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문제 정의
- 따라서 본 연구의 목적은 일중피복온실의 피복재에 대하여 우리나라 환경에 적합한 관류열전달계수를 산정하는 방법을 찾아내고 검증하여 다양한 온실조건 및 환경조건에서 관류열전달계수를 산정할 수 있는 모델을 제시하는 것이다.
- 따라서 본 연구의 목적은 일중피복온실의 피복재에 대하여 우리나라 환경에 적합한 관류열전달계수를 산정하는 방법을 찾아내고 검증하여 다양한 온실조건 및 환경조건에서 관류열전달계수를 산정할 수 있는 모델을 제시하는 것이다.
가설 설정
- 식(7)에 Table 1의 값을 대입하여 온실 내외부 온도차를 최대 308K로 가정하고 피복재 내외부표면의 온도차를 계산하면, 유리는 최대 0.74K, 플라스틱 필름은 최대 0.15K로 낮게 나타났기 때문에 피복재 내외부 표면의 온도가 같다고 가정하고 관류열전달계수를 산정하였다. Papadakis 등(1992)도 플라스틱 피복재의 내외부표면의 온도를 같다고 가정하고 열전달량을 산정하는 것이 합리적이라고 하였고, Baille 등(2006)의 실험결과에서도 무시할 수 있을 정도의 차이가 있음을 보여주고 있다.
- 피복재의 내부표면온도와 외부표면온도가 같다고 가정하였으며, 피복재 온도산정은 식(1) 및 (4)로부터 다음 식과 같이 구하여 사용하였다.
제안 방법
- Fig. 2와 같이 온실 내·외부에 온도센서(UETH100, 한국)를 각각 2점씩, 피복재 표면온도센서(UE-1503, 한국)를 각각 2점씩, 토양온도센서(UE-TH100, 한국)를 각각 2점씩을 설치하여 10분 간격으로 데이터로거(ZF-10MX, 한국)를 사용하여 데이터를 기록하였다.
- Minagawa와 Tachibana(1982)의 실험결과와 비교하기 위하여 실험시의 풍속 범위인 0.1~1.9m · s−1의 평균값인 1.0m · s−1의 풍속에 대한 관류열전달계수를 산정하여 비교하였다.
- 온실 내외부의 공기온도 및 토양온도는 각각 2점의 측정값을 평균하여 사용하였고 피복재 표면온도는 내외부 4점의 값을 평균하여 사용하였다. 또한 온실 외부에 풍속계(CAMPBELL SCIENTIFIC, 미국)를 설치하여 10분 간격으로 풍속을 측정하였다. 온실 내에는 12kW급 송풍기능이 있는 소형 전기온풍기(SJ-002, 한국)를 설치하여 난방을 하였고, 최대 풍량이 25m3· min−1인 공기순환팬(ACF-250S, 한국) 2대를 설치하여 내부온도의 균일성을 확보하였다.
- 3℃ 범위였고 온실내부의 온도는 0~21℃ 범위에서 유지되었다. 야간의 천공온도는 4,500~50,000nm 측정범위의 야간복사계(IR02, 네덜란드)를 사용하여 10분 간격으로 측정하였다.
- 6은 풍속에 따른 피복재 내부 및 외부 표면에서의 대류 및 복사열전달량의 변화를 도시한 것이다. 온실 내부로부터 피복재의 내부표면으로 전달된 열이 외부표면을 통해 밖으로 빠져나가기 때문에 피복재를 중심으로 했을 때 내부표면으로 전달되는 열흐름과 외부표면에서 빠져나가는 열흐름의 방향이 반대이나 크기만을 비교하기 위해 절대값을 비교하였다. 분석결과 풍속이 증가함에 따라 대류열전달량은 증가하였고 복사열전달량은 큰 변화가 없음을 확인할 수 있었다.
- 온실 내에는 12kW급 송풍기능이 있는 소형 전기온풍기(SJ-002, 한국)를 설치하여 난방을 하였고, 최대 풍량이 25m3· min−1인 공기순환팬(ACF-250S, 한국) 2대를 설치하여 내부온도의 균일성을 확보하였다.
- 풍속에 따른 온실피복재의 대류 및 복사열전달량, 관류열전달계수, 피복재온도의 변화를 분석하기 위하여 온실의 내부온도를 20℃, 외부온도를 −10℃, 피복재 투과율은 0.6, 온실 내부 및 외부의 토양온도는 내부 및 외부의 공기온도와 동일한 값으로 설정하고 풍속 0~10m ·s−1 범위에 대하여 값들을 산정하였다.
