1.1 연구배경 및 목적

UAE 지역의 여름철 한낮기온은 47℃까지 치솟고 높은 일사량으로 인해 작물재배에 문제가 발생하여 보통 휴작 기간을 갔는데 5월부터 10월까지 대략 5~6개월 정도이다. 또한 UAE의 가장 보편적인 온실의 냉방방식은 패드 시스템으로 온실의 내부의 습도가 너무 높아져 식물의 병해가 빈번이 발생하는 문제가 있다. 이에 본 연구는 사막기후 적응형 스마트온실 및 최적 냉방패키지 기술개발을 통해 5~6개월의 휴작 기간을 2~3개월로 단축하고 더 나아가 연중 재배를 목표한다.

증발냉각시스템은 UAE에서 보편적으로 사용되는 팬앤패드시스템과 국내외 모두 사용되는 포그시스템이 대표적이다. 먼저 패드시스템은 강제환기 팬이 필요하며 온실의 한쪽 벽면에 패드를 설치하고 반대 벽면에서 배기하는 시스템이다. 패드와 거리가 멀어질수록 온도가 상승하여 실내온도의 편차가 생기는 단점이 있기는 하지만 UAE와 같은 건조한 지역에서는 효과가 큰 방법이다. 본 연구에서는 UAE와 같은 사막기후 스마트팜에 적용할 피복재, 외부차양, 팬앤패드 증발냉각시스템의 온도와 냉방부하 저감 효과를 미리 시뮬레이션을 통해 비교하여 추후 온실의 냉동기, 축열조 용량 등 장비용량 선정에 활용하고자 한다.

1.2 연구방법

본 연구는 우선 온실 냉방시스템 관련 선행연구와 이론적으로 고찰하고 UAE 현지에서 주로 사용되는 냉방시스템이 적용된 온실을 방문하여 온도, 습도와 같은 기초적인 데이터를 실측하였다. 선행연구와 이론적 고찰, 현지 실측 데이터를 통해 온실의 냉방부하 시뮬레이션을 하기 위한 입력값을 정리하고, 건물에너지 시뮬레이션 프로그램인 EnergyPlus 8.9를 이용해서 냉방시스템 요소별 실내조도분포, 냉방효과 등을 비교하고자 한다.

2.1 선행연구 고찰

Kim et al.은 착색단 고추가 재배되고 있는 유리온실과 플라스틱필름 온실을 대상으로 온실 내부 온습도 변화 및 재배작물의 생육차이를 분석하였다.

Park et al.은 온실에 포그 냉방시스템을 실증하였다. 포그 냉방시스템의 냉방 성능은 온실의 내부온도가 외기온도보다 6℃ 낮출 수 있는 것으로 나타났고 대조 온실보다 주간 상대습도가 약 20% 높게 유지되어 온실 작물의 생육에 기여하였다.

Kwon et al.은 유리온실에 적합한 고효율 난방패키지 기술 개발을 위하여 지하수열원 히트펌프, 유리온실용 알루미늄 다겹보온커튼, 양액재배 배지 국소난방장치를 조합하여 파프리카 재배 벤로형 유리온실에 적용, 또한 경유 온수보일러와 일반 보온커튼이 설치된 대조 온실과 에너지소비량, 작물생육 등 비교 분석하였다.

Ganuly et al.의 논문은 인도 지역에서 팬 패드 증발 냉각 시스템 온실 모델의 열 성능을 기후 조건에 따라 분석하였다. 분석에 따르면 적절한 증발 냉각, 차양 및 환기 장치 조합으로 온실의 내부를 효과적으로 유지할 수 있는 것으로 나타났다.

