Analysis of Surplus Solar Energy in Venlo Type Greenhouse

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벤로형 온실의 잉여 태양에너지 분석

최만권²·신익수³·윤성욱²·김현태⁴·윤용철¹*

1경상대학교지역환경기반공학과(농업생명과학연구원), ²경상대학교대학원,

3경상대학교 농업생명과학연구원, ⁴생물산업기계공학과(농업생명과학연구원)

Analysis of Surplus Solar Energy in Venlo Type Greenhouse

Man Kwon Choi², Yik Soo Shin³, Sung Wook Yun², Hyeon Tae Kim⁴, and Yong Cheol Yoon¹*

1Dept. of Agricultural Eng., Gyeongsang National Univ. (Institute of Agriculture and Life Science, GNU), Jinju 660-701, Korea

2Institute of Agriculture & Life Science, Gyeongsang National University, Jinju 660-701, Korea

3Graduate School, Gyeongsang National Univ., Jinju 660-701, Korea

4Dept. of Bio-Industrial Machinery Eng., Gyeongsang National Univ. (Institute of Agriculture and Life Science), Jinju 660-701, Korea

Abstract. This research analyzed surplus solar energy in Venlo-type greenhouse using acquired typical meteorological year (TMY) data for designing a heat storage system for the surplus solar energy generated in the greenhouse during the day. In the case of paprika, the region-dependent heating loads for Jeju, Jinju, and Daegwanryong area were approximately 1,107.8 GJ, 1,010.0 GJ, and 3,118.5 GJ, respectively. The surplus solar energy measured in Jeju area was 1,845.4 GJ, Jinju area 1,881.8 GJ, and Daegwanryong area 2,061.8 GJ, with the Daegwanryong area show- ing 11.7% and 9.6% higher than the Jeju region and Jinju region respectively. In the case of chrysanthemums, regional heating loads were determined as 1,202.5 GJ for the Jeju region, 1,042.0 GJ for the Jinju region, and 3,288.6 GJ for the Daegwanryong region; the regional differences were similar to those for paprika. The recorded surplus solar energy was 1,435.2 GJ, 1,536.2 GJ, and 1,734.6 GJ for Jeju, Jinju, and Daegwanryong region, respectively. The Daegwanryong region recorded heating loads 20.9% and 12.9% higher than in the Jeju and Jinju region, respectively. From the above, it can be said that cultivating paprika, compared to cultivating chrysanthemums, requires less heating energy regardless of the region and tends to yield more surplus solar energy. Moreover, if the Daekwan Pass region is excluded, the surplus solar energy exceeds the energy required for heating. Although the required heating energy differs according to regions and crops, cucumbers were found to require the highest amount, followed by chrysanthemum and paprika. The amount of surplus solar energy was the highest in the case of paprika, followed by cucumber and chrysanthemum.

Additional key words : heating energy, heat budget, KSU greenhouse model, typical meteorological year

서 론

국내의 경우, 원예시설은 1920년대 첫 시작으로 1950 년 초부터 경남 김해 지역에서 본격적으로 발전하게 되 었으며, 1990년 이후 연평균 4% 정도씩 꾸준히 증가하 여 2011년도 말 현재 52,393ha로서 20년 사이에 2배 이 상 증가하였다. 현재 전체 원예시설 면적 중 가온면적은 약 31%인 16,263ha 정도로서 2009년 및 2010년도에 각 각 26% 및 30% 정도로 미미하지만 증가하는 추세에 있다(MIFAFF, 2012a, b). 이들 가온 온실의 경우, 난방

용 에너지로 91% 이상을 유류(경유 비중 81%)에 의존 하고 있는 실정이며, 최근과 같이 한파가 엄습하면 높은 난방비 때문에 재배를 포기하는 농가도 속출한다. 따라 서 다양한 형태의 난방비 및 에너지절감기술에 대한 연 구가 꾸준히 수행되고 있는 실정이다(Park, 2011).

겨울철 가온 온실의 최대 관심사는 난방비 절감이다.

