본 연구에서는 유리온실 경영비 절감을 위한 고효율 난방기술을 개발하기 위하여 지하수열원 히트펌프, 알루미늄 다겹보온커튼, 근권부 국소난방장치를 조합한 난방 패키지 모델을 구성하고 파프리카 재배 벤로형 유리온실에 적용 시험을 수행하였다. 적용효과 분석을 위하여 관행 경유온수보일러와 일반 보온커튼을 설치한 대조구 온실과 비교시험을 통해 온실환경, 난방비용, 작물생육 등을 검토하였다. 알루미늄 다겹보온커튼과 일반 부직포 보온커튼을 설치한 온실에 대한 무가온 조건에서의 야간온도 비교시험에서 알루미늄 다겹보온커튼 설치 온실의 온도가 일반 부직포 보온커튼 설치 온실에 비해 평균 $2.2^{\circ}C$ 더 높게 유지됨을 확인하였다. 또한 근권부 국소 난방장치를 설치한 온실에서 미설치 온실에 비해 야간 난방 중의 베드내부 근권온도가 $4.7^{\circ}C$ 더 높게 유지됨을 확인하였다. 난방패키지를 구성하는 지하수열원 히트펌프의 난방성능을 분석한 결과 지하수를 직접 열원으로 이용하는 시스템 특성상 난방성능계수는 평균 3.7로 비교적 높게 나타났다. 난방패키지를 적용한 처리구 온실과 관행 난방의 대조구 온실에 대하여 연료소비량을 계측한 결과 10a($1,000m^2$)당 대조구 온실은 경유 14,071L, 전력 364kWh를 소비하였고, 처리구는 전력 35,082kWh를 소비하여 난방비용 기준으로 대조구 온실의 비용 절감율은 87%로 나타났다. 처리구 및 대조구 온실의 작물생육을 비교한 결과 초장과 엽록소 함량에서 차이가 발생하였으나 두 온실의 난방온도가 거의 동일하므로 전체적인 생육은 큰 차이가 없는 것으로 분석되었다. 원예시설의 난방에너지 절감효과를 극대화하기 위해서는 본 연구의 난방패키지를 구성하는 개별 기술뿐 아니라 이미 개발된 고효율 공조기 이용기술, 보온성 향상기술, 온도관리 기술 등을 지역, 시설, 작목, 작형 등에 최적화하여 조합할 수 있는 추가적 패키지 모델의 개발 연구가 필요한 것으로 판단되었다.
본 연구에서는 유리온실 경영비 절감을 위한 고효율 난방기술을 개발하기 위하여 지하수열원 히트펌프, 알루미늄 다겹보온커튼, 근권부 국소난방장치를 조합한 난방 패키지 모델을 구성하고 파프리카 재배 벤로형 유리온실에 적용 시험을 수행하였다. 적용효과 분석을 위하여 관행 경유온수보일러와 일반 보온커튼을 설치한 대조구 온실과 비교시험을 통해 온실환경, 난방비용, 작물생육 등을 검토하였다. 알루미늄 다겹보온커튼과 일반 부직포 보온커튼을 설치한 온실에 대한 무가온 조건에서의 야간온도 비교시험에서 알루미늄 다겹보온커튼 설치 온실의 온도가 일반 부직포 보온커튼 설치 온실에 비해 평균 $2.2^{\circ}C$ 더 높게 유지됨을 확인하였다. 또한 근권부 국소 난방장치를 설치한 온실에서 미설치 온실에 비해 야간 난방 중의 베드내부 근권온도가 $4.7^{\circ}C$ 더 높게 유지됨을 확인하였다. 난방패키지를 구성하는 지하수열원 히트펌프의 난방성능을 분석한 결과 지하수를 직접 열원으로 이용하는 시스템 특성상 난방성능계수는 평균 3.7로 비교적 높게 나타났다. 난방패키지를 적용한 처리구 온실과 관행 난방의 대조구 온실에 대하여 연료소비량을 계측한 결과 10a($1,000m^2$)당 대조구 온실은 경유 14,071L, 전력 364kWh를 소비하였고, 처리구는 전력 35,082kWh를 소비하여 난방비용 기준으로 대조구 온실의 비용 절감율은 87%로 나타났다. 처리구 및 대조구 온실의 작물생육을 비교한 결과 초장과 엽록소 함량에서 차이가 발생하였으나 두 온실의 난방온도가 거의 동일하므로 전체적인 생육은 큰 차이가 없는 것으로 분석되었다. 원예시설의 난방에너지 절감효과를 극대화하기 위해서는 본 연구의 난방패키지를 구성하는 개별 기술뿐 아니라 이미 개발된 고효율 공조기 이용기술, 보온성 향상기술, 온도관리 기술 등을 지역, 시설, 작목, 작형 등에 최적화하여 조합할 수 있는 추가적 패키지 모델의 개발 연구가 필요한 것으로 판단되었다.
