초록 ▼

Ⅳ. 연구개발 내용 및 결과
1. 신개념 온실 자재 및 시공 표준화 연구(제1세부)
1) 신개념 온실을 설계하고, 자재 및 시공의 표준화를 위해 주요국가별 유명시공사들의 온실의 특징과 자재별 특성 및 시공기술을 분석하였으며, 그 결과 주요 공통점은 기초는 콘크리트독립기초 인 일명 둘리 방식이 주를 이루고, 유럽 표준규격에 적합하도록 설계/보급되기 때문에 풍하중 35~42m/sec, 적재하중 25kg/m² , 피복재는 폴리에틸렌 필름이 대부분이며, 일부 또는 부분적으로 PC판을 사용하거나 불소필름 피복이

Ⅳ. 연구개발 내용 및 결과
1. 신개념 온실 자재 및 시공 표준화 연구(제1세부)
1) 신개념 온실을 설계하고, 자재 및 시공의 표준화를 위해 주요국가별 유명시공사들의 온실의 특징과 자재별 특성 및 시공기술을 분석하였으며, 그 결과 주요 공통점은 기초는 콘크리트독립기초 인 일명 둘리 방식이 주를 이루고, 유럽 표준규격에 적합하도록 설계/보급되기 때문에 풍하중 35~42m/sec, 적재하중 25kg/m² , 피복재는 폴리에틸렌 필름이 대부분이며, 일부 또는 부분적으로 PC판을 사용하거나 불소필름 피복이 늘어나는 경향을 보이고 있다. 또한, 국내 주요 연구소 중 신개념온실로 분류할 수 있는 온실에 대하여 현장 조사한 결과 작물별 상이한 규격의 온실을 적용하고 있으나, 기본적으로 농가보급형인 자동화 하우스인 1-2W형을 이용/변형하여 사용하고 있다. 이에 조사내용을 참고하여 각국별 온실을 비교하고, 국내외 여러 타입 온실의 철재소요량을 산출하여, 온실설계의 주요 철골자재 적용기준에 반영하기 위한 최적화를 수행하였다.
2) 국내외 특허기술을 분석을 통해 온실형상에 대한 특허는 국가별로 증가하고 있는 추세이나, 온실부재와 환기, 냉난방 및 기타 환경조절에 대한 특허는 큰 변동이 없음을 확인하였으며, 전세계적으로 온실관련 특허는 92년부터 발전기를 거처 2007년부터는 성숙기로 접어들고 있으나, 우리나라의 경우 초기 발전기에 머물러 있다, 최근 들어 성숙기에 진입하였다. 이에 따라, 신개념 온실의 기술개발방향을 온실부재로 설정하고, 주요 알루미늄 조립자재와 환기시스템에 대하여 설계하고 제품을 개발하였다. 또한, 국내에서 신개념 온실로 규정할 수 있는 온실을 운영 중인 전국 101개 농가를 대상으로 설문조사를 진행하였으며, 온실의 시공방식과 주요규격, 사용부재, 내부설비 및 적용피복재를 확인하여 이를 실증온실과 표준온실 설계에 반영하였다.
3) 국내외 온실용 조립자재, 기계장치, 피복재 및 환기시스템 생산업체의 제품을 조사하고 주요특성을 분석함으로써, 신개념온실의 표준자재로 활용할 수 있는 방안을 모색하였으며, 호환상의 이유로 기존제품을 적용하기 어려운 용마루, 거터, 천창시스템 등의 알루미늄 부품들은 새롭게 금형을 설계/개발하였으며, 이를 적용하여 실증온실 설계를 확정하였다.
4) 설계안을 검증하기 위하여 실증온실 시공 전 타입별 Test온실을 시공하여, 주요 환경을 분석하였으며, 이를 참고하여 천안지역 일반농가에 2,548㎡(98m×26m) 규모의 실증온실을 시공하였다. 시공시 도출된 여러 주의사항 등을 참고하여, 향후 농가 및 시공사가 활용할 수 있는 공정별 설명자료 및 매뉴얼을 작성하였으며, 이를 기준으로 1ha 기준 표준도면과 내역서 및 시방서를 작성하였다.
