바이오시스템공학 (J. of Biosystems Eng.) Vol. 36, No. 3, pp.217~222 (2011. 6) DOI:10.5307/JBE.2011.36.3.217 Research Article Open Access 2 중단동비닐하우스의태양열축열이용효과 이성현유영선문종필윤남규권진경이수장김경원 Solar Energy Storage Effectiveness on Double Layered Single Span Plastic Greenhouse S. H. Lee Y. S. Ryou J. P. Moon N. K. Yun J. K. Kwon S. J. Lee K. W. Kim This study was carried out in order to reduce the amount of underground water which is used in the double layered single span plastic greenhouse for retaining heat. For this research, two plastic green houses of the double layered single span plastic greenhouse were installed. There was equipped of internal small tunnel for keeping warm air in the interior of the house. Then the internal small tunnel for keeping warm air was fitted with PVC duct of 50 cm in diameter filled with subsurface water. The surplus solar energy in the greenhouse was stored in the water in the PVC duct. Four FCUs (Fan Coil Unit), which has the capacity of 8,000 kcal per hour, were installed in the middle of the house, and a circulation motor in heat storage water tank was operated from 10:30 a.m. to 16:00 p.m. in order to circulate water between the water tank and the FCUs. Consequently about 5 degrees celsius could be maintained in the interior of the internal small tunnel for keeping warm air with the external temperature of lower than minus 5 degrees celsius. It appeared that the alteration of an internal temperature of the house was flexible depending on the sunlight during daytime. To prevent the water freezing, mixing antifreezing liquid in the water or operating FCU continuously was needed. Also, in order to use the surplus solar thermal energy on plastic green house of water curtain system efficiently, storing the surplus heat during daytime simultaneously finding a method of using water curtain systematic underground water happened to be important. As a result of this research, when the house's interior temperature is below zero the operation of FCU appeared to be impossible. Considering the amount of water used in the house with water-curtain-heating system is 150~ 200 ton per day, using the system mentioned in this research showed that reducing the underground water more than 80% in order to maintain the internal temperature as the level of 5 degree celsius at the extreme temperature of minus 5 degrees celsius. Keywords : Water curtain system, Surplus solar thermal energy, Plastic greenhouse, Greenhouse keeping warm system 1. 