방통대 공무원 시험용 시설원예학 핵심 요점 요약 노트 4. 온도환경

4. 온도환경

 

*주요용어 ·현열 : 물질의 온도 변화를 일으키는 열. 잠열(숨은열)에 대응하는 용어임. ·송풍덕트 : 바람을 일정한 방향으로 보내는 수송관·펌프·벨브 및 기타 조절장치를 갖추기도 함. ·피복역전 : 야간에 시설 내 기온이 외기온보다 낮아지는 경우가 있는데 이를 기온의 피복역전현상이라고 한다. 이는 특히 가을에서 봄에 걸쳐 외피복재의 장파방사와 전달방열이 심하고, 토양축열이 적을 때 일어난다. ·난방부하 : 난방을 하면서 온실로부터 실외로 방출되는 전체 열량 가운데 난방설비로 충당하지 않으면 안 되는 열량. ·관류열량 : 난방을 하는 온실에서 피복재를 통과하여 실외로 방출되는 열량으로 열손실의 가장 큰 비율을 차지하는 것. ·환기전열량 : 난방을 하는 온실에서 틈새를 통하여 실외로 방출되는 열량. ·지중전열량 : 난방을 하는 온실에서 지중으로 방출되는 열량.

1.온도환경과 작물생육
·채소류의 생육적온과 한계온도(단위 : ℃)

·과채류의 적당한 지온과 한계지온(단위 : ℃)

-주야간 변온관리방식은 항온관리방식보다 작물의 수량과 품질향상은 물론 난방비를 크게 절감할 수 있다.
2.시설 내 온도환경의 특성
·시설 내 열수지 : 열전달(에너지전달)

-시설 내 에너지의 출입을 열수지라고 한다. 주간에는 태양에너지에 의한 단파 및 장파 에너지의 유입이 발생하여 실내
온도가 상승하게 된다. 야간에 실외온도가 낮을 경우, 온실에서 장파와 환기 및 피복재를 통한 열손실이 발생한다. 그러
나 난방을 할 경우는 지중으로 열이 이동하지만, 난방을 하지 않을 경우는 역으로 지중에서 실내로 열이 유입된다.

·시설 내 온도의 특성
-기온의 일변화가 급격하게 일어난다(주로 태양복사에너지 때문).
-하루 중 주야간 온도교차가 크다(주간에는 태양복사에너지가 유입, 야간에는 에너지 손실이 일어나기 때문).
-기온의 위치별 분포가 다르다(대류현상 : 상부-따뜻한 공기, 하부-차가운 공기, 또한 피복재의 방열량에 따른 차이).
-지온이 높고 시간과 깊이에 따른 변화가 적다.
·시설 내 기온의 일변화
-오전 : 현열량＞방열량 시간당 10℃ 온도 상승.
-오후 : 현열량＜방열량 시간당 10℃ 온도 하강.
-피복역전현상 : 추운 날 방열이 계속되어 시설 내 기온이 떨어지게 된다. 외피복면에서 방열이 지나치게 많은 경우에는
시설 내 온도가 외기온보다 낮은 기온의 피복역전현상이 일어나기도 한다.
·시설의 온도교차
-밀폐된 유리온실의 경우 : 일출이 되면 실온이 급격히 상승, 실온과 외기온의 온도교차가 주간, 특히 겨울철에는 심해짐.
-온도교차 : 하루 중 최고온도와 최저온도의 차이.
-시설 내 온도 환경의 특징 중의 하나는 바로 이 온도교차가 크고 시설 내 온도 분포가 다르다는 것.
-노지 : 20℃, 시설 : 50℃.
·기온의 위치별 분포
-원인 : 골격재의 광 차단, 피복재의 광 반사, 대류현상.
3.시설의 보온
-방열을 억제하여 시설 내의 기온을 유지하는 것을 보온이라고 한다. 보온력을 향상시키기 위해서는 토양축열을 최대화
하고 단열층을 매설하고, 보온비(바닥면적/외표면적)를 크게 하고 기밀도를 높이며, 이중시설을 한다.
·지열의 축적
-지열 축적 : 태양열 차단 시 주요 열원.
-적정 수분 : 지열 축적과 방출에 유리함.
-필름 멀칭 : 적정수분 유지와 지열 축적.
·토성, 토양수분과 열전도율의 관계