이를 극복하기 위한 하나의 방안중, 난방에너지의 주요 에너지인 화석에너지의 대체 에너지를 고려하여 볼 수 있다. 현재 대체 에너지원으로는 태양에너지, 지열, 바이 오매스 등과 같은 자연에너지와 폐자원에너지 및 산업폐 열로 대별할 수 있으나, 자원의 부존 현황이나 설비투자 및 환경문제 등의 문제점이 산재해 있다. 최근 이용되고 있는 난방에너지는 고체연료(폐목, 연탄, 목제펠릿 등) 및 유류(경유, 중유, 등유 등)가 전체가온면적 중 각각

*Corresponding author: [email protected]

*Received March 27, 2013; Revised April 29, 2013;

*Accepted May 3, 2013

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1,069ha 및 14,518ha로서 약 6.6% 및 89.3% 정도로서 약 95.9%를 차지하고 있다. 그리고 가스류 및 전기류가 약 617ha인 3.8%이고, 신·재생에너지(지열 등)가 약 59ha인 0.4% 정도에 불과하다(MIFAFF, 2012a, b).

이상과 같이 현재까지는 온실 난방용 에너지로 이용되 는 에너지는 화석연료인 유류가 대부분이고 신·재생에 너지의 사용은 아주 미미한 실정이지만, 신·재생에너지 에 대한 관심이 고조되고 있으며, 이와 관련하여 기상청 에서는 전국을 대상으로 태양에너지를 대상으로 분석하 여 보고한 바가 있다(KMA, 2008).

그러나 원예시설 면적 중 플라스틱필름 및 유리·경질 필름 온실은 각각 51,754ha 및 639ha로서, 아연도 강관 을 주 서까래로 이용하는 플라스틱필름 온실이 시설면적 의 99% 정도로 대부분을 차지하고 있어 에너지 절감기 술은 주로 플라스틱 온실을 대상으로 많은 연구가 수행 되고 있으나, 유리온실을 대상으로 수행한 연구는 아직 미미한 실정이다.

따라서 본 연구실에서는 주간에 온실에서 발생되는 잉 여 태양에너지를 축열할 적정 시스템 설계의 기초자료를 제공할 목적으로 표준기상년 데이터를 이용하여 1-2W형 과 내재해형 모델로 고시(MIFAFF & RDA, 2007)한 자 동화 2종 등을 포함하여 6종류의 온실을 중심으로 제주, 광주 및 수원 등 주요 9개 지역을 대상으로 잉여 태양 에너지를 분석하여 보고한 바가 있다(Suh 등, 2009, 2010; Yoon 등, 2011, 2012).

본 연구에서는 잉여 태양에너지의 축열 시스템 설계를 위한 기초자료를 제공할 목적으로 선행연구에서 보고 (Suh 등, 2009, 2010; Yoon 등, 2011, 2012)한 바와 같 이 벤로형 유리온실을 대상으로 작물(파프리카 및 국화) 에 따른 제주, 진주, 수원 등 주요 6개 지역의 소요 난 방에너지 및 잉여 태양에너지를 분석하였다.

재료 및 방법

본 연구에서는 선행연구에서 보고(Suh 등, 2009, 2010;

Yoon 등, 2011, 2012)한 표준기상년(TMY; Typical Meteorological Year) 자료를 바탕으로 잉여 태양에너지 및 소요 난방에너지를 주요 지역별로 벤로형 온실을 대 상으로 분석하였다. Table 1은 분석에 필요한 TMY자료 의 인자를 나타낸 것이다. Fig. 1은 대상 온실인 벤로형 온실을 나타낸 것이다. 그리고 잉여 태양에너지를 산정

한 대상 지역은 온난한 제주, 중간 정도인 진주, 상대적 으로 기온이 낮은 수원 등으로 크게 3가지로 분류하여 총 6개 지역 즉, 제주, 진주, 대구, 전주, 수원, 대관령을 대상으로 분석하였다. Fig. 2는 대상 지역을 나타낸 것 Table 1. Meteorological elements of typical meteorological year for greenhouse simulation.

Classification Time Dry temperature

Wind velocity

Solar radiation

Dew point temperature

Amount of clouds

Station

pressure Precipitation Snowfall of three hours

Unit Hour ^oC m · s⁻¹ MJ · m⁻² ^oC 1-10 hPa mm cm

Fig. 1. Views of Venlo type greenhouse.

Fig. 2. Region for analysis.

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이다.

