온실의 냉난방부하 산정을 위해 설계자가 선택해야할 주요 변수들에 대하여, 이들 설계 변수가 냉난방부하에 미치는 영향을 평가하기 위해서 각각의 설계 변수값을 변화시키면서 시뮬레이션을 실시하였으며, 이를 바탕으로 특별히 선택에 주의를 기울여야 할 설계 변수를 제안하였다. 난방부하에 가장 큰 영향을 미치는 설계 변수는 피복재의 열관류율이고, 다음으로 설계외기온인 것으로 나타났다. 연동수에 따른 설계 변수의 영향은 차이가 거의 없는 것으로 나타났다. 단동 온실의 경우에는 지중전열 관련 설계 변수의 영향을 무시할 수 없을 것으로 생각되지만, 연동 온실의 경우에는 지중전열 관련 변수 및 틈새환기율의 영향이 미미한 것으로 판단되었다. 냉방부하에 가장 큰 영향을 미치는 설계 변수는 온실내로 유입되는 일사량과 증발산계수이고, 다음으로 실내외 기온차, 환기율인 것으로 나타났다. 설계 변수의 영향은 단동 온실과 연동 온실에서 큰 차이를 보였으나, 연동수에 따른 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 피복재의 열관류율은 단동 온실이나 연동 온실 모두 영향이 미미한 것으로 나타났지만, 실내외 기온차 및 환기율의 경우에는 냉방부하에 미치는 영향을 무시할 수 없을 것으로 생각되며, 특히 연동 온실에서 그 영향이 더 큰 것으로 판단되었다. 냉방부하를 산정할 때 실내 목표온도를 낮게 설정할수록 설계 변수의 선택에 신중해야 한다. 특히, 실내 목표온도를 외기온 보다 낮게 설정하면 환기율 및 열관류율 값이 냉방부하를 증가시키는 방향으로 바뀌므로 더욱 주의해야 한다. 환기율이 낮을 때는 설계 변수 중 설계일사량과 증발산계수의 선택에 주의해야 하고, 환기율이 높을 때는 실내 설정온도와 설계외기온의 선택에 신중을 기해야 한다.
온실의 냉난방부하 산정을 위해 설계자가 선택해야할 주요 변수들에 대하여, 이들 설계 변수가 냉난방부하에 미치는 영향을 평가하기 위해서 각각의 설계 변수값을 변화시키면서 시뮬레이션을 실시하였으며, 이를 바탕으로 특별히 선택에 주의를 기울여야 할 설계 변수를 제안하였다. 난방부하에 가장 큰 영향을 미치는 설계 변수는 피복재의 열관류율이고, 다음으로 설계외기온인 것으로 나타났다. 연동수에 따른 설계 변수의 영향은 차이가 거의 없는 것으로 나타났다. 단동 온실의 경우에는 지중전열 관련 설계 변수의 영향을 무시할 수 없을 것으로 생각되지만, 연동 온실의 경우에는 지중전열 관련 변수 및 틈새환기율의 영향이 미미한 것으로 판단되었다. 냉방부하에 가장 큰 영향을 미치는 설계 변수는 온실내로 유입되는 일사량과 증발산계수이고, 다음으로 실내외 기온차, 환기율인 것으로 나타났다. 설계 변수의 영향은 단동 온실과 연동 온실에서 큰 차이를 보였으나, 연동수에 따른 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 피복재의 열관류율은 단동 온실이나 연동 온실 모두 영향이 미미한 것으로 나타났지만, 실내외 기온차 및 환기율의 경우에는 냉방부하에 미치는 영향을 무시할 수 없을 것으로 생각되며, 특히 연동 온실에서 그 영향이 더 큰 것으로 판단되었다. 냉방부하를 산정할 때 실내 목표온도를 낮게 설정할수록 설계 변수의 선택에 신중해야 한다. 특히, 실내 목표온도를 외기온 보다 낮게 설정하면 환기율 및 열관류율 값이 냉방부하를 증가시키는 방향으로 바뀌므로 더욱 주의해야 한다. 환기율이 낮을 때는 설계 변수 중 설계일사량과 증발산계수의 선택에 주의해야 하고, 환기율이 높을 때는 실내 설정온도와 설계외기온의 선택에 신중을 기해야 한다.
For the main variables to be selected by the designer for the heating and cooling load calculation in greenhouses, in order to evaluate the effect of these design values on the heating and cooling load, the simulations were carried out by varying the respective design values. Based on these results,...
