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에너지 절감과 생산성 향상을 위한 신개념 온실 설계를 위한 기초연구
이종원 ( J. W. Lee ),이현우 ( H. W. Lee ),나욱호 ( W. H. Na ) 한국농공학회 2013 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2013 No.-
2010년말 기준으로 국내 온실면적은 53,136ha로 단동비닐하우스가 88.6%, 연동플라스틱온실이 10.1%, 유리온실이 0.7%를 차지하고 있으며, 전체 시설면적 중 연동온실이 10.8%에 불과하여 경쟁력 있는 시설작물 생산을 위해서는 자동화 및 복합환경제어시스템 등을 갖춘 첨단온실의 비율 증가 등 시설구조 변화가 절실하다. 국내 온실은 1992년부터 시작된 정부의 시설원예 현대화 지원사업의 일환으로 국내 유리온실 표준설계도가 1997년에 작성되어 지금까지 시행되어져 왔으며, 2001년 농가보급형 자동화하우스(1-2W형) 표준설계서가 작성된 후 수정ㆍ보완되어 2010년에는 원예ㆍ특작시설 내재해형 규격 설계도ㆍ시방서에 자동화비닐하우스 3종이 보급되고 있다. ’97년에 작성된 한국형 유리온실 표준설계도의 온실 측고는 4.0~4.3m로 최근 환경조절성능이 우수하고 생산성이 뛰어난 것으로 평가받은 온실의 측고는 5.0~6.0m 이다. 그리고 국내에서 개발된 자동화비닐하우스(1-2W형)는 경제성이 우수하나 측고가 2.7m에 불구하며, 이중구조, 권취식 환기창 등 구조가 복잡하여 시공성, 작업성, 유지관리 측면에서 보완ㆍ개선되어야 한다. 농촌진흥청의 연구자료(농업경영정보 08-10, 화란의 시설원예 경영분석)에 따르면 ’06년 화란의 시설채소 10a당 소득은 한국의 비닐하우스에 비해 낮으나, 한국의 유리온실에 비해서는 높은 것으로 나타났으며, 조수입은 화란, 한국 유리온실, 한국 비닐하우스 순으로 높고 경영비는 비닐하우스가 유리온실의 1/4~1/2 수준으로 낮은 것으로 나타났다. 그러나 국내 과채류 생산성은 화란과 비교하여 1/2~1/10 수준으로 단위면적(m2)당 생산량은 파프리카는 화란 30kg, 국내 19kg이며, 토마토는 화란 60kg, 국내 10kg로 많은 차이가 나고 있으며, 국내 유리온실(측고 3.8m)과 1-2W형 플라스틱온실(측고 2.5m)의 파프리카 단위면적당 생산량은 14.1kg, 7.8kg으로 유리온실의 생산성이 80% 높은 것으로 조사되었다. 국내 연동온실의 80%이상이 사용연수 15년 이상된 것으로 시설 노후화로 생산성이 떨어짐과 동시에 최적환경제어를 위한 투자가 어려운 실정이며, 최근에는 유리온실의 생산성과 비닐하우스의 경제성의 장점을 갖춘 신개념 온실이 전국적으로 36.9ha, 건축비 400억원 규모로 빠르게 보급되고 있으나, 신개념온실에 대한 표준설계도가 없어 지역별로 온실의 성능 및 시공가격에 차이가 많고, 재해발생시 피해보상기준 산정도 곤란한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 신개념 온실의 규격 및 내부 설비 표준화를 위하여 유리온실를 제외한 연동비닐하우스중 1-2W형을 제외한 연동비닐하우스를 대상으로 현장조사를 수행하였다. 조사대상은 각 도청을 방문하여 신개념 온실이 있는 지역을 추천받아 각 군청과 농업기술센터의 협조를 구하여 결정하였으며, 조사대상지역은 전남(장흥군외 5개 시군), 전북(장수군, 정읍시), 경남(합천군, 창원시), 경북(청송군, 경주시), 울산광역시 및 강원(철원군외 3개 군) 총 16시군이다.
