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문제 정의
- 이와 같이 온실의 기간난방부하 산정방법은 제각각이고, 국내에 적용할 수 있는 설계기준이 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 온실 설계 중 에너지 소비량 예측을 위한 방법을 정립하여 원예시설 환경설계기준 작성을 위한 기초자료로 제공하고자 난방 degree-hour 방식을 적용하면서 일사에 의한 주간난방부하 감소분을 고려하여 간편하게 기간난방부하를 산정할 수 있는 방법을 개발하였으며 온실 난방 실험을 통하여 검토하였다.
- 온실의 기간난방부하 추정은 시설의 계획 및 설계 단계에서 매우 중요한 설계요소이지만 산정방법이 제각각이고, 국내에 적용할 수 있는 설계기준이 없는 실정이다. 본 연구에서는 원예시설의 환경설계기준 작성을 위한 기초 자료로 제공하고자 난방 degree-hour 방식을 적용하면서 일사에 의한 주간난방부하 감소분을 고려하여 간편하게 기간난방부하를 산정할 수 있는 방법을 개발하였으며 온실 난방 실험을 통하여 검토하였다. 충남 부여, 천안 및 전북 부안에 위치한 3동의 온실에서 난방실험을 실시하고 각종 기상환경을 계측하여 일조 시간에 따른 기간난방부하 감소계수를 유도하였다.
제안 방법
- 온실 난방실험을 통해 유도된 기간난방부하 감소계수를 이용하여 일조시간에 따른 기간난방부하 조정계수를 포함하는 기간난방부하 산정 방법을 개발하였다. 개발된 온실 기간난방부하산정 방법은 천안에 위치한 1동의 온실에서 난방실험을 통하여 검증하였다. 검증 결과 본 연구에서 개발한 방법으로 구한 온실의 기간난방부하는 1.
- 실험온실에는 모두 토마토를 수경재배 하고 있으며, 난방은 모두 보일러를 이용한 온수난방 방식이었다. 계측항목은 실내외 온습도와 일조시간 및 난방 가동여부였으며 실내외 온습도는 온습도 로거 (MicroLogProⅡ, Fourtec, Israel)를 이용하였고, 난방 가동여부는 보일러 펌프 작동 유무를 1분 단위로 제어장치에 기록하였다. 일조시간은 온실이 위치한 지역 (부여, 천안, 부안)의 기상대 자료를 이용하였다.
- ), DH는 난방 degree-hour (℃·h), k는 일조시간에 따른 조정계수이다. 기간난방부하는 관류열부하와 틈새환기전열부하, 지중전열부하로 나누어 구하기가 어려우므로 이들을 모두 포함시켜 피복면적을 기준으로 한 평균난방부하계수의 개념을 도입한다. 평균난방부하계수는 최대난방부하로부터 다음 식으로 구한다.
- 미국 농공학회의 온실 기간난방부하 산정방법은 난방 degree-day와 연간 일조시간에 따른 조정계수를 사용하는 것이 본 연구와 차이점이다. 난방 degree-day방식은 난방 degree-hour 방식보다 오차가 큰 것으로 알려져 있으며 (Nam et al., 2014), 여름철 등 난방이 필요 없는 계절에는 일조시간이 길기 때문에 연간 일조시간을 사용하는 것은 문제가 있다고 판단되지만, 본 연구 결과를 검토하기 위하여 단위환산을 통하여 미국 농공학회의 일조시간에 따른 조정계수로부터 난방부하 감소계수를 구하여 비교하였다.
- 일조시간은 온실이 위치한 지역 (부여, 천안, 부안)의 기상대 자료를 이용하였다. 난방부하는 제어시스템에서 제공되는 보일러 유량과 입출구 온도차로부터 계산하였다. D1 온실은 2013년 12월부터 2014년 3월까지, D2와 D3 온실은 2014년 12월부터 2015년 3월까지 실험을 수행하였다.
- 먼저, 설정된 온실의 기간난방부하 산정 식에서 일조시간에 따른 난방부하 감소계수를 유도하기 위하여 식 (4)의 단위 환산값 3,600을 제외한 전체 난방 degree-hour에 대한 난방기 가동시간의 degree-hour 비를 구하였다. Fig.
