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          자연 환기식 온실의 모델 기반 환기 제어를 위한 미기상 환경 예측 모형

          홍세운,이인복 (사) 한국생물환경조절학회 2014 시설원예‧식물공장 Vol.23 No.3

          Modern commercial greenhouse requires the use of advanced climate control system to improve crop productionand to reduce energy consumption. As an alternative to classical sensor-based control method, this paperintroduces a model-based control method that consists of two models: the predictive model and the evaluation model. As a first step, this paper presents straightforward models to predict the effect of natural ventilation in a greenhouseaccording to meteorological factors, such as outdoor air temperature, soil temperature, solar radiation and mean windspeed, and structural factor, opening rate of roof ventilators. A multiple regression analysis was conducted to developthe predictive models on the basis of data obtained by computational fluid dynamics (CFD) simulations. The outputof the models are air temperature drops due to ventilation at 9 sub-volumes in the greenhouse and individual volumetricventilation rate through 6 roof ventilators, and showed a good agreement with the CFD-computed results. Theresulting predictive models have an advantage of ensuring quick and reasonable predictions and thereby can be usedas a part of a real-time model-based control system for a naturally ventilated greenhouse to predict the implicationsof alternative control operation. 본 연구에서는 모델 기반의 온실 환경 제어에 활용될수 있는 미기상 환경 예측 모형을 개발하고자 하였다. 전산유체역학 시뮬레이션을 활용하여 다양한 기상 조건과 온실의 환기 구조에 따른 온실 내부의 미기상 변화와 환기창에서의 환기량 변화를 모의하고, 다중회귀분석을 통해 수치 모형을 제시하였다. 비정상상태의 환기 작용을 모의한 결과, 환기창 개방후 환기 효과가 완전히 나타나기 까지는 3분 ~ 20분 정도의 시간이 소요될 수 있는 것으로 나타났다. 기존의센서 실측에 기반을 둔 대부분의 환경 조절 제어 시스템의 경우에는 측정값에 따른 피드백에 의해 환경 제어가 동작하므로 온실 내부의 기온이 상승한 이후에 환경제어를 시작하게 되지만, 모델 기반의 환경 조절 제어시스템을 도입하면 이러한 3분~20분 정도의 시간을 사전에 고려하여 적정 환경을 제어할 수 있도록 미리 환기창의 조작이 이루어지게 된다. 작은 규모의 온실에서는 이러한 영향이 미비할 수 있지만, 근래에 증가하고있는 대규모 온실들에 대해서는 온실 내부 작물 재배환경의 균일성과 적정성, 안정성을 확보하고 환경 조절의 경제성을 추구할 수 있는 모델 기반의 환경 조절 시스템이 필수적이다. 본 연구에서 제시된 수치 모형들은 외부의 기온과 풍속, 지면 온도, 일사량 등의 기상 환경과 온실의 천창개폐율에 따라 유도되는 자연 환기의 성능을 온실 내미기상 변화와 환기창을 통한 환기량 값으로 제시하고있으며, 전산유체역학 시뮬레이션 결과와 비교하여 각각58% ~ 92%, 76% ~ 93%의 예측력을 보였다. 미기상의변화는 온실을 9개의 세부 영역으로 구분하여 각 영역에서의 기온 하락 정도로 나타내며, 환기량은 지붕에 형성된 6개의 천창에서의 공기 유출입량을 각각 제시하여준다. 환기 작용에 의한 미기상의 변화는 반드시 환기창에서의 환기량에 의해 예측되지는 않으므로 환기량과 환기의 효과를 구분하여 적용하는 것이 중요할 것이다. 이러한 수치 모형들은 모델 기반 환경 제어 시스템에서가상의 환기창 동작에 따른 환기 성능을 예측하는데 활용될 수 있으며, 전산유체역학 시뮬레이션과 같은 매우복잡한 예측 모델이 비해 상당히 간단한 형태로 이루어져 있어 빠른 계산 시간을 보장한다. 이는 실시간 제어의 관점에서는 복잡한 예측 모델들에 비해 실시간 예측과 제어가 가능하다는 큰 장점을 가져다준다. 본 연구를 통해 개발되고 시도된 결과들은 모델 기반의 온실 복합 환경 제어 시스템을 위한 알고리즘을 개발하는데 활용될 것이다. 또한 이러한 활용은 농업에 IT기술을 접목하여 농가의 노동력 부족을 극복하고 생산성향상과 경쟁력 확보를 도모하는 농업 선진화에 기여할것으로 기대된다.

