구조 안전성 향상을 위한 온실 전용 구조해석 프로그램 개발

이종원 ( Jongwon Lee ),박순응 ( Sooneung Park ),이석건 ( Sukgun Lee ),이현우 ( Hyunwoo Lee ) 한국농공학회 2009 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2009 No.-

파이프 온실 구조는 안전성이 지나치게 강조되면 과다설계가 되어 자재의 낭비를 초래할 수 있으며, 과소 설계로 안전성이 확보되지 않으면 눈이나 바람에 의하여 온실의 파손으로 인한 막대한 피해를 입게 된다. 기존의 농업시설의 기상재해에 따른 경감대책으로 내재해형 규격시설과 보강방법에 대해 연구가 진행되어 왔으나 구조안정성 검토에 있어서 구조공학적 측면인 구조해석에 관한 연구는 미비한 실정이다. 그리고, 입력 조건이 간단하고 사용이 간편하여 전문지식이 부족하더라도 온실의 설계가 가능한 온실 자동설계 프로그램인 GreenSAD가 개발되었으나 선형구조해석을 기본으로 하고 있다. 일반적인 구조해석 방법은 크게 1차 탄성해석과 2차 탄성 및 비선형해석으로 구분된다. 1차 탄성해석의 가장 큰 특징은 변위를 아주 작다고 가정함으로써 재료의 항복을 무시한 변형이 거의 없는 기하학적 상태에서 평형방정식과 적합방정식을 세우는 것이다. 2차 탄성해석(기하학적 비선형해석)은 기하학적 비선형을 고려한 부재곡률효과와 횡변위 효과를 고려한 해석이다. 1차 소성힌지해석(재료 비선형해석)의 기본가정은 구조물이 하중을 받으면 소성저항모멘트에 도달하고, 소성힌지가 발생하면서 하중분배가 생긴다는 것이다. 즉, 소성힌지가 생기기전까지는 탄성거동을 한다고 가정한다. 2차 탄소성힌지해석(재료 및 기하학적 비선형해석)은 변형된 구조물의 기하학적 형상을 고려한 해석이다. 이 해석은 개별부재는 물론 전체 구조시스템의 극한 상태의 강도와 안전성을 충분히 예측할 수 있는 방법이다. 적설하중은 시간에 의존하여 점차 증가하므로 하중단계별 해석이 필요하다. 따라서, 실제 온실 구조의 거동을 정확하게 파악하기 위해서는 하중단계별 변형된 부재의 특성을 고려할 수 있는 기하학적 비선형 구조해석을 수행하여야 한다. 본 연구에서는 온실 구조물의 실제 거동을 잘 반영하기 위해서 온실의 구조해석이 기존의 선형해석에 국한되어 있는 것을 기학적 비선형해석, 소성해석, 재료 및 기하학적 비선형 해석과 최적설계가 가능한 온실 전용 구조해석 프로그램 GSAP(Greenhouse Structure Analysis Program)을 개발하는데 목적이 있다. 구조해석 방법별 결과에 따른 최적설계가 가능한 GSAP의 개발에 앞서 해석방법별 구조해석이 가능한 프로그램을 개발하고자 유한요소법을 기초로 트러스와 프레임 요소에 대하여 집중하중, 등분포하중에 대한 정적해석을 수행할 수 있는 구조해석 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램은 상용 구조해석 프로그램인 SAP2000과 결과를 비교ㆍ검증한 결과, 동일한 구조해석 결과를 얻을 수 있었다. 향후 전후처리기의 개발을 통하여 온실 전용 구조해석 프로그램인 GSAP이 완성이 되면 보다 정확한 온실 구조의 해석을 수행하여 최적설계가 가능 할 것으로 판단되며, 구조적 안전성 향상에 기여하는 한편 지역별 기상조건을 고려한 온실의 설계자료를 쉽게 제공할 수 있으며 다양한 형태의 단동온실 및 연동온실의 규격화 및 표준화에 이바지 할 수 있을 것으로 판단된다.