·보온비와 기밀도
-보온비 : 시설의 외표면적에 대한 바닥면적의 비율.
-보온비=바닥면적/외표면적(=피복면적).
-방열비=1/보온비.
-바닥면적 : 열을 저장하는 열원.
-외부표면적 : 방열면적.
-보온비가 클수록 보온력이 커지고 보온에 유리.
·시설 바닥면적의 확대에 따른 보온비의 증가.
-우리나라 시설 보온비 0.5~0.7, 아치형단동 0.6, 아치형연동 0.7

·보온비 계산
-바닥면적=온실 전체 폭×온실 길이=21×50=1,050m²
-피복면적=(측벽면적+마구리면적)×2+(지붕아치길이×온실길이×3개동)
-피복면적=(2.8×50+84)×2+(8×50×3)m²
-피복면적=1,648m²
-보온비=바닥면적/피복면적=1,050/1,648=0.64

·보온피복방법
-외면피복(적설이 많은 지역은 외면피복 불가) : 섬피, 거적, 보온매트, 노동력 문제.
-커튼피복 : 반사필름을 위로 하고 그 안쪽에 연질필름이나 부직포를 이용하여 커튼을 치는 것이 좋다.
-다중피복 : 멀칭+터널+보온피복+커튼+외피복.
-열절감률은 장파방사의 투과율에 의해 결정된다. 짚과 거적은 열절감률이 가장 우수한 보온자재 중의 하나이다.
짚과 거적 외면피복(65%)＞알루미늄증착 필름 일중커튼(55%)＞PE필름 이중커튼(45%)＞부직포 일중커튼(30%)
·커튼 피복재의 보온성과 방열계수(kcal/m²/h/℃)…방열계수가 높을수록 보온이 잘 안됨.

·이중시설
-두 시설의 피복재간 간격 : 10~20cm.
-광투과성을 고려, 10cm가 실용적.
·방풍벽의 설치
-방풍벽 설치로 풍속이 낮아지면 시설의 자연환기율이 낮아져 기온의 상승은 1~2℃, 증발량은 20~30%까지 감소시키는 효과.
-실용적 방풍벽 높이 4~5m.
·자연열 이용-축열물주머니
-축열물주머니(PE튜브) : 기온 2.4℃, 지온 3.4℃ 상승. 너비 30~45cm, 두께 0.08~0.1mm.
·자연열 이용-지중축열하우스
-지중축열장치 : 노지일사량의 25% 축열, 시설 내 투과일사량의 50% 축열. 기온 12℃, 지온 1~3℃ 상승.
·자연열 이용-수막하우스
-시설 내 간이하우스 또는 완전 밀폐형 커튼을 씌우고 그 위에 밤 동안 10℃ 이상의 지하수를 뿌려 얇은 수막을 형성하
게 함으로써 보온효과를 극대화하는 시설.
-지하수가 풍부하고 수질이 좋으며, 수온은 10℃ 이상 유지해야 한다.
-효과의 예 : 지하수(13℃)/시설 10a/1분당 180L/외기온 ­8℃, 실온 6℃ 유지.
-외기온보다 14°C 이상 높은 기온을 유지할 수 있고, 난방비를 75% 이상 절감할 수 있음.
4.시설의 난방
·난방설계-난방의 기본요건
-충분한 난방용량.
-저렴한 난방비용.
-균일한 온도 분포.

-설비로 인한 차광 최소화.
-정확한 온도조절과 안정성 유지.
·난방부하 : 난방부하는 실외로 방출되는 열량 가운데 난방설비로 충당하지 않으면 안 되는 열량을 말한다. 난방부하는
최대난방부하와 기간난방부하로 나뉨.
(1)최대난방부하(가장 추울 때)
-난방용량은 어떠한 기상조건에서도 시설 내 작물의 정상적인 생육을 유지할 수 있어야 하므로 재배기간 중 기온이 가장
낮은 시간대의 난방부하인 최대난방부하를 지표로 난방설비 용량을 결정한다.
-열손실 : 환기전열량-틈새 통과, 지중전열량-토양과 열 교환, 관류열량-피복재 통과(60% 이상, 경우에 따라서는
100%를 차지하기도 함).
·최대난방부하 계산
-최대난방부하는 시설의 열손실량 (환기전열량, 지중전열량, 관류열량) 또는 난방부하계수를 이용하여 계산한다