대상온실의 규격, 설정온도 및 환기온도 등은 Table 2 에 나타내었다. Table 2와 같이 파프리카의 경우, 주·야 간 설정온도는 각각 22ôC 및 18ôC로 유지하고, 저속 및 고속 환기의 기준온도는 각각 27ôC 및 29ôC로 하였다.

국화의 경우, 주·야간 설정온도는 각각 25ôC 및 18ôC로 유지하고, 저속 및 고속 환기의 기준온도는 각각 35ôC 및 30ôC로 하였다(http://www.postharvest.or.kr). Table 2 에서 저속 및 고속 환기란 것은 설정된 온도에서 각각 분당 0.5회 및 1.0회의 환기횟수를 의미하는 것이다.

대상온실에서 재배되는 작물은 최근 수출이 증가하고 있는 품목인 파프리카와 국화로 하였으며, 파프리카의 작기는 9월 1일부터 익년 5월 30일까지 1작기로 하였다.

국화의 작기는 9월 1일부터 12월 31일까지, 익년 2월 1 일부터 5월 30일까지로 2작기로 가정하였다. 그리고 차 광이나 보온커튼은 설치하지 않은 것으로 하였다.

파프리카 온실의 경우, 암면 슬래브 1개의 길이는 1m 로서 0.33m 간격으로 파프리카를 정식하였다. 총재배수 는 8,820주이고, 재배밀도는 약 6.7주 · m⁻²이었다. 국화 를 재배할 경우, 국화네트를 사용하는데 일반적으로 네 트의 크기는 10 × 10cm, 11 × 11cm 및 12 × 12cm 정도 이다. 본 연구의 조사대상 온실에서는 12 × 12cm의 네트 를 사용하여 국화를 재배하고 있었다. 국화의 총재배수 및 재배밀도는 각각 96,960주 및 69.4주 · m⁻²이었다.

Fig. 3은 파프리카 및 국화의 정식된 모습을 평면으로

나타낸 것이다. 온실의 규모나 재배밀도 등은 지역에 관 Table 2. Venlo type greenhouse selected for analysis of surplus solar energy.

Type B × L × H (m) Floor areas (m²) Setting temperatures (^oC) Remarks

Venlo 8 × 100 × 6 2,400

- Paprika

· daytime : 22

· nighttime : 18

· low speed ventilation : 27

· high speed ventilation : 29

- Chrysanthemum

· daytime : 25

· nighttime : 18

· low speed ventilation : 30

· high speed ventilation : 35

3-multi-span

Fig. 3. Schematic diagram of paprika and chrysanthemum.

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계없이 동일하게 적용하여 분석하였다.

본 연구에서 채택한 분석방법은 선행연구(Suh 등,

2009)와 동일한 방법으로서 수학적인 온실 열수지 분석

모형인 KSU-온실모형(Suh, 1986)을 활용하였다. 열 수 지를 분석할 때, 작물의 생육 모델링은 두 작물의 생육 조사 결과를 바탕으로 하였다. 그 결과를 나타낸 것이

Fig. 4와 같다. 온실의 시뮬레이션을 위해서는 일차적으

로 온실의 형상과 관련된 제반 치수를 비롯하여 온실구 성 인자의 물리적인 특성치와 대략적인 초기조건을 입력 자료로 필요로 한다. 초기조건으로는 온실내·외 지표면 온도 및 지온, 피복면 내측과 바닥면 표층의 수분 응집 량, 온실의 환기율, 온실내 공기의 수증기압 및 온실기 온의 추정치 등이 필요하다. 또한 분석에 이용되는 주요 파라메타로서는 시간간격, 위도, 경도, 작물 및 온실바닥 의 태양광 흡수율, 피복재 두께 및 굴절계수, 환기용량, 온실의 규격, 온골조율, 실내바닥의 열전도계수, 작물의 포기 수 및 높이 등 다양하게 요구된다. 그리고 잉여 태 양에너지는 환기에 의해 온실 밖으로 배출되는 열이기 때문에 동일지역 또는 동일한 온실 형태일지라도 환기설 정온도에 따라 달라진다.

