[논문]자연광 투과에 따른 유리온실 조도분석에 관한 조명시뮬레이션 비교

이붕주

doi:10.5762/kais.2017.18.8.350

자연광 투과에 따른 유리온실 조도분석에 관한 조명시뮬레이션 비교
A Difference Study on the Lighting Simulation of the Illuminance Values from Daylight for the Glass Greenhouse 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.8, 2017년, pp.350 - 354

초록
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본 연구에서는 유리 온실에서 자연광과 인공 광원 (LED ; PROLED사(社) L6201, L6203)를 활용한 상추를 재배하는 경우, 자연광 및 인공광원의 효과를 극대화 하고 최적 조건을 얻기 위해 여러 가지 조명 시뮬레이션 소프트웨어들 중에서 DIAlux 프로그램을 이용하여 자연광 및 인공 광원을 고려한 조명 시뮬레이션을 하였다. 유리 온실의 제작 시 배향 각도에 대한 시뮬레이션 결과를 보면, $90[^{\circ}]$(북남방향)로 설치하는 것이 좋고, 유리 온실의 유리 재질의 투과율에 따른 시뮬레이션 결과 유리 재질의 투과율이 높을수록 자연광 효과는 크게 됨을 알았다. 유리 온실에서 상추를 기준 하여 재배 시 인공 광원만을 활용 할 경우 대비 자연광 효과를 활용하여 인공 광원 (LED)으로 상추 재배 시 소비 전력 측면 41% 수준의 전력 소비로 가능함을 알았다. 이 결과로 부터 에너지 절약형 유리 온실에서 상추를 재배하는 방안을 제시코자 하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the DIAlux program was simulated for the optimal conditions of daylight and artificial light sources(LED) in a glass greenhouse. From the results of the daylight simulation, the optimal design conditions for the glass greenhouse were established, which had a $90^{\circ}$ installation angle and a higher transmittance of glass. In the case of growing lettuce in a glass greenhouse, it was compared with artificial light sources, the artificial light source (LED) was used to produce a power consumption effect of 41%. These results suggest that lettuce be grown in an energy saving glass greenhouse.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 유리온실에서 상추를 재배하는 것을기준하여 인공광원을 설치하는 경우를 제안하고자 한다. 즉 유리온실 특성상 자연광과 인공광원의 적절한 제어를 한다면 상추를 키우기 위한 최적의 유리온실 구조 제안이 가능할 것으로 예상 된다.
태양광을 활용하는 융합기술의 발전이 개발되고 있고 이 중 신환경 농업 및 신재생기술의 접목을 위한 태양광을 활용한 유리온실에 대한 연구가 활발하고 있는 실정이다. 본 연구진은 융합의 기술접목이라는 형태에서 유리온실에 태양전지의 효율적 채용 및 LED광원에 의한 식물성장 보광시스템에 대한 연구가 진행 중이고 이에 대한 자연광 및 인공광원에 대한 효과적인 예측을 위해 조명시뮬레이션을 하고자 한다.

가설 설정

이때, 시뮬레이션을 수행한 정확한 장소는 인천시 강화군 이며, 날씨 조건은 CIE 표준 청천공(CIE Clear Sky)를 적용하였다. CIE 표준 청천공 모델은 태양 부근에서 가장 휘도가 높고 태양 위치로부터 90°의 각도에 있는 천공 부근에서 가장 낮은 휘도를 갖는다는 것을 가정한다.[6]
표5에서 볼 수 있듯이, LED조명을 24시간 100%켰다는 가정하에 최소조도를 1500[lux]로 시뮬레이션을 하였다. 그 결과 소비전력량은 82 [kwh]이였으며, 낮 시간에는 자연광의 효과가 포함된 특성이 보였으며, 태양이 뜨는 시간이 가장 긴 하지일 때 제일 큰 조도특성을 보였고, 동지일 때 상대적으로 균제도 평균이 높았다.

제안 방법

본 연구에서는 유리온실에서 LED를 활용한 상추를 재배하는 경우, 자연광 및 인공광원의 효과를 극대화 하기 위하여 최적 시뮬레이션을 위해 상용화된 여러 가지 조명 소프트웨어들 중에서 DIAlux 프로그램을 이용하였다. 자연광의 효과를 가장 잘 받아야 하는 유리온실을 기준하여 시뮬레이션을 통한 얻어진 결과 값들을 분석하여 최적의 인공광원 조건으로 에너지 절약형 유리온실에서 상추를 재배하는 방안을 제시코자 한다.