·최대난방부하를 이용한 난방기용량 결정

보정계수	적용조건
1.05~1.1	두상배관난방
1.05	주위배관난방
1.0~1.1	무덕트방식온풍난방
1.0	고랑사이배관난방
0.9~1.0	덕트방식온풍난방

·하루 중 난방부하

난방적산온도

(2)기간난방부하
-난방을 하는 일정 기간 동안의 난방부하. 즉, 시설 내에서 작물이 재배되고 있는 기간에 설정온도를 유지하기 위하여
투입해야 될 총열량을 말하는데 이것은 연료소비량을 예측하는 데 중요한 지표로 활용될 수 있다.
-기간난방부하는 난방부하를 계산하는 식에서 난방기간 중의 실내외 온도차를 적산한 난방적산온도를 도출하고, 여기에
평균난방부하를 넣어 계산할 수가 있다.

기간난방부하

난방연료소비량

·난방설비
①난로난방
-장점 : 가장 단순하다. 시설비가 싸다.
-단점 : 열 이용효율면이나 관리적인 측면에서 자동화가 불가능, 가스장해를 받기 쉽다, 고온과 건조장해를 받기 쉽다(온
도 분포가 불균일), 연료의 제거 및 교환 등 관리작업의 어려움.
-적용 : 국부난방, 소규모 시설이나 보조난방(보온).
②온수난방
-70~110℃의 온수를 순환시켜 시설 내에 설치한 파이프나 방열기로부터 방산되는 열을 이용.
-장점 : 정지 후 보온성이 높음, 급격한 온도변화 없음, 내구성이 크며 지중가온도 가능.
-단점 : 예열시간이 길다, 시설비가 비싸다, 파이프 동결·파손 위험이 있음.
-적용 : 과채류, 절화류 등 같은 고급작물을 재배하는 온실과 대규모 시설.
③온풍난방
-공기를 직접 가열하는 방식으로서 난방기 연소실의 표면에서 가열된 공기를 시걸 내로 불어내 플라스틱필름 덕트를 통
하여 시설 내 전체에 온풍이 고르게 퍼지도록 하는 난방.
-장점 : 설치하기 용이하다, 온수난방기나 증기난방보다 저렴하다, 예열시간이 빠르고 배관이 필요 없다, 난방효율이 온
수난방이나 난로난방보다도 높다.
-단점 : 실내공기 건조 우려, 예비열원의 확보 필요.
④지열히트펌프
-냉매가 폐회로 내에서 압축, 응축, 팽창, 증발의 4단계를 순환하면서 저온의 열을 흡수하여 고온으로 전달하거나 고온의
열원을 저온으로 전달하는 냉난방장치.
-축열조가 없이 지하수를 히트펌프로 공기로 전환하여 냉난방하는 물-공기형 또는 축열조가 없이 지하수를 히트펌프로
온도변환하여 물로 냉난방하는 물-물형.
-축열조가 있는 물-물형.
⑤소형 열병합발전시스템 난방
-열병합발전시스템 : 열+전기+연소가스. 열→온수난방, 전기→온실보광, 연소가스→이산화탄소 공급.
·난방비 절감대책
-온도관리(주야간 변온관리), 방열 억제(시설로부터 빠져 나가는 열량을 줄이는 것, 시설의 연동화, 다중피복, 복층판의
이용, 방풍벽의 설치), 난방효율 향상(난방기 연소효율 증대, 온도조절장치 도입), 지중열 유입(낮 동안 태양열 축열시키
는 것, 환기 억제, 멀칭 등에 의한 상면증발량 억제), 대체에너지 사용(태양에너지와 지하의 열수 활용).
5.시설의 환기
·의의 : 온도조절(실온을 낮춤), 습도조절, 이산화탄소 공급, 유해가스 배출.