온실에서 조성되는 잉여 태양에너지란 온실의 적정온 도를 유지하기 위해서 환기를 통하여 자연 또는 강제로 배출되어야 하는 열이다. 따라서 난방 설정온도를 비롯 하여 환기설정온도, 작물의 종류, 재배밀도 및 작부체계 등에 따라서 현저한 차이를 보일 것이다. 실제 온실에서 는 작물의 광합성 및 증발산 형태로 소비되는 에너지를 비롯하여 주·야간 난방설정온도, 커튼의 유무 및 보온효 과, 특히 고온장애 극복이나 최적온도에 맞추기 위하여 목표로 하는 환기설정온도에 따라 잉여 태양에너지의 규 모가 크게 변할 수 있을 것이다. 그러나 본 연구에서는 상대적인 잉여 태양에너지를 산정하기 위하여 지역에 관 계없이 설정온도와 환기조건을 동일하게 적용하여 분석

하였다.

결과 및 고찰

1. 파프리카

Table 3, 4 및 5는 Venlo형 온실에 파프리카를 재배할 경우, 온실 내에서 조성되는 잉여 태양에너지의 양상을 파악하기 위하여 분석대상 6개 지역 중에서 상대적으로 온난한 지역, 한랭한 지역 및 일반적인 지역을 포함하여 3개 지역(제주, 진주, 대관령)에 대해 온실의 열수지를 분석한 결과를 나타낸 것이다. 이들 표에서 잉여 태양에 너지는 온실의 온도를 적정온도로 유지하기 위해 환기에 의하여 온실 밖으로 배출되는 열로서 환기(Ventilation)로 표시된 부분이다. 또한 표에서 기타(Others)로 표시된 에 너지는 온실에 투입된 에너지가 작물의 광합성이나 증발 산 등에 이용되는 열을 나타낸 것이다. 그리고 이들 표 에서 6월, 7월 및 8월의 자료가 없는 것은 이 시기에 난방이 불필요하기 때문에 분석에서 제외하였다.

Table 3, 4 및 5에서 알 수 있듯이 지역별 난방부하를 계산한 결과, 제주, 진주 및 대관령지역은 각각 약 1,107.8GJ, 1,010.0GJ 및 3,118.5GJ로 분석되었다. 그리 고 기후적 특성으로 난방부하가 가장 큰 지역인 대관령 에 비해 제주 및 진주지역은 각각 약 35.5% 및 32.4%

정도인 것으로 나타났다. 온실의 잉여 태양에너지의 경 우, 제주지역은 1,845.4GJ, 진주지역은 1,881.8GJ, 대관 령지역은 2,061.8GJ로 나타나 대관령지역이 제주 및 진 주지역에 비해 각각 11.7% 및 9.6% 정도 크게 나타났 다. 또한 난방에너지나 잉여 태양에너지 이 외에도 온실 내로 투과되는 태양에너지의 양(Solar)을 비롯하여 온실 에서 작물의 광합성에 이용되거나 복사(Radiation)나 피 복표면의 대류(Convection) 등으로 손실되는 열량 역시 지역별로 차이가 있음을 알 수 있다.

Fig. 4. Results of growth modeling for selected crops.

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그리고 표로 나타내지 않았던 전주, 대구 및 대관령 지역을 포함하여 6개 지역을 대상으로 전체 투입 에너 지양 중에 태양에너지가 차지하는 비율은 지역별로 61.0~

85.0% 정도의 범위로서 최대 및 최소 지역은 진주 및 대관령지역인 것으로 나타났다. 난방에 의한 에너지 투

입량은 15.0~39.0% 정도로서 지역별로 큰 차이를 보였 으며, 최소 및 최대 지역은 진주 및 대관령지역인 것으 로 나타났다. 전체 손실에너지 중 복사, 대류, 환기 및 기타에 의한 손실 에너지는 지역별로 각각 1.0~2.0%, 23.0~38.0%, 25.0~34.0% 및 34.0~47.0% 정도의 범위로 Table 3. Heat budget based on month using typical meteorological year in Jeju.

