1.1 연구의 배경 및 목적

우리나라에서는 여름철 환기시설을 모두 개방하여도 실내온도가 40℃ 이상으로 지나치게 고온이 되는데, 이러한 실내환경이 많은 온실 작물의 생육적온을 벗어나 고온장해를 받게 된다. 이와 같은 문제를 해결하고자 여러 가지의 냉방 수단을 동원하여 온실의 온도를 하강하려고 노력을 기울이고 있으며, 히트펌프와 같은 공조설비가 온실에 설치되고 있다.

이러한 공조설비를 온실에 설치하면 시설농가 경영에 있어 많은 에너지를 소비한다는 단점이 있으며, 경영비를 줄이고 온실 내 냉방부하를 감소시키고자 구조적, 재료적 연구가 진행 중이며, 온실에 사용되는 피복재로는 대표적으로 유리, 연질필름, 경질필름, 경질판 등이 있다.

피복재의 성능평가는 광학적 성능과 열적 성능으로 구분할 수 있으며 온실 내에서 작물을 생육하는데 적합한 환경조건을 구현할 수 있는 특수성을 고려한 성능지표를 포함할 수 있다. 최근 스마트 온실의 연구개발과 함께 냉난방 단위기술 및 패키지기술의 성능평가에 대해서도 활발하지만 온실 설계를 위해 시뮬레이션 시, 입력변수 항목은 피복재 업체에서 제공하는 성능 데이터를 그대로 사용하는 경우가 대부분인 상황이다.

따라서 본 연구에서는 시험평가를 통해 스마트팜 냉방부하 시뮬레이션 성능평가를 위한 입력자료로서 활용될 수 있는 피복재의 기초 열적성능 데이터베이스를 마련하고자 한다. 또한 피복재별로 실내 냉방부하가 어떻게 변화되는지 케이스별 시뮬레이션 성능평가를 통해 분석하고자 한다.

1.2 연구의 방법 및 범위

본 연구에서는 Fig. 1과 같이 재료의 태양열 취득률을 측정할 수 있는 솔라시뮬레이터 및 챔버 장비를 활용하여 PE Film PMMA, PC복층판, 직조필름 이상 4개 종류의 시료의 열적 성능평가를 실시하였다. 열관류율의 경우 열전도율 측정기를 이용하여 시편의 열전도율을 측정하여 표준의 계산식을 통해 산출하였다.

태양광 시뮬레이터에 사용되는 인공광원은 크세논 속에서 일어나는 방전발광을 이용한 램프를 사용하며, 전등과 동시에 안정된 빛을 발하며, 자외영역에서 가시영역을 거쳐 적외영역에 걸치는 연속 스펙트럼으로 이루어져 있다.

특히 자외영역에서 가시영역에 이르는 빛은 자연광과 매우 비슷하게 적용되었으며 에어매스필터와 플라이아이렌즈를 사용하여 자연광에 최대한 가깝게 만들어진 인공광원이다.

인공태양 시스템 7 kW의 제논램프 4개를 설치하여, 1,500 mm × 1,500 mm 조사면적에 1,000 W/m² 이상의 일사량을 낼 수 있다. 광원분포의 편차는 ±5.0% 이내이며, 유효 조사면적은 108%, 시험체 면에서 최대 입사각은 10°으로 하였다.

환경챔버는 실외 환경조건을 모사하여 하계(30±1)℃, 동계(0±1)℃의 제어와 온도 분포가 균일하고, 광도입창은 KS L 2514 시험방법에 따라 투과율 90% 이상의 맑은 유리 사용, 시험체의 개구부는 1,500 mm ×  1,500 mm 이상으로 하고 그 둘레벽은 열저항 4.0(m$^{2}$ㆍK)/W 이상의 단열된 구조, 기류발생장치는 실외 표면열전달율(하계 15W/(m$^{2}$ㆍK) 동계 20 W/(m$^{2}$ㆍK)을 얻을 수 있도록 시험체 표면에서 가능한 균일하게 흐르게 함과 동시에 풍속을 조절할 수 있는 구조이다. 열량 수집 챔버는 실내 환경조건을 모사하여 하계(25±1)℃, 동계(20±1)℃ 제어와 온도 분포가 균일하고, 열량수집상자의 개구부는 1,500 mm × 1,500 mm 이상으로 하고 그 둘레벽은 열저항 4.0(m$^{2}$ㆍK)/W 이상의 단열된 구조와 열량을 측정하기 위해 가능한 4면에 열류계를 설치 흑색 무광으로 마감하며 기류발생장치는 실내 표면열전달율 9 W/(m$^{2}$ㆍK)을 얻을 수 있도록 시험체 표면에서 가능한 균일하게 흐르게 함과 동시에 풍속을 조절 할 수 있는 구조이다.

