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ISSN : 2288-0992(Print)
ISSN : 2288-100X(Online)
Protected Horticulture and Plant Factory Vol.27 No.1 pp.64-70
DOI : https://doi.org/10.12791/KSBEC.2018.27.1.64

Investigation and Greenhouse Heat Loss based on Areas and Weather Information

Young Hwa Kim1, Sukwon Kang1, Yee Paek1, Jae Kyung Jang1, Sung Je Hoon1, Yeon Koo Kang2*
1Energy & Environmental Engineering Division, NAAS, RDA, Jeonju 54875, Korea
2Protected Horticulture Research Institute, NIHHS, RDA, Haman 52504, Korea
Corresponding author: ykk0977@korea.kr
20171114 20180123 20180125

Abstract

In this study, eleven major coastal areas were selected and the climate environment and the greenhouse direction were analyzed. This research investigates the greenhouse heat loss according to the wind environment at target areas. The target areas were selected based on heated greenhouse cultivation area and wind environment standard. Temperature, wind speed, and wind direction among weather data for 30 years were collected and analyzed. The data were divided into the minimum, average, and maximum temperatures and the Meteorological Agency criteria applied to the weather and wind direction criteria. Data were collected in the range of 0~180° considering the symmetry of the shape of the greenhouse. In addition, the wind direction is different for each region and the applied wind direction can be different when referring to the longitudinal direction of the greenhouse and the data are collected in the range of 0~90°. The results of this study are expected to be used to calculate the heating load of greenhouse installed in places wind speed high.


온실 열손실 분석용 기상정보 및 온실방위 조사 분석

김 영화1, 강 석원1, 백 이1, 장 재경1, 성 제훈1, 강 연구2*
1농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부 에너지환경공학과
2농촌진흥청 국립원예특작과학원 시설원예시험연구소

초록

본 연구에서는 풍환경에 따른 열손실을 분석하는데 있 어 필요한 풍속 기초자료를 제공하기 위하여 주요 11개 해안지역 중 온실밀집지역을 선정하여 기상환경 및 온실 방위를 조사 분석하였다. 대상지역은 난방온실 재배면적과 풍환경 기준으로 선정하였고 온실밀집지역은 50,000m2 이 상인 지역을 대상으로 하였다. 11곳의 기상자료 중 기온, 풍속, 풍향을 대상으로 30년간 자료를 수집하여 분석하 였고 기온은 최저, 평균, 최고 기온을 나누고 풍속 및 풍향 기준은 기상청 분석 기준을 적용하였다. 온실의 배 치방향은 형태가 대칭인 점을 감안하여 0~180° 범위로 자료를 수집하였다.

또한, 각 지역마다 풍향이 있으며 온실길이방향을 기준으로 하였을 때 적용되는 풍향은 달 라질 수 있으며 이를 상대풍향으로 지칭하고 중복되는 점을 고려하여 0~90° 범위로 자료를 수집하였다. 11개 지역의 기온은 중부지방에 있는 보령, 영광 지역 과 남부지방에 있는 9개 지역의 기온차이가 구분되었다. 중부해안 대상지역은 1월 최저기온은 약 3~4°C 정도 온 도가 높은 것을 확인할 수 있었고 평균기온은 약 3°C 정도 높았으며 월별 기온 중 최저기온을 선정할 때에 1 월 기온을 고려해야 되는 것으로 판단된다. 대상지역의 주풍향에 대한 월별 차이는 크게 발생하지 않았으며 풍 향 분포에 따라 지역별로 서해안측, 서해 및 남해 경계 해안측, 남해안측으로 구분되어졌다. 풍속은 영광을 제외 한 10개 지역은 월간 풍속 포차이가 크게 발생하지 않 는 것으로 판단된다. 대상지역의 온실의 방향은 길이방 향 기준으로 분석하였으며 보령과 영광, 남해 지역은 60%이상 집중되어 있는 방향이 존재하였고 해남, 통영 지역은 약 90% 집중되어있는 방향이 존재하였으며 이는 경지정리로 인하여 방향이 편향되어있는 지역이 존재하 는 것으로 판단된다.


