온실의 난방부하 중 지중전열부하는 산정방법이나 적용여부가 제각각이고, 온실의 규모에 따라 각각의 방법에는 큰 차이가 있으므로 보다 정확히 국내에 적용할 수 있는 방법을 정립할 필요가 있다. 본 연구에서는 원예시설의 난방부하 산정방법 정립에 필요한 기초자료를 제공하기 위하여 위치와 규모가 다른 3개의 연동 플라스틱 온실에서 난방기간 동안 지온분포와 토양열류를 실측하였으며, 온실의 지중전열부하 산정방법을 검토하고 난방설계에 필요한 기준자료를 도출하였다. 난방중인 온실의 지온분포를 실측하여 실내기온과 비교한 결과 온실의 중앙 부분에서는 지온이 실내기온 보다 높고, 온실의 끝부분과 모서리 부분에서는 지온이 실내기온 보다 낮은 것으로 나타났다. 그러므로 온실의 중앙 부분에서는 지중열이 공급되고, 온실의 측면 부분에서는 외주부를 통해서 열손실이 발생하며, 온실의 규모에 따라 차이가 있는 것으로 판단된다. 건물의 외주부를 통한 열손실 개념을 도입하고, 온실의 규모를 반영하여 수정한 온실의 지중전열부하 산정방법은 타당성이 있는 것으로 평가된다. 토양열류센서를 이용하여 실측한 지중전열량은 실내외 기온차에 비례하여 직선적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 지중전열량 분석 결과로부터 지중전열의 방향이 바뀌는 기준온도차를 도출하였으며, 국내 온실의 난방설계에서 대규모 온실은 $10^{\circ}C$ 내외, 소규모 온실은 $12.5{\sim}15^{\circ}C$를 적용할 것을 제안하였다. 또한 지중열류 실측 결과로부터 온실의 외주부 단위길이당 열손실계수를 도출하였으며, 대규모 온실은 $7.5{\sim}10W{\cdot}m^{-1}{\cdot}K^{-1}$, 소규모 온실은 $2.5{\sim}5.0W{\cdot}m^{-1}{\cdot}K^{-1}$를 설계기준 자료로 제안하였다.
온실의 난방부하 중 지중전열부하는 산정방법이나 적용여부가 제각각이고, 온실의 규모에 따라 각각의 방법에는 큰 차이가 있으므로 보다 정확히 국내에 적용할 수 있는 방법을 정립할 필요가 있다. 본 연구에서는 원예시설의 난방부하 산정방법 정립에 필요한 기초자료를 제공하기 위하여 위치와 규모가 다른 3개의 연동 플라스틱 온실에서 난방기간 동안 지온분포와 토양열류를 실측하였으며, 온실의 지중전열부하 산정방법을 검토하고 난방설계에 필요한 기준자료를 도출하였다. 난방중인 온실의 지온분포를 실측하여 실내기온과 비교한 결과 온실의 중앙 부분에서는 지온이 실내기온 보다 높고, 온실의 끝부분과 모서리 부분에서는 지온이 실내기온 보다 낮은 것으로 나타났다. 그러므로 온실의 중앙 부분에서는 지중열이 공급되고, 온실의 측면 부분에서는 외주부를 통해서 열손실이 발생하며, 온실의 규모에 따라 차이가 있는 것으로 판단된다. 건물의 외주부를 통한 열손실 개념을 도입하고, 온실의 규모를 반영하여 수정한 온실의 지중전열부하 산정방법은 타당성이 있는 것으로 평가된다. 토양열류센서를 이용하여 실측한 지중전열량은 실내외 기온차에 비례하여 직선적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 지중전열량 분석 결과로부터 지중전열의 방향이 바뀌는 기준온도차를 도출하였으며, 국내 온실의 난방설계에서 대규모 온실은 $10^{\circ}C$ 내외, 소규모 온실은 $12.5{\sim}15^{\circ}C$를 적용할 것을 제안하였다. 또한 지중열류 실측 결과로부터 온실의 외주부 단위길이당 열손실계수를 도출하였으며, 대규모 온실은 $7.5{\sim}10W{\cdot}m^{-1}{\cdot}K^{-1}$, 소규모 온실은 $2.5{\sim}5.0W{\cdot}m^{-1}{\cdot}K^{-1}$를 설계기준 자료로 제안하였다.
The calculation method of ground heat exchange in greenhouses has different ideas in each design standard, so there is a big difference in each method according to the size of greenhouses, it is necessary to establish a more accurate method that can be applied to the domestic. In order to provide ba...
