[논문]연동형 비닐하우스의 환기창 형태 조사 및 자연환기 효과 분석

박민정; 최덕규; 손진관; 윤성욱; 김희태; 이승기; 강동현

doi:10.12791/ksbec.2020.29.1.36

연동형 비닐하우스의 환기창 형태 조사 및 자연환기 효과 분석
Field Survey and Analysis of Natural Ventilation Characteristics of Multi-span Greenhouse with Different Roof Vent 원문보기

시설원예ㆍ식물공장 = Protected horticulture and plant factory, v.29 no.1, 2020년, pp.36 - 42

박민정 (농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부) , 최덕규 (농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부) , 손진관 (농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부) , 윤성욱 (농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부) , 김희태 (농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부) , 이승기 (공주대학교 생물산업공학부) , 강동현 (농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부)

초록
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본 연구에서는 국내에 가장 많이 보급되어 있는 1-2W 모델 연동온실에 대한 온실 규격 및 환기창 형태 실태 조사를 수행하고, 이를 바탕으로 연동온실의 천창 형태에 따른 유동 특성을 분석하기 위해 수치해석을 수행하여 자연환기효과를 분석하고자 하였다. 온실 실태조사 대상농가의 환기창면적 비율은 평균10%로 자연환기를 위한 시설면적 대비 환기창 면적 설계가 부족한 것으로 나타나 환기창 개선이 필요할 것으로 판단된다. 연동 온실의 천창 형태별 자연환기를 해석 및 분석한 결과, 온실 내 작물위치의 온도 분포 및 내외부 온도차는 몽골식 천창 온실에서 가장 낮고 외몽골식 천창 온실에서 가장 높게 나타났으나 추후 풍하중에 의한 구조적인 안전성을 평가해야할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The objectives of this study were to investigate the standard and roof vent type of multi-span greenhouse and to analyze the characteristics of natural ventilation of multi-span greenhouse with different roof vent using computational fluid dynamics (CFD) code. The vent area proportion of surveyed farms averaged 10%, it was analyzed that the vent design for natural ventilation is insufficient. The results of natural ventilation efficiency of multi-span greenhouse according to roof vent type showed that the temperature of the position in which the crops grew was the lowest in the conical roof vent type and the highest in the half conical roof vent type. For the natural ventilation effect, the conical roof vent type was the best one, but the structural stability should be evaluated in light of wind load.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 국내 연동온실의 규격 및 환기창 형태를 조사 하고, 이를 바탕으로 천창 형태에 따른 자연환기 특성을 상용 CFD코드(FLUENT 19 R2, ANSYS, USA)를 이용한 수치해석을 수행하여 분석하고자 하였다.
본 연구에서는 연동온실의 환기창 형태가 자연환기 효율에 미치는 영향을 분석하기 위한 기초자료를 수집하기 위하여 연동 온실 규격 및 환기창 형태에 대하여 실태 조사를 수행하였다.

가설 설정

내재해형 온실 내외부의 공기유동은 비압축성의 정상상태, 2차원의 난류 유동으로 가정하였으며, 열전달은 복사를 고려하였다. 난류 유동상태는 보다 사실적으로 모의가능하고 많이 사용되고 있는 realizable k-Ɛ 모델을 적용하였으며, 온실의 바닥면과 피복면 근처의 유동장은 standard wall functions 함수 모델을 적용하였다.

