서 론

최근 10년간(2011－2022) 기상으로 인한 과수 피해면적은 221,816ha로 서리 152,791ha, 강풍·태풍 33,006ha, 우박 23,694ha, 가뭄·폭염 7,730ha, 대설 2,657ha, 호우 1,827ha 순으로 나타나 있다(KMA, 2011－2022). 과원에서의 강풍·태풍 피해 저감을 위한 방풍네트의 특성, 방풍 효과에 대한 연구(Huanga과 Wu, 2006; Lien 등, 2019; Yum 등, 2011; Yusaiyin과 Tanaka, 2009) 및 시설 규격 연구(Yum 등, 2007)는 일부 이루어졌으나 저온 피해와 서리를 예방하기 위한 기상재해경감 연구는 미흡한 실정에 있다. 정부에서는 냉해·태풍·폭염을 3대 재해로 보고 재해예방 시설 보급률을 높이려 하고 있으나 2023년 기준 서리를 포함한 냉해 예방시설 보급률은 사과·배 재배면적의 1%, 태풍은 12.2%, 폭염은 15.7% 수준으로 서리 등 냉해 예방시설의 설치 및 보급이 절실한 실정이다(MAFRA, 2024).

서리는 외부 기류에 의해 차가운 공기가 유입될 때 생기는 이류 서리(Advection frost, Wind frost)와 바람이 거의 없는 맑은 추운 날 밤에 기온이 0℃ 이하로 떨어질 때 발생하는 복사 서리(Radiation frost)로 구분된다. 과원에서의 봄 개화기 서리는 품질과 수확량에 가장 크게 영향을 미치는 기상요인으로 유럽에서는 2017년 4월 사과원의 하룻밤 서리 발생으로 이전 7년간의 평균 수확량 대비 78%의 수확량이 감소하였다(Drepper 등, 2021; WAPA, 2018). 서리는 일반적으로 방상팬(Bar-Noy 등, 2019; Hu 등, 2015; Ribeiro 등, 2006), 스프링클러 살수(Hu 등, 2016), 차광스크린(Teitel 등, 1996)과 난방열 등을 개별적 또는 복합적으로 적용하여 예방할 수 있다. 이중 방상팬(Wind machine)은 수목 인근의 저온을 상층부의 따뜻한 공기와 섞어 서리를 예방하는 방법(Perry, 1998; Snyder와 De Melo-Abreu, 2005)으로 기온 역전층이 강할 때 가장 효과적인 것으로 알려져 있다. 기온 역전층의 강도에 따라 다르나 방상팬 작동으로 상하층 공기가 혼합돼 수목 높이의 기온을 포함해 평균 기온을 상승시킨다(Ribeiro 등, 2006).

국내에서 이용되는 방상팬은 크게 기름보일러 등의 난방열을 과원 내 일정 높이에 고정된 팬을 이용해 불어내는 방식, 과원 외곽에 30－40m 간격의 대형 팬을 설치하고 날개를 6－7° 아래쪽으로 향하게 하여 과원 내로 불어내는 방식, 그리고 과원 내에 전기 열선(히터 코일)이 부착된 공기유동팬(Airflow fan)을 상하 높이로 작동시켜 열풍을 토출하는 방식 등으로 구분할 수 있다. 대부분의 방상팬은 임의 각도(최대 360°)로 회전되어 설치 간격과 풍량에 따라 다르나 과원 전반에 기류를 생성하도록 하고 있다.

과원에 설치된 방상팬은 수목 아래의 기온을 상승시키고 수확량을 증대시킨다. 냉기류 정체가 빈번한 안동시 남선면 일원의 사과원에 1994년 5월 90°로 회전하는 직경 1m, 3-날개의 대형 방상팬(DFC-920, Fulta, Japan)을 6.5m 높이에 설치하고 2℃ 이하에서 방상팬이 작동되도록 한 경우, 과원 기온이 0.8－2.5℃(평균 1.6℃) 높아지고 과실 품질과 수량이 증가하였다(RDA, 1994). 1998년 봄에 직경 5.4m, 2-날개(Double blade)의 대형팬(Mecagri 19, Ussel, France)을 10.5m 높이에 설치하고 7° 하향 바람을 토출시킨 결과, 사과원 내 1.5m 높이에서의 기온이 0.3℃ 상승하였고 서리 피해가 시험 기간 중 60%(1999)와 37%(2002) 감소하였다(Ribeiro 등, 2006).

