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Kafe 바로가기주관연구기관 | 국립농업과학원 National Institute of Agricultural Sciences |
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2016-02 |
과제시작연도 | 2015 |
주관부처 | 농촌진흥청 Rural Development Administration(RDA) |
등록번호 | TRKO201600003184 |
과제고유번호 | 1395039994 |
사업명 | 농업기후변화적응체계구축 |
DB 구축일자 | 2016-06-25 |
DOI | https://doi.org/10.23000/TRKO201600003184 |
Ⅳ. 연구개발결과
< 간척지 온실단지 조성 지구의 기상특성 연구 >
시설온실의 기초, 구조, 환경을 설계할 때 중요한 요인인 기상환경은 지역마다 강우량, 풍속,강설 등이 같은 지역 내에서도 차이가 발생하고 있어 이러한 연구를 할 때에는 30년 이상의 데이터를 분석한다. 따라서 본 연구에서는 우리나라 각 지역의 지상관측소의 자료와 간이관측소인 방재기상 자료를 기상청으로부터 제공 받아 조사 분석하였다. 일반적으로 내륙에 위치한 지상관측소의 자료는 안개일수도 20일 이하이고, 최대순간풍속도 20m/s이하 인 것을 조사되었다.
Ⅳ. 연구개발결과
< 간척지 온실단지 조성 지구의 기상특성 연구 >
시설온실의 기초, 구조, 환경을 설계할 때 중요한 요인인 기상환경은 지역마다 강우량, 풍속,강설 등이 같은 지역 내에서도 차이가 발생하고 있어 이러한 연구를 할 때에는 30년 이상의 데이터를 분석한다. 따라서 본 연구에서는 우리나라 각 지역의 지상관측소의 자료와 간이관측소인 방재기상 자료를 기상청으로부터 제공 받아 조사 분석하였다. 일반적으로 내륙에 위치한 지상관측소의 자료는 안개일수도 20일 이하이고, 최대순간풍속도 20m/s이하 인 것을 조사되었다. 하지만 해안 지역은 안개일수 도 20일 이상, 최대 순간풍속 20m/s이상의 빈도가 높아 온실설계기준을 정립할 때 전국적인 기상환경을 분석하여 설정 할 필요가 있을 것을 판단된다. 간척지 인근의 기상자료를 분석한 결과 대부분의 간척지가 위치한 서해안 지역은 남해안 지역에 비하여 환경이 좋지 않은 것으로 조사되었다.
또한 시설온실을 설계할 때 우선 고려해야 할 사항을 전문가 설문조사를 통하여 순위 및 가중치를 설정하고 이를 이용하여 농업용지로서 적합지를 우리나라 최대 규모의 간척지인 새만금에 대하여 조사하여 정책제안 하였다.
< 간척지 설치 온실의 광환경 및 재배시스템 설계 기준 연구 >
온실 내 광환경은 작물의 생육과 발달에 영향을 주는 매우 중요한 요인이다. 이러한 온실 내광환경은 외부 일사량, 온실의 구조, 내부 재배시스템 등에 의해 영향을 받는데 이러한 다양한 환경요인들이 온실 내 광환경에 어떻게 영향을 주는지에 대한 분석이 필요하다. 본 연구에서는 광추적 시뮬레이션을 이용하여 온실 내 광환경이 어떻게 결정되는 지에 대한 방법론을 개발하였다. 개발된 방법론을 통해 외부 일사량 조건, 온실의 구조 및 형태 등에 대하여 온실 내 광환경을 예측하였으며 이를 통해 온실 내 적절한 보광 및 차광 전략 등 광환경을 조절할 수 있는 기준을 제시하였다. 뿐만 아니라 온실 내 광환경 조절의 가장 궁극적인 목표인 작물 수광량을 정확하게 예측할 수 있는 모델을 개발하고 이를 위의 온실 내 광환경 해석 방법론과 연동할 수 있는 시스템을 개발하여 추후 관련 연구 발전에 대해 활용할 수 있을 것으로 판단된다.마지막으로 간척지의 광환경 특성을 분석하고 이러한 환경 조건에서 온실 내 광환경이 받는 영향을 분석함으로써 간척지 설치 온실의 광환경 특성에 대하여 제시하였다.
