[논문]농수산물 관리를 위한 냉난방 동시형 멀티 에어컨 시스템

신진섭; 홍지영

doi:10.7236/jiibc.2020.20.6.65

농수산물 관리를 위한 냉난방 동시형 멀티 에어컨 시스템
Simultaneous Heating and Cooling Multi-Air Conditioning System for Agricultural Products Management 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.20 no.6, 2020년, pp.65 - 70

초록
AI-Helper

본 논문에서는 고효율의 냉난방시스템을 구축하기 위해 냉방기와 난방기를 한 대로 동시에 할 수 있는 냉난방 동시형 멀티 에어컨 시스템을 개발하고 하이브리드형 식물공장에 적용하여 복합형 농장의 자동화가 가능하도록 하였다. 이를 위하여 난방시에 응축기 기능을 하는 열교환기가 냉방시에는 증발기 기능을 하도록 함으로써 냉난방을 동시에 구현하도록 하였다. 실험을 위하여 냉난방 동시형 멀티 에어컨시스템을 제작하고 농장의 식물공장에 적용시켜 식물의 재배 및 보관, 건조 등을 할 수 있도록 하였다. 그 결과 하나의 시스템으로 냉난방을 동시에 해결하는 에너지 절약 시스템으로 농산물의 온도환경을 조절할 수 있었으며 에어컨과 보일러를 동시에 설치하지 않아도 되는 공조시스템을 구현하여 효율적인 농작물 관리가 가능하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, to establish a high-efficiency air-conditioning and heating system, we developed a simultaneous air-conditioning and heating system that can do both air-conditioning and heating at the same time. It was applied to hybrid plant plants to enable automation of complex farms. For this purpose, the heat exchanger, which functions as a condenser during heating, was required to function as an evaporator during cooling so that air conditioning and heating could be implemented simultaneously. For experiments, the simultaneous air conditioning system for heating and cooling was produced and applied to the plant factories in the farms so that plants could be grown, stored, and dried. As a result, a single system was able to control the temperature environment of agricultural products with an energy-saving system that simultaneously resolves heating and cooling. Therefore, efficient crop management was possible by implementing an air conditioning system that did not require installing air conditioners and boilers at the same time.

주제어

표/그림 (9)

그림 그림 1. 설치된 시스템 Fig. 1. Installed Systems
그림 그림 2. 실외온도 대 COP Fig. 2. Outdoor temperature versus COP
표 표 1. 실험 데이터 Table 1. experimental data
그림 그림 3. 실외온도 대 수온의 변화 Fig. 3. Variation of outdoor temperature versus water temperature
그림 그림 4. 각종 파라메터와 변동시간 측정 Fig. 4. Various parameters and measurement of variation time
그림 그림 5. 식물 농장 구조도 Fig. 5. Plant farm structure diagram
그림 그림 6. 모니터링 화면 Fig. 6. Monitoring screen
그림 그림 7. 시스템에 연결된 LAN 카드 Fig. 7. LAN cards connected to the system
그림 그림 8. 안테나 폴 Fig. 8. Antenna pole

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이러한 시스템의 경우 다른 경우도 마찬가지 이지만, 주택가가 아닌 산림이나 기타 대지에서는 습도가 높아 겨울철 실외기가 어는 문제가 자주 발생하며 현재 보급된 대부분의 히트펌프를 이용한 난방기가 겨울철 제상문제로 소비자의 신뢰를 잃는 주 원인이 된다. 본 논문에서는 우선적으로 이 문제를 해결하고자 거의 100% 에 가까운 농장의 습도와 영하 10도를 넘는 겨울철의 시험운전을 위해 총 2차례의 시제품을 제작하였다.
본 연구에서는 농산물 관리를 위하여 냉방과 난방을 동시에 해결할 수 있는 냉난방 동시형 멀티에어컨 시스템을 제작하여 에어콘과 보일러를 동시에 설치하지 않아도 되는 공조시스템을 제작하였다. 이를 위하여 실내기는 온풍과 대지에 매설된 관을 통해 온수가 공급되도록 하였으며 실외기는 열원인 공기의 흡입량을 높이기 위해 팬을 2배로 설계하였다.

