논문 : 생물생산시설 및 환경공학 ; 연속형 천창을 가진 벤로형 온실의 자연환기 특성 분석

권진경 ( Jin Kyeong Kwon ),이성현 ( Sung Hyun Lee ),성제훈 ( Jae Hoon Seong ),문종필 ( Jong Pil Moon ),이수장 ( Soo Jang Lee ),최병민 ( Byeong Min Choi ),김경자 ( Kyeong Ja Kim ) 한국농업기계학회 2011 바이오시스템공학 Vol.36 No.6

In this study the characteristics of natural ventilation of Venlo-type greenhouse with continuous roof vents were analyzed using commercial computational fluid dynamics (CFD) code. Developed CFD simulation model was verified by comparison with experimental data. Simulation errors were 1.9-46.0% for air velocity and 1.7-11.2% for air temperature at each measurement point. CFD simulations were conducted to estimate the effect of roof vents opening direction, opening angle, outside wind velocity and wind directions on ventilation rate and climate condition in greenhouse. The results of this study showed that ventilation rate of the present greenhouse was increased linearly in proportion to the increase of roof vent opening angle and outside wind velocity over 2.0 m/s. According to the analysis on the effects of different roof vent opening direction, simultaneous opening of wind and leeward vents showed the highest ventilation rate and lowest mean temperature in greenhouse.

화아분화 촉진을 위한 제자리 육묘 딸기 국소냉방 시스템 분석

권진경 ( Jin Kyung Kwon ),김승희 ( Seung Hee Kim ),신영안 ( Young An Shin ),이재한 ( Jae Han Lee ),박경섭 ( Kyeong Sub Park ),강연구 ( Yeon Koo Kang ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.2

딸기는 대표적 저온성 작물로 국내 시설딸기 육묘시기의 시설온도는 35°C 이상으로 화아분화 불량으로 인한 수확 감소와 기형과의 발생이 빈번하다. 또한 촉성재배 딸기의 정식이 끝난 9월에도 온실내부의 온도는 상당히 높아 1, 2차 액화방의 화아분화가 지연되어 정과방 수확 후 수확의 중간휴지기가 발생한다. 촉성 딸기의 가격은 수확 개시부터 종료까지 계속 낮아지므로 상기의 초기 액화방의 수확지연은 농가의 소득에 영향을 미친다. 환기, 차광, 증발냉각 등의 온실 온도저감 대책은 그 효과가 제한적이며, 딸기의 화아분화 촉진 방법으로 제시되는 저온 단일 처리, 단근, 질소흡수 억제, 호르몬 처리 등은 과도한 에너지비용 또는 정확한 처리방법의 구명이 요구된다. 본 연구에서는 딸기의 1, 2차 액화방의 화아분화촉진을 위하여 정식 시 단근처리와 작물체 국소냉방을 조합한 재배시험을 수행하였다. 잔열기 작물체 온도 민감부 국소냉방과 동절기 에너지 절감을 위한 국소난방을 수행하기 위한 딸기 관부 및 근권부 국소냉난방 시스템을 제작하여 냉방 성능시험을 수행하였다. 국소냉난방 시스템은 공기-물 히트펌프(3RT), 축열조(2 ton), 물펌프(3대), PE 유연배관을 이용하였으며 국소 냉난방은 촉성 설향 딸기의 관부에 PE배관을 접촉하거나 고설베드 바닥에 PE배관을 설치하여 근권부를 냉방하였다. 축열조 설정온도 15°±0.5°C를 기준으로 히트펌프를 ON/OFF 제어하였으며, 축열조와 PE 배관사이의 펌프는 고설베드에 설치된 2열의 입수, 출수 PE 배관의 평균온도 20±0.3°C를 기준으로 ON/OFF 제어하였다. PE 배관은 관부 및 근권부국소냉방 시험구 모두 리버스리턴 방식이며 PE 배관에 연결된 온실 내외부 물배관은 모두 단열 처리하였다. 공시품종은 ‘설향’으로 2중피복 단동온실의 고설베드에 2017년 8월 31일 정식하였다. 처리구는 무처리 온실, 근권부 냉난방 온실, 관부 냉난방 온실의 3동으로 고설베드가 각각 4열씩 설치되어 있으며 축열조는 냉난방 대상 온실 2동에 각각의 물펌프로 연결되어 있다. 정식묘는 단근처리묘(6월 30일 러너꽂기, 8월 31일 단근), 비단근묘, 육묘장 구입묘 3종을 각 베드에 1/3씩 정식하였으며 2017년 9월 1일부터 히트펌프를 가동하여 국소냉방을 수행하였다. 국소냉방 시스템의 1개월간 성능분석 결과 관부 평균온도는 무처리 온실이 26.3°C로 온실기온보다 2.7°C 높고, 근권부 냉방은 23.6°C로 온실기온과 같았으나, 관부냉방은 19.1°C로 온실 온도보다 4.3°C 낮았다. 근권부 온도는 무처리 26.3°C, 근권부 냉방 22.1°C, 관부 냉방25.2°C로 나타났다. 냉방 및 정식묘 종류별로 화방출뢰 및 개화 속도, 냉방 에너지사용량 등을 분석 중이며, 10월 중 국소난방으로 전환하여 전 작기에 대한 수확 조진화, 에너지절감 효과 등을 분석할 예정이다.

