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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 간척지 풍 환경 특성에 따른 자연환기식 온실의 환기효율 분석 연구에 이용될 CFD 모델링의 검증 및 정확도 향상을 위하여, 풍동 및 PIV를 이용한 정성적 및 정량적 온실 내 공기유동 데이터를 확보하고자 하였다. 농가보급형 단동 양지붕형 온실을 대상 모델로 선정한 후 간척지 풍 환경을 적용하여 풍속, 환기방식에 따른 온실 내부 공기유동 분석을 수행하였다.
- 본 연구를 통하여 도출된 결과를 바탕으로 전산유체 역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 시뮬레이션에 접목하여 앞서 도출된 정량적인 높이별 유속 수치 및 정성적 유동분포를 기준으로 검증 및 정확도 향상을 통한 환기분석 모델을 설계하고자 하였다. 온실 내부의 공기유동에 따른 보다 실질적인 환기 척도를 도출하여 다양한 온실형태별, 환경조건별, 환기방식별 환기경향 분석 및 예측이 가능할 것으로 전망되며 시뮬레이션을 활용한 온실 체적 전체 및 구역별 환기량을 예측하여 환기 취약 구역을 파악, 보완할 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구에서는 간척지 풍 환경 특성에 따른 온실의 환기효율 분석 연구에 대한 기초연구로서 단동 양지붕형 온실을 대상으로 간척지 풍 환경을 적용한 풍동실험 및 PIV 실험을 수행하여 풍속, 환기방식에 다른 온실 내부 공기유동 분석을 수행하였다. 실질적인 간척지 풍환경 적용을 위하여 ESDU 프로그램을 활용하여 풍속 및 난류 프로파일을 설계하여 풍동실험에 적용하였으며 구현 결과 ESDU 대비 5%의 오차 및 상관계수 0.
가설 설정
- 본 모델은 고온 극복을 목적으로 구조개선을 통하여 환기면적율이 13%에서 21%로 증가된 온실 모델로서(RDA, 2014), 국내에서 보편적으로 많이 사용되고 있으며 다양한 환기방식에 따른 분석이 용이한 구조이다. 본 연구에서는 환기창 방식에 따라 내부 기류 형상이 크게 달라진다는 점과 차후 다양한 형태의 온실들에 대한 환기효율성 상대비교 분석의 용이성을 고려하여 환기창이 Roll up 방식(권취식) 및 Vertical sliding 방식으로 이루어지는 것을 가정하여 설계하였다. 온실 스케일 모형 제작에 있어 환기방식에 따른 분석을 위하여 천창부 개폐를 고려하여 설계하였으며 이를 통하여 측창 환기방식, 측창-천창 환기방식에 따른 유동분석을 수행하였다.
제안 방법
- PIV 측정 자료를 통하여 벡터장, 컨투어장을 도출하여 온실의 공기유동에 따른 자연환기 경향에 대하여 정성적 분석을 수행하였다. 측정 결과를 바탕으로 주기류층이 형성되는 구간이나 형성된 기류에 따른 환기 원활 위치와 정체구역을 판별할 수 있었다.
- 흡입식 송풍기를 통하여 기류를 형성하고 풍상측에서 가스 입자를 충분히 발생시켰으며 내부 기류의 안정화를 확인한 후 PIV 실험을 진행하였다. 각 풍속 및 환기방식에 따라 2,000초 상당의 시간동안 측정하는 방식으로 진행하였으며 오차의 최소화와 정확한 유동 구현을 위하여 반복측정을 수행하였다. 진행된 실험의 개요 및 분석대상 요소들은 Table 3과 같다.
- 식 (7)에서 T는 기준높이(Reference height)에서의 평균 풍속을 의미하며 이 식을 통하여 시간 상사를 실시한다. 기하학적 상사조건을 통하여 축척모형의 형상을 실제모형과 일치시킨 후 기류 경계층의 높이 등을 선정하고, 운동학적 상사조건을 통하여 실제 모형에 작용하는 풍의 성상, 특징 등을 평균풍속 분포, 난류강도 등을 재현한다. 마지막으로 역학적 상사조건을 통하여 작용되는 현상들을 레이놀즈수, 환산풍속 등을 고려하여 실제 작용현상으로 해석한다.
- 따라서 본 연구에서는 간척지 풍 환경 특성에 따른 자연환기식 온실의 환기효율 분석 연구에 이용될 CFD 모델링의 검증 및 정확도 향상을 위하여, 풍동 및 PIV를 이용한 정성적 및 정량적 온실 내 공기유동 데이터를 확보하고자 하였다. 농가보급형 단동 양지붕형 온실을 대상 모델로 선정한 후 간척지 풍 환경을 적용하여 풍속, 환기방식에 따른 온실 내부 공기유동 분석을 수행하였다.
