[논문]버섯재배사의 공조시스템 설계에 대한 연구

류경진; 손재환; 한창우; 나규동

doi:10.5762/kais.2017.18.2.743

버섯재배사의 공조시스템 설계에 대한 연구
A study on the design of air conditioning system in the mushroom cultivation greenhouse 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.2, 2017년, pp.743 - 750

류경진 (아주자동차대학 자동차계열) , 손재환 (대구기계부품연구원) , 한창우 (영남이공대학교 자동차과) , 나규동 ((주)에이치엔엘)

초록
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온실에서 버섯을 재배할 때 균일한 온도 분포가 되도록 하는 것이 중요하다. 지하 공기를 이용하여 비닐 하우스, 버섯재배사에 일정 온도의 공기를 공급하며 균일하게 유지하게 한다. 버섯재배사 구조는 7단 4열의 다배열 균상들 사이의 공기 흐름을 원활히 하고 위, 아래 균상 간의 환경 차이를 방지한다. 0.5m/s의 속도로 유입되는 공기는 초기 내부온도 간의 차이에 따라 밀도 차에 따른 부력에 의한 효과 역시 무시할 수 없으며, 온실내의 유동 해석을 통해 적정 온도가 균등하게 분포하도록 FCU(Fan Coil Unit)와 Fan의 위치를 정해야 한다. 본 연구에서는 유동해석을 통해 FCU와 Fan으로 구성된 샌드위치 단열 패널형의 버섯재배사의 공조시스템을 설계할 수 있었다. 그리고 재배사 내부의 온도 및 유동 해석을 통해 FCU(유입구)와 Fan(출구)의 위치가 서로 다른 Case에서 유입되는 공기의 순환 경로가 길어지면서 비교적 균일한 온도분포를 갖는데 유리함을 알 수 있었다. 따라서 이러한 환경 개선을 통해 버섯의 생육 및 품질 균일성을 도모할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is important to ensure a uniform temperature distribution in greenhouses for the mushroom cultivation. The air temperature of the mushroom cultivation greenhouse is made uniform by supplying a constant air temperature with the underground air. The mushroom cultivation array in a greenhouse in seven columns and four rows can make smooth air flows between the rows and prevent air differences between the top and bottom. The buoyancy effect in the entering air of 0.5m/s based on following density difference depending on initial internal temperature needs to be considered. The locations of the Fan Coil Unit (FCU) and fan were defined through flow analysis in a greenhouse to distribute the optimal uniform temperature. In this study, the air conditioning system of a greenhouse with a sandwich heat insulting panel shape which is composed of a FCU and fan was designed by flow analysis. A relatively uniform temperature distribution can be formed because the circulation path of air becomes longer in the different locations of the FCU (inlet) and fan (outlet) through the internal temperature and flow analysis. The cultivation and quality uniformity of the mushrooms could be promoted through these environmental improvements.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 7단 4열로 재배되는 느타리버섯 재배사 내부의 환경 균일성 향상을 위하여 전산유체 해석 프로그램을 활용하여 내부에 송풍 팬을 설치하여 버섯 재배사 내부에 인공적인 유동을 발생시켜 내부 공기의 혼합을 촉진함으로써 버섯의 생육과 관련된 온도, 습도의 균일성을 향상하고자 하였다[5]. 또한 버섯 재배사 내부에서 팬의 위치와 그 공기 유속 등을 변화해가며 버섯 재배사 내부의 유동특성과 온도분포를 분석했다[6, 7].
본 연구에서는 7단 4열의 버섯재배사 내부의 유동 및온도 특성을 분석하였다. FCU와 팬의 위치별로 Case를 구분하였고, 내부 온도를 0～30 ℃ 까지 변화시키면서 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

가설 설정

4(a), (b)는 비닐하우스의 외벽과 7단 4열로 재배되는 느타리버섯 재배사 내부을 각각 도시하였다. 버섯재배사 및 외부 벽면은 벽으로 부터의 열전달이 연구 목적이 아니기 때문에 단열벽으로 가정하고 계산을 수행하였다.
본 연구에 사용된 상용 소프트웨어는 ANSYS CFXV15.0으로 3차원 정상상태로 가정하여 계산을 수행하였다. 사용된 mesh는 격자수를 줄이기 위해 Fig.