파프리카는 수분에 민감한 작물이므로 작물의 생산성 향상을 위하여 적정 관수조절은 매우 중요하다. 광환경 조건은 시설재배에서 여러 환경 변수 중 조절이 용이하지 못하며, 지역별, 계절 별 분포가 다르기 때문에 광환경 데이터를 이용한 증산과 관수의 추정이 필요하다. 본 연구에서는 파프리카의 정확한 증산 예측을 위하여 변형된 증산 추정식을 활용하였다. 또한 기상청의 광도 자료를 활용하여 지역 별 증산량과 관수량을 비교하였다. 우리나라의 경우 여름철 하루 중 광도의 편차가 심하고 장마기간이 있으므로 봄, 가을에 비하여 증산량이 오히려 낮았다.그리고 광주기가 길어지는 봄에 증산량이 가장 많았으므로, 이 시기의 데이터를 이용하여 관수시설 용량을 지역별로 제시할 수 있었다. 이러한 결과는 시설재배에서 관수설비 기준제시를 위한 자료 및 투입에너지 최적화에도 유용하게 활용될 것으로 판단된다.
< 간척지 설치 온실의 냉난방 설계 기준 연구 >
우리나라와 미국, 일본의 온실 냉난방 설계기술 현황을 조사하고 공통 및 차별성 분석을 통하여 벤치마킹 요소를 도출하였다. 또한 온실 냉난방 설계 관련 업계의 의견을 수렴하고 주요환경 조절자재의 국내외 제품별 사양을 분석하여 설계 기준 자료로 활용하였다. 이를 바탕으로 간척지 온실의 냉난방시스템 설계기준을 작성하였다. 간척지 온실의 냉난방시스템 선정 가이드라인을 작성하였으며 냉난방시스템의 최적배치 및 효율적인 운용방안을 제시하였다.
온실의 냉난방 설계를 위한 자료 구축에는 매시간별 기상자료가 필요하고 대표성을 갖기 위해서는 표준기상데이터를 이용하는 것이 가장 적합하다. 그러나 현재 표준기상데이터는 일부지역만 제공되고 있기 때문에 설계용 자료의 구축에는 전체기상자료를 이용할 수밖에 없다. 본연구에서는 1981년부터 2010년까지 30년간 매시간 기상자료를 TAC법으로 분석하여 전국 69개 지역의 난방설계용 외기온, 냉방설계용 외기온, 습구온도, 일사량 자료를 위험율별(TAC 1%,2.5%, 5%)로 제시하였다. 또한 동일 지역에 대하여 난방 설정온도 8, 12, 16, 20℃에 대한 난방디그리아워를 분석하여 제시하였다.
온실의 냉난방 설계를 위해서는 온실 자재의 열적, 물리적 특성값이 필요하다. 그 중에서도 피복재와 보온자재의 열관류율이나 열점감율, 피복자재의 조합에 의한 열관류율의 변화, 피복재의 장파복사 및 광학적 특성 등은 온실의 냉난방 설계에 있어서 중요한 매개변수가 된다. 본 연구에서는 이와 관련되는 각종 특성치들을 조사하였다. 이들 조사 결과는 항목별로 분석, 정리하여 설계용 자료로 제시하였다.
최대난방부하는 관류열부하, 틈새환기전열부하 및 지중전열부하로 구성하였다. 틈새환기전열부하 산정방법은 틈새환기율과 온실의 체적을 이용하는 방법을 적용하였으며, 실험을 통하여 온실의 보온피복 방법별 틈새환기율 자료를 제시하였다. 온실의 외주부를 통한 열손실 개념을 도입한 새로운 지중전열부하 산정 방법을 개발하여 제시하였다. 난방디그리아워 방식을 적용하면서 일사에 의한 주간난방부하 감소분을 고려하여 간편하게 기간난방부하를 산정할 수 있는 방법을 개발하였으며 실험을 통하여 일평균 일조시간에 따른 기간난방부하 조정계수를 유도하여 제시하였다.
열수지 방법에 기초한 온실의 냉방부하 산정방법을 개발하였다. 냉방부하는 온실내로 유입되는 일사량에서 피복재를 통한 관류열량, 환기로 배출되는 열량 및 작물의 증발산에 소비되는 열량을 차감한 것으로 구성하였다. 또한 정확한 환기율을 구하는 것이 어렵기 때문에 열수지식으로부터 실내온도와 환기율의 관계를 구할 수 있는 가습환기그래프를 작성하여 이용할 수 있는 방법을 제시하였다.