온실 환경요인의 공간적 및 수직적 특성 분석과 온실 종류에 따른 이산화탄소 농도 비교

정영애,장동철,권진경,김대현,CHOIEUN YOUNG (사) 한국생물환경조절학회 2022 생물환경조절학회지 Vol.31 No.3

This study was aimed to investigate spatial and vertical characteristics of greenhouse environments according to the location of the environmental sensors, and to investigate the correlations between temperature, light intensity, and carbon dioxide (CO2) concentration according to the type of greenhouse. Temperature, relative humidity (RH), CO2, and light sensors were installed in the four-different vertical positions of the whole canopy as well as ground and roof space at the five spatial locations of the Venlo greenhouse. Also, correlations between temperature, light intensity, and CO2 concentration in Venlo and semi-closed greenhouses were analyzed using the Curve Expert Professional program. The deviations among the spatial locations were larger in the CO2 concentration than other environmental factors in the Venlo greenhouse. The average CO2 concentration ranged from 465 to 761 µmol·mol-1 with the highest value (646 µmol·mol-1) at the Middle End (4ME) close to the main pipe (50∅) of the liquefied CO2 gas supply and lowest (436 µmol·mol-1) at the Left Middle (5LM). The deviation among the vertical positions was greater in tempe- rature and relative humidity than other environments. The time zone with the largest deviation in average temperature was 2 p.m. with the highest temperature (26.51°C) at the Upper Air (UA) and the lowest temperature (25.62°C) at the Lower Canopy (LC). The time zone with the largest deviation in average RH was 1 p.m. with the highest RH (76.90%) at the LC and the lowest RH (71.74%) at the UA. The highest average CO2 concentration at each hour was Roof Air (RF) and Ground (GD). The coefficient of correlations between temperature, light intensity, and CO2 concentration were 0.07 for semi-closed greenhouse and 0.66 for Venlo greenhouse. All the results indicate that while the CO2 concentration in the greenhouse needs to be analyzed in the spatial locations, temperature and humidity needs to be analyzed in the vertical positions of canopy. The target CO2 fertilization concentration for the semi-closed greenhouse with low ventilation rate should be different from that of general greenhouses. 본 연구는 환경측정용 센서 위치에 따른 온실 환경의 공간· 수직적 특성을 조사하고 온실 종류에 따른 온도, 광도 및 CO2 농도 간의 상관관계를 구명하고자 수행하였다. 벤로형 온실의 공간적인 5지점을 선정한 후 각 지점에서 대표적 작물의 수직적 높이 4지점과 지면부, 지붕 공간에 온도, 상대습도, CO2, 엽온 및 광센서를 설치하였다. 벤로형 온실과 반밀폐형 온실 에서 온도, 광도 및 CO2 농도 변화의 관계성을 Curve Expert Professional 프로그램을 이용하여 비교하였다. 벤로형 온실 의 공간적 위치에 따른 편차는 CO2 농도가 다른 요인보다 큰 것으로 나타났다. CO2 농도는 평균 465-761µmol·mol-1 범 위였고, 편차가 가장 큰 시간대는 오후 5시였으며, 최고 농도 는 액화 탄산가스 공급장치의 메인 배관(50∅)과 가까운 위치 인 중앙 후부(Middle End, 4ME)에서 646µmol·mol-1, 최저 농도는 좌측 중앙(Left Middle, 5LM)에서 436µmol·mol-1이었다. 수직적 위치에 따른 편차는 온도와 상대습도가 다른 요 인보다 큰 것으로 나타났다. 평균 기온의 편차가 가장 큰 시간 대는 오후 2시대이며, 최고 기온은 작물 위 공기층(Upper Air, UA)에서 26.51℃, 최저 기온은 작물의 하단부(Lower Canopy, LC)에서 25.62℃였다. 평균 상대습도의 편차가 가장 큰 시간대는 오후 1시대로 나타났으며, 최고 습도는 LC에서 76.90%, 최저 습도는 UA에서 71.74%이다. 각 시간대에 평균 CO2 농도가 가장 높은 수직적 위치는 지붕 공간 공기층(Roof Air, RF)과 시설 내 지면(Ground, GD)이었다. 온실 내 온도, 광도 및 CO2 농도의 관계성은 반밀폐형 온실의 경우 결정계수(r2) 가 0.07, 벤로형 온실은 0.66이었다. 결과를 종합하여 볼 때, 온실 내 CO2 농도는 공간적 분포, 온도와 습도는 작물의 수직 적 분포 차이를 측정하여 분석할 필요가 있고 환기율이 낮은 반밀폐형 온실의 경우 목표 CO2 시비 농도가 일반 온실과 다르게 설정해야 할 것으로 판단된다.