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          이중피복 온실의 피복방법과 환경조절에 따른 온습도 및 광합성유효광량자속 분포 특성

          이현우(Hyun-Woo Lee),심상연(Sang-Youn Sim),김영식(Young-Shik Kim) (사)한국생물환경조절학회 2012 시설원예‧식물공장 Vol.21 No.1

          관행 이중피복온실과 공기주입 이중피복온실에 대하여 보온, 난방, 환기, 냉방 등 환경조절에 따른 온실내부의 환경변화를 연중 측정하여 온습도 및 광환경 분포특성을 비교분석함으로서 기존 온실의 환경을 개선할 수 있는 방안을 제시하기 위해 수행한 연구결과를 요약하면 다음과 같다. 겨울철 야간에 난방시 공기주입온실과 관행온실의 커튼과 피복재 사이의 온도는 거의 비슷한 값을 보여주고 있어 보온효과는 거의 동일한 것으로 나타났다. 온실내부의 커튼 안쪽의 습도는 난방으로 인해 외부습도보다 낮게 유지되었으나 커튼과 피복재 사이의 습도는 거의 100%로 유지되었다. 주간의 우천시에도 두가지 온실의 내부온도가 거의 비슷하여 보온효과는 동일한 것으로 나타났다. 주간에 천창환기시 두 온실 모두 일사로 인해 상하방향으로 온도의 편차가 크게 발생하였고, 공기주입온실이 관행온실에 비해 온도가 약간 더 낮기 때문에 환기효과가 더 우수한 것으로 판단된다. 온도분포와 마찬가지로 상하방향으로 습도편차가 크게 발생하였으며, 공기주입온실이 관행온실에 비해 습도가 약간 더 높게 나타나 환기효과가 더 우수한 것으로 판단된다. 야간에 천창환기시에는 두 온실 모두 주간과는 달리 일사가 없기 때문에 온실내부 전체적으로 균일한 온습도분포를 보여주고 있다. 간헐적 포그분사 냉방을 실시하였을 때 두 온실 모두 상하좌우로 비교적 균일한 온습도분포를 보여주었다. 연속 포그분사 냉방을 실시한 경우 전체적으로 균일한 온습도 분포를 보여주었으며, 평균 약 3.5℃ 정도의 냉방효과가 있는 것으로 나타났다. 커튼과 지붕피복재 사이의 공간에 대한 상대습도와 절대습도의 변화를 분석한 결과 거의 커튼을 닫는 시점에서 피복재의 온도가 노점 온도 이하로 낮아지기 시작하기 때문에 커튼을 닫음과 동시에 제습기를 사용하여 지붕과 커튼 사이 공간의 공기에 함유된 수증기를 제거하면 지붕의 피복재에 발생하는 결로를 억제할 수 있을 것으로 판단된다. 피복재의 사용기간이 경과함에 따라 공기주입온실에 비해 관행온실이 광투과율이 더 감소하는 것으로 나타났다. 이는 온실내부 피복재를 권취식으로 개폐하는 과정에서 먼지와 결로로 인해 오염되기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 피복재의 광투과율이 감소되는 것을 방지하기 위해서는 피복재의 권취식 개폐방식을 지양하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 결론적으로 온실의 이중피복 방법을 공기주입 이중피복형태로 하고 천창을 용마루 위치에 나비형태로 설치한다면 관행 이중피복 온실과 동일한 에너지절감효과를 유지하면서 광투과율을 현저히 개선할 수 있고 환기효율도 높일 수 있을 것으로 판단된다. The objective of the present study is to provide data needed to find double covering method to be able to improve environment of temperature, humidity and PPF in tomato greenhouse. The distribution charts of temperature, humidity and PPF which were measured in environment control conditions such as thermal insulation, air heating, roof ventilation and air fog cooling in conventional and air inflated double layers greenhouses were drawn and analysed. The thermal insulation effect of the air inflated greenhouse was the same as that of conventional greenhouse because the temperature between insulation curtain and roof covering material was equal in heating season. The ventilation effect of the air inflated greenhouse was superior to the conventional greenhouse. The temperature distribution in the fog cooled greenhouse was uniform and the cooling effect was about 3.5oC. The condensation on the roof covering surface could be controlled by removing the moisture between insulation curtain and roof covering by using humidifier. The PPF of conventional greenhouse was more decreased than the air inflated greenhouse as time went by because the transmittance of conventional greenhouse declined by dust collected on the inside plastic film owing to rolling up and down operation for ventilation.

