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ISSN : 2288-0992(Print)
ISSN : 2288-100X(Online)
Protected Horticulture and Plant Factory Vol.23 No.4 pp.391-400
DOI : https://doi.org/10.12791/KSBEC.2014.23.4.391

Analysis on Internal Airflow of a Naturally Ventilated Greenhouse using Wind Tunnel and PIV for CFD Validation

Jung-Soo Ha, In-Bok Lee*, Kyeong-Seok Kwon, Tae-Hwan Ha
Department of Rural Systems Engineering, Seoul National University, Seoul 151-921, Korea
Corresponding Author : iblee@snu.ac.kr
October 1, 2014 October 10, 2014 October 6, 2014

Abstract


CFD 검증을 위한 풍동 및 PIV를 이용한 자연환기식 온실 내부 공기유동 분석

하 정수, 이 인복*, 권 경석, 하 태환
서울대학교 지역시스템공학과

초록

The number of large scale greenhouses has recently been increasing to cope with mass consumption of agricultural product. Korean government announced a new development plan for constructing greenhouse complex in reclaimed lands for the purpose of improvement in exports and activation of domestic market of agricultural product. Wind environment in the reclaimed land is totally different from that of inland area, and it can give a strong influence on ventilation performance of naturally ventilated greenhouse facilities. In this study, internal airflow analysis of naturally ventilated greenhouse built on a reclaimed land was conducted using wind tunnel and PIV for validation research. Later, the PIV measured results will be used to improve the accuracy of 3 dimensional CFD simulation in the future. Wind profile at a reclaimed land was produced using ESDU program and it was applied to the wind tunnel. The calculated error was only 5% and 0.96 of correlation coefficient, implying that the computed profiles were designed properly. From the measured results, when external wind speed changed from 1m·s–1 to 1.5m·s–1, air velocities inside the greenhouse which PIV measured were also increased proportionately in case of both side vent open and side-roof vent open. Considering reduced ratio of air velocity inside the greenhouse, it was measured a minimum of 40% in case of side vent and 30% in case of side-roof vent compared with external wind speed from each vent type. From the quantitative and qualitative PIV analysis, the PIV measured results indicated that there were well ventilated and stagnant areas in the greenhouse according to external wind condition as well as ventilation design.


    Rural Development Administration
    PJ009412

    서 론

    국내 농산물의 수요증가 및 농업인구의 지속적인 감소 추세로 인하여 생산성 증진을 목적으로 원예시설의 대규 모화와 자동화의 필요성이 대두되어 왔으며, 간척지에 대한 다각적 활용을 위한 여러 방안과 더불어 미래형 농업단지 조성이 추진되고 있다. 최근 정부에서는 화옹, 시화, 석문, 이원, 남포, 삼산, 고흥, 군내, 보전, 영산강, 새만금 등 국내 간척지 총 12지구에 첨단수출 원예단지 3,000ha, 일반 원예단지 2,185ha 등 대규모 시설농업 단 지 조성 계획을 고시하였다(MIFAFF, 2010). 국내의 한 정된 평지면적과 국토면적의 70% 이상이 산간지역인 점 을 미루어볼 때 간척지에 신규로 조성되는 농업지구는 농경지 면적을 보완할 수 있는 방책이 될 것으로 전망 되고 있다. 이와 관련하여 간척지에서의 시설농업을 통 한 작물 재배 가능성 구명을 통하여 소득작물로의 타당 성 연구가 이루어졌으며(Lee 등, 2012), 간척지 온실에 서의 작물 생육 특성 연구(Lee 등, 2014; Lee 등, 2014; Um 등, 2011) 또한 수행되었다. 이러한 간척지에 대한 온실의 적용성 검토뿐만 아니라 현대화 원예시설 모델 개발 등의 연구를 통하여 앞으로 간척지의 농업적 활용 과 수출농업 기반 조성 등이 계속해서 진행될 것으로 예상된다(Lee 등, 2012).