The calculation method of ground heat exchange in greenhouses has different ideas in each design standard, so there is a big difference in each method according to the size of greenhouses, it is necessary to establish a more accurate method that can be applied to the domestic. In order to provide basic data for the formulation of the calculation method of greenhouse heating load, we measured the soil temperature distribution and the soil heat flux in three plastic greenhouses of different size and location during the heating period. And then the calculation methods of ground heat exchange in greenhouses were reviewed. The soil temperature distributions measured in the heating greenhouse were compared with the indoor air temperature, the results showed that soil temperatures were higher than room temperature in the central part of greenhouse, and soil temperatures were lower than room temperature in the side edge of greenhouse. Therefore, it is determined that the ground heat gain in the central part of greenhouse and the perimeter heat loss in the side edge of greenhouse are occurred, there is a difference depending on the size of greenhouse. Introducing the concept of heat loss through the perimeter of building and modified to reflect the size of greenhouse, the calculation method of ground heat exchange in greenhouses is considered appropriate. It was confirmed that the floor heat loss measured by using soil heat flux sensors increased linearly in proportion to the temperature difference between indoor and outdoor. We derived the reference temperature difference which change the direction of ground heat flow and the perimeter heat loss factor from the measured heat flux results. In the heating design of domestic greenhouses, reference temperature differences are proposed to apply $12.5{\sim}15^{\circ}C$ in small greenhouses and around $10^{\circ}C$ in large greenhouses. Perimeter heat loss factors are proposed to apply $2.5{\sim}5.0W{\cdot}m^{-1}{\cdot}K^{-1}$ in small greenhouses and $7.5{\sim}10W{\cdot}m^{-1}{\cdot}K^{-1}$ in large greenhouses as design standard data.
The calculation method of ground heat exchange in greenhouses has different ideas in each design standard, so there is a big difference in each method according to the size of greenhouses, it is necessary to establish a more accurate method that can be applied to the domestic. In order to provide basic data for the formulation of the calculation method of greenhouse heating load, we measured the soil temperature distribution and the soil heat flux in three plastic greenhouses of different size and location during the heating period. And then the calculation methods of ground heat exchange in greenhouses were reviewed. The soil temperature distributions measured in the heating greenhouse were compared with the indoor air temperature, the results showed that soil temperatures were higher than room temperature in the central part of greenhouse, and soil temperatures were lower than room temperature in the side edge of greenhouse. Therefore, it is determined that the ground heat gain in the central part of greenhouse and the perimeter heat loss in the side edge of greenhouse are occurred, there is a difference depending on the size of greenhouse. Introducing the concept of heat loss through the perimeter of building and modified to reflect the size of greenhouse, the calculation method of ground heat exchange in greenhouses is considered appropriate. It was confirmed that the floor heat loss measured by using soil heat flux sensors increased linearly in proportion to the temperature difference between indoor and outdoor. We derived the reference temperature difference which change the direction of ground heat flow and the perimeter heat loss factor from the measured heat flux results. In the heating design of domestic greenhouses, reference temperature differences are proposed to apply $12.5{\sim}15^{\circ}C$ in small greenhouses and around $10^{\circ}C$ in large greenhouses. Perimeter heat loss factors are proposed to apply $2.5{\sim}5.0W{\cdot}m^{-1}{\cdot}K^{-1}$ in small greenhouses and $7.5{\sim}10W{\cdot}m^{-1}{\cdot}K^{-1}$ in large greenhouses as design standard data.
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문제 정의
이와 같이 온실의 난방부하 중 지중전열부하는 산정방법이나 적용여부가 제각각이고, 온실의 규모에 따라 각각의 방법에는 큰 차이가 있으므로 보다 정확히 국내에 적용할 수 있는 방법을 정립할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 원예시설의 난방부하 산정방법 정립에 필요한 기초자료를 제공하기 위하여 위치와 규모가 다른 3개의 연동 플라스틱 온실에서 난방기간동안 지온분포와 토양열류를 실측하였으며, 온실의 지중전열부하 산정방법을 검토하고 난방설계에 필요한 기준자료를 도출하였다.
본 연구에서는 난방중인 온실에서 지온분포를 실측하여 온실의 외주부를 통한 열손실 개념 도입의 타당성을 검토하고, 규모가 다른 온실에서 지중열류를 실측하여 식 (1)의 F값과, φ값을 구해 온실 난방설계의 기준 자료로 제공하고자 한다.