제안 방법

1과 Table 1의 각 지역 및 규격별 3농가를 대상으로 경기도 고양시 10농가, 경상남도 진주시 9농가, 부산광역시 9농가로서 총 28개 농가이다. 고양시의 10-연동-2/1-2W형 랙피니언식 천창개폐의 경우, 시설의 노후화 등의 사유로 천창을 교체하여 랙피니언식 천창 1농가, 몽골식 천창 3농가 총 4농가에 대하여 조사하였다. 조사항목은 시설물의 폭, 길이, 측고, 동고, 천창 형태, 천창의 유무 및 크기, 환기장치 설치 현황 등을 조사하였다.
대상 농가 선정 및 조사는 각 지역의 농업기술센터를 통해 사전자료를 얻고 현장 방문 후, 설문, 면담 및 현장실측을 통하여 이루어졌다. 조사농가는 Fig.
본 연구에서는 내재해형 연동 비닐하우스 1-2W형 10-연동 -1 규격(폭 8m, 측고 5.4m, 높이 7.4m)을 기준 모델로 선정하여 시설원예단지의 실태조사를 통해 조사된 환기창을 중심으로 권취식, 랙피니언식, 외몽골식, 몽골식의 4가지 환기형태의 천창에 대하여 온실 모델링을 실시하였다. Fig.
3 은 환기창 형태에 따른 모델별 2차원 형상 특성 및 계산 격자를 나타낸 것이다. 온실 환기창의 경우에는 별도의 크기 기준이 정해져 있지 않아 원예특작시설 내재해형 규격 설계도에 제시 되어 있는 크기인 1m로 설정하여 모델링하였다.
고양시의 10-연동-2/1-2W형 랙피니언식 천창개폐의 경우, 시설의 노후화 등의 사유로 천창을 교체하여 랙피니언식 천창 1농가, 몽골식 천창 3농가 총 4농가에 대하여 조사하였다. 조사항목은 시설물의 폭, 길이, 측고, 동고, 천창 형태, 천창의 유무 및 크기, 환기장치 설치 현황 등을 조사하였다. 온실 현황 및 실태 조사는 2018년 4월부터 2019년 4월까지 총 12개월 동안 수행하였다.

대상 데이터

연구조사대상지는 국내 원예시설 분포현황에 따라(MAFRA, 2016) 현대화된 연동형 비닐온실 면적이 넓은 지역을 중심으로 경상남도 진주시(Gyeongsangnam-do Jinju, JJ), 부산광역시(Busan, BS), 경기도 고양시(Gyeonggi-do Goyang, GY) 지역의 시설원예단지를 대상으로 하였다. 조사 연동 비닐하우스는 원예특작시설 내재해형 규격 설계도·시방서의 내재해형 연동비닐하우스 5개의 규격 중 많이 보급되어있는 07-연동 -1/1-2W형(07-multi-1/1-2W roll up), 10-연동-1/1-2W형 권취식 천창개폐(10-multi-1/1-2W roll up), 10-연동-2/1-2W 형 랙피니언식 천창개폐(10-multi-2/1-2W rack and pinion) 규격을 대상으로 조사하였다.
온실 현황 및 실태 조사는 2018년 4월부터 2019년 4월까지 총 12개월 동안 수행하였다.
조사 연동 비닐하우스는 원예특작시설 내재해형 규격 설계도·시방서의 내재해형 연동비닐하우스 5개의 규격 중 많이 보급되어있는 07-연동 -1/1-2W형(07-multi-1/1-2W roll up), 10-연동-1/1-2W형 권취식 천창개폐(10-multi-1/1-2W roll up), 10-연동-2/1-2W 형 랙피니언식 천창개폐(10-multi-2/1-2W rack and pinion) 규격을 대상으로 조사하였다.
대상 농가 선정 및 조사는 각 지역의 농업기술센터를 통해 사전자료를 얻고 현장 방문 후, 설문, 면담 및 현장실측을 통하여 이루어졌다. 조사농가는 Fig. 1과 Table 1의 각 지역 및 규격별 3농가를 대상으로 경기도 고양시 10농가, 경상남도 진주시 9농가, 부산광역시 9농가로서 총 28개 농가이다. 고양시의 10-연동-2/1-2W형 랙피니언식 천창개폐의 경우, 시설의 노후화 등의 사유로 천창을 교체하여 랙피니언식 천창 1농가, 몽골식 천창 3농가 총 4농가에 대하여 조사하였다.

