KNU 식물공장 모델의 냉난방 에너지 부하를 DesignBuilder를 이용하여 해석하였다. 실내설정온도, LED 보광주기, LED 보광량, 유리외피의 구조에 따른 에너지 소모량을 분석하였다. LED 보광이 없는 식물공장의 실내설정온도를 상추의 적정 생육온도인 $20^{\circ}C$를 중심으로 $15^{\circ}C$, $25^{\circ}C$로 변화시키면서 일정온도로 유지하는데 필요한 연간 냉난방부하를 분석하였다. $15^{\circ}C$일 때 냉방부하, $25^{\circ}C$일 때 난방부하가 가장 크게 나타났다. 상추 재배에 필요한 LED 보광 적용 시 난방부하는 감소하지만 냉방부하가 약 6배 증가한다. 또한 LED 보광 시 주간보다는 야간보광이 냉난방부하 감소에 유리한 결과를 주었다. 식물공장 외피가 냉난방부하에 미치는 영향을 비교하기 위하여 다섯 가지 종류의 외피를 적용하여 계산하였다. 이중창호의 열관류율이 작을수록 식물공장의 난방부하는 감소하고 냉방부하는 증가하였다. 재배할 작물의 적정생장온도 설정, LED 및 재배설비의 내부발열량에 따른 적절한 외피선택, 다양한 패시브 및 액티브 에너지 절감기술의 적용으로 냉방부하를 감소시키는 것이 식물공장 운영에 중요한 요소로 판단된다.
KNU 식물공장 모델의 냉난방 에너지 부하를 DesignBuilder를 이용하여 해석하였다. 실내설정온도, LED 보광주기, LED 보광량, 유리외피의 구조에 따른 에너지 소모량을 분석하였다. LED 보광이 없는 식물공장의 실내설정온도를 상추의 적정 생육온도인 $20^{\circ}C$를 중심으로 $15^{\circ}C$, $25^{\circ}C$로 변화시키면서 일정온도로 유지하는데 필요한 연간 냉난방부하를 분석하였다. $15^{\circ}C$일 때 냉방부하, $25^{\circ}C$일 때 난방부하가 가장 크게 나타났다. 상추 재배에 필요한 LED 보광 적용 시 난방부하는 감소하지만 냉방부하가 약 6배 증가한다. 또한 LED 보광 시 주간보다는 야간보광이 냉난방부하 감소에 유리한 결과를 주었다. 식물공장 외피가 냉난방부하에 미치는 영향을 비교하기 위하여 다섯 가지 종류의 외피를 적용하여 계산하였다. 이중창호의 열관류율이 작을수록 식물공장의 난방부하는 감소하고 냉방부하는 증가하였다. 재배할 작물의 적정생장온도 설정, LED 및 재배설비의 내부발열량에 따른 적절한 외피선택, 다양한 패시브 및 액티브 에너지 절감기술의 적용으로 냉방부하를 감소시키는 것이 식물공장 운영에 중요한 요소로 판단된다.
The heating and cooling energy load of the KNU plant factory was analyzed using the DesignBuilder. Indoor temperature set-point, LED supplemental lighting schedule, LED heat gain, and type of double skin window were selected as simulation parameters. For the cases without LED supplemental lighting, ...
The heating and cooling energy load of the KNU plant factory was analyzed using the DesignBuilder. Indoor temperature set-point, LED supplemental lighting schedule, LED heat gain, and type of double skin window were selected as simulation parameters. For the cases without LED supplemental lighting, the proper growth temperature of lettuce $20^{\circ}C$ was selected as indoor temperature set-point together with $15^{\circ}C$ and $25^{\circ}C$. The annual heating and cooling loads which are required to maintain a constant indoor temperature were calculated for all the given temperatures. The cooling load was highest for $15^{\circ}C$ and heating load was highest for $25^{\circ}C$. For the cases with LED supplemental lighting, the heating load was decreased and the cooling load was 6 times higher than the case without LED. In addition, night time lighting schedule gave better result as compared to day time lighting schedule. To investigate the effect of window type on annual energy load, 5 different double skin window types were selected. As the U-value of double skin window decreases, the heating load decreases and the cooling load increases. To optimize the total energy consumption in the plant factory, it is required to set a proper indoor temperature for the selected plantation crop, to select a suitable window type depending on LED heat gain, and to apply passive and active energy saving technology.