    간척지에서의 풍 환경은 해륙풍의 영향으로 해양성 기 후가 농후하기에 내륙의 기후와는 대조적이고 내륙에 비 하여 지형상의 장애가 적으므로 풍향이 일정하고 풍속이 크며 해안에서의 대류 순환으로 인하여 형성되는 난류의 영향을 강하게 받는 경우가 많다(KMA, 2014). 이에 기 존의 내륙 설치 온실의 설계와는 상이한 간척지 설치 온실 설계기준이 요구되고 있다. 풍 환경은 온실의 자연 환기에 직결되는 인자이기에 온실 내부 공기유동 설계는 매우 중요한 요소이다. 특히 하절기의 경우 고온으로 인 하여 파생되는 작물 손실, 주년재배의 배제, 작업자 환 경의 불균형성 등 그 피해가 심각하기에 환기에 의한 효과적인 열 환경 조절이 필수적이며 이로 인한 경제성 을 고려할 시 온실 자연환기에 대한 연구가 반드시 수 행되어야 한다(Hong 등, 2008). 환기 작용의 주 기작인 외부 풍 환경에 의하여 형성되는 온실 내부 공기유동에 관한 연구와 관련하여 외부 기상조건, 온실의 구조적 형 태, 작물조건 등에 따라 자연환기식 단동, 다연동 온실 에서의 내부 공기유동 해석(Sase 등, 1984; Lee와 Short, 1999; Boulard 등, 1999; Hong 등, 2008), 온실 내부 풍 속 분포 및 작물군 미기상 분석 연구(Lee 등, 2006; Lee 등, 2007) 등이 수행되었다. 또한 온실 내부 공기유동 연구에 있어 정확도와 신뢰성이 높은 풍동실험(Wind Tunnel Test)과 유동가시화 실험인 PIV(Particle Image Velocimetry)가 접목되어 정량적, 정성적 분석이 수행되 어져 왔다(Okushima 등, 1998; Roy 등, 2000; Montero 등, 2001; Lee 등, 2003; Lee 등, 2005; Lee 등, 2006). 풍동실험은 오늘날까지 다양한 분야에서의 유체해석을 위하여 폭넓게 접목되어 왔으며 실제 공기를 이용하여 실험을 수행하기에 가장 신뢰성이 높은 실험기법으로 알 려지고 있다. 국내의 경우 2002년 농촌진흥청 농업공학 연구소의 최초 농업분야 연구용 풍동실험동 설립을 필두 로 다양한 연구가 수행되고 있으며 실험에 있어 실제 기류의 형상을 모사하고자 연직 풍속 프로파일을 접목하 여 정확도 향상을 도모하였다. 하지만 간척지 풍 환경에 대한 구체적인 연구가 미진할 뿐만 아니라 이를 적용한 간척지 설치 온실에서의 내부 공기유동 및 환기효율 분 석 연구는 미흡한 상태이다.

    따라서 본 연구에서는 간척지 풍 환경 특성에 따른 자 연환기식 온실의 환기효율 분석 연구에 이용될 CFD 모 델링의 검증 및 정확도 향상을 위하여, 풍동 및 PIV를 이용한 정성적 및 정량적 온실 내 공기유동 데이터를 확 보하고자 하였다. 농가보급형 단동 양지붕형 온실을 대상 모델로 선정한 후 간척지 풍 환경을 적용하여 풍속, 환기 방식에 따른 온실 내부 공기유동 분석을 수행하였다.

    재료 및 방법

    1대상온실

    국내에 설치된 온실은 크게 플라스틱온실, 유리온실, 경질판온실 등으로 구분되며 용도에 따라 온실 형태, 피 복 재질 등을 선정하여 설비한다. 본 연구에서는 2001년 국내에서 새로 개발한 농가보급형 단동 양지붕형 온실을 대상 모델로 선정하여 1/30 스케일 모형을 제작하였다 (Fig. 1). 본 모델은 고온 극복을 목적으로 구조개선을 통하여 환기면적율이 13%에서 21%로 증가된 온실 모델 로서(RDA, 2014), 국내에서 보편적으로 많이 사용되고 있으며 다양한 환기방식에 따른 분석이 용이한 구조이다. 본 연구에서는 환기창 방식에 따라 내부 기류 형상이 크게 달라진다는 점과 차후 다양한 형태의 온실들에 대 한 환기효율성 상대비교 분석의 용이성을 고려하여 환기 창이 Roll up 방식(권취식) 및 Vertical sliding 방식으로 이루어지는 것을 가정하여 설계하였다. 온실 스케일 모 형 제작에 있어 환기방식에 따른 분석을 위하여 천창부 개폐를 고려하여 설계하였으며 이를 통하여 측창 환기방 식, 측창-천창 환기방식에 따른 유동분석을 수행하였다. 또한 이번 풍동 및 PIV 실험에서는 풍향의 경우 환기창 에 수직으로 들어오는 단방향만을 고려하였다.

