리튬브로마이드 수용액의 흡습성질을 이용한 온실 냉방 및 제습 시스템 개발

조라훈 ( La Hoon Cho ),오광철 ( Kwang Cheol Oh ),이상열 ( Sang Yeol Lee ),주상연 ( Sang Yeon Joo ),박선용 ( Sun Yong Park ),이서현 ( Seo Hyeon Lee ),정인선 ( In Seon Jeong ),이충건 ( Chung Geon Lee ),김대현 ( Dae Hyun Kim ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.1

국내 여름철의 고온다습한 기후환경으로 인하여 온실 내부의 냉방 및 제습이 필수적인데, 온실 냉방방식 중 증발냉각 시스템이 가장 효율이 높다고 알려져 있다. 하지만 증발냉각 시스템은 건조한 기후 지역에서 발달한 방식으로, 작물의 증산작용으로 인한 온실 내부 습도 상승에 따른 문제점이 발생되어 다습한 여름철 국내 기후에는 반드시 냉각과 제습이 동시에 필요하다. 따라서 증발냉각 방식 중 Fan and Pad 방식과 리튬브로마이드 수용액을 이용한 온실 냉방 및 제습을 위한 복합시스템에 관한 연구가 진행중이다. 현재 리튬브로마이드 수용액 제습 시 발생되는 발열량과 수용액의 무게변화와 같은 수용액의 흡습성질 대한 정확한 지표가 나타나 있지 않다. 이에 연구를 진행하기에 앞서 리튬브로마이드 흡습성질에 관한 데이터 자료가 필요하다고 판단되어 기초실험을 진행하였고, 본 연구에서는 Pilot Scale의 재생 순환시스템을 통해 리튬브로마이드 수용액의 흡습성질을 이용한 재사용 방안을 제시하였고, 시스템 내에서 외부투입공기와 작동유체의 흡습성질에 의한 반응 전후 온도변화 예측 모델을 수립하였다. 따라서 본 연구를 통해 리튬브로마이드 수용액의 흡습성질을 분석하고, 이를 이용한 재생 순환 시스템에 관한 연구를 진행할 예정이다.

리튬브로마이드(LiBr) 용액과 열교환기를 이용한 온실하우스의 온 습도 제어 시스템 성능 분석

조라훈 ( La Hoon Cho ),박선용 ( Sun Yong Park ),이서현 ( Seo Hyeon Lee ),오광철 ( Kwang Cheol Oh ),이상열 ( Sang Yeol Lee ),주상연 ( Sang Yeon Joo ),이충건 ( Chung Geon Lee ),김대현 ( Dae Hyun Kim ) 한국농업기계학회 2016 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.21 No.2

국내의 여름철 고온다습한 기후는 온실내부에서 작물의 생장에 악영향을 미치므로 내부공기의 냉각 및 제습이 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 리튬브로마이드(LiBr) 수용액과 냉각 휜(fin)을 이용한 온실의 온습도 제어실험과 이를 적용한 수치해석분석이 수행되었다. 실험을 위해 Fan and Pad 방식이 적용된 중간시험규모(Pilot Scale)의 온실을 제작하여, 외부공기가 풍도(Duct)관을 통해 유입될 수 있도록 하였고, 리튬브로마이드 수용액이 공급 가능한 패드와 열교환기를 설치하여 냉각 및 제습 시스템을 구축했다. 실험결과 고온다습의 외부공기가 제습시스템을 통하여 상대습도가 93%에서 82%로 감소하였고, 냉각시스템을 통해 온실 내부 온도가 307K에서 302K로 감소되었다. 또한 실험결과의 성능분석을 위하여 메틀렙(R2016a, The Mathworks INC, USA)을 통한 열역학적 시뮬레이션이 진행되었다. 실험결과와 시뮬레이션 결과를 비교했을 때, 결정계수(R-squared)와 제곱근평균오차1(Root Mean Square Error, RMSE1,)값이 각각 0.92, 0.84로 나타났다.