온실의 지붕형식이 구조안전성에 미치는 영향

이종원 ( Jongwon Lee ),이석건 ( Sukgun Lee ),이용범 ( Yong Beom Lee ),( Hyunwoo Lee ) 한국농공학회 2012 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2012 No.-

온실의 지붕형식은 크게 복숭아형, 아치형, 양지붕형이 있으며, 가장 많이 이용되고 있는 형식은 복숭아형이다. 복숭아형을 선호하게된 것은 폭설에 의한 온실의 피해를 경감시키고자 김 등(2002)은 시설형태별 피해 양상 및 플라스틱 온실의 구조적 안전성 문제 등을 현장 조사 분석을 통하여 아치형과 복숭아형 온실의 지붕 기울기를 처마높이에서 지붕중앙부위까지의 수직높이를 4등분하여 각 구간별 경사도를 산출하여 복숭아형 온실이 아치형 온실 보다 적설하중에 유리하다고 보고한데 기인한다. 이러한 노력으로 현재 농가에 보급되고 있는 단동온실과 연동온실의 지붕형태는 복숭아형으로 표준화 되어 있으나 지붕길이의 구간별 경사도만을 고려하여 눈의 흘러내리는 경향 등으로 분석된 결과이며, 현재까지 지붕형태에 따른 구조공학적인 검토는 이루어지지 않은 실정이다. 그리고, Kirsten(1973)의 연구결과에 따르면 지붕형상에 따른 온실내 직달광 투과율은 상당한 차이가 있으며 아치형 온실의 직달광 투과율이 가장 우수한 것으로 나타났다. 따라서, 본 연구에서는 지붕형식이 온실의 구조안전성에 미치는 영향을 분석하였으며, 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째. 단동온실의 경우 지붕형상이 아치형인 경우와 복숭아형인 경우에 부재에 발생되는 최대휨모멘트, 최대수평 및 수직변위량은 거의 유사한 것으로 나타났다. 설하중의 경우에는 복숭아형이 아치형보다 최대휨모멘트는 평균 1.7%, 최대수평변위는 14.4%, 최대수직변위는 7.4%정도 높게 나타났으며, 풍하중의 경우에는 복숭아형이 아치형보다 최대휨모멘트는 평균 2.7%, 최대수평변위는 16.1%, 최대수직변위는 10.1%정도 높게 나타났다. 둘째, 1-2W형 연동온실의 지붕형식에 따른 최대휨모멘트는 곡률반경이 증가할수록(아치형→복숭아형→양지붕형) 방풍벽과 기둥에서는 적설하중 재하시에는 곡률반경이 2,000cm(폭 7m)까지는 급격하게 감소하다가 완만하게 감소하는 나타났으며, 풍하중 재하시에는 곡률반경이 900cm(폭 7m) 전후까지는 거의 유사하게 나타나다가 곡률반경이 1,000cm(폭 7m) 전후로 증가하면 급격하게 증가한 후 거의 유사하게 나타났다. 그리고 서까래는 적설하중 재하시는 곡률반경2,000cm(폭 7m)까지는 급격하게 증가하다가 이후 완만하게 증가하였으며, 풍하중 재하시에는 곡률반경이 1,000cm까지는 급격하게 증가하다가 이후 완만하게 증가하는 것으로 나타났다. 셋째, 벤로형 연동온실의 지붕형식에 따른 최대휨모멘트는 적설하중 재하시 기둥은 양지붕형이 아치형에 비해 44%적게 발생하였으나, 서까래는 180% 증가하는 것으로 나타났다. 그리고, 풍하중 재하시에는 방풍벽은 거의 유사하게 나타났으나 서까래는 260%, 기둥은 17% 높게 발생하였다. 이상의 결과에서 아치형이 가장 구조적으로 안전한 것으로 나타나 광환경을 고려할 때 단동온실은 아치형으로 하는 것이 좋을 것으로 판단되며, 연동온실의 경우 천창환기방식에 따라 곡부권취식인 경우에는 아치형, 용마루개폐식인 경우에는 복숭아형이 유리한 것으로 판단된다.

