1. 서 론

비닐온실은 외부 기후에 의한 영향을 완화하여 작물 생장에 필요한 최적의 미기상을 제공함으로써 농작물의 안정적인 생산이 가능하여 현대 농업시설에서 광범위하게 사용되고 있다. 과거 비닐온실은 보온을 위해 주로 사용되었다. 그러나 최근 기후변화로 인해 강풍, 대설, 폭염, 집중호우 등 농업 재해의 빈도가 증가하면서, 외부 환경의 불확실성 속에서도 작물의 안정적인 생산을 보장할 수 있는 고온 극복형 온실의 개발이 중요한 과제로 대두되고 있다. 이러한 고온 극복형 비닐온실을 설계하기 위해서는 효율적인 환기시스템 구성이 필수적이다[1,2,3]. 효율적인 환기는 온실 내부의 온도, 이산화탄소 분포, 습도 등을 최대한 균일하게 유지시켜 고온의 조건에서도 온실에서 고품질의 농작물 수확을 가능하게 한다. 비닐온실의 효율적인 환기시스템 설계를 위해서는 온실 내부의 미기상 특성을 고려한 환기 성능에 대한 정밀한 해석이 수행되어야 한다.

온실 내부의 미기상 해석을 위한 기법 중, 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 기법은 난류 흐름 및 복사에너지 등에 대한 모델링이 필요하지만, 온실 내·외부의 전 유동장에 대한 공기 흐름과 온도 분포를 정밀하게 예측할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 이유로 전산유체역학 기법은 온실 내부의 열·유동장 해석과 환기 성능 최적화 연구에 광범위하게 사용되고 있다. 전산유체역학 기법을 사용한 비닐 온실의 미기상 해석은 1979년도에 Nara가 온실 내부 유동장에 대해 수송방정식을 사용하여 해석한 이후 많은 연구 결과가 제시되고 있다[4,5]. 비닐온실 내 유동장의 경우 온실 피복재의 재질에 따라 태양의 복사에너지 흡수 방식에 차이가 있는 것으로 알려져 있다. 피복재로 유리를 사용하는 경우 높은 가시광선 투과율로 태양 복사에너지를 투과시키며, 플라스틱 재질의 경우는 확산광 형태로 태양광을 흡수하며 단열효과가 상대적으로 우수한 것으로 알려져 있다[3,6]. 비닐온실 내의 습도는 잠열 형태로 온실 내부의 에너지를 유지시켜 작물의 생장에 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 이산화탄소는 온실 내부의 밀도 변화뿐 아니라, 온실 내에서 복사열을 흡수하여 내부의 온도 변화에 영향을 준다고 알려져 있다. 그리고 온실 바닥의 토양은 입사되는 태양 복사에너지를 흡수하고, 장파 복사에너지를 방출하며, 수분 증발과 주변 공기와의 대류 열교환 등을 통해 비닐온실 내부에 영향을 준다고 알려져 있어 비닐온실 내의 정확한 열･유동을 해석하기 위해서는 이에 대한 영향들을 고려하여 해석하여 주어야 한다[7,8,9].

비닐온실은 형태상 크게 한 동에 한 개의 지붕이 있는 아치 모양의 1-2W형과 한 동에 2개 이상의 지붕이 있는 벤로형으로 구분할 수 있다. 벤로형 비닐온실은 지붕 너비가 좁아 지붕 골조 자재의 길이가 짧고 골조 간격 조정을 통해 골격률을 낮출 수 있어 광 투과율을 높일 수 있다고 알려져 있다. 1-2W형 비닐온실에서는 권취식 지붕(roll-up typed roof) 환기창이 일반적으로 사용되나 지붕이 한곳으로 모이는 곡부 부근에서의 환기에 국한돼 고온기 재배에는 한계가 있을 수 있다고 알려져 있다. 랙과 피니언 기어의 맞물림을 이용해 모터의 회전운동을 직선운동으로 바꿔 환기창의 개폐에 이용되는 랙피니언 방식(rack-and-pinion typed roof)을 벤로형에 설치하면 모터 제어를 통해 정밀한 환기 면적 조절이 가능한 장점이 있다[2,10,11].