- 본 연구에서는 온실 난방 실험을 통하여 일조시간에 따른 조정계수를 식 (4)로 유도하고, 이것을 적용하여 기간난방부하 산정방법을 검증하였다.
- 85로 일조시간의 증가에 따라 직선적으로 감소하는 것으로 나타났다. 온실 난방실험을 통해 유도된 기간난방부하 감소계수를 이용하여 일조시간에 따른 기간난방부하 조정계수를 포함하는 기간난방부하 산정 방법을 개발하였다. 개발된 온실 기간난방부하산정 방법은 천안에 위치한 1동의 온실에서 난방실험을 통하여 검증하였다.
- 본 연구에서는 원예시설의 환경설계기준 작성을 위한 기초 자료로 제공하고자 난방 degree-hour 방식을 적용하면서 일사에 의한 주간난방부하 감소분을 고려하여 간편하게 기간난방부하를 산정할 수 있는 방법을 개발하였으며 온실 난방 실험을 통하여 검토하였다. 충남 부여, 천안 및 전북 부안에 위치한 3동의 온실에서 난방실험을 실시하고 각종 기상환경을 계측하여 일조 시간에 따른 기간난방부하 감소계수를 유도하였다. 각 온실의 실험 기간 동안 일평균 일조시간은 4.
대상 데이터
- 난방부하는 제어시스템에서 제공되는 보일러 유량과 입출구 온도차로부터 계산하였다. D1 온실은 2013년 12월부터 2014년 3월까지, D2와 D3 온실은 2014년 12월부터 2015년 3월까지 실험을 수행하였다. 검증에 사용한 V1 온실은 2015년 1월부터 3월까지 실험을 수행하였고, 실험 결과는 모두 각각의 월 단위로 난방 degree-hour와 기간난방부하를 구하여 분석하였다.
- 일조시간에 따른 조정계수 유도와 기간난방부하 산정방법 검증을 위한 온실 난방실험은 Table 1과 같은 온실에서 수행하였다. D1~D3 온실은 기간난방부하 산정 방법을 개발하기 위한 데이터로 이용하였고, V1 온실은 개발된 방법의 검증을 위한 데이터로 활용하였다. D1 온실은 충남 부여에 위치한 농가의 온실로 16연동의 대규모 온실이고, D2 온실은 충남 천안에 위치한 농가의 4연동 온실, D3 온실은 전북 부안 계화도 간척지의 3연동 온실이며, V1 온실은 천안에 위치한 농업회사 세론의 3연동 온실이다.
- D1 온실은 2013년 12월부터 2014년 3월까지, D2와 D3 온실은 2014년 12월부터 2015년 3월까지 실험을 수행하였다. 검증에 사용한 V1 온실은 2015년 1월부터 3월까지 실험을 수행하였고, 실험 결과는 모두 각각의 월 단위로 난방 degree-hour와 기간난방부하를 구하여 분석하였다.
- D1 온실은 충남 부여에 위치한 농가의 온실로 16연동의 대규모 온실이고, D2 온실은 충남 천안에 위치한 농가의 4연동 온실, D3 온실은 전북 부안 계화도 간척지의 3연동 온실이며, V1 온실은 천안에 위치한 농업회사 세론의 3연동 온실이다. 실험온실은 외피복재로 모두 PO필름을 사용하고 있으며, 보온커튼은 D1의 경우 알루미늄스크린 2층 + 산광스크린 1층을 사용하고 있다. D2와 V1은 알루미늄스크린 2층을 보온커튼으로 사용하고 있으며, D3는 알루미늄스크린 1층 + 다겹보온커튼을 사용하고 있다.
- 계측항목은 실내외 온습도와 일조시간 및 난방 가동여부였으며 실내외 온습도는 온습도 로거 (MicroLogProⅡ, Fourtec, Israel)를 이용하였고, 난방 가동여부는 보일러 펌프 작동 유무를 1분 단위로 제어장치에 기록하였다. 일조시간은 온실이 위치한 지역 (부여, 천안, 부안)의 기상대 자료를 이용하였다. 난방부하는 제어시스템에서 제공되는 보일러 유량과 입출구 온도차로부터 계산하였다.