과수재배 온실의 실태와 개선 방안

남상운 ( S. W. Nam ),고기혁 ( G. H. Ko ),신현호 ( H. H. Shin ) 한국농공학회 2013 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2013 No.-

본 연구는 과수재배 시설의 표준화 및 환경조절기술 개발을 위한 기초자료로 제공하는 것을 목적으로 과수재배용 온실의 실태를 조사하여 구조유형과 설계요소를 분석하고, 기상재해에 대한 안전성과 구조 및 환경관리에 대한 개선방안을 검토하였다. 시설재배 면적이 가장 많은 5개 품목 중 주로 제주도에서 재배되고 있는 감귤과 현재 재배온실을 찾을 수 없는 단감을 제외한 포도, 배 및 복숭아재배 온실을 연구대상으로 하였다. 감귤과 포도재배 온실은 꾸준히 증가하고 있으나 저장시설의 발달로 배와 단감재배 온실은 감소하고 있는 추세이다. 앞으로는 비가림 효과가 크고 저장성이 떨어지는 품목을 중심으로 과수재배 온실의 변화가 예상된다. 조사대상 온실 중 배 재배 온실과 복숭아재배 대형 단동온실을 제외하고는 대체로 보급형 온실의 규격을 따르고 있으며, 재배작목별로 특성화된 온실은 없는 것으로 나타났다. 과수재배 온실의 대부분은 농촌진흥청과 농림수산식품부에서 고시한 농가보급형 모델이나 내재해형 모델의 부재규격을 따르고 있었다. 기초는 대부분 콘크리트 기초를 사용하고 있었으며, 배 재배 온실의 경우에는 내재해형 모델보다 두꺼운 단면의 기둥을 사용하고, 강판을 기둥의 하단에 용접하여 매설한 형태의 특수한 기초를 적용하고 있었다. 조사대상 온실의 구조적 안전성을 검토한 결과 대부분 안전하였으나 김천과 천안의 포도재배 온실, 남원과 천안의 복숭아재배 온실에서 적설에 불안전한 것으로 나타났고, 남원의 복숭아재배 온실은 풍속에 대한 안전성도 부족한 것으로 나타났다. 또한 채소재배 온실을 복숭아재배로 전용한 온실의 경우 적설과 풍하중 모두 상당히 불안정한 것으로 나타났다. 과수의 수형, 수고 및 재식간격을 고려하여 과수 재배 온실의 적정규격을 검토한 결과 포도재배 온실은 폭7.0~8.0m, 측고 2.5~2.8m가 적당하고, 배와 복숭아재배 온실은 폭 6.0~7.0m, 측고 3.0~3.3m 정도가 적당한 것으로 판단된다.

다연동 온실의 자연환기 효과 분석을 위한 온실 모델링

박민정 ( Minjung Park ),최덕규 ( Duckkyu Choi ),강동현 ( Donghyeon Kang ),손진관 ( Jinkwan Son ),윤성욱 ( Sung-wook Yoon ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