본 연구에서는 고온의 여름 환경 조건에서 벤로형 비닐온실의 지붕에 설치된 환기창 방식에 따른 자연환기 성능을 비교하는 수치해석 연구를 수행하였다. 연구에 사용된 온실은 국내 남해안 간척지에 설치를 목적으로 설계된 권취식 지붕의 스팬 6 m인 비닐온실과 랙피니언 방식 지붕의 스팬 8 m 비닐온실이다. 이 온실들에 대해 고온 조건에서의 태양의 복사, 비닐 재질 및 토양의 열전도 특성과 수증기와 이산화탄소의 영향을 고려하여 각 비닐온실 내･외부의 열･유동장 해석을 통해 자연대류 조건과 바람에 의한 각 비닐온실의 환기 성능을 비교하는 연구를 수행하였다.

2. 비닐온실 형상 및 수치적 기법

본 연구에 사용된 온실은 2가지 형상이다. 권취식 지붕의 비닐온실은 스팬이 6 m인 3연동 벤로형 비닐온실이다. 이 비닐온실의 크기는 20 m(폭) × 24 m(길이)이고 동고(total height)는 4.2 m이다. 바닥에서 0.5 m 높이에 1.2 m(높이) × 18 m(길이)의 환기창이 있으며, 폭 방향(x 방향)에는 동일한 높이에 1.2 m(높이) × 18 m(길이)인 환기창이 상하로 두 개씩 설치되어 있다. 지붕은 반경 1.9 m의 아치형 형태로 되어 있으며, 각 동이 접해 있는 부분에 0.807 m × 22 m 크기의 권취식 지붕이 설치되어 온실 내부의 공기를 환기시키도록 되어 있다. 모든 환기창에는 44% 다공성 스크린이 설치되어 있다[6].

랙피니언 방식의 지붕이 설치된 비닐온실은 스팬 8 m의 3연동 벤로형 비닐온실이다. 이 온실의 폭(x 방향)은 26 m, 길이(z 방향)은 24 m이며, 측고는 4 m, 동고는 5.2 m이다. 이 비닐온실의 양 측면에는 바닥에서 수직한 방향(y 방향) 0.5 m 위치에 높이 1.25 m, 길이 22 m인 환기창이 상하로 각각 두 개씩 설치되어 있다. 비닐온실의 각 동이 접해 있는 지붕 상부에는 0.8 m × 22 m 크기의 랙피니언 방식으로 개폐되는 환기창이 각 동당 두 개씩 설치되어 있으며, 양 끝동에는 외날개 형태로 하나의 환기창만 설치되어 있다. 천장 환기창을 최대 개방하였을 때 면적은 0.5 m × 22 m이다. 환기창에는 해충의 출입을 방지하기 위해 권취식 지붕 비닐온실과 동일한 다공성 스크린이 설치되어 있다. 이 비닐온실의 내부 체적은 2,861 m³이다.