이론/모형
- 온실의 기간난방부하 산정 방법은 미국농공학회 (Lindley and Whitaker, 1996)의 난방 degree-day와 연간 일조시간에 따른 조정계수를 이용하는 방법을 참고하여 다음과 같이 설정하였다.
성능/효과
- 85의 범위를 보였다. 3동의 실험온실에서 구한 기간난방부하 감소계수는 모두 일조시간의 증가에 따라 직선적으로 감소하는 것으로 나타났다.
- 충남 부여, 천안 및 전북 부안에 위치한 3동의 온실에서 난방실험을 실시하고 각종 기상환경을 계측하여 일조 시간에 따른 기간난방부하 감소계수를 유도하였다. 각 온실의 실험 기간 동안 일평균 일조시간은 4.0~8.3시간 이었고, 이때 온실의 기간난방부하 감소계수는 0.64~0.85로 일조시간의 증가에 따라 직선적으로 감소하는 것으로 나타났다. 온실 난방실험을 통해 유도된 기간난방부하 감소계수를 이용하여 일조시간에 따른 기간난방부하 조정계수를 포함하는 기간난방부하 산정 방법을 개발하였다.
- 각각의 그림에서 유도된 회귀식의 절편을 검토해 보면, 부안의 온실 D3는 주간에도 일조가 없으면 100 % 난방이 필요한 것으로 나타났다. D3 온실은 부안의 계화도 간척지에 위치한 온실로 바람이 강하게 불어 난방부하가 다른 지역에 비하여 큰 지역인데 그 때문에 주간에도 난방이 필요한 것으로 판단된다.
- 개발된 온실 기간난방부하산정 방법은 천안에 위치한 1동의 온실에서 난방실험을 통하여 검증하였다. 검증 결과 본 연구에서 개발한 방법으로 구한 온실의 기간난방부하는 1.2~5.0 %의 추정오차를 보이는 것으로 분석되었다. 기존 연구에서 적용하던 기간난방부하 감소계수 0.
- 0 %의 추정오차를 보이는 것으로 분석되었다. 기존 연구에서 적용하던 기간난방부하 감소계수 0.75를 획일적으로 적용할 경우 보다 정확도가 2.3배 이상 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 개발한 일조시간을 고려한 온실의 기간난방부하 산정 방법은 온실 설계의 에너지 소비량 예측이나 경영계획의 수립 및 경제성 평가 등에 활용이 가능한 것으로 판단된다.
- 0 %의 추정오차를 보이는 것으로 분석되었다. 기존 연구에서 적용하던 기간난방부하 감소계수 0.75를 획일적으로 적용할 경우 오차는 3.2~11.5 %로써 일조시간을 고려할 경우 정확도가 2.3배 이상 증가하는 것으로 나타났다.
- 따라서 본 연구에서 개발한 일조시간을 고려한 온실의 기간난방부하 산정 방법은 온실 설계의 에너지 소비량 예측이나 경영계획의 수립 및 경제성 평가 등에 활용이 가능한 것으로 판단된다.
- 42 W·m-2·℃-1로 나타났다. 본 연구에서 개발한 방법으로 구한 온실의 기간난방부하는 1.2~5.0 %의 추정오차를 보이는 것으로 분석되었다. 기존 연구에서 적용하던 기간난방부하 감소계수 0.
- 본 연구에서는 12월부터 3월까지의 계측 데이터를 이용하여 분석하였으므로 연간 기간난방부하를 구할 경우에는 평균값인 0.75를 적용하여도 문제가 없을 것으로 판단된다. 그러나 일정한 기간의 난방부하를 구하거나 일조시간의 차이가 큰 지역에서 온실의 기간난방부하를 구하기 위해서는 획일적인 값을 적용하는 것이 문제가 있으므로 기간난방부하 감소계수를 일조시간의 함수로 표현하면 간편하게 기간난방부하를 구할 수 있을 것이다.
- 실험 온실에서 주간의 난방 설정온도는 모두 20℃였고, 야간의 평균 난방온도는 D1 온실 13.5℃, D2 온실 17.2℃, D3 온실 15.8℃ 및 V1 온실 16.5℃로 나타났다.
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