정주희
(Juhee Jeong)
1
한세진
(Se-jin Han)
2
신우중
(Woo-jung Shin)
3†
-
㈜스탠더드시험연구소 연구원
(Engineer, Standard Testing & Engineering Inc. Daejeon 3429, Korea)
-
인네이처㈜ 대표이사
(CEO, In-nature, Daejeon 3435, Korea)
-
㈜스탠더드시험연구소 선임연구원
(Senior Engineer, Standard Testing & Engineering Inc. Daejeon 4129, Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
키워드
온실, 시설원예, 스마트팜, 물 흐름 글레이징, 수막층
Key words
Greenhouse, Protected Horticulture, Smart farm, Water flow glazing, Water layer
기호설명
$A$ ：
glazing의 흡수율
$A_{j}$ ：
아크릴 경계면의 흡수율
$A_{w}$ ：
수막층의 흡수율
$c_{p}$ ：
물의 비열[J/(kg․K)]
$h_{e}$ ：
외피의 열전달계수 [W/(m2․K)]
$h_{w}$ ：
물의 열전달계수 [W/(m2․K)]
$h_{r}$ ：
실험장치 내부의 열전달계수 [W/(m2․K)]
$i_{o}$ ：
태양 입사 조도 [W/m2]
$k$ ：
아크릴의 열전도도 [W/(m2․K)]
$L$ ：
복층판 길이 [m]
$q_{j}$ ：
경계면의 열유속 [W/m2]
$Ra$ ：
레이놀즈 수(Reynolds number)
$T_{e}$ ：
실험장치 외부 온도 [℃]
$T_{r}$ ：
실험장치 내부 온도 [℃]
$T_{j}$ ：
아크릴 층의 온도 [℃]
$T_{o}$ ：
출구 측 물 온도 [℃]
$t$ ：
아크릴의 층의 두께 [m]
$U_{out}$ ：
외부 열관류율[W/(m2․K)]
$U_{in}$ ：
내부 열관류율[W/(m2․K)]
$\dot{m}$ ：
질량유량[kg/s]
1. 서 론
온실은 안정적으로 작물을 재배할 수 있는 인공적인 환경을 조성하는 시설이다. 온실은 내부온도 관리과정에서 많은 에너지를 사용하므로 외부 피복재(이하
외피)의 성능 개선을 통한 에너지 절감이 필요하다. 한국은 계절별 온도차로 인해 저렴한 비닐온실에 차광스크린(여름), 단열스크린(겨울)을 설치하여
낮은 단열성능을 보완한다.(1) 하지만 외피 주변에 장치를 설치하면 광투과율이 감소하여 식물 성장을 방해한다.(2) 이러한 문제를 해결하는 새로운 외피 개발이 필요하지만, 단열성능과 광투과성능을 모두 만족하는 기술을 개발하는 것은 매우 어렵다.
최근 온실의 까다로운 요구에 대응하기 위해 물 흐름 글레이징(Water Flow Glazing, 이하 WFG) 기술이 주목받고 있다. 물은 일정한
두께의 수막층(Water layer)을 형성하면 가시광선을 투과하고 적외선을 차단한다. 적외선 (750-2,500 nm)은 온실 내 유입 시 복사열이
되어 주변온도를 상승시키고, 가시광선(380-700 nm)은 식물 성장에 필요한 PAR(Photosynthetically active radiation
)과 유사한 파장을 가진다. 아직까지 WFG 기술의 온실 실증사례는 없으나 적외선 차단과 가시광선 투과를 동시에 필요로 하는 다른 산업에서 많은 연구가
진행되었다.
태양광 패널은 적정 온도에서 발전효율이 높으며, 태양광 발전에는 적외선을 제외한 가시광선만 필요하므로 온실과 유사한 특징을 가진다. Cai and
Guo(3)는 유리 루버 사이에 수막층을 형성한 실험을 통해 수막층의 적외선 차단 및 가시광선 투과 성능을 확인하였고, Rosa-Cloat et al.(4)은 수막층의 광학적 성능을 활용한 침지형 태양광 패널 실험을 통해 얕은 물에 잠긴 태양광 패널의 발전출력이 높은 것을 확인하였다. WFG 기술은 광학성능
뿐만 아니라 물을 활용하므로 냉각성능도 뛰어나다. Al-Amri et al.(5)은 다양한 방식의 태양광 패널 냉각실험을 통해 물을 활용한 침지방식의 냉각성능이 뛰어난 것을 확인하였다.