본 연구에서 여름의 고온 조건에서의 비닐온실 내·외부 유동장 및 온도 분포를 해석하기 위해 사용된 상용소프트웨어는 FLUENT 16.2이다. 계산은 태양 일사량 1,150 W/m²이 온실에 수직하게 작용하는 조건에서 수행되었으며, 외부 공기의 온도는 307.15 K, 밀도는 1.1517 kg/m³이다. 비닐온실의 피복재는 투과성 매질의 폴리에틸렌으로 밀도 920 kg/m³, 열전도율은 350 W/mK, 흡수계수 2.2314 m^-1 이다. 온실 내 토양은 밀도 2,215 kg/m³, 비열 1,260 J/kgK, 열전도율 1.26 W/mK이며, 75%의 상대습도(RH)에 대해 계산을 수행하였다. 흐름의 난류를 모사하기 위해 k-ε 모델을 사용하였으며, 태양 복사의 영향은 Discrete Ordinates 모델을 사용하여 모사하였다. 비닐온실 내부의 수증기와 이산화탄소에 의한 복사에너지의 흡수 및 방출은 회색가스가중합 모델(Weighted Sum of Gray Gas Model, WSGGM)을 적용하여 모사하였으며 등방성 산란으로 가정하였다. 고온 조건에서 모든 환기창이 개방된 조건에서 환기 성능을 해석하기 위해 바람이 불지 않는 상태의 자연대류에 의한 환기 성능과 속도 2.5 m/s로 바람이 불 때의 비닐온실의 자연환기 성능을 상호 비교하였다. 본 연구에 사용된 수치적 기법은 선행 연구[6]에서 알메리아 비닐온실 형상에 대해 실험치[12]와의 비교 검증 연구가 수행되었다. Fig. 1에 본 연구에서 해석을 수행한 전 해석 영역을, Fig. 2에 권취식 비닐온실과 랙피니언 비닐온실 형상 및 계산에 사용된 표면의 격자를 나타내었다. 랙피니언 방식의 비닐온실 해석에 사용된 격자의 셀(cell) 수는 약 3.3백만 개다. 계산에 사용된 입력 자료를 Table 1에 나타내었으며, 권취식 지붕 비닐온실의 계산에 사용된 입력자료는 형상을 제외하고 동일하다. 한가지의 case 해석에 소요된 CPU 시간은 약 6,422.4초이다.

Fig. 1.

Simulation domain for the greenhouse ventilation performance analysis

Fig. 2.

Schematic of the roof shape and grid on the greenhouse surface

3. 결과 검토

3.1 권취식 지붕 비닐온실의 열·유동 특성 및 환기 성능

아치형 형태의 권취식 환기창 비닐온실의 환기 성능은 온실의 측면에 설치된 환기창에 의한 영향보다 지붕에 설치된 환기창을 통한 제어가 좀 더 효율적으로 제시되고 있다[6]. 본 연구에서는 권취식 지붕 환기창을 갖춘 3연동 벤로형 비닐온실의 열·유동장 해석은 주 본체의 측면과 앞뒷면의 환기창이 개방된 상태에서 온실 지붕에 설치된 환기창(C1W, C2W)의 개방 여부에 의한 환기 성능을 비교하였다. C1W는 풍상측 지붕에 설치된 환기창이며, C2W는 풍하측에 설치된 환기창이다. 바람이 불지 않는 상태에서 자연대류에 의한 환기 성능과 바람에 의한 자연환기 성능을 비교하기 위해 횡방향(z 방향)으로 풍속 2.5 m/s의 바람이 부는 조건과 바람이 불지 않는 조건에 대한 계산을 수행하여 그 성능을 비교하였다.

Fig. 3에 바람이 불지 않는 상태에서 모든 환기창이 개방된 경우 a)와 풍속 2.5 m/s의 자연환기 상태에서 풍하측 천장 환기창 C2W만 닫힌 경우 b), 풍상측 천장 환기창 C1W만 닫힌 경우 c) 그리고 모든 환기창이 열린 경우 d)에 대하여 온실 중앙 단면(x=12 m)에서의 온도 분포를 나타내었다. 그림에서 x 방향은 비닐온실의 길이 방향이다.

Fig. 3.

Temperature contours for the roll-up typed roof greenhouse(300 K ≤ T ≤ 318 K)

그림에서 보는 바와 같이 바람이 불지 않는 상태에서는 태양 복사에너지에 의해 가열된 온실 내부의 공기가 환기창을 통해 환기되는 것을 볼 수 있다. 온도가 낮은 외부 공기가 측면 환기창으로 유입되어 온실 내부를 국부적으로 냉각시키며, 부력에 의해 상승한 공기는 지붕에 설치된 환기창을 통해 배출되지만, 지붕 부근의 배출되지 못한 일부 공기가 중앙 상부에 머무르면서 다른 영역보다 높은 온도를 유지하고 있는 것을 볼 수 있다. 바람이 불지 않는 상태에서도 온실의 환기창을 모두 닫은 경우에 비해 내부 온도는 최대 12°C 정도 낮아졌으며, 측면부와 중앙부 부근의 온도는 2°C 정도의 차이를 보였다.