대상 데이터

설치 LED는 bar LED형태로 PROLED社의 L6201(Blue)/L6203(Red)로 임의로 기준하였으며 시뮬레이션을 하였다. 이때, 상추의 재배시 최적의 LED보광 조건인 Red와 Blue의 비율을 3:1로 기준하였고 그 외의 시뮬레이션 조건은 표 4에 나타내었다.
DIAlux 프로그램을 활용하여 조명시뮬레이션을 위하여 그림1은 연구방법에 대한 표기를 하였으며, 표1은 유리온실의 시뮬레이션 수행조건을 표기하였다. 이때, 시뮬레이션을 수행한 정확한 장소는 인천시 강화군 이며, 날씨 조건은 CIE 표준 청천공(CIE Clear Sky)를 적용하였다. CIE 표준 청천공 모델은 태양 부근에서 가장 휘도가 높고 태양 위치로부터 90°의 각도에 있는 천공 부근에서 가장 낮은 휘도를 갖는다는 것을 가정한다.

데이터처리

DIAlux 프로그램을 활용하여 조명시뮬레이션을 위하여 그림1은 연구방법에 대한 표기를 하였으며, 표1은 유리온실의 시뮬레이션 수행조건을 표기하였다. 이때, 시뮬레이션을 수행한 정확한 장소는 인천시 강화군 이며, 날씨 조건은 CIE 표준 청천공(CIE Clear Sky)를 적용하였다.
특히 Raytracing 모듈을 사용하여 실사에 가까운 렌더링 결과물을 제공하며 시각적인 렌더링 결과물의 생성과 더불어 Tables, Iso contour lines, false color images , 3D mountain display, 3D Luminance와 같은 다양한 형식으로 결과를 도출 할 수 있다. 조명 프로그램 도면상에 배치되는 구조물의 물성 및 기하학적인 구조 등의 데이터를 반영하여 조도 등을 계산하고 분석한다. 또한, 대상 공간에서 요구되는 조도를 직접 입력하고 공간의 용도에 따른 보수율을 결정한 후 개략적인 기구의 설치 높이 등을 설정하면 해당 조도를 만족하는 등기구의 수량과 조도 분포, 균제도 등을 바로 계산할 수 있다.

이론/모형

본 연구에서는 유리온실에서 LED를 활용한 상추를 재배하는 경우, 자연광 및 인공광원의 효과를 극대화 하기 위하여 최적 시뮬레이션을 위해 상용화된 여러 가지 조명 소프트웨어들 중에서 DIAlux 프로그램을 이용하였다. 자연광의 효과를 가장 잘 받아야 하는 유리온실을 기준하여 시뮬레이션을 통한 얻어진 결과 값들을 분석하여 최적의 인공광원 조건으로 에너지 절약형 유리온실에서 상추를 재배하는 방안을 제시코자 한다.
본 연구에서는 유리온실에서 LED를 활용한 상추를 재배하는 경우, 자연광 및 인공광원의 효과를 극대화 하기 위하여 최적 시뮬레이션을 위해 상용화된 여러 가지 조명 소프트웨어들 중에서 DIAlux 프로그램을 이용하였다. 자연광의 효과를 가장 잘 받아야 하는 유리온실을 기준하여 시뮬레이션을 통한 얻어진 결과 값들을 분석하여 최적의 인공광원 조건으로 에너지 절약형 유리온실에서 상추를 재배하는 방안을 제시코자 한다.
조명시뮬레이션 프로그램은 시뮬레이션 계산을 위해 수학적 모델로 전역조명모델인 역광선 추적법을 채용하고 있으며, 전술한 adiosity, Raytracing, Raster Graphic을 모두 적용하고 있다. 특히 Raytracing 모듈을 사용하여 실사에 가까운 렌더링 결과물을 제공하며 시각적인 렌더링 결과물의 생성과 더불어 Tables, Iso contour lines, false color images , 3D mountain display, 3D Luminance와 같은 다양한 형식으로 결과를 도출 할 수 있다.