KS L 9107에서 규정하고 있는 태양열 총취득열량의 계산은 Fig. 2 및 식(2)와 같다. 일사계에 대하여, KS B ISO 9060 수평면 일사계를 이용한 1등급 측정방식을 따른다. 일사량을 측정할 수 있는 기기로 시험체 전면에 설치하는 고정형, 이동 측정이 가능한 휴대용 등이 있다. 태양광 조사강도의 측정은 환경챔버 시험체면 중앙 지점에서 수평면으로 측정하며, 태양광시뮬레이터 광원이 수직으로 입사하도록 설치한다. 온도센서는 Fig. 3과 같이 공기온도는 부착틀에서 100 mm 이격시킨 후 시험체를 9등분하여 각 지점의 중앙부의 총 18개 지점에 대하여 T-type 열전대를 부착하여 측정한다. 기류장치 풍속을 설정하기 위해서는 표준시험체의 표면열전달율이 필요하다. 표준시험체의 표면열전달율을 위한 온도센서 측정은 표준시험체를 균할 9등분하고 각 부의 중심에 온도센서를 설치한다. 센서의 위치는 시험체의 환경챔버 표면과 열량수집상자쪽 표면에 각 9개의 점으로 하고 표면온도는 측정된 9개점의 평균값으로 한다.

2.1 피복재의 열적성능평가 관련 표준

현재 온실 피복재의 열적 성능을 평가할 수 있는 관련 표준이 전무한 관계로 피복재 조건별 태양열 취득률과 열관류율 평가 방법 선정을 위해 관련 표준인 KS L 9107, KS L 2514를 검토하였다. KS L 9107에서는 건물에서 태양열 유입을 조절하기 위한 기능성 유리와 블라인드, 스크린 등 차양 장치가 부착된 창 및 문과 반투명 패널, 창 유리용 필름이 설치된 창호와 유리의 태양열 취득률을 측정하는 표준으로 PMMA, PC복층판, 직조 필름을 의뢰자 제시 방법을 통해 시험하였으며, 시험방법과 계산방법을 검토하였다.

KS L 2514의 태양열 취득률 계산 방법은 다음과 같다,

여기서,

$\tau_{e},\: a_{e}$ : 태양방사 투과율 및 태양방사 흡수율의 값

$R_{e},\: R_{i}$ : 시료 표면의 열전달 저항

KS L 9107의 태양열 취득률($\tau_{s}$)은 시험체 면에 수직으로 입사하는 일사열량($\Phi_{solar}$)과 시험체 통과 후 실내로 전달되는 태양열 취득열량($\Phi_{ga\in}$)의 비율로 다음 기초식에 의해 구한다.

여기서,

$\tau_{s}$ : 태양열 취득률

$\Phi_{total}$ : 총 취득열량(W)

$\Phi_{ga\in}$ : 태양열 취득열량(W)

$\Phi_{sp}$ : 관류열량(W)

$\Phi_{solar}$ : 시험체 면에서의 일사열량(W)

PC복층판과 PMMA 경질판에 대해서는 KS L 9106의 열관류율 시험방법을 검토하였다. KS L 9106에서는 단열, 방화 등을 목적으로 하는 건축물의 내장재, 외장재 마무리 재료로 사용하는 미네랄 울 판상 단열재에 대해 규정하고 있으며 열관류율의 역수인 열저항은 KS F 2277 또는 이와 동등한 정밀도를 가진 시험 장치를 사용하여 평균 온도(25±5)℃에서 열저항을 측정한다. KS F 2277에서의 열관류저항 또는 열관류율의 기초식은 다음과 같다.

여기서,

$R_{K}$ : 열관류 저항 (m$^{2}$·K/W)

$U$ : 열관류율 [W/(m$^{2}$·K)]

$Q_{N}$ : 시험체 통과 열량 (W)

$\theta_{HA}$ : 열상자 내 공기 온도 (℃)

$\theta_{CA}$ : 항온실 내 공기 온도 (℃)

$A$ : 시험체 전열 면적 (m$^{2}$)

2.2 관련 선행연구

Choi et al. 연구에서는 소규모 호텔과 유리온실이 통합된 해석 모델을 상용 BES 프로그램인 TRNSYS를 이용하여 냉난방 부하 해석을 수행하였다. 호텔 건물과 유리온실을 통합시킨 모델의 경우 난방 부하가 약 177 GJ(17.8%) 감소하는 결과를 보였으며 냉방부하의 경우 약 38 GJ(14.5%) 증가하는 경향을 보였다. 결과적으로 전체부하는 약 139 GJ(11%) 감소하는 경향을 보였다.