제안 방법

본 연구에서는 7단 4열의 버섯재배사 내부의 유동 및온도 특성을 분석하였다. FCU와 팬의 위치별로 Case를 구분하였고, 내부 온도를 0～30 ℃ 까지 변화시키면서 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
느타리 버섯재배사의 공조시스템 해석을 위해 내부의 공기층을 3D 모델링한다. 폭설시에도 안정성을 확보 하기 위해서 구조적으로 안전한 외부 형상을 설계하였다[7].
본 연구에서는 7단 4열로 재배되는 느타리버섯 재배사 내부의 환경 균일성 향상을 위하여 전산유체 해석 프로그램을 활용하여 내부에 송풍 팬을 설치하여 버섯 재배사 내부에 인공적인 유동을 발생시켜 내부 공기의 혼합을 촉진함으로써 버섯의 생육과 관련된 온도, 습도의 균일성을 향상하고자 하였다[5]. 또한 버섯 재배사 내부에서 팬의 위치와 그 공기 유속 등을 변화해가며 버섯 재배사 내부의 유동특성과 온도분포를 분석했다[6, 7].
폭설시에도 안정성을 확보 하기 위해서 구조적으로 안전한 외부 형상을 설계하였다[7]. 실제 버섯재배사의 크기는 가로 25 m 세로 7 m 높이 4.3 m 이지만, 지오메트리의 가로 영역이 대칭구조로 되어 있기 때문에 창 축을 기준으로 가로 12.5 m 한쪽만 모델링하였다.
수치해석에 대한 검증은 Grid test를 통해 신뢰성을 검증하였다. 입구의 경계조건을 결정함에 있어 대기 온도 15℃와 FCU의 유량 성능 등을 고려하여 입구온도와 유속을 각각 계산하였다. 그리고 재배사 주위는 경계층을 모사하기 위해서 프리즘 매쉬를 사용하였으며, 내부 난류 유동에 적합한 k-ε 난류 모델로 선정하여 해석하였다.
5m/s의 유속으로 버섯재배사 내부로 흘려보냈다. 출구 조건은 인위적인 부하없이 빠져나가기 위해 대기압 조건을 설정하였다.
느타리 버섯재배사의 공조시스템 해석을 위해 내부의 공기층을 3D 모델링한다. 폭설시에도 안정성을 확보 하기 위해서 구조적으로 안전한 외부 형상을 설계하였다[7]. 실제 버섯재배사의 크기는 가로 25 m 세로 7 m 높이 4.

대상 데이터

0으로 3차원 정상상태로 가정하여 계산을 수행하였다. 사용된 mesh는 격자수를 줄이기 위해 Fig. 2 (b)에 보이는 것과 같이 입구와 출구, 재배사의 위치를 고려해서 모두 정규격자로 구성하였으며, 격자는 450만개로 계산을 수행하였다. 수치해석에 대한 검증은 Grid test를 통해 신뢰성을 검증하였다.

데이터처리

2 (b)에 보이는 것과 같이 입구와 출구, 재배사의 위치를 고려해서 모두 정규격자로 구성하였으며, 격자는 450만개로 계산을 수행하였다. 수치해석에 대한 검증은 Grid test를 통해 신뢰성을 검증하였다. 입구의 경계조건을 결정함에 있어 대기 온도 15℃와 FCU의 유량 성능 등을 고려하여 입구온도와 유속을 각각 계산하였다.

이론/모형

Table 2의 난류모델은 K-Epsilon 모델을 사용하였으며, 열전달 조건은 저속 흐름에서 온도를 계산하고, 열전달을 모델링하는데 적합한 모델인 thermal Energy 조건을 사용하였으며, 정상상태로 계산을 수행하였다. 계절 변화를 고려한 설계 변수로 내부온도를 설정(0℃～30℃)하였고, 유동 해석의 최종 목적은 내부 온도가 12～18℃가 유지되도록 하는 조건을 찾는 것으로 정하였다[8].
그리고 재배사 주위는 경계층을 모사하기 위해서 프리즘 매쉬를 사용하였으며, 내부 난류 유동에 적합한 k-ε 난류 모델로 선정하여 해석하였다.