전기발열체 난방기 및 유류온풍 난방기의 단동온실 난방 특성 비교

권진경(Jin Kyung Kwon),김승희(Seung Hee Kim),신영안(Young An Shin),이재한(Jae Han Lee),박경섭(Kyeong Sub Park),강연구(Youn Koo Kang) (사)한국생물환경조절학회 2017 생물환경조절학회지 Vol.26 No.4

본 연구에서는 서로 다른 열전달 특성을 가진 탄소섬유 전기발열체와 경유온풍난방기가 온실 내부의 온습도, 에너지소비, 작물생육 등에 미치는 영향을 분석하기 위해 오이 재배 단동온실에 대한 난방 비교시험을 수행하였다. 전기발열체 온실에서 난방용량이 온실 환경과 난방기 운전에 미치는 영향을 분석하기 위해 온실에 6, 9, 16kW의 전력을 각각 공급한 결과 전기발열체 ON-OFF 주기는 각각 9, 11, 15회로 비례하여 증가하였으며 온실내부 평균온도는 각각 15.2, 15.3, 15.6℃, 평균상대습도는 84, 81, 76%로 나타나 난방 용량이 클수록 온실내부 온도는 높고, 상대습도는 낮게 나타났다. 또한 6, 9kW가동 시 하부온도가 상부보다 0.1℃ 높았으며 16kW 가동 시는 상부 평균온도가 하부보다 0.2℃ 높았다. 전기발열체와 경유온풍난방기의 비교 시험에서는 난방 시 온실상부와 하부의 온도차가 전기발열체 온실이 0.1~0.2℃로 경유온풍난방기 온실의 0.5~0.6℃보다 작았으며, 온실 상류와 하류의 온도차는 전기발열체 온실이 0~0.1℃로 경유온풍난방기 온실의 1.3~1.4℃보다 작아 정밀한 온도관리가 가능하였다. 난방기간 동안 사용한 에너지사용량은 경유온풍난방기 온실이 경유 867L를, 전기발열체 온실이 전력량 8,959kWh를 사용하였으며, 난방비용은 각각 607천원과 403천원이 소요되어 전기발열체 온실에서 약34%의 비용절감 효과가 있었다. 전기발열체 온실의 경우 상대적으로 군락 상하부의 환경관리가 균일하여 초장을 비롯한 전반적 생육상황이 경유온풍난방기 온실보다 좋았으나 통계적으로 유의한 차이는 없었으며, 수확량 역시 전기발열체 온실의 작물군락 하부 온도가 경유온풍 난방기 온실보다 1.3℃ 더 높게 관리되어 4.3% 증수효과가 있었으나 통계적으로 유의한 차이는 없었다. 원예시설의 최적 난방 관리를 위해서는 각 난방기의 열전달 특성에 기초하여 난방기 용량, 배치, 열분배 방법에 대한 설계가 요구되며, 전열선 형태의 난방기 역시 작물형상 및 재배방법을 고려하여 전열선의 개수, 위치, 방열온도 등에 대한 설계가 필요한 것으로 판단되었다. The comparative experiments were conducted for single span greenhouses where cucumbers were cultivated to analyze the effect of heating between a carbon fiber electric heating element heater and an oil hot air heater in terms of the inside climate, energy consumption and plant growth. In order to analyze the effect of heating capacity, 6, 9, and 16 kW of electric powers were supplied to the electric heating element for same setting temperature of 15?. As a result, as the heating capacity increased, the number of ON-OFF cycles of the electric heating element and the temperature inside the greenhouse increased proportionally. In the comparison of two heaters, it was shown that the temperature and relative humidity distributions of the electric heating element installed greenhouse was much uniform than those of the oil hot air heater installed greenhouse. The heating energy consumptions during the heating period of 79 days were 867L for the oil hot air heater and 8,959 kWh for the electric heating element heater, and the heating costs were 607 and 403 thousand won respectively. In the electric heating element installed greenhouse, the cucumber growth was slightly better and the yield was 4.3% higher than those of the oil hot air heater installed greenhouse, but there were no statically significant difference in the cucumber growth and yield between greenhouses.

