[국내논문]CFD를 활용한 새만금 시설원예 예정지 최고온도 분포 및 개선방안 The Maximum Temperature Distribution and Improvement Plan of Protected Horticulture Planning Area in Saemanguem Using CFD Simulation원문보기
The A1B scenario predicts that the mean air temperature of South Korea will rise up to $3.8^{\circ}C$ by 2071. However, the effects of ecosystem services are declining because of various environmental problems, including climate change, land use change, stream intensification, non-point p...
The A1B scenario predicts that the mean air temperature of South Korea will rise up to $3.8^{\circ}C$ by 2071. However, the effects of ecosystem services are declining because of various environmental problems, including climate change, land use change, stream intensification, non-point pollution, and untreated garbage. Moreover, horticultural sites which have various ecosystem services suffer highly absorbed heat from the heat island phenomenon associated with climate change. Therefore, we analyzed the heat island phenomenon occurring in an protected horticulture estimated area in Saemanguem, South Korea. Using an advanced measurement method, we examined the air temperature change derived from water channels as well as open spaces. The CFD analysis of coverage ratio 85% design showed wind speed of 2.09 m/s and temperature of $38.07^{\circ}C$. At a coverage ratio of 70%, the wind speed was improved to 2.61 m/s and the temperature was improved to $36.89^{\circ}C$. In Alternative 2 with wetlands and trees, the wind speed was 2.71 m/s and the temperature was $35.90^{\circ}C$. When the coverage ratio decreases to 55%, the wind speed increases showing 3.06 m/s and the temperature decreases showing $35.18^{\circ}C$.
The A1B scenario predicts that the mean air temperature of South Korea will rise up to $3.8^{\circ}C$ by 2071. However, the effects of ecosystem services are declining because of various environmental problems, including climate change, land use change, stream intensification, non-point pollution, and untreated garbage. Moreover, horticultural sites which have various ecosystem services suffer highly absorbed heat from the heat island phenomenon associated with climate change. Therefore, we analyzed the heat island phenomenon occurring in an protected horticulture estimated area in Saemanguem, South Korea. Using an advanced measurement method, we examined the air temperature change derived from water channels as well as open spaces. The CFD analysis of coverage ratio 85% design showed wind speed of 2.09 m/s and temperature of $38.07^{\circ}C$. At a coverage ratio of 70%, the wind speed was improved to 2.61 m/s and the temperature was improved to $36.89^{\circ}C$. In Alternative 2 with wetlands and trees, the wind speed was 2.71 m/s and the temperature was $35.90^{\circ}C$. When the coverage ratio decreases to 55%, the wind speed increases showing 3.06 m/s and the temperature decreases showing $35.18^{\circ}C$.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 새만금에 시설원예단지를 조성 시 여름철 고온현상에 대응하고 에너지부하가 적게 드는 방향을 알아보는 것을 목적으로 일반적인 시설원예단지의 건폐율 정도를 계획하여 여름철 열섬발생 특성을 CFD로 분석하였다. 그리고 이에 대한 개선방안을 선행연구 결과를 통해 알아보고 새로운 계획을 통해 얼마나 열섬 저감이 이루어지는지 분석하였다.
연구 내용은 기후변화에 대응한 지속가능 농업에 기여할 수 있고 새만금 개발사업 중 시설원예단지 조성에 있어 정책 및 예산편성의 기초자료로 활용 할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 시설원예단지 조성이 농업생태계에서 국민에게 주는 서비스 가치가 저하되지 않고 보전, 향상되는데 기여하고자 한다.
최종적인 개선 3(Alternative 3) 안에서는 건폐율을 55%로 낮추고 수목을 식재하는 식생대를 넓게 조성하여 습지와 녹지 모두를 적용하도록 제안하였다. 따라서 본 연구에서는 시설원예 지역의 열섬완화 방안으로 습지공간 확보와 낮은 건폐율, 녹지공간 확보가 얼마나 온도 저감과 바람길 조성에 효과적인지 알아보고자 하였다.
