복합 열교환기를 활용한 폐열회수 시스템 에너지회수량 분석

임류갑 ( Ryugap Lim ),장재경 ( Jae Kyung Jang ),백이 ( Yee Paek ),이태석 ( Taeseok Lee ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.1

가축분뇨 처리시설의 액비화를 위한 호기 반응조에서는 호기성 미생물에 의한 유기물의 산화분해에서 발생하는 산화반응열과 반응조에서 공급하는 폭기에서 발생하는 유체마찰열 등이 발생하며 이 열에너지는 열회수장치 등을 이용하여 회수, 활용 가능한 폐열 에너지자원이다. 가축분뇨 처리 폐열은 주로 공공처리시설, 공동처리장, 개별농가로부터 처리를 위한 공정 내에서 버려지고 있는 폐열을 의미한다. 이러한 중온 또는 고온의 열을 액비 공정 또는 시스템 내에서 가치가 있는 유효한 에너지로 최대한 회수하고, 이용 효율을 올리기 위해 열교환기 등 각종 열회수 장치 도입은 필연적이며, 에너지 절감 측면에서 중요한 관점이 되고 있다. 폐열은 열에너지의 온도 수준, 형태, 물질 특성에 따라 다양한 형태와 방법으로 열회수 장치를 도입하여 열을 회수할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 가축분뇨 호기성 발효조를 모사한 수조 내에 설치된 스테인리스 및 PE 열교환기, 열교환기와 연결되어 있으며 내부에 작은 열교환기를 포함하는 버퍼탱크, 버퍼탱크와 연결된 물-물 히트펌프, 히트펌프와 연결된 축열조, 버퍼탱크의 열교환기에 연결된 배기열 회수기와 축열조에 연결된 팬코일 유닛으로 구성된 가축분뇨 폐열회수 시스템을 구성하였다. 수조의 온도 35, 40, 45 ℃ 조건에 인자를 두어 PE파이프와 스테인리스파이프로 구성된 열교환기의 열에너지 회수량을 측정하였다. 시스템의 열교환기는 57.9, 70.0, 75.6 MJ/h의 열에너지를 회수하였으며, 발효조 폐열 수준이 높은 곳에서 적극적으로 폐열을 회수할수록 열에너지 활용 범위와 가치가 크다는 것을 확인하였다.

가축분뇨 호기발효조 폐열회수시스템을 활용한 퇴비 건조

임류갑(Ryugap Lim),장재경(JaeKyung Jang),백이(Yee Peak),이태석(Taeseok Lee),심영호(Youngho Sim) 대한환경공학회 2020 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2020 No.11

호기성 액비화 발효열을 가정한 폐열회수시스템 구성 및 활용 연구

임류갑(Ryugap Lim),장재경(Jae Kyung Jang),강태경(Taegyung Kang),손진관(Jinkwan Son),이동관(Donggwan Lee) 한국산학기술학회 2021 한국산학기술학회논문지 Vol.22 No.4

본 연구에서는 가축분뇨 처리시설의 호기성 액비화 과정에서 발생하는 열을 회수하기 위한 폐열회수 시스템을 고안하여 시스템을 구성하는 요소 장치의 성능을 분석하였다. 또한, 회수된 열의 활용 가능성을 확인하였다. 실험 설정을 위해 가축분뇨 처리시설의 액비 발효조에서 발생하는 발효열을 확인하였다. 호기성 액비화를 위한 발효조의 온도가 균일성을 나타낸 특성과 34.5 ~ 43.9 ℃의 범위에서 운영되는 점을 고려하여 실험 온도 수준을 35, 40, 45 ℃로 설정하였다. PE 및 STS 파이프로 구성된 복합열교환기는 53.5, 65.6, 74.4 MJ/h 열에너지를 회수하고, 5 RT 용량의 히트펌프는 95.6, 96.1, 98.9 MJ/h 열에너지를 축열 하였으며, 이때 히트펌프의 난방성능계수는 4.53, 4.62, 4.65이었다. 발효조의 온도를 45 ℃로 가정한 열교환기의 최대 온수 생산능력을 급탕량 산정 방법으로 비교했을 때 56 360 ㎉/day의 에너지 공급량을 확인하였다. 축열조와 연계된 FCU의 온풍 난방능력은 20.8 MJ/h, 에너지 이용효율은 96.1 %였다. FCU의 온풍으로 퇴비를 건조하였을 때 초기함수율 50.5 %에서 건조 후 함수율 45.8 %로 4.7 % 감소함을 확인할 수 있었다. In this study, a waste heat recovery system was devised and the performances of components incorporated to recover the heat generated during the processing of aerobic liquid-composting in a livestock manure treatment facility were analyzed. In addition, the availability of recovered heat was confirmed. The heat generated by liquid fermentation in the livestock manure treatment facility was also checked. Experimental temperatures were set at 35, 40, and 45 ℃ based on considerations of the uniformity of aerobic liquid-composting fermentation tank temperature and its operating range (34.5 ~ 43.9 ℃). Recovered heat energies from the combined heat exchanger, which consisted of PE and STS pipes, were 53.5, 65.6, 74.4 MJ/h, The heat pump of capacity 5 RT was heated at 95.6, 96.1, 98.9 MJ/h and the heating COPs of the pump were 4.53, 4.62, and 4.65, respectively. The maximum hot water production capacity of the heat exchanger assuming a fermentation tank temperature of 45 ℃ confirmed an energy supply of 56 360 ㎉/day. The heating capacity of the FCU linked to the heat storage tank was 20.8 MJ/h, and the energy utilization efficiency was 96.1%. When livestock manure was dried using the FCU, it was confirmed that the initial function rate was reduced by 50.5 to 45.8 % after drying.

