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정석환 ( Sukhwan Jeong ),송형운 ( Hyoungwoon Song ),허덕재 ( Deogjae Hur ) 한국농업기계학회 2016 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.21 No.2
온실은 재배작물의 성장에 필요한 온도, 습도 등의 조건을 최적의 상태로 일정하게 유지하는데 큰 도움을 준다는 장점이 있다. 재배 환경을 일정하게 유지하기 위해 꼭 필요한 것이 내부 공기를 교환해주는 환기이다. 환기창을 열어 필요이상으로 상승된 온실 내부의 공기를 차가운 공기와 교환하거나, 내부에 설치된 팬으로 강제대류를 유발해 환기시키는 방법 등이 사용된다. 본 연구에서는 팬의 가동 여부에 따라 자연대류, 강제대류로 구분한 환기종류, 천창과 측장의 개폐여부, 외부풍속 조건에 의한 온실 내부의 온도/환기특성을 열-유동 해석을 통해 고찰하였다. 온실은 13개의 동(26개의 곡부)으로 구성되어 있고, 전체 크기는 W98 x L106 x H7.2 [m] 이다. 천창은 곡부 당 하나씩 설치되어 있다. 온실 내부 팬 가동 여부에 따른 환기종류(자연, 강제대류), 천창 개방 방법(한창, 양창개방), 천창 개방 각도(50, 100%), 외부 풍속(1, 3m/s)에 따른 환기 특성을 비교하기 위해 20case의 해석을 수행하였다. 열-유동 해석을 위해 온실 내부 유동장, 외부 유동장, 비닐 온실 세부분으로 유한요소모델을 구성하였다. 온실 내부가 비닐에 의해 외부 유동장과 구분되어지며, 열려있는 환기창을 통해서만 유동장을 공유하도록 하였다. 온실 내부와 외부 유동장은 3D 요소, 비닐 온실은 Shell 요소로 구성하였다. 온실 내부와 외부 유동장은 공기로, 온실의 비닐은 폴리올레핀 필름으로 구성하였다. 강제대류의 경우 온실 내부에 설치되는 팬의 정압곡선을 하중조건으로 부여하였다. 온실 내부 초기온도는 60℃, 외부 공기의 초기온도는 35℃로 설정하였다. 필요이상의 온도를 신속히 적정온도로 낮추기 위해선 환기가 빠를수록 유리할 것이다. 온실 내부 유동장과 외기와의 열교환 면적이 넓을수록, 차가운 외부의 공기가 빨리 유입될수록 환기 속도가 빠를 것이다. 총 10분 동안의 환기 시간 동안 환기 조건에 따른 온실 내부의 온도분포와 온도하강 속도의 차이를 비교한 결과, 전반적으로 자연대류 보단 강제대류가, 풍속이 높을수록, 측창이 닫힌 것보단 열린 것이, 천창 하나만 열린 것보단 두 개가 열린 것이, 천창이 많이 열려있을수록 환기효율이 높다는 것을 확인하였다.
이현주 ( Hyunju Lee ),송형운 ( Hyoungwoon Song ),허덕재 ( Deogjae Hur ) 한국농업기계학회 2016 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.21 No.2
온실은 작물의 무게에 의한 하중이나 외부의 환경적 요인에 의해서 구조해석을 수행하여 안정성검토를 수행한다. 일반적으로 온실 모델의 구조해석은 빔요소로 단순화하여 해석을 수행하고 있으나, 단순화된 1-D 빔요소 모델은 브라켓 및 용접 형상 등의 연결형태가 반영되지 않아 체결방식에 대한 구조적 영향을 고려할 수 없다. 이에 본 연구에서는 체결부에 발생하는 응력을 검토하기 위해2-D 쉘요소와 3-D 솔리드 요소를 활용하여 온실 모델의 취약부 예측 및 개선안을 고찰하였다. 해석에 활용된 온실 구조물은 벤로형 2-Span 8m 중폭의 연동 구조이며, 아연도 강관의 파이프골조의 구조물이다. 해석모델은 온실구조의 대칭 구조를 고려하여 1/4 대칭모델로 구축하였다. 하중조건은 온실구조 설계기준에 의거하여, 온실의 설비, 작물의 무게와 적설에 대한 영향을 고려하였다. 설비하중은 바닥면적당 7kg/m², 작물하중은 15kg/m²이다. 또한, 적설하중은 지붕곡부의 할증률을 고려하여 산정하였으며 고정하중을 고려하기 위해 자중을 인가하였다. 해석 수행 결과 설계하중과 적설하중에 의해 트러스와 아치빔이 처지는 변형이 발생하였으며, 이로 인해 부재의 연결부에서 허용응력을 초과하는 응력이 발생하였다. 트러스의 하현재와 사재의응력 집중현상이 완화될 경우 구조적 안정성이 확보될 것으로 판단되어 트러스의 연결부 강성을 보완하고 해석을 수행하였다. 그 결과 트러스의 변형이 감소하였고, 설계 기준을 만족할 수 있었다. 2-D 쉘요소와 3-D 솔리드 요소을 활용한 모델은 빔 모델보다 해석 시간이 길어지는 단점이 있지만, 체결부에 대한 취약부 예측이 가능하고 보완이 가능하였다. 따라서 기본 부재를 결정을 하는 단계인 개념설계 단계에서는 1-D 빔요소로 단순화하여 모델을 검증하고, 체결방법 및 브라켓 형상등을 결정하는 상세설계 단계에서는 본 연구에 활용된 해석방법을 적용한 온실 안정성 검토가 이루어져야 한다.