    2ESDU를 이용한 외부 경계층 설계

    ESDU(Engineering Sciences Data Unit, 01008, HIS, UK)는 풍속 및 난류강도 프로파일 등의 구성과 관련한 기준으로 이를 통하여 높이에 따른 시간평균 풍속, 난류 u, v, w 성분 및 스케일 등을 설계하며 지표면의 상태, 지형의 영향, 돌풍 등을 고려한 후 대기 경계층을 구성 하게 된다. 자연풍의 경우 지표면의 형상 및 표면의 상 태에 따라 마찰의 영향을 받게 되어 지표부근에서 산란 이 발생되며 풍속은 상층에 비하여 감소하게 되는 연직 분포 형상을 띄게 된다. 연직 방향의 평균풍속분포는 지 수법칙(Power law)을 따르게 되며 식 (1)을 통하여 성립 된다.

    U z U z R = z z R α
    (1)

    U(z)는 높이 z에서의 평균풍속(m·s-1), U(zR)는 기준높 이 zR에서의 평균풍속(m·s-1)을 나타내며, 은 실험 목적 에 적합한 설계 기준높이이다. α는 지표면 조도에 따라 결정되는 지수로 풍속분포 형상을 결정하게 된다. α는 지표면의 성질에 따라 그 수치가 다르기에 풍 환경 설 계에 있어 분석 대상 지역에 대한 대표성을 띄게 된다.

    난류는 풍의 시간적, 공간적 불규칙한 운동을 의미한 다. 풍의 경우 풍속의 표준편차를 평균풍속으로 나눈 변 동계수를 지니게 되며 이를 통하여 난류의 크기를 산정 하게 된다. 이를 난류강도라 하며 식 (2)를 통하여 성립 된다.

    I u = σ u V
    (2)

    난류강도의 경우 σu 변동풍속의 표준편차(ms-1)와 V 평균풍속(ms-1) 간의 비로 도출할 수 있으며 이를 통하 여 난류에너지 및 난류 소산율을 유추할 수 있다. Ohkuma 등(1986)은 풍동실험에 있어 난류 경계층의 모 사를 중요시하였으며 특히 조도와 관련된 기하학적 요소 가 그 영향이 있다는 것을 구명하였다. 난류강도 또한 연직 분포를 나타내며 식 (3)을 통해 형성된다.

    I uR Z Z R α 0.05 = σ u V
    (3)

    지수법칙을 자연풍의 실측결과에 적용할 시 α지수 및 난류강도는 대상지역에 따라 상이하게 도출되며 이를 통 하여 대상지역에 따라 풍의 영향이 다르게 작용한다는 것을 알 수 있다. 이를 바탕으로 온실에서의 환기 작용 과 연관하여 유추해볼 시, 풍의 상이한 연직 분포에 의 하여 환기창에 도달하는 외부 풍속이 다르게 형성될 수 있다. 외부 풍속에 따라 온실 내부 공기유동은 달라지며 이에 따라 환기 효율 또한 달라질 가능성이 농후하다. 난류강도 또한 대상지역에 따라 다르게 도출되며 이는 기류에 영향을 미치는 요인으로 작용할 수 있다. 따라서 분석 대상지역에서의 풍속 및 난류강도 프로파일을 설계 하는 것은 온실 환기 분석에 있어 매우 중요한 요소로 사료된다. 풍동실험에 있어 풍속 및 난류강도 프로파일 의 구현은 많은 연구에서 그 중요성을 인지하여 계속해 서 접목되고 있다(Richardson 등, 1997; Lee 등, 2003; Lee 등, 2004).