Glasshouse heating package technologies to improve energy usage efficiency in winter were developed. Heating package was composed of the ground water source heat pump with heating capacity of 105kW, the aluminum multi-layer thermal curtain with six layers of different materials and the root zone loc...
Glasshouse heating package technologies to improve energy usage efficiency in winter were developed. Heating package was composed of the ground water source heat pump with heating capacity of 105kW, the aluminum multi-layer thermal curtain with six layers of different materials and the root zone local heater with XL pipes of ${\phi}20mm$. Venlo type glasshouse($461m^2$) with the heating package was compared with the same type and area control glasshouse with the light oil boiler, the usual non-woven fabric thermal curtain with respect to the glasshouse inside temperature, relative humidity, crop growth, and heating energy consumption. The results of test in paprika cultivation glasshouses showed that the air temperature inside glasshouse with aluminum multi-layer thermal curtain was maintained $2.2^{\circ}C$ higher than that of control glasshouse in un-heating night time and the temperature in bed with root zone local heating was $4.7^{\circ}C$ higher than that in bed without local heating. Average heating coefficient of performance(COP) of the ground water source heat pump used in paprika cultivation was 3.7 and the glasshouse inside temperature was maintained at $21^{\circ}C$ of heating set up temperature. The heating energy consumptions per 10a were measured at 14,071L of light oil and 364kWh of electric power for the control glasshouse and 35,082kWh for the glasshouse applied heating package. As results, the heating cost of the glasshouse applied heating package was 87 percent lower than that of control glasshouse. The growths of paprika in glasshouses of control and applied heating package did not show any significant difference.
Glasshouse heating package technologies to improve energy usage efficiency in winter were developed. Heating package was composed of the ground water source heat pump with heating capacity of 105kW, the aluminum multi-layer thermal curtain with six layers of different materials and the root zone local heater with XL pipes of ${\phi}20mm$. Venlo type glasshouse($461m^2$) with the heating package was compared with the same type and area control glasshouse with the light oil boiler, the usual non-woven fabric thermal curtain with respect to the glasshouse inside temperature, relative humidity, crop growth, and heating energy consumption. The results of test in paprika cultivation glasshouses showed that the air temperature inside glasshouse with aluminum multi-layer thermal curtain was maintained $2.2^{\circ}C$ higher than that of control glasshouse in un-heating night time and the temperature in bed with root zone local heating was $4.7^{\circ}C$ higher than that in bed without local heating. Average heating coefficient of performance(COP) of the ground water source heat pump used in paprika cultivation was 3.7 and the glasshouse inside temperature was maintained at $21^{\circ}C$ of heating set up temperature. The heating energy consumptions per 10a were measured at 14,071L of light oil and 364kWh of electric power for the control glasshouse and 35,082kWh for the glasshouse applied heating package. As results, the heating cost of the glasshouse applied heating package was 87 percent lower than that of control glasshouse. The growths of paprika in glasshouses of control and applied heating package did not show any significant difference.
본 연구에서는 유리온실에 적합한 고효율 난방패키지 기술을 개발하기 위하여 지하수열원 히트펌프, 유리온실용 알루미늄 다겹보온커튼, 양액재배 배지 국소난방장치를 조합하여 파프리카 재배 벤로형 유리온실에 적용하였으며, 경유 온수보일러와 일반 보온커튼이 설치된 대조 온실과 에너지소비량, 작물생육 등을 비교, 분석하였다.
제안 방법
생육조사를 위한 파프리카 표본은 단구법으로 온실 상, 중, 하류 영역에서 3반복으로 각 6주씩 처리구당 18주를 임의 선발하였으며 초장, 엽수, 경경, 엽장, 엽폭, 엽록소함량을 측정하였다. 측정 시기는 2015년 2월 26일 정식후 3월 9일에 1차 조사를, 4월 28일에 2차 조사를 실시하여 통계검정을 수행하였다.