Kim et al. 연구에서는 대형마트와 통합된 옥상온실의 냉난방 부하해석을 TRNSYS를 이용하여 수행하였다. 전체 난방부하는 913 GJ 감소하는 결과를 나타냈고 냉방부하는 740 GJ이 증가하여 전체적으로 174 GJ 1.4% 감소에 불과하였다. 추가로 옥상온실과 건물 사이의 열교환을 원활하게 경계층 벽체조건을 설정할 경우 기존 모델대비 전체부하가 5.7% 감소하는 것으로 나타나 결론적으로 옥상온실과 대형마트 사이의 열교환을 효과적으로 이루어지게 설계할 필요성이 있음을 도출하였다.

Lee et al. 연구에서는 제주도 농업기술원에 위치하여 시설하우스 공간 및 지중난방 열을 공급하는 태양열 시설원예 난방시스템의 집열성능, 이용효율 등의 장기성능을 측정 및 분석하였다. 외부차양과 포그시스템의 냉방효과 분석을 실시하였다. 연차별 열 이용량 측정결과 1년차에는 총 63.2%의 이용율로 200평 유리온실의 태양의존율 36.4%, 유리온실 총 열부하 대비 태양열 총 공급열량에 의한 태양의존율은 50%를 나타냈다. 2년차에는 총 42.7%의 이용율로 200평 유리온실의 태양의존율 40.3%를 나타내었다.

위 선행연구들은 온실의 냉방 부하 또는 에너지를 시뮬레이션 또는 장기측정을 통해 산정하였다. 하지만 시뮬레이션의 경우 결과에 직결되는 입력데이터, 예를 들어 피복재의 경우 업체에서 제공하거나 문헌에서 제공하고 있는 데이터를 활용하여 결과를 도출하는 시뮬레이션 연구가 대부분인 실정이었다. 본 연구에서는 시뮬레이션 결과치의 정확성 향상을 위해 냉방부하 주요 영향인자인 태양열 취득율을 국가표준 방법론을 통해 측정하고 피복재별로 입력데이터를 도출하였다는 것에 차별성이 있다.

3.1 피복재별 성능분석

본 연구에서의 분석대상은 연구방법에서 정리하였듯 PE 필름, PMMA 필름, PC 복층판, 직조 필름 이상 4개 시료이다. 일사 투과율에 대해서 PE 필름, PMMA, PC복층판, 직조필름에 대한 SHGC 및 열전달계수의 시험 결과는 Table 2와 같다.

PMMA의 열관류율이 6.67(W/m$^{2}$·K)로 가장 높음을 알 수 있고 PC 복층판의 열관류율이 3.70(W/m$^{2}$·K)으로 가장 낮음을 파악하였다.

3.2 대상건물 개요 및 시뮬레이션 조건

피복재별 냉방부하 분석을 위해 활용된 대상 온실 평면도는 Fig. 4와 같이 전라남도 나주시 왕곡면 덕산리에 위치하며 나주농업기술센터의 스마트팜 체험형 교육 온실로서 면적은 1,584 m이고 멜론을 재배하는 온실이다. 재배공간을 제외하고 로비, 기자재실, 기계실, 작업실, 저온저장고 공간으로 구성되어 있다. 실증단지는 폭 48 m, 길이 32 m로 층고가 6 m로 되어있으며 남동향 32도로 배치되어 있다. Fig. 4와 같이 실증대상 온실의 설계도면 및 실측치를 바탕으로 3D 모델링 후 EnergyPlus V8.9를 이용하여 냉방부하를 계산하였다.

냉방부하 산출 시뮬레이션에 사용한 한국패시브건축협회의 기상데이터 위치는 전라남도 무안으로 2009~ 2018년의 일사량, 온도, 상대습도, 조도 데이터를 사용하였다. 시뮬레이션 냉방기간은 6~9월이며 최고온도는 35℃, 최대 일사량의 경우 1,005 W/m, 최대 외부조도의 경우 125,696 lux로 분석되었다.