성능/효과

1. 버섯재배사 내부는 비교적 느린 유속의 자연대류에 의한 열확산이 이루어져 전반적으로 일정한 온도 분포를 보임을 알 수 있었다. 공기의 순환 경로가 길어지게 FCU와 팬의 위치가 결정될 때 비교적 균일한 온도분포를 갖는데 유리하다는 것을 확인할 수 있었다.
2. 내부 온도에 대한 유입 공기 온도의 대소값이 변할 때 가장 균일한 온도 분포를 유지하는 Case가 변화한다는 것을 알 수 있었다.
3. Case 1, 4에서는 0, 30 ℃와 같은 극한 조건에서 팬에 의한 강제대류에만 열전달이 발생하여 다른 Case에 비해 불리함을 알 수 있었다.
버섯재배사 내부는 비교적 느린 유속의 자연대류에 의한 열확산이 이루어져 전반적으로 일정한 온도 분포를 보임을 알 수 있었다. 공기의 순환 경로가 길어지게 FCU와 팬의 위치가 결정될 때 비교적 균일한 온도분포를 갖는데 유리하다는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	버섯재배사는 어떤 시설을 사용하여 버섯을 재배하는가?	버섯재배사는 하우스파이프 골조와 보온덮개 등을 이용해 시설한 간이버섯재배사와 샌드위치 단열 패널을 이용해 시설한 양지붕형 재배사가 있으며, 최근에는 주로 샌드위치 단열 패널을 이용한 양지붕형 재배사가 널리 활용되고 있다[2]. 이와 같이 단열 패널을 이용한 재배사가 증가하는 이유는 보온덮개를 이용한 간이 버섯재배사에 비해 외부의 기상조건으로부터 내부의 환경관리가 용이하기 때문이다.
	국내 느타리버섯의 인공재배는 언제 시작되어 어떤 기술을 사용하고 있는가?	우리나라에서 느타리버섯의 인공재배는 1973년부터 시작되어 1989년부터 폐면배지 이용 기술을 사용하여 재배되고 있다. 오늘날에는 버섯재배사 내부 환경을 인공적으로 제어하여 외부 환경과 무관하게 연중 계획생산이 가능하다[1].
	오늘날 느타리버섯의 연중 계획생산이 가능한 이유는?	우리나라에서 느타리버섯의 인공재배는 1973년부터 시작되어 1989년부터 폐면배지 이용 기술을 사용하여 재배되고 있다. 오늘날에는 버섯재배사 내부 환경을 인공적으로 제어하여 외부 환경과 무관하게 연중 계획생산이 가능하다[1].

참고문헌 (8)

S. H. Lee, B. K. Yu, H. J. Kim, N. K. Yun, J. C. Jung, "Technology for Improving the Uniformity of the Environment in the Oyster Mushroom Cultivation House by using Multi-layered Shelves", Protected Horticulture and Plant Factory, vol. 24, no. 2, pp. 128-133, June, 2015. DOI: https://doi.org/10.12791/KSBEC.2015.24.2.128

원문보기 상세보기
RDA(Rural Development of Administration), Standard blueprint of mushroom cultivation house, 1992.
I. B. Lee, W. M. Suh, T. K. Kim, M. G. Choi, Y. C. Yoon, "Survey and analysis on operation of equipments for environmental control in Pleurotus eryngii cultivation facilities", Journal of Agriculture & Life Science, vol. 41, no. 4, pp. 47-53, 2007.
Y. C. Yoon, W. M. Suh, H. W. Lee, "Analysis of environment factors in Pleurotus eryngii cultivation house", J. Bio-Env. Con, vol. 12, no. 4, pp. 200-206, 2003.
ANSYS Inc, "ANSYS CFX" ANSYS, 2014.
Y. C. Yoon, W. M. Shu, I. B. Lee, "Analysis of Environment Factors in Pleurotus eryngii Cultiation House of Permancet Frame Type Structure", Journal of Bio-Environment Control, vol. 15, no. 2, pp. 125-137, 2006.
J. B. You, Y. C. Kim, J. U Cho, "Thermal and Fluid Analyses of Inner Air at Decomposition Equipment on the Waste Gas of Perfluorinated Compounds", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 16, no. 2, pp. 1375-1380, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2015.16.2.1375

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J. U. Cho, B. S. Min, E. J Lee, J. S. Nam "Model Design by Structural Analysis of Vinyl House at Heavy Snow", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 11, no. 8, pp. 2727-2733, 2010.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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