다연동 온실의 자연환기 효과 분석을 위한 온실 모델링

국내 시설채소의 연동온실 면적은 2010년 5,179ha에서 2016년 6,136ha로 단동온실보다 상대적으로 높은 비율로 증가하고 있으며 시설재배의 생산 효율성을 향상시키기 위하여 시설이 점차 대규모화, 대면적화 되면서 다양한 형태의 환기창을 가진 온실이 나타나고 있다. 농업시설의 규모화 및 단지화에 대비하여 랙피니언 형태의 환기창이 자연환기 효율에 미치는 영향을 분석하기 위하여 상용 CFD 코드(FLUENT 15.0, ANSYS, USA)를 이용한 수치해석을 수행하여 온실의 자연환기 특성을 분석하였다. 해석 대상 온실은 전북 전주의 연동비닐온실로 남북동의 온실배치이며, 바닥면적은 655.2 m2 (18.2 m × 36.0 m), 측고 4m, 동고 5.5 m, 지붕폭 8 m 의 벤로형 온실이다. 천창은 랙피니언식 연속형 환기창이며 한쪽지붕 및 양지 붕 개폐가 가능하다. 전산유체역학 시뮬레이션 검증을 위한 온실 내부 환경 계측을 위해 온습도센서 (Hobo U23, Oneset computer Co., USA)와 풍속센서(TSI 8455, TSI Co, USA)를 연동비닐온실에 설치하여 온도 및 풍속 환경을 측정하고 분석하였다. 온습도 센서는 온실의 중앙과 동쪽과 서쪽 측벽으로부터 각각 2 m 거리, 바닥에서부터 1 m, 1.9 m, 3.2 m 높이의 총 27지점에 설치하였으며, 풍속센서는 온실의 동쪽과 서쪽 측벽으로부터 각각 2 m 거리, 바닥에서 1.9 m 높이의 6개 지점에 설치하여 측정하였다. 측정은 2018년 5월 31일 10시에서 15시 사이에 수행되었으며, 검증용 데이터는 측정된 데이터의 5시간 평균값을 이용하였다. 또한 외부기상관측계를 이용하여 풍향, 풍속, 외기온 및 일사량을 측정하여 경계조건용 데이터로 사용하였다. 풍속, 풍향, 온도 및 일사량의 5시간 측정값의 평균값인 1.98 m/s, 서풍, 28.8°C, 792W/m2을 이용하였으며, 측정시간동안 차광막과 다겹보온커튼의 작동은 중지하였으며 측창과 천창은 양쪽을 최대로 개방하였다. 수치해석을 위한 공기유동은 비압축성의 정상상태, 난류유동, 3차원으로 가정하였으며 열전달은 전도, 대류 및 복사를 고려하여 해석을 수행하였다. 전산유체역학 모델의 수치해석 예측값과 실제 온실의 실측값을 비교한 결과는 다음과 같다. 온실의 온도 분포의 경우 각 지점의 상대오차는 위치별로 0.3~12.1%, 평균 4.4%로 나타났으며, 내부 유속의 경우 각 지점의 상대오차는 8.8~68.8%, 평균 33.7%로 내부온도의 상대오차에 비해 크게 나타났다. 내부 온도의 오차는 온실 하부와 모서리에서 상대적으로 크게 나타났으며, 내부 유속은 온실의 중앙부에서 상대적으로 크게 나타났다. 수치해석 모델 검증의 일부 위치에서 예측값과 실측값의 상대오차가 비교적 크게 나타난 경우도 있으나 전체적인 온도분포 및 유속의 경향성은 잘 일치하는 것으로 나타났다.