5) 신개념 표준도면을 기준으로 성능분석을 위해 구조 및 환기성능에 대하여 3차원 시물레이션을 진행하였다. 구조분석 결과 1ha 표준온실 기준 적설심은 28cm, 풍속은 26m/s까지 안전한것으로 나타났다. 이는 제1협동과제에서 분석한 실증온실 구조분석과 비교하였을 때 적설심 (30cm)은 비슷한 결과를 나타내었고, 풍속(35m/s)에서는 상이하였는데, 이는 1ha 표준온실의 풍하중 파괴지점이 방풍파이프(바닥고정방식)와 그 접합부분(볼트접합방식)인 것에 기인한 것으로 판단된다. 상기 분석 결과에 대하여, 취약지점에 대한 고정 및 접합방식을 보완한 도면을 작성하였다. 1ha 표준온실의 천창/측창유무, 천창수량, 개폐비율 및 외부 풍속에 따른 온실내부의 온도/환기특성을 열-유동 해석을 통해 고찰하였으며, 총 10분동안의 환기 시간동안 각 환기조건에 따른 온실내부의 온도분포와 온도하강속도를 비교하였다. 그 결과 필요이상의 온도를 신속히 적정온도로 낮추기 위해 환기가 빠를수록 유리한데, 이는, 환기창의 면적이 넓을수록 , 외부공기가 빨리 유입될수록, 내부 유동팬을 이용한 강제환기를 진행할수록 두드러진 결과를 나타내었다. 이를 반영하여, 온실 천창, 측창 및 내부유동팬의 설계 면적과 개수 등을 표준온실 도면에 반영하였다.
6) 개발된 신개념 온실과 기존 유리온실에 대하여 타입별 공사비를 적용하고, 생산량 및 판매 가격을 추정하여 투자비용 대비 사업가치와 내부수익률(IRR)을 비교하였다. 그 결과 신개념 온실의 사업가치는 2,933백만원과 내부수익률이 12.85%로 나타나, 유리온실과 비교하여 경제적으로 차이가 없는 것으로 분석되었다. 즉, 투자비용을 고려한다면, 농가입장에서는 신개념 온실타입이 경제적으로 유리한 것으로 판단된다.

2. 신개념 온실 설계기술 및 구조모델 개발(제1협동)
1) 신개념 온실 개발에 필요한 설계조건과 설계방법을 정립하기 위하여 국내외 신개념 온실의의 사례를 고찰하였으며, 온실 설계에 필요한 설계방법을 비교 분석하였다. 신개념 온실은 광환경의 개선, 온실내부 온도와 습도의 균일성 향상, 보온력 향상 등을 주요 장점으로 파악되었다. 따라서, 신개념 온실에 적합한 규격은 폭 8,0m, 측고 5.5m~6.5m, 기둥간격 4.0m~4.5m가 적합하며, 피복재는 PO필름(0.13mm~0.15mm)이 유리한 것으로 나타났다. 온실의 기초, 측면과 전후면 피복재, 내부커튼 설비 등은 농가보급형과 대규모 상업용 온실에 다르게 적용되는 것이 타당할 것으로 분석되었다. 새만금 간척지 등에 조성될 대규모 상업용 온실의 경우에는 온실의 외측기초는 줄기초, 측면은 PC 삼중복층판, 북쪽 마구리면은 판넬 또는 서비스동을 설치하는 것이 보온력 향상에 유리하며, 내부커튼설비는 차광+보온스크린+에너지절감형스크린이 도입될 필요가 있다.
2) 기상이변에 따른 신개념 온실의 구조적 안전성을 확보하기 위하여 최근 기상자료가 포함된 지역별 내재해 설계기준의 풍속과 적설심을 산정하였다. 161개의 행정시군과 추풍령, 대관령등 11개 추가지역을 포함하여 총 172개 지역에 대한 재현기간별 설계풍속과 설계적설심을 제시하였다. 새롭게 산정된 내재해 설계기준의 풍속과 적설심을 이용하여 기존에 보급된 온실에 대한 구조안전성을 분석한 결과, 조사 온실 75개중 52개소가 최근 기상자료가 반연된 내재해 설계기준의 설계풍속과 설계적설심을 만족하지 못하는 것으로 나타나, 신개념 온실은 본 연구에서 산정된 설계풍속과 설계적설심을 사용하여 구조안전성을 확보하였다.