냉난방시스템 설계기준에 제시된 각종 부하산정 방법은 두 차례의 실험을 통하여 검증하였다. 1차는 충남 부여의 농가 온실에서 난방실험을 실시하고, 대전 유성의 농장 온실에서 냉방실험을 실시하였다. 2차는 전북 부안에 설치한 간척지 온실에서 냉난방실험을 실시하였다. 각각의 난방실험에서는 틈새환기전열부하, 지중전열부하, 총난방부하, 기간난방부하 산정방법을 검증하였으며 난방 설계기준에 의한 방법으로 구한 부하는 실측치와 잘 일치하는 것으로 나타났다. 각각의 냉방실험에서는 냉방부하와 환기전열량을 검증하였으며 역시 냉방 설계기준에 의한 방법으로 구한 전열량은 실측치와 대체로 일치하는 것으로 나타났다.
< 간척지 설치 온실의 공기유동 설계 기준 연구 >
기존의 국내·외 환기설계 기준서들은 자연환기 설계에 대한 정량적인 기준을 제시하고 있지 않다. 본 연구에서는 간척지 입지 연동 온실의 자연환기 설계 기준 제시하고자 다양한 환경 조건 (연동수, 풍속, 풍향, 환기 구조)에서 국내 대표 연동 온실 (양지붕형, 광폭형, 복숭아형, 3/4형, 벤로형, 와이드스판형, 1-2W형)의 자연환기량을 산정하고 평가하였다.
본 연구에서 실험 장비의 제한, 많은 노동력과 비용의 소모, 실험적 오차 발생 등의 현장 실험의 한계를 극복하고 연동 온실의 환기를 평가하고자 CFD 시뮬레이션을 이용하였다. 간척지의 기상 분석을 통해 간척지 풍환경을 설계하였으며 이를 CFD 시뮬레이션에 적용하였다.CFD 시뮬레이션 모델의 정확도를 위해 풍동실험과의 비교를 통해 CFD 시뮬레이션 모델을 검증하였으며 그 결과를 바탕으로 온실 내부 격자사이즈는 0.2 m로 설계하였으며 RNG k-ε 난류 모델을 사용하였다. 온실의 자연환기량 평가를 위해 질량교체환기량 산정법과 추적가스 농도감쇠법을 CFD 시뮬레이션에 적용하여 이용하였으며 두가지 방법을 통해 온실 전체 체적에 대한 환기량을 평가하였다. 또한 추적가스 농도감쇠법을 통해 온실 내부의 구역별 환기량을 평가하고 이를 바탕으로 변동계수를 산정하여 온실 내부의 환기 균일성을 분석하였다. 추가적으로 온도 조절을 위한 필요환기량과 비교하여 자연환기량을 평가하였다.
두 가지 산정법으로 산정된 자연환기량을 통해 두 가지 방법 특징을 비교한 결과 질량교체환기량보다 추적가스 농도감쇠법을 통해 산정된 자연환기량이 보다 온실의 실제 환기량에 가깝게 평가된다고 판단된다. 온실의 전체 환기량의 비교 분석 결과, 온실의 자연환기량은 풍속과 풍향에 따라 다양하게 산정되었다. 3가지 형태 온실에서 모두 온실의 연동수가 증가함에 따라 온실의 자연환기량 또한 감소하는 경향이 도출되었다. 온실의 내부 구역별 환기 균일성 평가 결과, 풍속은 온실 내부 환기 균일성에 큰 영향을 미치지 않으며 풍향과 환기구조에 영향을 받는 것으로 분석되었다. 또한, 전체적으로 풍향이 0°인 경우와 천창환기 방식의 경우 환기의 균일성이 높게 평가되었다. 하지만 풍향이 0°이거나, 천창환기 방식의 경우 온실 내부의 환기량이 전체적으로 낮기 때문에 환기가 적절히 이루어진다고 판단될 수 없다, 따라서 온실의 환기 적절성을 판단할 때 온실의 전체적인 환기량과 온실 내부 구역별 환기량의 균일성을 동시에 고려해야 될 것으로 판단된다. 최종적으로 연동 온실의 전체 환기량 평가 결과를 바탕으로 온실의 자연 환기 설계의 기준을 새롭게 개정하여 제시하였으며, 내부 구역별 환기량 평가 결과의 경우 대형화 온실의 내부 미기상 환경 조절을 위해 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 또한 온실 내부 환기 균일성 향상을 위한 순환팬의 설치 기준을 제시하였으며, 작물의 존재 여부에 따라 온실 내부 환기량 저감을 분석하여 함께 제시하였다. 본 연구를 통해 개정된 온실의 환기 설계 기준은 간척지 입지 온실에 대해 정량적 설계 기준을 제시하였다는데 큰 의의가 있을 것으로 판단된다.