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플라스틱온실의 피복방식에 따른 보온성능 및 광환경 평가
이현우 ( H. W. Lee ),김영식 ( Y. S. Kim ),심상연 ( S. Y. Sim ),이종원 ( J. W. Lee ),소레이멘디옵 ( S. Diop ) 한국농공학회 2013 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2013 No.-
본 연구는 우리나라 상업용 온실의 보온성능 및 광투과 성능을 개선할 수 있는 피복방식을 결정하는데 필요한 자료를 제공하기 위하여 토마토 재배용 실험온실의 세 가지 피복방식에 대한 보온효과 및 광투과 특성을 평가하였으며 결과를 요약하면 다음과 같다. 공기주입 이중피복온실과 관행 이중피복온실의 관류열손실량이 거의 비슷한 것으로 나타났으나 외부기온이 비슷할 때 피복재와 보온커튼 사이의 온도가 공기주입 이중피복온실이 더 낮게 나타난 것은 공기주입 이중피복온실의 경우 나비식 천창의 틈새로 인한 환기전열손실이 크기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 공기주입 이중피복온실에서 나비식 천창을 사용할 경우 틈새 환기전열손실을 줄일 수 있는 대책이 수립되어야 할 것으로 판단된다. 일중피복온실과 관행이중피복온실의 관류열전달계수에 대한 온실실험결과와 모형실험결과를 비교한 결과 모두 비슷한 값을 나타내었다. 이러한 결과는 측정된 관류열전달계수가 타당성 있는 값임을 보여주는 것이며 향후 온실의 난방설계시 직접 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 공기주입 이중피복온실이 비록 일중피복온실보다는 광투과율이 낮으나 동일한 이중피복온실인 관행이중피복온실보다 광투과율이 높기 때문에 보온을 위해서 이중피복을 설치할 경우에 광투과율을 확보하기 위해서는 공기주입 이중피복방식을 채택하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 공기주입 이중피복온실에 비해 일중피복온실의 피복재 내부표면에서 발생하는 결로량이 큰 이유는 일중피복온실의 피복재 내부표면온도가 훨씬 낮기 때문에 피복재에서의 포화습도가 작아져 내부공기의 절대습도와의 차이가 증가하기 때문인 것으로 판단된다.
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이종원 ( J. W. Lee ),나욱호 ( W. H. Na ),강금춘 ( G. C. Kang ) 한국농공학회 2013 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2013 No.-
2010년 딸기생산액은 10,542억원으로 1980년 1,041억원의 10배 수준이며 전체 농업생산액의 2.53%, 채소 생산액의 12.6%를 차지하는 주요한 과채류이며, 시설딸기의 재배면적은 ’10년 6,841ha로 딸기 전체의 97.1%를 차지하고 있으며 시설채소 재배면적의 10.3%, 시설과채류 재배면적의 14.6%에 달하고 있다. 시설딸기는 토경재배와 고설재배로 나눌 수 있으며, 고설재배 면적이 ’07년 55ha에서 ’11년 244ha로 5년 동안 4배이상 증가하였다. 이러한 딸기의 생육에 가장 적합한 온도는 낮에는 17~18℃, 밤에는 10℃ 내외이며, 온도가 25℃를 넘으면 생육이 떨어지고 30℃ 이상의 고온에서는 생육이 정지된다. 일반적으로 딸기를 재배하고 있는 수막에 의한 보온형 딸기 재배 단동온실의 내부기온은 외기온이 0℃이하로 떨어지면 10℃ 내외를 유지하기 힘드며, 수막대신 다겹보온커튼을 이용할 경우 보온효과가 약 3.8℃ 향상되는 것으로 나타났으나 다겹보온커튼의 초기설치비가 10,000원~12,000원/m2 소요되는 관계로 설치비의 경감을 위한 기술개발과 정책적 지원이 따라야 하는 한계가 있다. 딸기 재배가 이루어지는 9월말~익년 5월 주간의 외기온이 15℃이상이 되면 온실 내부온도는 25℃를 넘게되어 측면환기를 통해 환경조절을 하며, 시설딸기는 저온성 작물로 대부분 단동형 온실에서 수막 등에 의한 보온위주로 재배되고 있으나, 최근 고설재배의 급증으로 가온을 위한 난방에너지 소비가 급증하고 있다. 따라서 고유가로 인한 시설딸기 재배 농가의 경영부담이 가중되고 있어, 에너지 절감형 시설에 대한 요구가 증대하고 있으며, 수막보온을 위주로 하는 딸기재배 역시 보온력을 향상시켜 수자원의 낭비를 줄여야 할 것으로 판단된다. 온실의 천ㆍ측창이나 틈새를 통해 외부로 손실되는 환기전열량은 전체 난방에너지의 약 10~20%를 차지하고 있어, 환기전열 손실을 최소화 할 수 있는 완전 밀폐형 온실 구조와 난방 에너지절감을 위한 온실내부 주간 잉여 태양에너지의 축열을 통하여 야간에 가온을 할 수 있는 시설딸기 재배용 축열 온실을 설계하여 시공하였다. 시설딸기 재배용 온실 구조는 작업성을 고려한 고설재배시스템의 규격을 우선적으로 설계한 후, 고설재배시스템과재배면적 효율성을 고려하여 온실의 폭, 처마높이 및 동고를 결정하여 지역별 내재해형 설계기준에 대한 구조안전성을 검토하여 결정하였다. 그리고 축열시스템은 주간 온실내부 공기를 축열층으로 유입시킬 수 있는 축열시스템과 축열층 내부공기를 온실로 유입시킬 수 있는 방열시스템으로 구성하였으며, 축열재료는 쇄석으로 하여 축열층 두께는 80cm로하여 실험용 온실을 시공하였다. 이러한 실험온실에서 딸기를 재배하면서 축열 및 방열 특성, 온실 내부 온습도 변화 등을 구명한 후 딸기재배에 적합한 축열온실의 최적화를 통하여 추후 농가 실증시험을 수행하고자 본 연구를 수행하였다.