국내 시설채소의 연동온실 면적은 2010년 5,179ha에서 2016년 6,136ha로 단동온실보다 상대적으로 높은 비율로 증가하고 있으며 시설재배의 생산 효율성을 향상시키기 위하여 시설이 점차 대규모화, 대면적화 되면서 다양한 형태의 환기창을 가진 온실이 나타나고 있다. 농업시설의 규모화 및 단지화에 대비하여 랙피니언 형태의 환기창이 자연환기 효율에 미치는 영향을 분석하기 위하여 상용 CFD 코드(FLUENT 15.0, ANSYS, USA)를 이용한 수치해석을 수행하여 온실의 자연환기 특성을 분석하였다. 해석 대상 온실은 전북 전주의 연동비닐온실로 남북동의 온실배치이며, 바닥면적은 655.2 m² (18.2 m × 36.0 m), 측고 4m, 동고 5.5 m, 지붕폭 8 m 의 벤로형 온실이다. 천창은 랙피니언식 연속형 환기창이며 한쪽지붕 및 양지 붕 개폐가 가능하다. 전산유체역학 시뮬레이션 검증을 위한 온실 내부 환경 계측을 위해 온습도센서 (Hobo U23, Oneset computer Co., USA)와 풍속센서(TSI 8455, TSI Co, USA)를 연동비닐온실에 설치하여 온도 및 풍속 환경을 측정하고 분석하였다. 온습도 센서는 온실의 중앙과 동쪽과 서쪽 측벽으로부터 각각 2 m 거리, 바닥에서부터 1 m, 1.9 m, 3.2 m 높이의 총 27지점에 설치하였으며, 풍속센서는 온실의 동쪽과 서쪽 측벽으로부터 각각 2 m 거리, 바닥에서 1.9 m 높이의 6개 지점에 설치하여 측정하였다. 측정은 2018년 5월 31일 10시에서 15시 사이에 수행되었으며, 검증용 데이터는 측정된 데이터의 5시간 평균값을 이용하였다. 또한 외부기상관측계를 이용하여 풍향, 풍속, 외기온 및 일사량을 측정하여 경계조건용 데이터로 사용하였다. 풍속, 풍향, 온도 및 일사량의 5시간 측정값의 평균값인 1.98 m/s, 서풍, 28.8°C, 792W/m²을 이용하였으며, 측정시간동안 차광막과 다겹보온커튼의 작동은 중지하였으며 측창과 천창은 양쪽을 최대로 개방하였다. 수치해석을 위한 공기유동은 비압축성의 정상상태, 난류유동, 3차원으로 가정하였으며 열전달은 전도, 대류 및 복사를 고려하여 해석을 수행하였다. 전산유체역학 모델의 수치해석 예측값과 실제 온실의 실측값을 비교한 결과는 다음과 같다. 온실의 온도 분포의 경우 각 지점의 상대오차는 위치별로 0.3~12.1%, 평균 4.4%로 나타났으며, 내부 유속의 경우 각 지점의 상대오차는 8.8~68.8%, 평균 33.7%로 내부온도의 상대오차에 비해 크게 나타났다. 내부 온도의 오차는 온실 하부와 모서리에서 상대적으로 크게 나타났으며, 내부 유속은 온실의 중앙부에서 상대적으로 크게 나타났다. 수치해석 모델 검증의 일부 위치에서 예측값과 실측값의 상대오차가 비교적 크게 나타난 경우도 있으나 전체적인 온도분포 및 유속의 경향성은 잘 일치하는 것으로 나타났다.

풍하중 산정용 재현기간 및 풍압산정 기준 비교

정승현 ( Seunghyeon Jung ),이현우 ( Hyunwoo Lee ),이종원 ( Jongwon Lee ),나욱호 ( Wookho Na ),이시영 ( Siyoung Lee ) 한국농공학회 2014 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2014 No.-

