To analyze human thermal environments in protected horticultural houses (plastic houses), human thermal sensations estimated using measured microclimatic data (air temperature, humidity, wind speed, and solar and terrestrial radiation) were compared between an outdoor area and two indoor plastic hou...
To analyze human thermal environments in protected horticultural houses (plastic houses), human thermal sensations estimated using measured microclimatic data (air temperature, humidity, wind speed, and solar and terrestrial radiation) were compared between an outdoor area and two indoor plastic houses, a polyethylene (PE) house and a polycarbonate (PC) house. Measurements were carried out during the daytime in autumn, a transient season that exhibits human thermal environments ranging from neutral to very hot. The mean air temperature and absolute humidity of the houses were $14.6-16.8^{\circ}C$ (max. 22. $3^{\circ}C$) and $7.0-12.0g{\cdot}m^{-3}$ higher than those of the outdoor area, respectively. Solar (K) and terrestrial (L) radiation were compared directionally from the sky hemisphere (${\downarrow}$) and the ground hemisphere (${\uparrow}$). The mean $K{\downarrow}$ and $K{\uparrow}$ values for the houses were respectively $232.5-367.8W{\cdot}m^{-2}$ and $44.9-55.7W;{\cdot}m^{-2}$ lower than those in the outdoor area; the mean $L{\downarrow}$ and $L{\uparrow}$ values were respectively $150.4-182.3W{\cdot}m^{-2}$ and $30.5-33.9W{\cdot}m^{-2}$ higher than those in the outdoor area. Thus, L was revealed to be more influential on the greenhouse effect in the houses than K. Consequently, mean radiant temperature in the houses was higher than the outdoor area during the daytime from 10:45 to 14:15. As a result, mean human thermal sensation values in the PMV, PET, and UTCI of the houses were respectively $3.2-3.4^{\circ}C$ (max. $4.7^{\circ}C$), $15.2-16.4^{\circ}C$ (max. $23.7^{\circ}C$) and $13.6-15.4^{\circ}C$ (max. $22.3^{\circ}C$) higher than those in the outdoor area. The heat stress levels that were influenced by human thermal sensation were much higher in the houses (between hot and very hot) than in the outdoor (between neutral and warm). Further, the microclimatic component that most affected the human thermal sensation in the houses was air temperature that was primarily influenced by $L{\downarrow}$. Therefore, workers in the plastic houses could experience strong heat stresses, equal to hot or higher, when air temperature rose over $22^{\circ}C$ on clear autumn days.
To analyze human thermal environments in protected horticultural houses (plastic houses), human thermal sensations estimated using measured microclimatic data (air temperature, humidity, wind speed, and solar and terrestrial radiation) were compared between an outdoor area and two indoor plastic houses, a polyethylene (PE) house and a polycarbonate (PC) house. Measurements were carried out during the daytime in autumn, a transient season that exhibits human thermal environments ranging from neutral to very hot. The mean air temperature and absolute humidity of the houses were $14.6-16.8^{\circ}C$ (max. 22. $3^{\circ}C$) and $7.0-12.0g{\cdot}m^{-3}$ higher than those of the outdoor area, respectively. Solar (K) and terrestrial (L) radiation were compared directionally from the sky hemisphere (${\downarrow}$) and the ground hemisphere (${\uparrow}$). The mean $K{\downarrow}$ and $K{\uparrow}$ values for the houses were respectively $232.5-367.8W{\cdot}m^{-2}$ and $44.9-55.7W;{\cdot}m^{-2}$ lower than those in the outdoor area; the mean $L{\downarrow}$ and $L{\uparrow}$ values were respectively $150.4-182.3W{\cdot}m^{-2}$ and $30.5-33.9W{\cdot}m^{-2}$ higher than those in the outdoor area. Thus, L was revealed to be more influential on the greenhouse effect in the houses than K. Consequently, mean radiant temperature in the houses was higher than the outdoor area during the daytime from 10:45 to 14:15. As a result, mean human thermal sensation values in the PMV, PET, and UTCI of the houses were respectively $3.2-3.4^{\circ}C$ (max. $4.7^{\circ}C$), $15.2-16.4^{\circ}C$ (max. $23.7^{\circ}C$) and $13.6-15.4^{\circ}C$ (max. $22.3^{\circ}C$) higher than those in the outdoor area. The heat stress levels that were influenced by human thermal sensation were much higher in the houses (between hot and very hot) than in the outdoor (between neutral and warm). Further, the microclimatic component that most affected the human thermal sensation in the houses was air temperature that was primarily influenced by $L{\downarrow}$. Therefore, workers in the plastic houses could experience strong heat stresses, equal to hot or higher, when air temperature rose over $22^{\circ}C$ on clear autumn days.
