Introduction
최근 국제유가 상승과 전기요금 등 원자재의 가격 인상으로 농가들의 어려움이 갈수록 늘고 있어 경영비 부담 경감을 위해 국가에서는 “농업에너지 이용 효율화 사업”을 시행하고 있다. 이 사업은 시설 안에서 채소, 화훼 등 원예작물을 재배하기 위해 냉·난방 시설을 사용하는 농업인 등을 대상으로 시행하고 있다(Lee and Cho, 2020). 전체 경영비의 30 ~ 40%를 차지하여 경영비 비중이 큰 난방비 절감을 위한 자연에너지 이용기술, 에너지 효율 향상 기술, 보온력 향상 기술 등 다양한 기술이 연구개발되고 있다(Kim et al., 2010).
우리나라 시설채소 온실 중 가온재배의 73.3%가 온풍난방을 이용하고 있으며(MAFRA, 2016), 이 난방의 열분배 방식에 따른 하우스 내부 온·습도 편차가 심해 작물의 성장이 불균일하고 수확량 감소를 초래할 수 있다(Bakker, 1990; Nam and Kim, 2009). 작물의 고품질 대량생산, 냉·난방 에너지절감 등을 위해 온실 내부 온·습도 등 환경을 균일화하는 것이 필요하다. 이를 해결하기 위해서는 온실 내부의 공기 유동률을 높이는 방법을 채용해야 한다(Yu et al., 2007; Lee et al., 2016). 하지만 공기 유동률을 함부로 높여서도 안된다. 작물의 생육에 적당한 기류속도는 0.3 ~ 0.5 m/s, 최소기류는 0.2 m/s이며, 1.0 m/s를 초과해서는 안된다고 보고되어 있다(Kim, 1997).
야간 및 겨울철 난방에 의해 공급열이 온실 상부에 정체되어 에너지 이용 효율이 낮아지는 문제가 발생하고 있다. 이러한 온실 내부의 온·습도 불균일은 에너지의 소비를 증가시킬 뿐만 아니라 작물의 생육 불균일에 의한 생산성 저하를 초래하고 있다. 온실내 공기를 수직방향으로 순환시켜 상부공기과 하부공기의 대류현상을 증진시켜 상하 온도편차를 줄임으로써 내부온도와 습도를 균일하게 유지함으로써 작물의 성장과 발육을 촉진시키기 위한 연직교반기가 시판되고 있으나 수직방향의 공기순환에 대한 연구는 부족한 실정이다.
따라서 본 연구는 수직형 공기순환팬 가동에 의한 수직적인 공기흐름이 온도의 수직분포에 미치는 영향을 분석하였다.
Materials and Methods
실험에 사용된 수직형 공기순환팬은 날개, 바, 전동기 등으로 구성되어 있으며, Fig. 1과 같이 각진 긴 바가 7개가 연결되어 있고 바의 끝에는 순환팬 날개가 부착되어 있다. 순환팬의 공급전압과 소비전력에 따른 회전속도는 Table 1과 같고 날개의 제원은 날개 각도 23°, 날개 바 길이 15.5 cm, 날개 바 각도 10°이고 1개의 날개 면적은 57.85 cm²이다. 팬으로부터 1m, 2 m, 3 m, 4 m, 5 m 떨어진 위치에서 측정된 평균 풍속은 각각 1.46 m/s, 0.52 m/s, 0.24 m/s, 0.14 m/s, 0.12 m/s로 나타났다. 온실 내부의 공기순환을 해석하기 전에 수직형 공기순환팬에 의해 만들어지는 공기 흐름을 파악하기 위해 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 실시하였다. 수직형 순환팬의 3D 모델링은 AutoCAD (ver. 2020, Autodesk, USA)을 이용하여 설계하였으며, 연산을 위한 3차원 격자망 설계를 위하여 상용 소프트웨어인 GAMBIT (ver. 2.4, Fluent Co. New Hampsher, USA)을 사용하였으며, ANSYS FLUENT (ver. 15, ANSYS Inc., PA, USA)를 이용하여 대상 영역에 대한 유체 유동을 해석하였다. 