    3풍동실험

    풍동실험은 인위적으로 풍의 성상, 특징 등을 모사하 여 제어함으로써 연구의 목적이 되는 현상을 분석하는 실험방법으로 대상물체, 시설 등에 미치는 압력, 기류, 열, 소음 등을 분석할 수 있다. 풍동실험은 축소율을 적 용한 모형을 사용함으로써 이를 계통적으로 변화시켜 분 석 대상 인자를 측정한 후 해석할 수 있고 비용적인 면 에서도 경제적일뿐만 아니라 단시간에 방대한 양의 데이 터를 확보할 수 있다(Lee 등, 2004; Lee 등, 2006). 이 러한 이점을 극대화하기 위해서는 정확한 기하학적, 운 동학적, 역학적 상사법칙의 적용이 우선시된다.

    V 2 gB Model = V 2 gB Full
    (6)

    식 (6)에서 V는 풍속(m·s−1), g는 중력가속도(m·s−2), B 는 시설의 기하학적 수치(m)를 의미하며 이 식을 통하 여 Froude 수를 고려하여 설계 풍속에 대한 상사를 수 행한다.

    T Model T Full = B / V Model B / V Full
    (7)

    식 (7)에서 T는 기준높이(Reference height)에서의 평 균 풍속을 의미하며 이 식을 통하여 시간 상사를 실시 한다. 기하학적 상사조건을 통하여 축척모형의 형상을 실제모형과 일치시킨 후 기류 경계층의 높이 등을 선정 하고, 운동학적 상사조건을 통하여 실제 모형에 작용하 는 풍의 성상, 특징 등을 평균풍속 분포, 난류강도 등을 재현한다. 마지막으로 역학적 상사조건을 통하여 작용되 는 현상들을 레이놀즈수, 환산풍속 등을 고려하여 실제 작용현상으로 해석한다. Sase 등(1984)의 연구를 시작으 로 풍동실험을 적용함으로써 온실을 축소 모형으로 제작 후 내부 공기유동을 분석한 연구는 다양하게 이루어져 오고 있다(Okushima 등, 1998; Lee 등, 2003).

    본 연구의 풍동실험은 2013년 5월 31일 경기도 안성 시 공도읍에 소재한 티이솔루션 내에 설치된 대형경계층 풍동 실험동에서 수행하였다. 전장은 36.825 m, 측정부 의 크기는 8.0×2.5×23.0m(폭×높이×길이)이며 Eiffel type 의 풍동이다. Turntable의 직경은 3.0m이며 ±250° 회전 이 가능하게 설치되어 있다(Fig. 2). 132kW의 AC motor type 흡입식송풍기가 3대 설치되어 있고 직경 1.5m, 최대 1,200rpm으로 0.3~11.5m·s−1 범위의 풍속제 어가 가능하다. Traverse의 경우 측정범위가 x축 방향 3.0m, y축 방향 3.0m, z축 방향 1.35m로 전동식으로 설 치되어 있다. 측정부 위치에서의 난류강도는 0.5% 미만 이며 풍속분포의 편차는 ±1.0% 이하이다.

    4Particle Image Velocimetry (PIV)

    대부분의 속도장 해석 연구는 컴퓨터를 이용한 수치 해석을 통하여 수행되어 왔지만 검증의 부재와 현장실 험에서의 점측정(Point-wise measurement)에 따른 한정 된 데이터로 인하여 어려움이 따랐다. 이를 위하여 유 동가시화에 대한 방법론이 접목되어 유동의 전달현상을 가시화함으로써 속도장의 정보를 얻을 수 있게 되었다 (Lee 등, 2004). 이러한 방법론의 일환으로 대상시설의 내부유동 및 속도분포를 확인하기 위하여 유동의 화상 처리를 이용하여 속도장을 측정하는 PIV 실험이 이용 되고 있다. 이는 구하고자 하는 속도장 구간의 평균속 도를 구함으로써 제한된 공간에서의 분해능력을 지니며 도출된 결과를 바탕으로 정성적 유동정보와 정량적 속 도장 정보를 분석할 수 있다(Raffel 등, 1998). 발생되 는 유동에 추적가스(Tracer gas)를 뿌려 그 입자들의 유 동영상을 초고속 카메라로 화상처리하여 속도장을 측정 하는 것이 기본원리이다. 측정하고자 하는 유동의 단면 에 레이저를 이용하여 평면광(Laser light sheet)을 형성 한 후 빛에 산란된 유동입자들을 확인한다. 영상 촬영 의 시간간격동안 이동한 입자의 변위정보를 영상입력장 치와 디지털 화상처리 기법을 통하여 계측한 후 속도장 정보를 추출할 수 있다.

