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Kafe 바로가기주관연구기관 | 경북대학교 KyungPook National University |
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2016-02 |
주관부처 | 농림축산식품부 Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs(MAFRA) |
등록번호 | TRKO201600003442 |
사업명 | 첨단생산기술개발사업 |
DB 구축일자 | 2016-07-02 |
Ⅴ. 연구개발결과
1. 제1세부 제3협동
군위지역의 돈사와 상주지역의 육계사를 중심으로 농업시설의 비활용 공간인 지붕을 활용하기 위한 기초자료로써 지붕의 방위각, 경사각 및 농지의 분류에 따른 문제점과 생산된 태양열 에너지의 활용에 대한 결과는 다음과 같다.
가. 돈사의 농지의 분류에 따른 결과는 군위지역 돈사의 경우 농림지역을 제외한 곳은 47.8%이었으며 적정 방위각으로 분류하면 21.7%가 활용 가능하였다. 그러나 농지와 방위각을 모두 고려한 조사에서는 10.9%만이 가능하여 돈사의 약 90%는 지붕의 활용이
Ⅴ. 연구개발결과
1. 제1세부 제3협동
군위지역의 돈사와 상주지역의 육계사를 중심으로 농업시설의 비활용 공간인 지붕을 활용하기 위한 기초자료로써 지붕의 방위각, 경사각 및 농지의 분류에 따른 문제점과 생산된 태양열 에너지의 활용에 대한 결과는 다음과 같다.
가. 돈사의 농지의 분류에 따른 결과는 군위지역 돈사의 경우 농림지역을 제외한 곳은 47.8%이었으며 적정 방위각으로 분류하면 21.7%가 활용 가능하였다. 그러나 농지와 방위각을 모두 고려한 조사에서는 10.9%만이 가능하여 돈사의 약 90%는 지붕의 활용이 부적합 한 것으로 판단되었다. 상주지역의 육계사의 경우 농림지역을 제외한 곳은 55.6% 이었으며 방위각에 따른 분류에서는 31.7%가 활용 가능하였다. 그러나 농지와 방위각을 모두 고려한 조사에서는 20.6%가 지붕의 활용이 가능한 것으로 나타났다.
나. 돈사의 지붕 경사각에서는 총 46호 중 10°~15°가 17호로 가장 많았으며, 20°미만인 경우가 전체의 63%에 해당되었다. 20°이상인 곳은 16호로 전체의 약 35%로 나타나 전반적으로 지붕각은 완만하게 건축되었다. 따라서 돈사의 경우 일사량을 고려하여 태양에너지 설비를 할 경우 최소한 약 4~5° 정도 지붕경사각을 높일 필요가 있었다. 육계사의 지붕경사각은 20°~25°가 가장 많은 30호 농가였으며, 20°이상의 경사각으로 건축된 것은 전체의 63%로 나타나 경사각은 대체로 적정한 것으로 판단되었다.
다. 그러나 지붕의 활용에 있어서 구조적인 안전에서는 대부분 함석을 이용한 불안정한 구조로써 일부 표준돈사를 제외하면 실제로 태양에너지 설비를 할 경우 구조 안정성에 문제가 있을 것으로 판단되었다. 육계사의 경우에도 표준육계사로 건축된 3곳만 가능하여 실제로 지붕을 활용한 태양에너지의 사업을 확대하기에는 1곳을 제외하고 모두 부적합하였다.
라. 태양열 집열 에너지를 냉방에너지로만 사용하는데 이론적으로 효율성과 경제성도 매우 떨어져 농가현장에서도 실효성이 적을 것으로 판단되었다.
마. 하절기 3개월간의 평균 이론 축열량은 3,170,202 kcal/mon이었고, 실제 축열량은 1,595,013kcal/mon로서 분뇨발효 의존율은 약 50.6%로 나타났다.
바. 돈사의 분뇨탱크의 전체 체적은 144m3이었으며, 실제로 충만된 분뇨는 약 100m3이었다. 100m3의 분뇨를 1℃ 상승하는 경우 100,000kcal<418MJ>의 열량이 필요하게 된다. 7월 한달간 축열조에서 분뇨탱크로 사용된 총열량은 2,269kwh<8,168MJ> 이었다. 따라서 7월 총 축열량으로 한달간 분뇨를 상승시킬 수 있는 온도는 약 22℃(8,168MJ/418MJ=21.9℃≒22℃) 로 나타났다.