비닐온실의 횡 방향으로 풍속 2.5 m/s의 바람이 부는 경우 온실 내·외부의 온도 분포는 Fig. 2(b) ~ (d)에서 보는 바와 같이 태양의 복사에너지에 의해 가열된 온실 내부의 공기가 환기창을 통해 더욱 빠르게 배출되면서 중앙부의 온도가 급격히 낮아지는 것을 볼 수 있다. 특히, 풍상측 부분에서의 온실 내부의 냉방 효과가 풍하측 부분에 비해 매우 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 온실 내부 중앙의 온도는 바람이 없는 경우에 비해 약 3°C 정도 낮아졌으며, 이 조건에서 최고 온도 분포를 보이는 풍하측 부근에서도 자연대류에 경우보다 최대 1.2°C 정도 낮아지는 결과를 보였다. 바람이 부는 조건에서 천장 환기창(C1W, C2W)의 개폐 여부가 온도 분포에 미치는 영향을 확인하였다. 하나의 환기창만이 개방한 경우는 두 환기창이 모두 개방된 경우 Fig. 3(d)에 비해 풍하측의 고온 영역이 약간 넓게 분포하는 것을 볼 수 있다. 이는 환기 면적이 감소되어 지붕 환기창을 통환 환기량이 줄어들기 때문으로 판단된다. C1W 창을 닫은 경우와 C2W 창을 닫은 경우의 온도 분포를 비교해 보면 그 차이는 매우 미미함을 볼 수 있다. 이처럼 환기창의 위치가 환기 성능에 큰 영향을 주지 않는 것은 본 연구에 사용된 권취식 온실의 아치형 지붕이 공기 흐름을 정체 없이 원활하게 흐르게 하기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 4에 비닐온실 바닥에서 수직한 방향(y 방향)으로 2 m단면에서의 온도 분포를 보면, 바람이 불지 않는 경우 자연대류 조건에서는 비닐온실 내부 중앙의 온도가 높고 환기창 방향으로 온도가 점차 낮아지는 경향을 보임을 알 수 있다. 그러나 바람의 부는 경우인 Fig. 4(b) ~ (d)를 보면 빠른 냉방이 이루어진 풍상측과는 달리 풍하측 부근에서 높은 온도 영역이 집중되어 있는 것을 볼 수 있다. 그리고 온실 내부 전체의 냉방 효과도 매우 크게 나타나 온실 내의 최대 온도도 낮아지는 것을 볼 수 있다. 이는 바람에 의한 대류가 온실 내부의 환기 효과를 높이지만, 온실 내 전 영역에서 균일한 온도 분포를 유지시키기 위해서는 풍하측에서 가열된 공기를 빠르게 환기시킬 수 있는 방안이 필요함을 알 수 있다.

Fig. 4.

Temperature contours for the roll-up typed roof greenhouse(300 K ≤ T ≤ 318 K)

비닐온실 내부 공기의 환기 성능은 모든 환기창이 열린 경우, 바람이 불지 않은 자연대류에 의해 비닐온실 내의 공기가 환기창을 통해 외부 공기로 교체되는 부피인 환기량은 시간당 약 5.9% 이지만 풍속 2.5 m/s의 조건에서는 시간당 19.3%의 환기가 이루어져 바람에 의해 13.4%의 환기량이 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 권취식 천장 C1W 환기창만 닫았을 때는 14.7%, C2W 환기창만 닫았을 때는 13.0%의 환기가 발생하여 지붕 환기창 하나를 닫은 경우는 모두 개방된 경우 비해 환기량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