Month Energy input (MJ) Energy output (MJ)

Solar Heater Total Radiation Convection Ventilation Others Total

09 538,413 920 539,333 5,405 40,242 318,029 175,657 539,333

10 498,548 30,872 529,420 7,623 78,129 230,974 212,694 529,420

11 371,853 110,221 482,074 7,995 128,431 153,630 192,018 482,074

12 276,230 224,930 501,160 9,012 200,851 112,203 179,094 501,160

01 274,999 285,169 560,168 10,007 239,773 115,302 195,086 560,168

02 369,052 218,505 587,557 9,299 210,687 138,389 229,182 587,557

03 540,009 152,023 692,032 10,408 194,547 187,678 299,399 692,032

04 724,168 63,845 788,013 7,891 116,304 295,612 368,206 788,013

05 775,625 21,325 796,950 6,776 68,538 293,576 428,060 796,950

Total (%)

4,368,897 (80)

1,107,810 (20)

5,476,707 (100)

74,416 (1)

1,277,502 (23)

1,845,393 (34)

2,279,396 (42)

5,476,707 (100)

Table 4. Heat budget based on month using typical meteorological year in Jinju.

09 536,062 3,975 540,037 5,750 47,329 308,850 178,108 540,037

10 663,549 38,547 702,096 9,402 112,950 315,748 263,996 702,096

11 481,780 113,844 595,624 11,792 186,498 163,634 233,700 595,624

12 510,877 199,625 710,502 15,017 283,552 158,776 253,157 710,502

01 584,045 229,143 813,188 15,539 314,251 196,641 286,757 813,188

02 547,886 188,710 736,596 12,010 269,380 166,777 288,429 736,596

03 694,112 144,218 838,330 12,403 221,772 186,061 418,094 838,330

04 775,630 66,023 841,653 9,532 130,657 247,236 454,228 841,653

05 760,606 25,893 786,499 6,972 70,939 138,054 570,534 786,499

Total (%)

5,554,547 (85)

1,009,978 (15)

6,564,525 (100)

98,417 (1)

1,637,328 (25)

1,881,777 (29)

2,947,003 (45)

6,564,525 (100)

Table 5. Heat budget based on month using typical meteorological year in Daegwanryong.

09 397,367 63,982 461,349 7,519 116,164 213,733 123,933 461,349

10 500,190 196,595 696,785 11,248 225,752 225,872 233,913 696,785

11 381,713 344,910 726,623 13,029 320,674 172,697 220,223 726,623

12 430,779 610,694 1,041,473 16,629 515,705 232,361 276,778 1,041,473

01 385,519 686,524 1,072,043 16,723 570,606 228,921 255,793 1,072,043

02 562,966 455,732 1,018,698 14,777 457,483 236,985 309,453 1,018,698

03 576,009 391,235 967,244 15,332 409,113 206,436 336,363 967,244

04 725,889 267,713 993,602 12,250 278,649 275,408 427,295 993,602

05 836,793 101,149 937,942 9,124 152,137 269,397 507,284 937,942

Total (%)

4,797,225 (61)

3,118,534 (39)

7,915,759 (100)

116,631 (1)

3,046,283 (38)

2,061,810 (26)

2,691,035 (34)

7,915,759 (100)

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서 복사에 의한 손실 에너지는 다른 인자에 비하여 전 체 손실 에너지 중에 차지하는 비중은 크지 않은 것으 로 나타났다. 작물의 광합성 및 증발산 형태로 소실되는 에너지가 상대적으로 가장 큰 것으로 나타나 재배작물의 종류나 재배시기와 관련된 작부체계, 설정온도 등과 깊 은 관계가 있는 것으로 판단된다. 따라서 설정온도 등을 달리하면 잉여 태양에너지의 량이 상당한 차이를 보일 것으로 판단된다.

지역에 따라 차이는 있지만, 난방이 집중적으로 이루 어지는 동절기인 3~4개월을 제외하면 대부분 잉여 태양 에너지만으로도 난방열을 보충할 수 있을 것으로 나타났 다. 그리고 본 연구에서 설정한 조건에 국한하여 살펴보 면, 분석대상기간인 9개월 동안 지역별로 전체 난방에너 지에 대한 잉여 태양에너지가 차지하는 비율은 66.1~

186.3% 정도의 범위로서 기후적으로 특수한 한 지역을

제외하면 잉여 태양에너지가 난방에너지를 초과하는 것 으로 나타났다. 따라서 적절한 방법으로 이들 잉여 태양 에너지를 효율적으로 비축할 수 있는 방법을 강구할 필 요가 있는 것으로 판단된다.

Table 6. Heat budget based on month using typical meteorological year in Jeju.