온실규격에 따른 방열비 및 열관류율 특성 분석

김형권 ( Hyung-kweon Kim ),김승희 ( Seoung-hee Kim ),권진경 ( Jin-kyeong Kwon ) 한국농업기계학회 2016 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.21 No.2

온실의 보온력은 방열비(바닥면적에 대한 표면적의 비), 보온자재(다겹보온커튼 등) 등에 따라 달라진다. 이에 따라 온실의 보온력 향상을 위해 온실 표면에 다겹보온커튼 등을 덮어 온실표면에서의 열저항을 높이기 위한 많은 연구가 이루어져 왔다. 그러나 내재형 온실의 형태에 따른 방열비를 분석하고, 온실의 바닥면적에 따른 열관류율의 변화를 분석한 연구는 찾아보기 어려웠다. 최근 연구에서 온실바닥을 통한 지중전열부하는 난방부하의 5~6% 이하로 보고되고 있으며, 표면적을 통한 관류열부하는 약 90% 정도로 보고되고 있다. 따라서 온실 난방부하의 대부분을 차지하는 관류열부하를 줄이는 것이 온실 난방부하 감소에 매우 중요하다. 이를 위해 작물이 재배되는 바닥면적은 최대한 넓히면서 열이 방출되는 표면적을 최소화하는 것이 농가경영에 바람직하다. 온실에서 바닥면적 증가에 따라 방열비의 감소폭이 커지는 것으로 나타났으나, 바닥면적이 일정규모 이상으로 큰 온실에서는 방열비의 감소가 극히 완만한 것으로 나타났다. 이러한 결과에서 규모가 지나치게 작은 온실은 보온력 향상에 불리한 조건임을 확인할 수 있었다. 온실 바닥면적에 따른 방열비의 변화를 살펴보면, 바닥면적이 약 400 ㎡ 이상인 경우에 07-단동-2형(폭 6 m, 동고3.3 m), 07-단동-1형(폭 5m, 동고 2.6 m), 07-단동-3형(폭 7 m, 동고 3.3 m), 07-단동-4형(폭 8m, 동고 3.6 m)의 순으로 방열비가 감소하는 것으로 분석되었다. 따라서 폭이 가장 넓은 07-단동-4형 온실의 보온력이 가장 우수하다는 것을 알 수 있었다. 07-단동-4형 온실에서 바닥면적에 따른 열관류율의 변화를 살펴보면, 바닥면적이 변화할 때 열관류율의 변화도 크게 나타났으나, 바닥면적이 일정규모 이상인 경우에는 열관류율도 일정한 수준을 유지하는 것으로 분석되었다.

