[논문]식물공장 이중창호의 하절기 열전달 성능 분석

소재현; 김우태

doi:10.6110/kjacr.2012.24.4.351

문제 정의

본 연구에서는 하절기 식물공장 냉방부하의 저감을 위해 지중매설관에서 공급되는 저온의 공기를 활용한 이중창호 시스템의 개념설계를 수행하였다. 이중창호 설계변수를 변화시키며 범용 열유동 해석 프로그램인 FLUENT⁽²⁾를 사용하여 시스템의 열전달 성능을 분석하였다.
이중창호 설계변수를 변화시키며 범용 열유동 해석 프로그램인 FLUENT⁽²⁾를 사용하여 시스템의 열전달 성능을 분석하였다. 인자별 성능변화를 비교분석하여 식물공장에 적용 가능한 시스템의 형태를 제시하였다.

가설 설정

연중 운영되는 식물공장의 창호표면에서의 평균 공기속도에 대한 정보가 부족한 상태이므로 Table 2와 같이 이중창호 표면의 공기속도조건을 변화시키며 이중창호 내피, 외피를 통해 유입되는 단위면적당 열전달률, 열유속(q_in,IS, q_{in, OS})을 계산하였다. (Type A configuration in Fig. 4) 이때, 이중창호의 중공층은 정체된 공기로 채워져 있고 이중창호 내부표면과 외부표면에서의 평균 공기속도는 동일하다고 가정하였다. Table 2에서 이중창호 표면의 평균 공기속도에 따라 q_in,IS가 증가하는 것을 알 수 있다.
이중창호 내외기의 온도와 유동조건에 따른 열전달 현상을 분석하기 위해 FLUENT를 사용한 계산을 수행하였다. 3차원 정상상태의 유동으로 가정하였으며 질량보존, 운동량보존, 에너지보존 방정식의 해법을 통해 속도장과 온도장 분포를 계산하고 이중창호 표면을 통한 열전달량을 분석하였다. 난류유동의 해석에는 표준 k-ε 모델을 사용하였다.
전 장에서 선택된 4가지 핵심변수가 이중창호의 열전달 성능에 미치는 영향을 계산하기 위해서 이중창호 내외부의 온도 및 유동조건을 우선적으로 설정해야 한다. 먼저 생산기간이 짧아 식물공장에서 손쉽게 재배가 가능한 엽채류의 생장조건인 20℃를 실내온도로 유지한다고 가정하였다. 식물공장 외부는 하절기 혹서기 조건인 30℃의 온도를 설정하였다.
공기속도가 빨라질수록 표면 근처에서의 온도구배는 커지고 이로 인해 열유속이 증가한다. 본 연구에서 수행된 4가지 핵심변수별 민감도 계산에서는 통상적인 식물공장 운전조건 하의 이중창호 내외부 표면에서의 평균 공기속도를 1 m/s로 가정하였다.

