[논문]플라스틱온실의 피복방식에 따른 보온 및 광투과 성능 평가

이현우; 김영식; 심상연; 이종원; 소레이멘디옵

doi:10.12791/ksbec.2013.22.3.270

플라스틱온실의 피복방식에 따른 보온 및 광투과 성능 평가
Estimation of Heat Insulation and Light Transmission Performance According to Covering Methods of Plastic Greenhouses 원문보기

시설원예ㆍ식물공장 = Protected horticulture and plant factory, v.22 no.3, 2013년, pp.270 - 278

이현우 (경북대학교 농업토목공학과) , 김영식 (상명대학교 식물식품공학과) , 심상연 (경기농업기술원) , 이종원 (경북대학교 농업과학기술연구소) , 소레이멘디옵 (경북대학교 농업토목공학과)

초록
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본 연구는 우리나라 상업용 온실의 보온성능 및 광투과 성능을 개선할 수 있는 피복방식을 결정하는데 필요한 자료를 제공하기 위하여 토마토 재배용 실험온실의 세 가지 피복방식에 대한 보온효과 및 광투과 특성을 평가하였으며 결과를 요약하면 다음과 같다. 공기주입 이중피복온실과 관행 이중피복온실의 관류열손실량이 거의 비슷한 것으로 나타났으나 외부기온이 비슷할 때 피복재와 보온커튼 사이의 온도가 공기주입 이중피복온실이 더 낮게 나타난 것은 공기주입 이중피복온실의 경우 나비식 천창의 틈새로 인한 환기전열손실이 크기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 공기주입 이중피복온실에서 나비식 천창을 사용할 경우 틈새 환기전열손실을 줄일 수 있는 대책이 수립되어야 할 것으로 판단된다. 일중피복 온실과 관행이중피복온실의 관류열전달계수에 대한 온실 실험결과와 모형실험결과를 비교한 결과 모두 비슷한 값을 나타내었다. 이러한 결과는 측정된 관류열전달계수가 타당성 있는 값임을 보여주는 것이며 향후 온실의 난방설계시 직접 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 공기주입 이중피복온실이 비록 일중피복온실보다는 광투과율이 낮으나 동일한 이중피복온실인 관행이중피복온실보다 광투과율이 높기 때문에 보온을 위해서 이중피복을 설치할 경우에 광투과율을 확보하기 위해서는 공기주입 이중피복방식을 채택하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 공기주입 이중피복온실에 비해 일중피복온실의 피복재 내부표면에서 발생하는 결로량이 큰 이유는 일중피복온실의 피복재 내부표면온도가 훨씬 낮기 때문에 피복재에서의 포화습도가 작아져 내부공기의 절대습도와의 차이가 증가하기 때문인 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of the present study is to provide data needed to decide covering method to be able to increase the thermal insulation and light transmittance efficiency of commercial greenhouse. The thermal insulation effect, PPF transmittance and quantity of condensation water were estimated in experimental tomato greenhouses covered with three types of coverings of single layer, air inflated and conventional double layers covering. The overall heat flow of air inflated double layers greenhouse was similar to that of conventional double layers greenhouse, but the temperature between covering material and thermal screen in air inflated double layers greenhouse was lower than that in conventional double layers greenhouse at the same outside temperature condition due to air leakage through the gap of roof vent. The overall heat transfer coefficients acquired by experiment that was performed in single layer and conventional double layers greenhouses were close to those obtained from model experiment. Even though the PPF transmittance of air inflated double layers greenhouse was lower than that of single layer greenhouse, which was greater than that of conventional double layers greenhouse. The quantity of condensation water on covering surface of single layer greenhouse was greater than that of air inflated double layers greenhouse due to lower covering surface temperature.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 우리나라 상업용 온실의 보온성능 및 광투 과성능을 개선할 수 있는 피복방식을 결정하는데 필요 한 자료를 제공하기 위하여 토마토 재배용 실험온실의 세 가지 피복방식에 대한 보온효과 및 광투과 특성을 평가하였으며 결과를 요약하면 다음과 같다. 공기주입 이중피복온실과 관행 이중피복온실의 관류열손실량이 거의 비슷한 것으로 나타났으나 외부기온이 비슷할 때 피복재와 보온커튼 사이의 온도가 공기주입 이중피복온실이 더 낮게 나타난 것은 공기주입 이중피복온실의 경우 나비식 천창의 틈새로 인한 환기전열손실이 크기 때문인 것으로 판단된다.
본 연구의 목적은 실험용 일중피복플라스틱온실, 관행 이중피복 플라스틱온실 및 공기주입 이중피복 플라스틱 온실을 설치하고 토마토가 수경재배 되고 있는 환경조건 하에서 세 가지 피복방식에 대한 보온특성 및 광투과 특성을 평가하여 상업용 온실의 보온성능 및 광투과 성능을 개선하는데 필요한 자료를 제공하는 것이다.

