Heat Insulation Characteristics of Multi Layer Materials for Greenhouse

(1)

시설원예용 조합형 다겹보온자재의 보온 특성

정성원¹*·김동건²·이석건³·남상헌⁴·이용범⁵

1부산대학교바이오산업기계공학과

,

²부산대학교기계기술연구원

,

3경북대학교농업토목공학과

,

⁴영남이공대학기계공학과

,

⁵서울시립대학교환경원예학과

Heat Insulation Characteristics of Multi Layer Materials for Greenhouse

Sung Won Chung

¹^*

, Dong Keon Kim

²

, Suk Gun Lee

³

, Sang Heon Nam

⁴

, and Yong Beom Lee

⁵

1

Department of Bio-Industrial Machinery Engineering, Pusan National University, Miryang 627-706, Korea

2

Research Institute of Mechanical Technology, Pusan National University, Pusan 609-735, Korea

3

Department of Agricultural Civil Engineering, Kyungpook National University, Daegu 702-701, Korea

4

Department of Machinery Engineering, Yeungnam College of Science & Technology, Daegu 705-037, Korea

5

Department of Environmental Horticulture, The University of Seoul 130-743, Korea

Abstract.

Experiments and computations were conducted to investigate the heat insulation characteristics of multi layer materials for cultivation greenhouse. In case of the experiments, measurements of temperature were carried out with a K-type thermocouples and data logger to research the heat transfer in the experimental module generated by the heat source. A thermal conductivity meter, QTM-500 based on modified transient hot wire method was used to measure the thermal conductivity of multi layer materials. The numerical analyses were performed by commercial code CFX-11 according to the variation of multi layer materials without air layer. The experimental results showed that the heat insulation of multi layer materials was higher than single layer materials by 50~90%. It was found that the effect of heat insulation was raised by the combination of multi layer materials.

Key words :

heat insulation, multi layer, numerical analysis, thermal conductivity

서 론

최근우리나라시설원예는고유가

,

고환율로인해온 실재배에서에너지비용이크게부담되고있으며

,

이러 한부담을극복하기위하여에너지의효율적인관리와 이용이요구되고있다

.

온실재배에있어에너지절감을 위한방법에는크게

2

가지로나눌수있다첫째는온실 내부의온도를적정온도까지올려주기위한가온에너 지의절감이고

,

^둘째는^온실^내부의^열원을^통해^적정

온도를효율적으로보존할수있게해주는보온에너지 의절감이다

.

가온에너지절감은난방시스템의개선과 석탄및전기를통한석유의대체연료사용이나대체에

너지의하나인지열을이용하여에너지를절감하는것 이고

,

보온에너지절감은단열성이우수한보온자재를 통한보온성의효율화와온실내부의투광량을극대화 하기위한피복재료의개발을통해에너지를절감하는 것이다

.

^가온^에너지의^절감^방법은^기존^농가에서^사용

하고있는시스템의교체가불가피하기때문에초기비 용이많이드는데비해보온에너지절감방법은기존 의보온시스템에추가하거나부분변형을통해간편하 게할수있기때문에보다 더효율적인에너지절감 을할수있다

(Kim

등

, 2007; Lee

등

, 2007).

본연구에서는시설원예용으로사용되고있는단일 보온자재와조합형다겹보온자재에대해온도를측정 하여각각의보온자재에대한보온특성을조사하고

,

상

용코드인

CFX-11

을이용하여온실내부의열유동을수

치적 해석으로 접근하여 내부 온도 및 유동 특성을

*Corresponding author: [email protected]

*Received September 14, 2009; Revised September 28, 2009;

*Accepted October 16, 2009

(2)

구명하여이를실험결과와비교검토하고자한다

. 재료 및 방법

1. 시험 장치

보온자재의보온특성을 연구하기위한시험장치는 정육각형모듈로서사각형박스

2

개로 구성되고박스 의 크기는 각각

1000 × 1000 × 1000mm

와

700 × 700 ×

700mm

이다

.

사각형박스는한변의 길이가

30mm

인

정사각형 나무각목을 이용하여 프레임을 제작하였고

,

제작된 프레임에

700mm

사각형 박스는 보온자재를

사용하였다

.

그리고

1000mm

의박스에는

PE

필름을사 용하여외부와의열접촉을차단하였으며

, 700mm

^사각

형 박스의정중앙에는

200W

^의^{전기히터를} ^설치하여

발열하도록 하였다

.

본 실험에 사용된 보온자재는

Table 1

과같이부직포

(100g

·

m

⁻²

)

의단일보온자재와 부직포

(50g

^·

m

⁻²

) +

^화학솜

(227g

^·

m

⁻²

) +

^부직포

(50g

^·

m

⁻²

),

부직포

(100g

·

m

⁻²

) +

화학솜

(170g

·

m

⁻²

) +

폴리 폼

(0.9mm) +

부직포

(50g

·

m

⁻²

)

인조합형다겹보온자재 를선택하였다

.