3) 신개념 온실의 합리적이고 경제적인 구조설계방법을 모색하기 위하여, 국내 기관별로 적용하고 있는 온실 설계방법과 외국의 온실 설계방법 등을 분석하였다. 국내 설계방법별로 구조계산한 결과가 많은 차이가 나타났으며, 외국의 온실 설계방법을 그대로 국내에 적용하기에는 다소 불리한 측면이 있는 것으로 나타났다. 따라서, 본 연구에서는 풍하중 산정은 온실에 맞도록 조정하였으며, 적설하중은 안전성을 고려하여 건축구조설계기준보다 높게 산정하여 안전성으로 향상시켰다. 그리고, 설계방법으로는 허용응력설계법을 택하여 단기하중에 대한 할증율은 고려하지 않았으며, 안전율은 1.5로 하였다.
4) 신개념 온실의 기본 모델을 선정하기 위하여 지붕 및 중방구조에 따른 구조안전성과 광투과율을 분석한 결과, 아치형 지붕구조와 트러스 형식의 중방구조가 신개념 온실에 가장 적합한 것으로 나타났다. 그리고, 기둥과 기둥사이에 1개의 지붕으로 되어 있는 1-2W형보다는 2개의 지붕으로 된 벤로형이 구조적인 측면과 환경적인 측면에서 유리한 것으로 나타났으며, 남북동을 기준으로 지붕경사각은 20°가 가장 유리하여 나타났다. 따라서, 이를 반영하여 신개념 온실의 기본모델을 선정하였다.
5) 신개념 온실의 자재 최적화를 위하여 방풍벽, 서까래, 기둥 등의 조합에 따른 최적설계를 수행한 결과, 방풍벽, 서까래 및 기둥 부재의 조합에 따른 부재에 발생되는 최대단면력(휨모멘트, 축방향력)이 크게 차이가 발생하여 최적의 부재조합과 설치 간격을 찾아 신개념 온실에 적용하였다.

3. 신개념 온실의 환경설계기술 개발 및 표준화(제2협동)
1) 신개념 온실의 개발 방향 설정 및 신개념 온실이 갖추어야 할 기본 환경조절시스템 설정을 위하여 국내 유리온실과 플라스틱 온실의 규격, 환경계측 및 조절, 제어시스템 등의 실태를 조사하고, 비교 분석하였다. 신개념 온실은 온수난방 방식에 알루미늄 스크린을 보온커튼으로 사용하고, 증발냉각시스템을 적용하는 것이 적당할 것으로 판단되었다. 신개념 온실은 높은 측고에 다연동 구조를 기본으로 용마루 천창 환기방식을 채용하고, 유동팬과 CO2시비 장치를 도입할 필요가 있다. 보온커튼, 냉난방 및 환기 설비와 관수 조절시스템을 필수항목으로 갖춘 자동제어시스템을 도입해야 한다. 자동제어시스템은 단일항목 제어가 아닌 복합 환경제어시스템으로 가야하고, 안정적인 보급을 위해서는 시급히 국산화가 이루어져야 할 것으로 생각한다.
2) 온실의 환경설계를 위한 자료 구축에는 매시간별 기상자료가 필요하고 대표성을 갖기 위해서는 표준기상데이터를 이용하는 것이 가장 적합하다. 그러나 현재 표준기상데이터는 일부 지역만 제공되고 있기 때문에 설계용 자료의 구축에는 전체기상자료를 이용할 수밖에 없다. 본 연구에서는 표준기상데이터가 제공되고 있는 7개 지역을 대상으로 전체기상자료를 이용한 방법으로 분석하여 표준기상데이터로 구한 값과 비교 검토하였다. 위험율별 설계 기상자료와 난방디그리아워는 전체기상자료의 평균값이 표준기상데이터로 구한 결과와 가장 잘 일치하였다. 따라서 위험율별 설계 기상자료와 설정온도별 난방디그리아워는 전체기상자료를 이용하여 구하고, 전체자료 기간의 평균값을 온실의 환경설계 기준으로 사용하며, 최대값과 최소값을 제공함으로써 참고자료로 활용할 수 있도록 하였다.
