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서필 구
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1 Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers Vol. 54, No. 5, pp. 49~55, September, 2012 DOI: 저압에어포그시스템을설치한온실의냉방효율 Cooling Efficiency of Low Pressure Compressed Air Fogging System in Naturally Ventilated Greenhouses 남상운 *, 김영식 ** 성인모 *** 고기혁 *** Nam, Sang-Woon Kim, Young-Shik Sung, In-Mo Ko, Gi-Hyuk ABSTRACT In order to derive the efficient utilization of low pressure compressed air fogging system, cooling efficiencies with control types were analyzed through cooling experiments in tomato greenhouses. The control types were set up with temperature control, humidity control, temperature and humidity control, and time control. It showed that the cooling effects were 0.7 to 3.3 on average and maximum of 4.3 to 7.0, the humidification effects were 3.5 to 13.5 % on average and maximum of 14.3 to 24.4 %. Both the cooling and humidification effect were the highest in the time control method. The cooling efficiency of the air fogging system was not high with 8.3 to 27.3 % on average. However, the cooling efficiency of 24.6 to 27.3 % which appears from the time control is similar to the cooling efficiency of high pressure fogging system experimented in Japan. The air fogging system is operated by low pressure, but its efficiency is similar to high pressure. We think because it uses compressed air. From this point of view, we suggest that the air fogging system can get the cooling efficiency of similar levels to that of high pressure fogging system and it will have an advantage from clogging problem of nozzle etc. Keywords: Compressed air; control types; cooling efficiency; low pressure fogging system; naturally ventilated greenhouse I. 서론 * 여름철온실의기온은작물의정상적인생육이불가능할정도로상승하므로여름철에온실에서작물을재배하기위해서는냉방이필수적이다. 다양한온실냉방방법들이제안되고있으며, 차광과자연환기가가장일반적인온실의고온극복방법이지만충분한냉방효과를거둘수는없다. 냉동기를이용한기계적인냉방은경제성이없기때문에냉방부하가작은야간냉방이나약광작물의재배에만사용이한정되고있는실정이다 ((Kim et al., 2001a). 증발냉각시스템은지금까지개발된온실냉방방법중가장효율적인방법으로알려져있으며증발냉각시스템에는여러가지방식이있으나팬앤패드시스템과포그시스템이가장일반적으로사용되고있다 (ASAE, 1997 ; Arbel et al., 1999, 2003). 우리나라여름철고온기의온실경작실태조 * 충남대학교지역환경토목학과 ** 상명대학교식물식품공학과 *** 충남대학교대학원농공학과 Corresponding author Tel.: Fax: swnam@cnu.ac.kr 2012 년 7 월 10 일투고 2012 년 8 월 9 일심사완료 2012 년 8 월 23 일게재확정 사에의하면 21.6 % 의시설재배농가가휴경하고있고, 경작농가도증발냉각시스템을설치하는등적극적인냉방을실시하는농가는거의없으며, 팬앤패드시스템이나포그시스템을설치한유리온실농가가일부있으나고장이잦고운영비가많이들어가동율은매우낮은것으로보고하였다 (Kim et al., 2001b). 