    National Academy of Agricultural Sciences
    PJ010959 & PJ010964

    서 론

    국내 난방온실 재배면적은 2005년 9,975ha에서 2015년 15,878ha로 59.2% 상승하였으며 2015년 기준 전체 온실재 배면적의 30.4%를 차지한다(MAFRA, 2005, 2015). 난방 온실 경영비는 중 난방비가 차지하는 비율은 주요작목 기 준 24.7~39.2% 범위에 분포하고 있으며 경영비 요인 중 가장 높은 비중을 차지하고 있다(RDA, 2015). 난방온실의 난방비는 난방부하와 밀접한 관련이 있으며 난방부하는 온실 피복재의 관류전열손실, 토양전열손실, 복사열손실, 틈새환기로 인한 열손실 등으로 구성되는데, 이 중 온실 피복재의 관류전열손실은 전체 열손실의 60~100%를 차지 하는 주요한 인자이며 전도전열손실과 대류전열손실로 구 성된다(Japan Protected Horticulture Association, 1994; Diop 등 2014; Hwang 등 2013; Lee 등 2011). 이 중 대 류전열손실은 외부 풍속에 가장 큰 영향을 받으나 풍속에 따른 난방부하 관련 연구는 부족한 실정이다. 풍속에 따른 난방부하를 산정하기에 앞서 온실재배지역의 기상환경 및 풍환경에 대한 조사가 선행되어야 열손실 분석 범위를 정 할 수 있으며 온실 냉난방부하와 연계하여 기상정보를 분 석한 사례는 다수 진행되어왔으나 기상환경 중 특히 외부 풍속 및 풍향에 따른 온실의 열손실 분석에 앞서 우리나 라 온실밀집지역 풍환경 등 기상환경 및 온실 방위 현황 조사가 필수적으로 선결되어야 하는데 이와 관련된 연구 는 전무한 실정이다. 이에 따라 풍환경이 지배적인 지역에 온실을 설치할 때에 난방부하 산정에 삽입되는 기온, 풍속, 풍향 등의 기상자료를 반영하기 위하여 해안지역의 기상자료 및 온실의 방위 분석이 필요한 실정이다.

    본 연구는 외부 풍환경에 따른 비닐온실의 열손실 분 석에 앞서 우리나라 기상환경 및 풍환경 기초자료의 범 위를 설정하고자 우리나라 온실지역 풍환경 등 기상환경 및 온실 방위를 조사 분석하고자 하였다.

    연구방법

    본 연구는 ‘해안지역은 풍환경이 매우 중요하다’라는 가정 하에 Fig. 1과 Table 1과 같이 8개 도 중 난방온실 재배면적이 2,000ha 이상인 충남, 전남, 경남의 11개 해 안지역의 온실 밀집지역을 대상으로 기상환경과 온실 설 치 방위를 분석하였다.

    기상청으로부터 과거 30년의 기상정보를 수집하였고 집중 난방기간인 12~2월 대상으로 최저, 평균, 최고 기 온 및 풍속, 풍향을 조사 분석하였다. 풍환경은 wind rose map으로 분석하였고 기상청에서 인용하는 바와 같 이 풍향은 32방위로 나누고 풍속은 10ms-1 기준 6등분 하였다. 평균풍향의 개념인 resultant vector로 합성풍향 을 나타내고 4방위 기준으로 최빈 방위 확률을 합산하 여 표기하였다.

    온실의 방위는 선정지역에 배치된 농지에 설치된 온실 을 대상으로 위성사진을 수집하였으며 Fig. 1과 같이 50,000m2 이상 온실 밀집지역을 대상으로 조사하였고 온실의 형태가 대칭인 점을 감안하여 0~180° 범위로 자 료를 수집하였다. 또한, 각 지역마다 풍향이 있으며 온 실길이방향을 기준으로 하였을 때 적용되는 풍향은 달라 질 수 있으므로 본 연구에서는 이를 상대풍향으로 지칭 하였으며 기준점으로부터 풍향에서 배치방향의 차이로 두었으며 중복되는 점을 고려하여 0~90° 범위로 자료를 수집하였다.