8℃ 상승 할 것이라는 예측이 있어 시설원예의 냉방은 더욱 힘들고 에너지 부하가 높을 것으로 예상 된다. 따라서 본 연구는 새만금 시설원예 조성 예정지역의 여름철 고온현상에 대응하고자 여름철 열섬발생 특성을 CFD로 분석하였다. 그리고 이에 대한 개선방안을 새로운 설계로 제안하고 얼마나 열섬 저감이 이루어지는지 분석하였다.
원안에서 38℃ 이상 지역이 약 55%나 될 만금 단지가 뜨거워지는 것을 확인해 열섬 저감에 대한 설계 투입을 도입할 것을 제안하였다. 또한 원예단지 내 작물에 고온장해에 대한 대응으로서 본 연구와 같은 열섬 저감 설계 및 시뮬레이션의 필요성을 언급하였다. 열섬완화 방안으로 수목배치 및 수로 등의 수공간을 제시하였으며 바람길을 확보를 위해 건폐율을 줄이더라도 내부 시설 사이의 간격을 넓히는 설계를 추가적으로 제안하였다.
따라서 본 연구에서는 새만금지역에서 시설원예단지가 조성 될 때 여름철 최고온도 발생 시 열섬발생 특성과 온실주변 온도 상승의 영향을 CFD로 분석하였다. 또한, 열섬현상 완화를 위해 수공간 확장과 건폐율 완화가 얼마나 기온하강에 영향을 주는지 알아보았다.
따라서 본 연구에서는 새만금지역에서 시설원예단지가 조성 될 때 여름철 최고온도 발생 시 열섬발생 특성과 온실주변 온도 상승의 영향을 CFD로 분석하였다. 또한, 열섬현상 완화를 위해 수공간 확장과 건폐율 완화가 얼마나 기온하강에 영향을 주는지 알아보았다. CFD 분석에 사용 할 최고온도의 설정은 2014년부터 2016년 까지 3년간 매년 가장 높은 온도가 발생 한 1일씩 총 3일의 평균인 34.
가설 설정
투입요소의 배치는 먼저 원예시설 배치를 기준으로 공용면적을 제외 한 분양면적 기준 85% 건폐율(Coverage ratio)을 적용하여 원안(Origin)을 작성하였다. 연구대상지의 경우 새만금 5공구 지역으로 도로, 수로, 공용공간의 계획은 이미 이루어진 상태로 분양 후 농가단위에서 건폐율을 85%정도로 건축 한다는 가정으로 작성하였다. 대안은 개선1, 개선2, 개선3 3가지 모델이 제안되었으며, 개선1(Alternative 1) 에서는 계획 된 공용공간은 그대로 둔 상태에서 건폐율을 70%로 줄이고 초지 및 나대지 면적을 확장하는 안으로 구성하였으며, 개선2(Alternative 2)에서는 개선 1안의 나대지를 습지로 확장하는 안을 제안하였다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 새만금에 시설원예단지를 조성 시 여름철 고온현상에 대응하고 에너지부하가 적게 드는 방향을 알아보는 것을 목적으로 일반적인 시설원예단지의 건폐율 정도를 계획하여 여름철 열섬발생 특성을 CFD로 분석하였다. 그리고 이에 대한 개선방안을 선행연구 결과를 통해 알아보고 새로운 계획을 통해 얼마나 열섬 저감이 이루어지는지 분석하였다.
그 중 연구에 사용 할 온도 경계조건은 최고온도가 발생 된 30일간의 데이터 양상을 분석하였다. 이중 CFD분석에는 냉방부하가 가장 크게 평가되는 최고온도 측정 시점으로 매년 간 최고온도 1회씩 총 3시점의 자료를 평균하고 선행연구에서 제시 된 토지이용별 온도분포에 대한 수식에 대입하여 경계조건을 설정하였다.
연구대상 지역의 태양 복사 에너지(Solar Radiation)를 계산에 반영하기 위해 Fluent V19.1에서 제공하는 Solar Load 모델을 사용하여 북위 35°73′, 동경 126°53′지점, 8월 15일 14:00에서의 태양복사 에너지를 계산하여 적용하였다.