시설비투자가낮은관행온실의경우에는여름철에휴경하면서토양소독등을실시하고작기전환으로활용하여도문제가없지만시설비투자가높은현대화온실의경우에는주년안정생산을목표로적극적인냉방이필요하다. 증발냉각방식중에서팬앤패드시스템은역사도길고온실냉방에서비교적많이이용되고있으며, 그효율도매우높지만온실의온도분포가불균일하고설치비와유지비가많이드는단점이있다 (Kittas et al., 2001 ; Nam et al., 2005). 포그시스템은팬앤패드시스템에비하여온실의온습도분포가균일하고, 증발율이높으며설치비와유지비도적게들어상업용온실에많이사용되고있는추세이다 (Abdel-Ghany and Kozai, 2006). 포그시스템은작동압력에따라저압과고압포그시스템으로구분된다. 저압포그시스템은 kpa의압력에서작동하며 μm의입경으로분무되고, 고압포그시스템은 MPa의높은압력에서작동하며분무입자의입경은 2 60 μm의범위에있다. 고압시스템이저압시스템에비하여분무 49

2 저압에어포그시스템을설치한온실의냉방효율 입경이작아더빨리증발하기때문에냉방효율이높으나설치비와유지비가훨씬많이들어가는것으로알려져있다 (Li and Willits, 2008). 기존의포그시스템은노즐의막힘이많고융착고압관의노후에의한파열시보수가원활하지못하며, 낙수문제, 포그입자의공기중체류시간이짧다는점등의단점이있다. 이러한여러가지문제점을극복하기위하여벤츄리원리를이용한새로운형태의저압분무식포그노즐이국내에서개발되었다 (Lee와 Kim, 2011). 이노즐은지중해연안에서사용중인 compressed air water type 노즐 (Montero et al., 1990) 을개량한것으로써에어포그란명칭으로 2010년부터국내에보급이시작되어 2011년현재 50여농가에설치되어운영되고있으며사용만족도가상당히높지만설치기준이나제어방법등에대한가이드라인의부재로운영에많은문제점을내포하고있는것으로보고되고있다 (Nam et al., 2011). 따라서본연구에서는에어포그냉방시스템의효율적인이용방안을도출하기위하여저압에어포그노즐을설치한토마토재배온실에서냉방실험을통하여제어방법별로냉방효율을분석하였다. II. 재료및방법 1. 에어포그노즐의제어방법별냉방효율시험 가. 실험온실및환경계측충남대학교부속농장에설치된폭 5.6 m, 길이 18 m, 높이 3.5 m의단동플라스틱온실 2개동에서실험을수행하였다. 1 개동은냉방온실, 다른 1개동은대조구온실로사용하였고, 토마토를재배하였다. 실험온실의규격과계측센서및에어포그노즐의배치는 Fig. 1과같다. 에어포그노즐은온실의측면 1.8 m 높이에 1.8 m 간격으로총 20개를배치하였으며계측센서와에어포그노즐의사양은 Table 1과같다. 냉방온실의온습도분포를분석하기위하여온실중앙에길이방향으로 5점, 높이방 Table 1 Specifications of sensors and air fog cooling system Item Component Specifications and humidity HTR10 (Hans system) Sensors Pyranometer LI200X (Campbell scientific Inc.) Anemometer CTV100 (Kimo instrument) Diameter of nozzle 0.8 mm Droplet diameter 20~40 μm Air fog system Water pressure 360 kpa Air pressure 200 kpa Spraying distance 6~8 m Spraying amount 6.0 l h -1 Fig. 1 Location of air fog nozzles and sensors in experimental greenhouses. The symbol is a temperature and humidity sensor, is an anemometer, is a pyranometer, and is a fog nozzle 향으로 3점의온습도센서를배치하였다. 그밖에냉방효과와냉방효율분석을위하여대조구온실 2점과외부의온습도및실내외일사량과측창의풍속을측정하였으며모든항목은 10분간평균값으로저장하였다. 에어포그노즐의구경은 0.8 mm, 수압은 360 kpa, 공기압은 200 kpa, 노즐 1개당분무량은 6.0 l h -1 이었다. 나. 제어방법별냉방실험 에어포그냉방시스템의제어방법은온도제어, 습도제어, 온습도제어, 타임제어로설정하였으며, 각제어방법별에어포그시스템가동조건은 Table 2와같다. 온도제어는실내온도가 30 이상일때포그시스템을가동하고, 습도제어는실내습도가 70 % 이하일때가동하는조건이며, 온습도제어는실내온도가 30 이상이고실내습도가 70 % 이하일때가동하는조건이다. 타임제어는실내의온습도조건에상관없이설정된분무간격에따라 50 한국농공학회논문집제 54 권제 5 호, 2012