수직 순환팬에 의해 형성된 공기흐름 특성을 우선 파악하기 위해 GAMBIT을 이용한 3차원 격자망 설계 시에는 골조, 베드시설, 작물 등의 영향은 고려하지 않고 가로 9 m, 세로 8 m, 높이 5 m 공간의 중앙 3 m 높이에 설치하는 것으로 가정하였고 회전속도는 750 rpm으로 설정하는 것을 가정하여 CFD 시뮬레이션 모델을 간략화하였다. 유동은 비압축성 유동으로 전 영역에 대하여 난류흐름으로 계산하였으며, 난류모델은 레이놀즈수가 작고 형상에 의해 이차유동이 발생하지 않고 엄밀한 계산이 요구되지 않아 Seo et al. (2014)와 같이 일반적으로 사용하는 Standard k-ε 모델을 사용하였다. 수직형 공기순환팬의 날개 각도 등에 따른 공기흐름 변화를 파악하기 위해 날개 바 길이를 13.5 cm, 15.5 cm, 17.5 cm 3단계, 날개 바 각도를 7°, 10°, 13° 3단계, 날개 각도를 18°, 23°, 28° 3단계로 변화를 주며 기류변화를 분석하였는데 분석결과 날개 바 길이에 따른 영향은 작았으며, 날개 각도가 클수록 지면으로 향하고 각도가 작을수록 측면으로 향하나 그 차이 또한 미미하여 날개 각도에 따른 기류 형상에 미치는 영향은 적은 것으로 판단되었다. 공기순환팬에 의해 형성되는 기류는 날개 바 각도가 낮을수록 순환팬으로 부터 나오는 바람이 지면을 향하고 날개 바 각도가 클수록 측면을 향하는 것으로 나타났다. 공기유동을 CFD 시뮬레이션한 결과 예는 Fig. 2와 같으며, 공기가 순환팬 하단과 상부로 유입되고 사면 방향으로 배출되어 추적가스실험 결과와 같은 버섯모양의 기류를 생성하는 것으로 분석되었다.
수직형 공기순환팬의 온도변화 시험은 Fig. 3과 같이 한국농수산대학 2연동 플라스틱 온실(40 × 17 × 5, L × W × H, m)에서 실시하였다. 온실 냉난방시스템은 공기열 히트펌프로 공기대물 형식으로 용량은 42 kW(12RT), 축냉조는 12 ton이다. 열분배는 온실 상부에 설치한 덕트를 통해 이루어진다. 수직형 공기순환팬의 설치 위치는 CFD분석 위치와 같은 지면에서부터 3 m 높이에 설치하였다. 수직온도 분포 측정을 위한 온도센서는 HOBO pro v2 U23-001A (Onset Computer Corp., USA)를 사용하였고 제원은 다음 Table 2와 같다. 수직형 공기순환팬을 기준으로 좌측, 중앙, 우측에 수직방향으로 4개씩 설치하였으며, 좌·우측으로 2 m, 수직으로 1 m 간격을 두었다. 이 때 가장 낮은 센서 설치 높이는 베드 높이인 지상 0.5 m, 가장 높은 센서 설치 높이는 공기순환팬 위 0.5 m 지점이었다. 시험은 온실 내부 출입이 없는 야간 3 ~ 6시에 실시하였으며, 온도 측정은 5분 간격으로 하였다. 측정한 데이터는 온도센서 내 메모리에 저장되며 전용 리더기(Base U-4, Onset Computer Corp., USA)를 통해 데이터를 노트북으로 취득하였다. 공기열 히트펌프의 제원은 Table 3과 같으며 난방(1시간 30분 작동, 30분 정지) 중인 시간에 순환팬 가동 전후의 온실 위치별 온도를 비교하였다. 순환팬의 회전속도가 높으면 공기 순환효과는 좋지만 그 대신 전력소비는 커진다. 시스템의 최적화 관점에서 보면 소비전력도 같이 고려해야 된다. 따라서 모터의 회전속도별 소비전력을 측정하였으며, 시판되는 제품의 소비전력과 같은 출력일 때와 최대출력일 때의 온실 위치별 온도를 비교하였다. 