WFG 기술은 건축 창호분야에서 가장 활발하게 연구되고 있다. InDeWaG 프로젝트(6)는 제로에너지빌딩 실현을 위한 연구와 실증사업을 수행하였다. 이들은 불가리아 소피아 지역에 WFG 기술을 적용한 건축물을 제작하여 기존 건축물 대비
냉‧난방비 약 40%, CO2 배출량 35%를 절감하였다.(7) 비록 이 프로젝트는 창호의 수막층 형성을 위해 필요한 두꺼운 유리, 고가의 제작비용, 무거운 중량 등의 단점이 있지만, 수막층의 온도와 유량제어를
활용한 건축물 온도관리 가능성을 검증하였고 관련 연구가 꾸준하게 발표되고 있다.
본 연구는 WFG 기술을 온실에 적용하기 위한 기초 실험으로, 단층 플라스틱 외피 내부에 수막층을 형성하여 모형 온실을 제작하였다. 그리고 수막층의
온도 및 유량을 변수로 한 다양한 실험을 통해 수막층이 흐르는 모형 온실의 열전달 특성을 분석하였다.
2. 실험장치
실험장치는 모형온실, 항온수조, 펌프, 적외선 광원, DAQ, 각종 계측기로 구성되며 전체적인 모습은 Fig. 1에서 확인할 수 있다. 모형 온실에서 적외선 광원과 마주하는 상면은 단층(Single Layer) 플라스틱 외피를 활용해 수막층을 형성하였고, 이외
다른 면과 프레임은 단열처리하였다.
Fig. 1 Schematic of experimental apparatus.
실험을 위해 모형 온실의 다양한 위치에 온도계를 설치하였다. 모형 온실 내부에는 높이에 따른 온도 차이를 확인하기 위해 상부(Tr,top), 중심부(Tr,middle),
하부(Tr,bottom)에서 온도를 측정하였다. 지붕을 통해 입사되는 적외선 광원의 영향을 비교하기 위해 상면의 외부(T1)와 내부(T3) 표면에,
그리고 광원으로부터 수막층이 흡수하는 열량을 계산하기 위해 냉각수 입구(Ti)와 출구(To)에 온도를 측정하였다. 실험관련 장비의 상세정보는 Table 1에서 확인할 수 있다.
Table 1 Specification of the experimental devices
|
Instrument
|
Manufacture
|
Model
|
Range
|
Accuracy
|
|
Thermocouple
|
OMEGA
|
K-type
|
-200 ~ 1000℃
|
0.1℃
|
|
Pump
|
Motorbank
|
DWP-4265C
|
<18 LPM
|
-
|
|
Water bath
|
JEIO Tech
|
R-522
|
-
|
-
|
|
Data logger
|
Yokogawa
|
GP-10
|
-
|
-
|
|
Infrared lamp
|
Philips
|
WHF-312
|
1,1001nm(at 20cm)
|
±20%
|
2.1 수막층 외피
수막층 외피는 나무재질의 프레임과 단층 PMMA 외피로 제작된 단층의 플라스틱 외피를 의미한다. 수막층 외피의 크기는 0.46 × 0.41 m이고
상세한 정보는 Fig. 2에서 확인할 수 있다. 수막층 외피 내부는 두께 5 mm의 수막층이 격벽으로 분리되어 4개의 유로로 흐른다. 상부에 직경 9 mm의 입구(1개)는
내부의 알루미늄관과 연결되었는데, 이 관은 4개의 유로에 각각 직경 3 mm로 물을 공급한다. 하부에 직경 9 mm의 출구(2개)는 격벽의 위치를
고려해 4개의 유로에 균일한 유동장을 형성하도록 등간격으로 배치하였다.
Fig. 2 Water flow glazing film.
2.2 실험 조건
본 실험은 외부 조건의 변수를 최소화하고 국내 기후환경을 모사하기 위해 항온항습실에서 실험을 진행하였다. 기상청 통계자료와 한국에너지기술연구원 일사량
지도를 바탕으로 맑은 날 6 ~ 18시 동안 계산된 2020년 서울의 평균 일사량은 480 W/m2이다. 모형 온실의 상면은 70° 경사각으로 설계되었고 이 경사각은 전체 일사량의 83%만 입사하므로(8) 경사각을 고려한 평균 일사량은 약 400 W/m2이다. 해당 일사량을 실험에 적용하고 광원의 광량 오차가 큰 것을 고려하기 위해 광량계로 측정하여 모형 온실 상면과 적외선 광원의 거리를 400 W/m2가 되도록 조정하였다.