서론 우리나라의시설원예면적은 1990 년대의시설현대화정책 에힘입어크게증가하기시작하였다. 2000년대에들어와서는시설원예의전체적인면적의증가는크지않았으나, 과거재래식비닐하우스가자동화비닐하우스, 유리온실등으로대 This study was carried out with the support of Cooperative Research Program for Agricultural Science & Technology Development (Project No. PJ007217), Rural Development Administration, Republic of Korea and Research Program for Agricultural Science & Technology Development (Project No. PJ007726), National Academy of Agricultural Science, Rural Development Administration, Republic of Korea. The article was submitted for publication on 2011-04-21, reviewed on 2011-05-09, and approved for publication by editorial board of KSAM on 2011-05-17. The authors are Sung Hyoun Lee, Senior Researcher, KSAM member, Young Sun Ryou, Senior Researcher, KSAM member, Jong Pil Moon, Junior Researcher, KSAM member, National Agricultural Academy Science, Nam Kyu Yun, Junior Researcher, KSAM member, National Institute of Horticultural & Herbal Science, Jin Kyung Kwon, Junior Researcher, KSAM member, Su Jang Lee, Technician, National Agricultural Academy Science, and Kyeong Won Kim, Responsible Researcher, KSAM member, The Foundation of Agricultural technology Commercialization and Transfer. Corresponding author: Sung Hyoun Lee, Senior Researcher, KSAM member, National Agricultural Academy Science, RDA, Suwon, 441-707, Korea; Tel: +82-31-290-1818; Fax: +82-31-290-1840; E-mail: <leesh428@rda.go.kr>. 217
체되는등보다진보적인시설들이많이증가하였다. 2008 년기준으로우리나라의시설재배면적은약 53,000 ha에이르렀고, 이가운데난방을하는면적이 13,300 ha로전체시설재배면적의약 25% 를차지하고있다 (R.D.A., 2010). 또한난방재배면적의 92% 이상인대부분의시설재배농가에서석유류를난방연료로이용하고있어국제유가의변동에따라생산비가크게영향을받고있다. 2008년농업인에게공급된면세유류는 2,970천 kl로국가전체사용량의 2.6% 수준이며, 이가운데농업용이 66.5% 인 1,975천 kl이며, 나머지 33.5% 는어업용이다. 면세유류의대부분은경유이며약 63.6% 가시설원예난방에사용된것으로추산된다. 겨울철시설원예농가의최대관심사는농업시설내부의기온을작물의성장에적합하게유지하여주기위하여투입되는난방비를어떻게줄이느냐하는것이다 (R.D.A., 2007; 2008; 2009). 겨울철작물을재배하기위하여투입되는난방비와기자재비, 노동력을합한것이작물을생산하여판매했을때의비용보다더많이들어간다면겨울철재배를하는아무런이유가없을것이다. 시설원예난방을위해사용되는이러한막대한양의에너지비용을줄이기위하여최근다겹보온커튼, 순환식수막재배시스템등의보온기술을농가에보급함과동시에친환경에너지자원인지열을이용한히트펌프시스템이정부의지원사업으로농업용시설에공급되고있으나, 설치비용의과다로시설이현대화된자동화비닐하우스와유리온실을중심으로설치되고있다. 우리나라원예시설의 90% 이상을차지하고있는단동형비닐하우스는대부분많은난방비부담때문에겨울재배를포기하거나지하수를 1중과 2중비닐하우스사이의공간에뿌려시설을보온하는수막재배를하고있다. 그러나관행의수막재배는 10a당한시간에약 10~15톤에달하는막대한양의지하수를이용하고있어지하수부족및지하수위가낮아지는등의문제가발생되고있는것으로보고된다. 최근수막재배에사용되는지하수양을줄이기위하여순환식수막재배시스템이개발되어보급되고있는등단동형비닐하우스의안정적인보온기술을개발하기위한시도가이루어지고있고, 정부의저탄소녹색성장정책추진에힘입어화석연료를사용하지않는새로운기술개발에대한요구가제기되고있으며, 지열, 수열원, 농산부산물, 태양에너지등을이용한난방기술개발이주목받고있다 (Kim et al., 2003; Yun et al., 2003). 