제안 방법

Case 6～Case 8에서 중공층 두께의 변화에 따른 영향을 계산해 보았다. 중공층 유입구를 통해 공급되는 공기의 유속이 75 cm/s로 중공층 두께가 증가함에 따라 공기유입량이 비례하여 증가하고 열차단 성능 또한 증가하였다.
공기유입구의 영향에 더하여 중공층에서 배출되는 공기의 유출구 배치가 미치는 영향을 살펴보기 위하여 Case 8, Case 11～Case 14에서 공기유량은 동일하지만 출구조건이 Fig. 4의 5가지 type으로 주어진 경우들의 계산을 수행하였다. 계산결과 중공층 내부공기의 속도분포와 온도분포에 다소간의 차이는 발생하지만 q_in,IS에는 큰 차이가 발생하지 않았다.
창호의 열전달 성능은 창호 내외부의 온도뿐만 아니라 대류열전달을 지배하는 창호표면에서의 평균 공기속도에 의해 크게 좌우된다. 연중 운영되는 식물공장의 창호표면에서의 평균 공기속도에 대한 정보가 부족한 상태이므로 Table 2와 같이 이중창호 표면의 공기속도조건을 변화시키며 이중창호 내피, 외피를 통해 유입되는 단위면적당 열전달률, 열유속(q_in,IS, q_{in, OS})을 계산하였다. (Type A configuration in Fig.
육각형 유리온실 단위유닛 3개가 결합된 3층 구조물을 1개 동으로 하며 6개 동이 벌집 형태로 결합된 구조물이다. 영국 Design Builder사에서 개발한 건축물 에너지 및 환경 시뮬레이션 프로그램인 DesignBuilder⁽³⁾를 활용하여 Fig. 1의 식물공장에 유리재질의 이중창호를 채택한 경우에 대하여 냉난방부하 해석을 실시하였다.⁽⁴⁾
이중창호 내외기의 온도와 유동조건에 따른 열전달 현상을 분석하기 위해 FLUENT를 사용한 계산을 수행하였다. 3차원 정상상태의 유동으로 가정하였으며 질량보존, 운동량보존, 에너지보존 방정식의 해법을 통해 속도장과 온도장 분포를 계산하고 이중창호 표면을 통한 열전달량을 분석하였다.
이중창호 중공층으로의 공기유입구가 아래에 위치한 경우 상대적으로 긴 거리를 유입공기가 통과하여야 하므로 창호의 열차단 성능이 낮을 것으로 예상이 되어 공기유입구의 위치를 측면으로 배치한 Type B 방식에 대한 계산을 Case 10과 Case 11에서 수행하였다. Case 8, Case 11과 Case 9, Case 10의 조합은 동일한 유량 조건이지만 공기유입구의 위치만 하부에서 측면으로 변경된 경우를 비교한 계산이다.
이중창호의 성능을 결정하는 핵심변수로 공기유입구의 개수, 이중창호 중공층의 두께, 공기유입구의 위치, 공기유출구의 배치를 선정했다. 공기유입구의 개수는 1개, 3개, 5개를 고려하였고, 이중창호 중공층의 두께는 10 mm, 20 mm, 30 mm 의 경우를 고려하였다.
지중매설관에서 공급되는 저온의 공기를 활용하는 이중창호의 열차단 성능에 영향을 미치는 인자들에 대한 수치해석을 수행하였다.

대상 데이터

Fig. 1은 공주대학교 에너지자립형 그린빌리지 핵심기술 사업단에서 개발 중인 KNU 식물공장의 3차원 모델의 외관이다. 육각형 유리온실 단위유닛 3개가 결합된 3층 구조물을 1개 동으로 하며 6개 동이 벌집 형태로 결합된 구조물이다.
Fig. 1의 육각형 단위유닛의 한쪽 측면은 이중창호 2개를 사용하여 구성할 계획이므로 본 연구에 사용된 이중창호의 계산영역은 높이 3.5 m, 폭 2.25 m의 크기로 설정하였다. 이중창호는 5 mm 두께의 polycarbonate 재질을 가지고 있으며 Table 1에 물성치가 주어져 있다.
이중창호의 성능을 결정하는 핵심변수로 공기유입구의 개수, 이중창호 중공층의 두께, 공기유입구의 위치, 공기유출구의 배치를 선정했다. 공기유입구의 개수는 1개, 3개, 5개를 고려하였고, 이중창호 중공층의 두께는 10 mm, 20 mm, 30 mm 의 경우를 고려하였다. 공기유입구의 위치와 공기유출구의 배치는 이중창호 전면에서 바라보았을 때 Fig.
1층의 바닥면에만 지면바닥조건으로 설정하였고 천장과 외벽은 모두 유리창호로 설정하였다. 모든 창호는 6 mm sodalime glass 2장 사이에 공기층 12 mm가 존재하는 이중창이 적용되었다. 환기량 0 ACH(Air Change per Hour), 실내상대습도 61.
1은 공주대학교 에너지자립형 그린빌리지 핵심기술 사업단에서 개발 중인 KNU 식물공장의 3차원 모델의 외관이다. 육각형 유리온실 단위유닛 3개가 결합된 3층 구조물을 1개 동으로 하며 6개 동이 벌집 형태로 결합된 구조물이다. 영국 Design Builder사에서 개발한 건축물 에너지 및 환경 시뮬레이션 프로그램인 DesignBuilder⁽³⁾를 활용하여 Fig.
모든 창호는 6 mm sodalime glass 2장 사이에 공기층 12 mm가 존재하는 이중창이 적용되었다. 환기량 0 ACH(Air Change per Hour), 실내상대습도 61.4%, 외기조건은 공주대학교 천안공과대학과 인접한 평택의 EPW(Energy Plus Weather file)형식 기후 데이터의 조건을 사용하였다.

