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BES를 이용한 스마트팜 테스트베드의 내부온도 예측모델
이충건 ( Chung Geon Lee ),홍선영 ( Sun Young Hong ),조라훈 ( La Hoon Cho ),김석준 ( Seok Jun Kim ),박선용 ( Seon-yong Park ),김대현 ( Dae Hyun Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2
현재 우리나라는 기존의 시설농업에서 스마트팜으로 전환되어가는 과정에 있으며, 자동화, 원격모니터링 및 제어 등 많은 부분에서 기술발전을 하고 있는 중이다. 그 중 에너지 최적화 기술을 접목시킨 3세대 스마트팜의 연구개발이 활발한 실정이다. 또한 우리나라는 탄소중립을 위해서 농업을 비롯한 다양한 산업에서 화석연료를 배제하고 신·재생에너지를 이용한 탄소감축방안에 박차를 가하고 있다. 이에 따라 스마트팜과 시설농업에서도 화석연료가 아닌 지열 히트펌프, 펠릿보일러 등과 같은 다양한 열에너지원을 선택하여 온실난방에 활용하고 있는 실정이다. 신·재생에너지로 열원을 대체함에 따라 보다 수준 높은 열에너지활용방안 및 관리가 필요한 상황이다. 따라서 정확한 온실의 난방부하 파악은 필수요소로 여겨지고 있다. 그러나 현재 시설농업에서 사용되는 난방부하 산출식은 실제와 다소 차이가 있어 온실에 난방에너지원을 적용할 때 오차가 발생하여 난방이 부족하거나 혹은 과난방되어 에너지의 낭비가 발생하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 최근에는 증산량을 포함한 난방부하량을 BES 프로그램인 ‘TRNSYS’를 이용하여 해결하려는 연구가 활발히 진행중이다. 본 연구에서는 신·재생에너지 중 목재펠릿을 이용하여 약 92m2규모의 온실난방 실험을 진행하였고 이를 TRNSYS로 모델링하여 내부온도 예측모델을 만들어 비교하고자 하였다. 모델 검증을 위해 각기 다른 실험기간의 데이터를 활용하였고 실제 실험과 개발된 내부온도 예측모델간의 유사한 경향을 확인하였다. 그러나 실험결과에서는 주간에 비 난방 시 내부온도가 약 45℃까지 상승하는데 반해 TRNSYS로 구현된 모델에서는 55℃이상 상승하는 것으로 확인되어 추가적으로 보정이 필요한 것으로 판단된다.
스마트팜 온실 내 기름보일러와 지열 히트펌프를 이용한 난방성능 및 경제성 비교
이충건 ( Chung-geon Lee ),정인선 ( In-seon Jeong ),조라훈 ( La-hoon Cho ),전영광 ( Yeong-gwang Jeon ),박선용 ( Seon-yong Park ),김민준 ( Min-jun Kim ),김석준 ( Seok-jun Kim ),양제복 ( Jae-bok Yang ),장기창 ( Ki-chang Jang ),김대현 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2
최근 국제적으로 심화되어가는 식량안보문제와 국내에서는 농업인구 고령화와 생산성향상의 해결책으로 스마트팜 기술에 대한 연구 및 기술활동, 보급활동이 활발하다. 스마트팜의 경우 기존농업보다 에너지 수요량이 높아짐에 따라 생산비용 중 에너지 소모비용이 차지하는 비중은 상당하다. 따라서 본 연구에서는 기존 시설원예 농업에서 난방에 주로 쓰이는 기름보일러와 최근 스마트팜 기술에 가장 대중적으로 쓰이는 지열원 히트펌프를 이용하여 난방성능 및 경제성에 대해 비교하고자 한다. 본 연구는 한국과학기술연구원 강릉분원 내 300평 규모의 실증팜에서 진행되었으며, 다년간 북강릉 지역의 기상데이터를 토대로 난방부하량을 산출하였고, 이를 이용하여 기름보일러와 히트펌프의 용량을 산출하였다. 이후 4개로 분리된 온실 내부에 1,2구역과 3,4구역을 기름보일러와 히트펌프로 각각 난방을 하였으며 실내온도를 측정하여 난방성능을 비교하였다. 또한 각각의 에너지 소모량을 확인하고 이를 원화로 환산하여 소요비용을 측정하였다. 경제성분석은 현재가치법을 적용하여 진행하였다. 결과로서 난방실험기간동안 두 시스템간 난방성능의 큰 차이는 보이지 않았으며, 소요된 에너지비용은 각각 경유보일러 628만원, 지열원 히트펌프 550만5천원으로 경유보일러 대비 12.34%의 비용절감효과를 보였으며, 경제성분석결과 경유보일러는 198KRW/1,000kcal, 히트펌프는 147KRW/1,000kcal로 25.8%의 비용절감이 되는 것으로 예측되었다. 그러나 히트펌프의 에너지 공급의 한계가 있고, 지열원의 회복문제 등으로 지속적인 에너지 공급이 어려워 추후 복합열원을 통한 안정적인 에너지 공급에 관한 연구가 진행될 필요가 있다.
딸기 온실 에너지절감을 위한 PVT모듈과 공기 대 물 히트펌프를 결합한 냉·난방 시스템 개발
이충건 ( Chung Geon Lee ),김성헌 ( Seong-heon Kim ),김형권 ( Hyung-kweon Kim ),문종필 ( Jong Pil Moon ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2
현재 심각한 이상기후현상과 환경오염문제가 지속적으로 심화되고 있다. 전 세계는 이를 극복하기 위해 온실가스 감축방안, 탄소중립 등 다양한 대책과 탈석유화를 목표로 많은 연구와 기술개발활동이 이어지고 있다. 이에 따라 우리나라의 농업도 변화를 맞이하고 있다. 대표적으로 에너지수요가 높은 스마트팜에서 신재생에너지를 활용한 냉·난방이 필수적 요소로 자리잡고 있다. 기존에 국내 시설농업은 좁은 국토면적으로 인해 태양광발전이나 태양열 이용이 비효율적인 것으로 치부되어 이용이 어려웠다. 또한 PVT모듈은 이미 존재했던 기술이나 국내 농업에 적용하기에 비효율적인 것으로 판단되었다. 그러나 현재는 기술발달로 인해 PVT모듈을 시설농업에 적용해볼 수 있는 수준이며, 공간활용 측면에서 이점이 크다. 또한 현재 대중적으로 사용되는 히트펌프는 실증과 연구데이터가 누적됨에 따라 보조열원 또는 추가적인 신재생에너지원에 대한 필요성이 지속적으로 제기되고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 PVT 모듈의 국내 농업 적용방안에 대하고 모색하고, 상대적으로 초기투자비용이 저렴하며 지역적 범용성을 갖는 공기열 히트펌프를 연계한 온실 냉·난방 시스템을 개발하고자 하였다. 연구를 위한 대상 온실은 국립농업과학원 내에 위치한 단동형 딸기온실을 대상으로 난방부하를 계산하였다. 난방부하는 안전계수를 고려하여 18,600kcal/h로 나타났으며, 이에 따라 공기열 히트펌프 6RT와 온실규모를 고려한 PVT모듈을 설치하여 축열조에 병렬형태로 연결하였다. 비교를 위해 기름보일러 난방이용 온실을 대조군으로 사용하여 에너지 사용량 및 탄소저감효과에 대해 분석하고자 한다.