3 남상운 김영식 성인모 고기혁 Table 2 Experimental conditions for cooling performance by control types Control conditions ( ) Humidity (%) Fogging interval On-off time (s) Experimental period /01~7/21 Humidity /22~8/ /09~8/31 ( 25) ( 90) /01~9/20 Table 3 Average weather conditions for analyzed data by experimental treatments Outside weather Solar radiation Wind speed in side vent ( ) Humidity (%) Outside (W m -2 ) Inside (W m -2 ) Transmissivity (%) (m s -1 ) Humidity 포그시스템을가동하는조건이다. 실내온도가 25 이하에서는냉방이불필요하고, 습도가 90 % 이상이면증발이거의일어나지않으므로타임제어에서도온도와습도조건을 25, 90 % 로설정하였으며가동시간을 3단계로조정하여추가로실험하였다. 또한포그시스템의연속분무는곤란하므로온도와습도제어조건에서도분무간격을타임제어와동일한 120초 ON, 45초 OFF로설정하였다. 그러나포그시스템을가동하기전에온습도조건을먼저체크하므로설정값을만족하지않으면분무는하지않는다. 실험은 2011년 7월 1일부터 9월 20일까지수행하였다. 2. 냉방효율분석냉방효과는기본적으로대조구온실과냉방온실의온도차로비교하였으며추가적으로외기온과냉방온실의온도차, 외기, 대조구, 냉방온실의습도차를비교하였다. 증발냉각시스템의냉방효율은외기의건습구온도차에대하여실제냉각온도 ( 외기의건구온도-냉각된온도 ) 의백분율로표시된다 (Albright, 1990; Nam et al., 2008). 그러나이방식은외부공기가패드를통과하면서냉각되어실내로공급되는팬앤패드시스템에만적용할수있다. 포그시스템에서는이론적으로냉방가능온도에대한냉방효율을다음식 (1) 로구하였다 (Li and Willits, 2008). 냉방효율 (1) 여기서,,, 는각각포그냉방온실의건구온도 ( ), 대조구온실의건구온도 ( ), 포그냉방온실의습구온도 ( ) 이다. III. 결과및고찰 1. 분석데이터의평균기상조건 실험기간동안잦은비와높은습도로냉방효과를검토하기어려운날이많았다. 7, 8 월중강우일 43 일, 강수량 1,008 mm, 평균운량이 5 이하인맑은날이 8 일뿐이었다. 비교분석에사용한데이터는비교적맑은날로동일한자료수를갖도록제어방법별로 4 일간의데이터를선택하였다. 타임제어의경우에는자료수가부족하여조건별로 3 일치데이터를사용하였다. 에어포그냉방시스템의가동은오전 9 시부터오후 6 시까지하였고, 분석에는오전 10 시부터오후 5 시까지 10 분간격으로계측한데이터를사용하였다. Table 3 은분석에사용한데이터의제어방법별평균기상조건을나타낸것이다. 각제어방법별외부기상조건은대체로비슷한범위에있었으나, 타임제어 2 의온도가비교적낮았고, 타임제어 1, 2 의습도가비교적낮게나타났다. 이는앞에서언급한바와같이 7, 8 월의기상여건으로실험이늦어져타임제어는 9 월에이루어졌기때문이다. 환기율의지표가되는측창풍속은대체로비슷한범위에있어서자연환기조건은제어방법별로큰차이가없는것으로판단할수있다. 2. 제어방법별전력소비량 제어방법별로전력소비량을측정한결과를 Table 4 에정리 Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 54(5),

4 저압에어포그시스템을설치한온실의냉방효율 Table 4 Average power consumption of air fog system by control types Air compressor (kwh/day) Water pump (kwh/day) Total (kwh/day) Average operating time (h/day) Air compressor Water pump Humidity Remarks Power of air compressor: 2.2 kw Water pump: 0.6 kw 하였다. 하루에평균 5.5~15.5 kwh의전력을소비하였고, 공기압축기의전력소비량이많았다. 기상여건이동일하지않아직접비교하기는곤란하지만타임제어 1과습도제어가전력소비량이많은것으로나타났다. 평균작동시간은전력소비량을기기의소비전력으로나누어구하였다. 대체로공기압축기의작동시간이워터펌프의작동시간보다많았다. 3. 제어방법별냉방효과 Table 5는외부, 냉방온실및대조구온실의평균기온을제어방법별로나타낸것이다. 에어포그냉방온실의기온은실외기온대비 0.4~3.0 상승하고, 대조구온실대비 0.7~3.3 낮게유지되었다. Table 6은외부, 냉방온실및대조구온실의평균습도를제어방법별로나타낸것이다. 에어포그냉방온실의습도는실외습도대비 -2.7~5.9 % 의범위를보였고, 대조구온실대비 3.5~13.5 % 높게유지되었다. Table 7은대조구온실과비교한에어포그냉방온실의제어방법별냉방효과와가습효과를나타낸것이다. 냉방효과는평균 0.7~3.3, 최대 4.3~7.0 를보였고, 가습효과는평균 3.5~13.5 %, 최대 14.3~24.4 % 를보였다. 