 축열 및 방열과정에서 열전달이 지체됨을 알 수 있었다.
따라서 두둑 중앙의 지중 150 mm까지는 온도 강하가 급격히 이루어져 온실내 기온의 영향을 많이 받았으나, 지중 350 mm이상에서는 온도 강하가 느려 거의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 또한, 온실 내 온도가 최고값 및 최저값이 나타나는 시점에서 지표면에서 지중으로 들어갈수록 지온의 최저치와 최고치에 도달하는 시각이 점차 지연됨을 알 수 있는 데, 이를 통해 지중 깊이 들어갈수록 토양의 축열 및 방열과정에서 열전달이 지체됨을 알 수 있었다.
실험치는 초기에 다소 급격하게 증가하여 일정시간 이후에는 완만하게 증가하는 것으로 나타났으며, 예측치와 비교하면 초기에 다소 온도편차가 크지만 약 50시간 이후부터는 유사한 경향을 보이고 있다. 또한, 지중깊이 들어갈수록 실험치와 예측치는 유사한 경향을 보이고 있지만 토양표면과 가까울수록 온도편차가 다소 크게 나타났다. 이는 지중난방관에 의한 전도보다는 온실 내 복사와 대류 열전달의 영향을 많이 받기 때문인 것으로 판단되었다.
무처리구는 주야간의 온실내 기온의 영향을 많이 받고 있지만, 지중관 주위는 거의 30∼34℃의 온도로 균일한 분포를 보이고 있는 것으로 나타났다.
29 W/m · ℃이다. 시험구 토양의 상태는 함수비가 평균 24.7%(w.b.)이며, 입자의 성분분포는 모래 90%, 자갈 8%, 실트 2%로 나타났다.
그림 5와 표 1은 태양열만이 이용된 무처리구의 토양내 온도변화와 특성을 나타낸 것으로 온실입구에서 15 m 지점에서 측정된 것이다. 실험 당시 날씨정보를 살펴보면 일사량은 최고 22.82 MJ/m2 , 최저 0.63 MJ/m2 , 기온은 최고 30.7℃, 최저 20.2℃, 풍속은 최대 8.6 m/s, 최소 0.9 m/s로서 온실 내 온도변화는 최고값과 최저값의 편차가 큰 것으로 나타났다.
실험에 사용되어진 난방기의 경유사용량은 총 66시간 동안 281 L로 측정되었으며 330 m2의 온실에 사용된 시간당 경유사용량은 4.26 L/h로 나타났다. 경유발열량 8,700 kcal/L를 기준으로 할 때, 난방기의 총발열량은 2843.
시간에 따른 토양온도의 변화는 실험치가 예측치에 비해 다소 높게 나타났다. 실험치는 초기에 다소 급격하게 증가하여 일정시간 이후에는 완만하게 증가하는 것으로 나타났으며, 예측치와 비교하면 초기에 다소 온도편차가 크지만 약 50시간 이후부터는 유사한 경향을 보이고 있다. 또한, 지중깊이 들어갈수록 실험치와 예측치는 유사한 경향을 보이고 있지만 토양표면과 가까울수록 온도편차가 다소 크게 나타났다.
이는 지중난방관에 의한 전도보다는 온실 내 복사와 대류 열전달의 영향을 많이 받기 때문인 것으로 판단되었다. 실험치와 예측치를 종합적으로 비교해볼 때 토양 깊이별 열전도계수, 비열, 밀도, 수분 상태와 토양 초기온도, 고온수 온도, 외기온 영향 등에 따라 약간의 차이가 있을 수 있지만 비교적 유사한 수준으로 판단되었다.
18℃ 상승하였다. 지중온도의 변화는 열전달시간이 증가함에 따라 지중 깊이 들어갈수록 지연되는 것으로 나타났으며, 관 주위 토양온도 변화는 XL이 STS보다 지중온도가 더 빨리 상승됨을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
토양 병해가 발생했을 경우, 농약 등 약제에 의한 방제로 발생하는 것은?
지금까지 토양 병해가 발생했을 경우, 농약 등 약제에 의한 방제로 농약 내성균, 농약 저항성 해충이 발생하므로 방제를 위해 더욱 강력한 농약을 사용하게 되는 문제점이 있어 친환경적인 소독방법이 필요하게 되었다. 친환경적인 방법에는 유용미생물을 이용하거나 윤작, 항충성 작물을 재배하는 방법이 있지만, 최근 태양열과 지중난방시스템을 겸한 토양소독이 친환경적인 방법으로 주목 받고 있다.
태양열을 이용한 시설하우스의 토양소독 방법이 심층까지 소독하기에는 무리가 있는 이유는?
Hong 등(2002)은 태양열을 이용한 시설하우스의 토양소독 방법을 제시하고 있으며, 일반적으로 토양병원균은 55∼60℃의 온도에서 짧은 시간 동안에 사멸하는 것으로 알려져 있지만 태양열만으로 가온했을 경우 지중 10 cm 깊이까지 온도가 30∼40℃를 유지하지 못하기 때문에 심층까지 소독하기 에는 무리가 있다고 하였다.
토양 병해가 발생했을 경우 친환경적인 소독방법은?
지금까지 토양 병해가 발생했을 경우, 농약 등 약제에 의한 방제로 농약 내성균, 농약 저항성 해충이 발생하므로 방제를 위해 더욱 강력한 농약을 사용하게 되는 문제점이 있어 친환경적인 소독방법이 필요하게 되었다. 친환경적인 방법에는 유용미생물을 이용하거나 윤작, 항충성 작물을 재배하는 방법이 있지만, 최근 태양열과 지중난방시스템을 겸한 토양소독이 친환경적인 방법으로 주목 받고 있다.
참고문헌 (6)
Hiroshi, K., O. Ko, S. Takahashi, H. Sugeno and M. Morita. 2003. Effects of subsoil heating system in strawberry forcing culture. Research Information of National Agricultural Research Center for Tohoku Region 2003. National Agricultural Research Center for Tohoku Region, Morioka, Japan.
Holman, J. P. 2002. Heat Transfer Ninth Edition. McGraw-Hill, Inc., New York, USA.
Hong, S. S., J. Y. Kim and K. Y. Park. 2002. Soil sterilization effects on soil solarization in greenhouse. Bulletin of the Gyeonggi-do Agricultural Research and Extension Services 2002:375-391. (In Korean)
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Lee, Y. B., S. I. Cho, C. H. Kang, I. K. Jung, C. G. Lee, J. H. Sung, S. O. Chung and Y. B. Kim. 2005. Analysis of heat transfer characteristics in soil for development of a geothermal heat exchange system. Journal of Biosystems Engineering 30(3):185-191. (In Korean)
Nakamura, Y., Katase, M. and C. Kubo. 2004. Soil sterilization through subsoil heating system with solar heat sterilization I: Soil temperature and disinfection in soil sterilization. Bulletin of the Chiba Prefectural Agriculture Research Center 3:113-120. (In Japanese)
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