지금까지의 방상팬에 대한 연구는 대부분 대형팬을 대상으로 미기상환경 계측 위주로 이루어져 중형 방상팬과 소형 공기유동팬의 효용성에 관한 연구가 절실하다. 또한 영농현장에서의 봄 개화기 서리 예방을 위한 다목적 공기유동팬의 수요는 증가하고 있으나 이를 뒷받침할 팬의 특성 및 효용성 평가에 대한 연구는 미흡한 실정으로 미기상환경 계측의 한계를 극복하기 위한 다양한 조건에서의 기온 및 기류 해석에 관한 연구가 필요하다. 본 논문은 과원의 기상재해 중 가장 큰 피해 원인인 서리 피해 예방을 위해 일부 과원에서 이용되는 전기 열선 이용 공기유동팬의 기초 자료를 확보하기 위한 목적으로 수평 바람 토출 2단 유동팬을 적용한 경우의 과원 내 공기유동과 기온 분포를 평가하기 위하여 수행하였다.

재료 및 방법

1. 사과나무 모델링

사과나무의 줄기와 가지는 과원 내 유동에 영향을 미치므로 3차원으로 모델링하여 유동저항이 고려되도록 하였다. 실제 나무의 특성들이 포함되도록 ANSYS Space Claim, Design Modeler(2024R1, ANSYS Inc., USA)를 이용하여 한 그루를 3차원으로 모델링하고 열(3.5m × 8칸)과 주간(2m × 16칸)에 반복 배치(153주 = 9 × 17)하여 해석 대상 과원을 구성하였다. 2024년 3월 27일 나무높이 3.7m의 10년생 수준 나무를 선정하고 줄기·가지의 길이와 직경을 측정하였으며 줄기와 큰 가지는 포함하되 유동저항이 미미하고 격자수의 증가로 해석 시간이 과다하게 소요되는 작은 가지는 모델에서 제외하였다(Fig. 1). 줄기·가지의 직경은 위쪽과 끝단으로 갈수록 감소하는 것으로 하였으며 가지는 분기점마다 평균 120° 방향으로 세 개가 기본적으로 분기하는 것으로 하였다. 가지 분기점의 높이차가 큰 경우에는 각각 분기시켰으며 광량 유입 등 재배 상의 이유로 구부러진 중간 가지는 주위 줄기·가지와의 배치를 고려, 이상화하여 처리하였다.

Fig. 1.

A 10-year-old apple tree (Variety: Hongro) used for the tree modeling and its CFD analysis.

2. 해석영역 설정, 격자 생성 및 해석

사과원은 주간 간격 2m와 열 간격 3.5m를 갖는 폭 28m (= 3.5m × 8칸), 길이 32m(= 2m × 16칸)로 농작업 공간까지 포함한 전체 규모는 폭 37m × 길이 39m이다. 과원은 외곽(측면)과 지붕(천장)을 4mm 네트(망)로 모두 둘러싼 형태(이하 ‘지붕형 방풍 시설’)이며 방풍 높이는 5m이다. 네트를 통한 유동저항은 아음속 풍동에 네트를 직각으로 설치하고 유입풍속을 5－30m·s^-1 범위에서 5m·s^-1 간격으로 증가시키면서 측정한 식 (1)의 압력강하 특성값을 이용하였다. 네트를 다공성 매체로 처리하고 식 (2)에 나타낸 Darcy’s law를 이용하여 Permeability와 손실계수를 적용하였다(Yum 등, 2007). 과원을 둘러싸는 외부 유동 영역은 돔(Dome) 형태로 처리하였다(Fig. 2).

Fig. 2.

CFD analysis area and the mesh generation around apple trunks and branches.

여기서, △P는 압력차(압력강하, Pa), P는 압력(Pa), V는 풍속(m·s^-1), μ는 점성계수(kg·m^-1·s^-1), ρ는 공기 밀도(kg·m^-3), K_perm은 Permeability, K_loss는 실험적 손실계수(Empirical loss coefficient), U_i는 i 방향에서의 풍속(m·s^-1), x_i는 i 방향 좌표(m)이다. 나무는 열용량을 가지지 않는 단열로 두었으며 k-ε 난류 모델과 Heat Energy 열전달 모델을 적용하고 ANSYS CFX(2024R1, ANSYS Inc., USA)를 이용하여 3차원 정상상태 유동 해석(CFD)을 수행하였다. 해석영역은 사면체 격자(Tetrahedrons)로 구성하되 네트 영역은 정렬 육면체 격자(Structured hexahedrons)로 구성하였으며 과원 주변부와 줄기·가지 부분은 조밀하게 격자를 생성하였다. 해석에 이용된 격자수는 공기유동팬의 설치 높이별로 다소 상이하나 상·하단 동시 작동 공기유동팬 해석의 경우 41,124,986개의 노드를 이용하였다.