The heating and cooling energy load of the KNU plant factory was analyzed using the DesignBuilder. Indoor temperature set-point, LED supplemental lighting schedule, LED heat gain, and type of double skin window were selected as simulation parameters. For the cases without LED supplemental lighting, the proper growth temperature of lettuce $20^{\circ}C$ was selected as indoor temperature set-point together with $15^{\circ}C$ and $25^{\circ}C$. The annual heating and cooling loads which are required to maintain a constant indoor temperature were calculated for all the given temperatures. The cooling load was highest for $15^{\circ}C$ and heating load was highest for $25^{\circ}C$. For the cases with LED supplemental lighting, the heating load was decreased and the cooling load was 6 times higher than the case without LED. In addition, night time lighting schedule gave better result as compared to day time lighting schedule. To investigate the effect of window type on annual energy load, 5 different double skin window types were selected. As the U-value of double skin window decreases, the heating load decreases and the cooling load increases. To optimize the total energy consumption in the plant factory, it is required to set a proper indoor temperature for the selected plantation crop, to select a suitable window type depending on LED heat gain, and to apply passive and active energy saving technology.
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가설 설정
식물공장의 에너지 밸런스 해석을 위하여 그림 1의 구조물을 그림 2와 같은 DesignBuilder 모델로 구성하여 시뮬레이션을 진행하였다. 6개 동이 수직방향에 대해 기울어진 각도에 따라 각 동이 결합되는 부분의 형상이 변화될 수 있으나 본 연구에서는 6개 동이 바닥면에 대해 직각을 이루고 있는 상태에서 서로 결합 되어 있다고 가정하였다. 1층 바닥면은 지면바닥조건, 1층과 2층 사이, 2층과 3층 사이는 100 mm 콘크리트 벽으로 설정하고 3층 천장은 이중창호가 적용되었다.
상대습도 50∼ 80% 이상, CO2 1500 ppm, 보광시설을 사용하여 16시간 일장으로 환경을 제어하는 것이 상추의 생장에 유리하다. 따라서 본 연구에서는 실내온도 20℃, 자연광에 더하여 LED 램프를 사용하여 보광주기를 16시간으로 맞추고 내부습도는 제습, 가습기를 사용하여 항시 60%를 유지하고 CO2 가스를 인위적으로 주입하며 긴급히 환기가 필요한 경우에만 환기를 하는 인공광 병용형 모델을 가정하여 계산하였다.
식물 광합성과 생장에 필요한 빛의 파장은 460 nm와 660 nm이다. 본 연구에서는 ㈜파루스에서 생산한 120 W LED 램프를 상추재배에 적용하는 것으로 가정하였다. 460 nm, 660 nm의 적색, 청색광을 갖는 조명으로 상추의 생장에 필요한 광양자 밀도 PPFD(photosynthetic photon flux density)가 약 302 umol/m2s 이상으로 충분한 광밀도를 갖는다.
제안 방법
본 논문에서는 에너지 효율이 높은 식물공장 모델 개발을 위해 DesignBuilder[5]를 사용하여 에너지 해석 연구를 수행하였다. KNU(Kongju National University) 식물공장 모델을 제작하여 국내 기후 데이터를 바탕으로 식물공장에 설정된 내부온도, LED 보광주기, LED 보광량, 식물공장 외피의 특성에 따른 에너지 효율을 분석하였다.
그러나 LED 램프의 소비전력을 절감하기 위해 태양광 병용형으로 설계되었다. 본 연구에서는 식물생장 조절에 필요한 LED 램프의 발열만을 고려하고 그 이외의 내부 설비에 의한 발열은 고려하지 않았다.
표 1은 공주대학교 천안공과대학과 인접한 평택의 월별 평균 기후정보이다. EPW(EnergyPlus Weather file)형식 기후데이터를[6,7] 사용하여 연간 식물공장 내부의 온도변화와 에너지 소비량을 분석하였다.
