[논문]온실용 이중피복 및 보온재의 관류열전달계수 산정을 위한 수치적 연구

이종원; 김동건; 이현우

doi:10.14518/crals.2015.33.2.007

문제 정의

따라서 본 연구는 온실용 피복재 및 보온재의 조합에 대한 시뮬레이션 해석모델을 개발하여 관류열전달계수를 산정하고 측정된 결과와 비교하여 타당성을 평가하기 위해 수행되었다.
본 연구는 온실용 피복재 및 보온재의 조합에 대한 시뮬레이션 해석모델을 개발하여 관류열전달계수를 산정하고 측정된 결과와 비교하여 타당성을 평가하기 위해 수행되었으며 결과를 요약하면 다음과 같다.

가설 설정

(2014)의 실험결과와 비교하기 위하여 실험에서 사용된 모델과 동일하게 설정하였고, 해석에 사용된 핫박스는 내부공간이 가로(600 mm) × 세로(60 mm) × 높이(600 mm)이다. 실험에서는 하단부와 측면부에는 100 mm의 두께로 된 스티로폼을 이용하여 열이 외부로 방출되는 것을 최대한 억제하는 것으로 하였으나 본 모델에서는 완전히 단열된 것으로 가정하였다. 핫박스의 상부에는 관류열전달계수를 산정할 대상인 플라스틱피복재와 보온자재를 Table 2와 같이 조합하고 설치하여 해석하였으며, 비교를 위해서 일중피복에 대한 해석도 수행하였다.
내부의 공기층은 550 mm까지 5 mm간격으로 조절하여 해석을 수행하였다. 이중유리피복의 안쪽 면과 바깥쪽 면에는 외기 온도에 의해 대류열전달이 있어나기 때문에 대류열전달 계수를 각각 h_o=16.67 W/m²K, h_i=8.33 W/m²K로 가정하였다. 이중 유리피복의 온도차는 20ºC, 30ºC, 40ºC로 하였는데, 이때 온도차는 외부온도(T_C)는 0ºC로 고정한 상태에서 내부온도(T_H)를 20ºC, 30ºC, 40ºC로 올려서 설정하였다.
핫박스의 상부에는 관류열전달계수를 산정할 대상인 플라스틱피복재와 보온자재를 Table 2와 같이 조합하고 설치하여 해석하였으며, 비교를 위해서 일중피복에 대한 해석도 수행하였다. 해석 조건에 따라 안쪽면과 바깥쪽 면에는 대류열전달이 일어나기 때문에 대류열전달 계수를 각각 ho = 16.67W/m²K, hi = 8.33W/m²K로 가정하여 해석에 사용하였다. 또한 해석조건은 Figure 4 및 Table 3과 같이 온도차는 10ºC, 20ºC, 30ºC, 40ºC, 50ºC로 하였고, 이때 온도차는 외기 온도(T_out)는 0로 고정한 상태에서 내부온도(T_in)를 10ºC, 20ºC, 30ºC, 40ºC, 50ºC로 증가시켜서 온도차를 구현하였으며, 피복재와 보온재 서로간의 간격을 50, 100, 150, 200 mm 등으로 다양하게 변화시켜 간격의 변화에 따른 관류열전달계수의 변화를 분석하였다.

