팬 앤 패드 시스템은 국내외적으로 온실냉방에서 많이 이용되고 있으며, 그 효율도 매우 높지만 온실 내부의 온도분포가 불균일하고 설치비와 유지비가 많이드는 단점이 있다. 본 연구에서는 팬 앤 패드 시스템의 설계를 위한 자료를 제공할 목적으로 팬 앤 패드시스템 설치온실의 온도분포를 예측하기 위한 CFD 모델을 개발하였다. 개발된 모델은 실험 데이터를 이용하여 검증한 결과 실험치와 예측치가 잘 일치하여 모델의 응용이 가능할 것으로 판단되었다. 개발된 모델을 이용하여 온실 외부의 풍속과 풍향, 팬과 패드의 높이, 환기율에 따른 실내유속, 차광율 및 온실의 길이가 팬 앤 패드 냉방온실의 실내 온도경사에 미치는 영향을 검토하였다. 실내 온도경사를 감소시키기 위하여는 온실 설치 지역의 주풍향을 고려하고 팬과 패드의 높이가 적절해야 할 것으로 판단되었다. 시뮬레이션 결과 높은 환기율과 차광율은 팬 앤 패드 냉방 온실의 온도경사를 감소시키는데 기여할 수 있는 것으로 나타났다. 팬 앤 패드 냉방 온실의 온도를 적정 수준으로 유지시키기 위해서는 외부기상조건, 차광 및 환기율에 따라 온실의 길이를 제한해야 할 것으로 판단되었다. 개발된 CFD모델은 다양한 조건에서 팬 앤 패드 냉방온실의 설계와 평가에 유용한 도구가 될 수 있을 것으로 판단된다.
팬 앤 패드 시스템은 국내외적으로 온실냉방에서 많이 이용되고 있으며, 그 효율도 매우 높지만 온실 내부의 온도분포가 불균일하고 설치비와 유지비가 많이드는 단점이 있다. 본 연구에서는 팬 앤 패드 시스템의 설계를 위한 자료를 제공할 목적으로 팬 앤 패드시스템 설치온실의 온도분포를 예측하기 위한 CFD 모델을 개발하였다. 개발된 모델은 실험 데이터를 이용하여 검증한 결과 실험치와 예측치가 잘 일치하여 모델의 응용이 가능할 것으로 판단되었다. 개발된 모델을 이용하여 온실 외부의 풍속과 풍향, 팬과 패드의 높이, 환기율에 따른 실내유속, 차광율 및 온실의 길이가 팬 앤 패드 냉방온실의 실내 온도경사에 미치는 영향을 검토하였다. 실내 온도경사를 감소시키기 위하여는 온실 설치 지역의 주풍향을 고려하고 팬과 패드의 높이가 적절해야 할 것으로 판단되었다. 시뮬레이션 결과 높은 환기율과 차광율은 팬 앤 패드 냉방 온실의 온도경사를 감소시키는데 기여할 수 있는 것으로 나타났다. 팬 앤 패드 냉방 온실의 온도를 적정 수준으로 유지시키기 위해서는 외부기상조건, 차광 및 환기율에 따라 온실의 길이를 제한해야 할 것으로 판단되었다. 개발된 CFD모델은 다양한 조건에서 팬 앤 패드 냉방온실의 설계와 평가에 유용한 도구가 될 수 있을 것으로 판단된다.
Evaporative cooling pad system is one of the main cooling methods in greenhouses and its efficiency is very high. However, it has some disadvantages such as greenhouse temperature distributions are not uniform and installation cost is expensive. In this study, a CFD simulation model f3r predicting t...
Evaporative cooling pad system is one of the main cooling methods in greenhouses and its efficiency is very high. However, it has some disadvantages such as greenhouse temperature distributions are not uniform and installation cost is expensive. In this study, a CFD simulation model f3r predicting the air temperature distribution in the fan and fad cooling greenhouse was developed. The model was calibrated and validated against experimental data and a good fit was obtained. The influence of different outside wind, fan and pad height, ventilation rate, shading, and greenhouse length, were then examined. In order to reduce the internal temperature gradients, it is desired that the prevail wind direction and the fan and pad heights are considered. The simulation indicates that high ventilation rates and shading contribute to reduce the temperature gradients in the fan and pad cooling greenhouse. In order to maintain the desired greenhouse temperature, the pad-to-fan distance should be restricted according to the design climate conditions, shading and ventilation rates. The developed CFD model can be a useful tool to evaluate and design the fan and pad systems in the greenhouses with various configurations.