연구의 진행은 연구대상지 선정(Site Selection) 후 새만금지역의 3년간 실측 된 기상현황을 분석(Meteorological Analysis)하고 사전 연구를 통해 얻어진 기준을 바탕으로 기온완화 방안을 설정하고 대안을 작성(Alternative Setting)하였다. 기상자료와 선행연구의 조건에 따라 토지이용별 경계조건을 설정(Boundary Condition)하고 CFD 시뮬레이션 분석을 위해 CAD 도면을 작성(CAD Interface)하고 수정(Repair) 한 후 격자 구성(Meshing)을 통해 모델링을 실시하였다. 해석을 위한 전처리 단계(Pre-Processor)에서는 형상의 모델링 및 격자를 생성하고 문제 해결 단계(Solver)에서는 주어진 정보를 이용하여 적절한 모델 및 경계조건을 설정한 후 초기 값을 주어 해석을 진행하였다.
기상자료와 선행연구의 조건에 따라 토지이용별 경계조건을 설정(Boundary Condition)하고 CFD 시뮬레이션 분석을 위해 CAD 도면을 작성(CAD Interface)하고 수정(Repair) 한 후 격자 구성(Meshing)을 통해 모델링을 실시하였다. 해석을 위한 전처리 단계(Pre-Processor)에서는 형상의 모델링 및 격자를 생성하고 문제 해결 단계(Solver)에서는 주어진 정보를 이용하여 적절한 모델 및 경계조건을 설정한 후 초기 값을 주어 해석을 진행하였다. 이 후 후처리 단계(Post-Processing)에서는 해석 대상에 대한 열 유동 특성을 확인하고 해석 결과를 여러 가지 방법으로 가시화하고 분석하여 설계에 도움이 될 수 있도록 시각화 및 데이터를 제시하였다.
해석을 위한 전처리 단계(Pre-Processor)에서는 형상의 모델링 및 격자를 생성하고 문제 해결 단계(Solver)에서는 주어진 정보를 이용하여 적절한 모델 및 경계조건을 설정한 후 초기 값을 주어 해석을 진행하였다. 이 후 후처리 단계(Post-Processing)에서는 해석 대상에 대한 열 유동 특성을 확인하고 해석 결과를 여러 가지 방법으로 가시화하고 분석하여 설계에 도움이 될 수 있도록 시각화 및 데이터를 제시하였다.
(2015)은 새만금 시설원예 적지를 선정하는 논문에서 최고온도가 발생한 여름철 20일의 평균을 대상으로 지역을 구분 한 바 있다. 하지만 본 논문의 특성상 1일의 평균온도 보다는 최고온도가 발생하는 시점이 중요하게 거론 될 수 있어 경계조건은 대상지의 3년간 연중 최고온도 발생시점의 평균인 35.83℃를 외기온도(Outdoor Max. Temperature)로 설정하고 풍속(1m Velocity)은 연중 최고온도 발생일 30회의 평균값인 1.80m/s을 적용하였다. 연구대상 지역의 태양 복사 에너지(Solar Radiation)를 계산에 반영하기 위해 Fluent V19.
투입요소의 배치는 먼저 원예시설 배치를 기준으로 공용면적을 제외 한 분양면적 기준 85% 건폐율(Coverage ratio)을 적용하여 원안(Origin)을 작성하였다. 연구대상지의 경우 새만금 5공구 지역으로 도로, 수로, 공용공간의 계획은 이미 이루어진 상태로 분양 후 농가단위에서 건폐율을 85%정도로 건축 한다는 가정으로 작성하였다.
연구대상지의 경우 새만금 5공구 지역으로 도로, 수로, 공용공간의 계획은 이미 이루어진 상태로 분양 후 농가단위에서 건폐율을 85%정도로 건축 한다는 가정으로 작성하였다. 대안은 개선1, 개선2, 개선3 3가지 모델이 제안되었으며, 개선1(Alternative 1) 에서는 계획 된 공용공간은 그대로 둔 상태에서 건폐율을 70%로 줄이고 초지 및 나대지 면적을 확장하는 안으로 구성하였으며, 개선2(Alternative 2)에서는 개선 1안의 나대지를 습지로 확장하는 안을 제안하였다.