제안 방법

5 m) × 두께(16 mm)의 유리판 2개와 유리판사이의 공기층으로 이루어져 있다. 내부의 공기층은 550 mm까지 5 mm간격으로 조절하여 해석을 수행하였다. 이중유리피복의 안쪽 면과 바깥쪽 면에는 외기 온도에 의해 대류열전달이 있어나기 때문에 대류열전달 계수를 각각 h_o=16.
또한 해석조건은 Figure 4 및 Table 3과 같이 온도차는 10ºC, 20ºC, 30ºC, 40ºC, 50ºC로 하였고, 이때 온도차는 외기 온도(Tout)는 0로 고정한 상태에서 내부온도(Tin)를 10ºC, 20ºC, 30ºC, 40ºC, 50ºC로 증가시켜서 온도차를 구현하였으며, 피복재와 보온재 서로간의 간격을 50, 100, 150, 200 mm 등으로 다양하게 변화시켜 간격의 변화에 따른 관류열전달계수의 변화를 분석하였다.
이중 유리피복의 온도차는 20ºC, 30ºC, 40ºC로 하였는데, 이때 온도차는 외부온도(T_C)는 0ºC로 고정한 상태에서 내부온도(T_H)를 20ºC, 30ºC, 40ºC로 올려서 설정하였다. 이중 유리피복 및 공기층의상, 하부 단면은 단열(adiabatic)조건을 설정하여 해석을 수행 하였다.
이중 유리피복의 온도차는 20ºC, 30ºC, 40ºC로 하였는데, 이때 온도차는 외부온도(TC)는 0ºC로 고정한 상태에서 내부온도(TH)를 20ºC, 30ºC, 40ºC로 올려서 설정하였다.
실험에서는 하단부와 측면부에는 100 mm의 두께로 된 스티로폼을 이용하여 열이 외부로 방출되는 것을 최대한 억제하는 것으로 하였으나 본 모델에서는 완전히 단열된 것으로 가정하였다. 핫박스의 상부에는 관류열전달계수를 산정할 대상인 플라스틱피복재와 보온자재를 Table 2와 같이 조합하고 설치하여 해석하였으며, 비교를 위해서 일중피복에 대한 해석도 수행하였다. 해석 조건에 따라 안쪽면과 바깥쪽 면에는 대류열전달이 일어나기 때문에 대류열전달 계수를 각각 ho = 16.

대상 데이터

(2014)의 실험결과와 비교하기 위하여 실험에서 사용된 모델과 동일하게 설정하였고, 해석에 사용된 핫박스는 내부공간이 가로(600 mm) × 세로(60 mm) × 높이(600 mm)이다.
Figure 2는 본 연구의 해석모델을 나타낸 것으로, 해석 모델은 가로(1.5 m) × 세로(1.5 m) × 두께(16 mm)의 유리판 2개와 유리판사이의 공기층으로 이루어져 있다.

데이터처리

관류열전달계수는 상용코드인 CFX Ver. 14(ANSYS, USA)를 이용하여 산정하였다. 해석은 정상상태에서 수행하였고, 사용된 난류모델은 Shear Stress Transport(SST) 모델을 사용하였으며, 수렴 조건은 1 × 10⁻⁵ 이고, 열유속(Heat flux)의 출입이 동일하게 될 때까지 해석을 수행하였다.

이론/모형

해석은 정상상태에서 수행하였고, 사용된 난류모델은 Shear Stress Transport(SST) 모델을 사용하였으며, 수렴 조건은 1 × 10−5 이고, 열유속(Heat flux)의 출입이 동일하게 될 때까지 해석을 수행하였다.