    Fig. 3은 속도장 측정의 기본원리를 나타내는 것으로 입자의 이동변위에 따라 x축과 y축에서의 변위 값이 발 생되면 영상촬영 시간차에 의하여 시간 변위 값 또한 발 생하게 된다. 식 (8), 식 (9)와 같이 시간변위 동안 이동 한 유동입자들의 변위는 시간과 공간의 함수로 계측되며 2차원 평면에서의 x축 유동방향의 속도성분인 u value와 y축 수직방향의 속도성분인 v value는 시간변위 값으로 나눔으로써 구해진다.

    lim Δ t 0 Δ x Δ t u
    (8)
    lim Δ t 0 Δ y Δ t v
    (9)

    풍동실험에 접목된 PIV 실험은 온실 내부 공기유동을 가시화하여 분석함에 있어 매우 유용하게 수행되어져 오 고 있다(Okushima 등, 1998; Roy 등, 2000; Montero 등, 2001; Lee 등, 2003; Lee 등, 2005; Lee 등, 2006). 본 연구에서의 PIV 실험은 풍동실험과 함께 수행되었으 며 Fig. 4와 같은 구성으로 진행되었다.

    PIV 시스템에는 입자 생성기(Model 9307, TSI, USA), 초고속 CCD 카메라(Phantom Miro M140, KOMI, Korea), DPSS 레이저 장비(MGL-N-532-5W, 12080009, CNI laser, China), DPSSL driver(CNI laser, China), 동 기장치(LASERPULSE Synchronizer Model 610036, TSI, USA) 등이 구성되어 있으며, 유동분석 및 데이터 추출 소프트웨어로는 INSIGHT-4G(TSI, USA)가 사용되 었다(Fig. 5).

    5실험방법

    본 연구에서는 ESDU 기법을 통하여 간척지에서의 풍 환경을 설계하였으며 이를 풍동실험에서 재현하여 분석 을 수행하였다. 많은 간척지들 중 대표적인 새만금 지역 을 대상지역으로 선정하여 경계층을 형성하였으며 프로 파일 산정 인자들의 수치는 다음과 같다(Table 2).

    풍동실험장에서의 간척지 경계층 재현을 위하여 조도 블럭, 베리어, 스파이어 등을 통하여 ESDU 수치와 동일 하도록 모사하였다(Fig. 6). 앞서 온실 축소 모형 제작에 적용된 1/30 스케일을 기준으로 운동학적 상사를 적용하 여 도출된 1/6 풍속 스케일을 적용하였으며, 제작된 온 실의 동고높이인 0.165m를 기준높이로 선정한 후 각 외 부풍속이 구현되도록 프로파일을 설계 및 적용하였다. 실험 풍속의 경우 풍동실험장의 최저 풍속제어 수준, 상 사법칙, 안정된 기류 형성 등을 고려하여 온실 동고 기 준 1.0m·s−1, 1.5m·s−1로 선정하여 실험을 수행하였다. 흡 입식 송풍기를 통하여 기류를 형성하고 풍상측에서 가스 입자를 충분히 발생시켰으며 내부 기류의 안정화를 확인 한 후 PIV 실험을 진행하였다. 각 풍속 및 환기방식에 따라 2,000초 상당의 시간동안 측정하는 방식으로 진행 하였으며 오차의 최소화와 정확한 유동 구현을 위하여 반복측정을 수행하였다. 진행된 실험의 개요 및 분석대 상 요소들은 Table 3과 같다.