2. 제2세부 제4협동
태양광발전량은 태양광발전시스템이 설치된 태양광모듈의 방향에 따라 발전량이 달라진다. 태양광발전시스템(solar photovoltaic systems)에서 발전시스템이 설치되는 방향에 따른 발전량 변화량과 발전효율을 예측하기 위하여 일사량계측시스템 및 태양광발전시스템을 구축하여 경사각 및 방위각에 대한 일사량 및 태양광 발전량을 계측하였다. 일사량계측시스템은 일사량계를 방위각 및 경사각 방향을 다르게 하여 경사각(tilt) 방향은 6개, 방위각(azimuth) 방향은 4개, 총10개의 일사량계(pyreheliometer)를 설치하여 연중 일사량을 계측하여 분석하였다. 태양광발전 시스템은 경사각(tilt) 방향을 다르게 하여 11개, 방위각(azimuth) 방향을 다르게 하여 6개, 총17개의 태양광모듈을 설치하여 방위각 및 경사각 방향에 대한 연중 태양광발전량을 계측하여 분석하였다. 농업용 시설의 비활용 공간인 지붕을 대상으로 태양광발전시스템의 효율을 현장시험하기 위해 무창돈사 지붕에 20kw, 육계사 지붕에 10kw 용량의 태양광발전시스템을 현장 설치 후 태양광발전 계통연계시스템으로 설비하여 연중 태양광 발전량을 계측하고 분석하였다. 태양광 발전시스템을 구축하여 운용하는 기술적 문제는 없었으나, 태양광 발전시스템을 계통연계하여 전기를 한국전력에 판매하려면 발전사업권을 취득하여야 하나 태양광 발전사업권을 취득하는 과정이 너무 복잡하여 수십 kw 정도의 소규모 태양광발전사업자에게 큰 부담이 되고 있어 농업시설물을 이용 등과 같은 소규모 발전 사업자에게 발전사업권을 취득하는 과정을 단순화 할 필요가 있다.
3. 제1협동 제1위탁
가. 실험돈사내에서 열회수 환기장치의 효율을 검증한 결과, 가동 여부에 따른 온도의 분포는 가동하지 않은 상황에 비해서 균일하게 나타났으며, 상대습도의 경우에는 일반적인 환기장치를 이용하는 것이 효과적인 것으로 판단되었다.
나. 또한, 실험돈사 내부의 CO2 농도는 환기팬과 열회수 환기장치를 가동한 경우를 살펴보면, 가동하지 않은 경우에 비해서 낮은 농도를 나타냈으며, 이는 내부의 이산화탄소 농도를 제어하기 위한 환기율은 확보되는 것으로 판단되었다.
다. 군위군 소재 무창돈사(비육사)에서 열회수 환기장치를 이용하여 환기효율을 검증한 결과, 내부온도는 열회수형 환기장치 가동 전, 후에 따른 돈사 내부 온도는 가동 후 평균 0.6℃ 정도 상승한 것으로 나타났으며, CO2 농도는 열회수형 환기장치를 가동 전, 후 약 1,000 ppm이상 낮아지는 것으로 나타났다. 이는 겨울철 돈사환기에서 에너지의 재이용 측면에서 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
라. 무창돈사 내부에서 열회수형 환기장치로 빠져나가는 공기(RA)는 약 28∼30℃로 측정되었고, 열교환 후 무창돈사 내부로 급기(SA)되는 공기는 약 21∼24℃로 측정되었고, 열회수형 환기장치의 현열교환효율은 약 45∼55%로 기존 열회수형 환기장치의 교환 효율보다 다소 낮은 것으로 나타났다. 이는 실험에 이용된 무창돈사내 공기가 완전히 밀폐되지 않은 것으로 판단되며, 밀폐상황에서는 매우 효과적으로 이용 가능할 것으로 판단되었다.
마. 경북 상주시 소재, 육계사 내 열회수형 환기장치를 이용한 효율을 검증한 결과, 약 67.74%로 나타났으며, CO2 농도의 경우, 가동 전, 후를 비교했을 때, 상층부, 중층부, 하층부 모두 1000ppm 가량 낮아 진 것으로 보아 열회수형 환기장치 가동은 CO2를 감소시키는데 효과적이라는 것을 알 수 있었다.
4. 제2협동 제2위탁
(1) 결론
본 연구는 현재 우리나라의 기존 지어진 축사와 축사표준 설계도를 건물의 배치, 평면, 입면, 단면 및 구조의 형태 등을 비교 분석하였고, 여기에 태양에너지 이용하기 위한 시설물을 지붕에 설치할 경우 이로 인하여 건물에 미치는 영향과 그에 따른 구조 안전의 문제점이 발견 되었으며 이에 해결방안을 마련하였다.
가. 축사가 지어질 지형적, 기후적, 경제적 그리고 건축주의 개인적 관점 등 기타 여러 가지 이유로 표준 축사의 표본을 찾기가 어려웠다
나. 『2008년 축사표준설계도』를 비교 분석한 결과 이 도서를 만들어진 시점의 법적구조 기준과 현재의 법적구조기준이 많이 바뀌었으며 이를 현재에 그대로 적용하여 표준축사를 신축하기 힘든 실정이다.
다. 태양에너지 이용 표준 축사 (돈사, 육계사) 표준구조설계
- 표준 육계사 및 표준 돈사 표준설계도서의 구조설계기준은 AIK-ASD83(강구조 설계기준 허용응력도 설계법 1983) 및 건축물의 하중기준(대한건축학회 2000)으로 설계되었으나 이후 구조 설계기준 등이 변경되어 KSSC-LSD09(현 강구조 설계기준 한계상태 설계법 2009)로 적용된다.