제안 방법

또한 각 부분에 온도 센서를 설치하여 정상동작여부를 확인할 수 있도록 설계하였고 추후 네트워크를 통해 시스템의 이상여부를 원거리에서 감지할 수 있도록 설계할 수 있게 되었다. Wi-Fi, 4G, 5G, TRS, Zig-Bee, Blue-Tooth, NFC 등 사용자의 선택이 많기 때문에 본 시스템에서는 선택적으로 네트워크에 연결될 수 있는 물리계층의 연결을 두고 설계를 하였다.
시스템 부분적으로 본다면 열원을 뽑고 방출하기 위한 열전달 사이클을 개선하여 열전달 효율을 높였으며 4-way 밸브를 사용하여 부하 측에 선택적인 열전달이 가능하도록 설계하였다. 그리고 생활 및 보온용 온수 및 온풍을 동시에 보급할 수 있도록 설계하여 가정용 및 농수산 산업용으 로도 활용할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 저렴한 구동 에너지를 공급받을 수 있는 전기식으로, 그리고 내부 시스템의 수명이 짧아질 가능성이 있는 폐열원식이나 지하수를 찾고 뽑아내 는데 많은 비용이 소모되는 지열원식 대신 공기열원 방 식을 채택하였다. 그리고 온풍과 냉풍, 온수를 공급할 수 있도록 하였으며, 냉난방 겸용으로 설계하였다.
따라서 압축기 소비전력은 상승하고 응축열량이 증가하여 겨울철에 히터를 사용할 때, 에너지효율이 기존 대비 30%이하로 떨어져 난방비 절감의 효과를 볼 수 있다. 그리고, 공랭식 히트펌프의 단점으로는 난방능력 및 난방 COP 부족으로 별도의 보조열원(보통 히터를 사용)을 필 요로 하는 것인데 이에 난방능력 및 난방 COP를 증대시키고 보조열원열량을 줄일 수 있는 방법으로 두 가지 시스템을 내부에 적용하였다.
기존의 공기열원 방식이 가진 단점을 보완하여 효율을 높이기 위한 별도의 설계가 추가되었고 쉽게 열원을 구하지 못하는 곳에서도 사용할 수 있도록 설계하였다. 또한 실외기의 통풍방식과 통풍의 양을 높이기 위한 설계를 적용하여 우수한 효율을 보일 수 있도록 하였다.
기존의 공기열원 방식이 가진 단점을 보완하여 효율을 높이기 위한 별도의 설계가 추가되었고 쉽게 열원을 구하지 못하는 곳에서도 사용할 수 있도록 설계하였다. 또한 실외기의 통풍방식과 통풍의 양을 높이기 위한 설계를 적용하여 우수한 효율을 보일 수 있도록 하였다.
기존의 공기조화기로 제작한 시스템에서는 실외기가 모두 어는 문제점을 보였으나 본 연구에서는 설계를 수 정하여 챔버에 흡수코일을 설치하였고 증발기의 후단에 이중관으로 연결되도록 하여 응축기의 열량을 궤환함으 로 증발기를 통과한 냉매의 온도를 상승시킬 수 있도록 제작하였다.
기존의 단순한 전자제어 방식에서 벗어나 센서의 값을 받아 즉각적인 제어가 가능한 시스템으로 개선하였으며 제어도 전반적인 열전달 사이클에 맞출 수 있도록 제작하였다. 농장에 설치되어 있는 TRS 및 Wi-Fi, 3G와 4G 등의 시스템으로 확장할 수 있는 시스템으로 제작되었다.
따라서 냉매의 흡열 또는 응축열을 이용하여 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 공기열원방식의 시스템을 제작하였으며 냉동사이클에서 응측기 및 증발기로 기능이 전환하도록 한 밸브를 이용하여 난방시에 응축기 기능을 하는 열교환기가 냉방시에는 증발기 기능을 하도록 하여 냉난방을 동시에 구현하도록 하였다.
기존의 공기열원 방식이 가진 단점을 보완하여 효율을 높이기 위한 별도의 설계가 추가되었고 쉽게 열원을 구하지 못하는 곳에서도 사용할 수 있도록 설계하였다. 또한 실외기의 통풍방식과 통풍의 양을 높이기 위한 설계를 적용하여 우수한 효율을 보일 수 있도록 설계하였다. 또한 난방의 경우 시스템이 상온에서 난방을 시작하는 것이 아니라 시스템의 설정 최하 온도를 기준으로 시작하므로 수온의 온도를 어느 정도 올리고 시작하였다.
또 열 공급방식에 따라 온풍식·냉풍식과 온수식·냉수식, 펌프의 이용 범위에 따라 난방·냉방·제습 및 냉난방 겸용 등으로 분류된다. 본 연구에서는 저렴한 구동 에너지를 공급받을 수 있는 전기식으로, 그리고 내부 시스템의 수명이 짧아질 가능성이 있는 폐열원식이나 지하수를 찾고 뽑아내 는데 많은 비용이 소모되는 지열원식 대신 공기열원 방 식을 채택하였다. 그리고 온풍과 냉풍, 온수를 공급할 수 있도록 하였으며, 냉난방 겸용으로 설계하였다.
냉매와 전기를 사용하여 열을 뽑아내고 뽑아낸 열을 공기나 물을 통해 전달하는 시스템이다. 시스템 부분적으로 본다면 열원을 뽑고 방출하기 위한 열전달 사이클을 개선하여 열전달 효율을 높였으며 4-way 밸브를 사용하여 부하 측에 선택적인 열전달이 가능하도록 설계하였다. 그리고 생활 및 보온용 온수 및 온풍을 동시에 보급할 수 있도록 설계하여 가정용 및 농수산 산업용으 로도 활용할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 농산물 관리를 위하여 냉방과 난방을 동시에 해결할 수 있는 냉난방 동시형 멀티에어컨 시스템을 제작하여 에어콘과 보일러를 동시에 설치하지 않아도 되는 공조시스템을 제작하였다. 이를 위하여 실내기는 온풍과 대지에 매설된 관을 통해 온수가 공급되도록 하였으며 실외기는 열원인 공기의 흡입량을 높이기 위해 팬을 2배로 설계하였다.