For the main variables to be selected by the designer for the heating and cooling load calculation in greenhouses, in order to evaluate the effect of these design values on the heating and cooling load, the simulations were carried out by varying the respective design values. Based on these results, we proposed the design values which should pay special attention to selection. The design values which have the greatest effect on the heating load were the overall heat transfer coefficient of the covering material and the design outdoor temperature was next. The effect of the design values according to the number of spans showed little difference. In the case of the single-span greenhouse, the effect of the design values related to the underground heat transfer can not be ignored. However, in the case of the multi-span greenhouse, the effect of the design values related to the underground heat transfer and the infiltration rate were insignificant. The design values which have the greatest effect on the cooling load were the solar radiation into the greenhouse and the evapotranspiration coefficient, followed by the indoor and outdoor temperature difference and the ventilation rate. The effect of the design values showed a great difference between the single-span greenhouse and the multi-span greenhouse, but there was almost no difference according to the number of spans. The effect of the overall heat transfer coefficient of the covering material was negligible in both the single-span greenhouse and the multi-span greenhouse. However, the effect of the indoor and outdoor temperature difference and the ventilation rate on the cooling load was not negligible. Especially, it is considered that the effect is larger in multi-span greenhouse.
For the main variables to be selected by the designer for the heating and cooling load calculation in greenhouses, in order to evaluate the effect of these design values on the heating and cooling load, the simulations were carried out by varying the respective design values. Based on these results, we proposed the design values which should pay special attention to selection. The design values which have the greatest effect on the heating load were the overall heat transfer coefficient of the covering material and the design outdoor temperature was next. The effect of the design values according to the number of spans showed little difference. In the case of the single-span greenhouse, the effect of the design values related to the underground heat transfer can not be ignored. However, in the case of the multi-span greenhouse, the effect of the design values related to the underground heat transfer and the infiltration rate were insignificant. The design values which have the greatest effect on the cooling load were the solar radiation into the greenhouse and the evapotranspiration coefficient, followed by the indoor and outdoor temperature difference and the ventilation rate. The effect of the design values showed a great difference between the single-span greenhouse and the multi-span greenhouse, but there was almost no difference according to the number of spans. The effect of the overall heat transfer coefficient of the covering material was negligible in both the single-span greenhouse and the multi-span greenhouse. However, the effect of the indoor and outdoor temperature difference and the ventilation rate on the cooling load was not negligible. Especially, it is considered that the effect is larger in multi-span greenhouse.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 온실의 냉난방부하 산정을 위해 설계자가 선택해야할 주요 변수들에 대하여 이들 설계변수가 냉난방부하에 미치는 영향을 평가하기 위해서 각각의 설계 변수값을 변화시키면서 시뮬레이션을 실시하였으며, 이를 바탕으로 특별히 선택에 주의를 기울여야 할 설계 변수를 제안하였다.
가설 설정
난방부하 계산에서 공기의 밀도는 1.18 kg/m3, 비열은 1,006 J/kgºC, 실내 설정온도는 16ºC의 상수로 가정하였다(Albright, 1990; ASABE, 2008).
냉방부하 계산에서도 실내공기의 밀도와 비열, 실내 설정온도는 상수로 가정하였다. 온실의 피복면적과 바닥면적은 온실의 규격이 결정되면 계산할 수 있으므로, 설계자가 선택해야 할 설계 변수는 설계 외부일사량, 피복재의 일사 투과율, 열관류율, 설계 외기온, 환기율 및 작물의 증발산계수 등이다.
제안 방법
그러나 여기에서는 재료 및 방법에서 설명한 바와 같이 τ와 Is 대신 이들을 결합한 유입 일사량(τIs), 그리고 To 대신 실내외 기온차(ΔT)를 설계 변수로 대체하였다.
온실의 형태별로 개략적인 자연 환기율은 알 수 있지만 변동이 심하므로 증발냉각시스템의 설계에서는 환기율의 변화에 따른 실내온도 상승을 예측하는 가습환기 그래프를 작성하여 목표온도와 필요 환기율을 결정하는 경우가 많다 (NAAS, 2015). 따라서 자연환기 조건을 고려하여 Vr값을 몇 가지로 고정시키고 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
앞의 난방부하에서와 마찬가지로 이들 설계 변수가 온실의 냉방부하에 미치는 영향을 평가하기 위해서 각각의 설계 변수 값을 기본 값에 대하여 ±25% 범위에서 변화시키면서 시뮬레이션을 실시하였으며, 냉방부하 설계 변수의 기본 값은 Table 2와 같이 설정하였다(NAAS, 2015).
온실에서 냉방 시 실내 목표온도를 달성하기가 쉽지 않으므로 설계 변수 중 설계 외기온을 실내외 기온차로 대체하였으며, 피복재의 일사 투과율과 설계 외부일사량은 곱하여(τIs) 온실 내로 유입되는 일사량으로 취급하였다.