- 7). 도출된 오차와 상관계수를 바탕으로 프로파일이 적절하게 설계된 것으로 판단하였으며 이를 기반으로 실험을 진행하였다.
- 기하학적 상사조건을 통하여 축척모형의 형상을 실제모형과 일치시킨 후 기류 경계층의 높이 등을 선정하고, 운동학적 상사조건을 통하여 실제 모형에 작용하는 풍의 성상, 특징 등을 평균풍속 분포, 난류강도 등을 재현한다. 마지막으로 역학적 상사조건을 통하여 작용되는 현상들을 레이놀즈수, 환산풍속 등을 고려하여 실제 작용현상으로 해석한다. Sase 등(1984)의 연구를 시작으로 풍동실험을 적용함으로써 온실을 축소 모형으로 제작 후 내부 공기유동을 분석한 연구는 다양하게 이루어져 오고 있다(Okushima 등, 1998; Lee 등, 2003).
- 본 연구에서는 ESDU 기법을 통하여 간척지에서의 풍 환경을 설계하였으며 이를 풍동실험에서 재현하여 분석을 수행하였다. 많은 간척지들 중 대표적인 새만금 지역을 대상지역으로 선정하여 경계층을 형성하였으며 프로파일 산정 인자들의 수치는 다음과 같다(Table 2).
- 실험 외부풍속으로 1.0, 1.5m·s−1를 선정하여 각 풍속에 대하여 환기방식에 따른 온실 내부 유속분포를 측정하였다.
- 실험 풍속의 경우 풍동실험장의 최저 풍속제어 수준, 상사법칙, 안정된 기류 형성 등을 고려하여 온실 동고 기준 1.0m·s−1, 1.5m·s−1로 선정하여 실험을 수행하였다.
- 6). 앞서 온실 축소 모형 제작에 적용된 1/30 스케일을 기준으로 운동학적 상사를 적용하여 도출된 1/6 풍속 스케일을 적용하였으며, 제작된 온실의 동고높이인 0.165m를 기준높이로 선정한 후 각 외부풍속이 구현되도록 프로파일을 설계 및 적용하였다. 실험 풍속의 경우 풍동실험장의 최저 풍속제어 수준, 상사법칙, 안정된 기류 형성 등을 고려하여 온실 동고 기준 1.
- 본 연구에서는 환기창 방식에 따라 내부 기류 형상이 크게 달라진다는 점과 차후 다양한 형태의 온실들에 대한 환기효율성 상대비교 분석의 용이성을 고려하여 환기창이 Roll up 방식(권취식) 및 Vertical sliding 방식으로 이루어지는 것을 가정하여 설계하였다. 온실 스케일 모형 제작에 있어 환기방식에 따른 분석을 위하여 천창부 개폐를 고려하여 설계하였으며 이를 통하여 측창 환기방식, 측창-천창 환기방식에 따른 유동분석을 수행하였다. 또한 이번 풍동 및 PIV 실험에서는 풍향의 경우 환기창에 수직으로 들어오는 단방향만을 고려하였다.
- 측정된 유속 수치를 이용하여 온실 내부 공기유동에 대한 정량적 분석을 수행하였다. 실험 외부풍속으로 1.
- 발생되는 유동에 추적가스(Tracer gas)를 뿌려 그 입자들의 유동영상을 초고속 카메라로 화상처리하여 속도장을 측정 하는 것이 기본원리이다. 측정하고자 하는 유동의 단면에 레이저를 이용하여 평면광(Laser light sheet)을 형성한 후 빛에 산란된 유동입자들을 확인한다. 영상 촬영의 시간간격동안 이동한 입자의 변위정보를 영상입력장치와 디지털 화상처리 기법을 통하여 계측한 후 속도장 정보를 추출할 수 있다.
- 풍동실험장에서의 간척지 풍속 및 난류 프로파일 구현을 위하여 조도블럭, 베리어, 스파이어 등을 사용하여 ESDU 수치를 기준으로 모사하였으며 측정부에서의 결과를 도출하였다. 풍동실험장 내 Traverse system의 전방위 센서(Omni-directional)를 통하여 주 유동 방향과 센서 방향을 일치시켜 측정하였으며 적정 수준의 오차범위로 판단한 후 실험을 수행하였다. 온실 동고 기준에서의 풍속 및 난류강도에 대한 프로파일을 구현하였으며 설계 결과 ESDU 설계 수치 기준 풍동실험장 내 측정값과 약 5%의 오차 및 상관계수 0.
- 풍동실험장에서의 간척지 경계층 재현을 위하여 조도블럭, 베리어, 스파이어 등을 통하여 ESDU 수치와 동일하도록 모사하였다(Fig. 6). 앞서 온실 축소 모형 제작에 적용된 1/30 스케일을 기준으로 운동학적 상사를 적용하여 도출된 1/6 풍속 스케일을 적용하였으며, 제작된 온실의 동고높이인 0.
- 풍동실험장에서의 간척지 풍속 및 난류 프로파일 구현을 위하여 조도블럭, 베리어, 스파이어 등을 사용하여 ESDU 수치를 기준으로 모사하였으며 측정부에서의 결과를 도출하였다. 풍동실험장 내 Traverse system의 전방위 센서(Omni-directional)를 통하여 주 유동 방향과 센서 방향을 일치시켜 측정하였으며 적정 수준의 오차범위로 판단한 후 실험을 수행하였다.
- 5m·s−1로 선정하여 실험을 수행하였다. 흡입식 송풍기를 통하여 기류를 형성하고 풍상측에서 가스 입자를 충분히 발생시켰으며 내부 기류의 안정화를 확인한 후 PIV 실험을 진행하였다. 각 풍속 및 환기방식에 따라 2,000초 상당의 시간동안 측정하는 방식으로 진행하였으며 오차의 최소화와 정확한 유동 구현을 위하여 반복측정을 수행하였다.
대상 데이터
- 국내에 설치된 온실은 크게 플라스틱온실, 유리온실, 경질판온실 등으로 구분되며 용도에 따라 온실 형태, 피복 재질 등을 선정하여 설비한다. 본 연구에서는 2001년 국내에서 새로 개발한 농가보급형 단동 양지붕형 온실을 대상 모델로 선정하여 1/30 스케일 모형을 제작하였다(Fig. 1). 본 모델은 고온 극복을 목적으로 구조개선을 통하여 환기면적율이 13%에서 21%로 증가된 온실 모델로서(RDA, 2014), 국내에서 보편적으로 많이 사용되고 있으며 다양한 환기방식에 따른 분석이 용이한 구조이다.
- 본 연구의 풍동실험은 2013년 5월 31일 경기도 안성시 공도읍에 소재한 티이솔루션 내에 설치된 대형경계층 풍동 실험동에서 수행하였다. 전장은 36.
- 전장은 36.825 m, 측정부의 크기는 8.0×2.5×23.0m(폭×높이×길이)이며 Eiffel type의 풍동이다.
성능/효과
- Fig. 9 결과를 바탕으로 측창 환기방식의 경우 온실 하부영역이 가장 환기가 원활한 위치임을 알 수 있었으며, 후류가 형성되는 상부영역은 저속의 순환구역이 형성되어 온실 내부에 있어 환기에 가장 취약한 위치임을 알 수 있었다. 이는 풍동실험 특성상 계속적으로 바람이 불어온다는 가정 하에 형성된 결과로 풍속, 풍향 등 환경조건의 가변성이 큰 실제 환경조건에서의 환기 분석을 위해 이와 관련한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 0m·s−1에서의 측정치 경향과 유사한 것을 알 수 있었다. 각 외부풍속에 대한 결과에 대하여 비교분석해 본 결과, 최대풍속에 있어 1.46배, 수직 유속분포 측정치 전체 평균에 있어 1.52배로 증가하여 풍속의 증가비율인 1.5배와 유사하게 측정된 것을 알 수 있었다.
- 측창 환기방식과 측창-천창 환기방식 간 측정된 결과를 비교해 볼 때, 외부풍속 대비 내부 유속의 저감되는 비율이 각각 약 40%, 30%로 천창을 이용하여 추가적인 환기를 도모할 시 단순히 유입면적 증가에 따른 유입유량의 증가가 아닌 부압의 변화에 의한 유입량의 추가적 증대를 유추해볼 수 있을 것으로 사료된다. 결론적으로 측창 환기와 함께 천창 환기를 동시에 실시할 경우, 작물군 높이에 해당하는 온실 하부층에서의 공기 교환은 증가하는 것으로 판단된다.
- 벡터장, 컨투어장을 통한 분석 결과, 풍상측에서 유입되는 공기가 온실 하부로 주기류층을 형성하고 온실 상부로는 주풍방향과 반대방향으로 다소 약한 기류를 형성 하는 것으로 측정되었다. 이는 환기 시, 온실 하부영역이 가장 환기가 원활한 위치이며 후류가 형성되는 상부 영역은 저속의 순환구역으로 온실 내부에 있어 환기에 가장 취약한 위치임을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 간척지 풍 환경 특성에 따른 온실의 환기효율 분석 연구에 대한 기초연구로서 단동 양지붕형 온실을 대상으로 간척지 풍 환경을 적용한 풍동실험 및 PIV 실험을 수행하여 풍속, 환기방식에 다른 온실 내부 공기유동 분석을 수행하였다. 실질적인 간척지 풍환경 적용을 위하여 ESDU 프로그램을 활용하여 풍속 및 난류 프로파일을 설계하여 풍동실험에 적용하였으며 구현 결과 ESDU 대비 5%의 오차 및 상관계수 0.96이 도출되었으며 적절한 오차범위라 판단하여 이를 기준으로 실험을 진행하였다.
- 온실 내부 중앙부 기준 수직 높이에 대한 높이별 유속 수치 도출 및 분석결과, 풍속의 증가율에 비례하여 내부 유속 분포 수치 또한 비례해서 증가하는 것을 알 수 있었다. 환기방식에 따른 내부 유속 저감 비율은 측창 환기, 측창-천창 환기의 경우 각각 약 40%, 30%로 나타났으며 측창-천창 환기조건에서는 천창을 추가적으로 개방함으로써 공기의 유입되는 면적이 증감함에 따라 온실을 기준으로 발생되는 부압이 감소하여 오히려 측창 환기조건보다 더 큰 유속 수치가 도출된 것으로 사료된다.
- 풍동실험장 내 Traverse system의 전방위 센서(Omni-directional)를 통하여 주 유동 방향과 센서 방향을 일치시켜 측정하였으며 적정 수준의 오차범위로 판단한 후 실험을 수행하였다. 온실 동고 기준에서의 풍속 및 난류강도에 대한 프로파일을 구현하였으며 설계 결과 ESDU 설계 수치 기준 풍동실험장 내 측정값과 약 5%의 오차 및 상관계수 0.96으로 산정되었다(Fig. 7). 도출된 오차와 상관계수를 바탕으로 프로파일이 적절하게 설계된 것으로 판단하였으며 이를 기반으로 실험을 진행하였다.
- 외부풍속 1.5m·s−1 결과를 분석해본 결과, 천창의 풍상측으로 유입된 기류는 측창 풍하측으로 유출되는 경향을 보였으며 이는 온실 상부에 형성된 후류와 작용함으로써 온실 내부 풍하측 방면에 와류구간을 형성하는 것을 알 수 있었다.
- 지수법칙을 자연풍의 실측결과에 적용할 시 α지수 및 난류강도는 대상지역에 따라 상이하게 도출되며 이를 통하여 대상지역에 따라 풍의 영향이 다르게 작용한다는 것을 알 수 있다.
- PIV 측정 자료를 통하여 벡터장, 컨투어장을 도출하여 온실의 공기유동에 따른 자연환기 경향에 대하여 정성적 분석을 수행하였다. 측정 결과를 바탕으로 주기류층이 형성되는 구간이나 형성된 기류에 따른 환기 원활 위치와 정체구역을 판별할 수 있었다. 측창 환기방식 조건에서의 온실 내부 순환 형상 도출결과는 Fig.
- 측창-천창 환기방식의 경우 천창부 유입, 유출은 지면과 거의 수평으로 작용함을 알 수 있었으며 이는 천창의 개폐각도에 따라 크게 달라질 것으로 예상된다. 측창 환기방식과 유사하게 온실 하부 영역이 환기가 가장 원활한 영역으로 도출되었으며 상부에서는 후류 및 순환층이 형성되어 환기에 취약한 영역임을 확인할 수 있었다.
- 측창 환기방식과 측창-천창 환기방식 간 측정된 결과를 비교해 볼 때, 외부풍속 대비 내부 유속의 저감되는 비율이 각각 약 40%, 30%로 천창을 이용하여 추가적인 환기를 도모할 시 단순히 유입면적 증가에 따른 유입유량의 증가가 아닌 부압의 변화에 의한 유입량의 추가적 증대를 유추해볼 수 있을 것으로 사료된다. 결론적으로 측창 환기와 함께 천창 환기를 동시에 실시할 경우, 작물군 높이에 해당하는 온실 하부층에서의 공기 교환은 증가하는 것으로 판단된다.
- 10-11)에서의 측정 결과 또한 풍속에 따른 유동현상이 유사하게 도출되었다. 측창 환기방식에서의 결과와 유사하게 온실 하부에서 주기류층을 형성하여 공기 유입, 유출이 이루어지는 것을 알 수 있었다. 천창부의 기류는 주로 천창 풍상측 유입, 천창 풍하측 유출로 이루어졌으며 온실 내부로의 유입 또한 미소하게 이루어지는 것으로 측정되었다.
- 측창-천창 환기방식에서는 외부풍속 1.0m·s−1의 경우 최소 31% 가량 내부 유속이 저감되었으며, 1.5m·s−1의 경우 최소 30% 가량 저감된 것으로 측정되었다.
- 이는 기존의 측창 환기방식에 비하여 공기가 유입 되는 면적이 증가함으로써 온실을 기준으로 발생되는 부압이 감소함에 따라 생긴 현상으로 사료된다. 측창-천창 환기방식의 경우 또한 최대풍속에 있어 1.51배, 수직 유속분포 측정치 전체평균에 있어 1.53배 증가한 것으로 측정되었으며 이 또한 풍속의 증가비율인 1.5배와 유사한 것으로 분석되었다.
- 온실 내부 중앙부 기준 수직 높이에 대한 높이별 유속 수치 도출 및 분석결과, 풍속의 증가율에 비례하여 내부 유속 분포 수치 또한 비례해서 증가하는 것을 알 수 있었다. 환기방식에 따른 내부 유속 저감 비율은 측창 환기, 측창-천창 환기의 경우 각각 약 40%, 30%로 나타났으며 측창-천창 환기조건에서는 천창을 추가적으로 개방함으로써 공기의 유입되는 면적이 증감함에 따라 온실을 기준으로 발생되는 부압이 감소하여 오히려 측창 환기조건보다 더 큰 유속 수치가 도출된 것으로 사료된다. 이는 차후 질량교체 환기량, 추적가스 감쇠법 등의 방법을 통한 환기량 산정에 있어 환기방식에 따른 환기량의 변화양상에 대한 분석을 추가적으로 수행할 필요성을 지니는 자료로 판단된다.
후속연구
- 이는 환기 시, 온실 하부영역이 가장 환기가 원활한 위치이며 후류가 형성되는 상부 영역은 저속의 순환구역으로 온실 내부에 있어 환기에 가장 취약한 위치임을 알 수 있었다. 또한 외부풍속 대비 온실 유입구 유속의 경우 상이하게 나타난 바, 이는 차후 환기량이나 환기효율의 산정에 있어 보다 실질적인 수치가 될 것으로 사료된다.
- 본 연구를 통하여 도출된 결과를 바탕으로 전산유체 역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 시뮬레이션에 접목하여 앞서 도출된 정량적인 높이별 유속 수치 및 정성적 유동분포를 기준으로 검증 및 정확도 향상을 통한 환기분석 모델을 설계하고자 하였다. 온실 내부의 공기유동에 따른 보다 실질적인 환기 척도를 도출하여 다양한 온실형태별, 환경조건별, 환기방식별 환기경향 분석 및 예측이 가능할 것으로 전망되며 시뮬레이션을 활용한 온실 체적 전체 및 구역별 환기량을 예측하여 환기 취약 구역을 파악, 보완할 수 있을 것으로 기대된다.
- 환기방식에 따른 내부 유속 저감 비율은 측창 환기, 측창-천창 환기의 경우 각각 약 40%, 30%로 나타났으며 측창-천창 환기조건에서는 천창을 추가적으로 개방함으로써 공기의 유입되는 면적이 증감함에 따라 온실을 기준으로 발생되는 부압이 감소하여 오히려 측창 환기조건보다 더 큰 유속 수치가 도출된 것으로 사료된다. 이는 차후 질량교체 환기량, 추적가스 감쇠법 등의 방법을 통한 환기량 산정에 있어 환기방식에 따른 환기량의 변화양상에 대한 분석을 추가적으로 수행할 필요성을 지니는 자료로 판단된다.
- 9 결과를 바탕으로 측창 환기방식의 경우 온실 하부영역이 가장 환기가 원활한 위치임을 알 수 있었으며, 후류가 형성되는 상부영역은 저속의 순환구역이 형성되어 온실 내부에 있어 환기에 가장 취약한 위치임을 알 수 있었다. 이는 풍동실험 특성상 계속적으로 바람이 불어온다는 가정 하에 형성된 결과로 풍속, 풍향 등 환경조건의 가변성이 큰 실제 환경조건에서의 환기 분석을 위해 이와 관련한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다. 외부풍속 대비 온실 유입구 유속의 경우 상이하게 나타난 바, 이는 환기량이나 환기효율의 산정에 있어 보다 실질적인 수치가 될 것으로 판단된다.
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