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CFD 기반의 순환 팬 배치 및 유속조절에 의한 식물공장의 에너지 효율 향상
Improvement of Energy Efficiency of Plants Factory by Arranging Air Circulation Fan and Air Flow Control Based on CFD 원문보기

Journal of Internet Computing and Services = 인터넷정보학회논문지, v.16 no.1, 2015년, pp.57 - 65  

문승미 (Department of Multimedia Engineering, Kongju National University) ,  권숙연 (Green Energy Technology Research Center, Kongju National University) ,  임재현 (Department of Multimedia Engineering, Kongju National University)

초록
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농업과 IT기술 융합이 가속화됨에 따라 식물공장 내 작물의 품질 및 생산성을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 식물공장의 생산성을 최대화하기 위해서는 먼저 시설 내부의 특성을 고려하여 생육에 적합한 열 환경과 공기의 흐름을 제공하기 위한 고도의 생장환경 관리기술이 필요하다. 현재 운영되고 있는 식물공장은 특화된 공기유동장치의 설계 및 운영기술이 확립되지 않아 온도 기류 편차로 인한 불균일한 품질의 작물 생산, 재배기간 연장에 따른 에너지 소비 등의 문제점을 내포하고 있다. 이를 해결하기 위해서는 식물공장 시설의 설계 단계에서 전산유체역학 시뮬레이션을 이용한 공기유동장치의 배치 및 운영기술에 대한 최적화 과정이 선행되어야 한다. 본 연구에서는 CFD(Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 이용한 순환 팬의 적정 배치 및 유속을 파악하여 식물공장 시설 내부의 각 지점별 온도 편차를 최소화하고 에너지소비를 절감한다. 시뮬레이션 조건은 순환 팬의 설치 위치 및 수량 그리고 유속변화에 따라 총 12가지의 Case로 구분하였으며 해석을 위한 경계 조건 변수는 동일하게 설정하였다. 시뮬레이션 결과, 2set의 순환 팬을 식물재배기 상단에 부착한 Case D의 제어 조건이 설정온도에 부합하는 296.33K의 평균온도를 유지하면서 식물생육에 적합한 0.51m/s의 기류분포를 보였다. 또한, 순환 팬의 유속을 변화시킨 결과, 출구 유속을 2.09/s로 설정한 Case D-3이 에너지 효율 측면에서 가장 우수한 결과를 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

As information technology fusion is accelerated, the researches to improve the quality and productivity of crops inside a plant factory actively progress. Advanced growth environment management technology that can provide thermal environment and air flow suited to the growth of crops and considering...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 CFD 시뮬레이션을 이용하여 밀폐된 식물 공장 시설 내부의 온도편차를 최소화하고 에너지 소비 효율을 향상시키기 위한 순환 팬의 적정 배치 및 유속을 파악하였다. 그림 11은 Case A ~ Case D의 시뮬레이션 결과로 시설 내부의 평균온도 및 평균유속을 나타낸 것이다.
  • 본 연구에서는 완전제어형 식물공장을 대상으로 CFD 시뮬레이션을 수행해 순환 팬의 적정 배치 및 유속을 파악하여 시설 내부의 각 지점별 온도편차를 최소화하고 에너지 소비 효율을 향상시킨다. 먼저 시뮬레이션 조건으로 순환 팬의 부착 위치 및 수량에 따라 4가지 Case로 구분하고, 그 중 가장 우수한 성능의 Case를 대상으로 팬의 유속을 8단계로 변경해가며 시설 내부의 온도 및 기류분포 변화를 분석한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
전산유체역학의 처리과정은 어떻게 나눌 수 있는가? 전산유체역학의 처리과정은 크게 세 가지로 구분된다. 첫 번째는 해석하고자 하는 대상의 형태 및 계산영역을 정의하는 전처리 과정(Pre-processing)이다. 두 번째는 재질의 물리적 특성및 경계조건을 입력하여 해석하는 과정(Solving)이며 마지막으로 해석 결과를 추출 및 분석하는 후처리(Postprocessing) 과정이다[13]. 이러한 일련의 과정은 시설 설계에 소요되는 시간 및 비용 절감에 효과적이므로 온실 등의 작물재배시설에서 공기유동을 해석하기 위한 도구로 유용하게 활용하고 있다[14,15].
CFD란 무엇인가? 이러한 설계 비용 및 소요시간을 최소화하기 위해서는 CFD(Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션 기법을 이용한 공기유동장치의 적정 배치 및운영기술에 대한 최적화 과정이 선행되어야 한다. CFD(전산유체역학)는 컴퓨터를 이용하여 수치해석적 방법으로 유체의 움직임을 해석하는 개념이다. 전산유체역학의 처리과정은 크게 세 가지로 구분된다.
수직 다단형태의 완전제 어형 식물공장은 어떤 문제점을 수반하는가? 식물공장의 제어대상이 되는 생육환경 요소로는 빛, 온도, 습도, CO2, 양액 등이 있으며 작물생육은 특히 빛과 온도에 민감하게 반응한다. 수직 다단형태의 완전제 어형 식물공장은 재배단마다 조명장치를 개별 부착하여 균일한 빛의 분포를 유지할 수 있으나 조명장치의 발열량과 공기유동장치의 부적합한 설치 위치 및 제어 방식 등에 의해 기타 재배환경의 편차를 발생시키는 문제점을 수반한다[7,8]. 이러한 온도, 습도, CO2 등 재배환경의 편차는 불균일한 품질의 작물 생산과 재배기간 연장에 따른 에너지 소비를 가중시킨다[9].
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참고문헌 (16)