표 2의 계산 조건을 기준으로 식물공장 실내설정온도 (temperature set-point), LED 보광량 및 보광주기, 유리외 피의 구조를 변화시키며 냉난방 에너지 요구량을 계산하였다. 식물공장 외피는 표 3에 나타난 물성치를 갖는 이중창호를 기준케이스로 설정하였다.
표 2의 계산 조건을 기준으로 식물공장 실내설정온도 (temperature set-point), LED 보광량 및 보광주기, 유리외 피의 구조를 변화시키며 냉난방 에너지 요구량을 계산하였다. 식물공장 외피는 표 3에 나타난 물성치를 갖는 이중창호를 기준케이스로 설정하였다.
먼저 LED 보광 및 냉난방공조를 하지 않은 식물공장 내부의 온도변화를 계산하였다. 하절기 7월 26일 최고 실내온도가 약 65.
82℃, 동절기 2월 1일 최저 실내온도가약 -9℃로 계산되어 냉난방을 위한 공조시설을 사용하지 않고는 안정적인 상추의 재배가 어려운 것으로 판단된다. 인공광 병용형 식물공장에서 고품질 상추를 대량생산하기 위해 적합한 생육조건을 문헌을 통해 조사하였다.[8,9] 주간온도는 생육초기와 중기 22∼26℃, 생육후기는 20∼24℃, 야간온도는 15∼20℃가 적합하다.
식물공장 건물자체의 에너지 부하를 알아보기 위해 LED 보광이 없는 경우에 실내설정온도를 15℃, 20℃, 25℃로 변화시키며 에너지 소비량을 분석하였다. 그림 3은 실내설정온도 20℃일 때 월평균 외기온도와 냉난방부하를 나타낸다.
반면 냉방부하는 2층이 가장 높게 나타났다. 본 논문에서 설정한 실내온도 20℃에서의 냉난방부하를 하절기와 동절기로 나누어 분석하였다. 그림 7에서 하절기에는 난방부하 보다 냉방부하가 지배적이며 그 중 2층의 냉방부하가 가장 크게 나타났다.
따라서 보광시간 04:00∼20:00인 주간보광과, 18:00∼10:00인 야간보광 두 가지 경우에 대해 계산을 진행하였다.
LED 보광을 적용하고 실내설정온도가 20℃인 식물공장의 유리외벽을 표 5와 같이 변화시키며 냉난방부하를 계산하였다. Clear glass는 PPG 사의 clear glass를 사용하였고 CL로 표시하였다.
본 연구에서는 DesignBuilder를 이용하여 식물공장의 에너지 소비량을 실내설정온도, LED 보광주기, LED 보광량, 외피의 구조 변화에 따라 분석하였다. 이상의 연구 내용 및 결과를 정리하면 다음과 같다.
대상 데이터
그림 1은 공주대학교 에너지자립형 그린빌리지 핵심 기술 사업단 내에서 개발 중인 KNU 식물공장의 3차원 형상모델을 나타낸다. 육각형 유리 온실 단위유닛 3개가 결합된 3층 구조물을 1개 동으로 하며 6개 동이 벌집 형태로 결합된 구조물이다. 식물공장의 에너지 밸런스 해석을 위하여 그림 1의 구조물을 그림 2와 같은 DesignBuilder 모델로 구성하여 시뮬레이션을 진행하였다.
또한 모든 층의 측면 외벽은 이중창호가 적용되었다. 온실 단위유닛의 면적은 52.2 m2이며 3개 층, 총 18개 유닛으로 구성되어 있다. 온실의 전체 면적은 939.
이론/모형
본 논문에서는 에너지 효율이 높은 식물공장 모델 개발을 위해 DesignBuilder[5]를 사용하여 에너지 해석 연구를 수행하였다. KNU(Kongju National University) 식물공장 모델을 제작하여 국내 기후 데이터를 바탕으로 식물공장에 설정된 내부온도, LED 보광주기, LED 보광량, 식물공장 외피의 특성에 따른 에너지 효율을 분석하였다.