보온자재의내·외부온도를측정하기

위하여

700mm

^사각형 ^박스 ^내부에 ^설치된 ^열원의

상하에각각

4

개의

K-type

열전대를설치하고

,

보온자

재와

PE

필름사이에도 상하에

K-type

의열전대를 각

각

4

개 설치하여

Data logger

를 통해 실시간으로 컴

퓨터에저장되도록구성하였다

.

^온도^측정은

1

^분^간격

으로하였으며

,

시험은

5

시간동안수행하되실험모듈 의 내부 온도 변화가없을 때까지 실험을 수행하였 다

.

또한 같은 높이 지점에 위치한

4

점의 온도는 식

(1)

^과 ^같이 ^평균값을 ^취해서 ^{사용하였다}

.

^{실험모듈의}

장치및온도측정지점은

Fig. 1

에나타내었다

. T

1

= T

1 − 1

+ T

1 − 2

+ T

1 − 3

+ T

1 − 4

T

2

= T

2 − 1

+ T

2 − 2

+ T

2 − 3

+ T

2 − 4

T

3

= T

3 − 1

+ T

3 − 2

+ T

3 − 3

+ T

3 − 4

T

4

= T

4 − 1

+ T

4 − 2

+ T

4 − 3

+ T

4 − 4

(1)

2. 열전도도 측정

조합형다겹보온자재의보온 특성을수치적으로구 명하기위해서는다겹보온자재에대한열전도도측정 이먼저이루어져야한다

.

^이에^본^{연구에서는}^다겹보

온자재의열전도도를측정하기위해

Fig. 2

와같이열 전도도 측정기

(QTM-500, Kyoto Electronics),

열선

(Hot Heater),

열전대가 부착된프로브

(PD-13, Kyoto Electronics),

^시료

(samples),

^개인용^컴퓨터

,

^열선^냉각

판 등으로 시스템을 구성하였다

.

열전도도 측정기는

0.023~12W

·

m

^−1o

C

⁻¹의 측정범위

, ± 5%

의 정밀도와

± 3%

^의^재현성을^갖는다

.

^프로브는^시료와^직접^접촉

하는 장치로서표면 재질은유리섬유이고

,

^이 ^표면에

Table 1.

Specification of single and multi layer materials.

Heat insulating materials Thickness

(mm)

Case 1 Non-woven fabric (100g

^·

m

⁻²

) 0.45

Case 2 Non-woven fabric (50g

·

m

⁻²

) + Chemical wool (227g

·

m

⁻²

) + Non-woven fabric (50g

·

m

⁻²

) 26 Case 3 Non-woven fabric (100g

·

m

⁻²

) + Chemical wool (170g

·

m

⁻²

) + Polyfoam (0.9mm) + Non-

woven fabric (50g

·

m

⁻²

) 29

Fig. 1.

Apparatus of experimental module set up.

Fig. 2.

Experimental apparatus for measuring thermal con-

ductivity.

(3)

폭이

1mm

^인^콘스탄탄^열선이^부착되어^있고

,

^열선의

중앙에

K-type

열전대로용접되어있다

.

이 열전도도

측정기의 측정 원리는비정상 열선법으로 동일한 두 매질사이에 열선이놓이기 때문에 열선과두 매질의 접촉은매우중요하다

.

^측정의^정확성을^검증하기^위하

여표준매질을대상으로상온에서열전도를

5

회측정 하여얻은평균값과표준매질의고유값과비교한결과

를

Table 2

^에 ^{나타내었다}

.

^여기서 ^{측정오차는}

± 4%

이내였다

.

^실험 ^모듈에서^{사용되었던} ^{다겹보온자재에}

대해열전도도측정을수행하였고

,

그결과를

Table 3

에 나타내었다

.

이 때열전도도측정시 화학솜의경 우

1kg

^이^넘는 ^프로브가 ^누르고^있기 ^때문에^공기함

유율에대해서는전혀고려하지않았다

.

3. 수치 모델

수치해석은 열및유동해석 상용

CFD

^코드인

CFX Ver. 11

^을^{사용하였으며}

,

^수치해석^모델은

Fig. 3

^과^같

이실험으로수행되었던

1000 × 1000 × 1000mm, 700 ×

700 × 700mm

의두 개의박스로구성된다

.

작은박스

의내부에는

200W

^의^열원

(Heater)

^이^있고

,

^열원과^보

온자재 사이

,

보온자재와

PE

필름 사이

, PE

필름의 외 부에는공기층이존재한다

.

여기서

PE

필름의외부공 기층에는외부와의온도출입을 자유롭게하기위하여

opening

^을^{경계조건으로}^{사용하였다}

.