  1. J. W. Lee, J. H. Hwang, Y. Hyun, "Trends and Future Direction of Agricultural ICT Convergence Technology", Journal of The Korean Institute of Communication Sciences, Vol. 31, no.5, pp.54-60, May. 2014. http://www.dbpia.co.kr/Article/3459581 

  2. Woo-Soo Jeong, Sa-Hyuk Kim, "An Analysis of the Economic Effects on the Project to Construct Smart Network", Journal of Internet Computing and Services(JICS), Vol. 12, no.4, pp.61-71, Aug. 2011. http://www.dbpia.co.kr/Article/1510108 

  3. Woong-Sik Kim, Jong-Ki Kim, "The Implementation of Remote Machine Health Monitoring System using Internet", Journal of Internet Computing and Services(JICS), Vol. 14, no.6, pp.19-23, Dec. 2013. http://dx.doi.org/10.7472/jksii.2013.14.6.19 

  4. Bup-Ki Min, Yongjin Seo, Hyeon Soo Kim, Seunghak Kuk, Yonghwan Jung, Chumsu Kim, "Dynamic Reconfigurable Integrated Management and Monitoring System for Heterogeneous Distributed Environments", Journal of Internet Computing and Services(JICS), Vol. 13, no.6, pp.64-74, Dec. 2012. http://dx.doi.org/10.7472/jksii.2012.13.6.63 

  5. Jae Whune Kim, "Trend and direction for plant factory system", J Plant Biotechnol, Vol. 37, no.4, pp.442-455, 2010. http://dx.doi.org/10.5010/JPB.2010.37.4.442 

  6. Dong-Yoon Park, Seong-Teak Jang, Seong-Ju Chang, "Numerical Study on the Thermal Environment of a Natural Light Based Multi-layered Plant Factory", Journal of the Korea institute of ecological architecture and environment, Vol. 13, no.5, pp.43-50, Oct. 2013. http://dx.doi.org/10.12813/kieae.2013.13.5.043 

  7. G. I. Lee, J. K. Kwon, D. E. Kim, "Forced Ventilation Characteristic of the Vertical Plant Factory using CFD Simulation", Vol. 18, no.1, pp.221-222, 2013. http://www.riss.kr/link?idA99829723 

  8. Sang-Woon Nam, Young-Shik Kim, "Analysis on the Uniformity of Temperature and Humidity According to Environment Control in Tomato Greenhouses", Protected Horticulture and Plant Factory, Vol. 18, no.3, pp.215-224, Sep. 2009. http://www.dbpia.co.kr/Article/1100044 

  9. Boulard. T, Papadakis. G, Kittas. C, Mermier. M, "Air flow and associated sensible heat exchanges in a naturally ventilated greenhouse", Agricultural and forest meteorology, Vol. 88, no. 1-4, pp.111-119, 1997. http://dx.doi.org/10.1016/S0168-1923(97)00043-9 

  10. Hankyoung KIM, "Design of Test-Effort Estimation Model", Journal of Internet Computing and Services(JICS), Vol. 14, no.1, pp.23-30, Feb. 2013. http://dx.doi.org/10.7472/jksii.2013.14.23 

  11. Yun N.K., "Design and Analysis Technique for Greenhouse Environment Using CED Simulation -Design and Analysis for Natural Ventilation-", Controlled Horticulture Research Vol. 15, no.1, pp.20-26, Sep. 2002. http://www.dbpia.co.kr/Article/880544 

  12. In-Bok Lee, Nam-Kyu Yun, Thierry Boulard, Jean Claude Roy, Sung-Hyoun Lee, Gyoeng-Won Kim, Se-Woon Hong, Si-Heung Sung, "Development of an Aerodynamic Simulation for Studying Microclimate of Plant Canopy in Greenhouse - (2) Development of CFD Model to Study the Effect of Tomato Plants on Internal Climate of Greenhouse -", Protected Horticulture and Plant Factory, Vol. 15, no.4, pp.296-305, Dec. 2006. http://www.dbpia.co.kr/Article/916217 

  13. H. K. Myeong, "Introduction to CFD", Munundang, 2008. 

  14. Kyung-jin Yim, Hong-jip Kim, Sang-min Lee, Kyoung-Sub Park, "CFD Analysis on the Flow Uniformity of a $CO_2$ Enrichment System", Protected Horticulture and Plant Factory, Vol. 22, no.2, pp.123-130, Jun. 2013. http://dx.doi.org/10.12791/KSBEC.2013.22.2.123 

  15. In-Ho Yu, Myeong-Whan Cho, Si-Young Lee, Hee-Chun, In-Bok Lee, "Effects of Circulation Fans on Uniformity of Meteorological Factors in Warm Air Heated Greenhouse", Protected Horticulture and Plant Factory, Vol. 16, no.4, pp.291-296, Dec. 2007. http://www.dbpia.co.kr/Article/917141 

  16. You Heo, So-Hee Kim, Eun-Gi Park, Beung-Gu Son, Young-Whan Choi, Yong-Jae Lee, Young-Hoon Park, Jeong-Min Suh, Jae-Hwan Cho, Chang-Oh Hong, Sang-Gye Lee, Jum-Soon Kang, "The Influence of Abnormally High Temperatures on Growth and Yield of Hot Pepper(Capsicum annum L.)", Journal of Agriculture & Life Sciences, Vol. 47, no.2, pp.9-15, 2013. http://db.koreascholar.com/article.aspx?code280266 

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