특히비닐하우스의북쪽면에태양에너지를축열할수있는벽을설치하여온실내부의보온을유지하는연구를수행한결과태양열축열이용효과가큰것으로보고되었다 (Beshada 등, 2006). Ryou 등 (2006) 은온실의효과적인온도관리를위해서는단열효과가우수한보온재를이용하거나난방공간의체적을최소화할수있는보온터널재배가바람직하다고하였으며, 이를위하여단동형온실내부에중앙권취 식보온터널자동개폐기와코일튜브를이용한보온터널내부난방시스템을개발하였다. 본연구에서는기존수막재배를이용하는하우스에주간에내부에유입된태양에너지를축열하여외기온 -5 에서비닐하우스내부작물생육공간의최저온도를 5 이상유지하기위한것에목표를두고비닐하우스내부의구조개선과이에따른내부의온도유지가능성을시험하였다. 2. 재료및방법 가. 시험용비닐하우스및계측시스템구성 시험용비닐하우스는농림수산식품부고시 2008-76호 (2008. 8. 26) 의 07-단동-3형설계도를기준으로수원시입북동에소재한시험포장에수막재배를할수있는시스템으로설치하였다. 시험을위해설치한 07-단동-3형의단동비닐하우스는폭이 7 m, 동고는 3.3 m, 길이는 50 m이다. 07-단동-3형은내재해형비닐하우스로적설에대한구조안전성은 50 cm 이고, 바람에대한구조안전성은 36 m/s이다. 2중하우스는폭 6.4 m로 1중하우스와 2중하우스의간격은 30 cm로설치하였다. 2중하우스의내부에는폭 3.1 m의보온터널을 2열설치하였다. 그림 1은시험에사용한비닐하우스의구조및센서배치상황을나타낸것이다. 비닐하우스내부및외기환경을측정하기위하여사용한온습도센서는 HOBO RH, Temp (Onset Cooperation, USA) 이고, 축열물탱크의물온도와지온을측정하기위하여사용한센서는 Pt100 (AHLBORN, Germany) 을사용하였다. 그리고비닐하우스외부의일사량과비닐하우스내부터널에입사된일사량을측정하기위하여 AHLBORN 일사계 (AHLBORN, Germany) 를사용하였다. 비닐하우스내부의온도는비닐하우스중앙에서측정하였다. 모든센서의데이터는 10분간격으로기록하였으며, 2중비닐하우스내부의보온터널을비닐로덮는것이외에다른보온방법은사용하지않았다. Fig. 1 Sensors layout of the experimental site. 218
J. of Biosystems Eng. Vol. 36, No. 3. 나. 태양열축열시스템설치 수막재배를위한단동형비닐하우스내부는햇빛이비치는주간에는내부에입사된태양에너지로인해비닐하우스내부의온도가외기온보다높게올라간다. 비닐하우스에입사된태양에너지를적극적으로이용하기위한시설이설치되지않았을경우에는비닐하우스내부에입사된태양에너지는비닐을통한외부와의대류또는전도열전달, 온실내부의온도를작물의생육에알맞게유지하기위하여실시하는환기와비닐을통한복사열형태로손실된다. 그리고손실되지않은일부의태양에너지는비닐하우스내부의토양에축열된다. Suh 등 (2009) 에따르면연간온실의총에너지투입량의 85% 가태양에너지이고, 난방기에의한에너지투입량은 15% 에불과하며, 온실에투입된에너지중에서작물의광합성이나증발산등에이용되는것이 26.4% 이었으며, 이를제외한나머지 73.6% 중에서 44.2% 가온실의표면을통해복사열형태로손실되고, 내부의온도상승으로인한환기에의해손실되는열량이 25.2% 라고하였다. Suh 등 (2009) 은단동형온실내부에서환기로인해손실되는 25.2% 를잉여태양에너지로분류하였다. 본연구에서는주간의잉여태양에너지를축열이용하기위하여그림 1에서와같이남쪽면과북쪽면하우스의보온터널내부에회색타폴린으로제작한직경 50 cm의덕트를각각설치하고, 덕트내부에지하수를채워넣어축열매체로사용하였다. 비닐하우스내부의잉여열을축열하기위해덕트에채워넣은물량은한쪽내부터널당약 7톤이고, 하우스한동당약 14톤이다. 양쪽비닐하우스내부에는비 닐하우스중앙에바닥으로부터약 2 m 지점에시간당열교환율이 8,000 kcal인 FCU(Fan Coil Unit) 를 4대설치하였다. 그리고남쪽하우스의축열튜브에는수중모터를이용해 PVC관의물을 FCU로송수하여비닐하우스내부의고온측과열교환된후다시축열튜브에보내는방법으로열교환이되어축열되도록하였다. 다. 태양열축열시스템설치온실운영방법 비닐하우스의잉여태양에너지축열이용시비닐하우스내부의온도유지상황을분석하기위하여표 1과같이내부시설의작동방법을두가지로설정하여시험을하였다. 시험 1과시험 2의차이점은시험 1하우스는축열튜브의물을 FCU로보내어적극적으로열교환이되도록한것이고, 시험 2는똑같은시스템을설치했으나축열튜브의물을 FCU 로보내지않고수동적인상태로축열이되도록한데있다. 시험 1과시험 2 하우스모두온실의운영은내부터널의비닐을덮은상태로두면서각종환경을측정하였다. 2중하우스내부에설치한 FCU의팬은오전 10시 30분부터가동하여오후 4시에가동을멈추도록하였다. 시험 1의경우에는축열튜브내부의물이 FCU를가동하지않는시간에도지속적으로 FCU로보내어진후다시축열튜브로되돌아오도록가동하였다. 이렇게한것은겨울철외기온이영하로내려갔을때 2중비닐하우스내부의기온도영하로내려가설치한 FCU가동파되는현상이발생하였기때문에이를방지하고자취한운영방법이다. Fig. 2 Experimental greenhouse with FCU. Table 1 Operation scheme of the experimental system Items Internal vinyl tunnel South North Water pump FCU Fan running time Case Ⅰ Close Close On 10:30~16:00 Case Ⅱ Close Close Off 10:30~16:00 219