- 표준 육계사 및 표준 돈사 태양광설비 설치에 따른 지붕구조하중 0.3kN/m2 및 습설하중 0.25kN/m2추가 적용
- 지진하중의 적용 등 세부기준 변경에서 새로운 건축구조 기준을 적용한 태양에너지 이용표준 축사 (돈사, 육계사) 표준구조설계도 제안하였다.
라. 태양에너지 이용 표준 축사 (돈사, 육계사) 표준구조설계와 『2008년 축사표준설계도』를 비교하면 기둥, 지붕 부재 등 전반적으로 구조의 부재 크기가 커졌지만 이는 법적 구조설계 기준의 변화로 인한 요인이 매우 크며, 단순 태양에너지 이용 시설물의 설치로 인한 경제적 부담의 경미할 것으로 판단된다
(2) 향후 연구방향
본 연구를 통해 태양에너지 이용 축사 건축구조 설계기준을 제안하였으나 추후에도 지속적으로 바뀌는 법적구조설계기준에 대응할 수 있는 유동적인 제안이 계속 이루어져야 할 것이다. 그리고 본 연구가 에너지를 생산하여 활용하는데 초점이 맞춰 있지만 향후 생성된 에너지가 손실이 되지 않도록 현행 법규나 기준이 제시되지 않은 축사건축물의 외부단열기준을 제안하기 위한 연구가 필요하다.
Korea is the world’s second largest countury in the ratio of increase of energy consumption, and 97% of total demand of energy (27% of total importation, 100 trillion won) is imported.
Thus, Korea is the tenth largest country in the world for energy consumption. And, carbon dioxide (CO2
Korea is the world’s second largest countury in the ratio of increase of energy consumption, and 97% of total demand of energy (27% of total importation, 100 trillion won) is imported.
Thus, Korea is the tenth largest country in the world for energy consumption. And, carbon dioxide (CO2) emission quantity of Korea is the world’s ninth largest (620 million tons; year 2018), and the accumulated quantity is the world’s 22nd largest. Though the plan for reduction of CO2 emission is to reduce 27,776,000 tons of that, which was 4% amount of CO2 emission in 2005, until year 2020, it is practically difficult. The increase of CO2 emission until 2010 was 668,800,000 tons, and it is expected that the amount of 813,000,000 tons is added. Especially, since it has some limitation to reduce energy consumption in agricultural fields, more active plan for decreasing the agricultural energy consumption is required. In this study, for reducing the energy consumption in pig house and broiler house which are agricultural facilities, solar energy system utilizing the roof was presented. And, related to the solar energy system, the analysis of the building structures, the development of the standard design drawing, and the demonstrative operation had been performed. Also, through the analysis of the characteristics of the energy use in pig house and broiler house, the energy utilization model, the related drawbacks and the improvement plan were presented.
Main results of this study are as below.
The pig house in Gunwi county and the broiler house in Sangju city were selected to the target agricultural facilities. In order to enhance the efficiency of the solar heat system installed at the roof, the azimuth and tilt angles, and the stability are very important. However, because the livestock built in agricultural and forestry area is limited to construct solar heat system, the modification of agricultural land law is required. And the problems related to the azimuth and tilt angle of the roof, and the classification of agricultural lands. Considering the agricultural land and the azimuth angle, among current pig houses, the houses of 10.9% could be installed with the solar heat system. For broiler houses, the houses of 20.6% are able to utilize the roofs for constructing solar heat system. Total amount of solar heat energy from the pig houses were utilized to the fermentation of livestock manure. In broiler houses, the energy was utilized to increase inside temperature of the houses. The facilities of photovoltaic energy are less influenced by the azimuth and tilt angles due to the characteristics of the photovoltaic module. However, since the process acquiring the license for generation of electricity is so complex, it is burdensome for the licensee of photovoltaic power generation who generate the electricity of several tens kW. Therefore, the simplification of the licensing process is needed. In the case operating the ventilation fan and energy recovery ventilator, the CO2 concentration inside test pig house was higher than that in the non-operating case. From this result, it can be considered that the ventilation fan and energy recovery ventilator are partially efficient for controlling the concentration of CO2. And, from the result of validation of the ventlation efficiency, the inside temperature of the pig house after operating the energy recovery ventilator increased in 0.6 ℃ compared than that before operating the ventilator. And the concentration of CO2 decreased in more than about 1000 ppm. These results show that the ventilation of pig house can provide the positive effect in the view of energy reuse. And, the air temperature discharging from the energy recovery ventilator was recorded at 28~30 ℃, and the inflow air temperature to the pig house was 21~34 ℃. The sensible heat exchange efficiency of the ventilator was 45~55%, the value was somewhat lower than that of existing ventilator. In the case using the ventilator in broiler house, the efficiency was 67.4%, and the concentration of CO2 decreased in about 1000ppm at the all areas of the top, middle and bottom regions. Therefore, it is concluded that the ventilator is efficient for reducing the CO2 concentration.
In installing the agricultural facilities for using solar energy in pig house and broiler house, the effects on the building structure and the structural safety issues were analyzed. And, according to these analysis, the standard design drawings of the pig house and boiler house had been newly developed considering the increase of the solid load due to the installation of solar energy system.
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