^그리고^정사각형

모델이기때문에각방향에대해대칭조건을적용하여

전체모델의

1/4

^조건을^가지고^{해석하였고}

,

^대칭면에

대해서는열이빠져나가는것을방지하기위하여단열

(adiabatic)

조건을 설정하였다

.

사용된 격자는

ICEM-

CFD Ver. 11

^을 ^통해

Hexa

^메쉬로 ^{생성하였으며}^격자

수는

1,036,505

^이다

.

^해석^변수는^실험에서^{수행되었던}

2

종의다겹보온자재에대해해석하였다

. 결과 및 고찰

Case 1(

부직포

(100g

·

m

⁻²

)), case 2(

부직포

(50g

·

m

⁻²

) +

화학솜

(227g

·

m

⁻²

) +

부직포

(50g

·

m

⁻²

)),

그리고

case 3(

^부직포

(100g

^·

m

⁻²

) +

^화학솜

(170g

^·

m

⁻²

) +

^폴리폼

+

부직포

(50g

^·

m

⁻²

))

^의^{보온자재의} ^내부와^외부의^온도

분포를

Fig. 4

에나타내었다

.

Fig. 4

에서 알수있듯이실험 모듈 박스의내부에

서자연대류현상이일어나기때문에하부에비해상 부의 높게나타나고있는 것을확인할수있다

.

보온

자재의 종류에 따른 온도 분포를 보면

, case 1

의 경

우

,

내부박스의하부온도에비해외부박스의상부온

도가 높게 나타나는 것으로 보아 보온성이

case 2,

case 3

에 비해 떨어지는 것으로판단된다

.

또한

case

2, case 3

의경우는조합조건에따라확연하게온도분

포가 달라지는 것을 볼 수 있다

. case 3

은

case 2

에

비해 조합두께는

3mm

^정도 ^두껍지만 ^{내부온도는}

5

이상 높게 유지됨을 보이고 있다

.

따라서

case 3

이

case 2

에비해보온성이좋은것으로판단된다

.

보온자재의 종류에따른보온율은 식

(2)

를 사용하 여구하였다

.

Table 2.

Comparison between literature value and measured ones for thermal conductivity of reference materials.

Reference materials k (W

^·

m

^−1o

C

⁻¹

) Error Literature (%)

value Measured value

Polyethylene foam 0.0354 0.0377

−

3.67 Silicon rubber 0.2430 0.2515

−

3.50 Quartz glass 1.1420 1.4333

−

1.51

Table 3.

Thermal conductivity of heat insulation materials.

Materials Thickness

(mm) k

(Wm) Non-woven fabric (50g

·

m

⁻²

) 0.35 0.0522 Chemical wool (227

·

m

⁻²

) 1.40 0.0404 Non-woven fabric (100

^·

m

⁻²

) 0.45 0.0554 Chemical wool (170

^·

m

⁻²

) 1.30 0.0400

Polyfoam 0.90 0.0416

Fig. 3.

Computational grid.

(4)

보온율

= (2)

Fig. 5

는보온자재의 상부와 하부에따른 보온율의

분포를나타낸것이다

. Fig. 5

에서알수있듯이상부

보온율과하부 보온율을 비교해보면

,

대류의영향에 따른보온율의변화가미세하게나타나는것을 볼수 있고

,

하부에비해상부의보온율이

3%

정도낮게나 타났다

.

보온자재의 종류에따른 보온성을 살펴보면

,

case 1

은

30%

안팎의저조한 보온율을 보인 반면에

case 2, 3

^의 ^경우는^각각

45%

^와

55%

^로^보온율이^증

가하였다

.

이결과를통해조합조건에따라보온효과 가 달라지는 것을 알 수 있고

,

기존의 보온자재보다 보온성이 뛰어난 조합 조건을 얻을 수 있는 것으로 판단된다

.

Fig. 6

은수치해석을통해

2

종의조합형다겹보온자

재에 의한 온실내부의 열유동해석의 결과로서

(a)

와

(b)

^는

case 2

^이고

, (c)

^와

(d)

^는

case 3

^에서의^온도분포

1

⁻

--- b(

저온부온도

)

a(

고온부온도

)

Fig. 4.

Distribution of temperature with variation of heat insulation materials.

Fig. 5.

Effect of heat insulation with variation of heat insu-

lation materials.

(5)

와속도분포를나타낸것이다

.

^{속도분포를}^보면^대류현

상으로인해 유동이상승하고

,

상승된유동은조합용 다겹보온자재를따라유동이발달하게되고

,

여기서고 온의공기는보온자재와열교환이일어난다

.

열손실에 의해차가워진공기는다시하강하게되어대류가일 어난다

.