온실의 냉난방부하 산정을 위해 설계자가 선택해야할 주요 변수들에 대하여, 이들 설계 변수가 냉난방부하에 미치는 영향을 평가하기 위해서 각각의 설계 변수값을 변화시키면서 시뮬레이션을 실시하였으며, 이를 바탕으로 특별히 선택에 주의를 기울여야 할 설계 변수를 제안하였다. 난방부하에 가장 큰 영향을 미치는 설계 변수는 피복재의 열관류율이고, 다음으로 설계외기온인 것으로 나타났다.
18 kg/m3, 비열은 1,006 J/kgºC, 실내 설정온도는 16ºC의 상수로 가정하였다(Albright, 1990; ASABE, 2008). 온실의 피복면적, 체적, 둘레길이는 온실의 규격이 결정되면 계산할 수 있으므로, 설계자가 선택해야 할 설계 변수는 피복재의 열관류율, 설계 외기온, 틈새환기율, 외주부 단위길이당 열손실계수 및 지중전열 부하저감 기준온도차 등이다.
위에서는 난방부하를 산정할 때 실내 설정온도를 상수로 취급하고 설계 외기온을 변화시키면서 시뮬레이션을 수행하였지만, 실내 설정온도 역시 변수가 될 수 있으므로 이들을 묶어서 실내외 기온차(ΔT = Ti − To)를 몇 가지로 고정시키고 시뮬레이션을 수행하였다.
위에서는 냉방부하를 산정할 때 실내온도를 설계 외기온 보다 높게(ΔT>0) 설정하여 시뮬레이션을 수행하였지만, 외기온 보다 낮게 냉방하는 조건을 고려하여 ΔT값을 몇 가지로 고정시키고 시뮬레이션을 수행하였다.
난방부하를 산정할 때 설계자가 선택해야 할 설계 변수는 피복재의 열관류율(U), 설계 외기온(To), 틈새환기율(N), 외주부 단위길이당 열손실계수(F) 및 지중전열 부하저감 기준온도차(θ)이다. 이들 설계 변수가 난방부하에 미치는 영향을 평가하기 위해서 시뮬레이션을 실시하였으며, Fig. 1은 각 설계 변수의 증가율에 따른 난방 부하의 변화를 나타낸 것이다.
그러나 여기에서는 재료 및 방법에서 설명한 바와 같이 τ와 Is 대신 이들을 결합한 유입 일사량(τIs), 그리고 To 대신 실내외 기온차(ΔT)를 설계 변수로 대체하였다. 이들 설계 변수가 냉방부하에 미치는 영향을 평가하기 위해서 시뮬레이션을 실시하였으며, Fig.3은 각 설계 변수의 증가율에 따른 냉방부하의 변화를 나타낸 것이다.
이들 설계 변수가 온실의 난방부하에 미치는 영향을 평가하기 위해서 각각의 설계 변수 값을 기본 값에 대하여 ±25% 범위에서 변화시키면서 시뮬레이션을 실시하였으며, 설계 변수의 기본 값은 Table 1과 같이 설정하였다(NAAS, 2015).
대상 데이터
단동 온실을 S-1, 7연동 온실은 S-7, 14연동 온실은 S-14로 표기하였으며, 각각의 온실 길이는 모두 100m로 하고, 냉난방부하 산정에 필요한 고정 변수인 온실의 바닥면적, 피복면적, 체적 및 둘레길이는 Table 4와 같이 계산되었다. 냉난방부하에 미치는 설계 변수들의 영향을 분석하기 위한 온실의 규모는 개략적으로 단동온실0.1ha, 연동온실 0.5ha 및 1.0ha를 선정하였다.
원예특작시설 내재해형 규격 설계도·시방서 (RDA, 2015)에서 제시한 온실 모델 중 최신 모델인 12-단동-1과 12-연동-1을 선택하였으며, 연동의 경우에는 온실의 규모에 따른 영향을 분석하기 위하여 7연동 및 14 연동 온실을 대상으로 시뮬레이션을 실시하였다.
성능/효과
설계 변수의 영향은 단동 온실과 연동 온실에서 큰 차이를 보였으나, 연동수에 따른 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.
(a)에서 보는 바와 같이 τIs 값이 10% 증가할 때 냉방부하는 45.6% 증가하는 것으로 나타났으며, Ep, U, Vr값이 각각 10% 증가할 때 냉방부하는 각각 45.6%, 5.2%, 30.5% 감소하는 것으로 나타났다.