- 피복재 내부 및 외부 표면에서의 대류열전달계수를 산정하는 식은 다음의 5가지 식을 비교하여 가장 적합한 식을 결정한 후 사용하였다.
대상 데이터
- 검증실험에 사용한 온실은 Fig. 1과 같이 폭 3.7m, 측고 1.4m, 동고 2.25m, 길이 10m인 일중플라스틱피복 단동온실이며, 작물이 재배되지 않은 조건에서 실험이 수행되었다. Fig.
- 온실 내에는 12kW급 송풍기능이 있는 소형 전기온풍기(SJ-002, 한국)를 설치하여 난방을 하였고, 최대 풍량이 25m3· min−1인 공기순환팬(ACF-250S, 한국) 2대를 설치하여 내부온도의 균일성을 확보하였다. 실험은 2012년 1월 31일부터 2012년 3월 31일까지 실시하였으며 분석은 맑은 날 야간(22시~5시)에 대하여 실시하였다. 야간의 외부온도는 −11.
데이터처리
- 모든 계산은 Microsoft Excel과 Visual Basic을 사용하여 수행하였다.
- 2와 같이 온실 내·외부에 온도센서(UETH100, 한국)를 각각 2점씩, 피복재 표면온도센서(UE-1503, 한국)를 각각 2점씩, 토양온도센서(UE-TH100, 한국)를 각각 2점씩을 설치하여 10분 간격으로 데이터로거(ZF-10MX, 한국)를 사용하여 데이터를 기록하였다. 온실 내외부의 공기온도 및 토양온도는 각각 2점의 측정값을 평균하여 사용하였고 피복재 표면온도는 내외부 4점의 값을 평균하여 사용하였다. 또한 온실 외부에 풍속계(CAMPBELL SCIENTIFIC, 미국)를 설치하여 10분 간격으로 풍속을 측정하였다.
이론/모형
- 천공온도는 다음 식과 같이 우리나라의 맑은 날에 잘 맞는 Swinbank식(Duffie와 Beckman, 1981)을 사용하여 산정하였다.
성능/효과
- Minagawa와 Tachibana의 실험값이 비록 제한된 풍속범위(0.1~1.9m ·s−1)에서 얻어진 결과이지만 5가지 대류 및 복사열전달계수 산정 식 중 Kittas 식이 이들 실험값에 가장 근접한 것으로 나타났다.
- 피복재의 표면온도가 온실의 외부온도보다는 내부온도와 상관성이 더 높은 것으로 나타났다. 관류열전달계수를 산정하는데 사용된 5가지 종류의 대류 및 복사열전달계수 산정식을 비교한 결과 Kittas가 제안한 대류 및 복사열전달계수 산정식이 가장 적합한 것으로 나타났다. 피복재 표면온도의 측정값과 계산값의 상관성을 분석한 결과 직선의 기울기는 1.
- 풍속이 증가함에 따라 관류열전달계수는 증가하고 피복재의 표면온도는 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 변화추세를 보면 관류열전달계수는 거듭제곱함수와 그리고 표면온도는 로그함수와 잘 일치하였다. 관류열전달계수의 변화 경향은 Nijskens 등(1984)의 연구결과와 잘 일치하고 있으며 특히 풍속 4m · s−1에서의 관류열전달계수가 8.
- 본 연구의 결과가 상관성 분석에 사용된 온실내부의 온도범위가 다르기 때문에 절편의 크기가 −7.43으로 Baille 등의 연구결과와 차이가 크지만 기울기가 1.05로서 거의 동일하게 나타나 변화경향이 잘 일치하는 것으로 분석되었다.
- 온실 내부로부터 피복재의 내부표면으로 전달된 열이 외부표면을 통해 밖으로 빠져나가기 때문에 피복재를 중심으로 했을 때 내부표면으로 전달되는 열흐름과 외부표면에서 빠져나가는 열흐름의 방향이 반대이나 크기만을 비교하기 위해 절대값을 비교하였다. 분석결과 풍속이 증가함에 따라 대류열전달량은 증가하였고 복사열전달량은 큰 변화가 없음을 확인할 수 있었다. 온실내부로부터 피복재 내부표면으로 전달되는 열흐름량의 경우 모든 풍속구간에 대해 대류열전달량이 복사열전달량보다 더 컸으며 풍속이 증가할수록 그 차이가 증가하였다.
