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ISSN : 2288-0992(Print)
ISSN : 2288-100X(Online)
Protected Horticulture and Plant Factory Vol.27 No.3 pp.269-275
DOI : https://doi.org/10.12791/KSBEC.2018.27.3.269

Analysis of Outdoor Design Temperatures for Heating and Cooling Greenhouses Based on Annual Percentiles

Sang-Woon Nam*, Hyun-Ho Shin
Department of Agricultural and Rural Engineering, Chungnam National University, Daejeon 34134, Korea
Corresponding author: swnam@cnu.ac.kr
June 18, 2018 July 5, 2018 July 5, 2018

Abstract


In order to establish the criterion for analyzing outdoor weather conditions in the greenhouse heating and cooling system design, we analyzed heating and cooling design outdoor temperatures by the annual percentile method and compared with design outdoor temperatures by the existing seasonal percentile method. In the annual percentile method, 0.4%, 1% and 2% of the total 8,760 hours per year are presented as cooling design outdoor temperatures and 99.6% and 99% as heating design outdoor temperatures. When the annual percentile method was adopted, heating design outdoor temperatures increased by 6.7 to 9.6% compared with the seasonal percentile method, and cooling design outdoor temperatures decreased by 0.6 to 1.1%. The maximum heating load in the same greenhouse condition decreased by 3.0 to 3.6% when the annual percentile method was adopted, but the effect on the maximum cooling load was insignificant. Therefore, it is necessary to consider the change of heating design outdoor temperatures to the annual percentile method, but it is not necessary to change the cooling design outdoor temperatures since there is little difference between the two methods.



연간 백분위 방식에 의한 온실 냉난방 설계기온의 분석

남 상운*, 신 현호
충남대학교 지역환경토목학과

초록


    Chungnam National University

    서 론

    시설재배에서 환경설비의 용량 부족은 혹한기 또는 혹 서기에 작물의 생육에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 또한 설비용량의 과대설계는 설치비 면에서 비경제적일 뿐만 아니라 에너지의 효율적 이용측면에서도 불리하므 로 적정 설비용량의 결정은 매우 중요하고, 따라서 기상 자료의 선택은 매우 신중을 기하여야 한다. 온실의 냉난방 시스템 설계 시, 미국은 ASHRAE(미국공조학회)의 TAC (Technical Advisory Committee) 2.5%(냉방), 99%(난방)의 설계기온을 적용하고 있으며(Lindley와 Whitaker, 1996; ASABE, 2008), 일본은 10년 빈도의 설계기온을 적용하 고 있다(JGHA, 2007).

    우리나라는 명확한 기준 없이 위험률별(1, 2.5, 5, 10%) 설계기온을 적용해 오다가(Kim 등, 1997), 최근 ASHRAE의 TAC방법으로 분석한 설계용 외부기상조건 이 제공되고 있다(NAAS, 2015; Nam과 Shin, 2016). 미 국농공학회에서 기준으로 채택하고 있는 TAC 방식 (ASABE, 2008)과 국내에서 적용하고 있는 방식(NAAS, 2015; Nam과 Shin, 2016)은 동일한 분석 방법을 사용하 고 있다. 난방 설계기온은 12월에서 2월까지 1년 기준 총 2,160시간의 백분위수 99%, 97.5%를 기준으로 분석 된 자료이며 일반적으로 99% (위험률 1%)의 값을 난방 설계에 적용한다. 냉방 설계기온은 6월에서 9월까지 1년 기준 총 2,928시간의 백분위수 1%, 2.5%, 5%를 기준으 로 분석된 자료이며 일반적으로 2.5%의 값을 냉방설계 에 적용해 왔다(Spitler, 2010; SAREK, 2011).