시험은 이틀동안 두 단계로 나누어 실시하였는데, 1일차는 1단계로 시중에 상품화된 타제품들의 소비전력에 맞추었으며 이 때의 입력전압은 125 V, 소비전력이 123.5 W이고 회전속도는 234.0 rpm이었다. 2일차는 2단계로 개발된 공기순환팬의 정격출력으로 하였으며 이 때의 입력전압은 170 V, 소비전력이 223.5 W이고 회전속도는 344.5 rpm이었다. 2연동 하우스 (520 m2) 공기열 히트펌프 난방에 소요된 에너지는 순환팬을 가동하지 않고 난방만 한 경우에는 1일 385.3 kWh 소모하였으며, 순환팬 3대를 가동하면서 공기열 히트펌프로 난방을 한 경우에는 1일 344.7 kWh를 소모하여 약 6.4% 전력량이 절감된 것으로 조사되었다. 좀 더 정확한 난방비 절감 분석을 위해서는 추후 온실 규격에 맞는 적절한 팬의 개수와 위치를 선정하고 같은 기간에 순환팬 유무에 따른 현장 실험이 필요할 것으로 보인다.
Results and Discussion
수직순환팬 가동에 따른 수직 온도 변화는 Fig. 4, Fig. 5와 같다. 온실에 설치한 모든 온도센서로부터 측정한 온도를 평균한 결과, 1일차에는 시험 전 1시간 30분동안(03:00 ~ 04:30)의 평균온도는 9.53 ± 2.44℃, 1단계로 시험한 시간대(04:30 ~ 06:00)의 평균 온도는 9.58 ± 2.49℃로 나타났다. 2일차에는 시험 전(03:00 ~ 04:30) 평균 온도는 12.86 ± 2.69℃, 2단계로 시험한 시간대(04:30 ~ 06:00)의 평균 온도는 13.02 ± 2.53℃로 나타났다. 전체적으로 시험 1일차에는 평균 온도와 표준편차가 큰 차이가 없는 것으로 나타났으나 시험 2일 차에는 평균 온도는 다소 증가하고 표준편차는 다소 감소하는 경향을 보였다.
순환팬을 가동하지 않고 난방만 한 경우 1일차 4시 현재 순환팬 바로 아래 좌우중앙 지상 0.5 m, 1.5 m, 2.5 m, 3.5 m 지점의 평균온도는 각각 7.1℃, 8.9℃, 12.4℃, 13.7℃로 최고온도와 최저온도는 6.6℃ 차이를 보였으며 2일차 3시 50분 현재 지상 0.5 m, 1.5 m, 2.5 m, 3.5 m 지점의 평균온도는 각각 10.0℃, 11.8℃, 15.7℃, 17.2℃로 최고온도와 최저온도의 차는 7.2℃로 상하 온도차가 크게 나는 것으로 나타났다.
1단계(정격전력의 55%) 시험에서는 순환팬 가동 30분 후인 5시 현재 지상 0.5 m, 1.5 m, 2.5 m, 3.5 m 지점의 평균온도는 각각 6.7℃, 9.7℃, 12.1℃, 13℃로 최고온도와 최저온도의 차가 6.3℃로 순환팬 가동에 따른 최고와 최저온도 차가 줄어들지 않는 것으로 나타났으나 높이에 따른 온도변화는 다른 양상을 보였다. 순환팬 가동에 따른 지상 1.5 m 높이의 온도변화를 보면, 난방기와 순환팬 가동 후 30분 경과되었을 때 순환팬 바로 아래 온도는 7℃에서 8.4℃로 1.4℃ 상승한 반면 순환팬 좌우 아래의 온도는 7℃에서 10.3℃로 3.3℃ 상승하여 순환팬 바로 아래 보다는 순환팬 주위의 온도가 더 상승하는 경향을 보였다. 지상 0.5 m 높이의 온도변화는 5.8℃에서 6.7℃로 0.9℃ 상승하는데 그쳤으며 순환팬 아래와 좌우 위치에 따른 온도 차이는 적었다. 이것은 공기순환팬의 출력이 낮아 풍속이 약하여 순환팬 바로 아래와 좌우 지상 0.5 m 높이까지 바람이 도달하지 않는다는 것을 의미한다.