대상 데이터

기존의 단순한 전자제어 방식에서 벗어나 센서의 값을 받아 즉각적인 제어가 가능한 시스템으로 개선하였으며 제어도 전반적인 열전달 사이클에 맞출 수 있도록 제작하였다. 농장에 설치되어 있는 TRS 및 Wi-Fi, 3G와 4G 등의 시스템으로 확장할 수 있는 시스템으로 제작되었다.

성능/효과

본 시스템은 표에서 보듯이 COP가 거의 3에 가까운 수치를 보이고 있다. 냉방의 경우 히트펌프를 사용했을 경우 시중의 제품들도 6 정도의 COP를 보이고 있으며 본 시스템도 그 수치를 만족한다. 하지만 여기서 제시한 시스템의 기술적인 우수성은 그림 2에서 볼 수 있듯이 실외온도가 영하 10도에 육박함에도 3에 가까운 수치를 보이고 있다는 것이다.
또한 난방의 경우 시스템의 설정 최하 온도를 기준으로 시작하므로 수온의 온도를 어느 정도 올리고 시작하였다. 따라서 본 시스템의 기술적 우수성은 4-way 밸브를 통하여 하절기에는 냉방을 동절기에는 난방을 자유자재로 할 수 있다는 것이다. 특히 센서와 네트워킹을 통하여 원거리 센싱이나 모니터링이 가능하도록 설계에 유동적인 변화를 주었음이 최대 장점이라 할 수 있다.
증발기 열흡수와 응축기 열방출도 커지고, 응축온도(압력)를 높일 수 있어 응축능력을 크게 할 수 있 다. 따라서 압축기 소비전력은 상승하고 응축열량이 증가하여 겨울철에 히터를 사용할 때, 에너지효율이 기존 대비 30%이하로 떨어져 난방비 절감의 효과를 볼 수 있다. 그리고, 공랭식 히트펌프의 단점으로는 난방능력 및 난방 COP 부족으로 별도의 보조열원(보통 히터를 사용)을 필 요로 하는 것인데 이에 난방능력 및 난방 COP를 증대시키고 보조열원열량을 줄일 수 있는 방법으로 두 가지 시스템을 내부에 적용하였다.
본 시스템은 이로써 제상뿐 아니라 에너지 소모 효율 즉 열 발생 효 율을 획기적으로 높였다. 또한 각 부분에 온도 센서를 설치하여 정상동작여부를 확인할 수 있도록 설계하였고 추후 네트워크를 통해 시스템의 이상여부를 원거리에서 감지할 수 있도록 설계할 수 있게 되었다. Wi-Fi, 4G, 5G, TRS, Zig-Bee, Blue-Tooth, NFC 등 사용자의 선택이 많기 때문에 본 시스템에서는 선택적으로 네트워크에 연결될 수 있는 물리계층의 연결을 두고 설계를 하였다.
우선 열원이 충분한 상온(0°C이상)에서는 일반 냉동 사이클을 적용하여 가동되도록 설계하였고 단점이 되는 경우인 열원이 부족한 영하(0°C이하)에서는 가스분사방 식 사이클을 적용하여 단점을 해결하였다. 본 시스템은 이로써 제상뿐 아니라 에너지 소모 효율 즉 열 발생 효 율을 획기적으로 높였다. 또한 각 부분에 온도 센서를 설치하여 정상동작여부를 확인할 수 있도록 설계하였고 추후 네트워크를 통해 시스템의 이상여부를 원거리에서 감지할 수 있도록 설계할 수 있게 되었다.
부하 측에서 출력되는 물을 내부에서 회전시킬 때마다 5도 이상의 상승이 가능하다. 증발기 열흡수와 응축기 열방출도 커지고, 응축온도(압력)를 높일 수 있어 응축능력을 크게 할 수 있 다. 따라서 압축기 소비전력은 상승하고 응축열량이 증가하여 겨울철에 히터를 사용할 때, 에너지효율이 기존 대비 30%이하로 떨어져 난방비 절감의 효과를 볼 수 있다.

후속연구