최종적인 개선 3(Alternative 3) 안에서는 건폐율을 55%로 낮추고 수목을 식재하는 식생대를 넓게 조성하여 습지와 녹지 모두를 적용하도록 제안하였다. 따라서 본 연구에서는 시설원예 지역의 열섬완화 방안으로 습지공간 확보와 낮은 건폐율, 녹지공간 확보가 얼마나 온도 저감과 바람길 조성에 효과적인지 알아보고자 하였다.
최종적인 개선 3(Alternative 3) 안에서는 건폐율을 55%로 낮추고 수목을 식재하는 식생대를 넓게 조성하여 습지와 녹지 모두를 적용하도록 제안하였다. 따라서 본 연구에서는 시설원예 지역의 열섬완화 방안으로 습지공간 확보와 낮은 건폐율, 녹지공간 확보가 얼마나 온도 저감과 바람길 조성에 효과적인지 알아보고자 하였다.
따라서 본 연구는 새만금 시설원예 조성 예정지역의 여름철 고온현상에 대응하고자 여름철 열섬발생 특성을 CFD로 분석하였다. 그리고 이에 대한 개선방안을 새로운 설계로 제안하고 얼마나 열섬 저감이 이루어지는지 분석하였다.
CFD 분석에 사용 할 기상자료는 연구대상지 내 기상관측소를 설치하여 2014년부터 2016년 까지 3년간 수집 된 기상자료 중 여름철 최고온도가 발생 된 30일간의 데이터 양상을 분석하였다. 시설원예단지의 설계는 먼저 원예시설배치를 기준으로 공용면적을 제외 한 분양면적 기준 85% 건폐율(Coverage ratio)을 적용하여 원안(Origin)을 작성하였다. 대안은 개선1, 개선2, 개선3 3가지 모델이 제안되었으며, 개선1(Alternative 1) 에서는 건폐율을 70%로 줄이고 초지 및 나대지 면적을 확장하는 안으로 구성하였으며, 개선2(Alternative 2) 에서는 개선 1안의 나대지를 습지로 확장하는 안을 제안하였다.
CFD 분석에 사용 할 최고온도는 2014년부터 2016년까지 3년 중 가장 높은 온도가 발생 한 3일의 평균인 34.833℃, 습도는 3년간 매년 최고온도 30일 분포 시 측정 된 총 90회의 평균인 62.76%, 풍속은 90회의 평균인 1.80m/s, 풍향은 90회에서 측정된 평균인 북동풍을 적용하였다.
06m/s로 원안 대비 최종안이 약 1m/s의 풍속이 증가하는 것을 확인하였다. 대안 3의 경우에도 1개 동 사이에서 흐름이 정체되는 분석 결과를 보였는데 건폐율을 55%로 줄이더라도 동 사이의 간격을 넓히는 것을 설계방안으로 제시하였다.
9℃의 풍속이 증가하는 것을 확인하였다. 원안에서 38℃ 이상 지역이 약 55%나 될 만금 단지가 뜨거워지는 것을 확인해 열섬 저감에 대한 설계 투입을 도입할 것을 제안하였다. 또한 원예단지 내 작물에 고온장해에 대한 대응으로서 본 연구와 같은 열섬 저감 설계 및 시뮬레이션의 필요성을 언급하였다.
또한 원예단지 내 작물에 고온장해에 대한 대응으로서 본 연구와 같은 열섬 저감 설계 및 시뮬레이션의 필요성을 언급하였다. 열섬완화 방안으로 수목배치 및 수로 등의 수공간을 제시하였으며 바람길을 확보를 위해 건폐율을 줄이더라도 내부 시설 사이의 간격을 넓히는 설계를 추가적으로 제안하였다.
본 연구는 대상지역이 건설되기 전에 실시하는 열유동해석 컴퓨터 시뮬레이션으로 작성되었다. 수십 가지의 다양한 원안 및 대안을 작성하여 최적의 설계방안을 도출해내야 할 필요성이 있지만 분석 시간, 연구 예산 등의 문제를 고려했을 때 상기 작성 된 넓은 범위의 대안작성 또한 매우 중요한 의의가 있다고 판단된다.