가설 설정

관류열전달 계수는 기상자료를 이용하여 계산한 난방용 연료소비량 이 실험온실에서 실제로 소모된 연료소비량과 같다고 하 였을 때 얻어진 관류열전달계수 값으로 결정하였다. 이 때 실제로 소비된 난방용 연료는 피복재를 통한 관류열 손실부하에 의해서만 소비되었다고 가정하였다. 1차 및 2차 실험에서 온풍난방을 위해 사용한 일일경유소비량을 각각 2개월간씩(2011년 1월~2011년 2월 및 2012년 12 월~2013년 1월) 매일 측정하였다.
이때 지표전열부하량은 −150kcal · m−2 · night−1 로 가정하여 산정하였다(JGHA, 1994).

제안 방법

이 때 실제로 소비된 난방용 연료는 피복재를 통한 관류열 손실부하에 의해서만 소비되었다고 가정하였다. 1차 및 2차 실험에서 온풍난방을 위해 사용한 일일경유소비량을 각각 2개월간씩(2011년 1월~2011년 2월 및 2012년 12 월~2013년 1월) 매일 측정하였다.
2는 남북방향으로 설치된 실험온실의 배치도를 보여주고 있다. 2009년 12월~2012년 10월 사이의 1차 실험에서는 관행이중피복온실과 공기주입 이중피복온실에 대한 비교 실험이 수행되었고, 2012년 12월~2013년 3월 사이의 2 차 실험에서는 일중피복온실과 공기주입 이중피복온실에 대한 비교실험이 수행되었다. 이때 관행이중피복온실과 일중피복온실은 동일한 구조재에 피복상태만 달리하여 실험을 실시하였다.
결로량의 수거를 위해 주방용 종이타월을 사용하였고 종이타월로 피복재 표면의 물방울을 빨아들인 상태 에서 중량을 측정한 후 종이타월의 중량을 제하여 결로량을 구하였다. 2013년 1월 18일부터 3월 8일까지 매일 오전 9시 30분에 피복재 표면의 결로량을 측정하고 1시 간이 경과한 10시 30분에 동일한 표면에서 발생된 결로량을 측정하였다.
7은 피복재 표면에 발생한 결로를 수거하고 무게를 측정하는 광경을 보여주고 있다. 각 실험온실의 피복재 내부표면 위에 서까래와 도리에 의해 나누어진 구역 3곳씩을 택하여 각 구역의 결로를 수거하고 저울(SW, 한국)을 이용하여 중량을 측정하고 단위면적당 결로발생량을 산정한 후 3곳의 값을 평균하여 결로량을 결정하였다. 결로량의 수거를 위해 주방용 종이타월을 사용하였고 종이타월로 피복재 표면의 물방울을 빨아들인 상태 에서 중량을 측정한 후 종이타월의 중량을 제하여 결로량을 구하였다.
각 실험온실의 피복재 내부표면 위에 서까래와 도리에 의해 나누어진 구역 3곳씩을 택하여 각 구역의 결로를 수거하고 저울(SW, 한국)을 이용하여 중량을 측정하고 단위면적당 결로발생량을 산정한 후 3곳의 값을 평균하여 결로량을 결정하였다. 결로량의 수거를 위해 주방용 종이타월을 사용하였고 종이타월로 피복재 표면의 물방울을 빨아들인 상태 에서 중량을 측정한 후 종이타월의 중량을 제하여 결로량을 구하였다. 2013년 1월 18일부터 3월 8일까지 매일 오전 9시 30분에 피복재 표면의 결로량을 측정하고 1시 간이 경과한 10시 30분에 동일한 표면에서 발생된 결로량을 측정하였다.