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문제 정의
바닥은 모두 콘크리트로 되어 있었다. 두 종류의 시설 모두 설정 온도에 따라 천창과 측창의 개폐가 가능한 자동화 설비를 갖추고 있으나, 본 연구에서는 시간의 경과에 따른 시설 내의 미기후의 변화를 보고자 6일 오전(9:00-13:00)에 PC온실의 자동화 설비에 의한 천창 개방(기온이 25 일 때)을 제외하고는 천창과 측창의 개방 없이 수행 하였다. 또한, 식물체에 의한 영향이 없도록 하고자 하였으나, 연구장소가 농업기술원 연구센터인 관계로 실내의 모든 식물체를 옮길 수는 없었다.
따라서, 이 연구는 인간 열환경지수가 적당함(neutral)에서 매우 더움(very hot) 단계까지 순차적인 흐름을 볼 수 있는 계절 전환기(transient season)인 가을철 맑은 날 낮 시간대에 시설 외부와 두 종류의 시설(PE하우스와 PC온실) 안의 미기후 자료를 측정하여, 시설 외부의 열환경에 비해 시설 안에서 일하는 작업자들의 열환경이 어떻게 변하는지를 알아보고자 인간 열환경 모델을 이용하여 비교 분석해 보고자 한다.
시설(온실 및 비닐하우스) 안에서 일하는 농작업자들의 열환경을 분석해 보고자, 인간 열환경지수가 다양한 단계(적당함-조금 따뜻함-따뜻함-더움-매우 더움)를 보이는 계절 전환기인 가을철 낮 시간대를 대상으로 연구를 실시하였다. 시설 외부와 두 종류의 시설[polyethylene (PE) 하우스와 polycarbonate (PC) 온실] 안의 미기후(기온, 습도, 풍속, 태양 및 지구복사에너지)자료를 측정하여, 인간 열환경을 비교분석해 보았다.
제안 방법
각각의 미기후 요소들이 인간 열환경지수인 PMV 와 UTCI의 한 단계(PMV, 1.0; UTCI, 6℃ in heat stress)를 변화시키는데 미치는 영향을 분석해 보기 위해, 늦여름과 초가을의 낮 시간대 열환경을 기준[Ta=30℃ , RH=50%, u=0.3 m·s-1, Tmrt=50℃ , 신진대사에너지(metabolic energy)는 서 있는 자세인 1.5 MET, 의복은 긴 바지와 짧은 팔 티셔츠의 의류절연 (clothing insulation)인 0.55 clo]으로 하여, 각각의 미기후 요소들을 일정 범위 안(Ta=20-40℃ , RH=0-100%, u=0.3-2.3 m·s-1, Tmrt=30-80℃ )에서 변화를 주어 보았다.
시설 외부에 1곳, PC온실과 PE하우스 안 중심부에 각각 1곳씩 선정하여 측정장비를 설치하였다. 또한, 콘크리트 바닥의 표면온도는 적외선 온도계를 이용하여 30분 단위로 동시에 측정하였다. 측정장비에 대한 제원은 Table 1과 같다.
시설(온실 및 비닐하우스) 안에서 일하는 농작업자들의 열환경을 분석해 보고자, 인간 열환경지수가 다양한 단계(적당함-조금 따뜻함-따뜻함-더움-매우 더움)를 보이는 계절 전환기인 가을철 낮 시간대를 대상으로 연구를 실시하였다. 시설 외부와 두 종류의 시설[polyethylene (PE) 하우스와 polycarbonate (PC) 온실] 안의 미기후(기온, 습도, 풍속, 태양 및 지구복사에너지)자료를 측정하여, 인간 열환경을 비교분석해 보았다.
인간 열환경지수 분석을 위해 미기후 자료(기온, 상대습도, 풍속, 태양 및 지구복사에너지)를 1분 단위로, 인간의 평균 가슴높이인 지상 1.2 m 높이에서 측정하였다. 시설 외부에 1곳, PC온실과 PE하우스 안 중심부에 각각 1곳씩 선정하여 측정장비를 설치하였다.
대상 데이터
PC온실은 676 m2 면적으로 2006년에 설치 되었으며, 경질판은 투명한 10 mm 두께의 PC를 사용하였으며, 시설의 천장 PC판 위에는 패브릭 필름(Green house fabric file, Paramo, Korea)이 추가적으로 부착되었다(Fig. 3a). PE하우스는 1,310 m2 면적이며, 2012년에 설치되었으며, 0.
