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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.
성능/효과
- (1) XL과 STS의 방열특성을 살펴보면, 입출구 평균온도 차는 8.5℃, 13.3℃, 유량은 15.3 L/min, 5.6 L/min, 열전달율은 9.1 kW, 4.1 kW로 나타났다.
- (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.
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