    한편, ASHRAE(2013)에 의하면 설계용 기상조건이 계 절별 백분위수 1%, 2.5%, 5%(냉방), 97.5%, 99%(난방) 에서 1년 총 8,760시간의 백분위수로 냉방은 0.4%, 1%, 2%, 난방은 99.6%, 99%를 사용하는 것으로 개정되었으 며, 미국농공학회(ASABE)에서도 온실의 냉난방 설계기 준 개정을 위한 논의가 진행되고 있는 것으로 전해지고 있다. 최근 우리나라 기후변화를 살펴보면 10월까지도 늦더위가 발생하고, 11월에는 조기 한파가 찾아오는 등 전형적인 계절 변화에 이상이 감지되고 있다. 따라서 냉 난방 설계용 기상자료를 하절기 6, 7, 8, 9월, 동절기 12, 1, 2월로 설정한 계절별 자료 분석에 의한 위험률별 설계기준 작성 방법에 대한 검토가 필요하다.

    또한 기후변화로 인하여 최근 여름철 폭염이나 겨울철 한파 또는 이상고온 현상이 자주 발생하고 있으므로 주 기적인 설계용 기상자료의 분석이 필요하고, 최소한 10 년 주기로 설계기준을 개정할 필요가 있는 것으로 생각 된다. 앞선 연구(NAAS, 2015; Nam과 Shin, 2016)에서 는 현재 기후평년값 기준인 1981년부터 2010년까지의 기상자료를 분석하였으나 이 기준이 1991년부터 2020년 까지로 바뀌는 2021년 이후에는 즉시 이 기간의 기상자 료를 분석하여 새로운 설계기준으로 제공해야 할 것이다. 이를 위해서는 설계용 기상자료 분석 기준이 정립되어야 할 필요가 있다.

    따라서 본 연구에서는 온실 냉난방시스템 설계용 외부 기상조건의 분석 기준을 설정하기 위하여 ASHRAE의 연간 백분위 방식에 의한 냉난방 설계기온을 분석하고, 기존의 계절 백분위 방식에 의한 설계기온과 비교 검토 하여 개선방안을 제시하고자 한다.

    재료 및 방법

    기상청으로부터 국내 기상관측소 전체 78개 지점의 기 상자료를 수집하였다. 현재 기후평년값 기준인 1981 ~2010년까지의 30년간 매 시각 기상자료를 사용하여 분 석하였다(KMA, 2013). Nam과 Shin(2016)의 계절별 백 분위 방식과 직접 비교하기 위하여 동일한 기상자료를 사용하였으며, 1999년 이전 자료 중 일부지역의 온습도 는 3시간 간격으로 제공되므로 이들은 스프라인 보간법 으로 시각별 온습도를 추정하여 사용하였다.

    설계용 기상조건은 표준기상데이터를 이용하여 구하는 것이 합리적이지만, 국내에는 7개 지역만 표준기상데이 터가 제공되고 있어 국내 전 지역을 대상으로 설계 자 료를 작성하는 것이 불가능하다(KSES, 2013). Nam 등 (2014)은 표준기상데이터가 제공되는 7개 지역을 대상으 로 분석한 결과 30년간의 기상자료를 이용하여 구한 평 균값이 표준기상데이터로 구한 결과와 잘 일치하는 것으 로 보고하였으며, 또한 Nam과 Shin(2016)도 30년간의 전체 기상자료를 이용하여 설계용 기상조건을 구하고, 전체 자료기간의 평균값을 설계기준으로 제시하고 있다. 따라서 본 연구에서도 동일한 방법으로 30년간의 전체 기상자료를 이용하여 설계용 기상조건을 구하고, 전체 자료기간의 평균값을 분석에 사용하였다.

    본 연구에서는 미국공조학회에서 기준으로 채택하고 있는 연간 백분위 방식을 설계용 기상조건의 분석방법으 로 설정하였다. 연간 백분위 방식은 1년 기준 총 8,760 시간의 백분위수 0.4%, 1%, 2%를 냉방 설계기온으로, 99.6%, 99%를 난방 설계기온으로 사용하는 것이다 (ASHRAE, 2013).

    기존의 계절별 백분위 방식에서 냉방 설계기온은 하절 기 백분위수 1%, 2.5%, 5%를 사용하였으나 연간 백분 위 방식에서는 0.4%, 1%, 2%를 사용하므로 이들을 직 접 비교하였다. 또한 난방 설계기온은 동절기 백분위수 99%, 97.5%를 사용하였으나 연간 백분위수 99.6%, 99%를 사용하므로 이들도 직접 비교 분석하였다.