피복방법에 따른 온실의 보온효과를 정량적으로 분석할 목적으로 관류열전달계수를 산정하였다. 관류열전달 계수는 기상자료를 이용하여 계산한 난방용 연료소비량 이 실험온실에서 실제로 소모된 연료소비량과 같다고 하 였을 때 얻어진 관류열전달계수 값으로 결정하였다. 이 때 실제로 소비된 난방용 연료는 피복재를 통한 관류열 손실부하에 의해서만 소비되었다고 가정하였다.
6은 온실내의 온습도를 측정하기 위한 센서의 배치도를 나타낸 것이다. 온습도센서(UE-TH100, 한국)는 각각의 실험온실내부에 총 21점 씩을 설치하였고 외부에 2점을 설치하였으며, 광합성유효광량자속은 광합성광량자속센서(UE-130, 한국)를 온실 폭 방향 중앙부의 중방 높이에 2점씩을 설치하고 외부에 2점을 설치하여 측정하였고 모든 측정 데이터는 데 이터로그(ZF-10MX, 한국)를 사용하여 10분 간격으로 연속 저장하였다. 피복재의 관류열량은 관류열센서(MF180, 일본)를 데이터로그(MP-75, 일본)에 연결하여 10분 간격으로 저장되도록 하였다.
2009년 12월~2012년 10월 사이의 1차 실험에서는 관행이중피복온실과 공기주입 이중피복온실에 대한 비교 실험이 수행되었고, 2012년 12월~2013년 3월 사이의 2 차 실험에서는 일중피복온실과 공기주입 이중피복온실에 대한 비교실험이 수행되었다. 이때 관행이중피복온실과 일중피복온실은 동일한 구조재에 피복상태만 달리하여 실험을 실시하였다. 1차 실험온실은 0.
피복재 표면의 결로로 인해 온실에서 발생하는 가장 큰 문제점은 입사광의 반사로 인한 광투과율의 저하이다 (Papadakis 등, 2000; Pieters 등, 1997; Pollet와 Pieters, 1999). 이와 같이 온실의 광환경을 해치는 결로의 발생 정도를 분석하기 위하여 피복방식별 결로발생량을 측정 하고 비교하였다.
Table 1은 시험재료 및 처리조건을 나타낸 것이다. 일중PE필름피복 및 이중PE필름피복과 2층의 폴리에스테르 보온재(옥스 퍼드, 300600)의 조합조건에 대하여 관류열전달계수를 측정하였다
피복방법에 따른 온실의 보온효과를 정량적으로 분석할 목적으로 관류열전달계수를 산정하였다. 관류열전달 계수는 기상자료를 이용하여 계산한 난방용 연료소비량 이 실험온실에서 실제로 소모된 연료소비량과 같다고 하 였을 때 얻어진 관류열전달계수 값으로 결정하였다.
온습도센서(UE-TH100, 한국)는 각각의 실험온실내부에 총 21점 씩을 설치하였고 외부에 2점을 설치하였으며, 광합성유효광량자속은 광합성광량자속센서(UE-130, 한국)를 온실 폭 방향 중앙부의 중방 높이에 2점씩을 설치하고 외부에 2점을 설치하여 측정하였고 모든 측정 데이터는 데 이터로그(ZF-10MX, 한국)를 사용하여 10분 간격으로 연속 저장하였다. 피복재의 관류열량은 관류열센서(MF180, 일본)를 데이터로그(MP-75, 일본)에 연결하여 10분 간격으로 저장되도록 하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 온실의 형태는 Fig. 1과 같으며, 경기도 농업기술원(경기도 화성시 기산동 소재)내에 설치된 내재해형 규격시설 자동화비닐하우스 07-자동화-1형 (농림수산식품부 고시 제2010-128호)의 관행형태 이중피 복온실(일중피복온실 실험에도 사용)과 공기주입식 이중 피복온실의 3연동 아치형온실 2개동이다. 온실의 크기는 폭 23.