3) 통계청의 2012년도 시설작물 재배면적을 기준으로 주요 시설재배 작목을 선정하고, 환경설계 시 입력 자료인 작물별 주요 재배환경 조건(최적값 및 한계값)을 조사하였다. 온실의 환경설계를 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 냉난방이나 환기설계에 있어서 중요한 매개변수가 된다. 본 연구에서는 이와 관련되는 각종 특성치들을 조사하였다. 이들 조사 결과는 항목별로 분석, 정리하여 설계용 자료로 제시하였다.
4) 우리나라와 미국, 일본의 온실 환경설계기술 현황을 조사하고 공통 및 차별성 분석을 통하여 벤치마킹 요소를 도출하였다. 또한 온실 환경설계 관련 업계의 의견을 수렴하고 주요 환경조절자재의 국내외 제품별 사양을 분석하여 설계 기준 자료로 활용하였다. 이를 바탕으로 신개념 온실의 환경설계 매뉴얼을 작성하였다. 신개념 온실의 난방, 냉방 및 환기시스템 선정 가이드라인을 작성하였으며 환경조절장치의 최적배치 및 효율적인 운용방안을 제시하였다. 신개념 온실 실증모델을 기준으로 규모별 난방부하 및 설비용량을 계산하고, 온실의 난방시스템 설계도면 및 시방서를 작성하여 제시하였다.
5) 온실의 최대난방부하는 관류열부하, 틈새환기전열부하 및 지중전열부하로 구성하였다. 환기전열계수와 피복면적을 이용하는 틈새환기전열부하 산정방법은 문제가 있는 것으로 판명되어 틈새환기율과 온실의 체적을 이용하는 방법을 적용하였으며, 실험을 통하여 온실의 보온피복 방법별 틈새환기율 자료를 제시하였다. 기존의 경험값을 이용한 지중전열부하 산정도 온실의 규모에 따라서 큰 차이를 보이는 것으로 나타나 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.
6) 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. 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.
7) 신개념 온실의 환경설계 매뉴얼에 제시된 각종 부하산정 방법은 두 차례의 실험을 통하여 검증하였다. 1차는 충남 부여의 농가 온실에서 난방실험을 실시하고, 대전 유성의 농장 온실에서 냉방실험을 실시하였다. 2차는 충남 천안에 설치한 신개념온실 실증모델에서 겨울철 난방실험과 여름철 냉방실험을 실시하였다. 각각의 난방실험에서는 틈새환기전열부하, 지중전열부하, 총난방부하, 기간난방부하 산정방법을 검증하였으며 환경설계 매뉴얼에 의한 방법으로 구한 부하는 실측치와 잘 일치하는 것으로 나타났다. 각각의 냉방실험에서는 냉방부하와 환기전열량을 검증하였으며 역시 환경설계 매뉴얼에 의한 방법으로 구한 전열량은 실측치와 대체로 일치하는 것으로 나타났다.
8) 신개념 온실의 열수지를 분석하여 에너지소비량을 예측하고, 1-2W형 온실 및 벤로형 유리온실과 비교하였다. 신개념 온실의 에너지 소비량은 유리온실과 비슷하거나 약간 감소하는 것으로 나타났으며, 1-2W형 온실보다는 14~22% 감소하는 것으로 나타났다. 신개념 온실의 소요 난방비를 연료의 종류에 따라 비교한 결과 경유가 가장 높았고, 목재펠릿, 천연가스, 전기, 석탄, 지열히트펌프의 순으로 나타났다. 난방비를 절감하기 위해서는 경유난방을 가스나 석탄 난방으로 전환하고, 지열히트펌프 등의 신재생에너지 보급을 확대할 필요가 있는 것으로 판단되었다.