특히 센서와 네트워킹을 통하여 원거리 센싱이나 모니터링이 가능하도록 설계에 유동적인 변화를 주었음이 최대 장점이라 할 수 있다. 그리고 생활과 보온용 온수 및 온풍을 동시에 보급할 수 있도록 설계하여 가정용뿐만 아니라 농수산 및 산업용으로도 활용할 수 있도록 하였다.
하지만 여기서 제시한 시스템의 기술적인 우수성은 그림 2에서 볼 수 있듯이 실외온도가 영하 10도에 육박함에도 3에 가까운 수치를 보이고 있다는 것이다. 기존의 경우 COP가 2를 넘는 제품이 별로 없거나 대단히 고가이며 본 시스템은 추후 배관들의 미세조정 및 관리를 통하여 COP가 3을 넘도록 추후 연구를 통하여 보완할 예정이다.

참고문헌 (6)

Tarendra Lakhankar, Nir Krakauer, Reza Khanbilvardi, "Applications of microwave remote sensing of soil moisture for agricultural", International Journal of Terraspace Science and Engineering 2(1), pp.81-91, 2009. DOI : https://doi.org/10.1016/0034-4257(91)90013-v

상세보기
Jin-Seob Shin, Yun-Min Lee, "Establishment of monitoring system by ubiquitous computing", (JIIBC). vol.19, No.1, 2019. DOI : https://doi.org/10.7236/JIIBC.2019.19.1.127

원문보기 상세보기
Jong-chan Kim etc., "u-IT Based Plant Green Growth Environment Management System", Korean Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, 2011. DOI : https://doi.org/10.6109/jkiice.2011.15.6.1391

원문보기 상세보기
Seung-Ho Oh, Seong-Wook Yang, Hyung-Chan Kim, Do-Hyeon Kim, Yang-Hoi Doh, "Development of Automated Quantitative Spray Control System for High Quality Crop Cultivation", (JIIBC). Vol.17, No.3, 2017. DOI : https://doi.org/10.7236/jiibc.2017.17.3.267

원문보기 상세보기
Han-cheol Rye, "Construction of Ubiquitous Computing Based Environment Management System", Wounkwang univ. dissertation(master), 2010.
K. Umezu and H. Noyana, "Air conditioning system for electric vehicles", Society of Automotive Engineers of Japan, 2010. DOI : https://doi.org/10.4271/960688

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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