[논문]시설원예용 난방온실의 온열환경 분석에 관한 연구

송뢰; 박윤철

doi:10.17664/ksgee.2018.14.3.015

시설원예용 난방온실의 온열환경 분석에 관한 연구
A Study on Thermal Environment Analysis of a Greenhouse 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.14 no.3, 2018년, pp.15 - 20

송뢰 (제주대학교 일반대학원 기계공학과) , 박윤철 (제주대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

To study the effects of solar energy in a greenhouse, outdoor air temperature and wind speed on inside air temperature, a simulation model for forecasting the greenhouse air temperature was conducted on the basis of the energy and mass balance theory. Application of solar energy to the greenhouse is major area in the renewable energy research and development in order to save energy. Recently, considering the safety and efficiency of the heating of greenhouse, clean energy such as geothermal and solar energy has received much attention. The analysed greenhouse has $50m^2$ of ground area which located in jocheon-ri of Jeju Province. Experiments were carried out to collect data to validate the model. The results showed that the simulated air temperature inside a plastic greenhouse agreed well with the measured data.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 온실의 냉난방 용량을 수치적으로 계산하여 향후 개발되는 열펌프의 설계에 이용하고자 수행되었다. 해석결과의 정확성은 실험값과 해석값 중 어느 값이 정확한지 알 수 없으므로 식 (9)를 사용하여 계산하였다[16].
이러한 수학적 모델링을 바탕으로 해석프로그램을 개발하고 해석 대상온실의 온열환경 측정실험결과와 비교하여 모델링의 정확성을 검토하였다. 신뢰성인 확보된 해석프로그램을 이용하여 외기환경의 변화에 따른 온실의 내부온도의 변화를 예측하고 향후 온실용 난방장치의 부하계산의 활용할 수 있는 자료를 제공하고자 본 연구를 수행하였다.

가설 설정

1에 나타내었다. 본 연구에서는 모델링의 간소화를 위하여 증산, 광합성작용 및 세포의 호흡작용은 무시하였다.
온실의 온열환경의 계산은 온실의 체적 및 표면적 그리고 외기조건에 대한 외기온도 및 토양온도를 입력 값으로 지정되며, 환기에 대하여 환기가 있을 경우 환기량을 먼저 가정하고 반복계산을 통하여 정확한 환기량을 계산한다. Fig.
9^oC가 증가하여 외기온도이 증가는 온실 내부온도를 비례적으로 증가시킨다는 것을 알 수 있다. 풍속이 증가할 경우에 온실 내부온도는 감소하지만 온도의 변화율은 감소한다.

제안 방법

본 연구에서는 개발된 프로그램을 사용하여 온실의 외부환경의 변화에 따른 온실내부의 온도를 계산하였다. 이러한 해석은 EES(Engineering Equation Solver)를 이용한 간략한 열평형방정식을 연립방정식 형태로 쉽게 해석할 수 있는 장점이 있다.
본 연구에서는 열역학적 관계식을 기초로 하여 온실 내부의 에너지평형과 질량평형식을 유도하고 EES(Engineering Equation Solver) 프로그램을 사용하여 에너지 평형식을 연립방정식 형태로 구성하여 해를 구함으로써 외부환경에 따른 온실 내부온도해석을 수행하였다.
본 연구에서는 온실 내부의 에너지평형과 질량평형 식을 유도하고 EES 프로그램을 사용하여 외부환경에 따른 온실 내부 온도 해석을 수행하였다. 해석결과에 따라 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
온실에서 발생되는 외부환경의 변화는 다양하나 본 연구에서는 온도, 풍량 및 일사량을 변수로 선정하였다. 이때 외란은 온도 −10^oC~30^oC, 일사량 0 W/m²~1000 W/m² 및 풍속 0 m/s~15 m/s의 범위로 설정하였다.
이러한 수학적 모델링을 바탕으로 해석프로그램을 개발하고 해석 대상온실의 온열환경 측정실험결과와 비교하여 모델링의 정확성을 검토하였다. 신뢰성인 확보된 해석프로그램을 이용하여 외기환경의 변화에 따른 온실의 내부온도의 변화를 예측하고 향후 온실용 난방장치의 부하계산의 활용할 수 있는 자료를 제공하고자 본 연구를 수행하였다.
태양으로부터 복사 열량, 직접적인 열복사의 방사열량, 환기 열량, 외부 공기와의 열교환량을 계산한 후 온실내부의 토양과의 열전달을 계산하여 온실에서의 총 열전달량을 계산하여 온실 내부온도의 변화를 구한다.

대상 데이터

본 온실의 위치는 제주시 조천읍 조천리 1515-3번지 이며, Fig. 3 및 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 높이 3 m, 폭 5 m 및 길이 10 m의 블루베리를 작물도 재배하는 온실을 대상으로 하였다.

데이터처리

본 시뮬레이션 연구의 신뢰성을 검토하기 위해 각각의 모델을 해석하여 선행연구의 실험 데이터와 비교하였다.
온실의 열환경 모델링의 정확성을 알기 위해 Table 2에 나타낸 총 5일의 실험 데이터를 선택해서 해석 결과와 비교하였다. 이때 온실의 환기량은 1m³/s로 가정하였다.

성능/효과

1) 해석프로그램의 신뢰성을 검토 하였을 때 온실내부온도의 실험값과 해석 값을 비교한 결과에 평균 오차는 4.87%로써 해석 결과는 실험 결과와 잘 일치하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시설원예에서 태양 에너지의 이점은?	태양 에너지는 여러 가지 신재생에너지 분야에서 가장 많이 이용되고 있는 분야이며, 태양광에 대비하여 태양열의 이용은 제한적이나 식물의 성장을 위한 시설원예에서는 그 이용률이 높은 에너지원이다. 태양 에너지는 식물의 광합성 작용을 촉진할 수 있을 뿐만 아니라, 추운 날씨에서도 온실 안에 식물성장에 필요하고 따뜻한 온도를 제공할 수 있다[2].
	원예시설용 히트펌프란?	시설원예에 겨울철에는 난방용으로 태양열과 더불어 히트펌프를 보조열원으로 사용함으로써 원예시설의 난방, 냉방 및 제습 등의 다양한 환경관리에 적용 가능한 다목적 공조기기로써 국내의 경우 원예시설용 히트펌프와 관련한 연구는 많이 수행되고 있다[6]. 최근에는 시스템의 안정성과 효율성을 높이기 위하여 지열, 태양열 등을 이용한 하이브리드시스템 이용 기술이 주목을 받고 있다[7].
	유럽에서 온실의 구조가 태양 복사 에너지의 이용율에 어떠한 영향을 미칠 수 있는가?	유럽의 Pieters와 Deltour[8]은 온실의 구조가 태양 복사 에너지의 이용율에 어떠한 영향을 미칠 수 있는지 조사를 하였다. 그들의 보고서에 따르면 온실에 태양 에너지 이용 효율성이 온실의 형상 및 위치에 달려 있으며, 평균적으로 온실은 태양 복사 에너지의 70%를 포착하여 사용하고 있다고 보고하였다.

참고문헌 (16)

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Atsushi Kano and Edward J Sadler, "Control and modeling of vertical temperature distribution in greenhouse crops", Acta Horticulturae, (456), pp. 368-370, 1998.
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Carlson, G. A. http://www.ece.rochester.edu/courses/ECE111/error_uncertainty.pdf

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