4. 신개념 온실 성능 및 경제성 분석을 위한 재배실증시험(제3협동)
1) 신개념 온실에 적합한 재배시스템 및 양액공급시스템을 선정하기 위하여 국내외 문헌 및 자료를 수집하였다. 재배시스템을 선정하는데 필요한 재배형태, 베드 종류 및 베드 구조의 장단점을 분석하였다. 또한 베드 설치에 필요한 각종 자재의 종류 및 특징, 자재 선정 시 유의사항 및 추천 사양을 제시하였다. 신개념 온실은 토마토, 파프리카 등 수출과채류를 대상으로 설계된 온실이므로 재배형태는 배지경, 베드 종류는 슬래브, 베드 구조는 비용이나 재배 안정성 측면에서 행잉거터 타입이 적합할 것으로 생각한다. 양액공급시스템은 원수 탱크, 원수 공급설비, 양액 농축 탱크, 배관, 점적기, 구역 전자밸브, 양액 공급장치, 배액 재활용 설비 등으로 구성되어 있으며, 각 설비별 종류 및 특징, 설비 선정 시 유의사항 및 추천 사양을 제시하였다. 우리나라와 외국 양액 공급장치의 특성을 조사하고 차이점을 분석하였다. 양액 혼합방식과 급액 제어로직의 특성을 분석하여 방식 선정 시 참고자료로 활용할 수 있도록 하였다. 급액 제어로직은 작물의 증산에 효율적으로 대응할 수 있는 일사량 제어나 배지 내 함수량 제어가 가능한 제품을 권장하였다. 이상의 연구결과를 바탕으로 재배시스템 선정 가이드라인을 작성하였다.
2) 신개념 온실 1ha 면적을 기준으로 양액재배시스템 설비 용량 및 구역 수를 계산하였다. 원수 탱크의 용량은 1ha당 최소 100ton이 필요하며, 가능한 2일 정도의 용량을 확보할 것을 권장하였다. 구역 수는 소요물량과 공급펌프 실제 성능을 고려하여 4구역으로 설정하였다. 행잉거터 방식과 스탠딩거터 방식 각각에 대한 설치비용을 산정한 결과, 스탠딩거터 방식이 행잉거터시스템에 비해 18~20% 많이 소요되었다. 이상의 결과를 토대로 토마토, 파프리카 2작목 각각에 대해 온실의 재배시스템 설계도면, 시방서 및 내역서를 작성하여 제시하였다.
3) 개발된 신개념 온실의 에너지 사용량 및 토마토 생산성을 알아보기 위하여 충남 천안에 설치한 신개념 온실 실증모델에서 재배실험을 수행하였다. 신개념 온실의 에너지 사용량 및 토마토 생산성을 기존의 온실과 비교하기 위해 1-2W형 플라스틱온실 3곳, 유리온실 3곳에 대해 에너지 사용량 및 토마토 생산량을 조사하였다. 신개념 온실의 생산량은 12.13kg/m²으로 1-2W형 플라스틱 온실에 비해 35% 많았으며, 유리온실 생산량의 81% 수준이었다. 신개념 온실의 에너
지 사용량은 557,531kWh로 1-2W형 플라스틱 온실에 비해 26% 적었으며, 유리온실에 비해서는 9% 많았다. 기존 플라스틱온실에 비해 에너지 소모량이 26% 적으면서도 수확량이 35% 많게 나타나 도입 타당성이 높은 것으로 판단되었다.

Abstract ▼

IV. Research development contents and results
1. Research of new concept greenhouse materials and construction standardization(Section 1 details)
1) We designed new concept greenhouse, analyzed features of greenhouses, materials from well-known construction companies, and construction technolo

IV. Research development contents and results
1. Research of new concept greenhouse materials and construction standardization(Section 1 details)
1) We designed new concept greenhouse, analyzed features of greenhouses, materials from well-known construction companies, and construction technology. As result, major part in common is that as concrete single footing named "Dooly style" formed a main stream with design/distribution proper to European standard specifications, it features wind load of 35~42m/sec, loading capacity 25kg/m², mostly polyethylene film of covering material, with partial PC plate use, and use of fluorine film seems to be on the rise.
In addition, as result of onsite investigation of greenhouse classified as a new concept greenhouse by domestic major research institutes, even through greenhouse with different specifications for each agricultural produce is applied, farm house distribution type automated greenhouse 1-2W is used as a basic greenhouse. With comparison of greenhouses by country referring to investigation details, and calculation of steel consumption of various types of domestic and international greenhouses, optimization to reflect in major steel material application standard of greenhouse design was conducted.