육각형 유리 온실 단위유닛 3개가 결합된 3층 구조물을 1개 동으로 하며 6개 동이 벌집 형태로 결합된 구조물이다. 식물공장의 에너지 밸런스 해석을 위하여 그림 1의 구조물을 그림 2와 같은 DesignBuilder 모델로 구성하여 시뮬레이션을 진행하였다. 6개 동이 수직방향에 대해 기울어진 각도에 따라 각 동이 결합되는 부분의 형상이 변화될 수 있으나 본 연구에서는 6개 동이 바닥면에 대해 직각을 이루고 있는 상태에서 서로 결합 되어 있다고 가정하였다.
성능/효과
상추의 생육을 위해서는 15∼26℃ 정도로 온도를 유지해주어야 하는데 에너지 부하 계산 결과 식물생장에 영향을 미치지 않는 한도 내에서 실내온도가 높은 것이 에너지 저감에 유리한 것으로 판단된다.
연간 냉방부하는 그림 4와 같이 15℃에서 216 MWh, 20℃에서 149 MWh, 25℃에서 96 MWh 이었으며 연간 난방부하는 15℃에서 66 MWh, 20℃에서 116 MWh, 25℃에서 184 MWh로 계산되었다. 식물공장의 단위면적당 연간 난방에너지 소비량은 각 온도별로 약 71, 124, 195 kWh/m2yr으로 분석되었다. 실내설정온도 25℃의 경우에는 건물에너지효율등급 인증을 받은 238개 표준주택의 평균 난방 에너지 소비량 135 kWh/m2yr[10]를 초과한다.
본 계산을 통해 이중창호의 열관류율이 작을수록 식물공장의 난방부하는 감소하고 냉방부하는 증가하는 것을 확인하였다. 이는 태양열 취득과 LED 발열로 인해 식물공장 내부에 생성되는 열에너지가 창호의 낮은 열관류율로 인해 외부로 효율적으로 배출되지 않아 난방부하는 감소하고 냉방부하가 증가하는 효과를 주었기 때문이다.
이는 태양열 취득과 LED 발열로 인해 식물공장 내부에 생성되는 열에너지가 창호의 낮은 열관류율로 인해 외부로 효율적으로 배출되지 않아 난방부하는 감소하고 냉방부하가 증가하는 효과를 주었기 때문이다. 본 연구에서 고려한 식물공장의 엽채류 재배조건에서는 냉방부하의 감소가 에너지 절감에 가장 큰 영향을 미친다. 따라서 냉방 및 난방장치 구동에 소요되는 에너지 단가를 고려하여 최적의 경제성을 제공할 수 있는 창호의 U-value 값을 선택하고 필요에 따라 부분 환기를 적용할 필요가 있을 것으로 판단된다.
(1) 내부발열이 없는 식물공장의 실내설정온도를 20℃로 유지 시 냉방부하가 난방부하보다 크다. 내부에 작물과 LED 등 조명기기를 설치할 경우 냉방부하는 더 커지며 난방부하는 줄어든다.
본 연구에서 고려한 식물공장의 엽채류 재배조건에서는 냉방부하의 감소가 에너지 절감에 가장 큰 영향을 미친다. 따라서 냉방 및 난방장치 구동에 소요되는 에너지 단가를 고려하여 최적의 경제성을 제공할 수 있는 창호의 U-value 값을 선택하고 필요에 따라 부분 환기를 적용할 필요가 있을 것으로 판단된다.
향후 본 연구에서 고려하지 않은 환기량 조절, 식물공장의 건물배치, 지열 덕트 등의 패시브 및 액티브 에너지 저감기술을 적용한 분석과 경제성 분석 등의 연구를 추가로 진행할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
완전제어형 식물공장의 단점은 무엇인가?