2단계(정격전력) 시험에서는 순환팬 가동 30분 후인 5시 현재 순환팬 바로 아래와 좌우 지상 0.5 m, 1.5 m, 2.5 m, 3.5 m 지점의 평균온도는 각각 11.5℃, 13℃, 15.6℃, 16.1℃로 최고와 최저온도의 차가 4.6℃로 1단계일 때의 6.3℃에 비해 1.7℃, 순환팬을 가동하지 않았을 때 7.2℃에 2.6℃ 줄어 드는 것으로 나타났다. 순환팬 가동 전후의 위치별 온도는 순환팬 가동 전인 3시 50분에 비해 지상 0.5 m, 1.5 m 지점의 평균온도는 각각 1℃, 1.2℃ 상승한 반면 2.5 m, 3.5 m 지점의 평균온도는 0.2℃, 1℃ 하강하는 것으로 나타나 공기의 수직방향의 순환으로 상부 온도는 낮아지고 하부 온도는 높아지는 결과를 보였다. 순환팬 가동에 따른 지상 1.5 m 높이의 온도변화를 보면, 난방기와 순환팬 가동 후 30분 경과되었을 때 순환팬 바로 아래의 온도는 9.9℃에서 13.9℃로 1.3℃ 상승하고 순환팬 아래 좌우의 온도는 9.9℃에서 13.9℃로 4℃ 상승한 것으로 나타났다. 지상 0.5 m 높이의 온도변화는 순환팬 바로 아래의 온도는 9.1℃에서 9.5℃로 0.4℃ 상승한 반면 순환팬 아래 좌우의 온도는 8.9℃에서 12.5℃로 3.6℃로 상승한 것으로 나타났다. 이것은 공기순환팬의 출력을 높여 풍속이 충분하면 순환팬 바로 아래는 바람의 영향을 받지 않으나 순환팬 주변 지상 0.5 m 높이 까지도 바람이 미치며 공기가 순환되는 것을 알 수 있다.
따라서, 공기 순환팬의 구동모터의 규격을 선정할 때에는 일반적으로 사용되는 팬용 구동모터 보다 큰 용량의 모터를 채용하고 작목 유형, 설치 높이 등에 따라 상황에 맞게 회전속도를 조절하는 것이 좋을 것으로 판단된다.
순환팬 아래 좌우 지상 0.5 m, 1.5 m 지점의 온도변화와 표준편차는 Fig. 6과 같다. 표준편차는 높이별 온도차를 의미하는 것으로 표준편차가 적다는 것은 상하간의 온도차가 적어 작물 생장에 유리하다는 것을 1단계 시험에서는 순환팬 가동 후 평균온도는 상승하고 표준편차도 높아지는 경향이었다. 이와 같이 표준편차가 높아지는 이유는 지상 1.5 m 지점의 온도는 상승하는데 반해 0.5 m 높이의 온도는 변화가 적었기 때문이다. 2단계 시험에서는 순환팬 가동 후 지상 0.5 m, 1.5 m 높이의 평균온도는 1단계 보다도 급격히 상승하지만 온도 편차는 적어지는 것으로 나타났다. 이것은 지상 0.5 m, 1.5 m 높이의 온도가 같이 상승하였기 때문이다.