Weather conditions is more than 30 years of data analysis when designing greenhouses.In this study, we analyzed survey provides ground receiving meteorological station and automatic weather station from the Korea Meteorological Administration. in case of meteorological stations located inland, the n
Weather conditions is more than 30 years of data analysis when designing greenhouses.In this study, we analyzed survey provides ground receiving meteorological station and automatic weather station from the Korea Meteorological Administration. in case of meteorological stations located inland, the number of days with fog was less than 20 days/year, maximum instantaneous wind speed was less than 20 m/s. But in case of meteorological stations located coastal area, the number of days with fog is 20 days or more, the maximum instantaneous wind speed was more than 20 m/s. Therefore, when creating a greenhouse design criteria is determined that it is necessary to set by analyzing the weather conditions nationwide. the result of analyzing the meteorological data of the reclaimed land nearby, in the west coast region including most of the reclaimed land have investigated by a relatively poor environment than the southern coast region.
To find the suitability site selection for the construction of Saemangeum horticulture complex taking into account cost-effective environmental management, meteorological conditions was analyzed. By overlapping the thematic maps, we extracted the regions that scored 50-59 points as suitable sites for the development project. Of these pre-selected sites, we selected the final candidate region for the protected horticultural by overlapping the sites selected for agricultural and living environment construction. The results of this study will contribute to generating added values by minimizing the environmental management costs for horticulture and landscaping. The operation of a large-scale protected horticulture and landscaping in the Saemangeum Complex will enhance the agricultural competitiveness of our country in the global market.
The base of the greenhouse facilities, structures, when designing the environment is an important factor in weather conditions in different regions of rainfall, wind, snow, etc. There are two differences occur even within the same area and analyze the data more than 30 years when these studies. In this study, surveys were received weather data provides an emergency materials and extra ground stations in each region of the country from the Meteorological Observatory. Generally, data from ground stations located inland, the fog is less than one may 20, was examined up to that moment pungsokdo less than 20m / s. But coastal areas are judged to be necessary to set up a national meteorological analyzes the environment when high fog days more than 20 days, the maximum instantaneous wind speed frequency than 20m / s to establish a greenhouse design criteria. Reclaimed land in the reclaimed land of the analysis of the meteorological data, most of the nearby West Coast was investigated by poor environments are not compared with the South Coast region.
It was also investigated as a jeokhapji agricultural land to set up the rankings and weights and use them through a survey of experts to consider priority when designing the greenhouse facilities in the Saemangeum reclamation area of the country's largest.
Light environment in greenhouse is an important factor that affects the growth and development of crop production. Such a light environment in greenhouse is determined by the various factors, such as meteorological factors, structure of greenhouse, and crop cultivation systems. For adequate light environment in greenhouse control, it is important to estimate how these various factors affect the light environment in greenhouse. In current study, we developed methodology for analyzing the light environment in greenhouse by various factors using ray-tracing simulation. With our methodology, we could developed a light environment control strategies by artificial supplement lighting and light shading screen. We also developed FSPM (Functional-Structural Plant Model) of paprika, which could predict accurately the light interception into crop canopy and assembled FSPM with the light environment analysis methodology to take advantage for future development of these research. Finally, we analyzed the solar radiation property in reclaimed land and we estimated the light environment in greenhouse which install in reclaimed land.
Irrigation control plays an important role in improving productivity of paprika which is very sensitive to moisture condition. Among environmental factors, light intensity and distribution are not easily controlled and showed a big difference depending on season and region. For adequate irrigation control, therefore, transpiration and irrigation amounts considering light environmental data should be estimated. In current study, modified transpiration model was used for more precise estimation of transpiration. Seasonal transpiration and irrigation amounts at different regions were compared by using light environmental data provided from Korea Meteorological Administration. The transpiration amount in summer was rather smaller than those in spring and autumn seasons in Korea due to large deviations in light intensity as well as rainy period in summer. Irrigation system capacities at various regions could be recommended by using the transpiration amount in the spring having the longest photoperiod in the year. These results will be useful to the design of irrigation system and optimization of input energy in greenhouse.
We investigated current situation of techniques for greenhouse heating and cooling design in Korea, the United States and Japan, and derived benchmarking elements through the analysis of commonness and discrimination. In addition, we gathered the opinions of the greenhouse heating and cooling design related industry and analyzed specifications of the main materials for environment control produced in domestic and international, and they were utilized as design criteria data. Based on these works, we created an heating and cooling design standard for the greenhouse in reclaimed land. Guidelines for selection of greenhouse heating and cooling systems in reclaimed land were created, and optimal layout of heating and cooling facilities and efficient application plans were presented.