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          신선편이 브로콜리의 품질과 미생물 성장에 영향을 주는 소성칼슘 용액 세척 및 열처리 효과

          김지강(Ji Gang Kim),Hataitip Nimitkeatkai,최지원(Ji Woen Choi),이상규(Sang Gyu Lee) (사)한국생물환경조절학회 2012 시설원예‧식물공장 Vol.21 No.4

          환경친화적인 농산물 살균소독 세척방법으로 소성칼슘 및 열처리에 의한 신선편이 브로콜리 저장 중 품질 및 미생물적인 안전성 향상 효과를 구명하기 위하여 본 연구를 수행하였다. 브로콜리를 절단한 뒤 수돗물, 50μL · L<SUP>?1</SUP> 염소수 및 1.5g · L<SUP>?1</SUP> 소성칼슘 용액과 45℃의 수돗물 열처리, 열처리와 살균소독제를 혼합한 45℃의 1.5g · L<SUP>?1</SUP> 소성칼슘 용액에서 각각 2분 세척하였다. 그리고 신선편이 브로콜리를 50㎛ PE 필름에 포장하여 5℃에서 9일 저장하면서 기체조성, 전기전도도, 미생물수, 색 및 관능적인 품질을 조사하였다. 포장내부의 기체조성은 열처리에서 O₂ 농도가 낮고, CO₂ 농도는 높았으나 비열처리구에서는 살균소독 방법간에 차이가 없었다. 소성칼슘 및 염소수 살균소독처리는 수돗물 처리보다 신선편이 브로콜리의 미생물 감소에 효과적이었고 열처리는 저장 3일까지는 효과가 있었으나 6일 이후에는 나타나지 않았다. 전기전도도는 소성칼슘 + 열처리에서 높게 나타났고, 색은 저장기간이 지나면서 명도가 낮아지고 황색도는 증가하였으나 살균소독 처리간에는 차이가 나타나지 않았다. 신선편이 브로콜리 저장 중 미생물수는 소성칼슘 단독처리가 염소수와 비슷한 수준으로 저장 9일 동안 일반세균수 제어효과를 나타냈고, 대장균군도 수돗물 처리보다 저장기간 내내 적게 나타났다. 또한 브로콜리 절단면의 변색 억제에는 열처리가 효과적이었으나 이취는 높게 나타났으며, 비열처리구에서 소성칼슘 용액처리는 염소수와 같이 수돗물보다 외관이 우수하고, 이취가 적게 나타났다. 따라서 소성칼슘 처리는 환경친화적인 방법으로서 신선편이 브로콜리의 염소 살균소독세척을 대체할 수 있는 방법으로 판단되었다. This study was conducted to investigate the effect of calcinated calcium (CC) alone or combination with heat treatment on storage quality and microbial growth in fresh-cut broccoli. Fresh broccoli samples were cut into small pieces and washed in normal tap water (TW), 50 μL · L<SUP>?1</SUP> chlorinated water (pH 6.5), 1.5 g · L<SUP>?1</SUP> CC, heat treatment in TW at 45℃, and CC dissolved in TW at 45℃ for 2 minutes separately. Samples were then packaged in 50 ㎛ polyethylene bags and stored at 5oC. Results revealed that like 50 μL · L<SUP>?1</SUP> chlorine, washing in CC at normal water temperature was effective in reducing microbial population in fresh-cut broccoli samples. Washing with CC combined with heat treatment increased an electrical conductivity of fresh-cut broccoli. Combined heat treatments with TW and CC reduced aerobic plate count on fresh-cut broccoli, only in initial period of storage. But, later on heat treatment induced injury of fresh-cut broccoli resulting more microbial population compared to non heat treatment. However, samples treated with CC alone had good quality with low off-odor at the end of storage. Results suggest that CC, an environment-friendly sanitizer could be an alternative to chlorinated water for washing of fresh-cut broccoli without affecting sensorial quality.

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          PLC와 컴퓨터를 이용한 식물생산공장의 환경제어

          김동억(Dong Eok Kim),장유섭(Yu Seob Chang),김종구(Jong Goo Kim),김현환(Hyeon Hwan Kim),이동현(Dong Hyeon Lee),장진택(Jin Taek Chang) (사)한국생물환경조절학회 2006 시설원예‧식물공장 Vol.15 No.1

          본 연구는 식물공장의 생육환경을 측정하고 제어하기 위한 하드웨어와 효과적인 환경제어 알고리즘을 개발하기 위하여 수행하였다. 환경제어를 위한 온실제어 시스템은 크게 컴퓨터와 PLC로 구성하였다. 환경제어 화변에는 온실 부대장치와 기기를 포함한 온실 그림과 온실내부의 기상환경 그래프 그리고 온실 영상을 나타내었다. 온도변화를 줄이기 위하여 환기창의 개폐시간을 설정값과의 온도편차에 따라 3단계로 조절되도록 하였다. 난방기 가동시의 제어편차는 16.7±0.8℃로 나타났고, 자연환기 시 제어편치는 23.1±0.6℃로 나타났다. 가습을 위해 가습기를 가동한 경우의 제어편차는 39.3±1.6%RH로 나타났다. 환경제어장치는 계측과 제어성능에 있어 좋은 성능을 보여 일반 온실과 식불공장의 제어시스템으로 적용할 수 있을 것으로 판단되었다. This study was conducted to develop a system and an control algorithm for control the environment of a plant factory. The greenhouse control system for environmental control was largely composed of a computer and a PLC. The screen of control program was composed of a greenhouse figure which was included machinery and equipments for greenhouse, the graph of environmental factors of inside greenhouse and the image of greenhouse. In order to reduce temperature change, the operation time of ventilation window was changed by 3 stage according to difference between a target and present temperature. When is heating, a temperature variation was shown to be 16.7±0.8℃. When is cooling, a temperature variation was shown to be 23.1 ±0.6℃. When is humidifing, a humidity variation was shown to be 39.3℃ ± 1.6%RH. An environmental control system and a control algorithm were proved that it was shown a good performance in a control accuracy. So a computer control system should be adapted to a control system of a greenhouse and a plant factory.

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          딸기재배 온실의 현장조사 분석

          정영균(Young Kyun Jeong),이종구(Jong Goo Lee),윤성욱(Sung Wook Yun),김현태(Hyeon Tae Kim),윤용철(Yong Cheol Yoon) (사)한국생물환경조절학회 2018 시설원예‧식물공장 Vol.27 No.3

          본 연구에서는 딸기의 생육 및 환경관련 데이터를 활용하여 딸기 재배 온실의 최적 환경 구현을 위한 시스템을 선정하고 생산성 향상에 대한 연구를 위한 기초자료로 활용할 목적으로 서부 경남 지역 중 딸기 재배로 유명한 지역의 온실을 대상으로 현장조사를 실시하였다. 이 결과를 바탕으로 경상대학교 내에 딸기 재배용 테스트 베드 온실을 설치하여 연구를 실시하고자 본 연구를 수행하였다. 그 결과 재배농가의 연령대를 보면, 상대적으로 50대 및 60대가 가장 많았지만, 50대 이하가 27개 농가로서 전체의 약 67.5%정도이었고, 60대 이상은 32.5%정도인 것으로 나타났다. 재배경력의 경우, 10년 이하가 주류를 이루고 있지만 30년 이상인 경우도 있었다. 대상농가 모두가 단동온실로서 대부분이 아치 형태인 것으로 나타났으며, 양액재배 농가가 약 75%정도로 토경재배보다 많은 것으로 나타났다. 양액재배의 경우, 전체 농가가 고설재배를 하고 있었다. 단동온실의 폭, 측고 및 동고는 조사지역에 관계없이 각각 7.5~8.5m, 1.3~1.8m 및 2.5~3.5m정도 이었다. 서까래 간격도 0.7~0.8m정도인 것으로 나타났다. 고설재배의 경우, 고설재배 베드의 폭, 높이 및 간격은 각각 0.25m전후, 1.2m전후 및 1.0m전후인 것으로 조사되었다. 딸기 품종의 경우, 국산이 약 97.5%를 차지하고 있었고, 이 중 설향이 약 65.0%로서 가장 선호하고 있는 것으로 나타났다. 온실 내부 환경요인으로 38개 농가가 온도와 상대습도만 계측하였다. 2개 농가는 최근에 국산 제품인 스마트 팜 시스템을 도입한 농가도 있었다. 양액재배의 경우는 양액제어 시스템을 이용하고 있었다. 이 외에도 관비기를 사용하거나 환기 및 유동 팬을 사용하고 있는 농가도 있었다. 온습도 조절은 스마트 팜 시스템을 도입한 농가를 제외하고 약 85%인 34개 농가에서 측창이나 환기팬을 작동시키는 제어패널만을 이용하여 조절하였고, 수동으로 측창을 개폐하고 있는 농가도 10%정도인 4개 농가가 있었다. 보온 및 난방의 경우, 전체 대상 농가가 수막을 이용하고 있었다. 이 외에 필요에 따라 기름 및 전기보일러, 방열 램프 및 부직포 등을 병행하여 이용하는 농가도 다수 있었다. This study set out to select a system to realize an optimal environment for strawberry cultivation greenhouses based on data about the growth and development of strawberry and its environment and to provide basic data for the research of its improved productivity. For these purposes, the investigator conducted a field survey with greenhouses for strawberry cultivation in western Gyeongnam. The findings show that farmers in their fifties and sixties accounted for the biggest part in the age groups of strawberry farmers. While those who were under 50 were accounted for approximately 67.5%, those who were 60 or older accounted for 32.5%. As for cultivation experiences, the majority of the farmers had ten years of cultivation experiences or less with some having 30 years of cultivation experiences or more. All the farmers built an arch type single span greenhouse. Those who used nutrient solutions were about 75.0%, being more than those who used soil. All of the farmers that used a nutrient solution adopted an elevated hydroponic system. The single span greenhouses were in the range of 7.5~8.5m, 1.3~1.8m and 2.5~3.5m for width, eaves, and ridge height, respectively, regardless of survey areas. The rafters interval was about 0.7~0.8m. In elevated hydroponic cultivation, the width, height, and interval of the beds were about 0.25m, 1.2m and 1.0m, respectively. As for the strawberry varieties, the domestic ones accounted for approximately 97.5% with Seolhyang being the most favorite one at about 65.0%. As for the internal environment factors of greenhouses, 38 farmers measured only temperature and relatively humidity. As for hydroponics, the farmers used a hydroponics control system. Except for the farmers that introduced a smart farm system for temperature and humidity control, approximately 85.0% controlled temperature and humidity only with a control panel for side windows and ventilation fans. As for heating and heat insulation, all of the farmers were using water curtains with many farmers using an oil or electric boiler, radiating lamp or non-woven fabric, as well, when necessary.

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          가상현실 기반 농업시설 공기유동 시뮬레이터의 개발

          노재승,김유용,유영지,권진경,이인복,김락우,김준규 (사) 한국생물환경조절학회 2019 시설원예‧식물공장 Vol.28 No.1

          Using virtual reality technology, users can learn and experience many interactions in virtual space like the actual physical space. This study was conducted to develop air flow simulator that allows farmers and consultants to consult air flow through VR devices by creating a greenhouse or pigpen model. It can help educate farmers about the importance of ventilation effects for agricultural facilities. We proposed CFD visualization system by building a virtual reality environment and constructing database of CFD and structure of agricultural facilities. After consultants can set up situations according to environmental conditions, the users experience the visualized air flow of agricultural facility according to the ventilation effects. Also it can provide a quantified environmental distribution in the agricultural facility. Currently, the CFD data in agricultural facilities are established during winter and summer. In order to experience various environmental conditions in the developed system, The experts need to run CFD data under various environmental conditions and register them in the system requirements. 4차산업혁명 기술인 가상현실 기술을 이용하면 현장에가지 않고 가상공간에서 교육하고 체험하는 것이 가능하여 사용자가 가상의 세계에서 현실과 같은 자연스러운상호작용이 가능하다. 가상현실 기술을 활용하여 농업인에게 시각적으로 인지하기 힘든 공기유동, 환기효과 등의 체험을 하도록 하여 농업시설 관리의 중요성을 교육하는데 기여할 수 있다. 본 연구는 농업시설인 온실이나돈사 모델을 생성하고 환경조건에 따라 원격 서버에 저장된 CFD 데이터를 불러와 농업인 및 컨설턴트가 VR 기기를 통해 공기유동을 보면서 컨설팅 할 수 있는 시뮬레이터 시스템을 개발하기 위해 수행되었다. 농업시설3차원 오브젝트 생성, 농업시설 가상현실 환경구축, CFD 및 농업시설 구조물의 데이터베이스 구축, CFD 가시화 시스템에 대하여 제안하였다. 컨설턴트가 환경조건에 따라 상황을 설정하여 사용자와의 상호작용에 의해농업시설내의 공기유동 정보를 체험할 수 있다. 사용자는 동절기나 하절기의 환기여부에 따라 가시화된 공기유동을 체험할 수 있으며, 농업시설 내의 지점별 위치에대한 정량화된 환경분포를 제공받을 수 있다. 현재 동절기 및 하절기 주간 3연동 온실 및 2009 자돈 돈사에 대한 데이터가 구축 되어 있으며, 향후 개발된 시스템에다양한 환경조건에 대한 체험을 하도록 CFD 전문가 들은 다양한 환경조건에 대한 CFD를 수행하여 시스템에등록하는 것이 필요하다. 또한 농업시설 내 공기상태를눈으로 보고 정확하게 파악하여 적정환기를 할 수 있도록 농업인들에게 가상현실 기기조작을 교육할 수 있는체계가 필요할 것으로 판단된다.

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