연구의 진행은 연구대상지 선정(Site Selection) 후 새만금지역의 3년간 실측 된 기상현황을 분석(Meteorological Analysis)하고 사전 연구를 통해 얻어진 기준을 바탕으로 기온완화 방안을 설정하고 대안을 작성(Alternative Setting)하였다. 기상자료와 선행연구의 조건에 따라 토지이용별 경계조건을 설정(Boundary Condition)하고 CFD 시뮬레이션 분석을 위해 CAD 도면을 작성(CAD Interface)하고 수정(Repair) 한 후 격자 구성(Meshing)을 통해 모델링을 실시하였다.
연구대상지가 속한 지역의 열섬 및 온난화 특성을 분석하기 위해 연구대상지 내 기상타워를 설치하여 2014∼2016년까지 3년간 기상자료를 수집하였다. 1.5m 높이에서 관측된 기상자료 중 여름철 최고온도 분포 시 열섬발생을 판단하기 위해 1년 중 최고온도가 발생 한 30일을 알아보고 분석하였다. 2014년도의 새만금지역 최고온도는 34.
또한, 열섬현상 완화를 위해 수공간 확장과 건폐율 완화가 얼마나 기온하강에 영향을 주는지 알아보았다. CFD 분석에 사용 할 최고온도의 설정은 2014년부터 2016년 까지 3년간 매년 가장 높은 온도가 발생 한 1일씩 총 3일의 평균인 34.833℃를 적용하였으며, 습도는 3년간 매년 최고온도 30일 분포 시 측정 된 총 90회의 평균인 62.76%를 사용하였다. 풍속은 마찬가지로 90회의 평균인 1.
대상 데이터
연구대상지는 농업용지를 비롯한 농촌도시용지, 바이오작물 생산용지, 생태환경용지 등 총면적 28,300ha에 조성계획 중인 새만금 지역을 중심으로 하였으며, 본 연구에 사용 된 구역은 새만금 5공구 지역 중 원예시설이 계획 된 954,808.4m2의 공간을 대상으로 실시하였다.
시설원예에서 냉방을 실시하여 소모되는 에너지의 부하는 여름철 최고온도와 가장 밀접하게 연관되어 있다. 본 연구 중 CFD 분석에 사용되는 기상자료는 연구대상지인 새만금 간척지 내 기상관측소를 설치하여 2014년부터 2016년 까지 3년간 수집 된 기상자료를 사용하였다. 그 중 연구에 사용 할 온도 경계조건은 최고온도가 발생 된 30일간의 데이터 양상을 분석하였다.
본 연구 중 CFD 분석에 사용되는 기상자료는 연구대상지인 새만금 간척지 내 기상관측소를 설치하여 2014년부터 2016년 까지 3년간 수집 된 기상자료를 사용하였다. 그 중 연구에 사용 할 온도 경계조건은 최고온도가 발생 된 30일간의 데이터 양상을 분석하였다. 이중 CFD분석에는 냉방부하가 가장 크게 평가되는 최고온도 측정 시점으로 매년 간 최고온도 1회씩 총 3시점의 자료를 평균하고 선행연구에서 제시 된 토지이용별 온도분포에 대한 수식에 대입하여 경계조건을 설정하였다.
1에서 제공하는 Solar Load 모델을 사용하여 북위 35°73′, 동경 126°53′지점, 8월 15일 14:00에서의 태양복사 에너지를 계산하여 적용하였다. 격자구성(Cells)은 X, Y, Z로 구분하여 7,957,116 Cell로 구성하였다.
연구대상지는 새만금 5공구 지역 중 원예시설이 계획된 954,808.4m2의 공간을 대상으로 실시하였다. CFD 분석에 사용 할 기상자료는 연구대상지 내 기상관측소를 설치하여 2014년부터 2016년 까지 3년간 수집 된 기상자료 중 여름철 최고온도가 발생 된 30일간의 데이터 양상을 분석하였다.
4m2의 공간을 대상으로 실시하였다. CFD 분석에 사용 할 기상자료는 연구대상지 내 기상관측소를 설치하여 2014년부터 2016년 까지 3년간 수집 된 기상자료 중 여름철 최고온도가 발생 된 30일간의 데이터 양상을 분석하였다. 시설원예단지의 설계는 먼저 원예시설배치를 기준으로 공용면적을 제외 한 분양면적 기준 85% 건폐율(Coverage ratio)을 적용하여 원안(Origin)을 작성하였다.