    결과 및 고찰

    1 난방설계용 외기온

    연간 백분위 방식으로 분석한 온실의 난방 설계 외기 온은 Table 1과 같다. 온실의 난방설계 기준은 연간 백분 위수 99.6%의 외기온을 사용할 것을 추천하고 있으나, 온실의 투자수준이나 재배 작물의 부가가치에 따라 연간 백분위수 99%의 값을 사용할 수도 있을 것으로 판단된 다. 본 연구에서는 기상관측소가 있는 국내 78개 지역의 기상자료를 모두 분석하였으나 여기서는 지면관계상 시 설원예 면적이 많은 순으로 50개 지역만 표시하였다.

    연간 백분위수 99.6%의 난방설계 외기온을 살펴보면 제주가 0.4°C로 가장 높고, 철원이 -16.8°C로 가장 낮았 다. 연간 백분위수 99%의 난방설계 외기온은 99.6%에 비하여 0.9~2.1°C(평균 1.7°C) 높은 것으로 나타났다. 온 실의 규모와 자재 특성이 동일한 것으로 가정하면 최대 난방부하는 실내외 기온차에 비례한다(Shin과 Nam, 2015). 난방 설정온도를 16°C로 한 경우의 최대난방부하 를 비교해 보면, 연간 백분위수 99.6%에서 철원은 제주 에 비하여 최대난방부하가 2.1배 큰 것으로 나타났다. 연간 백분위수 99%의 설계 외기온을 채택할 경우 99.6%에 비하여 최대난방부하는 평균 6.2% 줄어드는 것 으로 나타났다.

    Fig. 1과 Fig. 2 및 Table 2는 연간 백분위 방식과 계 절 백분위 방식으로 분석한 난방설계 외기온을 비교하여 나타낸 것이다. 연간 백분위수 99.6%의 설계 외기온과 겨울철 백분위수 99%의 설계 외기온을 비교하면 Fig. 1 에서와 같이 온도가 낮을수록 편차가 커지는 것을 볼 수 있으며, Table 2에서와 같이 연간 백분위수 99.6%의 값이 0.4~1.3°C(평균 0.8°C) 높은 것으로 나타났다. 연간 백분위수 99.6%의 값을 사용할 경우 겨울철 백분위수 99%에 비하여 난방설계 외기온은 6.7% 상승하는 것으 로 분석되었다. 앞에서와 동일한 방법으로 온실의 최대 난방부하를 비교해 보면 연간 백분위수 99.6%의 값을 사용할 경우 기존의 겨울철 백분위수 99%에 비하여 약 3% 정도 감소하는 것으로 나타났다.

    연간 백분위수 99%의 설계 외기온과 겨울철 백분위수 97.5%의 설계 외기온을 비교하면 Fig. 2에서와 같이 온 도가 낮을수록 편차가 커지는 것을 볼 수 있으며, Table 2에서와 같이 연간 백분위수 99%의 값이 0.5~1.4°C(평 균 1.0°C) 높은 것으로 나타났다. 연간 백분위수 99%의 값을 사용할 경우 겨울철 백분위수 97.5%에 비하여 난 방설계 외기온은 9.6% 상승하는 것으로 분석되었다. 앞 에서와 동일한 방법으로 온실의 최대난방부하를 비교해 보면 연간 백분위수 99%의 값을 사용할 경우 기존의 겨울철 백분위수 97.5%에 비하여 약 3.6% 정도 감소하 는 것으로 나타났다.

    연간 백분위 방식을 채택할 경우 계절 백분위 방식에 비하여 전체적으로 난방설계 외기온은 6.7~9.6% 상승하 는 것으로 나타났으며, 동일한 온실 조건에서 최대난방 부하는 연간 백분위 방식을 채택할 경우 기존의 계절 백분위 방식에 비하여 약 3.0~3.6% 정도 감소하는 것으 로 분석되었다.