Evaporative cooling pad system is one of the main cooling methods in greenhouses and its efficiency is very high. However, it has some disadvantages such as greenhouse temperature distributions are not uniform and installation cost is expensive. In this study, a CFD simulation model f3r predicting the air temperature distribution in the fan and fad cooling greenhouse was developed. The model was calibrated and validated against experimental data and a good fit was obtained. The influence of different outside wind, fan and pad height, ventilation rate, shading, and greenhouse length, were then examined. In order to reduce the internal temperature gradients, it is desired that the prevail wind direction and the fan and pad heights are considered. The simulation indicates that high ventilation rates and shading contribute to reduce the temperature gradients in the fan and pad cooling greenhouse. In order to maintain the desired greenhouse temperature, the pad-to-fan distance should be restricted according to the design climate conditions, shading and ventilation rates. The developed CFD model can be a useful tool to evaluate and design the fan and pad systems in the greenhouses with various configurations.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 팬 앤 패드 시스템의 설계를 위한 자료를 제공할 목적으로 팬 앤 패드 시스템을 설치한 온실의 온도분포를 예측하기 위한 CFD 모델을 개발하고 실험을 통하여 검증하였으며, 팬 앤 패드 냉방 온실의 온도경사에 영향을 미치는 인자들을 검토 하였다,
팬 앤 패드 시스템은 국내외적으로 온실냉방에서 많이 이용되고 있으며, 그 효율도 매우 높지만 온실 내부의 온도분포가 불균일하고 설치비와 유지비가 많이 드는 단점이 있다. 본 연구에서는 팬 앤 패드 시스템의 설계를 위한 자료를 제공할 목적으로 팬 앤 패드 시스템 설치온실의 온도분포를 예측하기 위한 CFD 모델을 개발하였다. 개발된 모델은 실험 데이터를 이용하여 검증한 결과 실험치와 예측치가 잘 일치하여 모델의 응용이 가능할 것으로 판단되었다.
제안 방법
모델은 2차원으로 구축하였고, 해석기는 single- precision을 적용하였으며 작물은 고려하지 않았다. Fig. 1에서 보는바와 같이 온실의 좌우 각각 40 m, 상부 25 m를 모델의 외측경계로 설정하여 온실 내부는 조밀하게 (셀 크기 0.2 m) 온실 외부로 멀어질수록 느슨하게(외측 경계의 셀 크기 5 m) 격자를 작성하였. 으며 .
차광에 따른 태양복사 에너지 감소의 영향을 알아보기 위하여 무차광과 차광율 30, 40, 50%에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. Table 3의 일사량 입력자료를 100, 70, 60, 50%로 설정하여 무차광과 30, 40, 50%의 차광율을 모의하였다. Fig.
개발된 모델은 실험 데이터를 이용하여 검증한 결과 실험치와 예측치가 잘 일치하여 모델의 응용이 가능할 것으로 판단되었다. 개발된 모델을 이용하여 온실 외부의 풍속과 풍향, 팬과 패드의 높이, 환기율에 따른 실내유속, 차광율 및 온실의 길이가 팬 앤 패드 냉방온실의 실내 온도경사에 미치는 영향을 검토하였다. 실내 온도경사를 감소시키기 위하여는 온 실 설치 지역의 주풍향을 고려하고 팬과 패드의 높이가 적절해야 할 것으로 판단되었다.
온실 외부의 풍속과 풍향이 팬 앤 패드 냉방온실의 실내 온도경사에 미치는 영향을 검토하기 위하여 4가 지 조건에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 조건 1은 팬과 같은 방향(순풍, tail wind)으로 부는 약풍(1.
온실 중앙과 팬 중심선을 따라 길이방향 3단면 및 높이 0.5, 2.0, 3.0 m에 열전대를 설치하여 온도를 측정하였다. 온도경사 모델의 검증은 패드에서 팬까지 일정 간격으로 2 m 높이에 설치한 열전대로 측정한 온도 데이터를 이용하였다.
모델의 : ' 하부 경계인 지표면과.온실 토양은 wall 경계조건으로 설정하였다..
, 2003). 온실의 실내기온을 32°C 이하로 유지하기 위하여 패드와 팬을 설치한 온실의 제한길이를 계산해 보았다. 환기율에 의해 결정되는 실내유속에 따른 제한길이는 Fig.
팬 앤 패드 냉방온실의 온도경사에 영향을 미치는 인자들을 평가하기 위하여 개발된 모델을 활용하였다. 외부풍속과 풍향, 팬과 패드의 높이, 환기율에 따른 실내 공기유속, 차광, 팬과 패드 사이의 거리 등이 온도 경사에 미치는 영향을 개발된 모델을 이용하여 검토하였다. 모델의 응용을 위한 시뮬레이션 조건은 Table 3과 같다.