반지하형 비닐하우스의 난방효과 분석

김승희 ( Seoung-hee Kim ),전종길 ( Jong-ghil Joen ),김형권 ( Hyung-kweonkim ),권진경 ( Jin-kyeong Kwon ) 한국농업기계학회 2016 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.21 No.2

우리나라 원예시설면적의 증가세가 둔화된 반면 가온 재배면적이 증가하고 있다. 온실 가온에 사용된 연료 중 유류 사용 비율은 `14년 85%로 유류에 대한 의존도가 대단히 높다. 국제유가의 변동은 시설원예농가에 큰 영향을 주게 되므로, 에너지 사용을 줄이기 위하여 새로운 개념의 반지하형 온실을 개발하였다. 시험 대상으로 설계한 온실은 태양광 유입에 유리한 3/4형 비닐온실(원예특작시설 내재해형 규격 설계도·시방서 단동-10-8형, 농식품부고시, 2014)을 기본 구조로 하였다. 시험용 온실은 반지하형 1동과 대조 시험구로 일반온실 1동을 30m 길이로 설치하여 시험하였다. 반지하형 온실은 지면에서 60cm 깊이로 땅을 파낸 후 구조물을 설치하고, 온실 내부에 형성된 흙벽체로 열이 전도되는 것을 방지하기 위하여 두께 100mm의 고밀도 스티로폼으로 단열하였다. 온실 외피복재는 PO필름과 내부에 다겹보온커튼을 설치하였다. 양쪽 온실에 20,000kcal/hr의 온풍난방기를 설치하여 16℃로 설정하고, 시험 기간 동안의 연료사용량을 기록하였다. 온실에 토마토(품종: 도태랑)을 2015년 12월 30일 정식하여 토경재배 하였으며, 2016년 3월 31일까지의 온습도, 일사량 등을 측정하였다. 시험결과, 반지하형 온실과 대조 온실의 실내 온도는 주야간 모두 양쪽 온실에 차이가 없었다. 온실 내부 습도는 반지하형 온실에서 낮 동안 약 8% 정도, 야간에도 약 4% 정도 높은 것으로 나타났다. 이는 반지하형 온실의 지하 흙 벽면이 온실 습도를 높이는데 기여한 것으로 보인다. 양쪽온실에 난방에 사용된 연료는 2월 중순까지 누적 사용량에 있어서는 반지하형 온실에서 약간 적게 들어간 것으로 보이나, 3월까지의 전체 사용량은 반지하형이 1,531L, 대조 온실이 1,537L로 양쪽 온실에 차이가 없는 것으로 나타났다. 이는 반지하형 온실의 단열 처리한 표면적만큼 외부로전달되는 열이 차단되었던 것으로 보인다. 따라서 반지하형 온실은 일반온실보다 내부 체적이 크지만 같은 양의 연료로 운영이 가능하므로, 에너지 절감과 온실내부 공간 활용 측면에서 효과가높은 것으로 판단되었다.

수막하우스의 유량 및 수온에 따른 열전달 특성 분석

김형권(Hyung-Kweon Kim),김승희(Seoung-Hee Kim),권진경(Jin-Kyeong Kwon) (사)한국생물환경조절학회 2016 시설원예‧식물공장 Vol.25 No.4

This study analysed overall heat transfer coefficient, heat transmission, and rate of indoor air heating provided by water curtain in order to determine the heat transfer characteristic of double-layered greenhouse equipped with a water curtain system. The air temperatures between the inner and outer layers were determined by the water flow rate and inlet water temperature. Higher water flow rate and inlet water temperature resulted in the increased overall heat transfer coefficient between indoor greenhouse air and water curtain. However, it was found that with higher levels of water flow rate and inlet water temperature, indoor overall heat transfer coefficient was converged about 10W·m<SUP>-2</SUP>·℃<SUP>-1</SUP>. The low correlation of overall heat transfer coefficient between water curtain and air within double layers was likely because the combination of greenhouse shape, wind speed and outdoor air temperature as well as water curtain affected the heat transfer characteristics. As water flow rate and inlet water temperature increased, the heat transferred into the greenhouse by water curtain also tend to rise. However it was demonstrated that the rate of heat transmission from water curtain into greenhouse with water curtain system using underground water was accounted for 22% to 28% for total heat lost by water curtain. The results of this study which quantify heat transfer coefficient and net heat transfer from water curtain may be a good reference for economical design of water curtain system.