이론/모형

내재해형 온실 내외부의 공기유동은 비압축성의 정상상태, 2차원의 난류 유동으로 가정하였으며, 열전달은 복사를 고려하였다. 난류 유동상태는 보다 사실적으로 모의가능하고 많이 사용되고 있는 realizable k-Ɛ 모델을 적용하였으며, 온실의 바닥면과 피복면 근처의 유동장은 standard wall functions 함수 모델을 적용하였다. 투명한 온실 피복재에 대한 투과 효과를 고려하여 복사모델은 DO모델을 적용하여 해석을 수행하였다.
난류 유동상태는 보다 사실적으로 모의가능하고 많이 사용되고 있는 realizable k-Ɛ 모델을 적용하였으며, 온실의 바닥면과 피복면 근처의 유동장은 standard wall functions 함수 모델을 적용하였다. 투명한 온실 피복재에 대한 투과 효과를 고려하여 복사모델은 DO모델을 적용하여 해석을 수행하였다. 수치해석을 위한 경계조건 및 재료의 물성치는 Table 2에 나타내었으며 토양 및 비닐의 비열, 밀도, 열전도계수 등은 일반적인 건축물에 적용되는 값을 이용하였다(Bergman 등, 2012).

성능/효과

권취식 천창의 경우 온실의 하류를 통해 외부 공기가 유입되면서 공기 유동이 일어나면서 온실의 상류보다 하류의 온도가 더 낮게 나타났으며, 랙피니언식 천창의 경우에는 온실 상류를 통해 유입된 공기로 인해 유동이 일어나면서 온실 중류의 온도가 가장 낮게 분포되는 것으로 나타났다.
2m 높이에서의 온도 값을 나타낸 것이다. 내부 작물 높이의 온도 분포는 몽골식 천창이 가장 낮은 온도 값을 나타났으며, 그 다음으로는 랙피니언식 천창, 권취식 천창, 외몽골식 천창 순으로 나타났다.
외몽 골식 천창의 경우에는 온실의 하류 천창을 통해 대부분의 기류가 유입되어 온실 하류에서 시계방향의 선회류가 형성되고 일부 기류는 온실 하부를 통해 온실 상류로 이동하면서 시계 방향의 기류를 형성하여 온실의 상류 천창을 통해 유출되는 것으로 나타났다. 몽골식 천창은 외몽골식 천창과 유사한 형태로 온실의 하류 천창을 통해 대부분의 기류가 유입되어 온실의 하류에서 시계방향의 선회류가 형성되었고, 온실 하류 에서 유입된 일부 기류와 온실 중류를 통해 유입된 일부 기류는 온실 하부를 이동하여 상류쪽으로 이동하면서 온실의 상류 천창을 통해 빠져나오는 것으로 나타났다. 환기창 형태에 따라 온실 높이 방향으로 유속 특성을 분석한 결과, 권취식 천창, 외몽골식 천창, 몽골식 천창에서는 유속 변화 폭이 비슷하게 나타났으며 랙피니언식 천창의 유속 변화 폭이 가장 크게 나타났다.
조사된 연동 비닐온실의 시설 표면적 대비 환기창 면적 비율은 10-연동 -1, 10-연동-2가 10%, 07-연동-1이 9%로 세 규격 모두 비슷하게 나타났으며 지역에 따른 차이는 크게 없었으나 부산의 경우에는 바람이 많이 부는 기상조건으로 인해 다른 지역보다 다소 작은 비율을 나타냈다. 전체 조사농가의 환기창면적 비율은 평균 10%로 적정 비율인 15%에 미치지 못하므로 자연 환기를 위한 시설면적 대비 환기창 면적설계가 부적절한 것으로 판단된다. 효율적인 자연환기가 이루어지기 위해서는 온실 설계 시 환기창의 면적 비율을 고려하여 환기창 형태 등을 선정하거나 기존 온실의 경우에는 환기창의 개선이 필요할 것으로 판단된다.
조사된 연동 비닐온실의 시설 표면적 대비 환기창 면적 비율은 10-연동 -1, 10-연동-2가 10%, 07-연동-1이 9%로 세 규격 모두 비슷하게 나타났으며 지역에 따른 차이는 크게 없었으나 부산의 경우에는 바람이 많이 부는 기상조건으로 인해 다른 지역보다 다소 작은 비율을 나타냈다.