온실 외부의 풍속과 풍향이 팬 앤 패드 냉방온실의 실내 온도경사에 미치는 영향을 검토하기 위하여 4가 지 조건에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 조건 1은 팬과 같은 방향(순풍, tail wind)으로 부는 약풍(1.0 m . s'1), 조건 2는 같은 방향의 강풍(4.0 m . s'1), 조건 3은 팬과 반대방향(역풍, head wind)으로 부는 약풍 (1.0m- s-1), 조건 4는 반대방향의 강풍 (4.0 m . s-1)으로 시뮬레이션 조건을 설정하였다. Fig.
팬과 패드 높이의 영향을 검토하기 위하여 역시 4가지 조건에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 조건 1은 팬과 패드를 모두 낮게 (1.5 m), 조건 2는 패드를 낮게(1.5 m) 팬은 높게(3.0 m), 조건 3은 팬과 패드를 모두 높게(3.0 m), 조건 4는 패드를 높게(3.0 m) 팬은 낮게(1.5 m) 설치한 것으로 시뮬레이션 조건을 설정하였다. Fig.
차광에 따른 태양복사 에너지 감소의 영향을 알아보기 위하여 무차광과 차광율 30, 40, 50%에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. Table 3의 일사량 입력자료를 100, 70, 60, 50%로 설정하여 무차광과 30, 40, 50%의 차광율을 모의하였다.
팬과 패드 높이의 영향을 검토하기 위하여 역시 4가지 조건에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 조건 1은 팬과 패드를 모두 낮게 (1.
환기율의 변화에 따른 실내의 공기유동 속도의 영향을 알아보기 위하여 환기율을 변화시키면서 시뮬레이션을 수행하였다. 모델의 입력 자료인 환기율을 변화시키면서 모델에서 계산한 실내 평균유속이 0.
대상 데이터
4는 모델 의 검증 결과를 나타낸 것이다. 2004년 8월 12일부터 23일까지 오전 11시에서 오후 2시 사이에 측정한 데이터를 사용하였고, 패드를 통과한 습공기가 온실을 지나면서 발생하는 온도 상승에 대한 예측치와 측정치는 잘 일치하였으며 R2는 0.86이었다.
모델의 보정을 위하여 실험기간 중에 평균적인 기후 조건을 갖는 2004년 8월 13일 12시의 실측 데이터를 선택하였으며 입력 자료는 Table 2와 같다. 개발된 CFD 모델에 의해 예측된 온도와 실험에 의해 즉정된 온도가 잘 일치하도록 토양층의 두께, 각종 재료의 물성, 패드와 팬의 특성값 등 모델의 파라미터를 보정한 후, 외부기상조건의 변화에 따른 48회의 시뮬레이션을 수행하고, 각 측점에서의 실험값과 예측값 240쌍의 데이터를 이용하여 모델을 검증하였으며 Fig. 4는 모델 의 검증 결과를 나타낸 것이다. 2004년 8월 12일부터 23일까지 오전 11시에서 오후 2시 사이에 측정한 데이터를 사용하였고, 패드를 통과한 습공기가 온실을 지나면서 발생하는 온도 상승에 대한 예측치와 측정치는 잘 일치하였으며 R2는 0.
모델의 검증을 위하여 University of Arizona의 CEAC(Controlled Environment Agriculture Center)에 위치한 PT(polytex)온실에서 2004년 7월부터 9월에 걸쳐 실험을 수행하였다. 실험온실의 제원과 온도센서의 배치는 Fig.
모델의 보정을 위하여 실험기간 중에 평균적인 기후 조건을 갖는 2004년 8월 13일 12시의 실측 데이터를 선택하였으며 입력 자료는 Table 2와 같다. 개발된 CFD 모델에 의해 예측된 온도와 실험에 의해 즉정된 온도가 잘 일치하도록 토양층의 두께, 각종 재료의 물성, 패드와 팬의 특성값 등 모델의 파라미터를 보정한 후, 외부기상조건의 변화에 따른 48회의 시뮬레이션을 수행하고, 각 측점에서의 실험값과 예측값 240쌍의 데이터를 이용하여 모델을 검증하였으며 Fig.
2와 같다. 실험 온실은 폭 9.8 m, 길이 28 m, 처마높이 4.0 m, 지붕높이 6.3이의 아치형 플라스틱 경질판 온실로서 북측벽에 1.2 m X 8.5 m, 두께 150 mm의 패드가, 남측벽에 유량 11.911? . "의 배기팬 2대가 설치되어 있다.
0 m에 열전대를 설치하여 온도를 측정하였다. 온도경사 모델의 검증은 패드에서 팬까지 일정 간격으로 2 m 높이에 설치한 열전대로 측정한 온도 데이터를 이용하였다. 외부기상자료는 실험 온실로부 터 500 m 떨어진 곳에 위치한 아리조나 기상관측소(AZMET) 데이터를 이용하였다.