    결과 및 고찰

    1.11개 대상지역의 동계 기온

    11개 지역 최저기온은 Table 2와 같이 나타내었다. 중 부지방에 있는 보령, 영광 지역과 남부지방에 있는 9개 지역의 기온차이가 구분되었다. 중부해안 대상지역은 12 월 최저기온은 남부해안 대상지역 비하여 약 2°C 차이 가 나는 것을 확인할 수 있었고 평균기온은 남부해안 대상지역 비하여 약 3.6°C의 차이가 나므로 최저기온보 다 평균기온 차이가 더 큰 것을 확인할 수 있었다. 1월 중부해안 대상지역은 최저기온이 남부해안 대상지역 대 비 약 3~4°C 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다. 월별 기온 중 최저기온을 선정할 때에 1월 기온을 고려해야 되는 것으로 판단된다.

    2.풍향 및 풍속 특성

    각 지역의 평균 풍향은 Fig. 2와 같이 각 방향의 바람 빈도로 구하였는데 평온을 포함하였다. 보령 지역은 풍 향 구성비는 12월에 355~5° 범위에서 23.8%, 15~25° 범 위에서 14.3% 평균풍향은 358° 방향에서 41%, 355~5° 범위에서 23.4%, 15~25° 범위에서 16.6% 평균풍향은 352o 방향에서 43%, 355~5° 범위에서 19.8%, 195~205° 범위에서 17.1% 평균풍향은 328o 방향에서 30%로 나타 났다. 서해안 주풍향은 북풍이며 평균풍향은 북풍에서 기간이 경과함에 따라 주풍향의 이동은 크게 발생하지 않았으며 주풍향의 비중 또한 큰 변화가 없는 것으로 판단된다.

    선정지역 중 동계 서해안과 남해안의 경계 해안 대상 지역중 진도 지역의 풍향 구성비는 12월에 355~5° 범위 에서 23.8%, 15~25° 범위에서 14.3% 평균풍향은 358o 방향에서 41%, 355~5° 범위에서 23.4%, 15~25° 범위에 서 16.6% 평균풍향은 352o 방향에서 43%, 355~5° 범위 에서 19.8%, 265~275° 범위에서 17.1% 평균풍향은 328o 방향에서 30%로 나타났다. 서해 및 남해 경계 대 상지역의 주풍향은 북북서풍이었으며 기간이 경과함에 따라 평균풍향은 유사하나 그 빈도의 차이가 있는 것으 로 판단된다.

    남해안 장흥 지역의 풍향 구성비는 12월에 315~325° 범위에서 20.6%, 335~345° 범위에서 20.3% 평균풍향은 335° 방향에서 57%, 1월에 335~345° 범위에서 28.2%, 315~325° 범위에서 17.7% 평균풍향은 335° 방향에서 67%, 2월에 335~345° 범위에서 23.6%, 315~325° 범위 에서 14.5% 평균풍향은 331° 방향에서 39%로 나타났다. 남해안 대상지역의 주풍향은 북서풍이었으며 기간이 경 과함에 따라 평균풍향은 유사하나 그 빈도의 차이가 있 는 것으로 판단된다.