데이터처리

본 연구에서는 하절기 식물공장 냉방부하의 저감을 위해 지중매설관에서 공급되는 저온의 공기를 활용한 이중창호 시스템의 개념설계를 수행하였다. 이중창호 설계변수를 변화시키며 범용 열유동 해석 프로그램인 FLUENT⁽²⁾를 사용하여 시스템의 열전달 성능을 분석하였다. 인자별 성능변화를 비교분석하여 식물공장에 적용 가능한 시스템의 형태를 제시하였다.

이론/모형

난류유동의 해석에는 표준 k-ε 모델을 사용하였다.

성능/효과

(1) 공기유입구의 개수를 1개, 3개, 5개로 변화시켰을 때 공기유입량의 증가와 함께 열차단 성능이 향상되었다.
(2) 중공층의 두께를 10 mm, 20 mm, 30 mm로 변화시켰을 때 공기유입량의 증가와 함께 열차단 성능이 향상되었다. 하지만, 공기유입량의 증가는 지중매설관 시스템의 부하를 증가시키는 단점이 있다.
(3) 공기유입량을 일정하게 유지한 채 공기유입구 위치를 하부와 측면에 두었을 때를 비교한 결과 열차단 성능의 차이는 크지 않았다. 하지만, 추가의 연구가 필요할 것으로 판단된다.
(4) 공기유출구의 배치에 따른 차이를 비교한 결과 공기유출구의 면적이 클 때의 열차단 성능이 더 크게 나타났다.
4의 5가지 type으로 주어진 경우들의 계산을 수행하였다. 계산결과 중공층 내부공기의 속도분포와 온도분포에 다소간의 차이는 발생하지만 q_in,IS에는 큰 차이가 발생하지 않았다. q_in,IS의 차이는 최대 0.
이에 따라 Case 4에서 외피를 통해 중공층으로 유입되는 열전달량은 Case 1의 92 W에서 117 W로 25 W가 증가하였으나 중공층 유출구를 통해서 유입구로 유입되는 열전달량 대비 16 W가 더 배출되었다. 따라서 Case 4에서 내피를 통해 내부로 유입되는 열전달량은 Case 1의 92 W에 대비하여 9 W가 더 많은 101 W로 나타났다. 하지만 유량이 증가한 Case 6의 경우 Case 1 대비 외피를 통해 중공층으로 유입되는 열전달량은 66 W가 늘어난 반면, 중공층 유출구로는 76 W가 더 배출되어 내피를 통해 내부로 유입되는 열전달량은 10 W가 감소하였다.
Table 3에 나타난 바와 같이 Case 1～Case 3에서 중공층 공기가 정체되어 있고 중공층 두께만 변하는 경우의 q_in,IS를 계산하여 모든 민감도 해석의 기준으로 삼았다. 와 중공층 두께가 증가할 때 공기층의 열차단 효과가 증가하여 q_in,IS가 감소하였다. Case 4～Case 6에서 다른 설계변수는 고정하고 공기유입구의 개수를 1, 3, 5개로 변화시켰다.
Case 4～Case 6에서 다른 설계변수는 고정하고 공기유입구의 개수를 1, 3, 5개로 변화시켰다. 유입구당 공기유입량이 일정하므로 유입구의 개수가 늘어날수록 저온의 공기 유입량이 증가하여 q_in,IS가 감소하는 결과를 얻었다. Case 1과 비교해본다면 유입구가 1개 일 때는 오히려 중공층에 공기유입이 없을 경우보다 q_in,IS가 더 크게 나타났다.
내부온도를 20℃로 유지한 경우 연간 냉방부하가 151 MWh이고 난방부하는 115 MWh로 냉방부하로 인한 에너지 요구량이 크게 나타났다. 특히, 엽채류 생육에 필요한 LED광을 조사하고 LED에 공급된 전력의 80%가 열로 전환되는 조건에서는 냉방부하가 250 MWh이고 난방부하는 57 MWh로 냉난방부하의 차이가 더 커졌다. 따라서 식물공장의 에너지부하를 절감하기 위해 하절기 냉방부하를 감소시키는 것이 가장 효과적인 방법이 될 수 있다.

