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문제 정의
- 우리나라 각 지역별 온실의 기간난방부하 산정을 위한 설계용 자료를 구축하기 위해서는 표준기상데이터가 필요하지만 대부분 지역에서 이용할 수 있는 표준기상데이터가 없기 때문에 이를 대체할 수 있는 방법이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 표준기상데이터를 대체하여 온실의 기간난방부하 산정용 설계자료 구축에 활용할 수 있는 방법을 찾기 위하여 표준기상데이터가 있는 7개 지역을 대상으로 표준기상데이터와 기상청의 일별 평년값 자료 및 30년(1981~2010)간 매 시각 전체 자료를 사용하여 난방디그리아워 및 난방디그리데이를 분석하여 비교하였다.
- 한편, 미국농공학회에서는 난방디그리데이를 이용하여 기간난방부하를 구하는데, 난방디그리데이는 식(2)를 이용하여 구할 수 있고, 평년값을 사용해서 구하므로 간편한 방법이다. 본 연구에서는 이 방법의 적용성을 검토하기 위하여 난방디그리데이를 구하고 비교하였다.
제안 방법
- 평년값 기상자료는 대부분 지역에 대하여 기상청에서 제공하고 있으므로 난방디그리데이를 분석하는 것은 비교적 간단한 편이다. 난방디그리데이는 기간난방부하 산정방법을 검토하기 위하여 분석하였으며 난방디그리아워와 비교하였다.
- 30 years는 기상청에서 제공하는 전체 기상자료(1981~2010년, 30년간 시간별 기상자료)를 이용하여 매년 분석하고, 전체 평균과 최대 및 최소값을 제시한 것이다. 대부분의 작물에 적합한 난방온도는 16℃로 되어 있으므로(ASABE, 2008) 본 연구에서는 설정온도 16℃를 중심으로 난방디그리아워를 비교 검토하였다.
- ASABE(2008)의 설계 기준에 의하면 대부분의 작물에 적합한 난방온도는 16℃로 되어 있다. 따라서 본 연구에서 온실의 난방 설정온도는 16℃를 중심으로 20℃까지 4단계로 하여 8, 12, 16, 20℃에 대하여 각각 구하였다.
- 표준기상데이터를 이용한 난방디그리아워는 식 (1)로 구할 수 있다. 또한 30년간 전체 기상자료를 사용하여 매년 난방디그리아워를 식 (1)로 구해 평균값을 취하고 최대값과 최소값을 참고자료로 제시하였다. 평년값을 사용해서 난방디그리아워를 구할 수 있는 Mihara식과 수정 Mihara식을 이용해서 난방디그리아워를 구하고 비교 검토하였다.
- 설계용 난방디그리아워를 구하기 위해서는 표준기상데이터가 필요하다. 앞에서 언급한 바와 같이 표준기상데이터의 이용이 제한되므로 다른 방법으로 난방디그리아워를 구하여 비교 검토하였다. 표준기상데이터를 이용한 난방디그리아워는 식 (1)로 구할 수 있다.
- 그러나 국내에는 서울과 6대 광역시 등 7개지역만 표준기상데이터가 제공되고 있어서 이를 대체할 수 있는 방법을 찾아야 한다. 전국적으로 이용이 가능한기상자료는 기상청의 일별 평년값 자료 및 30년 (1981~2010)간 매 시각 전체 기상자료이므로 이를 이용하여 난방디그리아워와 난방디그리데이를 구하였다. 표준기상데이터가 있는 7개 지역을 대상으로 평년값 자료 및 전체 기상자료를 사용하여 구한 난방디그리데이와 난방디그리아워를 표준기상데이터를 사용하여 구한 결과와 비교하였다.
- 또한 30년간 전체 기상자료를 사용하여 매년 난방디그리아워를 식 (1)로 구해 평균값을 취하고 최대값과 최소값을 참고자료로 제시하였다. 평년값을 사용해서 난방디그리아워를 구할 수 있는 Mihara식과 수정 Mihara식을 이용해서 난방디그리아워를 구하고 비교 검토하였다. Mihara식은 다음과 같다(Mihara, 1978).
대상 데이터
- 기상청으로부터 우리나라 전 지역의 최근 30년간 매 시각 기상자료를 수집하였다(KMA, 2013). 표준기상데이터는 한국 태양에너지학회에서 제공하고 있는 서울, 부산, 대구, 인천, 대전, 광주, 울산 등 7개 지역의 자료를 이용하였다(KSES, 2013).
- 표준기상데이터는 한국 태양에너지학회에서 제공하고 있는 서울, 부산, 대구, 인천, 대전, 광주, 울산 등 7개 지역의 자료를 이용하였다(KSES, 2013). 기후 예년 평균값의 기준이 30년이고, 현재 사용 중인 평년값은 1981~2010년의 30년이므로 전체 자료도 이 기간의 기상자료를 분석에 사용하였다.
- 개별 연구자에 의해 일부 지역에 대한 표준기상데이터를 작성한 사례는 상당수 있지만 공식적인 데이터로 인정받지 못하고 있으며(Kim 등, 1996; Yoon, 2003), 현재는 한국연구재단의 연구로 표준기상데이터를 작성하여 한국태양에너지학회에서 제공하고 있다. 제공되는 지역은 서울과 6대 광역시뿐이고, 1986~2005년까지 20년 데이터를 사용하여 작성되었다(Yoo, 2011; KSES, 2013). 한편 기상관측 값을 30년간 누년 평균한 것을 평년값(normal)이라 하며 10년마다 개정되는데, 현재 기상청에서 제공하는 평년값은 1981~2010년의 평균값으로 하고 있다(KMA, 2013).
- 기상청으로부터 우리나라 전 지역의 최근 30년간 매 시각 기상자료를 수집하였다(KMA, 2013). 표준기상데이터는 한국 태양에너지학회에서 제공하고 있는 서울, 부산, 대구, 인천, 대전, 광주, 울산 등 7개 지역의 자료를 이용하였다(KSES, 2013). 기후 예년 평균값의 기준이 30년이고, 현재 사용 중인 평년값은 1981~2010년의 30년이므로 전체 자료도 이 기간의 기상자료를 분석에 사용하였다.
데이터처리
- 전국적으로 이용이 가능한기상자료는 기상청의 일별 평년값 자료 및 30년 (1981~2010)간 매 시각 전체 기상자료이므로 이를 이용하여 난방디그리아워와 난방디그리데이를 구하였다. 표준기상데이터가 있는 7개 지역을 대상으로 평년값 자료 및 전체 기상자료를 사용하여 구한 난방디그리데이와 난방디그리아워를 표준기상데이터를 사용하여 구한 결과와 비교하였다. 전체 기상자료를 이용하여 기본식으로 구한 난방디그리아워의 평균값이 표준기상데이터로 구한 것과 잘 일치하는 것으로 나타났다.
성능/효과
- 6은 난방 설정온도 8℃와 16℃일 때 월별 난방디그리데이의 분포를 나타낸 것이다. 난방 설정온도 8℃일 때 난방이 전혀 필요 없는 기간 즉, 난방 적산 온도가 0인 월을 살펴보면 난방디그리아워는 대부분 지역에서 5~9월(5개월)인데 반하여 난방디그리데이는 4~10월 (7개월)로 2개월의 차이가 나는 것으로 분석되었다. 실제로 우리나라 온실에서 난방이 필요한 시기는 11월부터 3월까지로 난방디그리데이가 더 잘 맞는 것으로 생각할 수도 있으나, 시간별 자료와 시간별 자료의 평균인 일별 자료를 사용하였고, 설정치 보다 낮은 값만 적산하였기 때문에 이것만으로 정확한 판단을 내리기는 곤란하다.
- 이에 비하여 평년값을 이용하여 Mihara식으로 구한 난방디그리아워는 표준기상데이터로 구한 것 보다 훨씬 작았고 전체 기상자료의 최소값에 가까운 것으로 나타났다. 난방디그리아워와 동일한 단위로 환산했을 때, 난방 설정온도가 높을 경우에는 난방디그리데이와 난방디그리아워의 차이가 별로 없었으나, 설정온도가 낮을 경우에는 난방디그리데이 방식이 난방디그리아워 방식보다 지역에 따라3~26%나 작게 나타나는 것으로 분석되었다. 난방디그리데이는 평년값을 이용하여 기본식으로 구할 수 있기 때문에 간편한 방법이지만 설정온도가 낮을 경우 오차가 크게 발생되므로 난방디그리아워 방식이 더 합리적인 방법으로 판단된다.
- 표준기상데이터는 분석방법이 다양하여 국가적인 표준이 제정되어야 하지만 아직까지 그렇지 못한 실정이고, 또한 표준기상데이터의 구축에는 많은 시간과 비용이 소요되므로 온실의 환경설계용 기상자료는 별도의 분석방법을 이용할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 전체 기상자료를 이용하여 매년 월별 난방디그리아워를 구하고, 전체기간의 평균값을 설계자료로 제공하며 동시에 최대값과 최소값을 참고자료로 제공하는 것이 합리적일 것으로 판단되었다.
- 4는 분석에 사용한 기상자료별 난방디그리아워의 월별 분포를 나타낸 것이다. 연간 난방디그리아워와 마찬가지로 전체 기상자료를 이용하여 기본식으로 구한 난방디그리아워의 평균값은 표준기상데이터로 구한 것과 거의 일치하는 것으로 나타났다. 평년값을 이용하여 수정 Mihara식으로 구한 난방디그리아워도 표준기상 데이터에 의한 것과 대체로 일치하는 것으로 나타났다.
- 1은 지역별 기상 자료별 연간 난방디그리아워를 비교한 것이다. 전체 기상자료를 이용하여 기본식으로 구한 난방디그리아워의 평균값이 표준기상데이터로 구한 것과 잘 일치하는 것으로 나타났다. 또한 평년값을 이용하여 수정 Mihara식으로 구한 난방디그리아워도 표준기상데이터로 구한 것과 거의 비슷한 경향을 보였다.
- 연간 난방디그리아워와 마찬가지로 전체 기상자료를 이용하여 기본식으로 구한 난방디그리아워의 평균값은 표준기상데이터로 구한 것과 거의 일치하는 것으로 나타났다. 평년값을 이용하여 수정 Mihara식으로 구한 난방디그리아워도 표준기상 데이터에 의한 것과 대체로 일치하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 난방디그리데이는 평년값을 이용하여 기본식으로 구할 수 있기 때문에 간편한 방법이지만 설정온도가 낮을 경우 오차가 크게 발생되므로 난방디그리아워 방식이 더 합리적인 방법으로 판단된다. 결론적으로 온실의 환경설계용 기상자료 구축에서 난방적산온도는 평년값과 동일한 30년간의 시간별 기상자료를 이용하여 매년 난방디그리아워를 구하고 전체자료기간의 평균값을 설계 자료로 활용할 것을 제안한다. 또한 최대 및 최소 난방디그리아워 자료를 제공함으로써 기상상황에 따른 에너지 소비량 예측 및 경제성 평가에 활용할 수 있도록 할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 이상의 결과를 종합해보면 온실의 환경설계용 기상자료 구축에서 난방적산온도는 전체 기상자료(평년값과 동일한 30년간 시간별 자료)를 이용하여 매년 난방디그리아워를 구하고 전체 자료기간의 평균값을 설계 자료로 활용할 것을 제안한다. 또한 최대 및 최소 난방디그리아워 자료를 제공함으로써 기상상황에 따른 에너지 소비량 예측 및 경제성 평가에 활용할 수 있도록 하면 좋을 것으로 판단된다.
- 결론적으로 온실의 환경설계용 기상자료 구축에서 난방적산온도는 평년값과 동일한 30년간의 시간별 기상자료를 이용하여 매년 난방디그리아워를 구하고 전체자료기간의 평균값을 설계 자료로 활용할 것을 제안한다. 또한 최대 및 최소 난방디그리아워 자료를 제공함으로써 기상상황에 따른 에너지 소비량 예측 및 경제성 평가에 활용할 수 있도록 할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 이상의 결과를 종합해보면 온실의 환경설계용 기상자료 구축에서 난방적산온도는 전체 기상자료(평년값과 동일한 30년간 시간별 자료)를 이용하여 매년 난방디그리아워를 구하고 전체 자료기간의 평균값을 설계 자료로 활용할 것을 제안한다. 또한 최대 및 최소 난방디그리아워 자료를 제공함으로써 기상상황에 따른 에너지 소비량 예측 및 경제성 평가에 활용할 수 있도록 하면 좋을 것으로 판단된다.
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