Abdel-Ghany et al.의 연구에서는 온실 공기의 현열과 잠열을 고려하여 포그시스템의 효율을 새롭게 정의하였다. 현재 포그 시스템에 사용되는 습식 패드 및 팬 시스템 의 냉각 효율은 온실 내부의 건구 온도가 외부 건구 온도보다 낮다고 가정하고 측정한 값이다. 그러나 포그시스템의 효율의 경우 온실 내부의 건구 온도는 일반적으로 평균값을 얻기 위해 온실의 다른 위치에서 측정된다. 실내 공기는 주로 화창한 여름 조건에서 온실로 전달되는 태양 에너지에 의해 가열된다. 그러면 온실 내부의 건구 온도가 종종 외부 건구 온도보다 높아지면 효율이 음수 값을 제공한다. 온실 내부의 건구 온도가 외부 건구 온도보다 낮지만, 현재 효율 정의는 내부 공기에 추가되는 잠열로 인해 비현실적인 값을 제공한다. 이러한 문제로 이 연구에서 새로운 효율 계산식을 제시하였다.

Dayioğlu et al.의 연구는 팬앤패드 시스템의 성능 매개변수와 온실의 온습도 기울기를 결정하기 위한 실험연구로 7개의 센서와 휴대용 기기를 사용하여 수행되었다. 4개의 센서는 패드와 팬 사이에 위치에 따라 배치되었습니다. 실험 결과로는 패드 패널에서 배기 팬까지 온도 변화는 불균일하였지만 작물 증산으로 인한 습도 변화는 거의 균일한 것으로 나타났다. 냉방 시스템이 꺼져있을 때는 패드에서 팬까지 온실 내부의 시간당 평균 온도와 상대 습도가 32℃와 25%에서 외부 기후 조건에 따라 각각 30~33℃와 30~47% 사이에서 변화하였다. 팬앤패드 시스템을 가동하여 안정적인 냉방을 했을 경우 패드에서 팬까지 온실 내부의 시간당 평균 온도와 상대 습도가 각각 20~27℃ 및 50~68% 범위로 제어되었다. 패드를 통해 0.8~0.9 m/s의 풍속으로 온실로 유입되는 공기 온도는 외부 공기 온도보다 약 12~13℃ 낮았고 패드에서 팬까지의 공기 온도는 약 7℃ 증가했다. 팬앤패드 시스템의 냉방 효율을 계산한 결과 온실 내부 평균 기온은 31.4℃의 외부 공기 온도에 대해 안정적인 냉방이 되었을 경우 평균 24.5℃이었다. 팬앤패드 시스템에 대해 계산된 시간당 평균 냉방 효과 및 냉방 효율은 각각 6.96℃, 76.8%로 나타났다.

2.2 이론적 고찰

실증단지 온실의 냉방부하 산출을 위하여 Nam et al.에서 온실의 냉방부하 산출식은 식(1)~(6)과 같다.

여기서,

H : 냉방부하 (W)

H : 온실 내로 유입되는 일사량 (W)

H : 온실 피복재를 통한 관류열량 (W)

H : 환기로 배출되는 열량 (W)

여기서,

τ : 온실 광투과율

I : 수평면 전천일사량 (W/㎡)

A : 온실 바닥면적 (㎡)

f : 온실 바닥면적에 대한 작물 식재면적의 비

t : 작물의 증발산계수

U : 온실 피복재의 열관류율 (W/㎡℃)

A: 온실 피복재면적 (㎡)

p : 실내 공기의 밀도 (kg/m)

c : 실내 공기의 비열 (J/kg℃)

V : 환기율 (m/s)

t : 실내 기온 (℃)

t : 실외 기온 (℃)

팬앤패드 시스템의 효과 분석을 위해 농촌진흥청 국립농업과학원에서 제시한 온실 환경설계기준계산식(7)을 아래와 같이 사용하였다.

여기서 $T_{o}$는 냉방설계 외기의 건구온도, $T_{ow}$는 냉방설계 외기의 습구온도, $\epsilon$는 증발냉각기의 효율이다.