09 544,913 5,484 550,397 6,477 68,760 261,416 213,744 550,397

10 499,850 39,320 539,170 8,642 107,562 190,770 232,196 539,170

11 384,527 133,775 518,302 8,614 149,157 151,943 208,588 518,302

12 272,746 265,305 538,051 9,871 233,716 82,069 212,395 538,051

01 238,184 269,197 507,381 10,610 260,739 119,678 116,354 507,381

02 328,791 214,104 542,895 9,974 234,227 135,586 163,108 542,895

03 476,689 166,378 643,067 11,617 234,873 114,706 281,871 643,067

04 661,862 78,485 740,347 9,118 153,290 190,323 387,616 740,347

05 749,996 30,477 780,473 8,211 106,520 188,710 477,032 780,473

Total (%)

4,157,558 (78)

1,202,525 (22)

5,360,083 (100)

83,134 (2)

1,548,844 (29)

1,435,201 (27)

2,292,904 (43)

5,360,083 (100)

Table 7. Heat budget based on month using typical meteorological year in Jinju.

09 541,383 6,819 548,202 6,825 71,623 255,620 214,134 548,202

10 665,950 41,989 707,939 10,155 130,296 301,014 266,474 707,939

11 497,755 122,234 619,989 12,818 214,440 74,002 318,729 619,989

12 506,275 209,127 715,402 16,108 318,510 74,077 306,707 715,402

01 514,033 210,780 724,813 16,408 340,604 215,195 152,606 724,813

02 493,349 185,848 679,197 12,828 296,986 178,807 190,576 679,197

03 616,509 153,596 770,105 13,731 265,624 124,593 366,157 770,105

04 710,097 76,503 786,600 10,803 168,079 182,176 425,542 786,600

05 736,704 35,090 771,794 8,275 102,616 130,710 530,193 771,794

Total (%)

5,282,055 (84)

1,041,986 (16)

6,324,041 (100)

107,951 (2)

1,908,778 (30)

1,536,194 (24)

2,771,118 (44)

6,324,041 (100) 2. 국화

Table 6, 7 및 8은 Venlo형 온실에 국화를 재배할 경 우, 파프리카와 마찬가지로 6개 지역 중에서 3개 지역 (제주, 진주, 대관령)에 대한 열수지를 나타낸 것이다.

Table 6, 7 및 8에서 알 수 있듯이 지역별 난방부하를 계산한 결과, 제주지역은 1,202.5GJ, 진주지역은 1,042.0GJ, 대관령지역은 3,288.6GJ 정도인 것으로 분석되었다. 그 리고 대관령에 비해 제주 및 진주지역은 각각 약 36.6%

및 31.7% 정도로서 파프리카의 경우와 유사하였다. 온 실의 잉여 태양에너지를 분석한 결과, 제주, 진주 및 대 관령지역은 각각 1,435.2GJ, 1,536.2GJ, 및 1,734.6GJ로 나타나 대관령지역이 제주 및 지주지역에 비해 각각 20.9% 및 12.9% 정도 크게 나타났다. 파프리카 결과와 비교할 때, 제주지역이 상대적으로 큰 차이를 보이는 것 으로 나타났다. 또한 난방에너지나 잉여 태양에너지 이 외에도 파프리카의 경우와 마찬가지로 손실되는 열량 역 시 지역별로 차이가 있음을 알 수 있었다.

파프리카와 동일하게 전주, 대구 및 수원지역을 포함 하여 6개 지역을 대상으로 전체 에너지 투입량 중에 태

(7)

양에너지가 차지하는 비율은 지역별로 58.0~84.0% 정도 의 범위로서 최대 및 최소 지역은 진주 및 대관령지역 인 것으로 나타났다. 난방에 의한 에너지 투입량은 16.0~

42.0% 정도로서 지역별로 큰 차이를 보였으며, 국화의

경우도 최소 및 최대지역은 파프리카와 동일한 것으로 나타났다. 전체 손실에너지 중 복사, 대류, 환기 및 기타 에 의한 손실 에너지는 지역별로 각각 2.0%, 29.0~43.0%, 22.0~27.0% 및 34.0~44.0% 정도의 범위로서 파프리카의 경우와 유사한 경향을 보였다.