·환기량과 환기율
-환기량 : 단위 시간당 환기에 의한 외부공기의 유입량.
환기량=환기율(m³/m²/h)×바닥면적(m²)=환기횟수(회/h)×시설용적(m³)
-환기율 : 환기량을 시설의 바닥면적으로 환산한 것(시설 내 온도, 열수지와 관련).
환기율(m³/m²/h)=환기량/바닥면적
-환기횟수 : 환기량을 시설용적으로 환산한 것(단위시간 및 시설용적당 대기의 유입량을 뜻하는 것으로 이산화탄소농도
나 습도 문제와 관련). 환기횟수(회/h)=환기량/시설용적.
·환기의 종류
①자연환기
-시설의 천창이나 측창을 이용하여 환기하는 방식. 환기효율이 낮고 균일하지 않다.
-환기창의 표면적 : 전체 시설 표면적의 15%.
-풍력환기 : 외부바람에 의해 생기는 풍압력.
-중력환기 : 실내외 온도차에 의하여 생기는 환기력.
②강제환기
-환기효율이 큰 환풍기와 유공덕트를 이용하여 환기하는 방식.
·강제환기의 특징
-환기량은 환풍기의 대수, 흡배출구의 위치와 면적에 따라 변한다.
-공기의 흡입구로부터 배출구까지 온도의 구배가 생긴다(흡입구는 온도가 낮고, 배출구는 높음).
-환풍기의 그림자로 인하여 실내의 투과광량이 감소한다.
-환풍기의 사용에 따른 소음, 전기료, 정전 시 대책 등이 문제가 된다.
6.시설의 냉방
·의의 : 시설의 주년 이용, 산물의 품질 향상, 계획생산과 출하, 유입공기의 정화, 해충 발생의 억제, 작업환경의 개선.
-냉방법은 주로 간이냉방법으로써 기화냉방법과 보조냉방법을 이용하고 있으며, 규모화된 온실을 중심으로 지열히트펌프를
이용한 냉방법이 도입되고 있다. 보조냉방법에는 지붕분무, 작물체분무, 차광, 옥상유수, 열선흡수유리 등의 방법이 있다.
(1)기화냉방법
-물이 기화되면서 공기는 냉각되는데, 이 냉각된 공기를 시설 내로 유입시켜 실내온도를 낮추는 것.
·기화냉방에서의 냉방효율
-공기+물→공기는 냉각, 물은 기화(증발), 공중습도 상승.
-냉각효율 : 실외(유입)공기의 건구온도-실내(유출)공기의 건구온도×100.
-냉각효율 : 실외(유입)공기의 건구온도-실외(유입)공기의 습도온도.
-건구와 습도온도 차가 크면 공중습도가 낮을수록 커진다.
-냉각장치가 우수하여 실내유입공기의 온도를 낮추어야 한다.
·기화냉방법의 종류
-공기 냉각에 젖은 패드, 미스트, 포그를 이용할 수 있으며, 이에 따라 기화냉방법의 종류가 결정된다. 팬은 실내공기를
밖으로 배출시켜 외부의 공기를 유입시키는 역할을 한다.
-팬앤드패드 방법, 팬앤드미스트 방법(물방울 0.1mm 내외), 팬앤드포그 방법(물방울 0.05mm(50㎛) 내외)
①팬앤드패드 방법(fan and pad method)
-온실의 한쪽 벽에 패드를 설치하고 패드 사이로 물을 흘려 보낸다.
-반대쪽 벽에 풍압형 환풍기를 설치하여 실내 공기를 밖으로 배출시킨다.
-외부공기가 패드를 통과하면서 냉각되어 유입된다.
-물의 소비량이 적고 내구연한이 길다.
-전력이 많이 소모되지 않는다.
-환풍기 설치에 비용이 많이 소요되고 패드에 의한 차광이 생기며 실내의 온도 구배가 생기는 단점.

②핸앤드미스트 방법(fan and mist method)
-온실의 한쪽 벽에 설치된 분무실의 노즐에서 분사된 지름 0.1mm 이하인 물방울 입자, 즉 미스트가 실내에서 증발되고
반대쪽 벽에 설치된 환기팬에 의해서 외부로 배출된다.
③팬앤드포그 방법(fan and fog method, 세무냉방법)
-시설의 벽면에 흡기창을 만들고 여기에 세무를 분무하는 노즐을 장치하고 용마루에 잇대어 풍량형 환풍기를 설치하여
실내공기를 뽑아내면 외부공기가 이 흡기창을 통하여 유입된다.
-지름 0.05mm(50㎛)의 세무가 시설 내로 유입되고 실내공기 냉각(속도 : 0.3m/s)
(2)보조냉방법의 종류
-분무냉방법 : 지붕분무, 식물체분무.
-차광 : 발, 한냉사.
-옥상유수 : 지붕면 냉각.
-열선흡수유리 : 적외선(열선) 흡수