가축분뇨 처리시설의 폐열 활용 정책 제시

임류갑(Ryugap Lim),강태경(Tae Gyoung Kang),박민정(Min Jung Park),손진관(Jinkwan Son),오성식(Sungsik Oh) 대한환경공학회 2021 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2021 No.11

공기순환팬 및 포그시스템 운용에 따른 온실 내 온습도 분석

임류갑 ( Ryugap Lim ),강태경 ( Tae Gyoung Kang ),장재경 ( Jae Kyung Jang ),이태석 ( Taesuk Lee ),박민정 ( Min Jung Park ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

여름철 자연환기 상태의 시설온실 내부기온은 강한 태양에너지로 인해 외기온보다 5 ℃ 이상 높아 시설재배 작물의 생육한계 온도인 35 ℃를 초과하는 경우가 흔한 실정이다. 실내 기온이 상승하면 온도에 의존하는 상대습도는 낮아지는데 우리나라 여름철 맑은 날 기준으로 시설온실 내부 상대습도는 50 % 이하인 경우가 대부분으로 증발냉각이 유리하다. 증발냉각 원리를 이용한 포그냉방은 장치, 설비 등이 대부분 국산화되어 설치비용이 줄어들고 포그분무, 휴지시간 등 정밀제어 알고리즘이 개발되어 고온기 냉방 수단으로 주목받고 있다. 포그시스템의 효율 향상을 위해 자연환기는 극대화하고 온실 내부에 순환팬을 설치하여 제습 및 증발효율을 높이는 방법은 필수적이다. 본 연구에서는 고온기 유리온실에서 공기유동팬 작동, 포그시스템 작동, 공기유동팬 및 포그시스템 작동 총 3가지 처리에 따른 온습도 변화 및 분포 균일도를 확인하였다. 작물이 정식 되지 않은 유리온실에서 측창 개방, 천창 닫힘, 차광막은 열림 상태의 조건으로 실험하였다. 포그시스템은 60초 분무 30초 휴지시간으로 설정하고 공기유동팬은 오전 10시에서 오후 17시까지 작동되도록 설정하였으며 유리온실의 환경정보를 대표할 수 있는 상, 중, 하 위치에 온·습도센서(HOBO, U23-001) 36개를 설치하여 10분 간격으로 데이터를 저장하였다. 실험결과 공기유동팬과 포그시스템을 동시에 운용했을 때 외부기온보다 최대4.8 ℃ 낮았으며 공기유동팬 3.4 ℃, 포그시스템 3.2 ℃ 순으로 나타났다. 포그시스템을 운용했을 때 온실내부의 습도 차이는 공기유동팬과 포그시스템을 동시 운용했을 때와 10.3 % 높았으며 공기유동팬을 운용했을 때와는 14.1% 높게 나타났다. 이와 같은 결과는 외부기상과 온실 내부 환경변화를 고려한 최적화 된 공기유동팬 및 포그시스템을 운용하면 제습 및 증발효율을 높일 수 있을것으로 사료된다.

여름철 부여 토마토 재배온실의 냉방 현황 및 환경 모니터링

박민정(MinJung Park),임류갑(Ryugap Lim),강태경(TaeGyoung Kang),이태석(Taeseok Lee) 대한환경공학회 2020 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2020 No.11

포그결합형 공기유동팬 운용의 온실 최고온도 저감 효과 분석

손진관 ( Jinkwan Son ),임류갑 ( Ryugap Lim ),박민정 ( Minjung Park ),강태경 ( Taegyoung Kang ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