Table 2는 실험조건을 상세하게 정리한 표이다. WFG 기술의 적용효과를 비교하기 위해 수막층이 없는 Case #1을 실험하였다. Case #2 - 4는 동일한
물 온도조건에서 유량 변화에 따른 특징을, Case #4 - 6은 동일 유량조건에서 물 온도변화에 따른 특징을 비교한 실험이다.
Table 2 Experiment conditions
|
Case
|
Ambient Temp.
(℃)
|
Ambient R.H.
(RH,%)
|
Irradiance
(W/m2)
|
Flow rate
(LPM)
|
Water Temp.
(℃)
|
|
#1
|
30
|
50
|
400
|
-
|
-
|
|
#2
|
0.5
|
○
|
23.5
|
|
|
#3
|
1
|
○
|
23.5
|
|
|
#4
|
1.65
|
○
|
23.5
|
○
|
|
#5
|
1.65
|
|
25.5
|
○
|
|
#6
|
1.65
|
|
27.5
|
○
|
2.3 실험데이터 계산 방법
Fig. 3은 수막층 외피의 열유속과 온도를 설명하는 2차원 개념도이다. PMMA의 낮은 열전도도를 고려하면 PMMA 판에서 수평방향의 전도에너지는 매우 작으므로
무시할 수 있으며, 에너지방정식에 따라 수막층 외피를 구성하는 각 층에서 흡수된 에너지의 합은 0이 되어야 한다.(9,10)
$q_{k}$는 각 층의 경계에서 발생하는 열유속(Heat flux)이며, $i_{o}$는 실험장치에 입사되는 태양 복사 조도이다. 식 (1)을 기반으로 에너지방정식과 뉴턴의 냉각법칙에 따라 각 층의 열유속을 아래와 같이 정의한다.(9,10)
수막층 외피의 내부와 외부의 대류열전달은 식(9)와 같이 정의한다. 광원이 입사되는 지붕의 경사각이 있는 특징을 반영하여 수막층 외피의 내부와 외부의 대류열전달계수는 (10) - (12)의 Nusselt Number를 적용하였다.(11)
수막층 외피는 수막층을 기준으로 외부와 내부의 총괄열전달계수(Overall heat transfer coefficient, U)를 통해 온실 내 열전달
특성을 비교할 수 있으며 아래와 같이 계산한다.
Fig. 3 Heat fluxes and temperature description in a water layer.
3. 결과 및 고찰
3.1 수막층 유‧무에 따른 온실 온도 비교
Fig. 4는 수막층 유·무에 따른 실험결과로, 수막층이 없는 Case #1과 수막층이 있는 Case #2를 비교하였다. Fig. 4a와 같이 외피 내부가 공기층인 경우 적외선 광원과 외기의 에너지가 온실 내부로 직접 전달되지만 유입된 에너지를 제거할 수 없기 때문에 모든 계측점의
온도가 지속적으로 상승하였다. 하지만 Fig. 4b와 같이 외피 내부에 수막층(유량 0.5 LPM, 온도 23.5℃)이 있는 경우 외피의 내‧외부 표면온도가 약 5 ~ 8℃ 크게 감소하였고, 실험시작
약 7,200초 이후로 온도가 상승하지 않는 정상상태를 유지하였다. 이것은 수막층이 적외선 광원과 수막층 외피의 내‧외부 열량을 흡수하기 때문이며,
이 실험을 통해 수막층의 광학적‧열적 효과가 매우 뛰어난 것을 확인하였다.
Fig. 4 Comparison of water layer presence or absence: (a) Case#1(non water layer), (b) Case#2(water layer).
3.2 수막층 유량에 따른 온실 온도 비교
Fig. 5는 동일한 물 온도에서 유량 변화에 따른 온실의 온도 비교 그래프이다. 실험은 동일한 물 온도 23.5℃에서 0.5 LPM (Case #2), 1.0
LPM (Case #3), 1.65 LPM (Case #4)를 비교하였다.
이 실험에서 수막층의 유량 증가에 따라 온실 내부온도가 감소하였다. 유량 1.65 LPM에서 온실 내부온도는 26.51℃로 외기온도(30.25℃)보다
약 3.74℃ 낮았고, 유량 0.5와 1.0 LPM에서는 각각 3.3℃, 2.8℃ 낮았다. 유량비교 실험에서 유량 변화량에 비해 온실 내부온도의 변화는
크지 않으므로 유량 증가에 따른 냉각성능 개선효과는 한계가 있었다. 따라서 향후 수막층의 유량변수 실험은 냉각성능보다는 여러 채널로 구성된 수막층의
유동장 균일화 관점으로 연구의 초점을 맞출 필요가 있다.