국화의 경우도 파프리카와 마찬가지로 지역에 따라 차 이는 있지만, 난방이 집중적으로 이루어지는 동절기인 3~4개월을 제외하면 잉여 태양에너지로 난방열을 보충할 수 있을 것으로 나타났다. 그리고 본 연구에서 설정한 조건에 국한하여 살펴보면, 분석대상기간인 9개월 동안 지역별로 전체 난방에너지에 대한 잉여 태양에너지가 차 지하는 비율은 52.7~147.4% 정도의 범위로서 파프리카 보다 차지하는 비율은 상대적으로 낮지만, 한 지역을 제 외하면 잉여 태양에너지가 난방에너지를 초과하는 것으 로 나타났다.

이상에서는 파프리카와 국화에 대해서 분석결과를 바 탕으로 전체적으로 검토하였다. 그러나 잉여 태양에너지 는 지역, 농가, 재배작물, 설정온도, 온실의 규격이나 종 류 등에 따라 다르기 때문에 단위면적당 잉여 태양에너 지를 검토하는 것이 축열조 등을 설계할 때 유용한 자 료로 이용할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 Fig. 5는 이상에서 검토한 지역을 대상으로 단위면적당 난방 및 잉여 태양에너지를 파프리카 및 국화에 대해 나타낸 것 이다.

Fig. 5에서 알 수 있듯이 동일한 TMY자료를 이용하 여 동일한 규격 및 형태의 온실, 지역을 대상으로 분석 하였지만, 작물의 종류나 지역에 따라 난방 및 잉여 태 양에너지는 다른 것을 알 수 있다. 그러나 Fig. 5(a)와

같이 파프리카를 재배하는 경우가 국화에 비해 상대적으 로 지역에 관계없이 난방에너지가 차지하는 비중은 적고 잉여 태양에너지는 많은 경향이 있음을 알 수 있다. 또 한 앞에서도 기술하였듯이 대관령지역을 제외하면 잉여 태양에너지가 난방에 소요되는 에너지보다 많은 것을 알 수 있다.

이상과 같이 온실 내부로 투입되는 태양에너지, 소요 난방에너지 및 잉여 태양에너지가 지역 및 작물별로 별 로 상이한 것은 지역별 기상요소(TMY 자료), 온실내부 Table 8. Heat budget based on month using typical meteorological year in Daegwanryong.

09 401,829 77,946 479,775 8,569 144,885 176,851 149,470 479,775

10 502,068 225,077 727,145 12,126 256,955 167,233 290,831 727,145

11 395,448 386,725 782,173 14,129 365,728 140,466 261,850 782,173

12 426,718 679,327 1,106,045 17,786 570,833 211,034 306,392 1,106,045

01 336,788 633,002 969,790 16,675 562,891 228,169 162,055 969,790

02 506,412 445,710 952,122 15,197 471,042 236,254 229,629 952,122

03 510,646 420,085 930,731 16,324 447,164 156,988 310,255 930,731

04 661,788 302,139 963,927 13,490 327,934 177,680 444,823 963,927

05 810,505 118,546 929,051 10,331 189,764 239,903 489,053 929,051

Total (%)

4,552,202 (58)

3,288,557 (42)

7,840,759 (100)

124,627 (2)

3,337,196 (43)

1,734,578 (22)

2,644,358 (34)

7,840,759 (100)

Fig. 5. Heating and surplus solar energy per area (floor area : 2,400 m²).

(8)

의 설정온도와 작물의 광합성에 이용되거나 복사, 대류 등으로 손실되는 열량의 차이에 의한 것으로 판단된다.

3. 온실형태 및 재배 작물별 비교

본 연구실에서는 플라스틱 필름 온실을 대상으로 다양 한 온실형태에 대해서 잉여 태양에너지를 분석하여 보고 한 적이 있다(Suh 등, 2009, 2010; Yoon 등, 2011,

2012). 선행연구에서의 대상작물은 모두 오이였으며, 작

기는 9월 1일과 1월 16일에 정식하는 2작기(1m²당 약 2 주 재배)로 가정하였다. 파프리카나 국화와 마찬가지로 차광이나 보온 커튼은 설치하지 않은 것으로 하였다.