최근의 국내 시설원예 산업은 스마트팜, 디지털농업 기술의 확산과 보급으로 세계 최고 수준으로 급성장하고 있다. 시설원예의 스마트팜 및 디지털 정밀농업을 위해서는 작물의 품질과 수량에 영향을 주는 주요 환경 요인인 온도, 습도, 광, CO₂ 등을 세밀하게 관리해야 한다. 하절기(고온기) 온실 내부의 환경을 작물 생육에 적합한 온도조건으로 저감시키기 위해서 증발 냉각시스템 도입이 증가하고 있다. 대표적 증발 냉각시스템으로는 팬-팬드와 포그 시스템 등을 거론할 수 있으며, 증발냉각 원리의 포그 시스템은 가장 효과적인 온실의 온도저감 방법으로 평가받는다. 이러한 포그 장치와 설비 등은 최근 대부분 국산화되어 설치 비용이 줄어들고 고온기 냉방 수단으로 보급 또한 확산하고 있다. 포그 시스템의 기온 저감 효과는 습도와 밀접하게 연관되기 때문에 온실 내부의 환기와도 밀접한 관계가 있다. 따라서, 공기유동을 고려한 환기를 통해 증발냉각 효율을 높일 필요가 있다. 본 연구는 고온기 온실에서 포그시스템의 효율적인 운영에 필요한 자료를 구축하고자 포그결합형 공기유동팬을 설계하여 온실의 온습도 변화를 분석하였다. 포그결합형 공기유동팬의 효과 평가는 연동(1-2W) 온실에서 대조구와 처리구로 구분하여 측창, 천창 개방, 차광막 열림 상태의 조건으로 실험하였다. 포그 시스템은 60초 분무 60초 휴지시간으로 설정하고 공기유동팬은 11시~16시까지 작동되도록 설정하였다. 온습도 정보는 센서(HOBO, U23-001) 27개를 설치하여 5분 간격으로 데이터를 수집하였다. 연구결과 포그결합형 공기유동팬 작동 시 외부온도 대비 최대 2.6℃ 저감되는 것을 확인하였다. 습도는 초기에 8.8 %의 차이를 보였으나 시간이 지날수록 공기유동에 의해 차이가 작아지는 것을 확인하였다. 대조구(무처리)와 포그결합형 공기유동팬(처리구)의 온도 차이는 최대 5.0 ℃, 평균 4.1℃ 낮게 저감되는 것으로 분석되었으며, 습도는 최대 13.0%, 평균 7.4%의 차이가 나타남을 확인하였다. 이와 같은 결과는 외부기상과 온실 내부의 상대습도, 공기유동과 밀접한 관계가 있으며, 상대습도 즉, VETH 선도 또는 습공기 W-T 선도에 의한 포그 알고리즘 제어와 내부 공기의 순환 개념을 적용한 최적화 공기유동팬을 운용하면 냉방효율을 높일 수 있을 것으로 사료된다.

환경부하 대응 가축분뇨 특성을 고려한 처리 및 관리 기술 제안

이동관 ( Donggwan Lee ),백이 ( Yee Paek ),임류갑 ( Ryugap Lim ),이태석 ( Taeseok Lee ),장재경 ( Jae Kyung Jang ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2020 No.-

최근 기후변화 대응을 위해 농업생산 활동에서 배출되는 환경부하의 안정적인 처리와 자원순환의 필요성이 증가하고 있다. 가축분뇨의 경우, 고농도의 유기물, N, P를 포함하고 있어 적정 관리가 되지 않은 상태에서 배출시 토양, 수질, 지하수 오염과 토양 혐기화로 인한 온실가스 배출 가능성 또한 배제할 수 없다. 현재 가축분뇨는 퇴·액비화하여 경종 농가의 비료 원으로 공급하여 경종 농업의 비료 대체제로 사용하여 상생하는 체계로 운영되고 있다. 그러나 공동처리시설에 유입되는 가축분뇨 농도 편차가 있음이 확인되었다. 따라서 본 연구에서는 현재 가동 중인 가축분뇨 공동자원화시설 3개소를 선정하여(I시, C군, D시) 가축분뇨 유입농도, 처리효율등 가축분뇨 처리 실태를 알아보고 이에 대응하는 처리 및 관리에 이용하고자 하였다. 선정한 3개소의 공동자원화시설로 유입되는 가축분뇨의 TCOD(BOD)는 6,200(5,100)~11,000(13,000)mg/L로 거의 두 배 차이를 보였으며, 처리 효율은 TCOD 10~65%, BOD 37~73%, SS 48~80%, NH3-N 42~55%, TP 40~55%로 각 성분별 차이가 큰 것으로 나타났다. 공동처리 시설은 대부분 수거, 저류조, 고액분리, 생물 반응조, 액비 생산이라는 유사한 공정을 거쳐 처리되고 있으나 생산되는 액비 성분에도 차이 큰 것으로 나타났다. 비료 대체 성분인 N과 P성분을 제외하고도 액비의 유기물과 부유물질(SS) 농도가 각각 최대 5,300mg/L와 3,200mg/L으로 나타났는데, 단위 시설 추가에 의한 농업용수 생산, 작물에 특성에 따른 맞춤형 발효 액비 생산으로의 활용 등을 고려하여 각 처리시설 상황에 맞는 다각적인 관리 및 이용이 필요할 것으로 판단되었다.