타임제어방식이가장높은냉방효과와가습효과를보이는것으로나타났다. Montero et al. (1990) 은지중해연안에서본실험의에어포그노즐과유사한형태의압축공기-물타입의노즐 ( 공기압 600 kpa, 수압 300 kpa) 을이용하여냉방실험을실시한결과 45 % 의차광조건에서평균 3 정도의냉방효과가있는것으로보고하였다. Kim et al. (2001a) 의고압포그냉방실험에서는무차광온실에서환기율이낮으면냉방효과가거의없었고, 환기율이분당 0.77회일때냉방효과가 4 정도였으며, 70 % 차광온실에서는환기율이높을경우 8 10 정도의냉방효과가있는것으로보고하였다. 이들과비교할때본실험은자연환기조건에서차광을하지않은상태이므로타임제어의경우상당한냉방효과가있는것으로판단할수있다. 온습도제어방식이온도제어나습도제어와같은단일항목제어에비해서는냉방효과와가습효과가높았다. 단일항목제어에 Table 5 Average air temperature difference between the fogged and un-fogged greenhouses by control types ( ) Difference ( ) Outside (A) Cooling (B) Control (C) B-A B-C Humidity Table 6 Average relative humidity difference between the fogged and un-fogged greenhouses by control types Relative humidity (%) Difference (%) Outside (A) Cooling (B) Control (C) B-A B-C Humidity Table 7 Effect of cooling and humidify in the fogged greenhouse Cooling effect ( ) Humidifying effect (%) Average Standard Maximum Average Standard deviation deviation Maximum Humidity 서는습도제어가온도제어에비하여냉방효과가높았으나, 가습효과는온도제어가습도제어보다높았다. 타임제어에서는분무 52 한국농공학회논문집제 54 권제 5 호, 2012

5 남상운 김영식 성인모 고기혁 시간이길수록냉방효과와가습효과가높았지만큰차이는없었다. 기상여건과실험설비의제약조건으로분무시간만 120초, 60 초, 45초로변화시키면서실험을수행하여큰차이를발견할수없었다. 비가내리든가날씨가흐려서일사량이매우낮고습도는매우높은경우와같이외부의기상조건을기준으로시스템의가동여부를판단하고, 에어포그시스템의제어는타임제어로하는것이효율적인것으로사료된다. 따라서에어포그시스템의가동여부판단기준설정과효과적인타임제어시간 (On-Off 시간간격 ) 설정을위한추가실험이요망된다. Fig. 2는냉방효과의한예로서타임제어1 실험기간중가장맑은날 (1일적산일사량이가장큰날 ) 을선정하여외부, 냉방온실, 대조구온실의온도변화를나타낸것이고, Fig. 3은가습효과의한예로서온습도제어실험기간중가장맑은날을선정하여외부, 냉방온실, 대조구온실의습도변화를나타낸것이다. 4. 에어포그냉방온실의온습도분포에어포그냉방온실의온습도균일도를알아보기위하여온실의길이방향으로계측한 5점의온습도와온실중앙의높이별로계측한 3점의온습도를분석하여편차를구하였으며그결과는 Table 8과같다. 온도편차는수평방향으로 1.6~2.9, 수직방향으로 1.4~2.1 를나타냈다. 습도편차는수평방향으로 7.4 ~9.2 %, 수직방향으로 4.5~5.7 % 를나타냈다. 온습도편차는제어방식별로큰차이점이나뚜렷한경향을발견하지못하였다. Kittas et al. (2003) 과 Nam et al. (2005) 은 18 m 떨어진거리에서팬앤패드시스템의온도편차는차광조건에서 , 무차광조건에서 정도인것으로보고하였다. 본에어포그냉방실험에서온습도편차가팬앤패드방식보다는훨씬작게나타났으나보다균일한환경을조성하기위해개선의여지는있는것으로판단된다. 공기유동팬을도입하여실내공기를유동시킴으로써온습도편차를줄이고냉방효율을높힐필요가있을것으로사료된다. Table 8 중습도제어와타임제어3의경우수직방향온습도기록계의오류로데이터를얻지못하였다. Fig. 2 Air temperature in the fogged, un-fogged greenhouses and the outside for the low pressure air fog system (Sep. 2, 2011) Table 8 Average difference of air temperature and relative humidity in the fogged greenhouses by control types difference ( ) Humidity difference (%) Horizontal Vertical Horizontal Vertical Humidity 제어방법별냉방효율 Fig. 3 Relative humidity in the fogged, un-fogged greenhouses and the outside for the low pressure air fog system (Aug. 28, 2011) 식 (1) 을이용하여제어방법별로냉방효율을구하면 Table 9와같다. 