성능/효과

상추 재배시 필요로 하는 조건을 알아본 결과, 생육온도는 15∼20[℃], 광보상점은 1500[lux], 광포화점은25000[lux]이고, 광보상점과 광포화점 사이의 조도값이 분포될 때, 상추를 재배하기 위한 최적의 재배환경임을 파악하였다. 즉, 상추의 최적재배를 위한 최소 조도값을 각 절기의 자연광의 영향이 전혀 없는 22시를 기준으로 조명의 개수와 높이, 조도가 계산될 높이를 조절하여 전체 제어일 때, 최소조도 값이 인삼의 최소 조도 값인 1500[lux]를 넘을 수 있도록 설정을 해주었다[7-10].
넷째, 유리온실에서 상추를 기준하여 재배시 인공광원만을 활용할 경우대비 자연광을 활용하여 인공광원(LED)으로 상추 재배시 소비전력측면 41%수준의 전력 소비로 가능함을 알았다.
둘째, 하지 일때가 자연광의 조도값이 가장 크며 시간도 가장 길며, 동지 일때가 가장 작은 조도값과 시간도 가장 작은 것을 알 수 있었다.
셋째, 유리의 투과율이 높을수록 자연광효과는 크며,맑은 날 기준할 때 유리투과율이 1% 높아질 때 마다 543[lux]의 조도값 상승효과를 얻을수 있음을 알았다.
그 결과 조명을 최적점등 시킨 동시에 자연광을 고려한 가정 하에 시뮬레이션을 해주었다. 소비전력량은 하지때 34 [kwh]로 자연광을 효과적으로 활용하면 기존대비 41%수준으로 에너지 절약이 가능함을 알았다.
)의 특성을 그림2에 나타내었다. 시뮬레이션 결과 배향각이 90[^o]인경우가 자연광의 조도값의 평균 및 최소값 특성이 가장 양호함을 알 수 있었다. 이런 특성을 좀 더 명확히 보고자 조도의 최소값을 조도의 평균값으로 나눈 값이 균제도값(E_min/E_av)을 평가한 결과는 표2와 같다.
자연광의 효과는 날씨에 따라서도 많은 영향도를 받을 수 있기에 유리온실의 유리의 투과율과 날씨(맑은 하늘, 흐린 하늘, 혼합된 하늘)에 따른 조도시뮬레이션 결과는 그림5에 나타내었다. 시뮬레이션 결과 전체적으로 유리의 투과율이 좋을수록 조도값은 증가되며, 맑은 날의 경우가 투과율에 따른 자연광 조도값의 편차가 가장 큼을 알 수 있었다. 날씨가 좋을수록 자연광의 효과를 크게 볼수 있고 흐릴수록 그 영향도는 작으나, 최적의 자연광효과를 얻으며 인공광원 설계시 고려대상이 될 것으로 예상된다.
유리온실의 자연광에 대한 계절별, 시간별 조도시뮬레이션 결과는 그림4에 나타내었다. 시뮬레이션 결과를 보면, 하지 일때가 자연광의 조도값이 가장 크며 시간도 가장 긴 것을 알 수 있으며, 동지 일때가 가장 작은 조도값과 시간도 가장 작은 것을 알 수 있었다.
995의 가장 양호한 특성을 얻었다. 이런 결과를 볼 때 유리온실의 설치 배향각은 90[^o]로 하는 것이 자연광 효과를 최대로 할 수 있음을 알았다. 이때 배향각 90[^o]의 의미는 그림3에 참고하여 표현하였다.
날씨가 좋을수록 자연광의 효과를 크게 볼수 있고 흐릴수록 그 영향도는 작으나, 최적의 자연광효과를 얻으며 인공광원 설계시 고려대상이 될 것으로 예상된다. 즉 맑은 하늘을 기준할 때 유리투과율에 따른 조도의 증가비는 투과율 1%당 543[lux]인 반면 흐린 하늘을 기준할 때는 투과율 1%당 115[lux]의 증가비율을 알 수 있었다. 유리의 투과율이 좋을수록 자연광 효과를 더 얻을수 있음을 인지하여 일반적으로 상용되는 투과율이 80%임을 감안하여 유리온실을 설계하고자 한다.
첫째, 조도특성 및 균제도 특성을 고려할 때, 유리온실의 설치 배향각은 90[^o]로 하는 것이 자연광 효과를 최대로 할 수 있음을 알았다.