온도경사 모델의 검증은 패드에서 팬까지 일정 간격으로 2 m 높이에 설치한 열전대로 측정한 온도 데이터를 이용하였다. 외부기상자료는 실험 온실로부 터 500 m 떨어진 곳에 위치한 아리조나 기상관측소(AZMET) 데이터를 이용하였다.
이론/모형
모델은 2차원으로 구축하였고, 해석기는 single- precision을 적용하였으며 작물은 고려하지 않았다. Fig.
복사모델은 discrete ordinates modet을 적용하였으며 모델의 파라미터들은 일반적으로 추천되는 값들을 사 용하였다(Yu et al., 2002).
본 연구에서는 모델의 형상과 격자 구성을 위하여 Gambit 1.3을 이용하였고, 모델 해석에는 상용 CFD 패키지인 Fluent 5.4를 이용하였다(Fluent Inc., 1998).
팬 앤 패드 냉방온실의 온도경사에 영향을 미치는 인자들을 평가하기 위하여 개발된 모델을 활용하였다. 외부풍속과 풍향, 팬과 패드의 높이, 환기율에 따른 실내 공기유속, 차광, 팬과 패드 사이의 거리 등이 온도 경사에 미치는 영향을 개발된 모델을 이용하여 검토하였다.
성능/효과
3은 패드로부터의 거리에 따른 온도상승을 측 정한 예를 도시한 것이다. 28 m 떨어진 팬과 패드사 이의 온도차는 최대 10℃ 정도로 나타나고 있으며 팬 으로부터의 거리에 따라 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다.
6은 팬과 패드 위치의 영향^ 대한 시뮬레 이션 결과를 나타낸 것이다. 4가지 경우에서 조건에 따라 큰 차이는 없었으나 패드를 낮게 팬은 높게 설 치한 경우(조건 2)가 온도경사는 가장 작았으며 다음으로는 팬과 패드를 모두 낮게 설치한 경우(조건 1)로 나타났다.
본 연구에서는 팬 앤 패드 시스템의 설계를 위한 자료를 제공할 목적으로 팬 앤 패드 시스템 설치온실의 온도분포를 예측하기 위한 CFD 모델을 개발하였다. 개발된 모델은 실험 데이터를 이용하여 검증한 결과 실험치와 예측치가 잘 일치하여 모델의 응용이 가능할 것으로 판단되었다. 개발된 모델을 이용하여 온실 외부의 풍속과 풍향, 팬과 패드의 높이, 환기율에 따른 실내유속, 차광율 및 온실의 길이가 팬 앤 패드 냉방온실의 실내 온도경사에 미치는 영향을 검토하였다.
실내 온도경사를 감소시키기 위하여는 온 실 설치 지역의 주풍향을 고려하고 팬과 패드의 높이가 적절해야 할 것으로 판단되었다. 시뮬레이션 결과 높은 환기율과 차광율은 팬 앤 패드 냉방 온실의 온도경사를 감소시키는데 기여할 수 있는 것으로 나타났 다. 팬 앤 패드 냉방 온실의 온도를 적정 수준으로 유지시키기 위해서는 외부기상조건, 차광 및 환기율에 따라 온실의 길이를 제한해야 할 것으로 판단되었다.
9(b)에서 팬과 패드 사이의 온실길이는 51 m로 제한되어야 한다. 즉, 차광시 제한길이는 무차광에 비하여 더 길어지고, 차광은 팬 앤 패드 냉방온실의 실내 온도경 사의 감소에 기여할 수 있는 것을 알 수 있다. 패드와 팬 사이의 거리는 30〜45 m가 적당하고, 60 m를 넘으면 바람직하지 못한 것으로 제시하고 있으나 (ASAE, 1997), 그 값은 온실 설치지역의 기상조건과 차광 및 환기율에 따라 달라져야 할 것으로 판단된다.
8은 차광율에 따른 온도경사를 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 것이다. 차광율이 증가함에 따라 온도경사는 감소하는 것으로 나타났다. 즉, 높은 차광율이 실내 온도경사 감소에 기여할 수 있는 것으로 생각된다.
7은 실내유속에 따른 온도경사를 시뮬레이션 한 결과이다. 환기율 증가에 의해 실내유속이 커짐에 따라 온도 경사는 감소하는 것으로 나타났다. 즉, 높은 환기율이 실내 온도경사 감소에 기여할 수 있는 것으로 생각된다.
후속연구
팬 앤 패드 냉방 온실의 온도를 적정 수준으로 유지시키기 위해서는 외부기상조건, 차광 및 환기율에 따라 온실의 길이를 제한해야 할 것으로 판단되었다. 개발된 CFD 모델은 다양한 조건에서 팬 앤 패드 냉방온실의 설계와 평가에 유용한 도구가 될 수 있을 것으로 판단된다.
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