3. 결과및고찰 표 2는내부터널의비닐을덮은상태로측정한데이터의분석결과이다. 데이터분석에사용된시험기간의데이터는 11. 1. 17일부터 11. 2. 28일까지의것이고, 분석시간은일사량이없는 18시부터익일 7시 30분까지이다. 측정한데이터는매 10분간격으로저장되도록하였다. 표 2에서보는바와같이축열튜브의물을 FCU를통해열교환하여이용하는 Case Ⅰ의경우시험기간동안의외기온이평균 -8.0 일때작물재배공간의평균온도는 4.3 에서 4.4 로유지되는것으로나타났고, 외기온이최소 -18.8 일때작물재배공간의최소온도는 -1.5 에서 -0.6 로유지되는것으로나타났다. 그러나축열튜브의물을 FCU 를통해열교환하지않은 Case Ⅱ의경우에는작물재배공간의평균온도가 1.9 에서 2.1 로유지되는것으로나타났고, 최소온도는 -3.9 에서 -3.4 로나타났다. 따라서 FCU를통한열교환축열이용방법을통해작물재배공간의평균온도를약 2 이상높일수있는것으로나타났다. 시험기간중에축열튜브의물을계속하여 FCU를통해흐르도록한것은밤동안에 FCU가설치된하우스내부의기온이영하로내려가 FCU가동파되는현상이 발생하였기때문이다. 표 3은내부터널의비닐을벗긴상태로측정한데이터의분석결과이다. 데이터분석에사용된시험기간의데이터는 11. 3. 3일부터 11. 3. 6일까지의것이고, 분석시간은일사량이없는 19시부터익일 7시까지의데이터를사용했다. 환경계측인자의기록간격은 10분이다. 표 3에서보는바와같이축열튜브의물을 FCU를통해열교환하여이용하는 Case Ⅰ의경우외기온이평균 -2.2 일때작물재배공간의평균온도는 7.3 에서 7.5 로유지되는것으로나타났고, 외기온이최소 -7.9 일때작물재배공간의최소온도는 2 로유지되는것으로나타났다. 그러나축열튜브의물을 FCU를통해열교환하지않은 Case Ⅱ의경우에는작물재배공간의평균온도가 5.0 에서 5.2 로유지되는것으로나타났고, 최소온도는 -1.1 에서 -0.6 로나타났다. 따라서 FCU를통한열교환을통해작물재배공간의평균온도를약 2.0 높일수있는것으로나타났다. 시험결과비닐하우스내부의잉여열을축열하여작물재배공간의보온에이용하기위해서는 FCU를통한적극적열교환방식이유리한것으로나타났다. 그리고축열튜브에비닐하우스내부의열을축열하여이용하기위해서는비닐하우스 Table 2 Temperature variation of the experimental greenhouse with tunnel covering Case Ⅰ Case Ⅱ Items Maximum Minimum Average SS SN SS SN SS SN Water temp.( ) 13.8 12.9 6.8 6.9 9.7 9.3 Internal temp.( ) 15.6 15.6-0.6-1.5 4.3 4.4 Water temp.( ) 7.4 7.8 4.4 4.7 5.7 6.0 Internal temp.( ) 13.3 14.1-3.4-3.9 2.1 1.9 Ambient temp.( ) 2.5-18.8-8.0 Fig. 3 Temperature profile of the experimental duration. 220
J. of Biosystems Eng. Vol. 36, No. 3. Table 3 Temperature variation of the experimental greenhouse without tunnel covering Case Ⅰ Case Ⅱ Items Maximum Minimum Average SS SN SS SN SS SN Water temp.( ) 19.2 18.8 14.0 14.4 17.0 16.7 Internal temp.( ) 7.3 7.5 2.0 2.0 7.3 7.5 Water temp.( ) 11.1 11.8 10.3 10.9 10.8 11.4 Internal temp.( ) 14.5 14.1-1.1-0.6 5.0 5.2 Ambient temp.( ) 3.3-7.9-2.2 Fig. 4 Temperature profile of the experimental duration. 내부에소형의비닐터널을만들어보온을위한작물재배공간을최소화할필요가있는것으로나타났다. 또한낮동안에구름이끼어햇빛이비추지않으면비닐하우스내부의기온도올라가지않기때문에태양에너지를축열하여비닐하우스를보온하는것만으로는안정적인작물재배가어려울것으로판단되며, 이를대비하여온풍난방기등보조난방수단을반드시갖추어야할것으로판단되었다. 