현재 우리나라의 온실설계에 있어 명확한 기준이 필요한 상황이다. 이러한 설계 기준의 확립은 시설전문기관 간 구조해석결과를 동일하게 가져올 것이며 상호 간 해석을 비교함에 있어 타당한 근거로써 작용 될 수 있기 때문이다. 또한 대규모 시설원예 단지 조성 시 필요한 다양한 형태의 원예시설에 대한 구조안전 자료로써 널리 활용될 것으로 기대한다. 본 연구에서는 우리나라 온실구조 설계기준을 작성하는데 필요한 자료를 제공하기 위하여 주요 국가들의 온실설계기준에서 제시되고 있는 풍하중 산정을 위한 풍압력 계산식을 비교분석하였다. 또한 우리나라 온실의 경제적인 구조설계를 위한 풍하중을 산정하는데 필요한 재현기간을 결정하기 위하여 각국에서 온실의 풍하중 산정을 위해 적용하고 있는 재현기간들을 비교 분석하였다. 유럽기준에서는 온실의 종류를 피복재가 골조재의 변위를 허용하지 않는 온실과 허용하는 온실로 나누고 최소재현기간을 제시하여 설계 시 적용할 재현기간을 결정하도록 한 것이 특징적이다. 미국에서는 학교 등 군중이 밀집된 곳에 설치될 온실, 상업용 온실, 비태풍 지역과 태풍 지역에 설치될 재배용 온실로 나누고 각각의 재현기간을 제시하고 있다. 일반적인 재배용 온실은 25년의 재현기간을 사용하도록 되어 있다. 일본에서는 내용연수 10년과 15년의 플라스틱온실과 유리온실로 나누고 소규모 온실에는 각각 15년, 22년 및 30년을 제시하고 대규모 온실에는 각각 30년 43년 및 57년을 제시하고 있다. 온실종류 및 규모별로 다양하게 재현기간을 제시하고 있는 것이 특징이다. 우리나라는 농업용 고정식 온실에 대하여 22년의 재현기간만을 제시하고 내용연수를 15년으로 제한한 것이 특징이다. 4개국의 온실설계기준에서 제시된 재현기간을 비교분석한 결과 우리나라의 경우 온실의 종류가 다양하기 때문에 다양한 온실종류별로 재현기간을 제시할 필요가 있으며, 최소재현기간보다는 직접 적용이 가능한 재현기간을 제시할 필요가 있다고 판단된다. 따라서 소형터널, 플라스틱온실, 유리온실 등으로 세분화하고 상업용 온실을 포함할지에 대해서는 더 자세한 검토가 필요하다. 또한 본 연구에서는 재현기간 결정시 필요한 풍압력 산정식과 산정 시 고려되는 인자 및 산정결과를 비교하였다. 외국의 풍압력산정기준을 비교한 결과 가장 영향이 큰 인자는 풍속의 높이별 환산계수로 나타났고 국가별로도 차이가 큰 것으로 나타났다. 높이환산계수가 큰 값이 적용될 경우 온실의 과다설계 우려가 있으므로 온실설치지역에 적절히 적용될 높이환산계수가 새롭게 결정될 필요가 있음을 판단하였다. 현재 계화도 간척지에서 높이별 풍속값을 측정중이며 이에 대한 분석 또한 동시에 진행하고 있는 중이다.

온실 포그 냉방시스템의 냉방효과 분석

박석호 ( Seokho-ho Park ),문종필 ( Jong-pil Moon ),강연구 ( Youn-koo Kang ),김승희 ( Seoung-hee Kim ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2

본 연구는 온실 측면의 지중부로 손실되는 에너지를 분석하고자 온실 내부의 지중 온도분포 특성을 조사분석하였다. 2018년 1월 8일에서 3월 8일까지 단동온실의 외부, 측면부로부터 40cm, 80cm, 120cm, 160cm 위치 및 온실중앙에 열전대(K-type)를 토양깊이 0cm, 15cm, 30cm에 매설하였다. 시험기간 동안에 작물은 재배되지 않았으며, 가온 없이 다겹보온커튼을 이용한 보온 만을 실시하였다. 2월 2일 0시 기준 지표면 온도는 온실외부, 온실 측면부로부터 40cm, 80cm, 120cm, 160cm 및 온실중앙의 경우 각각 -0.3℃, 6.6℃, 8.5℃, 9.0℃, 9.1℃, 10.9℃로 온실중앙에 가까울수록 온도가 높게 나타났다. 이것은 비닐피복을 경계로 토양표면과 온실 외부의 거리가 멀어질수록 열손실이 적게 나타난 결과로 판단된다. 토양깊이 15cm에서의 토양온도는 온실외부, 온실 측면부로부터 40cm, 80cm, 120cm, 160cm 및 온실중앙의 경우 각각 2.3℃, 9.8℃, 11.9℃, 13.1℃, 13.2℃, 15.1℃로 온실중앙에 가까울수록 온도가 높게 나타났으며, 일몰후부터 해가 뜨기 전까지 각각의 지점에서 5℃이상 토양의 온도가 낮아졌다. 이러한 현상은 온실 내부의 온도가 점점 낮아짐에 따라 토양깊이 15cm 깊이까지 열전달이 일어난 결과로 판단된다. 반면 토양깊이 30cm에서의 토양온도는 온실외부, 온실 측면부로부터 40cm, 80cm, 120cm, 160cm 및 온실중앙의 경우 각각 3.4℃, 9.7℃, 11.5℃, 12.8℃, 12.9℃, 14.6℃로 토양깊이 15cm에 비해 온도가 낮고 온실중앙에 가까울수록 온도가 높게 나타났지만 일몰 후부터 해가 뜨기 전까지 각각의 지점에서 온도 변화가 없었다. 이것은 토양의 단열효과에 의해 토양 속 30cm 깊이까지는 열전달이 일어나지 않은 결과하고 판단된다. 온실지중부 내외부의 온도 차이는 지표면, 토양깊이 15cm, 토양깊이 30cm에서 각각 6.9℃, 7.5℃, 6.3℃로 나타났다. 토양깊이 30cm 깊이에서 온실 지중 내외부의 온도차가 6.3℃로 크게 나타난 것은 30cm 두께의 토양에서 단열효과가 나타나 것을 고려한다면 이 부분에서 지중 온실 내외부를 통해 열손실이 일어난 것으로 판단된다. 온실 측면의 지중부를 통한 열손실을 정밀하게 측정하기 위해서는 온실내부의 지표면에 단열재를 설치하고 온실 내외부 지중부의 온도를 측정하는 후속연구가 필요할 것으로 판단된다.