이와 같이 온실의 난방부하 중 지중전열부하는 산정방법이나 적용여부가 제각각이고, 온실의 규모에 따라 각각의 방법에는 큰 차이가 있으므로 보다 정확히 국내에 적용할 수 있는 방법을 정립할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 원예시설의 난방부하 산정방법 정립에 필요한 기초자료를 제공하기 위하여 위치와 규모가 다른 3개의 연동 플라스틱 온실에서 난방기간동안 지온분포와 토양열류를 실측하였으며, 온실의 지중전열부하 산정방법을 검토하고 난방설계에 필요한 기준자료를 도출하였다.
제안 방법
따라서 본 실험에서 열류센서는 지표면 바로 밑에 매설하고, 지온센서는 30cm 깊이에 매설하여 계측하였다.
또한 지중열류 실측 결과로부터 온실의 외주부 단위길이당 열손실계수를 도출하였으며, 대규모 온실은 7.5~10W·m-1 ·K-1 , 소규모 온실은 2.5~5.0W·m-1 ·K-1를 설계기준 자료로 제안하였다.
온실로부터 지중으로의 열전달 특성을 파악하기 위하여 난방중인 온실의 지온분포를 실측하였다. Fig.
지온은 열전대(K-type, Komets, Korea), 토양열류는 열류센서(MF-81, EKO, Japan), 기상환경은 온습도센서(MicroLogPro II, Fourtec, Israel), 일사센서(LP02, Hukeseflux, Netherlands), 풍속센서(EE75, E+E Elektronik, Austria)를 이용하여 계측하였다. 실험온실에서는 모두 토마토를 수경재배하고 있으며, 난방은 모두 온수난방 방식이다.
지중전열부하는 온실 바닥에 설치된 토양열류 센서를 이용하여 실측한 토양열류량의 평균값에 바닥면적을 곱하여 구하였다.
대상 데이터
실험온실에서는 모두 토마토를 수경재배하고 있으며, 난방은 모두 온수난방 방식이다. 지중열류 및 난방실험은 2014 12월부터 2015년 3월, 2015년 12월부터 2016년 3월에 걸쳐 수행하였다.
이론/모형
G2 온실에서는 중앙과 측면의 2점에서 토양열류를 계측하고, 온실 내외부의 기상환경을 계측하였다. G3 온실은 Shin과 Nam(2015)의 연구에서 실험한 온실로 본 연구에서는 대규모 온실의 실측자료를 비교하기 위하여 활용되었다.
성능/효과
토양열류센서를 이용하여 실측한 지중전열량은 실내외 기온차에 비례하여 직선적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 원예시설의 난방부하 산정방법 정립에 필요한 기초자료를 제공하기 위하여 위치와 규모가 다른 3개의 연동 플라 스틱 온실에서 난방기간 동안 지온분포와 토양열류를 실측하였으며, 온실의 지중전열부하 산정방법을 검토하고 난방설계에 필요한 기준자료를 도출하였다. 난방중인 온실의 지온분포를 실측하여 실내기온과 비교한 결과 온실의 중앙 부분에서는 지온이 실내기온 보다 높고, 온실의 끝부분과 모서리 부분에서는 지온이 실내기온 보다 낮은 것으로 나타났다. 그러므로 온실의 중앙 부분에서는 지중열이 공급되고, 온실의 측면 부분에서는 외주부를 통해서 열손실이 발생하며, 온실의 규모에 따라 차이가 있는 것으로 판단된다.
다음으로 온실의 외주부 단위길이당 열손실계수를 비교해 보면 G1 온실은 3.04W·m -1 ·K-1 , G2 온실은 2.63W·m-1·K-1로 G3 온실의 10.5W·m-1 ·K-1와 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다.
이상의 결과로부터 지중전열은 온실의 중앙 부분에서는 지중열이 공급되고, 온실의 측면 부분에서는 외주부를 통해서 열손실이 발생하며, 온실의 규모에 따라 차이가 있을 것으로 판단된다. 따라서 건물의 외주부를 통한 열손실 개념을 도입하고, 온실의 규모를 반영하여 수정한 온실의 지중전열부하 산정방법은 타당성이 있는 것으로 평가된다.
온실의 난방부하 중에서 지중전열부하가 차지하는 비율은 실내외 기온차 10℃ 이상의 범위에서 G1 온실은 -1.1~1.8%, G2 온실은 -1.1~1.4%로 나타나 G3 온실의 -0.2~6.3%와 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다. 일본에서 실험한 사례를 보면 온실의 지중전열부하는 전체 난방부하의 10% 이내이고(Mihara 등, 1978), 일반적인 규모의 상업용 온실에서는 무시할 정도라고 하였다(Kozai 등, 1982).