Fig. 5 Comparison of temperature according to water flow rate.
Table 3은 Case #2-4의 수막층 외피 각 층에서 흡수된 열유속을 정리한 표이다. 수막층의 유량 증가에 따라 q1, q2, q3는 증가하지만 q4는 외피
내부표면(T3)과 온실 내부(Tr)의 온도차가 작아지면서 감소하였다.
Table 3 Heat flux per each layer according to flow rate
|
Case
|
Flow rate
(LPM)
|
q1
(W/m2)
|
q2
(W/m2)
|
q3
(W/m2)
|
q4
(W/m2)
|
Water out
(℃)
|
|
#2
|
0.5
|
9.7
|
337.7
|
217.8
|
110.2
|
26.40
|
|
#3
|
1.0
|
35.5
|
363.5
|
280.0
|
48.0
|
25.19
|
|
#4
|
1.65
|
36.2
|
364.2
|
307.0
|
21.0
|
24.60
|
3.3 수막층 온도에 따른 온실 온도 비교
Fig. 6은 동일한 유량에서 물 온도 변화에 따른 온실의 온도 비교 그래프이다. 실험은 동일한 유량 1.65 LPM 에서 23.5℃ (Case #4), 25.5℃
(Case #5), 27.5℃ (Case #6)를 비교하였다.
이 실험에서 수막층의 온도 감소에 따라 온실 내부온도는 감소하였다. 물 온도 23.5℃에서 온실 내부온도는 26.51℃로 외기온도(30.25℃)보다
약 3.74℃ 낮았고, 물 온도 25.5℃와 27.5℃에서는 각각 2.27℃, 0.53℃ 낮았다. 이 실험에서 물 온도의 변화에 따라 온실 내부온도가
크게 변화하므로 물 온도가 냉각성능에 지배적인 변수로 작용하였다.
Fig. 6 Comparison of room temperature according to water temperature.
Table 4는 Case #4-6의 수막층 외피 각 층에서 흡수된 열유속을 정리한 표이다. 물 온도 감소에 따라 q1, q2, q3는 증가하지만 q4는 감소한다.
여기서 유량 변수(Case #2-4)와 물 온도 변수(Case #4-6) 실험의 경향 차이가 있다. 유량 변수는 수막층 외피 내부표면온도(T3)가
높을수록 q4가 증가하지만, 물 온도 변수는 수막층 외피 내부표면온도(T3)가 낮을수록 q4가 증가한다. 향후에는 유량과 물 온도 중 어느 변수가
냉각성능 달성을 위해 경제적인지 분석할 예정이다.
Table 4 Heat flux per each layer according to water temperature
|
Case
|
Water Temp.
(℃)
|
q1
(W/m2)
|
q2
(W/m2)
|
q3
(W/m2)
|
q4
(W/m2)
|
Water out
(℃)
|
|
#4
|
23.5
|
36.2
|
364.2
|
307.0
|
21.0
|
24.60
|
|
#5
|
25.5
|
24.0
|
352.0
|
297.4
|
30.6
|
26.68
|
|
#6
|
27.5
|
10.0
|
338.0
|
296.2
|
31.8
|
28.68
|
3.4 실험조건에 따른 총괄열전달 계수 비교
Fig. 7은 실험조건별 수막층 외피 외부와 내부의 총괄열전달계수를 계산한 결과이다. 총괄열전달계수는 식(9), (10)과 같이 수막층을 기준으로 PMMA의 열전도율과 두께, 온실 외부와 내부의 대류열전달계수(Heat transfer coefficient,
h)를 바탕으로 계산된다. 외피 외부와 내부 총괄열전달계수를 비교하면 외피 외부에서 적외선을 먼저 흡수하여 표면온도가 상승하므로 외피 내부에 비해
외부의 총괄열전달계수가 높다. 하지만 온실의 관점에서 외부의 열을 흡수하는 것은 불필요하며 이러한 문제를 고려하여 선행연구(12)에서는 수막층 외피 외부에 공기층을 형성한다. 향후 연구에서는 단층이 아닌 수막층과 공기층으로 구성된 복층(Double layer) 외피를 실험할
예정이다.