    2 냉방설계용 외기온

    연간 백분위 방식으로 분석한 온실의 냉방 설계 외기 온은 Table 3과 같다. 온실의 냉방설계 기준은 연간 백 분위수 1%의 외기온을 사용할 것을 추천하고 있으나 온 실의 투자수준이나 재배 작물의 부가가치에 따라 연간 백분위수 0.4% 또는 2%의 값을 사용할 수도 있으므로 Table 3에 이들을 모두 정리하였다.

    연간 백분위수 1%의 냉방설계 외기온을 살펴보면 대구 가 32.6°C로 가장 높고, 장수가 28.8°C로 가장 낮았다. 연 간 백분위수 0.4%의 냉방설계 외기온은 1%에 비하여 0.7~1.4°C(평균 1.2°C) 높았고, 연간 백분위수 2%의 냉 방설계 외기온은 1%에 비하여 0.8~1.5°C(평균 1.2°C) 낮은 것으로 나타났다.

    Fig. 3에서 Fig. 5 및 Table 4는 연간 백분위 방식과 계절 백분위 방식으로 분석한 냉방설계 외기온을 비교하 여 나타낸 것이다. 연간 백분위수 0.4%의 설계 외기온 과 여름철 백분위수 1%의 설계 외기온을 비교하면 Fig. 3과 같이 거의 차이가 없는 것을 볼 수 있으며, Table 4 와 같이 연간 백분위수 0.4%의 값이 0.1~0.2°C(평균 0.2°C) 낮은 것으로 나타났다. 연간 백분위수 0.4%의 값 을 사용할 경우 여름철 백분위수 1%에 비하여 냉방설계 외기온은 0.6% 하강하는 것으로 분석되었다.

    연간 백분위수 1%의 설계 외기온과 여름철 백분위수 2.5%의 설계 외기온을 비교하면 Fig. 4에서와 같이 거의 차이가 없는 것을 볼 수 있으며, Table 4에서와 같이 연 간 백분위수 1%의 값이 0.2~0.4°C(평균 0.3°C) 낮은 것 으로 나타났다. 연간 백분위수 1%의 값을 사용할 경우 여름철 백분위수 2.5%에 비하여 냉방설계 외기온은 0.8% 하강하는 것으로 분석되었다.

    연간 백분위수 2%의 설계 외기온과 여름철 백분위수 5%의 설계 외기온을 비교하면 Fig. 5와 같이 거의 차이 가 없는 것을 볼 수 있으며, Table 4와 같이 연간 백분 위수 2%의 값이 0.2~0.5°C(평균 0.3°C) 낮은 것으로 나 타났다. 연간 백분위수 2%의 값을 사용할 경우 여름철 백분위수 5%에 비하여 냉방설계 외기온은 1.1% 하강하 는 것으로 분석되었다.

    온실의 냉방부하는 유입 일사량에서 피복재의 관류열 량, 환기전열량 및 증발산 소비열량을 빼면 된다. 증발 산 소비열량은 유입 일사량의 0.5~0.6 정도이고, 관류열 량과 환기전열량은 온실의 규모와 자재 특성 및 환기율 이 동일한 경우 실내외 기온 차에 비례한다(Nam 등. 2015). 동일한 조건에 동일한 규모의 온실에서 최대냉방 부하를 검토한 결과, 온실의 냉방부하에 미치는 영향은 외기온 보다 일사량이 훨씬 크고, 특히 차광을 하지 않 을 경우에는 일사부하가 대부분을 차지하는 것으로 보고 하였다(Nam과 Shin, 2016).

    연간 백분위 방식을 채택할 경우 계절 백분위 방식에 비하여 전체적으로 냉방설계 외기온은 0.6~1.1% 하강하 는 것으로 나타났으며, 동일한 온실 조건에서 최대냉방 부하에 미치는 영향은 미미한 것으로 분석되었다.