후속연구

향후 연구에서는 소프트웨어별 자연광의 효과를 명확히 분석하기 위한 실제 환경과 동일한 설계와 조도값 측정결과의 비교하고자 한다. 이를 통해 자연광에 대한 시뮬레이션 소프트웨어별 조도 알고리즘를 분석예정이며 조명디자인 분석시 자연광분석에 대한 상황별 소프트웨어의 정확성에 대한 연구를 하고자 한다.
본 연구에서는 유리온실에서 LED를 활용한 상추를 재배하는 경우, 자연광 및 인공광원의 효과를 극대화 하기 위하여 최적 시뮬레이션을 위해 상용화된 여러 가지 조명 소프트웨어들 중에서 DIAlux 프로그램을 이용하였다. 이를 통해 자연광의 효과를 가장 잘 받아야 하는 유리온실을 기준하여 시뮬레이션을 통한 얻어진 결과 값들을 분석하여 최적의 인공광원 조건으로 에너지 절약형 유리온실에서 상추를 재배하는 방안을 제시코자 한다.
본 연구에서는 유리온실에서 상추를 재배하는 것을기준하여 인공광원을 설치하는 경우를 제안하고자 한다. 즉 유리온실 특성상 자연광과 인공광원의 적절한 제어를 한다면 상추를 키우기 위한 최적의 유리온실 구조 제안이 가능할 것으로 예상 된다.
향후 연구에서는 소프트웨어별 자연광의 효과를 명확히 분석하기 위한 실제 환경과 동일한 설계와 조도값 측정결과의 비교하고자 한다. 이를 통해 자연광에 대한 시뮬레이션 소프트웨어별 조도 알고리즘를 분석예정이며 조명디자인 분석시 자연광분석에 대한 상황별 소프트웨어의 정확성에 대한 연구를 하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광선 추적기법은 어떻게 조도를 계산하는가?	조도를 계산하는 여러 방법 중 광선 추적기법은 광의 움직임에 대해 운동 방향과 크기를 벡터화 시킨다. 광 조사시 일어나는 반사, 굴절, 투과, 흡수 등과 같은 벡터의 방향이나 크기에 변화를 줄 수 있는 요인들을 고려하고 벡터의 새로운 방향과 크기를 결정하여 광자들의 최종위치를 추적하며, 광의 최종 위치를 종합하여 각 공간의 최종 광량으로 전환해 이것을 통해 조도 계산을 수행한다. 조명 소프트웨어에서는 시각적인 재현을 위해 다양한 방법론과 알고리즘이 개발되었는데 Radiosity, Raytracing, Raster Graphic 등이 해당되며, 현재 대부분의 랜더링 소프트웨어에서 이용하고 있다.
	조명 소프트웨어에서 시각적인 재현을 위해 사용되는 방법론과 알고리즘에는 어떤 것들이 있는가?	광 조사시 일어나는 반사, 굴절, 투과, 흡수 등과 같은 벡터의 방향이나 크기에 변화를 줄 수 있는 요인들을 고려하고 벡터의 새로운 방향과 크기를 결정하여 광자들의 최종위치를 추적하며, 광의 최종 위치를 종합하여 각 공간의 최종 광량으로 전환해 이것을 통해 조도 계산을 수행한다. 조명 소프트웨어에서는 시각적인 재현을 위해 다양한 방법론과 알고리즘이 개발되었는데 Radiosity, Raytracing, Raster Graphic 등이 해당되며, 현재 대부분의 랜더링 소프트웨어에서 이용하고 있다.[1,4]
	조명 관련 소프트웨어는 어떻게 구분되는가?	조명 관련 소프트웨어는 크게 조명기구의 반사판과 렌즈 등과 같은 광학적인 시스템의 설계와 분석을 진행하는 소프트웨어인 Photopia, TracePro 등 과 조명 기구의 배치 및 조명 기구가 위치할 공간을 대상으로 한 조명의 설계 및 분석에 사용되는 소프트웨어인 Relux, DIAlux, AGi32 등으로 구분되어 진다.[1,2]

참고문헌 (10)

Hai-Young Jung, Boong-Joo Lee, Seok-Hyun Lee, Journal of the KIIEE, Vol.31, No.5, pp.25-32, 2017.
Kim Chul-Ho, Kim Kang-Soo, Journal of the Korean Solar Energy Society, vol. 36, no. 3, 2016.
Seul-Ki Won？.Byung-Chul Pak？.An-Seop Choi, Proceedings of KIIEE Annual Conference 2016.
Park, Y. M., Lee, C. S., Sung, T. K., Joung, C. B., Kim, B. C., Journal of the Korea Solar Energy Society, vol. 11, no. 11, pp. 199-200, 2014.
Yu-Sin Kim, Seul-Ki Won, Byoung-Chul Park, An-Seop Choi, The Korean Institute of Illuminating and electrical Installation Engineers, vol. 21, no. 8, 2007.
Hong, Sung-De, Journal of The Korean Digital Architecture.Interior Association, vol. 11, no. 1, 2011.
Yong Seub Shin, Mun Jung Lee, Eun Sook Lee, Joon Hyung Ahn, Jae Ha Lim, Ha Joong Kim, Hoo Won Park, Young Ghul Um, So Deuk Park, Jang Heui Chai, Journal of Bio-Enviroment Control, vol. 21, no. 3, pp. 180-185, 2012.
Jun-Gu Lee, Sang Seok Oh, Seon Hwa Cha, Yoon Ah Jung, Seung Yu Kim and Young Chul Um, Seung Ryong Cheong, Journal of Bio-Enviroment Control, vol. 19, no. 4, pp. 351-359, 2010.
Jung In-Sung, The conference of korean solar energy society, pp. 124-129, 2013.
Jae un Im, Yong Cheol Yoon, Kwang wook Seo, Kyu Hyeong Kim, Ae Kyung Moon, and Hyeon Tae Kim, Protected Horticulture and Plant Factory, vol. 22, no. 1, pp. 49-54, 2013.

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표제어: PCR

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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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