온배수 활용 온실의 에너지이용 효율화를 위한 냉·난방부하 산정 및 내부 공기유동 분석

온실은 고품질의 작물을 집약적으로 생산할 수 있다는 장점이 있으나 적정생육온도 유지를 위한 냉난방비용이 많이 든다. 가온온실의 난방비는 작물에 따라 평균적으로 농가 총 운영비 중 41%를 차지하며 대부분 유류를 통해 에너지를 수급하고 있다. 이로 인해 국내 시설재배농가의 경영안정성을 국제유가변동에 민감하게 반응한다. 이에 지열, 바이오매스, 온배수 등과 같은 신재생에너지를 농업시설에 활용하고자하는 시도가 국가적으로 행해지고 있다. 새로운 에너지원을 활용하기에 앞서 에너지비용 및 에너지 이용 효율성 분석의 선행은 필수적이라고 볼 수 있다. 이에 본 연구에서는 건물 에너지 시뮬레이션을 이용하여 냉난방 설비에 따른 에너지비용 분석 및 전산유체역학 시뮬레이션을 통한 온실 내 작물군에서의 생육환경을 정량적으로 평가하고자 하였다. 우선 대상온실의 냉난방부하를 산정하기 위해 보령화력발전소 내부에 위치한 8연동 플라스틱 온실을 대상으로 에너지교환 모델을 설계하였으며 현장실험을 통하여 모델을 검증하였다. 온실 내 재배 작물인 애플망고를 모델에 반영하기 위해 증산량 및 기공저항을 측정하였으며 작물 에너지교환 모델은 증산량을 통해 검증을 수행하였다. 검증된 모델과 2006 ∼ 2015년의 기상데이터를 이용하여 기간별 냉난방부하를 통한 에너지비용 분석, 최대 냉난방부하 산정을 통한 냉난방설비의 적정 설계용량을 제시하였다. 또한 작물 특성, 온실 형상 및 구조적 특징 등의 현장 실측치를 이용하여 온실 내 공기유동 분석을 위한 전산유체역학 시뮬레이션 모델을 설계하였다. 전산유체역학 시뮬레이션 모델의 검증은 하절기 주간에 환기창을 모두 닫아 열을 모은 후 환기를 시작하는 시점부터의 온도변화와 내부 공기유속을 비교하여 수행하였다. 온실의 에너지교환 모델의 검증은 총 5일 간의 현장 실측치와 모델의 연산결과와 비교하여 비교하였으며 내부 기온 비교 (결정계수: 0.83, 일치도: 0.94) 및 작물 증산량 비교 (결정계수: 0.96, 일치도: 0.99) 결과 냉난방부하를 산정하기 적합한 모델로 판단하였다. 이를 통해 산정한 에너지원별 에너지비용 비교 분석 결과 등유보일러 사용 대비 온배수-히트펌프 사용 시 에너지비용 절감율은 평균 68.21%로 산정되었다. 또한 최대 냉방부하 및 난방부하는 각각 512,707, 469.872 kJ·hr-1로 현재 설치된 히트펌프의 냉난방용량인 467,381, 397,267 kJ·hr-1보다 다소 높게 산정되었다. 이를 통해 추가적인 냉난방부하 절감 방안을 모색할 필요가 있다고 판단하였다. 전산유체역학 시뮬레이션 모델의 검증은 총 3번의 실험 측정치를 이용하여 모델의 연산결과와 비교하였으며 내부 공기유속의 정량적 비교 (결정계수: 0.95, 0.92, 0.96) 및 온실 내부 지점별 기온의 정성적 비교를 통해 모델의 적합성을 확인하였다. 검증된 모델을 이용하여 내부 냉난방 공조시설에 따른 작물 생육환경 조성의 효율성을 적절하게 분석할 수 있을 것으로 판단되며 본 연구에서는 하절기 자연환기 시 풍향, 풍속, 환기조건에 따른 환기율을 분석하였다.