냉방효율은평균 8.3~27.3 % 로나타나 Li and Willits (2008) 이미국에서실험한고압포그시스템 53 % 와저압포그시스템 43 % 에비하여매우낮게나타났다 (Fig. 4). 이결과로볼때에어포그의경우분무입자의증발율이상당히낮은것으로판단된다. 하지만우리나라와비슷한기후조건인일본에서실험한고압포그시스템의냉방효율은 % 인것으로보고되고있다 (Abdel-Ghany and Kozai, 2006). 이자료는습도를알수없어 Fig. 4에는표시할수없었지만본실험의타임제어에서나타난냉방효율 % 의경우와매우유사한결과를보인다. 이는에어포그시스템이저압이지만압축공기 Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 54(5),

6 저압 에어포그 시스템을 설치한 온실의 냉방효율 Table 9 Average cooling efficiency of the air fog system by control types 다. 온도제어의 효율이 가장 낮았다. 온도제어의 경우 Fig. 5에 서 보는바와 같이 습도가 높아도 온도가 설정값보다 높으면 무 Tfog ( ) RHfog (%) TWBfog ( ) Tunfog ( ) Cooling efficiency (%) 득 채워 짙은 안개가 낀 상황을 연출하는 것을 확인할 수 있다. Humidity 따라서 앞의 냉방효과에서 언급한 바와 같이 효율적인 제어로직 조건 포그를 분사하므로 증발하지 못한 분무입자가 온실을 가 을 개발하기 위해서는 추가적인 실험이 수행되어야 할 것으로 판 단된다. IV. 결 론 에어포그 냉방시스템의 효율적인 이용방안을 도출하기 위하여 저압 에어포그 노즐을 설치한 토마토 재배 온실에서 냉방실험을 통하여 제어방법별로 냉방효율을 분석하였다. 제어방법은 온도제 어, 습도제어, 온습도제어, 타임제어로 설정하였다. 냉방효과는 평균 , 최대 를 보였고, 가습효과는 평 균 %, 최대 %를 보였다. 타임제어 방식 이 가장 높은 냉방효과와 가습효과를 보이는 것으로 나타났다. 온습도제어 방식이 온도제어나 습도제어와 같은 단일항목 제어 에 비해서는 냉방효과와 가습효과가 높았다. 단일항목 제어에서 는 습도제어가 온도제어에 비하여 냉방효과가 높았으나, 가습효 과는 온도제어가 습도제어보다 높았다. 타임제어에서는 분무시 Fig. 4 Cooling efficiency vs. outside relative humidity by control types 간이 길수록 냉방효과와 가습효과가 높았지만 큰 차이는 없었다. 비가 내리든가 날씨가 흐려서 일사량이 매우 낮고 습도는 매우 높은 경우와 같이 외부의 기상 조건을 기준으로 시스템의 가동 여부를 판단하고, 에어포그 시스템의 제어는 타임제어로 하는 것 이 효율적인 것으로 사료된다. 따라서 에어포그 시스템의 가동 여부 판단기준 설정과 효과적인 타임제어 시간 설정을 위한 추 가실험이 요망된다. 냉방효율은 평균 %로 나타나 미 국에서 실험한 고압 포그시스템 53 %와 저압 포그시스템 43 % 에 비하여 매우 낮게 나타났다. 이 결과로 볼 때 에어포그의 경 우 분무입자의 증발율이 상당히 낮은 것으로 판단된다. 하지만 우리나라와 비슷한 기후조건인 일본에서 실험한 고압 포그시스 템의 냉방효율 %와 비교하면 본 실험의 타임제어에 서 나타난 냉방효율 %의 경우는 매우 유사한 결과 를 보인다. 이는 에어포그 시스템이 저압이지만 압축공기를 이용 Fig. 5 A view of air fog sprayed in high humidity conditions 를 이용함으로써 고압 포그시스템과 비슷한 정도의 냉방효율을 함으로써 고압 포그시스템과 비슷한 정도의 냉방효율을 얻을 수 있음을 알 수 있고, 노즐의 막힘 문제 등에서 유리할 것으로 판 단된다. 얻을 수 있음을 알 수 있고, 노즐의 막힘 문제 등에서 유리할 수 있을 것으로 판단된다. 제어방법별 냉방효율은 냉방효과 (대조구 온실과 냉방온실의 이 연구는 농림수산식품부 농림기술개발사업의 지원에 의 해 이루어진 것임. 온도차이)와 거의 같은 경향을 나타냈으며 타임제어가 가장 컸 54 한국농공학회논문집 제54권 제5호, 2012

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인문사회과학기술융합학회

인문사회과학기술융합학회 Vol.5, No.5, October (2015), pp.471-479 http://dx.doi.org/10.14257/ajmahs.2015.10.50 스마트온실을 위한 가상 외부기상측정시스템 개발 한새론 1), 이재수 2), 홍영기 3), 김국환 4), 김성기 5), 김상철 6) Development of Virtual Ambient Weather Measurement