이론/모형

Diop 등(2012)이 제시한 핫박스를 이용한 방법을 사용 하여 실외에서 관류열전달계수를 측정하였으며, 측정실 험은 2013년의 1월~4월에 걸쳐 수행되었다. Table 1은 시험재료 및 처리조건을 나타낸 것이다.
온실의 난방은 야간에만 실시되었기 때문에 난방디그 리아워는 야간난방 디그리아워 산정식인 다음 식을 사용 하여 계산하였다(JGHA, 1994).

성능/효과

또한 Fig. 10의 (c)와 (d)에서 보는 바와 같이 2개월 동안 일평균외기온과 경유소비량의 전체적인 변화 경향은 평균외기온이 증가함에 따라 연료소모량이 감소하여 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다. Table 2는 온실실 험과 모형실험에서 얻어진 온실 피복형태별 관류열전달계수를 나타낸 것이다.
11은 3가지 피복형태에 대하여 12월중의 일일적 산 광합성유효광량자속 및 일조시간을 비교한 것이다. 3 가지 피복형태 모두 일조시간에 따른 광량의 변화경향은 잘 일치하는 것으로 나타났다. 비록 측정연도는 다르지만 온실의 투과광량은 일중피복이 가장 크고 그 다음이 공기주입 이중피복이며 관행이중피복이 가장 낮았다.
오전 9시 30분에 처음으로 측정된 결로량은 일중피복온실이 공기주입 이중피복온실에 비해 평균 3배 이상 큰 것으로 나타났다. 결로를 수거한 후 1 시간이 지난 10시 30분에 측정한 결로량은 일중피복온 실의 경우는 초기량과 비슷하였으나 공기주입 이중피복 온실의 경우는 크게 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 결로의 양은 일중피복이 훨씬 큰 것으로 나타났다.
결로발생량은 공기주입 이중피복온실은 13.3~44.3ml · m−2 의 범위이고 일중피복 온실은 26.3~149.2ml · m−2 의 범위로 변화폭이 상당히 큰 것으로 나타났다.
Table 3은 온실 피복 형태별 일일적산 광합성유효광량자속 투과율을 나타낸 것이다. 공기주입 이중피복온실의 투과율은 평균 57.2% 로 나타났고, 일중피복온실보다는 14.7% 낮았으며 관행 이중피복온실보다는 7% 정도 높았다. 이는 11월의 공기 주입 이중피복온실과 관행이중피복온실의 광투과율의 차 이가 7.
이러한 결과는 측정된 관류열전달계수가 타당성 있는 값임을 보여주는 것이며 향후 온실의 난방 설계시 직접 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 공기주입 이중피복온실이 비록 일중피복온실보다는 광투과율이 낮으나 동일한 이중피복온실인 관행이중피복온실보다 광투 과율이 높기 때문에 보온을 위해서 이중피복을 설치할 경우에 광투과율을 확보하기 위해서는 공기주입 이중피 복방식을 채택하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 공기주입 이중피복온실에 비해 일중피복온실의 피복재 내부표면에서 발생하는 결로량이 큰 이유는 일중피복온실의 피복재 내부표면온도가 훨씬 낮기 때문에 피복재에서의 포화습도가 작아져 내부공기의 절대습도와의 차이가 증가하기 때문인 것으로 판단된다.
이는 일중피복온실과 관행이중피복온실의 경우 피복 재가 잘 밀폐되어 있어 대부분의 열손실이 관류열손실로 인해 발생되었기 때문으로 판단된다. 온실실험과 모형실 험의 일치된 결과는 측정된 관류열전달계수가 타당성 있는 값임을 보여준다. 이러한 관류열전달계수는 향후 온실의 난방설계시 직접 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
온실실험에서 얻어진 관류열전달 계수는 일중피복온실이 3.09W · m−2 · K−1 로 가장 컸고, 그 다음이 공기주입 이중피복온실로 평균 2.73W · m−2 · K−1 이었고 관행 이중피복온실이 2.12W · m−2 · K−1 로 가장 낮게 나타났다.
일중피복온실이 공기주입 이중피복 온실보다 관류열손실량이 약 30kcal · m−2 · h−1 더 큰 것 으로 나타났으며, 일중피복온실 내부의 온도가 공기주입 이중피복온실 내부의 온도보다 더 낮게 유지되었다.
지붕피 재 표면에서의 결로발생을 억제하는 측면에서는 일중피복에 비해 이중피복방식이 더 우수함을 확인할 수 있었 다.