(a)에서 보는 바와 같이 τIs값이 10% 증가할 때 냉방부하는 14.6% 증가하는 것으로 나타났으며, Ep, U, ΔT값이 각각 10% 증가할 때 냉방부하는 각각 14.6%, 1.3%, 4.6% 감소하는 것으로 나타났다.
(a)에서 보는 바와 같이 τIs값이 10% 증가할 때 냉방부하는 15.3% 증가하는 것으로 나타났으며, Ep, U, Vr, ΔT값이 각각 10% 증가할 때 냉방부하는 각각 15.3%, 1.7%, 3.6%, 5.3% 감소하는 것으로 나타났다.
(b)에서 보는 바와 같이 τIs값이 10% 증가할 때 냉방부하는 26.6% 증가하는 것으로 나타났으며, Ep, U, Vr, ΔT값이 각각 10% 증가할 때 냉방부하는 각각 26.6%, 2.4%, 14.2%, 16.6% 감소하는 것으로 나타났다.
(c)에서 보는 바와 같이 ΔT에 따른 차이는 발견할 수 없었으며, 전체적으로 U값이 10% 증가할 때 난방부하는 9.1~9.2% 증가하는 것으로 나타났으나, N, F, θ값이 각각 10% 증가할 때 난방부하는 0.3~0.5% 증가 또는 감소하는 것으로 나타나 영향이 미미한 것으로 판단되었다.
7연동과 14연동 온실을 비교해 보면 연동수에 따른 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 난방부하에 가장 큰 영향을 미치는 설계 변수는 U값이고, 다음으로 To값인 것으로 나타났다.
Vr값이 커질수록 τIs와 Ep값에 따른 냉방부하의 변화율이 크게 증가하는 것으로 나타났으나, 다른 설계 변수들에 대한 상대값은 작아지는 것으로 나타났다.
온실의 냉난방부하 산정을 위해 설계자가 선택해야할 주요 변수들에 대하여, 이들 설계 변수가 냉난방부하에 미치는 영향을 평가하기 위해서 각각의 설계 변수값을 변화시키면서 시뮬레이션을 실시하였으며, 이를 바탕으로 특별히 선택에 주의를 기울여야 할 설계 변수를 제안하였다. 난방부하에 가장 큰 영향을 미치는 설계 변수는 피복재의 열관류율이고, 다음으로 설계외기온인 것으로 나타났다. 연동수에 따른 설계 변수의 영향은 차이가 거의 없는 것으로 나타났다.
냉방부하를 산정할 때 실내 목표온도를 어떻게 설정하느냐에 따라서 설계 변수들의 영향은 크게 달라지는 것으로 나타났다. ΔT값이 낮아질수록 τIs와 Ep값에 따른 냉방부하의 변화율은 감소하는 것으로 나타났으나, 다른 설계 변수들에 대한 상대값은 훨씬 큰 것을 알 수 있으며 이는 ΔT값이 낮을수록 설계 변수의 선택에 신중해야 함을 의미한다.
냉방부하를 산정할 때 환기율을 어떻게 설정하느냐에 따라서 설계 변수들의 영향은 크게 달라지는 것으로 나타났다. Vr값이 커질수록 τIs와 Ep값에 따른 냉방부하의 변화율이 크게 증가하는 것으로 나타났으나, 다른 설계 변수들에 대한 상대값은 작아지는 것으로 나타났다.
단동 온실의 경우에는 지중전열 관련 설계 변수의 영향을 무시할 수 없을 것으로 생각되지만, 연동 온실의 경우에는 지중전열 관련 변수 및 틈새환기율의 영향이 미미한 것으로 판단되었다. 냉방부하에 가장 큰 영향을 미치는 설계 변수는 온실내로 유입되는 일사량과 증발산계수이고, 다음으로 실내외 기온차, 환기율인 것으로 나타났다. 설계 변수의 영향은 단동 온실과 연동 온실에서 큰 차이를 보였으나, 연동수에 따른 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.
단동 온실과 연동 온실의 차이는 크게 나타났으나, 7연동과 14연동 온실을 비교해 보면 연동수에 따른 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 냉방부하에 가장 큰 영향을 미치는 설계 변수는 τIs와 Ep값이고, 다음으로 ΔT, Vr값인 것으로 나타났다.
연동수에 따른 설계 변수의 영향은 차이가 거의 없는 것으로 나타났다. 단동 온실의 경우에는 지중전열 관련 설계 변수의 영향을 무시할 수 없을 것으로 생각되지만, 연동 온실의 경우에는 지중전열 관련 변수 및 틈새환기율의 영향이 미미한 것으로 판단되었다. 냉방부하에 가장 큰 영향을 미치는 설계 변수는 온실내로 유입되는 일사량과 증발산계수이고, 다음으로 실내외 기온차, 환기율인 것으로 나타났다.