국내시설재배농가중무가온비닐하우스를이용하는많은농가가지하수를퍼올려내부비닐의상부에살포하는수막재배시스템을이용하고있고, 이들비닐하우스에서사용하는지하수의양이 10당시간당약 10~15톤에이르는것을감안하면본연구에서제시된태양열축열이용방법을통해상당한양의지하수절약이가능할것으로판단되었다. 4. 요약및결론 본연구는기존수막재배하우스에서하우스를보온하기위하여사용하는지하수의양을줄이기위하여수행되었다. 본연구를위하여 2동의 2중비닐하우스를설치하였다. 비닐 하우스에는내부에소형보온터널을설치하고, 보온터널내부에직경 50 cm의축열튜브를설치한후내부에지하수를채워잉여태양에너지를축열튜브내부의물에축열하는방법을취하였다. 비닐하우스에는중앙부분에 FCU를설치하고, 한쪽의비닐하우스에는축열튜브에 FCU와열교환이되도록순환모터를설치하여 10시 30분부터 16시까지가동하였고, 다른한쪽에는 FCU와축열튜브를똑같이설치하고, FCU는시험구와마찬가지로가동하였지만열교환을위한순환모터의가동은하지않았다. FCU는시간당 8,000 kcal 용량의것을 4대설치하였다. (1) 시험결과 FCU를이용한적극적열교환축열이용의경우외기온이평균 -8.0 일때작물재배공간의평균온도는 4.3 에서 4.4 로유지되는것으로나타났고, 외기온이최소 -18.8 일때작물재배공간의최소온도는 -1.5 에서 -0.6 로유지되는것으로나타났으나, FCU 를이용한열교환을하지않은경우에는작물재배공간의평균온도가 1.9 에서 2.1 로유지되는것으로나타났고, 최소온도는 -3.9 에서 -3.4 로나타났다. 221
(2) 비닐하우스에입사된태양에너지를효율적으로축열하여이용하기위해서는비닐하우스중앙에열교환을위한 FCU를설치하여적극적방법에의한열교환을하는것이작물재배공간의평균온도를약 2 이상높일수있는것으로나타났다. (3) 화석연료등을이용하여비닐하우스내부에보조난방을하지않는경우낮동안의잉여열을열교환하기위해설치한 FCU는하우스내부의온도가영하로내려가면동파되기때문에작동이불가능한것으로나타났다. 따라서 FCU의안정적가동을위해서는축열매체로사용한물이 FCU를지속적으로흘러 FCU가어는것을방지해야할것으로판단되었다. (4) 본시험연구결과겨울철수막재배온실에서사용하는물의양이 150~200톤임을감안할때본연구에서와같은시스템을사용하면외기온 -5 에서보온터널내부기온 5 를유지하는경우에지하수양을약 80% 사사 이상줄일수있을것으로판단되었다. 본연구는농촌진흥청공동연구사업 ( 과제번호 : PJ007217) 및국립농업과학원농업과학기술연구개발사업 ( 과제번호 : PJ007726) 의지원에의해이루어진것입니다. 1. E. Beshada, Q. Zhang and R. Boris. 2006. Winter performance of a solar energy greenhouse in southern Manitoba. Canadian Biosystems Engineering 48: 5.1-5.8. 2. H. J. Kim, N. K. Yun, S. Y. Lee, S. H. Yum and Y. I. Nam. 2004. Development of Closed Water Curtain System in Greenhouse. Proceeding of the KSAM Summer Conference 9(2): 394-397. 3. N. K. Yun, H. J. Kim, S. Y. Lee, S. H. Yum and Y. I. Nam. 2003. Analysis of Thermal Environment in Greenhouse with Closed Water Curtain System. Conference of the Korean Society for Bio-Environment Control 12(1): 44-47. 4. R.D.A. 2007. Water Curtain Technique of Plastic Greenhouse. 5. R.D.A. 2008. Energy Reducing Guide Book of Agricultural Greenhouse. 6. R.D.A. 2009. Diagnosis Casebook of Heat Loss at Agricultural Facilities. 7. R.D.A. 2010. New Agricultural Energy Reducing Technique. 8. W. M. Suh, Y. H. Bae, Y. S. Ryou, S. H. Lee and Y. C. Yoon. 2009. Estimation of Surplus Solar Energy in Greenhouse (I) -Case Study Based on 1-2W Type. Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers 51(5): 79-86. 9. Y. S. Ryou, K. C. Kang, Y. J. Kim, Y. Paek, Y. G. Kang and H. M. Lee. 2006. Heat Transfer Characteristics of Coil Tube Heat Exchanger for Hot Water Heating of Greenhouse Thermal Tunnel. Journal of Biosystems Engineering 31(5): 430-435. 222