후속연구

1%라는 Lee 등(2010)의 연구결과와도 잘 일치한다. 공기주입 이중피복온실이 비록 일중피복온실보다 광 투과율이 크게 낮으나 동일한 이중피복온실인 관행이중 피복온실보다 광투과율이 높기 때문에 보온을 위해서 이중피복을 설치할 경우에 광투과율을 확보하기 위해서는 공기주입 이중피복방식을 채택하는 것이 바람직할 것으 로 판단된다.
앞에서 열관류센서로 측정한 결과에 의하면 공기주입 이중피복온실의 관류열손실량이 관행 이중피복 온실의 관류열손실량과 거의 비슷한 것으로 나타났으나, 피복재와 보온커튼 사이의 온도는 공기주입 이중피복온실이 더 낮게 나타난 것은 공기주입 이중피복온실의 경우 천창의 틈새로 인한 환기전열손실이 크기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 공기주입 이중피복온실에서 나비식 천창을 사용할 경우 틈새 환기전열손실을 줄일 수 있는 대책이 수립되어야 할 것으로 판단된다.
일중피복 온실과 관행이중피복온실의 관류열전달계수에 대한 온실 실험결과와 모형실험결과를 비교한 결과 모두 비슷한 값을 나타내었다. 이러한 결과는 측정된 관류열전달계수가 타당성 있는 값임을 보여주는 것이며 향후 온실의 난방 설계시 직접 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 공기주입 이중피복온실이 비록 일중피복온실보다는 광투과율이 낮으나 동일한 이중피복온실인 관행이중피복온실보다 광투 과율이 높기 때문에 보온을 위해서 이중피복을 설치할 경우에 광투과율을 확보하기 위해서는 공기주입 이중피 복방식을 채택하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
온실실험과 모형실 험의 일치된 결과는 측정된 관류열전달계수가 타당성 있는 값임을 보여준다. 이러한 관류열전달계수는 향후 온실의 난방설계시 직접 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
그러나 온실설치지역의 기상환경, 재배작목, 재배방식 등 여러 가지 조건에 따라 피복방식을 다르게 결정할 수 있기 때문에 이들 모든 피복방식들에 대한 환경특성의 장단점이 명확히 구명될 필요가 있다. 특히 피복재의 가장 중요한 특성인 투광성과 보온성을 비교분석하여 피복방식별 보온특성 및 광특성에 대한 구체적인 자료를 제시한다면 재배지역 및 재배작목 등에 따른 온실의 피복방식을 결정하는데 귀중한 자료로 활용 될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	온실에서 피복의 주된 목적을 위해 구비해야 할 점은?	온실에서 피복의 주된 목적은 주간에 온실 내부로 입사하는 태양복사에 의한 내부공기의 온도상승에 있다. 이러한 목적을 위해 사용되는 피복재가 구비해야 할 가장 기본적인 성질은 투광성과 보온성이다. 그러나 이 두 가지 조건은 서로 상반되는 물리적인 성질이기 때문에 동시에 만족시키는 것은 상당히 어렵다.
	온실에서 피복의 주된 목적은 무엇인가?	온실에서 피복의 주된 목적은 주간에 온실 내부로 입사하는 태양복사에 의한 내부공기의 온도상승에 있다. 이러한 목적을 위해 사용되는 피복재가 구비해야 할 가장 기본적인 성질은 투광성과 보온성이다.
	우리나라에서 현재 주로 사용되고 있는 플라스틱온실 의 피복방식은?	우리나라에서 현재 주로 사용되고 있는 플라스틱온실 의 피복방식은 일중피복방식과 피복재를 통한 관류열손 실을 줄이기 위한 이중피복방식이 있다. 농림축산식품부에서 고시(농림수산식품부 고시 제2010-128호)한 내재해형 비닐하우스시설 규격 중 일중피복온실에는 연동온실 인 08-자동화-1형과 10-자동화-1형이 있고 단동온실인 07-단동-1을 비롯한 22가지 형태가 있으며 이중피복온실 에는 07-자동화-1형이 있다(RDA, 2010).

참고문헌 (18)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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