0m 지점에 온도계(PT-100, Samyoung, Korea)와 습도계(TR-72Ui, T&D, Japan)를 각각 설치하였으며 양액재배 베드의 슬라브 내부와 온실외부에도 동일 온도계와 습도계를 설치하였다. 처리구의 지하수열원 히트펌프, 팬코일유닛, 난방온수 순환펌프 및 대조구의 경유온수보일러, 순환펌프 등에 사용된 전기사용량은 전력량계(OMWH-121-A, Omni system, Korea)를, 대조구 온수보일러의 경유사용량은 유량계(SSO-8, DS Water, Korea)를 설치하여 각 시험구의 에너지소비량을 계측하였다. 지하수열원 히트펌프의 난방 성능계수(Coefficient of performance, COP)는 전력소비량과 온실로 공급된 열량을 계측하여 아래의 식(1)을 이용하여 계산하였다.
대상 데이터
본 연구에서 벤로형 유리온실 난방패키지를 구성하는 공조기는 물-물 형식의 지하수열원 히트펌프이며 시스템 개략도와 온실 설치상황을 Fig. 1과 2에 각각 나타내었다. 취수된 지하수는 온도분리용 격벽이 중앙에 설치된 지하 저장조(40ton)에 저장되며, 증발기가 설치된 버퍼탱크(8ton)로 공급되어 히트펌프의 축열운전으로 난방용 고온수를 생산한다.
5에는 본 연구의 난방시험 대상 온실을 나타내었다. 온실은 경남 함안군 함안면 시설원예연구소 소재 벤로형 유리온실(35°13’57”북, 128°25’19”동, 표고 45m)로 난방패키지를 적용한 처리구 온실과 대조구 온실 모두 각각 동고 5.5m, 폭 6.4m, 길이 36m의 온실 2동씩으로 구성되어 461m2의 면적을 가지며 방향은 모두 남북동이다. 두 온실 모두 상부에는 차광율 30%, 60%의 차광스크린 2층과 부직포 보온커튼 1층이 설치되어 있으며, 측벽은 처리구 온실은 상기의 알루미늄 다겹보온커튼, 대조구 온실은 부직포와 마트지로 구성된 일반 보온커튼을 설치하였다.
파프리카 공시품종은 처리구와 대조구 온실 모두 ‘쿠프라’로 2014년 12월 17일 파종하여 육묘한 후 2015년 2월 26일에 지면에서 30cm 이격된 벤치의 슬라브위 암면큐브에 정식하여 한줄기로 유인재배 하였으며, 기타 재배관리는 농촌진흥청 표준재배법에 준하여 수행하였다. 온실 환경측정을 위해 처리구와 대조구 온실 내부의 상, 중, 하류 영역 중앙의 높이 2.
성능/효과
에너지소비량은 대조구 온실이 경유 14,071L, 전력 364kWh를 소비하였고, 처리구는 전력 35,082kWh를 소비하였다. 이를 각 연료의 단가를 이용하여 난방비용으로 환산하면 대조구 온실이 11,272천원, 처리구 온실이 1,509천원이 소요되는 것으로 나타났으며 대조구 대비 처리구 온실의 난방비용이 약 87% 절감되는 것으로 분석되었다.
알루미늄 다겹보온커튼을 설치한 처리구 온실과 일반 부직포 보온커튼을 설치한 대조구 온실에 대해 무가온상태에서 각 온실 내부의 야간 온습도를 측정하여 알루미늄 다겹보온커튼의 보온성을 평가하였다. Fig. 6과 같이 2015년 2월 12일의 최저 외기온 -5.9℃, 평균 외기온 -2.6℃의 조건에서 알루미늄 다겹보온커튼이 설치된 처리구의 야간 평균온도는 2.9℃, 일반 보온커튼이 설치된 대조구의 평균온도는 0.7℃로 처리구의 온도가 2.2℃ 높게 나타났으며, 상대습도는 승온효과로 처리구가 50%, 대조구가 59%로 나타나 처리구에서 주간에 태양복사에 의해 축열된 온실내부의 열에너지가 더 잘 보존되는 것으로 나타났다. 이는 부직포와 마트지로 구성된 일반 보온커튼에 비해 반사성의 알루미늄 박막 등의 6겹으로 구성된 다겹보온커튼이 야간의 온실 외부로의 복사 및 전도 열손실을 최소화하여 보온성을 높였기 때문으로 판단되었다.