    11개 대상지역의 풍속을 2ms-1 단위로 10ms-1까지 총 6구간으로 나누고 그 분포는 다음과 같다(Table 3,4,5). 보령지역은 2~6ms-1 구간의 풍속 분포가 12월에 82.4%, 1월에 85.5%, 2월에 84.3% 차지하였다. 영광지역은 12 월 4~6ms-1에서 29.7%였으나 1월에는 41.3%, 2월에는 47.5%로 집중되는 경향을 보였다. 진도지역 12월에는 4~6ms-1에는 41.6%, 2~4ms-1에는 40.8%, 1월 4~6ms-1 구간에서는 43%, 2~4ms-1 구간에서는 42.5%, 2월는 2~4ms-1 구간에서는 42.3%, 4~6ms-1 구간에서는 42% 나타나 2~6ms-1구간에 풍속이 집중되었다. 완도, 보성, 여수지역은 4~10ms-1 구간에 걸쳐서 집중 분포되는 것 을 확인할 수 있었고 해남, 장흥, 통영지역은 4~6ms-1 집중 풍속구간임을 확인할 수 있었다. 11개 대상지역중 보령, 진도, 거제지역은 2~6ms-1 풍속이 집중적으로 분 포되어있었고, 특히 영광, 해남, 장흥, 남해, 통영 지역은 4~6ms-1 구간에 집중되어 있었으며 영광을 제외한 10개 지역은 월간 풍속 분포차이가 크게 발생하지 않는 것으 로 판단된다.

    3.방위분석

    온실의 길이방향 기준 배치방향은 Table 6과 같이 나 타내었다. 보령과 영광, 남해 지역은 60%이상 집중되어 있는 방향이 존재하였고 해남, 통영지역은 약 90% 집중 되어있는 방향이 존재하였으며 상대풍향은 Table 7과 같 이 나타내었다. 이는 경지정리로 인하여 방향이 편향되 어있는 지역이 존재하는 것으로 판단된다.

    적 요

    본 연구에서는 풍환경에 따른 열손실을 분석하는데 있 어 필요한 풍속 기초자료를 제공하기 위하여 주요 11개 해안지역 중 온실밀집지역을 선정하여 기상환경 및 온실 방위를 조사 분석하였다. 대상지역은 난방온실 재배면적과 풍환경 기준으로 선정하였고 온실밀집지역은 50,000m2 이 상인 지역을 대상으로 하였다. 11곳의 기상자료 중 기온, 풍속, 풍향을 대상으로 30년간 자료를 수집하여 분석하 였고 기온은 최저, 평균, 최고 기온을 나누고 풍속 및 풍향 기준은 기상청 분석 기준을 적용하였다. 온실의 배 치방향은 형태가 대칭인 점을 감안하여 0~180° 범위로 자료를 수집하였다. 또한, 각 지역마다 풍향이 있으며 온실길이방향을 기준으로 하였을 때 적용되는 풍향은 달 라질 수 있으며 이를 상대풍향으로 지칭하고 중복되는 점을 고려하여 0~90° 범위로 자료를 수집하였다.

    11개 지역의 기온은 중부지방에 있는 보령, 영광 지역 과 남부지방에 있는 9개 지역의 기온차이가 구분되었다. 중부해안 대상지역은 1월 최저기온은 약 3~4°C 정도 온 도가 높은 것을 확인할 수 있었고 평균기온은 약 3°C 정도 높았으며 월별 기온 중 최저기온을 선정할 때에 1 월 기온을 고려해야 되는 것으로 판단된다. 대상지역의 주풍향에 대한 월별 차이는 크게 발생하지 않았으며 풍 향 분포에 따라 지역별로 서해안측, 서해 및 남해 경계 해안측, 남해안측으로 구분되어졌다. 풍속은 영광을 제외 한 10개 지역은 월간 풍속 포차이가 크게 발생하지 않 는 것으로 판단된다. 대상지역의 온실의 방향은 길이방 향 기준으로 분석하였으며 보령과 영광, 남해 지역은 60%이상 집중되어 있는 방향이 존재하였고 해남, 통영 지역은 약 90% 집중되어있는 방향이 존재하였으며 이는 경지정리로 인하여 방향이 편향되어있는 지역이 존재하 는 것으로 판단된다.

    추가 주제어 : 온실 방위, 풍향, 동계, 풍속

    사 사

    본 연구는 2017년도 농촌진흥청 국립농업과학원 연구 개발사업(과제번호: PJ010959 & PJ010964)의 지원에 의 해 이루어진 것임.

    Figure

    KSBEC-27-64_F1.gif

    Locations of selected area.