3. 공기유동팬의 특성 시험 및 CFD 경계조건 산정

2kW 전기 열선 부착 직경 400mm × 3-날개의 단일(1단) 공기유동팬(KCF-400, Hyowongreen, Korea)의 출구 풍속과 기온을 3연동 비닐온실과 노지 사과원에서 실측하여 팬의 특성을 조사하였으며 CFD의 경계조건을 설정하였다. 풍속은 열선풍속계(VT210, Kimo, France), 내외부 기온은 온습도 센서(U23-001A, Onset Corp., USA)를 이용하여 계측하였다. 3연동 비닐온실(폭 7m × 측고 3.3m × 동고 5.3m) 내 풍속과 기온은 지면으로부터 1.8m 높이에서 팬의 중앙선을 따라 측정하였다(Fig. 3). 강릉시 왕산면에 소재한 사과원에서 2024년 5월 9일(05:30 a.m.) 풍속과 기온 측정 결과, 외기온 －0.4℃, 과원 내 지표면 기온 0.6℃, 공기유동팬 출구 기온 2.1℃로 계측되었으며(Fig. 4) 계측 당시 사과원은 서리가 내린 상태로 공기유동팬의 해석 대상 시기와 부합된다고 판단돼 측정값을 경계조건으로 적용하되 풍속의 경우 팬의 작동 오류로 바람 토출량이 줄어들어 전날 정상 작동 시(2024.5.8. 19:41 p.m.)의 최고 풍속(4.0m·s^-1)을 출구 풍속으로 적용하였다. CFD 해석 시 팬 블레이드에 의한 바람의 선회는 고려하지 않고 풍향은 지면과 평행하게 토출되는 것으로 하였다.

Fig. 3.

Measurements of wind speed and air temperature for the airflow fan in a plastic greenhouse.

Fig. 4.

Measurements of wind speed and air temperature in the apple orchard (there was radiation frost during the night).

4. 공기유동팬의 풍향 조건

사과나무 주간 중간지점에 공기유동팬을 위치시키고 하단(h1 = 2.15m), 상단(h2 = 3.70m), 그리고 상·하단 동시 작동(h3, 이하 ‘2단’) 등 팬의 높이를 3수준으로 하여 바람이 토출되도록 하였다(Fig. 5). 공기유동팬은 과원 내 5개소에 위치하고 2.15m와 3.70m 높이에서 바람을 개별적으로 또는 동시에 토출할 수 있는 구조로 팬의 높이를 3수준, 풍향 조합을 2수준으로 하여 공기유동팬의 작동에 따른 과원 내 풍속과 기온을 분석하였다. 또한 공기유동팬의 풍향을 두 가지(A, B)로 조합하여 팬 출구를 통해 일정 방향으로 바람이 토출되도록 하였다. 조건 A는 주간 방향으로 바람이 토출되어 식재된 줄기·가지의 유동저항을 직접 받는 상태에서 단일방향으로 부는 경우와 맞바람이 있는 경우를 직접 비교해 볼 수 있는 경우이다. 조건 B는 열 방향으로 바람이 토출되는 경우로 성목 사이로 바람이 지나므로 조건 A에서보다 상대적으로 줄기·가지의 유동저항을 적게 받는 경우에서의 단일방향과 맞바람의 효과를 비교할 수 있는 경우이다. 점선 원()은 공기유동팬 주위 반경 10m를, 빗금 친 영역()은 유동의 중첩이 예상되는 공간을 나타낸 것이며 단면표시()는 과원 내 풍속과 기온 분포를 보고자 하는 위치이다(Fig. 6).

Fig. 5.

Mounting heights of the airflow fan (the lower fan’s position(height): h1, the upper one: h2, two fans’ position where they were operated together: h3).

Fig. 6.

Combination of the installation location of airflow fans and their wind direction.