효율적인 열에너지 관리를 위한 온실 형상 및 열 교환 장치 위치 개선에 따른 온실 내부 환경 예측

정인선,이충건,조라훈,박선용,김석준,김대현,오재헌,Jeong, In Seon,Lee, Chung Geon,Cho, La Hoon,Park, Sun Yong,Kim, Seok Jun,Kim, Dae Hyun,Oh, Jae-Heun 한국생물환경조절학회 2021 생물환경조절학회지 Vol.30 No.4

본 연구에서는 단면설계 및 열 교환 장치 위치 변경을 통해 온실의 구조 변경을 진행하였으며, 선행연구를 통해 개발된 모델을 근간으로 하여 개선 여부에 따른 온실 내부 환경을 예측하였다. 단면형상과 열 교환 장치의 개선 후 유속 변화에 따른 시뮬레이션 분석을 진행하였으며, 이 때 온도와 균일도는 각각 평균 0.65℃, 0.75%p 상승함을 확인하였다. 해석대상 온실과 같은 소규모 온실의 경우 방열관의 난방성능 개선보다 FCU에 의해 형성되는 공기 유동이 균일한 환경 조성에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 개선 전·후 온실에 환기시스템 적용 시 공기 유동 특성 분석을 위해 시뮬레이션 분석을 진행하였다. 공기 유동과 공기령은 유사한 분포를 보였으며, 개선 후 온실의 공기령이 개선 전 온실 대비 18초낮게 나타났다. 개선 전·후 온실 시뮬레이션 분석 결과 전체적으로 개선된 온실에서의 평균온도 및 온도 균일도 상승, 최대편차 감소 등 내부 환경의 균일성이 향상됨을 확인하였다. 선행연구로 개발된 모델은 형상 변경, 열 교환 장치 위치 변경 등에 따라 변화하는 온실 내부 환경을 예측할 수 있음을 확인하였으며, 온실 설계, 온실 내 난방시스템 설계 등의 분야에 적용 가능할 것으로 판단된다. In this study, based on the Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation model developed through previous study, inner environmenct of the modified glass greenhouse was predicted. Also, suggested the optimal shape of the greenhouse and location of the heat exchangers for heat energy management of the greenhouse using the developed model. For efficient heating energy management, the glass greenhouse was modified by changing the cross-section design and the location of the heat exchanger. The optimal cross-section design was selected based on the cross-section design standard of Republic of Korea's glass greenhouse, and the Fan Coil Unit(FCU) and the radiating pipe were re-positioned based on "Standard of greenhouse environment design" to enhance energy saving efficiency. The simulation analysis was performed to predict the inner temperature distribution and heat transfer with the modified greenhouse structure using the developed inner environment prediction model. As a result of simulation, the mean temperature and uniformity of the modified greenhouse were 0.65℃, 0.75%p higher than those of the control greenhouse, respectively. Also, the maximum deviation decreased by an average of 0.25℃. And the mean age of air was 18 sec. lower than that of the control greenhouse. It was confirmed that efficient heating energy management was possible in the modified greenhouse, when considered the temperature uniformity and the ventilation performance.

BES를 이용한 스마트팜 테스트베드의 내부온도 예측모델

이충건 ( Chung Geon Lee ),조라훈 ( Sun Young Hong ),김석준 ( La Hoon Cho ),박선용 ( Seok Jun Kim ),전영광 ( Seon-yong Park ),김대현 ( Dae Hyun Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

대한민국을 비롯한 전 세계는 이상기후현상과 환경오염을 막기 위해 탄소중립과 온실가스 감축에 집중하면서 신·재생에너지에 대한 관심이 대폭 늘어나는 추세이다. 또한 식량위기와 농경사회의 고령화 극복하고자 스마트팜이라는 키워드에 집중하고 있다. 이러한 두 가지 큰 이슈들은 신재생에너지를 이용한 스마트팜이라는 하나의 주제에서 접점을 이룬다. 이에 따라 농업에서는 신재생에너지 이용효율화 사업을 진행하며, 지열 히트펌프와 펠릿보일러 등과 같은 신재생에너지를 이용한 난방시스템 사용을 적극권장하고 보급하고 있다. 그러나 지열히트펌프나 펠릿보일러는 지속적 이용에 대한 문제점들이 발생하고 있다. 이를 극복하고자 두 시스템을 결합한 하이브리드 난방시스템을 개발하고 난방성능에 대해서 기존의 온풍난방시스템과 비교실험을 진행하였다. 스마트팜이나 시설농업은 초기투자비용이 상당히 높은 측에 속한다. 초기 온실사업 구상 시 재배작물을 특정해야 하며, 선정된 에너지공급설비가 재배작물의 요구환경을 조성할 수 있을지 예측할 수 있어야 한다. 시설농업은 대체적으로 온도에 가장 큰 영향을 받게 되는데 지역별로 겨울철 기온이 상이하여 열에너지 공급 설비와 용량 산정이 중요하다. 열에너지 공급설비의 잘못된 선정은 중복투자, 생산비용의 증가, 심지어는 영농 활동 불가와 같은 문제점을 초래하기에 내부온도예측이 필요하다. 이를 위해서 본 연구에서는 건물에너지 시뮬레이션 분석프로그램인 ‘TRNSYS’를 활용하여 앞서 실험된 난방시스템과 온실을 토대로 시뮬레이션을 진행하였다. 난방실험결과와 시뮬레이션 분석결과를 회귀분석을 통해 비교하였으며 결정계수 R2와 RMSE를 확인하였다. R2와 RMSE는 각각 0.8843, 3.61℃로 나타났다. 개발된 내부온도예측모델이 R2측면에서는 만족스러운 결과를 보였으나 RMSE결과를 통해 수정보완이 필요할 것으로 판단하였다.

스마트 팜 테스트 베드에서 신·재생에너지를 이용한 하이브리드 시스템의 온실 난방에 대한 실증적 연구

이충건 ( Chung-geon Lee ),조라훈 ( La-hoon Cho ),김석준 ( Seok-jun Kim ),김민준 ( Min-jun Kim ),정인선 ( In-seon Jung ),박선용 ( Seon-yong Park ),이주광 ( Ju-kwang Lee ),황성근 ( Seong-geun Hwang ),김대현 ( Dae-hyun Kim ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.1

지속적인 화석연료 사용은 지구온난화 및 이상기후를 가속화 시키고 있다. 또한 이러한 문제점들이 가시적으로 체감할 수 있는 수준에 이르렀다. 이에 따라 농업은 큰 타격을 받고 있으며, 국내를 비롯한 전세계적으로 생산량 감소, 농업인구 고령화를 해결하고자 스마트팜에 대한 연구 및 기술개발활동을 활발히 진행하고 있다. 그러나 스마트팜의 에너지원은 아직도 화석연료에 기대고 있는 실정으로 스마트팜을 통하여 농업마저 공장화가 진행되고 있다. 이러한 화석연료의 사용증가는 심각한 환경문제를 일으키고 이와 연계하여 인류생존 전반에 걸친 다양한 문제가 발생될 것으로 예측가능하다. 따라서 최근 이슈화되고 있는 스마트팜의 공급되는 열에너지를 신재생에너지를 이용하여 난방하는 방안에 대하여 연구하고자 하였다. 본 연구는 대한민국 춘천시에 위치한 강원대학교 내 약 30평형의 스마트팜 테스트 베드에서 펠릿보일러와 수열 히트펌프를 이용하여 단일 또는 복합시스템을 구성하였다. 온실난방 실증실험을 진행하였으며, 실험군은 펠릿보일러 단일 시스템으로 난방수 온도 55℃, 70℃와 펠릿보일러를 열원으로 사용하는 수열히트펌프 시스템으로 난방수 온도 55℃로서 총 3가지 경우의 실험을 진행하였다. 온실 내 8개 지점에서 온도를 측정하였으며, 히트펌프, 펠릿보일러, 온수탱크, 열원탱크의 각 입출수 온도를 체크하였다. 또한 연료사용량, 전력사용량을 측정하여 실증연구로서의 데이터를 수집하였다. 난방성능은 펠릿보일러 70℃가 승온온도 29.4℃로 높았으나 연료소비량 또한 가장 높았다. 펠릿보일러 55℃와 복합시스템은 유사한 성능을 보였으나 실연료 소비량에서 차이를 보였다. 추후 태양열을 추가한 복합시스템과의 다양한 비교분석이 필요하며 이에 따른 경제성을 분석할 예정이다.

온실 환경에서 엽면적 지수에 의한 엽온 및 열유속 예측 모델 개발

전영광 ( Young Kwang Jeon ),조라훈 ( La Hoon Cho ),박선용 ( Sun Yong Park ),김석준 ( Seok Jun Kim ),이충건 ( Chung Geon Lee ),오광철 ( Kwang Cheol Oh ),김대현 ( Dae Hyun Kim ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1

다층 작물의 정확한 물리적 분류 해석은 온실 환경에서 각 캐노피의 상호 작용을 이해하고, 조사, 캐노피 온도, 증산 및 엽면적 지수에 의한 열유속을 기반으로 하는 식물 모델을 설계 하는데 있어서 매우 중요하다. 본 연구에서는 실제 운영중인 온실의 측정값을 기반으로 각 엽면적 지수에 대한 작물 모델을 논의한다. 식물과 공기 사이의 열유속에 대해 엽면적 지수을 이용한 식물 모델을 통해 정확하게 예측할 수 있다면, 작물이 밀식된 다양한 가상 온실의 냉난방 부하를 예측할 수 있을 것이다. 측정 정확도를 높이기 위해 흡기 차폐가 있는 온습도 센서, 적외선 캐노피 센서 및 이산화탄소 센서를 설치했다. 작물 환경은 휴대용 일사계, 기공전도계, 엽면적지수계, 풍속계로 측정되었다. 측정값을 작물 모델식에 입력하고 캐노피 모델 온도를 계산하였다. 작물 모델의 캐노피 온도를 현장 측정값과 비교하였고, R2=0.98, RMSE=0.46으로 신뢰성이 평가 되었다. 연구 결과, 큰 잎 작물 모델은 공기 순환층이 캐노피 크기보다 클 때 적합하지만, 온실에서 작물의 물리적 특성이 엽면적 지수에 의해 영향을 받을 때, 작물 모델은 다층 해석을 통해 고려되어야 할 것이다.

펠릿보일러와 수열원 히트펌프를 이용한 복합시스템의 온실난방성능에 관한 연구

이충건 ( Chung Geon Lee ),조라훈 ( La Hoon Cho ),김석준 ( Seok Jun Kim ),김민준 ( Min Jun Kim ),박선용 ( Seon Yong Park ),정인선 ( Seong Geun Hwang ),황성근 ( Dae Hyun Kim ),김대현 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.1

최근 지속적으로 대두되는 식량위기문제로 식량안보가 위협받고 있으며, 농업인구의 고령화로 인하여 향후 농업 종사자수의 급감이 예상되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 작물의 연중생산이 가능한 스마트팜(Smart-Farm)에 대한 관심이 급격히 증대되고 연구활동과 관련분야의 기술개발이 활발히 진행되고 있는 추세이다. 스마트팜은 시설원예로 분류가 되며, 시설원예에서의 작물생산에 필요한 투입비용 중 에너지관련 비용이 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 또한 스마트팜은 각종 센서(Sensor)와 통신장비, 구동기 등에 의하여 에너지 수요량이 높아진다. 이에 따라 기존 화석연료에 의존하던 난방체계를 신·재생에너지를 이용하여 대체하고자 한다. 스마트팜에 이용되는 신·재생에너지 중 히트펌프는 혹한기의 경우 지역적으로 지하수자원의 양과 온도 변동성으로 인해 순간 최대 난방부하량을 감당하기 어려운 문제가 발생한다. 따라서 본 논문에서는 펠릿보일러를 열원으로 사용하는 수열원 히트펌프의 온실 난방성능에 대하여 연구하고자 한다. 강원대학교 내 30평형 유리온실에 시스템을 구축하였으며, 히트펌프는 3RT급을 사용하였으며, 펠릿보일러는 20,000kcal급을 사용하였다. 난방방법은 튜브레일(Tube rail)과 FCU(Fan coil unit)을 이용하였다. 본 논문에서는 펠릿보일러를 열원으로 이용하여 수열원 히트펌프의 난방성능을 확인하였다.