Standard weather data available to greenhouse heating and cooling design are limited in most regions of the country. So, instead of using standard weather data, in order to find the method to build design weather data for greenhouse heating and cooling, design outdoor weather conditions were analyzed. Thirty years from 1981 to 2010 hourly weather data were analyzed by TAC method for 69 regions, and design outdoor weather conditions for heating and cooling were presented by risk rating(TAC 1%, 2.5%, 5%). In addition, we analyzed and presented greenhouse heating degree-hours on the setting temperature of 8, 12, 16, 20℃ in the same regions.
For the greenhouse heating and cooling design requires thermal and physical properties of greenhouse materials. Among them, overall heat transfer coefficient and energy saving rate of covering materials and insulating materials, the change of the overall heat transfer coefficient by combination of covering materials, long-wave radiation and optical properties of covering materials are important parameters in the greenhouse heating and cooling design. In this study, we examined the various characteristics associated with them. These findings are analyzed and organized by category, and they were presented as data for greenhouse design.
The maximum heating load was composed of transmission heat loss, infiltration loss, and ground heat exchange. We applied a method of using the volume and the infiltration rate of greenhouses, and presented infiltration rates of greenhouses by insulating methods through experiments. A new calculation method of ground heat exchange was developed by adopting the concept of heat loss through the perimeter of greenhouses. We developed a method to easily calculate the seasonal heating load applying heating degree-hour while taking into account heating load reductions due to solar radiation in the daytime, and suggested adjustment factors of seasonal heating load according to the daily mean hours of sunshine derived from experiments.
A cooling load calculation method based on the heat balance of the greenhouse was developed. Cooling load was composed by deducting the transmission heat through the covering, exhaust heat by ventilation, and consumed heat in evapotranspiration of the crop from solar radiation entering into the greenhouse. Also we presented a method to create and use a humidification-ventilation graph to find the relationship between the indoor temperature and ventilation rates from the heat balance equation because it is difficult to obtain the correct ventilation rate.
Various load calculation methods presented in the greenhouse heating and cooling design standard were verified by experiments twice. First, a greenhouse heating experiment was conducted in Buyeo, Chungnam and a greenhouse cooling experiment was conducted in Yuseong, Daejeon. Second, heating and cooling experiments were conducted in the demonstration greenhouse model constructed in reclaimed land, Buan, Jeonbuk. In each heating experiment, calculation methods of infiltration loss, ground heat exchange, maximum heating load, and seasonal heating load were verified. Loads calculated by the method of heating design standard appeared to match well with the measured values. In each cooling experiment, calculation methods of cooling load and exhausted ventilation heat were verified. Heat calculated by the method of cooling design standard also appeared to generally match with the measured values.
Large-scale greenhouses built on reclaimed lands have great worth and have been developed in South Korea because the reclaimed land can be used regardless of topographical obstacles. However, published standards have not described quantitative standards for designing natural ventilation systems, which are used the most to control the internal climate of greenhouses.
In this study, the natural ventilation rates of greenhouses were evaluated with the consideration of the wind environments of reclaimed lands to serve as basic research for establishing standards for the design of ventilation for greenhouses built on reclaimed lands. The natural ventilation rates were calculated by the mass flow rate and tracer gas decay methods according to greenhouse type, number of spans, wind speed, wind direction, and vent openings. The computed natural ventilation rates were compared according to environmental conditions. Additionally, natural ventilation rates were evaluated by comparing them with the ventilation requirements for controlling the temperature in the summer.
As the result of comparing the natural ventilation rates computed by the two methods, it was judged that the tracer gas decay method evaluated the actual natural ventilation more closely than the mass flow rate method. In analyzing the overall ventilation rates, the results also showed that the natural ventilation rates were influenced considerably by wind speed and wind direction. The natural ventilation rates increased linearly as wind speed increased. As the number of spans increased, the natural ventilation rates generally decreased. Additionally, it was observed that the natural ventilation rates were decreased as the increase of the number of spans. The natural ventilation rate was high in order of the wind direction 90, 45, 0°. Finally, design standards for greenhouses built on reclaimed lands was established based on the results of analyzing the overall ventilation rates.
As a result of analyzing the homogeneity of the local ventilation rates, it was found that the homogeneity was mainly influenced by wind direction and the configuration of the ventilators except for wind direction. The results of analyzing the local ventilation rates are expected to be utilized for controlling the microclimate in large-scale greenhouses uniformly. The charts for expecting the natural ventilation rates will be used for designing the ventilation of greenhouses and the guidance of maintenance control.
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