5m로 세 지역 모두 비슷하게 조사되었다. 진주시, 부산시, 고양시 세지역의 랙피니언식 천창의 크기는 모두 1.1m로 조사되었으며 고양시의 외몽 골식 천창은 2m로 상대적으로 크게 조사되었다.
몽골식 천창은 외몽골식 천창과 유사한 형태로 온실의 하류 천창을 통해 대부분의 기류가 유입되어 온실의 하류에서 시계방향의 선회류가 형성되었고, 온실 하류 에서 유입된 일부 기류와 온실 중류를 통해 유입된 일부 기류는 온실 하부를 이동하여 상류쪽으로 이동하면서 온실의 상류 천창을 통해 빠져나오는 것으로 나타났다. 환기창 형태에 따라 온실 높이 방향으로 유속 특성을 분석한 결과, 권취식 천창, 외몽골식 천창, 몽골식 천창에서는 유속 변화 폭이 비슷하게 나타났으며 랙피니언식 천창의 유속 변화 폭이 가장 크게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연구를 위해 무엇에 대한 온실 규격 및 환기창 형태 실태 조사를 수행했는가?	본 연구에서는 국내에 가장 많이 보급되어 있는 1-2W 모델 연동온실에 대한 온실 규격 및 환기창 형태 실태 조사를 수행하고, 이를 바탕으로 연동온실의 천창 형태에 따른 유동 특성을 분석하기 위해 수치해석을 수행하여 자연환기효과를 분석하고자 하였다. 온실 실태조사 대상농가의 환기창면적 비율은 평균10%로 자연환기를 위한 시설면적 대비 환기창 면적 설계가 부족한 것으로 나타나 환기창 개선이 필요할 것으로 판단된다.
	온실 실태조사 대상농가의 환기창면적 비율은?	본 연구에서는 국내에 가장 많이 보급되어 있는 1-2W 모델 연동온실에 대한 온실 규격 및 환기창 형태 실태 조사를 수행하고, 이를 바탕으로 연동온실의 천창 형태에 따른 유동 특성을 분석하기 위해 수치해석을 수행하여 자연환기효과를 분석하고자 하였다. 온실 실태조사 대상농가의 환기창면적 비율은 평균10%로 자연환기를 위한 시설면적 대비 환기창 면적 설계가 부족한 것으로 나타나 환기창 개선이 필요할 것으로 판단된다. 연동 온실의 천창 형태별 자연환기를 해석 및 분석한 결과, 온실 내 작물위치의 온도 분포 및 내외부 온도차는 몽골식 천창 온실에서 가장 낮고 외몽골식 천창 온실에서 가장 높게 나타났으나 추후 풍하중에 의한 구조적인 안전성을 평가해야할 것으로 판단된다.
	연동 온실 면적의 증가 비율은 단동 온실 면적의 증가비율 대비 약 2배 이상으로 증가한 것으로 나타났으며, 이는 국내 시설 온실이 점차 대면적화 및 대규모화되고 있는 것으로 볼 수 있는데, 뿐만 아니라 무엇에 의해 시설 재배 농가들이 많은 어려움을 겪고 있는가?	연동 온실 면적의 증가 비율은 단동 온실 면적의 증가비율 대비 약 2배 이상으로 증가한 것으로 나타났으며, 이는 국내 시설 온실이 점차 대면적화 및 대규모화되고 있는 것으로 볼 수 있다 (MAFRA, 2018). 또한, 최근 지구온난화로 인한 급격한 기온 상승 및 폭염, 이상고온 등과 같은 기후변화가 가속화됨에 따라 시설 재배 농가들이 많은 어려움을 겪고 있다. 특히 여름철과 같이 온도와 일사량이 높은 계절에는 고온장해 등으로 온실 내 작물의 생장에 피해를 줄 수 있으며, 이는 생산량 저하 및 농가 소득 저하로 이어질 수 있다(Lee 등, 2017).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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