2) Through patents of greenhouse shape tend to be in the gradual increase through analysis of domestic and international patent technologies, it was verified that patents such as greenhouse shortage ventilation, cooling & heating, and other environmental adjustments showed no particular changes. Globally, greenhouse related patents entered into maturing period from 2007 after going through developing period since 1992, but Korea still remained at initial stage of development, and only recently entered into maturing stage. Accordingly, setting lack of greenhouses as a direction of new concept greenhouse technology development, products were developed along with the design of major aluminum assembling material and ventilation system. Furthermore, a survey was conducted, with 101 farming families nationwide operating greenhouses that can be defined as new concept greenhouse as the subject, and after investigation of construction method and main specifications of greenhouse, lack of use, internal facility and applying covering materials, it was reflected in empirical greenhouse and standard greenhouse designs.
3) By investigating products made by domestic and international companies manufacturing greenhouse assembling materials, machinery and equipments, covering material and ventilation system, and analyzing major features, we sought measures to utilize new concept greenhouse, and for aluminum parts such as roof ridge, gutter, ceiling system, and others, which is difficult to apply in existing products due to compatibility, new mold was designed and developed, and empirical greenhouse design was finalized using such design and development.
4) Main environment analysis was conducted by constructing test greenhouses by type, before empirical greenhouse construction for verification of design plan, and based on the analysis, an empirical greenhouse with scale of 2,548m²(98m×26m) was constructed at regular farming family in Cheonan region. Explanation materials and manual of each process that can be used by farm families and construction companies in the later days, were prepared by referring to various cautions and others drawn at construction, and based on that, 1ha standard drawing, details and specifications were prepared.
5) For performance analysis based on new concept standard drawing, three dimensional simulation was performed for structure and ventilation performance. As result of structure analysis, 1ha standard greenhouse snow cover depth was 28cm, and wind speed was shown to be safe up to 26m/s. Snow cover depth(30cm) showed a similar result in comparison with empirical greenhouse structure analysis performed in the 1st collaborative task but a difference for wind speed(35m/s), and it is determined that the reason could be because destruction point of 1ha standard greenhouse wind load was wind protection pipe(bottom fix method) and joint(bolt connection method). Drawing supplemented with fixing and connection method of vulnerable area was prepared for the above analysis result. We examined temperature/ventilation features inside greenhouse based on with or without ceiling/side windows, quantity of ceilings, opening and closing ratio, and external wind speed of 1ha standard greenhouse, and for total of 10 minutes of ventilation time, temperature distribution and temperature descending speed based on each ventilation condition were compared. As result, quick ventilation is favorable to lower unnecessarily high temperature to proper level, and more noticeable results were drawn with larger area of ventilating window, swifter indraft of outside air, forced ventilation using internal flow fan. Using such result, area, quantity and other elements of design for greenhouse ceiling, side windows and internal flow fan were reflected in the standard greenhouse drawing.
6) In comparison with investment cost, business value and internal rate of return(IRR) were compared by applying construction cost by type for developed new concept greenhouse and existing glass greenhouse, and assuming production capacity and selling price. As result, since business value of new concept greenhouse was shown as 2.933 billon Won and with 12.85% of IRR, it was concluded that there was no economical difference in comparison with glass greenhouse. Considering investment cost, new concept greenhouse type is determined favorable for farming families in economical aspect.

2. New concept greenhouse design technology and structure model development(The 1st collaboration)
1) In order to set design conditions and methods necessary for new concept greenhouse development, we examined cases of domestic and international new concept greenhouses, and conducted comparison analysis of design method necessary for greenhouse designs. As major advantages of new concept greenhouse, it was shown to include improvements in lighting environment, uniformity of temperature and humidity inside greenhouse, insulation power, and others. Therefore, specifications proper to new concept greenhouse are width 8,0m, height measurement 5.5m~6.5m, and pillar distance 4.0m~4.5m, and for covering materials, PO film(0.13mm~0.15mm) was shown to be favorable. It was concluded to be appropriate that greenhouse foundation, side, front and back covering materials, internal curtain facility and others are applied differently depending on farming families distribution types and large scale commercial greenhouses. For large scale commercial greenhouses to be built on Saemangeum reclaimed land, favorable installations for insulation capability would be strip footing at outer foundation, PC triple multi-stage plate on sides, and panel or service unit on northern edge side, and for inner curtain facility, shading + thermal screen + energy saving type screen should be introduced.
