본 연구는 4연동 벤로형 유리온실의 냉·난방 부하를 고려한 PV 시스템의 적정 패널 설치 면적을 도출하기 위하여 BES 기법을 이용하여 온실 및 PV 시스템의 에너지 모델을 설계하였으며 동적 에너지 시뮬레이션을 수행하였다. 대상 작물은 파프리카로 선정하였으며 작물의 적정생육온도를 고려하여 냉·난방장치 및 환기장치의 가동조건을 설정하였다. 2012년부터 2016년까지 총 5년 동안의 기간별 냉·난방부하 및 최대 냉·난방 부하를 환 기팬의 환기량 조건 별로 분석을 실시하였다. 온실의 냉 ·난방 부하 산정과 함께 PV 시스템의 설치 각도에 따른 전력 생산량을 분석하였으며 신재생에너지 공급의무비율을 적용하여 최적 PV 시스템 설계 방안을 도출하였다. 환기팬의 환기량 60AE·hr-1 조건에서 대상 온실의 기간 평균 냉방 부하로 인한 전력 소모량은 174,310kWh, 기간 평균 난방 부하로 인한 전력 소모량은 458,903kWh 로 총 633,213kWh의 전력 소모량이 산정되었다. PV 시스템은 설치 각도를 30o로 설정하는 조건에서 가장 높은 전력 생산량이 나타났으며 월별 최적 각도를 적용하는 조건에서는 고정형 PV 시스템보다 약 5.7% 많은 전력 을 생산하는 것으론 산정 되었다. 최종적으로 대상 온실에 적합한 PV 시스템 패널 면적을 도출한 결과, 고정형 PV 시스템은 521m2의 패널이 필요한 것으로 산정되었고, 가변형 PV 시스템의 경우 494m2의 패널이 필요한 것으로 산정되었다. 본 연구를 통하여 4연동 벤로형 유리온실의 냉·난방 부하를 고려한 PV 시스템의 필요 패널 설치 면적을 도출할 수 있었으며 PV 시스템의 온실 적용 가능성 및 경 제성 평가의 기초 자료로 활용 가능할 것으로 판단된다. 한편, 본 연구에서는 작물 특성 데이터를 확보하지 못하여 작물의 에너지 교환을 고려하지 않았다. 보다 정확한 결과를 도출하기 위해서는 현장 실험 데이터에 기반을 둔 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

본 연구에서는 BES 기법을 활용하여 온실을 대상으로 실시간 에너지교환 시뮬레이션 모델 개발 및 검증을 수행하고 냉·난방부하 산정 및 경향성을 분석하였다. 우선 BES 기법과 현장실험을 기반으로 온실의 실시간 에너지 교환 모델을 개발하였다. 광흡수율, 엽면적지수, 잎 특성 길이 등 대상작물인 애플망고의 특성 값들과 온실 내부 이산화탄소 농도, 광량, 온도 등 실시간 입력 자료를 고려하여 작물 및 토양의 에너지교환을 구현하였다. 모델의 검증은 온실 내부 기온으로 수행하였으며 실측 내부 기온과 연산된 내부 기온 간의 결정계수, 일치도로 평가 하였다. 내부 기온 비교는 결정계수 0.89, 일치도 0.93으로 높은 유사성을 확인하였으며 모델의 유의성을 판단하였다. 개발한 모델과 2005년부터 2014년까지의 기상자료, 대상작물의 생육단계별 적정생육온도를 이용하여 대상온실의 냉·난방부하 산정하였다. 연도별 냉·난방부하산정 및 경향성을 파악하였으며 최대 냉·난방부하 산정을 통하여 대상온실의 냉·난방장치 용량설계의 기초자료를 확보하였다. 최근 10년 치 기상자료를 통하여 평균 최대 난방부하 525,473 kJ·hr-1, 평균 최대냉방부하 630,870 kJ·hr-1가 산정되었으며 대상 온실에 지열, 온배수, 태양열 등 신재생에너지를 활용할 경우 유용하게 활용될 것으로 판단된다. 본 연구를 통하여 온실 내 각 구성요소 간의 실시간 에너지교환을 모의할 수 있었으며 추후 온배수 활용을 위한 저류조, 히트펌프, 축열조 등의 설비를 구현함에 따라 전반적인 냉·난방 시스템의 구현 가능성을 확인하였다. 또한 동적 해석방법을 통하여 재배작물, 생육단계 및 토양을 고려하였으며 온실 에너지교환 모델에 다양한 형태로 적용 가능할 것으로 판단된다.

오하이오 중부에서 풍속이 0.5m.s-1인 경우는 매우 드물었으며, 5년 평균 풍속은 약 2.5 m.s-1인 것으로 나타났다. 최고 기온이 35t인 오하이오주의 대표적인 여름에 온실 내의 여섯 곳에서 측정된 기온의 최대범위는 1.7℃, 온실 내외 기온의 최대차는 3.5℃인 것으로 나타났다. CFD 모델에서의 온도 분포를 분석한 결과, 온실의 환기 회수가 0.9 회/분 이상일 때 실내 공기가 외부 기온을 2.8℃이상 초과하는 경우는 없었던 것으로 예측되었다. 풍향과 풍속에 따라서 각각의 환기구들의 효율성이 영향을 받는 것으로 나타났으며, 특히 환기창을 통해 유입되는 강한 바람에 의하여 발생하는 공기의 소용돌이들은 지붕창들의 효율성에 많은 영향을 미치는 것으로 예측되었다. CFD model은 서쪽에서와 동쪽에서 불어오는 바람이 각각 2.1 m.s-1와 3.5 m.s-1이상일 때 이 연동형 온실은 적정한 자연 환기량을 취할 수 있다고 예측하였다. 측면창 바로 옆에 위치한 식물군과 벤취에 의해 측면창을 통한 자연적인 공기의 유입이 방해를 받기 때문에, 바람이 서쪽에서 불어올 때 식물군이 없을 때보다 평균 12%의 환기량의 감소 결과를 가져오는 것으로 예측되었다. 식물군은 공기의 유입창의 위치보다 약간 낮은 곳에 위치하여야 하며, 유입창을 너무 높이 설치하면 측면창을 통해 유입되는 공기는 가장 근접한 지붕창을 통해 대부분이 배출되는 것으로 예측되었다. 연동형 자연환기식 온실에 있어서 바람이 불어오는 쪽의 측면창들과 바람의 반대쪽을 향한 지붕창들의 혼합형이 가장 효율적인 온실 설계인 것으로 예측되었다.