3.2 랙피니언 비닐온실의 열·유동 특성 및 환기 성능

본 연구에서 랙피니언 방식 지붕 비닐온실의 열ㆍ유동장 및 환기 성능을 해석하기 사용된 형상은 스팬 8 m의 3연동 벤로형 비닐온실이다. 이 온실의 지붕에는 랙피니언 방식의 환기창이 각 동당 두 개씩 설치되어 있으며, 양쪽 끝 동에는 Fig. 2(b)에서 보는 바와 같이 한 개의 환기창만이 설치되어 있다. 비닐온실의 피복재는 권취식 지붕 형상과 동일한 폴리에틸렌 재질을 사용하였으며, 환기창에는 44%의 공극률의 스크린이 설치되어 있다. 이 온실에는 극한 여름 조건을 모사하기 위해 Table 1과 같은 온도 307.15 K에서 1,150 W/m²의 태양 일사량이 이 비닐온실에 수직하게 가해지는 조건에서 계산이 수행되었다.

Fig. 5에 이 온실의 모든 환기창을 개방한 경우에 대해 바람이 불지 않는 조건에서 계산된 온실 내ㆍ외부의 온도 분포를 나타내었다. 그림에서 x는 온실 길이 방향이다. 그림에서 보는 바와 같이 측면 환기창을 통해 유입된 공기에 의해 태양 복사열로 가열된 공기가 지붕 환기창으로 배출되는 자연대류 현상이 이루어지는 것을 볼 수 있다. 이로 인해 공기가 유입되는 측창 부근의 온도가 낮은 반면, 공기가 정체되는 중앙부는 온도가 높아지는 것을 볼 수 있다. 그러나 이 온실의 경우 앞의 권취식 온실의 경우보다 중앙부의 온도가 상대적으로 더 높은 것을 확인할 수 있다. 이는 앞의 권취식 온실과 달리 이 온실은 전면과 후면에 환기창이 없어 자연대류 환기 성능이 제한적인 것으로 판단된다. 이는 랙피니언 방식 비닐온실의 바닥으로부터 2 m 수직(y=2 m)한 단면의 온도 분포를 나타낸 Fig. 6(a)에서도 확인할 수 있다. 바람이 불지 않는 경우 자연대류로 인하여 온실 중앙부의 온도가 가장 높고 환기창으로 갈수록 점차 낮아지지만 환기창이 설치되지 않은 온실 전ㆍ후면 부근에서 온도가 높은 것을 볼 수 있다. 이에 반해 환기창에 설치된 측면에서는 온도가 낮은 분포를 보임을 알 수 있다. 바람이 불지 않는 조건에서 랙피니언 지붕 온실의 경우 중앙부와 측면 환기창 부근에서 온도 차가 약 5°C로 권취식 형상에 비해 크게 차이가 나타남을 알 수 있었다. 이는 전후면 환기창 미설치로 인한 환기 성능 저하가 주된 원인으로 판단된다.

Fig. 5.

Temperature contours for the rack-and-pinion typed roof greenhouse(all windows-opened configuration, V = 0 m/s, 300 K ≤ T ≤ 318 K)

Fig. 6.

Temperature contours for the rack-and-pinion typed roof greenhouse(all windows-opened configuration, 300 K ≤ T ≤ 318 K)