결과 및 고찰

1. 공기유동팬의 성능 및 특성

3연동 비닐온실 내에서 단일 공기유동팬을 작동시켜 팬 출구로부터의 거리에 따른 풍속과 기온을 계측한 결과, 2kW 전기 열선을 갖는 팬의 경우, 팬 출구로부터 약 1m 떨어진 지점에서 최고 풍속(4.5m·s^-1)이 나타나고 2m 지점 이후부터는 바람의 세기가 1m당 0.33m·s^-1의 기울기로 급격히 낮아져 20m 지점에서 0.7m·s^-1의 약한 바람이 계측되었으며 팬 출구 인근 최고치와 20m 떨어진 지점의 풍속 간 차이는 3.8m·s^-1이었다(Fig. 7). 팬 출구에서의 풍속 최고치와 그 위치를 정확히 평가하기 위해서는 측정 간격을 좁히고 단면상 풍속 분포를 확인할 필요가 있을 것으로 판단되며 팬 중심을 따르는 거리별 단면상의 바람의 세기 분포도 계측(또는 해석)을 통해 바람의 유효영역 범주를 정의할 필요가 있을 것으로 판단된다. 또한 팬 출구에서 균일 풍속이 아닌 단면상의 속도 분포(Velocity distribution)로 경계조건을 설정할 경우 해석의 신뢰성이 높아질 것으로 판단된다. 기온은 풍속 분포와는 다르게 팬 출구 인근에서 최고치를 보이지 않고 거리에 따라 선형적으로 완만히 감소(0.17℃·m^-1)하는 경향을 보였으며 팬 출구와 20m 떨어진 지점 간의 기온차는 3.4℃이었다.

Fig. 7.

Measurements according to the distance from the airflow fan in a plastic house.

전기 열선 용량에 따른 팬 출구와 20m 지점 간 기온 차이는 1.5℃(1kW), 3.4℃(2kW), 4.8℃(3kW)로 전기 열선 용량이 증가할수록 커지는 경향을 보였으나 풍속에 있어서는 팬 출구 인근 최고치와 20m 지점 풍속 간 차이가 3.9m·s^-1(1kW), 3.8m·s^-1(2kW), 4.3m·s^-1(3kW)로 나타나 전기 열선 용량과는 무관한 경향을 보였다(Table 1). 전기 열선 용량별 풍속 차이는 팬 회전수보다는 실측 오차에 기인하는 것으로 판단된다.

2. 공기유동팬의 영향 범위

주간 방향에서 바람을 토출하는 경우의 풍속과 기온의 ‘공기유동팬 영향’ 범위를 평면상(높이 h = 2.15m)에서 확인하였다. 공기유동의 영향 범위는 성목의 전체 크기 수준에 불과함을 볼 수 있으며 기온 분포의 확산 정도는 풍속에서보다 다소 증가함을 알 수 있다(Fig. 8). 상하 2단 공기유동팬을 적용하더라도 공기유동팬이 설치된 열에만 효과가 있을 뿐 과원 전체에 기류를 생성하는 데는 한계가 있는 것으로 나타나 공기유동팬 적용 시 팬을 회전시켜 과원 전체에 기류를 생성하는 방식으로의 적용이 필요할 것으로 판단되었다.

Fig. 8.

Distributions of wind speed and air temperature at the height of h1 and h3 as the wind blows along tree rows.

열 방향에서 단일방향으로 바람이 토출되는 경우, 바람 최대 도달 거리는 2단(h3)에서 다소 증가함을 볼 수 있으며 공기유동의 영향 범위는 주간 방향에서와 같이 상당히 좁음(나무 크기 수준)을 확인할 수 있다(Fig. 9(a)). 이는 직경 400mm의 공기유동팬으로부터 바람이 직사 토출되는 방식에 기인하는 것으로 팬 블레이드에 의한 바람의 선회성분이 CFD 해석에 고려될 경우 공기유동 영향 범위는 증가할 것으로 기대된다. 기온의 경우에는 유동 중첩으로 옆으로의 확산 정도가 맞바람, 2단에서 확연히 증가함을 볼 수 있다(Fig. 9(b)).

Fig. 9.

Distributions of wind speed and air temperature at the height of h1 and h3 as the wind blows in a direction transverse to tree rows.