성능/효과

천공복사를 고려하였을 때의 관류열전달계수가 고려하지 않았을 때보다 1 L은 20%, 2 L은 23%, 4 LW와 4 LFW는 40%정도 더 큰 것으로 나타나 야간복사에 의한 열손실이 비교적 큰 것으로 나타났다. 4가지 피복상태 모두 야간복사가 차단된 경우에 관류열전달계수가 낮게 나타났기 때문에 야간 복사를 차단함으로서 온실의 열손실을 줄여 보온효과를 얻을 수 있을 것으로 판단되었다.
이는 이들의 실험연구가 외부에서 수행되어 실제 천공복사조건이 고려된 상태에서 관류열전달계수를 측정하였기 때문에 천공복사를 구현한 조건에서 산정된 본 연구의 결과와 변화 경향이 잘 일치하는 것으로 판단된다. 결론적으로 실험결과와 수치해석결과를 비교분석한 결과 비교적 잘 일치하는 것을 확인하였다. 이는 수치해석에서 사용되었던 조건들이 실제 현상을 구현하는데 있어서 적합한 것으로 판단된다.
실험과 수치해석결과 모두 천공복사를 고려하지 않은 경우에는 핫박스의 내외부 온도차가 증가함에 따라 관류열전달계수가 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 그러나 천공복사를 고려하게 되면 내외부 온도차가 작을 경우에는 관류열전달계수가 급한 기울기로 감소하지만, 온도차가 증가함에 따라 관류열전달계수는 완만한 기울기로 감소하다가 온도차가 더 커지면 거의 일정하게 나타남을 확인할 수 있었다. 천공복사를 고려하지 않은 수치해석결과의 변화경향은 Geoola et al.
내부 유리창의 온도분포를 보면, 50 mm가 5 mm에 비해 4.2ºC 높은 온도를 유지하고 있음을 확인할 수 있다.
Figure 7은 온도차를 20, 30, 40로 하였을 때의 관류열전달 계수의 분포를 나타낸 것으로, 온도차의 3가지 경우 모두가 초기 이중유리피복의 간격이 5 mm에서는 높은 관류열전달계수를 가지지만, 공기층이 두꺼워짐에 따라 관류열전달계수가 서서히 작아져서 공기층 두께가 25 mm이상이 되면 관류열전달계수의 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 또한 온도 차가 증가함에 따라 관류열전달계수도 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
Figure 7은 온도차를 20, 30, 40로 하였을 때의 관류열전달 계수의 분포를 나타낸 것으로, 온도차의 3가지 경우 모두가 초기 이중유리피복의 간격이 5 mm에서는 높은 관류열전달계수를 가지지만, 공기층이 두꺼워짐에 따라 관류열전달계수가 서서히 작아져서 공기층 두께가 25 mm이상이 되면 관류열전달계수의 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 또한 온도 차가 증가함에 따라 관류열전달계수도 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
선행연구와 비교한 결과, 본 해석의 결과가 ± 2.5%내에서 잘 일치하는 것을 확인하였다.
따라서 핫박스의 내외부 온도차를 30ºC정도 이상으로 유지하면서 수치해석을 통해 관류 열전달계수를 산정한다면 신뢰성 있는 값을 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 실험과 수치해석결과 모두 천공복사를 고려하지 않은 경우에는 핫박스의 내외부 온도차가 증가함에 따라 관류열전달계수가 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 그러나 천공복사를 고려하게 되면 내외부 온도차가 작을 경우에는 관류열전달계수가 급한 기울기로 감소하지만, 온도차가 증가함에 따라 관류열전달계수는 완만한 기울기로 감소하다가 온도차가 더 커지면 거의 일정하게 나타남을 확인할 수 있었다.
(2000)의 결과와 잘 일치한다. 이러한 결과를 통해 피복재의 간격은 관류열전달계수 큰 영향을 미치지 않는다는 사실을 확인할 수 있었다.
천공복사를 고려하였을 때 이중피복(2 L)의 경우 일중피복(1 L)보다 관류열전달계수가 2.6 W/m2• K 더 낮아 보온효과가 33%정도 더 우수하였고, 1 L보다 4 LW와 4 LFW는 71% 더 보온효과가 우수한 것으로 나타났다.
6 W/m²• K 더 낮아 보온효과가 33%정도 더 우수하였고, 1 L보다 4 LW와 4 LFW는 71% 더 보온효과가 우수한 것으로 나타났다. 천공복사를 고려하였을 때의 관류열전달계수가 고려하지 않았을 때보다 1 L은 20%, 2 L은 23%, 4 LW와 4 LFW는 40%정도 더 큰 것으로 나타나 야간복사에 의한 열손실이 비교적 큰 것으로 나타났다. 4가지 피복상태 모두 야간복사가 차단된 경우에 관류열전달계수가 낮게 나타났기 때문에 야간 복사를 차단함으로서 온실의 열손실을 줄여 보온효과를 얻을 수 있을 것으로 판단되었다.
두 플라스틱 피복재 사이에는 대류에 의한 열전달이 활발하게 일어나기 때문에 비정상 유동에 의한 열전달이 발생하고 이로 인해 온도분포도 비선형적으로 변하는 것으로 사료된다. 플라스틱 피복재 및 보온재들의 간격이 50~200 mm범위에서 변화할 때에 피복재의 간격은 관류열전달계수 큰 영향을 미치지 않는다는 사실을 확인할 수 있었다. 천공복사를 고려한 경우와 고려하지 않은 경우 모두 핫박스의 내외부 온도차가 30ºC인 조건에 대해서는 수치해석결과와 실험결과가 대체로 잘 일치하였다.

후속연구

따라서 핫박스의 내외부 온도차가 30ºC 이상인 조건에서 수치해석을 통해 관류열전달계수를 산정한다면 신뢰성 있는 값을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
따라서 핫박스의 내외부 온도차를 30ºC정도 이상으로 유지하면서 수치해석을 통해 관류 열전달계수를 산정한다면 신뢰성 있는 값을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

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