대류가강하게일어난다는것은데워진공기의 열손실이크다는것을의미하므로보온성이낮다고추 정할 수 있다

. 2

^가지의 ^경우에 ^대해 ^비교해 ^보면

,

case 3

^이

case 2

^에^비해 ^{대류효과가} ^약하게^나타나는

것으로보아보온성면에서더욱유리한것으로예측할 수있다

.

Fig. 7

^은^수치^해석한^결과에^대해 ^상

,

^하부^보온성

을보기위하여높이방향으로단면을나누어나타낸

것이다

. Fig. 7

에서알수있듯이보온자재의내부공

기층에서대류영향으로인해하부에서상부로온도가 서서히상승하고

,

보온자재내부의상부영역에서상대 적으로온도가높게나타났다

.

^이는^대류에^의해^열원

이보온자재의 상부 쪽으로전달되고

,

전달된열원은 보온자재의 상부 벽면을따라 열이 전달되는 것으로 판단된다

.

^{보온자재에} ^대한 ^보온율을 ^식

(2)

^로 ^구한

결과

, case 2

^는

37.1%, case 3

^은

41.1%

^로^나타났다

.

Fig. 8

은

case 2

에 대해실험결과와 수치해석 결과

를비교하여나타낸것이다

.

실험결과에비해수치해석 결과에차이가있는데이것은화학솜의열전도도측정 Fig. 6.

Distribution of temperature and velocity with variation of multi layer materials.

(6)

시

,

화학솜이가지고있는공기층에대해고려하지않 았고

,

이 결과를수치해석에서초기 조건으로주었기

때문에오차로인해 발생한것으로판단된다

.

조합형 보온자재는다겹으로구성되기때문에공기층이많이 포함된다

.

향후수치해석에서는이를충분히고려해야 될것으로판단된다

.

Fig. 9

는

2

종의 조합형다겹보온자재의 보온효과를

실험결과와수치해석결과를비교하여나타낸것이다

.

실험결과에 비해 수치해석 결과치가 낮은 것은 온도 분포에서언급한바와같이공기함유율에대한고려를 해주지않았기때문으로사료된다

.

적 요

본연구는수출과채류시설원예재배농가의 에너지 절감을위한보온자재의개발을목표로수행되었으며 본보에서는시설온실에사용되어지는단일보온자재 와조합형다겹보온자재에대해보온특성을조사하기 Fig. 7.

Distribution of temperature with variation of multi layer materials on coordinates of height direction.

Fig. 9.

Comparison of experimental and numerical data for effect of heat insulation.

Fig. 8.

Comparison of experimental and numerical data for

temperature.

(7)

위하여실험과수치해석을수행하였다

.

실험해석의경 우

,

^{실험모듈을}^통해^내부^열원의^보온^효과를^조사하

기위해내외부의온도는

K

형열전대와데이터획득 장치로측정하였고

,

측정된온도를통해보온자재의보 온특성을구명하였다

.

^{수치해석은}^{상용코드인}

CFX-11

을이용하였고 다겹보온자재의내부공기층은고려하 지않고 해석하였으며해석에서필요한다겹보온자재 의물성치인열전도도는과도열선법에의해측정되는

QTM-500

^을^{사용하였다}

.

^실험 ^결과

,

^조합형^보온자재

가 단겹 보온자재에 비해 약

45~55%

^까지 ^보온율이

높았고

,

조합조건에따라보온효과가달라지기때문에 보온성이 우수한 조합 조건을 얻을 수 있을 것으로 예상된다

.

^수치해석^결과와^실험^결과와의^보온율을^비

교해 보면 수치해석의 결과가 실험 결과의 보온율에 비해다소저하하는경향을나타내었는데이는다겹보 온자재내부의공기층을무시하여나타난오차로서향 후보온자재내부의공기층을고려할경우보다정확 한수치해석결과를얻을수있을것이다

.

주제어 : 다겹보온자재

,

보온율

,

수치해석

,

열전도도

사 사

본연구는농림수산식품부농림기술개발사업의지원

에의하여수행되었음

.

인 용 문 헌

1. ANSYS CFX 11.0 user's manual. ANSYS, INC.

2. Chung, S.W., S.G. Lee, and Y.B. Lee. 2009. Heat insulation characteristics of multi-layered materials for greenhouse (I). Proceedings of the KSBEC 2009 Spring Conference. 18(1):258

-

263 (in Korean).

3. Chung, S.W., S.G. Lee, and Y.B. Lee. 2009. Heat insulation characteristics of multi-layered materials for greenhouse (II). Proceedings of the KSBEC 2009 Spring Conference. 18(1):240

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245 (in Korean).

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5. Kim, Y.B., J.C. Park, M.R. Hur, S.Y. Lee, and S.W.

Jeong. 2007. Effectiveness of the aluminum thermal screens depending on the allocation type. J. Bio-Env.