연구대상지가 속한 지역의 열섬 및 온난화 특성을 분석하기 위해 연구대상지 내 기상타워를 설치하여 2014∼2016년까지 3년간 기상자료를 수집하였다.
데이터처리
연구의 해석은 세계적으로 사용되는 열 유체 해석 Star-CCM+(v3.02) 프로그램을 이용하였다. 대상지 외부의 열환경 변화 예측을 위한 지배방정식은 연립편미분방정식을 사용하고 난류모델은 표준 κ-ε model으로 분석하였다.
이론/모형
풍속은 지면의 마찰력의 영향을 받기 때문에 지면에 가까워질수록 풍속이 줄어들게 되는데, 이를 풍속의 연직방향 분포라 한다. 본 해석 역시 이러한 특성을 반영하기 위하여 주 풍향을 기준으로 위의 대기 경계층 모델을 적용하여 높이 1m와 10m의 풍속을 사용하여 Goldstein(1938)의 대기경계층모델(Atmospheric boundary layer model)을 적용, 속도 Profile을 만든 후 이를 Inlet 조건으로 설정하였다. 대기경계층모델을 적용하여 모델링된 유속 분포는 10m 높이에서 4.
대상지 외부의 열환경 변화 예측을 위한 지배방정식은 연립편미분방정식을 사용하고 난류모델은 표준 κ-ε model으로 분석하였다.
경계조건에 투입 할 온도 설정은 Table 2에 제시한 바와 같이 Son et al.(2018)에서 제시한 최고온도분포 시 토지이용에 따른 온도설정에 대한 수식을 사용하였다.
성능/효과
본 연구에서 사용된 최고온도 30일간 온도분포를 근거로 경계조건에 사용한 3시점의 최고온도, 90일간의 평균풍속, 평균습도, 풍향 등의 기준은 연구팀이 임의로 설계 한 부분이나 기상청에서 제공한 평균 자료가 아닌 실재 측정 자료를 투입 했다는 것이 매우 큰 의의가 있다고 판단된다.
, 2009), 특히 바람이 불어오는 방향의 앞뒤로 놓여 있는 시설물들 사이에서 이러한 특성들이 더 많이 나타나고 있는 것으로 분석되었다. 원안 대비 건축물의 비율을 15% 줄인 대안 1의 경우 유속이 거의 정체되어 있는 1m/s 이하의 바람 분포가 전체 면적 대비 약 10% 가까지 줄어들고 4m/s 이상의 바람이 10% 이상 늘어나 평균적으로 0.52m/s의 풍속이 증가하는 시뮬레이션 분석결과를 보였다. 마지막 대안3 설계의 경우에는 시설율을 55%로 줄이고 블록 사이의 간격을 넓혀 바람길을 확보함으로써 단지 내를 통과하는 흐름의 유속이 빨라졌을 뿐만 아니라 블록 사이로 유입되는 흐름도 상당히 많이 늘어난 것을 확인할 수 있어 평균 풍속이 3.
52m/s의 풍속이 증가하는 시뮬레이션 분석결과를 보였다. 마지막 대안3 설계의 경우에는 시설율을 55%로 줄이고 블록 사이의 간격을 넓혀 바람길을 확보함으로써 단지 내를 통과하는 흐름의 유속이 빨라졌을 뿐만 아니라 블록 사이로 유입되는 흐름도 상당히 많이 늘어난 것을 확인할 수 있어 평균 풍속이 3.06m/s로 원안 대비 약 1m/s의 풍속이 증가하는 것을 확인하였다.
연구대상지 설계에 따른 시설원예단지 풍속을 비율별로 구분해 보면 시설율이 높은 초기 설계에서는 주로 유속이 느린 0∼1m/s의 비율이 높은 반면, 시설율을 55%로 줄이고 바람길을 확보한 최종 설계안에서는 유속이 느린 0∼1m/s의 비율은 줄고 원활한 흐름을 보이는 4m/s 이상이 되는 영역은 늘어난 것으로 나타났다.