2.3 현지방문 조사

본 연구를 위하여 2019년 9월 20일~9월 27일 8일간 UAE 현지에 있는 온실 4군데와 실증단지 부지를 방문하였다. Gracia 온실은 내부 차광 커튼과 양액 냉각 시스템, 공기조화기, 공냉 스크류 냉동기, 측벽 환기를 사용하여 냉방하였다. Bani yas research & development station 온실은 공기조화기와 양액 냉각 시스템 대신 공냉 스크류 냉동기에 축열조와 팬코일유닛 냉방시스템 조합으로 냉방하였다. Alfafa와 Elite agro 온실은 내부 차광 커튼과 측변 팬앤패드 시스템, 포그 시스템으로 냉방하였다.

패드시스템의 이론적 효과계산에 대한 검증을 위해 2019년 9월 24일 UAE 알아인 지역 일반온실 패드시스템의 실측하였다. 분석결과 외기온도 38℃, 상대습도 27%일 경우 패드 통과시 온도는 24.1℃, 상대습도 73%로 분석되었으며 통과 이후 온실 중앙온도는 30.7℃, 상대습도는 46%로 분석되었다. 패드통과시 온도는 최대 13.9℃ 하강으로 이론의 19℃에는 못 미치지만 효과가 큰 것으로 분석되었다. 하지만 온실 중앙으로 갈 경우 온도는 30.7℃로 올라가며 외기온 대비 7.3℃정도 하강하는 것으로 분석되었다. 본 연구에서 UAE 알아인 지역의 ASHRAE 기상데이터 TAC 0.4% 외기온도 45.1℃, 상대습도 10.63%를 기준으로 계산을 진행하였다.

3.1 실증단지 개요

본 연구의 실증단지 위치는 UAE의 AL Kuwaitat Research Station이고 위도 24.43°, 경도 54.65°, 해발고도 27 m에 위치하고 외기온도 최고는 47℃, 최저 5℃, 평균 외기온도는 27.1℃로 밤낮 외기온도 편차가 심하다. 실증단지는 규모는 2,070 ㎡, 냉방면적은 1,536 ㎡, 측고 6 m로 피복재와 차양, 팬앤패드 시스템이 적용될 예정이 사막기후 스마트팜 적용 냉방패키지시스템의 냉방효과 비교분석고 재배작물은 오이이다. 오이의 광량 목표치는 10~40 klux로 광포화점은 40~55 klux, 광보상점은 1 klux 이다.

3.2 시뮬레이션 개요

본 연구에서 사막기후 적응형 스마트온실의 냉방패키지 개발을 위해 IWEC(International Weather for Energy Calculation) 데이터, 두바이의 ADAFSA(Abu Dhabi Agriculture and Food Safety Authority)에서 제공한 기상데이터 및 ASHRAE 설계 기상데이터 등의 온도, 습도, 일사량 등 자료를 종합적으로 활용하여 부하계산을 하였다. 에너지시뮬레이션 프로그램으로는 미국의 DOE(Department Of Energy)에서 개발한 EnergyPlus 8.9를 사용하였다. 시뮬레이션 변수로는 피복재의 종류와 차광율, 팬앤패드 시스템의 효율과 전체 조합을 했을 경우로 설정하였고 온실의 설정 온습도는 30℃, 80%이다.

유리, 연질필름(PE), 경질판(PMMA) 3개의 종류의 피복재에 대한 온실의 실내조도분포와 냉방부하 성능을 평가하였다. Table 3은 피복재에 대한 물성치를 나타낸 표이다.

4.1 피복재

Fig. 3은 유리, 연질필름(PE), 경질판(PMMA) 3개의 종류의 피복재에 대한 시간별 온실의 실내조도를 나타낸 그래프이다. 8월21일 12시로 평균 실내조도는 유리 재질일 때는 81,111 lux, 연질필름(PE)는 80,810 lux, 경질판(PMMA)은 65,292 lux로 나타났다. 유리 재질과 연질필름(PE)의 실내조도가 비슷하였고 경질판(PMMA)일 경우 유리 재질보다 실내조도가 19.5% 감소하였지만 오이의 광량 목표치는 10~40 klux로 광포화점은 40~55 klux, 광보상점은 1 klux이기 때문에 온실의 재질을 경질판(PMMA)적용해도 실내 조도에 크게 문제가 되지 않을 것으로 판단된다.