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이종원 ( J. W. Lee ),이현우 ( H. W. Lee ),나욱호 ( W. H. Na ),이시영 ( S. Y. Lee ) 한국농공학회 2013 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2013 No.-
원예특작시설은 구조물의 자중이 적은 경량뼈대구조로 구성되어 있어 기상재해에 취약한 실정이다. 원예시설 면적 중 자연재해에 취약한 비닐하우스가 전체 시설의 98.8%를 차지하고 있고, 인삼재배시설 또한 대부분 목재시설로 되어 있어 강풍이나 폭설에 매우 취약하여 기상재해로 인한 원예특작시설의 피해가 매년 반복적으로 발행하고 있다. 이러한 재해경감대책의 일환으로 2007년 4월에 ‘원예특작시설 내재해형 규격 설계도ㆍ시방서’을 1차 농림부 고시하여 원예특작시설 내재해형 모델을 보급하고 있으며, 현재는 농림수산식품부 고시 제2010-128호(2010.12.7.)로 4차 개정한 상태이다. 내재해형 규격시설은 지역별 내재해 설계하중 기준인 지역별 재현기간 30년에 해당하는 설계적설심과 설계풍속 이상으로 설계된 시설에 한하여 인정하고 있다. 단, 지역별 내재해 설계하중 기준의 최고 적설심 40cm을 상회하는 지역의 경우 관계전문기관(기술사)의 구조해석을 거쳐 지역별 내재해 설계하중기준에 맞게 시설을 설치한 것을 입증하는 경우에만 내재해형 규격으로 인정하고 있다. 현재, 농림수산식품부 고시 ‘원예특작시설 내재해형 규격 설계도ㆍ시방서’의 지역별 내재해 설계기준 적설심은 5츠 간격으로 나타내어져 있어 등급구간별 하중의 격차가 심하고, 설계적설심이 제시된 지역도 동일하지 않은 실정이다. 그리고, 기준에 표시되지 않은 시ㆍ군의 경우 인접 시ㆍ군의 적설심과 풍속의 평균값을 적용하도록 되어 있어 활용도가 떨어지고 있다. 따라서, 이러한 문제점을 개선함과 동시에 최근 기상자료가 반영된 지역별 내재해형 설계적설심을 산정하여 ‘원예특작시설 내재해형 설계하중기준’을 수정할 수 있는 정책자료를 제공하고자 본 연구를 수행하였다. 최근 기상자료를 포함하여 본 연구에서 분석한 원예특작시설 내재해형 설계하중과 기존 원예특작시설 내재해형 설계하중(2010. 12. 7고시)의 중앙값(예, 20~25범위 중앙값 22.5), 건축구조기준(KBC 2009), 강풍 및 대설 위험도 산정 기법개발(소방방재청, 2009) 및 이상기후에 대비한 시설기준(국토해양부, 2010)에 제시된 설계풍속을 비교하였다. 기존 원예특시설 내재해형 설계적설심이 본연구의 설계적설심보다 2.0m/s이상 과소평가된 지역은 전남 나주를 포함하여 28개 지역이며, ±2.0m/미만인 지역은 경남 함양을 비롯한 44개지역, 2.0m/s이상 과대평가된 지역은 전북 김제를 포함하여 91개 지역인 것으로 나타났다. 강원 강릉, 고성, 동해, 삼척, 속초, 양양, 정선, 태백, 평창, 경북 울릉, 경기광주, 전남 나주, 담양, 무안, 장성, 전북 고창, 정읍은 10cm이상 과소평가된 지역으로 기존의 내재해형 설계적설심으로 설계할 경우에는 구조적인 안전에 문제가 있을 것으로 판단이 되며, 강원 양구, 인제, 화천, 경남 창원, 밀양, 고성, 거제, 통영, 울산, 경북 경주, 봉화, 경기 인천, 화성, 안산, 전남 완도, 고흥, 곡성, 여수, 전북 남원, 충남 보령 및 태안지역은 설계적설심이 8cm이상 과대평가되어 본 연구에서 도출된 설계적설심으로 원예특작시설을 설치할 경우 상당한 금액의 시공비를 절감할 수 있을 것으로 판단된다.
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