Fig. 7에 횡 방향(z 방향)으로 풍속 2.5 m/s의 바람이 부는 조건에서 계산된 온실 내·외부의 온도 분포를 나타내었다. 랙피니언 비닐온실의 경우 바람에 의한 환기는 자연대류(Fig. 5)에 비해 냉방 효과가 훨씬 큰 것으로 나타났다. 환기창을 통해 유입되는 바람에 의해 강화된 환기 작용으로 온실 내부의 가열된 공기가 빠르게 배출되었기 때문이다. 그러나 Fig. 6(b)에서도 볼 수 있듯이 풍하측의 정체된 공기에 의해 풍상측과 온도 편차가 크게 나타나는 것을 볼 수 있다. 풍하측의 온실 내부의 최고 온도는 Fig. 5의 자연대류의 경우보다 1°C 정도 낮아졌지만, 앞의 권취식 지붕 온실의 경우보다 온도분포의 불균일도가 큰 것 볼 수 있다. 이는 랙피니언 방식 천장 환기창이 개방된 경우 Fig. 8에서 보는 바와 같이 급격한 단면적 변화로 인해 흐름의 박리가 유발되어 이 부분의 태양 복사에 의해 가열된 공기가 적절히 환기되지 못하여 온도가 높아지는 현상으로 판단된다. 특히, 이 랙피니언 온실의 경우 풍하측 끝단 동의 지붕에 환기창이 설치되지 않아 환기 면적의 감소뿐 아니라 정체된 공기가 태양 복사에너지의 흡수를 가속 시켜 높은 온도 편차를 나타난 것으로 판단된다. Fig. 8의 속도분포도에서 보는 바와 같이 바람이 불 때 이 형상 온실의 경우 비닐 지붕 부근에 흐름이 정체되어 있는 것을 볼 수 있다. 따라서 이 온실의 고온 조건에서도 원활한 환기가 이루어지도록 환기창의 추가 설치 및 강제 환기 등의 추가적인 방안이 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 7.

Temperature contours for the rack-and-pinion typed roof greenhouse(all windows-opened configuration, V = 2.5 m/s, 300 K ≤ T ≤ 318 K)

Fig. 8.

Velocity magnitude contours for the rack-and-pinion typed roof greenhouse(all windows-opened configuration, V = 2.5 m/s)

바람이 불지 않는 조건에서 자연대류에 의한 랙피니언 비닐온실의 환기율은 시간당 4.6%이며, 2.5 m/s의 풍속 조건에서 환기율은 시간당 82.1%로 바람에 의해 77.5% 차이의 높은 환기율을 보였다. 이는 랙피니언 방식의 경우 흐름이 환기창에 수직하게 유입되어 유입 공기량이 상대적으로 높아 권취식에 비해 높은 공기 환기율을 보인 것으로 판단된다. 그러나 이 형식 지붕 비닐온실의 경우 급격한 단면적 변화로 인한 흐름의 박리에 의한 가열된 공기의 정체로 인해 온도 분포도가 균일하지 못한 단점을 가짐을 알 수 있었다. 따라서 이 랙피니언 방식의 지붕 온실 내부의 균일한 온도 분포 관리를 위해서는 풍하측의 환기 성능을 개선이 필요함을 알 수 있었다.

4. 결 론

태양의 복사에너지가 가해지는 고온의 조건에서 권취식 지붕과 랙피니언 지붕의 벤로형 비닐온실의 열·유동장을 수치적으로 해석하여 환기 성능을 비교하는 연구를 수행하였다. 이를 위해 비닐온실의 고온다습한 공기에 대해 비닐 및 토양에 의한 열전도 효과와 바람의 효과를 고려하여 해석을 수행하였다. 해석 결과 권취식 방식 온실은 환기율이 비교적 낮지만 유선형 곡면 지붕을 따라 공기 흐름이 박리 없이 매끈한 흐름을 유지시켜 온실 내부 온도가 비교적 균일하게 냉각됨을 알 수 있었다. 랙피니언 방식 온실은 권취식 방식에 비해 환기성능은 우수하지만, 환기창 부근의 정체된 공기로 인해 내부 온도 분포 편차가 크게 나타남을 알 수 있었다. 고온 극복을 위한 비닐온실의 효율적인 냉각을 위해서는 단순한 환기율뿐 아니라, 공기 흐름과 온도 분포 불균일성을 최소화하는 환기시스템이 제시되어야 함을 알 수 있었다.