이에 따라 최대 냉방부하는 온실의 재질이 유리일 경우 811.0 W/㎡, 연질필름(PE)일 경우는 818.5 W/㎡ 비슷하게 평가되었고 경질판(PMMA)일 경우 718.3 W/㎡로 유리재질보다 11.4% 감소하는 것으로 나타났다.

4.2 차광율

사막적응형 온실의 냉방설비 장비용량 선정을 위해 외부차양의 차광율에 따른 조도 및 부하계산을 실시하였다. Fig. 4는 외부차양의 차광율은 40%, 50%, 60%에 대한 온실의 실내조도분포도이다. 분석결과 8월21일 12시의 평균 실내조도는 차광율 40%일 경우 39,300 lux, 50%일 경우 34,918 lux, 60%일 경우 30,339 lux로 나타났다. 최대 냉방부하는 차광율 40%일 경우 603.4 W/㎡, 50%일 경우 564.4 W/㎡, 60%일 경우 523.5 W/㎡ 로 평가되었다. 최대 냉방부하 측면에서는 차광율 60%가 유리하지만 오이의 생육조건 관점에서는 평균 실내조도가 낮아 오이 생육에 지장을 줄 수 있을 것으로 판단된다.

4.3 팬앤패드

팬앤패드 시스템의 효율을 60%, 70%, 80% 3가지로 변수로 팬앤패드 시스템의 토출온도, 냉방부하 성능을 평가하였다. Fig. 5는 팬앤패드 시스템의 효율에 따라 토출온도를 나타낸 그래프로 효율 60%일 때 패드통과시 최대 15.5℃ 70%일 때 18.1℃, 80%일 때 20.7℃의 온도가 하강하는 것으로 나타났다. 일 평균 하강온도는 60%일 때 약 6℃, 70% 일 때 7℃, 80%일 때 8℃로 나타났다.

4.4 냉방패키지시스템 조합 냉방부하 비교

Case 1~3은 피복재 3가지 종류인 유리, 연질필름(PE), 경질판(PMMA)이고 Case 4~6은 피복재가 PMMA를 바탕으로 외부차양 차광율을 40%, 50%, 60%로 변화시킨 경우이다. Case 7~9는 피복재 PMMA에 외부차양 차광율 40%일 때 팬앤패드 시스템 효율을 60%, 70%, 80%로 변화시킨 경우이다. Table 4는 Case별 적용한 기술을 나타낸 표이다.

Fig. 6은 Case별 최대냉방부하를 비교한 그래프이다. Case 1은 기본적인 유리온실로 최대 냉방부하는 811 W/㎡ 났다. Case 3인 피복재를 경질판(PMMA)로 적용했을 경우 냉방부하는 718.3 W/㎡으로 11.4% 저감하는 것으로 나타났다. Case 4~6은 경질판(PMMA)에 외부차양을 적용한 경우로 차광율에 따라 냉방부하는 25.6%~35.5% 까지 저감하는 것으로 나타났다. 외부차양 차광율이 높을수록 최대 냉방부하는 저감하지만 그만큼 실내조도도 감소하기 때문에 작물의 생육에 지장을 줄 수 있을 것으로 판단하였다. 본 연구에서는 외부차양의 차광율을 40%로 정하고 팬앤패드 시스템을 적용하였다. Case 7~9는 경질판(PMMA) 피복재와 외부차양 차광율 40%인 온실에 팬앤패드 시스템 효율에 따라 냉방부하를 비교한 경우로 팬앤패드 시스템 효율이 60%일 때 Case 1 대비 42.9% 최대 냉방부하가 저감하였고 80%일 때 최대 69.4% 저감하는 것으로 나타났다.