    결과 및 고찰

    1풍동에서의 간척지 풍속 및 난류 프로파일 설계

    풍동실험장에서의 간척지 풍속 및 난류 프로파일 구현 을 위하여 조도블럭, 베리어, 스파이어 등을 사용하여 ESDU 수치를 기준으로 모사하였으며 측정부에서의 결 과를 도출하였다. 풍동실험장 내 Traverse system의 전 방위 센서(Omni-directional)를 통하여 주 유동 방향과 센서 방향을 일치시켜 측정하였으며 적정 수준의 오차범 위로 판단한 후 실험을 수행하였다. 온실 동고 기준에서 의 풍속 및 난류강도에 대한 프로파일을 구현하였으며 설계 결과 ESDU 설계 수치 기준 풍동실험장 내 측정값 과 약 5%의 오차 및 상관계수 0.96으로 산정되었다(Fig. 7). 도출된 오차와 상관계수를 바탕으로 프로파일이 적 절하게 설계된 것으로 판단하였으며 이를 기반으로 실험 을 진행하였다.

    2벡터장 및 컨투어장을 통한 내부유동의 정성적 분석

    PIV 측정 자료를 통하여 벡터장, 컨투어장을 도출하여 온실의 공기유동에 따른 자연환기 경향에 대하여 정성적 분석을 수행하였다. 측정 결과를 바탕으로 주기류층이 형성되는 구간이나 형성된 기류에 따른 환기 원활 위치 와 정체구역을 판별할 수 있었다. 측창 환기방식 조건 에서의 온실 내부 순환 형상 도출결과는 Fig. 8-9와 같 다. 측창 환기방식의 경우 풍속에 따른 유동현상이 유 사하게 측정되었다. 풍상측에서 유입된 기류는 온실 하 부로 주기류층을 형성하여 풍하측을 통하여 유출되며, 온실 상부는 주풍방향 기준 반시계 방향으로 주기류층 에 비하여 다소 약한 기류를 형성하는 것으로 측정되었 다. 풍하측 천장부를 시작으로 기류가 온실형태의 영향 으로 인하여 후류를 형성하고 이는 다시 주기류층에 도 달하여 합류함으로써 온실 내부에 큰 순환을 형성하는 것으로 분석된다.

    Fig. 9 결과를 바탕으로 측창 환기방식의 경우 온실 하부영역이 가장 환기가 원활한 위치임을 알 수 있었으 며, 후류가 형성되는 상부영역은 저속의 순환구역이 형 성되어 온실 내부에 있어 환기에 가장 취약한 위치임을 알 수 있었다. 이는 풍동실험 특성상 계속적으로 바람이 불어온다는 가정 하에 형성된 결과로 풍속, 풍향 등 환 경조건의 가변성이 큰 실제 환경조건에서의 환기 분석을 위해 이와 관련한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료 된다. 외부풍속 대비 온실 유입구 유속의 경우 상이하게 나타난 바, 이는 환기량이나 환기효율의 산정에 있어 보 다 실질적인 수치가 될 것으로 판단된다.

    측창-천창 환기방식(Fig. 10-11)에서의 측정 결과 또한 풍속에 따른 유동현상이 유사하게 도출되었다. 측창 환기 방식에서의 결과와 유사하게 온실 하부에서 주기류층을 형성하여 공기 유입, 유출이 이루어지는 것을 알 수 있었 다. 천창부의 기류는 주로 천창 풍상측 유입, 천창 풍하 측 유출로 이루어졌으며 온실 내부로의 유입 또한 미소 하게 이루어지는 것으로 측정되었다. 외부풍속 1.5m·s−1 결과를 분석해본 결과, 천창의 풍상측으로 유입된 기류는 측창 풍하측으로 유출되는 경향을 보였으며 이는 온실 상부에 형성된 후류와 작용함으로써 온실 내부 풍하측 방면에 와류구간을 형성하는 것을 알 수 있었다.

    측창-천창 환기방식의 경우 천창부 유입, 유출은 지면 과 거의 수평으로 작용함을 알 수 있었으며 이는 천창의 개폐각도에 따라 크게 달라질 것으로 예상된다. 측창 환 기방식과 유사하게 온실 하부 영역이 환기가 가장 원활 한 영역으로 도출되었으며 상부에서는 후류 및 순환층이 형성되어 환기에 취약한 영역임을 확인할 수 있었다.