또한 환경을 정밀하게 조절하여 재배하므로 생산성을 높이고 품질을 향상시킬 수 있다.[1] 하지만, 연중 일정한 환경을 유지하기 위해 필요한 형광등, LED(light emitting diode)램프와 같은 광원과 일정온도를 유지하기 위한 공조시설 등의 추가적인 설비로 인해 설치비와 에너지 소비량이 증가하는 단점이 있다. 최근 고유가로 인한 에너지 비용의 증가로 정부에서는 2030년까지 매년 평균 2.
완전제어형 식물공장의 장점은 무엇인가?
밀폐된 공장형태에서 인위적으로 환경을 제어하여 사계절 내내 외부 조건의 영향을 받지 않고 작물을 키울 수 있는 완전제어형은 제너럴일렉트릭(GE)사에서 개발하였다. 완전제어형 식물공장은 인공광원을 이용하여 외부환경과 거의 무관하게 생산할 수 있고 지리적 입지에 상관없이 사막, 극지방, 고산, 해안, 심지어 우주공간 등에서 언제나 식물을 재배할 수 있는 장점이 있다. 또한 환경을 정밀하게 조절하여 재배하므로 생산성을 높이고 품질을 향상시킬 수 있다.
식물공장이 최초로 개발된 때는?
현재 많은 국가들이 이를 해결하기 위해 다양한 연구를 하고 있으며 그 중 주목받는 기술적 대안으로는 식물공장의 개발을 들 수 있다. 식물공장은 1960년대 초 오스트리아 루스나(Ruthner)사에서 최초로 개발하였다. 밀폐된 공장형태에서 인위적으로 환경을 제어하여 사계절 내내 외부 조건의 영향을 받지 않고 작물을 키울 수 있는 완전제어형은 제너럴일렉트릭(GE)사에서 개발하였다.
참고문헌 (12)
Y. C. Um, S. S. Oh, J. G. Lee, S. Y. Kim, and Y. A. Jang, "The Development of Container-type Plant Factory and Growth of Leafy Vegetables as Affected by Different Light Sources", Journal of Bio-Environment Control, Vol. 19, No. 4, pp. 333-342, 2010.
Y. M. Kim, H. U. Cha, and Y. S. Kim, "Heating and Cooling Energy Assessment of Passive Technology Applied Energy Saving Apartment - Heating and Cooling Energy Consumption Estimation through the Energy Analysis Software", Proceedings of the SAREK '10 Summer Annual Conference, pp. 346-350, 2010.
J. G. Han, S. Y. Kwon, and J. H. Lim, "A Design of LED Light Control System based on Ultrasonic Sensor for Energy Saving of Plant Factory", Proceeding of the Korean Society for Internet Information Conference, Vol. 12, No. 1, pp. 401-402, 2011.
S. Y. Kwon and J. H. Lim, "Improvement of Energy Efficiency in Plant Factory using Optimum Light Intensity Control According to Growth Stages of Plant", Proceeding of the Korean Society for Internet Information Conference, Vol. 12, No. 1, pp. 85-86, 2011.
DesignBuilder, "DesignBuilder EnergyPlus Simulation Documentation for Design Builder v2.3", 2010.
U.S. Department of Energy, "Auxiliary EnergyPlus Programs - Extra programs for EnergyPlus", 2010.
Y. B. Lee, Y. H. Jin, S. S. Jo, and C. E. Lee, "Lettuce Production in Factory-style Plant Production System", Korean Journal of Horticultural Science & Technology, Vol. 18, No. 2, P-1-2, 2000.
K. Y. Choi and Y. B. Lee, "Effect of Air Temperature on Tipburn Incidence of Butterhead and Leaf Lettuce in a Plant Factory", Korean Journal of Horticultural Science & Technology, Vol. 44, No. 6, pp. 805-808, 2003.
C. H. Cheong, J. Y. Kim, T. Y. Kim, and S. B. Leigh, "Analysis on the Improvement Factor of Residential Building Energy Rating System in the Respect of Passive House", Journal of Architectural Institute of Korea, Vol. 26, No. 3, pp. 235-243, 2010.
PARUS Co., Ltd., "The Installation Status of LED Plant Factory System for Business Use", 2011 LED Plant Factory Seminar, 2011.
Seoul Semiconductor, Technology - Thermal Characteristics, www.acriche.com
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