후속연구

(6) 지중매설관 시스템의 부하 증가에 따른 설치비를 분석하여 최적의 중공층 유입 공기속도를 결정하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
하지만, 공기유입구의 위치변화에 따른 열차단 효과에의 영향은 크지 않았다. 하지만, 유입구형상 및 위치에 따른 중공층 공기유동의 변화가 이중창호 열차단 성능에 미치는 영향은 차 후에 좀 더 면밀한 검토가 이루어져야 할 것으로 사료된다.
(3) 공기유입량을 일정하게 유지한 채 공기유입구 위치를 하부와 측면에 두었을 때를 비교한 결과 열차단 성능의 차이는 크지 않았다. 하지만, 추가의 연구가 필요할 것으로 판단된다.
향후 최적의 이중창호 시스템을 설계하기 위해 본 연구에서 고려된 인자들에 더하여 지역별 외기온도 변화, 복사열전달 효과 등을 고려한 연구를 추가적으로 진행할 계획이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광원 병합형 식물공장이 일반 외피와 비교해 볼때 가지는 단점은?	광원 병합형 식물공장은 태양광을 사용하기 때문에 창호의 사용 면적이 상대적으로 더 넓다. 일반 외피와 비교할 때 창호의 열관류율이 상대적으로 크기 때문에 외피가 주로 창호로 이루어진 식물공장은 일반 건물대비 더 큰 냉난방부하를 발생시킨다. 특히, 최대부하가 발생하는 하절기의 식물공장 냉방부하 저감을 위해 창호의 성능개선이 중요하다.
	식물공장의 종류은 어떻게 분류될 수 있는가?	식물공장의 종류는 완전 제어형과 광원 병합형으로 분류할 수 있다. 완전 제어형은 인위적으로 환경을 제어하여 사계절 내내 외부 조건의 영향을 받지 않고 식물을 키우는 방식이다.
	식물공장의 완전 제어형이란?	식물공장의 종류는 완전 제어형과 광원 병합형으로 분류할 수 있다. 완전 제어형은 인위적으로 환경을 제어하여 사계절 내내 외부 조건의 영향을 받지 않고 식물을 키우는 방식이다. 광원 병합형은 완전 제어형과 달리 LED(Light Emitting Diode) 램프와 같은 기존 광원에 더하여 태양광을 함께 사용한다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

식물공장 이중창호의 하절기 열전달 성능 분석
Performance Analysis of Summertime Heat Transfer Characteristics of the Double Skin Window for Plant Factory 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

식물공장 이중창호의 하절기 열전달 성능 분석 Performance Analysis of Summertime Heat Transfer Characteristics of the Double Skin Window for Plant Factory 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김우태 (4)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

식물공장 이중창호의 하절기 열전달 성능 분석
Performance Analysis of Summertime Heat Transfer Characteristics of the Double Skin Window for Plant Factory 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper