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가설 설정
- [6,7] 생육온도는 20∼24℃정도가 적합하며 상대습도 50∼80% 이상, 인공보광시설을 사용하여 환경을 제어하는 것이 상추의 생장에 유리하다. KNU 식물공장은 완전 밀폐된 태양광 병용형으로 습도와 CO2 농도가 적정 수준을 유지하고 있다고 가정하였고 상세 계산조건은 표 2와 같이 설정하였다.
제안 방법
- (1) 상추의 생육조건을 기준으로 단일창호를 적용한 KNU 식물공장 단위유닛과 와이드 스팬 외 6개의 구조물을 선정하여 냉난방부하를 계산하였다. 보광이 없는 건물자체의 냉난방부하를 계산한 결과 KNU 식물공장 단위유닛과 반원 온실형 식물공장이 냉방부하가 가장 작았다.
- (2) 각각의 구조물을 보광 적용 후 냉난방부하를 계산하였다. 전반적으로 KNU 식물공장 단위유닛과 직사각형 식물공장이 양호한 냉난방 성능을 보여주었다.
- (3) 한국형 유리온실 표준인 와이드 스팬형 식물공장과 KNU 식물공장 단위유닛을 비교하였다. KNU 식물공장 창호의 면적이 와이드 스팬형보다 크기 때문에 건설비용의 증가가 예상된다.
- 본 논문에서는 DesignBuilder[4]를 사용하여 내부설정온도, LED(light emitting diode) 보광주기, LED 보광량, 식물공장 외피의 특성을 동일하게 설정한 후 식물공장 형태를 변화시키며 에너지 효율을 분석하였다. 다양한 식물공장의 구조물 형태에 따른 냉난방부하 변화를 알아보고 KNU(Kongju National University) 식물공장의 형태와 비교분석하였다.
- 각 구조물의 바닥면적은 KNU 식물공장 단위유닛의 바닥면적과 같게 설정하였다. 모든 구조물들은 가로 10m, 세로 5.24m로 설정하고 가로방향을 남향으로 설정하였다. 구조물의 치수는 그림 4∼10에 측면모습으로 나타내었다.
- 본 논문에서는 DesignBuilder[4]를 사용하여 내부설정온도, LED(light emitting diode) 보광주기, LED 보광량, 식물공장 외피의 특성을 동일하게 설정한 후 식물공장 형태를 변화시키며 에너지 효율을 분석하였다. 다양한 식물공장의 구조물 형태에 따른 냉난방부하 변화를 알아보고 KNU(Kongju National University) 식물공장의 형태와 비교분석하였다.
- 본 연구에서는 DesignBuilder를 이용하여 식물공장 구조물의 형태에 따른 냉난방부하 변화를 계산하였다.
- 식물공장의 작물재식판이 2단으로 되어있고 태양광만으로는 작물재배에 부족하기 때문에 LED 보광을 적용하였다. LED 램프는 ㈜파루스에서 생산한 120 W LED 램프를 상추재배에 적용하였다.
- [9] LED 모듈 소비 전력의85%가[10] 열로 변환될 경우 KNU 식물공장 단위면적당 약 164 W/㎡의 열이 발생하게 된다. 야간보광이 주간보광보다 냉방부하 저감에 효과가 있었기 때문에 보광기간을 18:00∼10:00로 총 16시간 설정하였다.[3] 표 4는 LED 보광에 따른 연간 냉난방부하 계산결과를 나타낸다.
- 태양광 병용형 식물공장에서 고품질 상추를 대량생산하기 위해 적합한 생육조건을 문헌을 통해 조사하였다.[6,7] 생육온도는 20∼24℃정도가 적합하며 상대습도 50∼80% 이상, 인공보광시설을 사용하여 환경을 제어하는 것이 상추의 생장에 유리하다.
대상 데이터
- 식물공장의 작물재식판이 2단으로 되어있고 태양광만으로는 작물재배에 부족하기 때문에 LED 보광을 적용하였다. LED 램프는 ㈜파루스에서 생산한 120 W LED 램프를 상추재배에 적용하였다.[9] LED 모듈 소비 전력의85%가[10] 열로 변환될 경우 KNU 식물공장 단위면적당 약 164 W/㎡의 열이 발생하게 된다.
- KNU 식물공장은 각 단위유닛이 육각형 형태로 구성되어있어 회전형 스마트 조명 제어시스템의 적용에 유리한 구조를 가지고 있다.[5] 그림 2의 식물공장의 육각형 단위유닛을 DesignBuilder 모델로 구성하여 시뮬레이션을 진행하였으며 바닥면을 지면바닥조건, 바닥면적은 52.4㎡로 설정하였다. 모든 외벽은 단일 창호로 이루어져 있고 6개의 측벽과 1개의 지붕으로 구성되어 있다.
- 식물공장 건물구조에 따른 에너지 부하를 비교하기 위하여 그림 3과 같이 7개의 구조물의 형태를 추가적으로 선정하였다. 각 구조물의 바닥면적은 KNU 식물공장 단위유닛의 바닥면적과 같게 설정하였다.
성능/효과
- 구조물 중 냉방부하가 가장 작은 것은 KNU 식물공장 단위유닛이었으며 Case 6이 비슷한 수준이었다. Case별 냉방부하나 난방부하는 식물공장 창호 표면적이나 체적뿐만 아니라 창호를 통해 들어오는 태양광 입사량과 식물공장 외피에서의 대류열전달계수에도 영향을 받는 복잡한 결과를 얻었다. 특히 체적과 창호표면적이 가장 작은 Case 6에서 냉난방부하가 모두 가장 작은 값을 나타냈다.
- 냉방부하가 식물공장 에너지 소비의 대부분을 차지하며 냉방부하가 에너지 효율 평가에 더 중요한 지표로 판단된다.[3] 냉방부하를 줄이면 에너지 소비를 저감시킬 수 있을 것으로 보인다.
- [8] Case 6, 7은 일반적인 비닐하우스의 구조와 유사하기 때문에 추가로 고려하였다. 계산결과 모든 Case가 난방부하가 냉방부하보다 크게 나타났다. 이는 평택의 연중 기온이 20℃보다 높은 기간보다는 낮은 기간이 더 길기 때문에 나타난 결과이다.
- (1) 상추의 생육조건을 기준으로 단일창호를 적용한 KNU 식물공장 단위유닛과 와이드 스팬 외 6개의 구조물을 선정하여 냉난방부하를 계산하였다. 보광이 없는 건물자체의 냉난방부하를 계산한 결과 KNU 식물공장 단위유닛과 반원 온실형 식물공장이 냉방부하가 가장 작았다.
후속연구
- 전반적으로 KNU 식물공장 단위유닛과 Case 1이 양호한 냉난방 성능을 보여주었다. KNU 식물공장 단위유닛은 창호의 면적이 와이드 스팬형보다 커 건설 비용의 증가가 예상되지만 회전형 스마트 조명 제어시스템을 적용하게 되면 공간활용이 유리하고 냉방부하와 보광에 드는 비용을 절감할 수 있을 것으로 판단된다.
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