2 m 높이에서 측정하였다. 시설 외부에 1곳, PC온실과 PE하우스 안 중심부에 각각 1곳씩 선정하여 측정장비를 설치하였다. 또한, 콘크리트 바닥의 표면온도는 적외선 온도계를 이용하여 30분 단위로 동시에 측정하였다.
측정은 제주특별자치도 제주시 애월읍 상귀리에 위치한 제주 농업기술원 농업연구센터(33°27’28”N, 126°24’25”E)에 설치된 PC온실과 PE하우스에서 맑은 날인 2015년 10월 6-7일 이틀 동안 9:00-17:00시까지 수행 되었다(Fig. 2).
데이터처리
Tmrt는 측정된 태양(K) 및 지구(L)복사에너지를 이용하여 Human-urban radiation exchange simulation model(HURES; Park, 2011)을 이용하여 계산하였다. Ta, RH, 표면온도(Ts) 자료는 30분 단위로 Microsoft Office Excel 2010(https://www. office.com)을 이용하여 비교 분석하였으며, Tmrt와 인간 열환경지수들은 15분 단위로 Excel을 이용해 비교분석하였다. u는 PE하우스와 PC온실 안에서는 바람이 거의 없는 0.
이론/모형
인간 열환경지수(PMV, PET와 UTCI) 계산을 위해 필요한 입력 자료는 기온(Ta), 상대습도(RH), 풍속(u), 평균복사온도(mean radiant temperature, Tmrt)이다. Tmrt는 측정된 태양(K) 및 지구(L)복사에너지를 이용하여 Human-urban radiation exchange simulation model(HURES; Park, 2011)을 이용하여 계산하였다. Ta, RH, 표면온도(Ts) 자료는 30분 단위로 Microsoft Office Excel 2010(https://www.
성능/효과
L↓는 150.4 -182.3 W·m-2 더 많이, L↑는 30.5-33.9 W·m-2 더 많이 유입되어, K보다는 L이 온실효과의 주 요인이었으며, 시설 내의 평균복사온도를 10:45-14:15 동안 시설 외부보다 높게 만들었다.
L↑에서도 Ts의 결과와 동일한 패턴으로 PE하우스는 시설 외부에 비해 6일에는 32.7±15.0 W·m-2(6.5±2.8%)와 7일 33.9±18.3 W·m-2(6.7±3.5%) 더 많이 방출하는 것으로 나타났으며, PC온실도 시설 외부에 비해 6일에는 4.4±26.0 W·m-2(0.8±5.1%)와 7일 30.5±22.7 W·m-2(6.0±4.5%) 더 많이 방출하는 것으로 나타나, 두 시설 다 적은 양(약 6%)이지만 시설 외부에 비해 많은 바닥면에서의 지구복사에너지가 방출되는 것으로 나타났다(Fig. 7d, 8d).
PE하우스는 시설 외부보다 6일에는 13:45에 7일에는 12:45에 가장 큰 차이를 보였으며, 평균적으로 PMV에서 3.2±1.1 (6일, 최대 4.7)과 3.4±1.1 (7일, 최대 4.6), PET에서 15.2±6.0℃(6일, 최대 23.7℃)과 16.4±5.8℃(7일, 최대 22.8℃), UTCI 에서 13.6±4.8℃(6일, 최대 19.8℃)과 14.5±5.4℃(7일, 최대 20.1℃) 높은 결과를 보였다.
PE하우스와 PC온실을 비교해 보면, K에서는 패브릭 필름을 붙인 PC판이 PE필름에 비해 K 차단효과가 더 큰 것은 나타났으며, L에서도 6일에는 천창을 열어놓은 PC온실이 14:00부터 7일에는 11:00부터 PE하우스보다 더 높은 L을 방출하는 것으로 나타나 온실효과가 더 높은 것으로 보인다.
5℃를 변화시킨다는 결과를 보여 풍속에 대한 영향이 PMV보다는 덜 민감한 것으로 나타났다. RH는 PMV에서는 약 60%의 변화가 0.5 단계를 변화시키는 것으로 나타났고, UTCI에서는 30%(습도가 높을 때)-90%(습도가 낮을 때)의 변화가 한 단계를 바꿀 수 있다는 결과를 보였다. AH로 변환해 보면 Ta=20℃일때 PMV에서는 10.