    KSBEC-27-64_F2.gif

    Monthly average wind-rose map during winter : (A) Boryung, (B) YoungGwang, (C) Jindo, (D) Wando, (E) Hainam, (F) Jangheung, (G) Boseong, (H) Yeosu, (I) Namhae, (J) Tongyoung and (K) Geoje

    Table

    eleven selected stations of coastal area in Chungcheongnam- do, Gyeongsangnam-do and Jeollanam-do.

    Minimum, average and maximum temperature of selected areas during winter season.

    Wind speed distribution of target areas on December (unit : %).

    Wind speed distribution of target areas on January (unit : %).

    Wind speed distribution of target areas on February (unit : %).

    Angle of greenhouse direction at the target areas.

    Relative wind direction to greenhouse longitudinal direction.

    Reference

    1. ChoiJ.K. KimY.S. SongD.S. (2012) Effect of the building envelope on heating and cooling load in super tall building considering the meteorological changes with height. , Spring Conference Papers, Vol.32 (1) ; pp.337-344
    2. HwangY.Y. LeeJ.W. (2013) Calculation of the overall heat transfer coefficient of single layer covering in greenhouse. , Journal of Bio-Environment Control, Vol.22 (2) ; pp.108-115
    3. SeginerI. van StratenG. van BeverenP.J.M. (2017) Day-to-night heat storage in greenhouses: 1 Optimisation for periodic weather. , BIOSYSTEM ENGINEERING, Vol.161 ; pp.174-187
    4. Japan Protected Horticulture AssociationJapan Protected Horticulture Association (1994) Handbook of protected horticulture association., ; pp.170-173
    5. JeongW.J. MyoungD.J. LeeJ.H. (2009) Comparison of climate conditions of sweet pepper ?(tm)s greenhouse between korea and netherlands. , Journal of Bio-Environment Control, Vol.18 (3) ; pp.244-252
    6. JeongS.H. LeeJ.W. LeeS.Y. LeeH.W. (2015) Analysis of wind velocity profile for calculation of wind pressure on greenhouse, Protected Hort. , Plant Fac., Vol.24 (3) ; pp.135-146
    7. KangD.H. LeeS.Y. KimJ.K. ChoiH.K. ParkM.J. YeonJ.S. SonJ.K. (2015) The meteorological themes selection for the site selection of protected horticulture complex in saemanguem. Protected Hort. , Plant Fac., Vol.24 (4) ; pp.287-295
    8. KangD.H. LeeS.Y. KimJ.K. ChoiH.K. ParkM.J. YoonS.W. SonJ.K. (2016) susitability site selection by meteorological factors for the protected horticulture complex in saemanguem. Protected Hort. , Plant Fac., Vol.25 (1) ; pp.1-8
    9. LeeD.S. JoJ.H. (2014) Analysis on regional cooling and heating energy characteristics of the building facade using the climate index. , Journal of KIAEBS, Vol.8 (4) ; pp.201-206
    10. LeeH.W. SouleymaneD. KimY.S. (2011) Variation of the overall heat transfer coefficient of plastic greenhouse covering material. , Journal of Bio-Environment Control, Vol.20 (2) ; pp.72-77
    11. MAFRA (2005) Greenhouse status for the vegetable grown in facilities and the vegetable productions in 2005,
    12. MAFRA (2015) Greenhouse status for the vegetable grown in facilities and the vegetable productions in 2015,
    13. NamS.W. ShinH.H. SeoD.W. (2014) Comparative analysis of weather data for heating and cooling load calculation in greenhouse environmental design. Protected Hort. , Plant Fac., Vol.23 (3) ; pp.174-180
    14. NamS.W. ShinH.H. (2016) Analysis of the outdoor design conditions for greenhouse heating and cooling systems in korea. , Protected Hort. Plant Fac., Vol.25 (4) ; pp.308-319
    15. RDA (2015) Agriculture and livestock income database for improving agricultural management in 2015,
    16. YooH.C. KangH.G. (2011) Heating and cooling load using the thermal analysis methods by the korea typical meteorological data. , Journal of Achitextural Institute of Korea, Vol.27 (2) ; pp.245-252