수도권매립지 온실가스 배출량 직접측정(Tier4)에 대한 검토

전은정 ( Eun-jeong Jeon ),이경호 ( Kyeong-ho Lee ),이영민 ( Young-min Lee ),류돈식 ( Don-sik Ryu ),이호연 ( Ho-yeon Lee ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2018 한국폐기물자원순환학회 심포지움 Vol.2018 No.1

폐기물매립지에서 폐기물의 혐기성분해과정에서 발생하는 매립가스는 주요 성분으로서 메탄(CH₄), 이산화탄소(CO₂)를 포함하고 있다. 매립가스 중 메탄은 신재생에너지로서 활용가치가 높은 반면, 온실가스 감축 대상으로서 관리되고 있다. 고형폐기물의 매립부분 온실가스 배출량 산정을 위해 ‘온실가스·에너지 목표관리 운영 등에 관한 지침’에서는 ‘2006 IPCC guideline’의 기본값을 적용하고 있다. 이는 배출량을 실제 측정하는 방식이 아닌, 1차반응모델에 기본값을 적용하여 예측한 발생량에서 실제 측정된 회수량을 빼서 배출량을 간접적으로 산정하는 방식이다. 이처럼 기본값을 적용할 경우, 매립지별 특성을 반영하기 어려우므로 매립장 배출 온실가스의 과다 산정 혹은 과소 산정을 유발할 수 있는 한계가 있다. 수도권매립지는 온실가스 배출량이 2012년~2016년 평균 1,521,409 tCO₂-eq로서, ‘온실가스 배출권의 할당, 조정 및 취소에 관한 지침’에 따른 온실가스 배출권 할당 대상업체에 해당하며, 온실가스 배출량의 90% 이상이 매립시설에 의한 것으로 조사되었다. 수도권매립지의 경우, 2006년도부터 사용종료된 1매립장과 사용중인 2매립장을 대상으로 온실가스 배출량 모니터링을 실시해 오고 있으나, 국내 온실가스 산정지침에서는 실측에 의한 산정방법을 포함하고 있지 않아 적용이 불가능한 상태이다. 본 연구에서는 수도권매립지 온실가스 배출량 현황을 실측 모니터링에 의한 결과와 지침에 따른 산정결과를 비교하여 살펴보고, 국내 온실가스 산정지침에서 고형폐기물의 매립부분 온실가스 산정을 위해 직접측정에 의한 방식(Tier4)의 도입 필요성에 대해서 검토하였다. 직접측정법에 의한 CH₄ 표면발산량과 1차반응모델로 산정한 CH₄ 배출량을 비교한 결과, 지난 10년간 1,2매립장의 CH₄ 배출량은 1차반응모델 대비 표면발산량의 비율이 0.3~46%로, 현재 지침상의 1차반응모델로 산정할 경우 실제 배출량보다 과다산정되는 것으로 평가되었다. 따라서, 수도권매립지와 같이 배출량 실측 시스템을 운영하고 있는 시설의 경우, 소각 등 타 산업분야와 마찬가지로 실제 배출특성을 감안할 수 있는 Tier4를 적용할 수 있도록 온실가스 산정방법 및 검증지침의 개정이 필요할 것으로 판단되었다.

온실 내부 온도 및 환기특성에 대한 열-유동 해석

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.