3. 공기유동팬의 풍향 조합별 풍속 및 기온 분포

주간 방향으로 바람이 토출되는 경우 단일방향과 맞바람으로 구분하여 풍속과 기온의 영향 범위를 비교하였다(Figs. 10, 11). 단일방향 시 하단(h1)의 경우, 줄기·가지의 유동저항으로 인해 팬 출구 약 6m 지점부터 바람이 상향으로 편향되고 14m 이상부터 바람이 사과나무에 도달하지 않는 영역이 있음을 볼 수 있다. 상단(h2)의 경우 상대적으로 줄기·가지로 인한 유동저항이 줄어 상향 편향은 보이지 않고 두 번째 공기유동팬 지점인 18m까지 바람이 유효하게 도달하나 성목 아래 부분에 기류가 존재하지 않는 영역이 넓어 서리 예방 목적으로는 한계가 있음을 알 수 있다(Fig. 10(a)). 2단(h3) 공기유동팬 적용 시 18m 지점까지 0.5m·s^-1의 약한 바람이 도달하므로 실제 과원에 20m 내외 간격으로 360° 회전하는 팬을 설치할 경우 과원 전체에 약하나마 기류가 형성될 수 있을 것으로 판단된다. 과원에 0.5m·s^-1, 1m·s^-1, 1.5m·s^-1 수준의 기류를 형성하기 위해서는 2단(h3) 공기유동팬의 경우 각각 18m, 12.5m, 8.5m 간격으로, 하단(h1) 공기유동팬의 경우에는 각각 14.5m, 8.5m, 3m 간격으로 팬을 좁혀 설치해야 하는 것으로 나타나 2단이 보다 경제적일 것으로 판단되었다. 기온의 경우 그 영향 범위가 풍속에서보다 확연히 커짐을 볼 수 있고 2단(h3) 적용 시 나무 열 전체로 열원의 영향이 미치고 있음을 볼 수 있다(Fig. 10(b)). 향후 서리 예방을 위한 바람의 세기를 구명할 필요가 있을 것으로 판단되며 이로부터 적정 팬 설치 간격을 결정할 수 있을 것으로 판단된다. 0.5℃ 이상의 영상 기온이 나타나는 영역은 하단(h1)과 상단(h2)은 14m까지, 2단(h3)은 두 번째 공기유동팬 지점인 18m 수준까지 미침을 알 수 있다. CFD 해석 시 사과나무 모델링과 경계조건을 실측치로부터 설정하였으나 팬 출구에서의 선회성분을 고려하지 않은 균일 풍속 토출 조건으로 인하여 실제 과원에서의 기온과 풍속 분포와 차이가 있을 것으로 판단돼 향후 이에 대한 실측이 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 10.

Computed distributions of wind speed and air temperature in the case of a wind blowing in a one-way direction along tree rows.

맞바람 시에는 팬에 의한 유동 중첩으로 상향으로의 편향은 보이지 않으며 2단(h3)의 경우 바람이 과원 내에 전반적으로 미침을 볼 수 있어 서리 예방에 효과적일 것으로 판단된다(Fig. 11(a)). 기온의 경우 그 영향 범위가 상당히 넓게 나타남을 볼 수 있고 하단(h1)의 경우에서도 열 전체가 열원의 영향 범위에 있음을 확인할 수 있다(Fig. 11(b)). 2단이 아닌 상단이나 하단 중 하나를 선택해야 한다면 부력의 효과를 볼 수 있을 하단이 더 적정할 것으로 판단되었다.

Fig. 11.

Computed distributions of wind speed and air temperature in the case of a headwind blowing along tree rows.

열 방향으로 바람이 부는 경우의 풍속과 기온을 단일방향에서와 맞바람이 부는 경우에서 비교하였다(Figs. 12, 13). 주간 방향에서보다 줄기·가지의 유동저항 감소로 상향으로의 편향은 보이지 않고 바람과 열원의 영향 범위가 모두 커짐을 볼 수 있으며 바람의 최대 도달 거리는 두 번째 공기유동팬이 위치한 지점(3.5m × 6칸 = 21m)까지 미치고 있음을 확인할 수 있다. 하단(h1)이 상단(h2)보다 나무에 미치는 바람의 영향 범위가 전체적으로 넓고 2단(h3)의 경우에는 바람의 영향 범위가 상당함을 볼 수 있으며 모든 경우에서 21m(= 3.5m × 6칸)까지 0.9－1.1m·s^-1 이상의 바람 세기가 존재함을 알 수 있다(Fig. 12(a)). 기온의 경우 하단 공기유동팬 만으로도 열원의 영향 범위가 넓어 서리 예방에 효과적일 것으로 판단되며 0.5℃ 이상의 기온이 나타나는 영역은 하단(h1)과 상단(h2)은 13m까지, 2단(h3)은 21m 부근까지임을 알 수 있다(Fig. 12(b)).

Fig. 12.

Computed distributions of wind speed and air temperature in a one-way direction across tree rows.

세 곳으로부터의 맞바람 시 좌우 측에서 열풍의 바람이 토출되므로 2단(h3)은 물론 하단(h1)의 경우에도 상당한 영역에서 1.5m·s^-1 이상의 바람 세기가 존재함을 볼 수 있으나 상단(h2)의 경우에는 나무 아래에 바람이 미치지 않는 영역이 있음을 알 수 있다(Fig. 13(a)). 기온의 경우 하단(h1)만으로도 나무 대부분이 열원의 영향 범위에 있음을 알 수 있다(Fig. 13(b)). 향후 노지 사과원에서의 풍속·기온 분포 등의 미기상환경 분석과 함께 서리 예방 효과에 대한 현장 조사 및 평가가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 13.

Computed distributions of wind speed and air temperature in the case of a headwind blowing in a direction transverse to tree rows.