3.3 시뮬레이션 개요

스마트팜의 제어 변수는 Table 4와 같으며 냉방설정온도 제어 Case 1-1~Case 1-3의 경우 스마트 온실 환경관리 가이드라인에 따라 온실멜론 생육적정온도인 25~30℃, 야간 17~22시의 경우 18~22℃, 22~08시 16℃로 설정하였다. 또한 Case 2-1~Case 2-4의 경우 내부차양을 하지 않았을 경우부터 40%, 50%, 60%로 차광율을 변수로 설정하였다.

4.1 냉방부하 시뮬레이션 결과분석

피복재별 냉방부하와 태양열취득율, 가시광선투과율, 열관류율을 함께 나타낸 것은 Fig. 5와 같다. 냉방부하는 PC복층판이 424 W/m로 가장 적게 평가되었으며 PE필름의 경우 559 W/m로 가장 높게 평가되었다. 열관류율의 경우 피복재별로 3.7 W/m․K~6.7 W/m․K, 태양열취득율의 경우 54%~90% 가시광선투과율의 경우 50%~88%로 분석되었다. PC복층판과 PE필름의 냉방부하는 135 W/m의 차이를 보이며 이는 24%로 피복재의 선정이 냉방부하에 미치는 영향이 큰 것을 알 수 있다. 냉방부하는 주요 영향인자인 태양열취득율과 유사한 패턴을 보이며 PMMA의 경우 열관류율은 다른 피복재들에 비해 높게 평가되었으나 태양열취득율이 낮기 때문에 냉방부하가 낮은 것으로 분석되었다. 또한 이는 태양열 취득율이 냉방부하에 절대적인 영향요소이기 때문인 것으로 판단된다.

냉방설정온도 제어(Case 1-1~Case 1-3)에 따른 냉방부하 변화는 Fig. 6과 같다. Case 1-1의 경우 생육적정 온도인 25℃, 야간 17~22시의 경우 18℃, 22~08시 16℃로 설정하였다. Case 1-2의 경우 생육적정온도인 30℃, 야간 17~22시의 경우 22℃, 22~08시 16℃로 설정하였다. Case 1-3의 경우 최고한계온도인 35℃로 24시간 설정하였다. 외기온도는 최대 32℃로 분석되었으며, 실내 온도는 주간 및 야간설정온도를 모두 만족하는 것으로 분석되었다.

Case 1-1을 기준으로 냉방설정온도를 Case 1-2로 변경하였을 경우 냉방부하는 평균 12.4% 감소하는 것으로 분석되었다. 또한 Case 1-1을 기준으로 냉방설정온도를 Case 1-3으로 변경하였을 경우 냉방부하는 평균 25.3% 감소하는 것으로 분석 되었다. 냉방설정온도 제어의 경우 생육적정온도 범위 중 낮은 온도대로 유지할수록 수확량이 증대되지만 냉방부하 및 비용이 늘어난다. 비용만 고려할 경우 최고한계온도인 35℃로 24시간 냉방하면 이점이 있겠으나 품질 저하, 수확량 감소로 이어진다. 따라서 본 연구결과와 더불어 후속연구에서는 설정온도 범위대별 수확량, 품질을 함께 연구할 필요성이 있을 것으로 판단된다.

내부 차광율 제어(Case 2-1~Case 2-4)에 따른 냉방부하 변화는 Fig. 7과 같다. Case 2-1의 경우 내부 차광 없음, Case 2-2의 경우 내부 차광율 40%, Case 2-3의 경우 내부 차광율 50%, Case 2-4의 경우 내부 차광율 60%로 설정하였다.

Case 2-1 내부차광을 적용하지 않은 온실 기준으로 Case 2-2 내부차광율 40%로 변경하였을 경우 냉방부하는 평균 31.2% 감소하는 것으로 분석되었다. 또한 Case 2-1 내부차광을 적용하지 않은 온실 기준으로 Case 2-3 내부차광율 50%로 변경하였을 경우 냉방부하는 평균 33.4% 감소하는 것으로 분석 되었다. 또한 Case 2-1 내부차광을 적용하지 않은 온실 기준으로 Case 2-4 내부차광율 60%로 변경하였을 경우 냉방부하는 평균 35.8% 감소하는 것으로 분석 되었다. 다만 실제 온실의 경우 구조체 및 경시변화에 의한 변색 등으로 실제 차광율은 60% 보다 5~10% 정도 높게 설정될 것이기 때문에 차광율을 더 높이는 것은 주의가 필요하다고 해석할 수 있다.