    3온실 내부 높이별 속도 분포와 정량적 분석

    측정된 유속 수치를 이용하여 온실 내부 공기유동에 대한 정량적 분석을 수행하였다. 실험 외부풍속으로 1.0, 1.5m·s−1를 선정하여 각 풍속에 대하여 환기방식에 따른 온실 내부 유속분포를 측정하였다. 측정된 결과에 있어 대표적인 데이터 추출을 통한 상대비교를 용이하 게 하기 위하여 온실 내부 중앙부를 기준으로 수직 높 이에 대한 높이별 유속 수치를 Fig. 12-13과 같이 그래 프로 도시하였다. 각 실험 외부풍속에 대한 측창 환기 방식에서의 수직방향 유속분포에 대한 PIV 측정결과는 Fig. 12와 같다. Fig. 12(a)의 경우 외부풍속 1.0m·s−1 대비 중앙부에서 최소 40% 가량 유속이 저감된 것으로 측정되었다. 온실 내 하부 쪽으로 주 기류 구간이 형성 되고 온실 내 상부에서는 후류가 형성되는 것으로 확인 되었다. Fig. 12(b)의 경우 외부풍속 대비 최소 42% 가 량 유속이 저감된 것으로 측정되었으며 이는 외부풍속 1.0m·s−1에서의 측정치 경향과 유사한 것을 알 수 있었 다. 각 외부풍속에 대한 결과에 대하여 비교분석해 본 결과, 최대풍속에 있어 1.46배, 수직 유속분포 측정치 전체 평균에 있어 1.52배로 증가하여 풍속의 증가비율 인 1.5배와 유사하게 측정된 것을 알 수 있었다.

    측창-천창 환기방식에 대한 측정 결과는 Fig. 13과 같 이 도출되었다. Fig. 13(a)) 결과와 같이 측창과 천창을 동시에 열었을 경우 측창만 열었을 경우에 비하여 온실 내부 유속이 미소하게 높은 것으로 측정되었으며 온실 상부 후류부 또한 천창의 영향으로 유속이 큰 것으로 나타났다. 측창-천창 환기방식에서는 외부풍속 1.0m·s−1 의 경우 최소 31% 가량 내부 유속이 저감되었으며, 1.5m·s−1의 경우 최소 30% 가량 저감된 것으로 측정되 었다. 이는 기존의 측창 환기방식에 비하여 공기가 유입 되는 면적이 증가함으로써 온실을 기준으로 발생되는 부 압이 감소함에 따라 생긴 현상으로 사료된다. 측창-천창 환기방식의 경우 또한 최대풍속에 있어 1.51배, 수직 유 속분포 측정치 전체평균에 있어 1.53배 증가한 것으로 측정되었으며 이 또한 풍속의 증가비율인 1.5배와 유사 한 것으로 분석되었다.

    측창 환기방식과 측창-천창 환기방식 간 측정된 결과 를 비교해 볼 때, 외부풍속 대비 내부 유속의 저감되는 비율이 각각 약 40%, 30%로 천창을 이용하여 추가적인 환기를 도모할 시 단순히 유입면적 증가에 따른 유입유 량의 증가가 아닌 부압의 변화에 의한 유입량의 추가적 증대를 유추해볼 수 있을 것으로 사료된다. 결론적으로 측창 환기와 함께 천창 환기를 동시에 실시할 경우, 작 물군 높이에 해당하는 온실 하부층에서의 공기 교환은 증가하는 것으로 판단된다.

    결 론

    본 연구에서는 간척지 풍 환경 특성에 따른 온실의 환 기효율 분석 연구에 대한 기초연구로서 단동 양지붕형 온실을 대상으로 간척지 풍 환경을 적용한 풍동실험 및 PIV 실험을 수행하여 풍속, 환기방식에 다른 온실 내부 공기유동 분석을 수행하였다. 실질적인 간척지 풍환경 적용을 위하여 ESDU 프로그램을 활용하여 풍속 및 난 류 프로파일을 설계하여 풍동실험에 적용하였으며 구현 결과 ESDU 대비 5%의 오차 및 상관계수 0.96이 도출 되었으며 적절한 오차범위라 판단하여 이를 기준으로 실 험을 진행하였다.