RH는 이른 오전을 제외하고는 시설 외부에서 가장 높았으며, 오후 14:00-14:30 전에는 PC온실이 그 시간대 기온이 높게 나온 PE하우스에 비해 높은 RH를 보였으나, 그 이후에는 비슷한 결과를 보였다(Fig. 5a, 5b). RH는 온도에 의해 변화하는 값이므로, 여기서는 기온의 변화에 정반대의 결과를 보이는 것이 당연하다 하겠다.
0 g·m-3이 같은 변화를 만들 수 있는 것으로 나타났다. Tmrt는 PMV에서 8-10℃, UTCI에서는 약 24℃의 변화가 한 단계를 변화시킬 수 있는 것으로 나타나, UTCI는 u에서와 같이 Tmrt에서도 덜 민감하게 영향을 받는 것으로 나타났다.
u는 PMV에서는 1.0 m·s-1(풍속이 약할 때)-2.8 m·s-1(풍속이 강할 때)이 한 단계를, UTCI에서는 2.0 ms-1의 변화가 2.5℃를 변화시킨다는 결과를 보여 풍속에 대한 영향이 PMV보다는 덜 민감한 것으로 나타났다.
3 m·s-1, Tmrt=30-80℃ )에서 변화를 주어 보았다. 그 결과, Ta는 PMV에서는 일률적으로 6℃ , UTCI 에서는 6℃ (40℃ 근처)-10℃(20℃ 근처)의 변화량이 한 단계를 변화시키는 것으로 나타났다. u는 PMV에서는 1.
PC온실은 6일에는 천창을 닫은 후인 14:00부터 7일에는 11:00부터 시설 외부보다 높은 결과를 보였다. 그리고, PE하우스가 오전부터 PC온실보다 계속 높은 값들을 보이다가 14:00-14:30경부터 PC온실에서 더 높은 값을 보이는 역전현상을 보여, K 보다 L이 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 특히, 지표면 반구(↑)보다는 하늘 반구(↓)에서 오는 지구 복사에너지양이 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있 었다.
또한, 시설 내부(PE하우스와 PC온실)와 시설 외부의 각각의 미기후 자료의 최대 차이값들을 살펴보면 Ta=22.3℃(PE하우스-시설 외부, 6일 14:00), AH=17.1 g·m-3(PC온실-시설 외부, 6일 17:00), u=2.0 m·s-1(시설 외부-시설 내부, 7일 15:00), Tmrt=12.8℃(PC온실-시설 외부, 6일 15:45)이었는데, PMV에서 Ta가 3.7단계, AH가 0.3단계, u이 1.1단계, Tmrt이 1.4단계를 변화시킬 수 있는 것으로, UTCI에서는 Ta이 3.7단계, AH가 0.6단계, u이 0.4단계, Tmrt이 0.5단계를 변화시킬 수 있는 것으로 나타나, PMV와 UTCI에서 모두 Ta의 상승이 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났고, PMV에서는 Tmrt과 u이 그 다음으로 영향을 미쳤으나 AH의 영향은 약한 것으로 나타났다.
미기후요소별 결과로는, 시설 외부에 비해 시설 내부의 기온이 평균적으로 14.6-16.8℃(최대 22.3℃) 높았으며, 절대습도도 7.0-12.0 g·m-3 높은 것으로 나타났다.
오전은 PE하우스가 PC온실보다 모든 지수들에서 더 높은 결과들을 보였으나, 6일에는 14:45부터, 7일에는 PMV와 PET는 14:00부터 UTCI는 12:30부터 PC온실이 PE하우스보다 더 높은 결과를 나타내었다. PC온실의 패브릭 필름이 부착되지 않은 온실 측면으로부터의 K 유입이 그 원인이라고 할 수 있겠다.
3℃이었다. 이 차이값들은 PMV에서 Ta이 3.6단계, AH가 0.2-0.3단계, u이 0.9-1.0단계, Tmrt이 0.5-0.8단계를 변화시킬 수 있는 것으로 나타났으며, UTCI에서는 Ta에서는 동일하게 3.6단계, AH가 0.4-0.5단계(RH를 50%로 가정 했을 때), u이 0.4단계, Tmrt이 0.2-0.3단계를 변화시킬 수 있는 것으로 나타나, 시설 외부에 비해 PMV가 4.6-4.7단계, UTCI에서 3.4-3.9배 높게 나온 시설 내부의 인간 열환경지수는 Ta의 상승에 의해 좌우된다고 할 수 있겠다. 또한, 시설 내부(PE하우스와 PC온실)와 시설 외부의 각각의 미기후 자료의 최대 차이값들을 살펴보면 Ta=22.