, 2017). 최종 설계 안 대안3에서는 시설율을 55%로 줄여 바람길을 확보하고, 내부에 녹지나 습지 등을 시설하여 열섬현상을 감소시킴으로써 열고임(열섬) 현상이 상당히 개선되는 효과를 보여 평균온도가 35.18℃ 까지 낮아져 원안 대비 약 3℃ 가까운 온도 하강 효과가 있는 것으로 분석 되었다. 앞서 언급한 바와 같이 시설원예에서 작물의 적정 생육온도는 21∼28℃이며, 30℃ 이상일 때 냉방부하가 발생해 냉방을 실시해야 하므로 농가소득에 직접적으로 부담을 주게 된다.
, 2015). 본 연구에서 분석 된 대안의 온도하강 효과는 시설원예 운용에 있어 에너지 소모 비용을 줄일 수 있으며, 기후변화에 대비한 저탄소 녹색성장에도 부합 한다고 할 수 있다.
초기 설계인 원안 에서는 하우스 내의 복사열과 열섬현상으로 38℃ 이상의 평균 온도를 보인 반면, 최종 설계 안에서는 바람길을 확보하고 녹지나 수공간을 시설하여 냉각효과를 줌으로써 2.9℃정도 낮아진 35.18℃정도의 평균온도가 분석되었다. 블록 간의 거리가 좁고, 수목이나 수공간이 작은 원안 설계에서는 단지 내의 열섬현상이 심하지만, 바람길을 확보하고 녹지나 수공간을 시설하여 냉각효과를 키운 최종 설계 안의 경우에는 수로가 있는 하우스 내의 국부적인 열고임을 제외하면 열섬현상은 완화되었다고 할 수 있다.
연구대상지의 풍속 분포는 원안이 2.09m/s, 대안1 2.61m/s, 대안2 2.71m/s, 대안3 3.06m/s로 원안 대비 최종안이 약 1m/s의 풍속이 증가하는 것을 확인하였다. 대안 3의 경우에도 1개 동 사이에서 흐름이 정체되는 분석 결과를 보였는데 건폐율을 55%로 줄이더라도 동 사이의 간격을 넓히는 것을 설계방안으로 제시하였다.
연구대상지의 원안과 세 가지의 대안에 대한 온도 분포는 원안이 38.07℃, 대안1 36.89℃, 대안2 35.80℃, 35.18℃로 원안 대비 최종 안이 약 2.9℃의 풍속이 증가하는 것을 확인하였다. 원안에서 38℃ 이상 지역이 약 55%나 될 만금 단지가 뜨거워지는 것을 확인해 열섬 저감에 대한 설계 투입을 도입할 것을 제안하였다.
벡터를 이용하여 새만금 시설 원예단지 내로 유입되는 공기 흐름을 확인해 보면 하우스 블록 간의 간격이 좁아 흐름을 방해하기 때문에 대안 3의 경우에도 1개 동 사이에서 흐름이 정체되는 분석 결과를 보였는데 건폐율을 55%로 줄이더라도 동 사이의 간격을 넓히는 것이 더 효과적일 것으로 판단된다. 따라서 동과 동 사이의 간격을 넓혀서 풍속의 흐름을 원할히 할 수 있는지에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
후속연구
연구 내용은 기후변화에 대응한 지속가능 농업에 기여할 수 있고 새만금 개발사업 중 시설원예단지 조성에 있어 정책 및 예산편성의 기초자료로 활용 할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 시설원예단지 조성이 농업생태계에서 국민에게 주는 서비스 가치가 저하되지 않고 보전, 향상되는데 기여하고자 한다.
벡터를 이용하여 새만금 시설 원예단지 내로 유입되는 공기 흐름을 확인해 보면 하우스 블록 간의 간격이 좁아 흐름을 방해하기 때문에 대안 3의 경우에도 1개 동 사이에서 흐름이 정체되는 분석 결과를 보였는데 건폐율을 55%로 줄이더라도 동 사이의 간격을 넓히는 것이 더 효과적일 것으로 판단된다. 따라서 동과 동 사이의 간격을 넓혀서 풍속의 흐름을 원할히 할 수 있는지에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
연구대상지 설계에 따른 시설원예단지 풍속을 비율별로 구분해 보면 시설율이 높은 초기 설계에서는 주로 유속이 느린 0∼1m/s의 비율이 높은 반면, 시설율을 55%로 줄이고 바람길을 확보한 최종 설계안에서는 유속이 느린 0∼1m/s의 비율은 줄고 원활한 흐름을 보이는 4m/s 이상이 되는 영역은 늘어난 것으로 나타났다. 하지만 건폐율을 55%로 줄인 대안3의 경우에도 유속이 정체 된 1m/s 이하의 비율이 13%나 되는 것으로 분석되었으므로 건폐율을 줄이되 동과 동 사이의 간격을 넓히는 설계를 적용해야 할 것으로 판단된다.