화훼 구근 크기별 선별을 위한 기계화 연구

박민정 ( Minjung Park ),강태경 ( Taegyoung Kang ),임류갑 ( Ryugap Lim ),손진관 ( Jinkwan Son ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

우리나라의 나리, 튤립, 프리지아 등 절화 구근류 재배면적은 203 ha이며, 구근 절화류 생산액은 231억원, 생산량은 59백만 본에 달하고 있다(MAFRA, 2020). 구근 절화류 중 가장 큰 비중을 차지하는 절화나리는 국내 절화생산액의 10.0%를 차지하고 있고, 면적은 8.8%를 차지하고 있으며 수출액은 6,922천 달러이다. 이러한 구근을 이용한 절화 재배 시 가장 노동력이 많이 드는 작업은 구근 선별 작업으로, 단기간 동안 반복 집약적으로 해야하기 때문에 노동력이 많이 소요되는 작업이다. 본 연구에서는 구근 선별시 인력에 의한 노동력을 줄일 수 있는 화훼 구근 선별기계화 장치를 개발하였다. 화훼 구근 선별기계화 장치는 상자 및 구근 공급부, 구근 및 상토 분리부, 선별부로 구성되며, 다양한 종류의 구근 사용이 가능하도록 선별봉의 간격을 조절하여 구근 크기에 따라 분류할 수 있도록 하였다. 선별기계화 장치의 성능시험은 절화 재배가 완료된 나리구근(품종 : 써니주시)을 이용하여 3반복으로 선별 시험을 수행하였다. 선별 성능시험 결과, 선별봉 간격 115mm에서 특대, 대, 중, 소 크기별 분류가 가장 잘 이루어졌으며 표준편차도 0.61~1.13으로 가장 작게 나타났다. 또한 구근 선별기계화 장치는 시간당 18,000개의 구근을 분류하여, 기존 인력 대비 약 65%의 노동력이 절감되고 약 88%의 비용이 절감되는 것으로 나타났다. 인력에 의존하던 구근 선별과 같은 농작업을 기계화장치를 이용하면 노동력 절감 및 작업 효율성이 높아질 것으로 기대된다.

딸기 수경재배에서 배액 발생량 조사

이동관 ( Donggawn Lee ),이주은 ( Jooeun Lee ),백이 ( Yee Paek ),이태석 ( Taesuk Lee ),임류갑 ( Ryugap Lim ),장재경 ( Jae Kyung Jang ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.1

최근 폐양액이 환경에 미치는 영향에 관심이 커지고 있다. 일반적으로 수경재배 시 급액량의 20~30%가 배액되는 것으로 알려져 있는데, 배액량은 온도, 풍속, 일사량, 습도 등 환경요인뿐만 아니라 작물 생육단계에 따라 복합적으로 영향을 받기 때문에 배액량 20~30%를 유지하도록 제어하기는 쉽지 않다. 본 연구는 특히 활발한 생식 생장 마지막 시점에서 배액량이 어느 정도 되는지 알아보았다. Test bed 5개가 설치된 단동 비닐온실(224m2)에서 내/외부 온도, 습도, 일사량 등 환경 조건과 배액량을 측정하였다. 기본적으로 양액은 1회당 10L씩 맑은 날 기준 4회(08:30, 10:00, 12:00, 15:00) 또는 5회(08:30, 10:00. 12:00, 13:00, 15:00)주기로 급액하였으며, 강우시에는 3회 급액하였다. 각 베드별 묘수는 1~5번 베드당, 102, 109, 104, 118, 92개였다. 표준공급 EC는 1.2 dS/m였으며, 초기 0.6, 0.8, 1.0으로 점차 증가시켜 수확기에 1.0~1.3으로 조절하였다. 수확기 이후 본 실험은 pH 5.9~6.0, EC 1.0dS/m로 운전하였다. 이 결과 bed1~bed5까지 각각 37.7L(75.4%), 32.3L(64.4%), 34.9L(69.8%), 38.9L(77.8%), 45.5L(91%)가 배출되어 평균 75.7%가 배출되었다. 딸기 작물 배액은 전반적으로 일사량이 낮을수록, 습도가 높을수록, 온도가 낮을수록, 풍속이 높을수록 배액의 양을 증가하는 것을 확인하였다. 이와 같이 배액량이 통상적으로 배출되는 양인 20%보다 많은 양이 배액되고 있었으며, 실제로 농가에서 필요양보다 많은 양을 사용하고 있을 수 있어 작물 생육단계별 양액 급액 조절이 필요할 것으로 판단되었다.