설계 변수의 영향은 단동 온실과 연동 온실에서 큰 차이를 보였으나, 연동수에 따른 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 피복재의 열관류율은 단동 온실이나 연동 온실 모두 영향이 미미한 것으로 나타났지만, 실내외 기온차 및 환기율의 경우에는 냉방부하에 미치는 영향을 무시할 수 없을 것으로 생각되며, 특히 연동 온실에서 그 영향이 더 큰 것으로 판단되었다. 냉방부하를 산정할 때 실내 목표온도를 낮게 설정할수록 설계 변수의 선택에 신중해야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
온실에서 환기나 증발냉각에 의존하는 냉방방식이 대부분을 차지하는 이유는 무엇인가?
온실은 경제적인 이유로 기계적인 냉방을 도입하기가 어렵기 때문에 환기나 증발냉각에 의존하는 냉방방식이 대부분을 차지하고 있다. 미국의 온실 냉방설계 기준은 강제환기와 증발냉각으로 구성되어 있으며 열수지식을 이용하여 기온과 환기율 관계를 구하는 방법으로 설계한다(ASABE, 2008).
냉난방부하란 무엇인가?
이 계산은 온실의 환경을 조절하는 시스템 요소들의 치수 결정에 영향을 주며, 온실 건축의 초기비용, 생산성, 운전비용 및 에너지 소비에 영향을 주기 때문이다. 냉난방부하는 실내 환경을 요구되는 온도와 습도로 유지하기 위해서 공급되거나 제거되어야 할 에너지 전달율이다. 냉난방시스템과 공기조화시스템은 그와 같은 에너지 전달을 성취하기 위해서 설계되고 제어되어야 한다(SAREK, 2011).
냉난방부하 계산은 어떠한 것들에 영향을 주는가?
냉난방부하 계산은 온실의 냉난방시스템 설계에서 가장 기초가 된다. 이 계산은 온실의 환경을 조절하는 시스템 요소들의 치수 결정에 영향을 주며, 온실 건축의 초기비용, 생산성, 운전비용 및 에너지 소비에 영향을 주기 때문이다. 냉난방부하는 실내 환경을 요구되는 온도와 습도로 유지하기 위해서 공급되거나 제거되어야 할 에너지 전달율이다.
참고문헌 (13)
Albright, L.D. 1990. Environment control for animals and plants. ASAE, Michigan, USA.
ASABE. 2008. Standard: Heating, ventilating and cooling greenhouses, ANSI/ASAE EP406.4. American Society of Agricultural and Biological Engineers.
JGHA. 2007. Handbook of protected horticulture 5th edition. Japan Greenhouse Horticulture Association (in Japanese).
Kim, M.K., S.G. Lee, W.M. Seo, and J.E. Son. 1997. Design standards for greenhouse environment. Rural Development Corporation (in Korean).
Lindley, J.A. and J.H. Whitaker. 1996. Agricultural buildings and structures. ASAE, Michigan, USA.
NAAS. 2015. Design standards for greenhouse environment. National Academy of Agricultural Science (in Korean).
Nam, S.W., D.U. Seo, and H.H. Shin. 2015. Empirical analysis on the cooling load and evaporation efficiency of fogging system in greenhouses. Protected Horticulture and Plant Factory. 24(3):147-152 (in Korean).
Nam, S.W., H.H. Shin. 2015. Experimental study on the infiltration loss in plastic greenhouses equipped with thermal curtains. Protected Horticulture and Plant Factory. 24(2):100-105 (in Korean).
Nam, S.W. and H.H. Shin. 2017. Analysis of heating load characteristics for greenhouses constructed in reclaimed lands. Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers 59(6): 1-8 (in Korean).
RDA. 2015. Standard design and specifications for horticultural and herbal facilities of disaster tolerance type. Rural Development Administration (in Korean).
SAREK. 2011. Handbook of facilities engineering. Vol. 2 Airconditioning. The Society of Air-Conditioning and Refrigerating Engineers of Korea (in Korean).
Shin, H.H. and S.W. Nam. 2015. Validation of load calculation method for greenhouse heating design and analysis of the influence of infiltration loss and ground heat exchange. Kor. J. Hort. Sci. Technol. 33(5): 647-657 (in Korean).
Shin, H.H. and S.W. Nam. 2016. Experimental study on the characteristics of ground heat exchange in heating greenhouses. Protected Horticulture and Plant Factory. 25(3): 218-223 (in Korean).
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