- 비교분석 결과 Garzoli와 Blackwell 식이 가장 큰 값을 나타내었고 Watmuff와 Tantau 식이 가장 작은 값을 나타내었으며, 그 차이는 평균 2.4W· m−2· K−1이었다.
- 주간 및 야간 측정온도를 모두 고려하였을 경우에 피복재의 표면온도가 온실의 외부온도보다는 내부온도와 상관성이 더 높은 것으로 나타났다. 야간온도만을 고려하였을 때에도 피복재의 표면온도는 온실의 내부온도와의 상관성이 더 높은 것으로 나타나 피복재의 표면온도는 내부온도에 더 큰 영향을 받는 것으로 분석되었다. Baille 등(2006)은 2월의 온실피복재 표면온도와 내부온도에 대해 y = 1.
- 본 연구의 목적은 일중피복온실의 피복재에 대하여 우리나라 환경에 적합한 관류열전달계수를 산정하는 방법을 찾아내고 검증하여 다양한 온실조건 및 환경조건에서 관류열전달계수를 산정할 수 있는 모델을 제시하는 것이다. 온실내부 및 외부온도와 피복재 표면온도와의 상관관계를 분석한 결과 주간 및 야간 온도를 모두 고려하였을 때보다 야간온도만을 고려하였을 경우가 상관성이 훨씬 더 높은 것으로 나타났다. 피복재의 표면온도가 온실의 외부온도보다는 내부온도와 상관성이 더 높은 것으로 나타났다.
- 분석결과 풍속이 증가함에 따라 대류열전달량은 증가하였고 복사열전달량은 큰 변화가 없음을 확인할 수 있었다. 온실내부로부터 피복재 내부표면으로 전달되는 열흐름량의 경우 모든 풍속구간에 대해 대류열전달량이 복사열전달량보다 더 컸으며 풍속이 증가할수록 그 차이가 증가하였다. 외부표면에서 손실되는 열흐름량의 경우 풍속이 낮을 때에는 대류열전달량에 비해 복사열전달량이 더 컸으나 풍속이 증가함에 그 차이는 점점 줄어들어 풍속이 높을 때에는 대류열전달량이 더 커지는 것으로 나타났다.
- 온실내부로부터 피복재 내부표면으로 전달되는 열흐름량의 경우 모든 풍속구간에 대해 대류열전달량이 복사열전달량보다 더 컸으며 풍속이 증가할수록 그 차이가 증가하였다. 외부표면에서 손실되는 열흐름량의 경우 풍속이 낮을 때에는 대류열전달 량에 비해 복사열전달량이 더 컸으나 풍속이 증가함에 따라 그 차이는 점점 줄어들어 풍속이 높을 때에는 대류열전달량이 더 커지는 것으로 나타났다. 피복재 외부 표면의 대류열전달량은 내부표면의 대류열전달량에 직선 적으로 비례하여 증가하는 것으로 나타났다.
- 온실내부로부터 피복재 내부표면으로 전달되는 열흐름량의 경우 모든 풍속구간에 대해 대류열전달량이 복사열전달량보다 더 컸으며 풍속이 증가할수록 그 차이가 증가하였다. 외부표면에서 손실되는 열흐름량의 경우 풍속이 낮을 때에는 대류열전달량에 비해 복사열전달량이 더 컸으나 풍속이 증가함에 그 차이는 점점 줄어들어 풍속이 높을 때에는 대류열전달량이 더 커지는 것으로 나타났다. Fig.
- 4W· m−2· K−1이었다. 전체적으로 온실 내외부의 온도차이가 증가함에 따라 관류열전달계수는 감소하다가 일정한 값에 수렴하는 것으로 나타났으며, 이는 Minagawa와 Tachibana(1982) 및 Lee 등(2011)의 온실실험결과와 일치한다. Minagawa와 Tachibana의 실험값이 비록 제한된 풍속범위(0.
- 이는 주간에는 피복재 온도가 주위의 공기온도뿐만 아니라 일사의 영향을 많이 받기 때문인 것으로 판단된다. 주간 및 야간 측정온도를 모두 고려하였을 경우에 피복재의 표면온도가 온실의 외부온도보다는 내부온도와 상관성이 더 높은 것으로 나타났다. 야간온도만을 고려하였을 때에도 피복재의 표면온도는 온실의 내부온도와의 상관성이 더 높은 것으로 나타나 피복재의 표면온도는 내부온도에 더 큰 영향을 받는 것으로 분석되었다.