이것은 PE필름이 시설 외부에 비해 K↓에서 46.3±18.7% (6일)와 43.3±13.3% (7일)의 차단 효과가 있다는 것을 보여주며, 패브릭 필름을 붙인 PC판은 PE필름보다 더 높은 57.2±14.1% (6일)와 60.2±6.3% (7일)의 차단 효과가 있는 것으로 나타났다.
인간 열환경지수인 PMV에서 3.2-3.4(최대 4.7), PET에서 15.2-16.4℃(최대 23.7℃), UTCI에서 13.6-5.4℃(최대 22.3℃) 더 높은 열환경을 만들어, 시설 외부가 적당함(neutral)에서 따뜻함(warm) 단계일 때 시설 내부는 더움(hot)과 매우 더움(very hot) 단계의 열 스트레스를 주는 것으로 나타났다. 가장 큰 영향을 미치는 미기후 요소는 L↓의 영향을 많이 받은 기온이었다.
태양 복사에너지(K)와 지구 복사에너지(L)를 유입되는 하늘 방향(↓)과 지표면 방향(↑)으로 나눠 분석해 보면, 시설 내부로 유입되는 K↓는 평균적으로 232.5-367.8 W·m-2 적게, K↑는 44.9-55.7 W·m-2 적게 유입되는 것으로 나타났다.
특이한 점은 PC온실에서 15:30에 K↓는 줄어든 반면에 K↑는 급격하게 증가한 현상을 보였는데, 이때의 태양복사에너지 반사율 (albedo)이 10월 6일에는 51.0%, 7일에는 41.0%로 다른 시간 때에 비해 거의 두 배 높은 반사율을 보이는 것으로 나타났다(자료를 포함하지 않았음).
후속연구
물론, 시설 내부의 인간 열환경지수는 기온뿐만 아니라 맑은 정도에 따른 복사에너지양의 변화, 작물에 따른 습도의 변화에 따라서도 달라질 수 있으므로, 향후 좀 더 다양한 기상환경에 따른 기상청 자료와의 연계뿐만 아니라 시설재료의 영향에 대한 연구도 더불어 이루어져야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
농업의 장소적 유형은 어떻게 나뉘는가?
농업의 장소적 유형으로는 노지재배와 시설재배로 크게 나눌 수 있다. 기후의 영향을 직접적으로 받는 노지재배에 비해 시설재배는 작물 생산에서 자연환경의 영향으로 받게 되는 외부 영향을 최소화 하여 작물의 계획적 생산을 가능하게 하고, 생산수량 증대, 단경기 (off season)생산 및 품질 향상으로 농가소득 향상에 기여하고 있다.
기후의 영향을 직접적으로 받는 노지재배에 비해 시설재배가 가지는 장점은 무엇인가?
농업의 장소적 유형으로는 노지재배와 시설재배로 크게 나눌 수 있다. 기후의 영향을 직접적으로 받는 노지재배에 비해 시설재배는 작물 생산에서 자연환경의 영향으로 받게 되는 외부 영향을 최소화 하여 작물의 계획적 생산을 가능하게 하고, 생산수량 증대, 단경기 (off season)생산 및 품질 향상으로 농가소득 향상에 기여하고 있다. 시설원예는 세계적으로 주로 극동지역과 지중해 연안지역에 분포되어 있으며, 시설면적이 1980년 100,000 ha에서 2000년 485,000 ha로 매년 약 20%에 이르는 증가율을 나타내고 있다(Moon et al.
우리나라의 시설원예의 현황은 어떠한가?
, 2014). 우리나라는 2015년 기준 90,468 ha의 시설 재배 면적을 갖는 세계적인 시설 재배 국가이며(Fig. 1; Statistics Korea, 2015), 시설의 대부분인 96.7%는 플라스틱(plastic) 하우스지만(Statistics Korea, 2010), 채소와 화훼 농가에서는 유리온실 및 경질판을 사용한 시설도 또한 이용되고 있으며, 2000년 235 ha 에서 2010년에는 329 ha로 점진적으로 증가하고 있다 (Statistics Korea, 2000, 2010). 여러 종류의 경질판 중 polycarbonate(PC)판은 광 투과율이 90%로 높아 유리와 유사한 수준의 투과율을 나타내며, 가벼우면서 보온성이 뛰어나고, 여타 경질판에 비해 충격강도가 큰 특징을 갖기 때문에 유리온실에 비해 선호되고 있다(Moon et al.
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