유량 변수 실험(Case #2-4)의 경우 유량이 증가할수록 수막층 외피의 외부 표면온도(T1)가 낮아지므로 외기(Te)와 아크릴 표면 사이의 대류열전달계수가
감소하였고, 이 값을 포함하는 외피 외부 총괄열전달계수(Uout)도 감소하였다. 이러한 경향은 수막층 외피 내부 총괄열전달계수(Uin)에도 동일하게
확인된다. 이 실험을 통해 관찰되는 특이한 현상은 냉각성능이 낮은 실험조건(유량이 낮음 또는 물 온도가 높음)에서 총괄열전달계수가 높다는 것이다.
예시로 Case #4(물 온도 23.5℃)와 #5(물 온도 25.5℃)를 비교하면 물 온도가 낮은 #4의 온실 내부온도가 낮음에도 불구하고 내부 총괄열전달계수(Uin)는
#5가 높았다. 이러한 실험결과 또한 앞서 언급한 바와 같이 공기층 없이 수막층만 실험한 것이 원인으로 추정되므로 향후 연구에서 수행할 복층 외피
실험과 비교분석할 예정이다.
Fig. 7 Comparison of overall heat transfer coefficient according to test condition.
4. 결 론
단층 수막층 외피를 적용한 모형 온실의 열전달 특성을 분석하기 위해 국내 기후환경조건에서 (1) 수막층의 유‧무, (2) 수막층 유량, (3) 수막층
온도를 변수로 실험을 수행하였고 모형 온실 내‧외부의 다양한 위치에 온도계를 설치하여 실험변수의 경향을 분석 및 총괄열전달계수를 계산하였다. 이 실험의
결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 수막층 유‧무의 비교실험에서 수막층이 있는 경우 온실 외피의 표면온도와 온실 내부온도가 5 ~ 8℃ 정도 크게 감소하였고, 수막층이 없으면
온실 내부온도가 지속적으로 상승하지만 수막층이 있으면 정상상태를 유지하였다.
(2) 물 유량이 0.5 ~ 1.65 LPM으로 증가함에 따라 온실 내부 온도는 감소하였으나, 유량 변화량에 비해 온실 내부온도의 변화는 크지 않으므로
유량 증가에 따른 냉각성능 개선효과는 한계가 있었다. 향후 수막층의 유량변수 실험은 냉각성능보다는 수막층의 균일화 관점으로 연구할 예정이다.
(3) 물 온도가 27 ~ 23.5℃로 감소함에 따라 온실 내부온도도 크게 감소하였고, 물 온도의 변화에 따라 온실 내부온도가 크게 변화하므로 물
온도가 냉각성능에 지배적인 변수임을 확인하였다. 하지만 이것은 해당 실험범위의 결과이므로 향후에는 유량과 물 온도 중 어느 변수가 냉각성능 달성에
경제적인지 분석할 예정이다.
(4) 수막층 외피 외‧내부의 총괄열전달계수를 비교하면 외피 외부의 총괄열전달계수가 높았다. 온실의 관점에서 외부의 열을 흡수하는 것을 불필요하므로
향후 연구에서는 단층이 아닌 수막층과 공기층으로 구성된 복층 외피를 실험할 예정이다. 그리고 본 연구(단층 외피의 수막층)와 선행연구(복층 외피의
공기층 & 수막층)의 실험 대상 차이로 인해 실험 변수에 따른 총괄열전달계수 경향이 선행연구와 다르게 나타나므로 향후 수행할 복층 외피 실험과 본
실험을 비교분석 할 예정이다.
이 실험을 통해 우리는 모형 온실의 수막층 온도와 유량 변수를 활용해 WFG의 온실 냉난방기술로의 발전 가능성을 확인하였다. 하지만 단층 외피(수막층)를
사용하였기 때문에 불필요하게 온실 외부의 열을 흡수하는 문제 또한 발견할 수 있었다. 후속 실험에서는 온실 외부에 단열기능을 하는 공기층을 형성하여
이러한 문제를 개선하고 3.3 m2 이상의 규모로 여름철 기후환경에서 실증실험을 수행할 계획이다. WFG는 우수한 광학적 성능(적외선 차단, 가시광선 투과)과 열전달성능을 가진 기술로
여름과 겨울기후에 대응할 수 있는 기술적 대안이 될 것으로 기대하며, 이 실험결과를 기반으로 향후 WFG 기술의 온실적용을 위한 연구를 지속할 것이다.
후 기
본 논문은 대한민국 정부(중소벤처기업부)의 재원으로 지역사업평가단 지역특화산업육성+(R&D)의 지원을 받아 수행된 연구임(과제고유번호: 1425166425).
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