- 피복재 외부 표면의 대류열전달량은 내부표면의 대류열전달량에 직선 적으로 비례하여 증가하는 것으로 나타났다. 풍속이 증가함에 따라 관류열전달계수는 증가하고 피복재의 표면 온도는 감소하는 것을 확인할 수 있었고, 변화추세를 보면 관류열전달계수는 거듭제곱함수와 그리고 표면온도는 로그함수와 잘 일치하였다.
- 9는 풍속에 따른 관류열전달계수와 피복재온도의 변화를 나타낸 것이다. 풍속이 증가함에 따라 관류열전달계수는 증가하고 피복재의 표면온도는 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 변화추세를 보면 관류열전달계수는 거듭제곱함수와 그리고 표면온도는 로그함수와 잘 일치하였다.
- 풍속이 증가함에 따라 대류열손실량의 비율이 증가하는 것으로 나타났고, 풍속이 0m · s−1일 때 대류열손실량이 전체열손실량의 20% 정도였고 5m · s−1일 때 50% 정도였으며, 풍속이 더 증가함에 따라 50%를 초과하였다.
- 외부표면에서 손실되는 열흐름량의 경우 풍속이 낮을 때에는 대류열전달 량에 비해 복사열전달량이 더 컸으나 풍속이 증가함에 따라 그 차이는 점점 줄어들어 풍속이 높을 때에는 대류열전달량이 더 커지는 것으로 나타났다. 피복재 외부 표면의 대류열전달량은 내부표면의 대류열전달량에 직선 적으로 비례하여 증가하는 것으로 나타났다. 풍속이 증가함에 따라 관류열전달계수는 증가하고 피복재의 표면 온도는 감소하는 것을 확인할 수 있었고, 변화추세를 보면 관류열전달계수는 거듭제곱함수와 그리고 표면온도는 로그함수와 잘 일치하였다.
- 피복재 외부표면의 대류열전달량은 내부표면의 대류열전달량에 직선적으로 비례하여 증가하는 것으로 나타났고 회귀식의 기울기는 −1.30이었다.
- 5는 관류열전달계수 산정모델의 정확성과 신뢰성을 검토하기 위하여 Kittas(1986, 1994)의 대류 및 복사열전달계수 산정식을 사용하여 계산한 피복재 표면온도와 실험을 통해 측정한 피복재 표면온도의 상관성을 도시한 것이다. 피복재 표면온도의 측정값과 계산값에 대한 회귀식의 기울기가 1.009이고 절편이 0.001이며 결정계수가 0.98로 나타나 1:1라인에 밀집되어 있기 때문에 본 연구에서 제시된 산정모델이 신뢰성이 있음을 확인할 수 있었다.
- 관류열전달계수를 산정하는데 사용된 5가지 종류의 대류 및 복사열전달계수 산정식을 비교한 결과 Kittas가 제안한 대류 및 복사열전달계수 산정식이 가장 적합한 것으로 나타났다. 피복재 표면온도의 측정값과 계산값의 상관성을 분석한 결과 직선의 기울기는 1.009이고 절편은 0.001이며 결정계수가 0.98로 나타나본 연구에서 제시된 관류열전달계수 산정모델이 신뢰성이 있음을 확인할 수 있었다. 온실내부로부터 피복재 내부표면으로 전달되는 열흐름량의 경우 모든 풍속구간에 대해 대류열전달량이 복사열전달량보다 더 컸으며 풍속이 증가할수록 그 차이가 증가하였다.
- 이는 주간에는 피복재 온도가 주위의 공기온도뿐만 아니라 일사의 영향을 많이 받기 때문인 것으로 판단된다. 주간 및 야간 측정온도를 모두 고려하였을 경우에 피복재의 표면온도가 온실의 외부온도보다는 내부온도와 상관성이 더 높은 것으로 나타났다. 야간온도만을 고려하였을 때에도 피복재의 표면온도는 온실의 내부온도와의 상관성이 더 높은 것으로 나타나 피복재의 표면온도는 내부온도에 더 큰 영향을 받는 것으로 분석되었다.
후속연구
- Baille 등(2006)의 연구결과에서는 회귀식의 기울기가 −0.94로 나타나 피복재 외부표면으로부터의 열손실량이 내부표면으로의 열전달량과 비슷하였으나 본 연구에서는 35% 정도 더 큰 것으로 나타났으며, 이는 온실내외부 온도차, 풍속범위 등에 차이가 있기 때문인 것으로 판단되며 앞으로 이에 대한 더 자세한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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