Fig. 6은 재배작물에 따른 잉여 태양에너지를 단순 비교 하기 위하여 본 연구에서 분석한 온실의 형태(플라스틱 필름 피복의 Venlo-type)와 규모(B × L × H; 8 × 96 × 5.7m, 3연동, 바닥면적 2,304m²)가 비슷한 08-AUTO-1형(원예 특작시설 내재해형 규격 설계도·시방서, 농림수산식품부 고시 제2010-128호, 2010.12.7)에 대하여 소요 난방에너 지와 잉여 태양에너지를 3가지 작물에 대해 단위면적당 으로 나타낸 것이다. 주·야간 설정온도, 저속 및 고속 환기 설정온도는 각각 15, 10, 25 및 27^oC이다.

Fig. 6에서 알 수 있듯이 소요 난방에너지는 지역 및 재배작물별로 다소 차이는 있지만, 오이가 일반적으로 많게 나타났으며, 그 다음으로 국화 및 파프리카 순이었 다. 잉여 태양에너지는 대체적으로 파프리카, 오이 및 국화 순으로 많게 나타났다.

이상과 같은 경향을 분석할 때, 여러 가지 요인이 복 합적으로 작용하기 때문에 단순히 하나의 인자에 의하여 결정될 수 있는 문제는 아니다. 그러나 오이의 경우, 소 요 난방에너지가 파프리카나 국화에 비해 상대적으로 많 은 것은 여러 가지 요인 중에서도 난방 설정온도가 크 게 영향을 미친 것으로 판단된다. 그리고 잉여 태양에너 지의 경우도 국화가 가장 적은 것은 상대적으로 환기설 정온도가 높기 때문인 것으로 판단된다. 물론 여러 가지 인자의 영향으로 정확하게 피복재의 종류나 작물에 따른 차이를 이상의 결과로 판단하기는 어렵지만, 참고자료로 는 사용할 수 있을 것으로 판단된다. 앞으로 여건이 주 어지면, 동일한 조건에서 피복재 및 작물에 따른 차이를 검토할 예정이다.

적 요

본 연구는 주간동안 온실 내에서 발생되는 잉여 태양에 너지 축열 시스템 설계에 필요한 기초자료를 제공할 목적 으로 확보한 표준기상년 데이터를 이용하여 벤로형 온실 을 대상으로 잉여 태양에너지를 분석하였다. 파프리카의 경우, 지역별 난방부하는 제주, 진주 및 대관령지역에 대 해 각각 약 1,107.8GJ, 1,010.0GJ 및 3,118.5GJ로 분석되 었다. 잉여 태양에너지의 경우, 제주지역 1,845.4GJ, 진주 지역 1,881.8GJ, 대관령지역은 2,061.8GJ로 나타나 대관 령지역이 제주 및 진주지역에 비해 각각 11.7% 및 9.6%

정도 크게 나타났다. 국화의 경우, 지역별 난방부하는 제주지역 1,202.5GJ, 진주지역 1,042.0GJ, 대관령지역은

3,288.6GJ 정도인 것으로 분석되었으며 지역별 차이는

파프리카의 경우와 유사였다. 잉여 태양에너지는 제주, 진주 및 대관령지역에 대해 각각 1,435.2GJ, 1,536.2GJ, 및 1,734.6GJ로 나타나 대관령 지역이 제주 및 진주지역 에 비해 각각 20.9% 및 12.9% 정도 크게 나타났다. 파 프리카를 재배하는 경우가 국화에 비해 상대적으로 지역 에 관계없이 난방에너지가 차지하는 비중은 적고 잉여 태양에너지는 많은 경향이 있음을 알 수 있다. 또한 대 관령지역을 제외하면 잉여 태양에너지가 난방에 소요되 는 에너지보다 많은 것을 알 수 있다. 소요 난방에너지 는 지역 및 재배작물별로 다소 차이는 있지만, 오이가 일반적으로 많게 나타났으며, 그 다음으로 국화 및 파프 리카 순이었다. 잉여 태양에너지는 대체적으로 파프리카, 오이 및 국화 순으로 많게 나타났다.

Fig. 6. Heating and ventilation energy in greenhouse with applica- tion of horticultural crops per area.

(9)

추가 주제어 : 난방에너지, 벤로형 온실, 열수지, 표준기 상년, KSU-온실모형

사 사

본 연구는 농림축산식품부 생명산업기술개발사업에 의 하여 이루어진 것임.

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