    벡터장, 컨투어장을 통한 분석 결과, 풍상측에서 유입 되는 공기가 온실 하부로 주기류층을 형성하고 온실 상 부로는 주풍방향과 반대방향으로 다소 약한 기류를 형성 하는 것으로 측정되었다. 이는 환기 시, 온실 하부영역 이 가장 환기가 원활한 위치이며 후류가 형성되는 상부 영역은 저속의 순환구역으로 온실 내부에 있어 환기에 가장 취약한 위치임을 알 수 있었다. 또한 외부풍속 대 비 온실 유입구 유속의 경우 상이하게 나타난 바, 이는 차후 환기량이나 환기효율의 산정에 있어 보다 실질적인 수치가 될 것으로 사료된다.

    온실 내부 중앙부 기준 수직 높이에 대한 높이별 유속 수치 도출 및 분석결과, 풍속의 증가율에 비례하여 내부 유속 분포 수치 또한 비례해서 증가하는 것을 알 수 있 었다. 환기방식에 따른 내부 유속 저감 비율은 측창 환 기, 측창-천창 환기의 경우 각각 약 40%, 30%로 나타났 으며 측창-천창 환기조건에서는 천창을 추가적으로 개방 함으로써 공기의 유입되는 면적이 증감함에 따라 온실을 기준으로 발생되는 부압이 감소하여 오히려 측창 환기조 건보다 더 큰 유속 수치가 도출된 것으로 사료된다. 이 는 차후 질량교체 환기량, 추적가스 감쇠법 등의 방법을 통한 환기량 산정에 있어 환기방식에 따른 환기량의 변 화양상에 대한 분석을 추가적으로 수행할 필요성을 지니 는 자료로 판단된다.

    본 연구를 통하여 도출된 결과를 바탕으로 전산유체 역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 시뮬레이션 에 접목하여 앞서 도출된 정량적인 높이별 유속 수치 및 정성적 유동분포를 기준으로 검증 및 정확도 향상을 통한 환기분석 모델을 설계하고자 하였다. 온실 내부의 공기유동에 따른 보다 실질적인 환기 척도를 도출하여 다양한 온실형태별, 환경조건별, 환기방식별 환기경향 분 석 및 예측이 가능할 것으로 전망되며 시뮬레이션을 활 용한 온실 체적 전체 및 구역별 환기량을 예측하여 환 기 취약 구역을 파악, 보완할 수 있을 것으로 기대된다.

    사 사

    본 연구는 농촌진흥청 공동연구사업(과제번호 : PJ009412) 의 지원에 의해 이루어진 것임.

    Figure

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    Test model of greenhouse.

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    Plane and side figures of the wind tunnel at the TESolution Co., Anseong-si, Gyeonggi-do, Korea (Unit : mm).

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    Basic principle of PIV to analyze vector value of moving particle.

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    Overall view of the wind tunnel and PIV test.

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    Major equipments of PIV test at wind tunnel test section.

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    Installation of spires, barriers and roughness blocks for representing wind and turbulence profile at reclaimed land.

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    Comparison of (a) wind speed profile and (b) turbulence intensity profile between ESDU and wind tunnel test section when the wind speed was 1.0m·s−1 at ridge height of greenhouse model.

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    Vector fields of PIV measurement at the plane of laser sheet in case of side vent type at 1.0 and 1.5m·s−1 of external wind speed at ridge height of greenhouse.

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    Contour fields of PIV measurement at the plane of laser sheet in case of side vent type at 1.0 and 1.5m·s−1 of external wind speed at ridge height of greenhouse.

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    Vector fields of PIV measurement at the plane of laser sheet in case of side-roof vent type at 1.0 and 1.5m·s−1 of external wind speed at ridge height of greenhouse.

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    Contour fields of PIV measurement at the plane of laser sheet in case of side-roof vent type at 1.0 and 1.5m·s−1 of external wind speed at ridge height of greenhouse.

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    Vertical distributions of PIV measured air velocities at the center of greenhouse model in case of side vent type at 1.0 and 1.5m·s−1 of external wind speed at ridge height of greenhouse (Wind direction from left to right).

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    Vertical distributions of PIV measured air velocities at the center of greenhouse model in case of side-roof vent type at 1.0 and 1.5m·s−1 of external wind speed at ridge height of greenhouse (Wind direction from left to right).

    Table

    Specification of full-scale greenhouse model.

    Calculated values for wind and turbulence profiles at a reclaimed land using ESDU program.

    Design variables of wind tunnel & PIV test to analyze internal airflow of a naturally ventilated greenhouse.

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