하지만 풍속과 마찬가지로 건폐율을 줄이더라도 내부 시설 사이의 간격을 넓히는 설계가 동반되어야 할 것으로 판단된다. 더불어 본연구에서는 녹지와 습지의 유형이나 면적에 따른 기온저감 정도를 상세히 분석하지 못한 점을 미비한 것으로 밝히고 향후, 다양하게 비율을 구성, 추가 분석하여 실제 현장 조성에 있어서 설계에 반영 될 수 있는 연구를 지속적으로 추진해야 할 것으로 판단된다.
수십 가지의 다양한 원안 및 대안을 작성하여 최적의 설계방안을 도출해내야 할 필요성이 있지만 분석 시간, 연구 예산 등의 문제를 고려했을 때 상기 작성 된 넓은 범위의 대안작성 또한 매우 중요한 의의가 있다고 판단된다. 이러한 연구가 누적되어 뜨거워지는 한반도의 기후변화에 대응한 시설원예 산업 및 새만금 개발 사업에 있어 정책 및 예산편성의 기초자료로 활용 할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 시설원예단지 조성이 농업생태계에서 국민에게 주는 서비스 가치가 저하되지 않고 보전, 향상되는데 기여할 수 있다고 판단한다.
이러한 연구가 누적되어 뜨거워지는 한반도의 기후변화에 대응한 시설원예 산업 및 새만금 개발 사업에 있어 정책 및 예산편성의 기초자료로 활용 할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 시설원예단지 조성이 농업생태계에서 국민에게 주는 서비스 가치가 저하되지 않고 보전, 향상되는데 기여할 수 있다고 판단한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열섬완화 방안으로 무엇을 제안하였는가?
또한원예단지 내 작물에 고온장해에 대한 대응으로서 본 연구와 같은 열섬 저감 설계 및 시뮬레이션의 필요성을 언급하였다. 열섬완화 방안으로 수목배치 및 수로 등의 수공간을 제시하였으며 바람길을 확보를 위해 건폐율을 줄이더라도 내부 시설 사이의 간격을 넓히는 설계를 추가적으로 제안하였다.
CFD(전산유체역학; ComputationalFluid Dynamics)는 무엇인가?
온도 분포 예측에 활용되는 CFD(전산유체역학; ComputationalFluid Dynamics)는 수치해석이론을 기반으로 복잡한 유체의특성과 열의 전달 현상을 컴퓨터로 분석하는 학문을 말하며,유체, 열, 물질, 화학 반응 등의 전달 및 흐름과 같은 물리적현상을 수학적으로 계산하여 예측하는 학문이다. 실재로 방재/풍하중/공조, 건물 주위 바람길, 열섬, 건물 내 유동, 공장내 환기/연소/매연, 전기집진기/소각로/배연탈황, 열 유동해석, Clean room 설계 등의 해석에 활용된 사례가 있다(Kimet al.
여름철시설원예가 가지는 어려움은 무엇인가?
시설원예에 있어 여름철 고온은 6∼8월에 냉방 실시해야 하기 때문에 작물 재배를 경제적으로 부담스러워하고 있으며(Arbel et al., 1999; Kitta et al., 2003; Choi etal., 2015), 냉방을 실시하지 않는 조건에서는 작물이 고온장해를 입어 품질에 문제가 발생하는 것이 현실이다(Choi et al., 2000; Choi et al., 2004). 통상적으로 여름철시설원예 작물의 생육 가능 온도의 범위는 28℃까지이며, 30℃ 이상일 때는 냉방을 실시해야 하는 에너지 부하가 발생하는 것으로 알려져 있다(Nicolas, 2013; Kanget al.
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