온풍난방 중 순환팬 가동유무에 따른 온실 수직단면의 등온분포도는 Fig. 7과 같다. 순환팬을 가동하지 않고 난방만 실시한 경우에는 수직적 온도 분포를 보였으며, 온실 상부의 온도가 높아지면서 온실 상하부 온도차가 커지는 경향이었다. 이는 데워진 공기는 밀도가 낮아 위로 상승하여 내려오지 않기에 순환이 안 되는 것으로 판단된다(Kwak et al., 2015). 순환팬 가동 후에는 상부와 하부공기가 순환되어 순환팬 주위의 상부온도는 낮아지고 하부 온도는 높아지는 것으로 나타났다. 공기순환팬이 가동하면서 데워진 온도가 높은 상부의 공기와 온도가 낮은 하부의 공기가 섞여 상하부 온도차가 줄어들어 천천히 온도가 평준화되어 가는 것으로 판단된다(Lee et al., 2017). 전동기에 정격전력을 공급될 때는 상부온도는 빠르게 낮아지고 하부 온도도 빠르게 높아지는 데 비해 정격전력의 55% 전력이 공급될 때는 정격전력일 때 보다 온도변화가 천천히 일어나는 것으로 나타났다.
시험결과, 순환팬의 바람이 미치는 영향 범위는 전동기 전력의 55%를 공급한 1단계에서는 지상 1.5 m까지 영향을 주었으며 전동기에 정격전력을 공급한 2단계에서는 지상 0.5 m까지 영향을 미쳐 온도변화가 있었다. 따라서, 온실 높이가 낮거나 베드 높이가 높거나 작물의 초장이 클 경우 순환팬 날개의 회전속도를 낮추어 사용하고 온실 높이가 높거나 베드의 높이가 낮고 작물 초장이 작을 경우 순환팬 날개의 회전속도를 높여 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
Conclusion
본 연구에서는 야간 온실 내부에 수직형 공기순환팬을 설치하여 작동 유·무에 따른 온도의 수직분포에 미치는 영향을 분석하였다. 수직형 공기순환팬을 기준으로 수평으로 2 m 간격으로 3개, 수직으로 1 m 간격으로 4개 총 12개를 설치하여 순환팬 가동전후의 온도변화를 측정하였다. CFD 시뮬레이션 기법을 이용하여 수직형 공기순환팬 가동에 의한 공기흐름을 예측하였다. 실험결과, 순환팬을 가동하지 않고 난방만 한 경우 지상 0.5 m와 3.5 m의 온도편차는 7.2℃이었는데, 순환팬을 가동한 경우 그 편차가 2.6℃ 감소하였다. 순환팬을 가동한 경우 지상 0.5 m, 1.5 m 높이의 평균온도는 순환팬 가동 전에 비해 각각 1℃, 1.2℃ 상승한 반면 2.5 m, 3.5 m 높이의 평균온도는 0.2℃, 1℃ 하강하는 것으로 나타났다. 위치별 온도 변화를 보면, 순환팬 바로 아래와 좌우 0.5 m 높이의 온도는 각각 0.4℃, 3.6℃상승하고, 순환팬 바로 아래와 좌우 1.5 m 높이의 온도는 각각 1.3℃, 4℃ 상승한 것으로 나타났다. 수직 공기순환팬의 가동으로 온도가 높은 상부의 공기와 온도가 낮은 하부의 공기가 순환되어 순환팬 주위의 상부온도는 낮아지고 하부 온도는 높아져 상하부 온도차가 줄어들고 온도분포가 천천히 균일화되어 가는 것을 확인하였다. 공기순환팬의 회전속도 즉, 풍속에 따라 바람이 영향을 미치는 범위가 달라지며, 풍속이 충분하면 순환팬 주변 지상 0.5 m 높이 까지도 바람이 미치며 공기가 순환되는 것을 알 수 있었다. 수직형 공기순환팬을 가동하여 온실 내 균일한 기온분포를 만드는 데 상당한 효과가 있음을 보여주었다. 수직 공기순환팬을 사용할 경우에는 온실 높이, 베드 높이 등 시설환경과 재배작물의 특성에 따라 그에 맞는 적절한 크기의 팬의 규격, 회전속도를 달리 적용하여야 효율을 높일 수 있을 것으로 판단된다.