    이상을 종합하면 난방설계 외기온은 계절 백분위 방식 에서 연간 백분위 방식으로의 변경에 대하여 고려할 필 요가 있지만, 냉방설계 외기온은 두 방법 간의 차이가 거의 없으므로 아직까지 분석방법의 변경이 필요하지는 않은 것으로 판단된다. 전체적으로 현재의 계절 백분위 방식으로 분석한 설계 외기온을 사용하여도 큰 문제가 없을 것으로 생각되며, 추후 장기적으로 외기온 이외의 다른 기상요인에 대하여도 심층적인 분석과 검토를 통하 여 설계기준 개정 시 반영할 필요가 있을 것으로 판단 된다.

    적 요

    온실 냉난방시스템 설계용 외부기상조건의 분석 기준 을 설정하기 위하여 연간 백분위 방식에 의한 냉난방 설계기온을 분석하고, 기존의 계절 백분위 방식에 의한 설계기온과 비교 검토하였다. 우리나라 전 지역을 대상 으로 현재 기상청에서 제공하는 기후평년값 기준 30년 간의 매 시각 기상자료를 분석에 사용하였다. 표준기상 데이터의 이용이 제한적이기 때문에 전체 기상자료를 이 용하여 매년 설계용 기상조건을 구하고, 전체 자료기간 의 평균값을 분석에 사용하였다. 연간 백분위 방식으로 1년 기준 총 8,760시간의 백분위수 0.4%, 1%, 2%를 냉 방 설계 외기온으로, 99.6%, 99%를 난방 설계 외기온으 로 제시하였다. 연간 백분위 방식을 채택할 경우 계절 백분위 방식에 비하여 전체적으로 난방설계 외기온은 6.7~9.6% 상승하는 것으로 나타났으며, 냉방설계 외기온 은 0.6~1.1% 하강하는 것으로 나타났다. 동일한 온실 조 건에서 최대난방부하는 연간 백분위 방식을 채택할 경우 기존의 계절 백분위 방식에 비하여 약 3.0~3.6% 정도 감소하는 것으로 나타났고, 최대냉방부하에 미치는 영향 은 미미한 것으로 분석되었다. 따라서 난방설계 외기온 은 연간 백분위 방식으로의 변경에 대하여 고려할 필요 가 있지만, 냉방설계 외기온은 두 방법 간의 차이가 거 의 없으므로 아직까지 변경할 필요는 없는 것으로 판단 된다. 전체적으로 현재의 계절 백분위 방식으로 분석한 설계 외기온을 사용하여도 큰 문제는 없을 것으로 생각 되지만, 기후변화의 영향을 고려하여 주기적인 설계용 기상자료의 분석 및 설계기준의 개정이 필요하고, 현재 의 기후평년값 기준연도가 바뀌는 2021년 이후에는 이 기간의 기상자료를 분석하여 새로운 설계기준으로 제공 해야 할 것이므로, 그 때 연간 백분위 방식에 대한 전문 가 그룹의 검토를 통하여 반영할 필요가 있을 것으로 판단된다.

    추가 주제어: 겨울설계온도, 계절백분위, 설계기준, 여름 설계온도, 외부기상조건

    사 사

    본 연구는 2017년도 충남대학교 CNU 학술연구비 지 원에 의해 이루어진 것임.

    Figure

    KSBEC-27-269_F1.gif

    Comparison of design outdoor temperature of annual 99.6% and winter 99% for greenhouse heating.

    KSBEC-27-269_F2.gif

    Comparison of design outdoor temperature of annual 99% and winter 97.5% for greenhouse heating.

    KSBEC-27-269_F3.gif

    Comparison of design outdoor temperature of annual 0.4% and summer 1% for greenhouse cooling.

    KSBEC-27-269_F4.gif

    Comparison of design outdoor temperature of annual 1% and summer 2.5% for greenhouse cooling.

    KSBEC-27-269_F5.gif

    Comparison of design outdoor temperature of annual 2% and summer 5% for greenhouse cooling.

    Table

    Design outdoor temperatures for greenhouse heating by annual percentiles. (unit; °C)

    Design outdoor temperature difference between annual percentiles and winter seasonal percentiles.

    Design outdoor temperatures for greenhouse cooling by annual percentiles. (unit; °C)

    Design outdoor temperature difference between annual percentiles and summer seasonal percentiles.

    Reference

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