온실 측고 상승에 따른 구조안전성 판별 프로그램 개발

이종원 ( Jongwon Lee ),이석건 ( Sukgun Lee ),이현우 ( Hyunwoo Lee ),나욱호 ( Wookho Na ) 한국농공학회 2012 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2012 No.-

국내 원예시설중 시설유형별 비중은 단동플라스틱온실 88.6%, 연동플라스틱온실 10.1%, 유리온실 0.7%이며, 2000년도까지 시공된 플라스틱 연동온실의 규격은 폭 7m×측고 2.7m×길이 50m이며, 와이드스팬형 유리온실은 폭 9(12.8)m×측고 4.3m×길이 100m, 벤로형 유리온실은 폭 6.4(9.6)m×측고 4.3m×길이 100m 이다.(농가보급형 자동화하우스 표준설계서, 2001, 농촌진흥청, 한국형유리온실 표준설계도, 1997, 농림부·농어촌진흥공사) 따라서, 국내 대부분의 연동온실 측고는 2.7m 또는 4.3m에 불과하나, 최근에는 온실내 환경개선과 생산성 향상를 위하여 온실의 측고를 4.5m~6.0m로 높인 온실들이 많이 시공되고 있는 실정이다. 그리고 경남지역을 중심으로 1-2W형 플라스틱온실의 측고를 2.7m에서 3.7~4.2m로 높이는 온실 개보수사업이 활발히 진행되었으며(2008, 윤용철 등), 2000년 이전에 시공된 유리온실 측고는 4.3m로 작물을 재배할 수 있는 유효높이는 3.5m정도로 파프리카, 토마토 등을 재배하기에는 측고가 낮아 1~1.5m 높이는 개보수사업이 2010년에 참샘영농단지(전북 김제) 및 아트팜(전남 강진) 등 6개소에 진행되었으며, 2011년에는 강원도 인제 1개소에서 진행되었다.(Agri C&S 자료) 이러한 온실의 측고 상승에 따른 구조안전성을 평가할 수 있는 프로그램을 개발하기 위하여 연동온실의 형태별로 폭, 동고, 측고 및 연동수에 따라 설계하중(적설심, 풍속)에 대한 온실의 부재별 최대휨모멘트을 산정할 수 있는 방법을 모색하고자 수행한 연구결과는 다음과 같다. 첫째. 연동온실의 구조해석 모델을 기둥과 기둥사이에 지붕이 1개인 1-2W형과 기둥과 기둥사이에 지붕이 2개인 벤로형으로 크게 두 개 유형으로 나눈 후 중방구조에 따라 다시 구분하였다. 중방이 보 구조인 것과 트러스 구조인 것으로 구분하여 지붕형상에 따라 3개 유형(복숭아, 아치형, 양지붕형)으로 다시 세분화하였다. 이렇게 8개 유형으로 세분화된 연동온실에 대해서 온실폭, 기둥높이, 연동수 등의 변수별로 총 1,015개의 연동온실에 대하여 구조해석을 수행하였다. 둘째, 연동온실의 부위별 풍력계수를 고려한 단위풍하중과 지붕경사에 따른 절감계수, 연동곡부 계수 등을 고려한 단위적설하중을 재하하였을 때 각 부재에 발생되는 최대휨모멘트을 온실 폭, 기둥높이 및 지붕높이를 이용하여 산정할 수 있는 식을 개발하였다. 셋째, 온실의 지점조건, 연동수, 지붕높이(라이즈비), 지붕형식, 방풍벽 유무, 중방구조변화 등에 따른 최대휨모멘트변화를 분석하여 최대휨모멘트 산정식에 적용할 수 있도록 하였다. 넷째, 개발된 식을 검증하기 위하여 온실의 폭, 기둥높이 및 연동수가 상이한 240개 모델, 벤로형 연동비닐하우스는 32개 모델에 대하여 구조해석 전용 프로그램인 SAP2000으로 구한 최대휨모멘트(SAP값)와 개발된 식으로 구한 최대휨모멘트(계산값)를 비교한 결과, SAP2000으로 구한 값과 본 연구에서 개발된 식으로 계산된 값의 회귀식 상관계수가 0.98~1.0으로 수식에 대한 신뢰도가 매우 높게 나타나 본 연구에서 개발된 식을 이용한 단위풍하중과 단위적설하중에 대한 부재별 최대휨모멘트를 산정할 수 있음을 확인할 수 있었다.