BES를 이용한 하이브리드 난방시스템 이용 온실의 내부온도 예측모델 개발

이충건(Chung Geon Lee),조라훈(La Hoon Cho),김석준(Seok Jun Kim),박선용(Sun Yong Park),김대현(Dae Hyun Kim) 한국신재생에너지학회 2022 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2022 No.4

BES 융합을 위한 스마트온실 복합환경제어에 관한 연구

전영광 ( Young Kwang Jeon ),조라훈 ( La Hoon Cho ),박선용 ( Sun Yong Park ),김석준 ( Seok Jun Kim ),김대현 ( Dae Hyun Kim ),( Chung Geon Lee ),( Kwang Cheol Oh ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2

최근 스마트팜 온실 환경 제어는 IT 기술을 융합한 정밀한 제어 기술로 발전되고 있다. 온실의 복합환경 제어를 통해, 작물 재배를 위한 최적의 환경 조건을 제공해야 하고, 동시에 에너지 절감 기술은 지속 성장을 위한 중요한 요인으로 제기된다. 아울러, 온실의 복합환경 제어는 스마트 온실의 에너지 부하에 직접적인 영향을 주는 요인이다. 하지만 복합환경 제어의 알고리즘의 실체를 식별하고 이를 가상 공간의 시뮬레이션에 적용한 사례는 거의 없었다. 본 연구는 스마트 온실의 과채류를 대상으로 복합환경제어가 이루어졌던 다년간의 경험적 사례를 수집 및 분석하여 이를 모델링하였다. 향후 BES에 복합환경제어 EMS(Energy Management System) 프로그래밍 적용을 통한 온실 에너지의 예측 결과는 온실 기후 환경 시뮬레이션 사용자에게 온실 제어 목적 및 의미를 전달할 수 있을 것으로 기대된다.

기상청 데이터 활용 시설농업 내부환경 예측 모델 개발

백소현 ( Sohyeon Baek ),오광철 ( Kwang Cheol Oh ),조라훈 ( La Hoon Cho ),김대현 ( Daehyun Kim ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1

시설온실 내부환경을 작물생육 조건에 맞게 경제적이고 효율적으로 조절하는 것은 온실의 형태, 크기 및 작물의 종류, 외부기상조건 등 다양한 변수들로 인해 어렵다. 따라서 시설 내부 환경을 시기 적절하게 운용하기 위해서는 다양한 경험과 시간이 수반된다. 또한 온실 시스템은 가외변인(Extrneous variable)인 태양광, 외기 온ㆍ습도를 포함하고 있어 한계점이 존재한다. 따라서 빅데이터 및 인공지능 기술을 활용하여 시설 내부환경 예측 시스템을 구성하게 되면 효과적으로 내부환경을 조절할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 시설온실 내부환경 예측 시스템 개발을 위한 기초연구가 수행하였다. 기상청에서 제시하는 데이터를 활용하여 내부환경 예측이 가능하다. 모델 개발을 위하여 기상청에서 제공하는 외부 온ㆍ습도, 일사량 데이터를 1시간 단위로 크롤링(crawling)하였다. 추가적으로 대상 시설농업 온실시스템에서 내부 온ㆍ습도 데이터를 수집하였으며. 데이터 마이닝과 인공지능의 지도학습을 활용하여 외부 온도, 외부습도, 일사량과 내부환경 인자와의 관련성을 바탕으로 시뮬레이션 예측 모델을 개발하였으며, 매개변수 조정을 통한 최적화를 수행하였다.