5℃로 실내기온 보다 높게 나타났다. 온실의 모서리 부분은 지온이 10℃까지 내려가 매우 낮은 값을 보이고 있고, 온실의 끝부분과 측면 부분은 지온이 실내기온 보다 낮아 열손실이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이상의 결과로부터 지중전열은 온실의 중앙 부분에서는 지중열이 공급되고, 온실의 측면 부분에서는 외주부를 통해서 열손실이 발생하며, 온실의 규모에 따라 차이가 있을 것으로 판단된다.
온실의 모서리 부분은 지온이 10℃까지 내려가 매우 낮은 값을 보이고 있고, 온실의 끝부분과 측면 부분은 지온이 실내기온 보다 낮아 열손실이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이상의 결과로부터 지중전열은 온실의 중앙 부분에서는 지중열이 공급되고, 온실의 측면 부분에서는 외주부를 통해서 열손실이 발생하며, 온실의 규모에 따라 차이가 있을 것으로 판단된다. 따라서 건물의 외주부를 통한 열손실 개념을 도입하고, 온실의 규모를 반영하여 수정한 온실의 지중전열부하 산정방법은 타당성이 있는 것으로 평가된다.
토양열류센서를 이용하여 실측한 지중전열량은 실내외 기온차에 비례하여 직선적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 지중전열량 분석 결과로부터 지중전열의 방향이 바뀌는 기준온도차를 도출하였으며, 국내 온실의 난방설 계에서 대규모 온실은 10℃ 내외, 소규모 온실은 12.5 ~15℃를 적용할 것을 제안하였다. 또한 지중열류 실측 결과로부터 온실의 외주부 단위길이당 열손실계수를 도출하였으며, 대규모 온실은 7.
후속연구
일본의 설계기준을 적용하여 지중전열부하를 산정할 경우 전체 난방부하 중에서 지중전열부하가 차지하는 비중이 -28~20%로 계산되어 설계 기온에 따라서 과소 또는 과대평가될 가능성이 높은 것으로 판단된다. 따라서 국내 온실의 설계에서 지중전열 부하는 본 연구에서 제안된 온실의 외주부를 통한 열손실 개념을 도입한 지중전열부하 산정방법을 적용하고, 외주부 단위길이당 열손실계수와 지중전열의 방향이 바뀌는 기준 온도차를 온실의 규모에 따라 차등 적용함으로써 보다 정확한 난방부하 산정이 가능할 것으로 판단된다.
또한 미국에서는 온실의 규모가 크고, 난방온도를 대부분 16℃로 설정하며, 바닥은 콘크리트나 플라스틱 시트로 처리하기 때문에 지중전열부하를 고려하지 않고 있다(Albright, 1990; Lindley와 Whitaker, 1996). 본 연구 결과와 비교할 때 온실의 규모에 따라 다른 설계기준을 적용할 필요가 있을 것으로 판단된다. 일본의 설계기준을 적용하여 지중전열부하를 산정할 경우 전체 난방부하 중에서 지중전열부하가 차지하는 비중이 -28~20%로 계산되어 설계 기온에 따라서 과소 또는 과대평가될 가능성이 높은 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리나라에서 겨울철 시설재배를 위해서 에너지 절감 대책 설치가 필수적인 것은?
우리나라에서 겨울철 시설재배를 위해서는 에너지 절감 대책으로 보온시설의 설치가 필수적이다. 국내 온실의 보온방식은 단동온실의 경우 다중피복 34%, 보온덮개 25%, 수막시설 13%, 다겹보온커튼 11% 등으로 나타나고 있으며, 연동온실은 부직포류 41%, 다겹보온커튼 33%, 알루미늄스크린 6.
국내 온실의 난방온도는 규모에 따라 어떻게 적용하도록 제안되는가?
1ha 미만의 소규모 온실이었기 때문으로 판단되며, 온실의 규모에 따라 다른 값을 적용할 필요가 있는 것으로 생각된다. 따라서 국내 온실을 설계할 때에는 온실의 규모에 따라 대규모 온실은 10℃ 내외, 소규모 온실은 12.5~15℃를 적용할 것을 제안한다.
국내 온실의 보온방식은 어떻게 나타나고 있는가?
우리나라에서 겨울철 시설재배를 위해서는 에너지 절감 대책으로 보온시설의 설치가 필수적이다. 국내 온실의 보온방식은 단동온실의 경우 다중피복 34%, 보온덮개 25%, 수막시설 13%, 다겹보온커튼 11% 등으로 나타나고 있으며, 연동온실은 부직포류 41%, 다겹보온커튼 33%, 알루미늄스크린 6.4% 등으로 나타나고 있다. 온실의 가온 면적은 13,980ha로 이중 85%가 경유 등의 유류를 난방연료로 사용하고 있다(MAFRA, 2014).
참고문헌 (18)
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