2) To secure structural safety for new concept greenhouse following unusual climate changes, wind speed and snow cover depth of natural disaster resistance design standard were calculated. We suggested designs of wind speed and snow depth for total of 172 regions including 161 administrative districts such as cities and counties, and 11 additional regions such as Chupungnyeong, Daegwallyeong, and others. From the result of analysis on currently distributed greenhouse stability using snow cover depth of newly calculated natural disaster resistance design standard, as 52 locations among 75 investigated greenhouses were shown not to meet requirements of wind speed and snow cover depth designs of natural disaster resistance design standard with recent climate data applied, structural stability of new concept greenhouse was secured using wind speed and snow cover depth designs calculated in this research.
3) To find reasonable and economical structure design method for new concept greenhouse, analysis was conducted for greenhouse design methods used in domestic organizations, overseas countries and others. It was shown that there are significant differences in calculation result of structure by domestic design methods, and there are some disadvantages to use greenhouse designs of foreign countries as it is. Accordingly, in this research, wind load calculation is adjusted proper to greenhouse, snow load was calculated with higher standard than architecture structural design standard for the sake of safety to improve stability of greenhouse. And allowable stress design was selected, and weighted ratio of short term loading not considered, with 1.5 of safety ratio.
4) To select basic model of new concept greenhouse, structural safety and light penetration ratio were analyzed based on roof and middle molding structure, and as result, it was shown that arch-type roof structure and truss type molding structure is best suited for new concept greenhouse. And rather than 1-2W type with 1 roof between pillars, venlo-type comprised of 2 roofs was shown favorable in structural and environmental aspect. 20° of roof inclination angle with south-north-east as the base point was shown as the most advantageous. Therefore, basic model of new concept greenhouse was selected using such notion.
5) For optimization of material in new concept greenhouse, optimized designing was carried out based on combination of wind protection wall, rafter, pillar, and others. As result, as there was significant difference in maximized sectional force(bending moment, axis directional force) occurred due to lack of following combination of wind protection wall, rafter, and pillar, we found optimized lacking combinations and installation distance, and applied to new concept greenhouse.

3. Development and Standardization of Environmental Design Techniques for New Concept Greenhouses(The 2rd collaboration)
In order to set up the basic environmental control systems which the new concept greenhouses have to equip, greenhouse characteristics, environmental management and control systems in domestic glasshouses and plastic greenhouses were investigated and analyzed comparatively. Specifications to be applied to new concept greenhouses were proposed as follows; hot water heating systems, aluminum screens as the thermal curtain, evaporative cooling systems, roof vents on the ridge, circulation fans, CO2 enrichment, and automatic irrigation control systems. The automatic control system has to be as a complex environmental control system, not a single item control system. Also, for stable dissemination, domestically producing complete greenhouse control system should be made as soon as possible.
Standard weather data available to greenhouse environmental 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 and compared by a method using climatological normal thirty years hourly weather data and standard weather data in 7 regions. Average values of outdoor temperature and insolation using thirty years hourly weather data showed a good agreement with them using standard weather data. Therefore, in regions which are not available standard weather data, we suggest that design outdoor weather conditions and heating degree-hour should be analyzed using thirty years hourly weather data. Average of design values derived from every year hourly weather data during the whole period can be established as environmental design standards, and also minimum and maximum of them can be used as reference data.
We selected major crops based on 2012 greenhouse crops planted area, Statistics Korea, and investigated main growing conditions(optimum value and limit value) which are input data for environmental design. For the greenhouse environmental 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 design of heating, cooling and ventilation of greenhouse. 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.
We investigated current situation of techniques for greenhouse environmental 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 environmental 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 environmental design manual for the new concept greenhouse. Guidelines for selection of heating, cooling and ventilation systems in new concept greenhouses were created, and optimal layout of environmental control facilities and efficient application plans were presented. We calculated heating load and system capacity by greenhouse size based on the demonstration model of a new concept greenhouse, and created design drawings and specifications of the greenhouse heating system.