Table 2에는 대조구와 처리구 온실의 작물생육 분석결과를 나타내었으며, 조사는 2015년 2월 26일 정식 후 3월 9일에 1차, 4월 28일에 2차 조사를 실시하였다. 초장과 엽록소 함량을 제외한 엽수, 경경, 엽장, 엽폭에서는 유의한 차이가 발생하지 않았으며 처리구 온실의 초장과 엽록소 함량 증가량이 약간 높게 나온 것은 난방패키지 기술로 환경관리가 이루어진 처리구의 야간온도가 대조구 온실 대비 0.7℃ 정도 약간 높았고, 난방기 가동 시의 온실 온도의 편차가 대조구보다 작은 정밀한 온도관리가 이루어졌기 때문으로 판단되나 처리구와 대조구 온실의 전체적 생육은 큰 차이가 없는 것으로 판단되었다.
후속연구
7℃ 높게 나타났다. 파프리카의 적정 근권부 온도는 17~24℃로 알려져 있으나 작목, 품종, 작기 별로 작물체의 온도민감기관에 적합한 온도는 상이하며, 본 연구의 지상의 벤치에서 양액 재배하는 ‘쿠프라’ 품종의 뿌리 생육, 양수분 흡수 등을 고려한 적정 근권부 온도에 대해서는 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
시설원예 난방에너지 절감 관련 기술을 어떻게 대별되는가?
시설원예 난방에너지 절감과 관련한 기술은 히트펌프, 펠릿난방기와 같은 난방비 절감형 공조기 이용기술, 난방부하 축소를 위한 보온커튼, 기능성 피복재 등의 보온력 향상기술, 온도민감부 국소난방, 변온관리, 일몰후 가온 등 에너지절감형 온도관리기술 등으로 대별된다. 농업용 고효율 공조기로서의 히트펌프 적용 가능성 평가연구(Gracia 등, 1998; Willits와 Gurjer, 2004)가 수행되었으며, 시설원예용 히트펌프 이용기술과 관련하여 국내에서는 지열원 히트펌프(Kang 등, 2007; Ryou 등, 2008)와 공기열원 히트펌프(Kwon 등, 2013), 일본에서는 공기열원 히트펌프와 보조난방기 병용 하이브리드 시스템(Kawashima 등, 2008; Tong 등, 2011)의 개발 및 현장적용 연구가 수행되었다.
알루미늄 다겹보온커튼의 보온성을 평가한 결과는?
Fig. 6과 같이 2015년 2월 12일의 최저 외기온 -5.9oC, 평균 외기온 -2.6oC의 조건에서 알루미늄 다겹보온커튼이 설치된 처리구의 야간 평균온도는 2.9oC, 일반 보온커튼이 설치된 대조구의 평균온도는 0.7oC로 처리구의 온도가 2.2oC 높게 나타났으며, 상대습도는 승온효과로 처리구가 50%, 대조구가 59%로 나타나 처리구에서 주간에 태양복사에 의해 축열된 온실내부의 열에너지가 더 잘 보존되는 것으로 나타났다. 이는 부직포와 마트지로 구성된 일반 보온커튼에 비해 반사성의 알루미늄 박막 등의 6겹으로 구성된 다겹보온커튼이 야간의 온실 외부로의 복사 및 전도 열손실을 최소화하여 보온성을 높였기 때문으로 판단되었다.
유리온실 경영비 절감을 위한 고효율 난방기술을 개발하기 위하여 어떻게 시험을 수행하였나?
본 연구에서는 유리온실 경영비 절감을 위한 고효율 난방기술을 개발하기 위하여 지하수열원 히트펌프, 알루미늄 다겹보온커튼, 근권부 국소난방장치를 조합한 난방 패키지 모델을 구성하고 파프리카 재배 벤로형 유리온실에 적용 시험을 수행하였다. 적용효과 분석을 위하여 관행 경유온수보일러와 일반 보온커튼을 설치한 대조구 온실과 비교시험을 통해 온실환경, 난방비용, 작물생육 등을 검토하였다.
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