The maximum heating load of greenhouses was composed of transmission heat loss, infiltration loss, and ground heat exchange. Applying a constant ventilation heat transfer coefficient to the covering area of the greenhouse was found to have a methodological problem. So, 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. Ground heat exchange calculated using previous experience values also appeared to have a big difference depending on the size of greenhouses. So, 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. 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 heating degree-hours on the setting temperature of 8, 12, 16, 20℃ in the same regions.
Various load calculation methods presented in environmental design manual for new concept greenhouses 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, winter heating and summer cooling experiments were conducted in the demonstration model of the new concept greenhouse constructed in Cheonan, Chungnam. 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 environmental design manual 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 environmental design manual also appeared to generally match with the measured values.
We estimated energy consumption by analyzing heat balance of the new concept greenhouse, and compared with 1-2W type plastic greenhouse and Venlo-type glasshouse. Energy consumption in the new concept greenhouse appeared to be similar or slightly less than glasshouse, and to decrease by 14~22% compared to 1-2W type plastic greenhouse. Comparison results of projected heating cost in the new concept greenhouse by fuel type showed that diesel was the highest. And the following was in the order of wood pellets, natural gas, electricity, coal, and geothermal heat pump. To change the diesel heating to the gas or coal heating and to expand the development and use of renewable energy such as geothermal heat pump are required in order to reduce the heating cost.

4. Empirical cultivation test for new concept greenhouse performance and economic feasibility analysis(The 3rd collaboration)
1) We gathered domestic and international references and data to determine cultivation system and nutrient solution supply system appropriate for new concept greenhouse, and analyzed merits and demerits of cultivation form, bed type and structure, which is required for cultivation system selection. In addition, we suggested type and feature of various materials, cautions for material selection, and specifications recommendation necessary for bed installations.
Since new concept greenhouse was designed for import fruits and vegetables such as tomato, paprika, and others, proper accommodations would be culture for cultivation form, slab for bed type, and hanging gutter type for bed structure considering cost or cultivation stability. Nutrient solution supply system consists of raw water tank, raw water supply facility, nutrient solution concentration tank, pipe, dropper, sectional electronic valve, nutrient solution supply device, liquid draining recycling facility, and others. We suggested type and feature by each facility, cautions and recommendations at time of facility selection, investigated features of Korea and overseas nutrient solution devices and analyzed differences among such features. By analyzing features of nutrient solution mix method and nutrient supply control logic, it can be used as reference material when selecting the method. For nutrient supply control logic, products possible to control insolation and amount of contained water in medium were recommended, which can effectively respond with increase of crop production. Finally, cultivation selection guidelines were prepared based on the above research result.
2) For nutrient solution cultivation system, facility capacity and number of sections were calculated based on area of new concept greenhouse 1ha. Raw water tank capacity requires 100 tons at the minimum per 1ha, and as a recommendation, 2 days of capacity was to be secured if possible. Number of sections was set as 4 sections considering required amount of water and actual performance of supply pump. As result of calculating installation cost of hanging gutter method and standing gutter method respectively, standing gutter method consumed 18~20% more than hanging gutter system. Based on the above result, blueprint of greenhouse cultivation system, specifications, and details were drawn up and suggested for two types of crops such as tomato and paprica.
3) Cultivation experiment was conducted with new concept greenhouse empirical model installed in Cheonan city, Chungcheongnam-do province, in order to figure out energy consumption and tomato productivity of developed new concept greenhouse. To compare energy consumption and tomato productivity of new concept greenhouse and existing greenhouse, energy consumption and tomato productivity were investigated at 3 locations of 1-2W type plastic greenhouses, and 3 locations of glass greenhouses. Productivity of new concept greenhouse was 12.13kg/m2, 35% more than 1-2W type plastic greenhouse, which makes 81% of glass greenhouse productivity level. Energy consumption of new concept greenhouse was 557,531kWh, 26% less than 1-2W type plastic greenhouse, and 9% more than glass greenhouse. It seems highly probable to introduce the system with 26% less energy consumption and 35% more production in comparison with existing plastic greenhouse.