다단 수직형 식물공장 온실에서 순환팬 성능 및 미기후 비균일성의 평가 = Field Evaluation of Circulation Fan Performance and Microclimate Non-Uniformity in Multi-Layer Vertical Farming Greenhouse

국문 초록 (Abstract)

다단 수직형 식물공장 온실은 토지 이용 효율을 향상시키고 연중 작물 생산을 가능하게 하기 위한 대안으로 점차 확대되고 있다. 그러나 고밀도 재배 랙과 작물 캐노피는 공기 흐름을 제한하여 공간적으로 비균일한 미기후 조 건을 형성할 수 있다. 이러한 비균일성은 국부적인 열 및 수분 축적을 초래하여 환경 제어 효율을 저하시킬 뿐 아니 라, 작 물 생 육 의 불 균 일 성 을 유 발 할 수 있 다 . 본 연구에서는 34개의 재배 랙과 상부 및 하부에 설치된 순환팬을 갖춘 상업 규모의 다단 수직형 식물공장 온실을 대상으로, 팬 성능과 미기후 비균일성을 실험적으로 평가하였다. 팬 출 구 유속, 온실 내 공기 유속, 기온, 상대습도(Relative Humidity)에 대한 현장 측정 및 전면창 개방 조건에서 팬 작동 (on/off) 비교 실험을 수행하였다. 그 결과, 상부에 설치된 10개 순환팬의 출구 유속(3.23－5.00 m/s)은 변동성이 크 게 나타났으며, 특히 90° 전환 구간에서 상대적으로 낮은 유속이 관찰되어 순환 경로를 따라 불균형한 유동 분포가 나타남을 확인하였다. 반면, 하부에 설치된 4개 팬은 보다 일관된 출구 유속(3.43－4.57m/s)을 보였으나, 34개의 재 배 랙에 비해 설치 수가 제한적이어서 공간적 커버리지를 확보하지 못한 것으로 나타났다. 지상 1.5m 높이에서 측 정된 실내 기온과 상대습도는 각각 변동계수 6.52%와 7.73%로 중간 수준의 공간적 비균일성을 보였으며, 중앙부 영역에서는 지속적으로 더 높은 기온과 더 낮은 상대습도가 나타났다. 센서 위치에서 측정된 온실 내 공기 유속은 0.08－0.21 m/s 범위로 나타났으며, 위치에 따라 국소 기류 세기의 차이가 존재함을 시사한다. 전면 창 개방 조건에 서 팬 작동은 평균 기온을 소폭 감소시키고 기온 및 상대습도의 공간적 변동성을 일부 완화하는 경향을 보였다. 이 는 완전한 균질화보다는 내부 공기 혼합의 제한적인 개선 효과를 나타내는 것으로 해석된다. 본 연구 결과는 향후 전산유체역학(CFD) 기반 해석 및 다단 수직형 식물공장 온실의 환경 제어 전략 고도화를 위한 기초 실측 자료로 활 용될 수 있다 .

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Multi-layer vertical farming greenhouses have been increasingly adopted to enhance land-use efficiency and enable year-round crop production. However, dense cultivation racks and crop canopies restrict air movement, potentially leading to spatially non-uniform microclimatic conditions. These non-uniform conditions can lead to localized heat and moisture accumulation, reducing the efficiency of environmental control and resulting in non-uniform crop growth. This study experimentally evaluated fan performance and the non-uniformity of the microclimate in a commercial-scale multi-layer vertical farming greenhouse with 34 cultivation racks and above- and below-mounted circulation fans. Field measurements of fan outlet velocity, air temperature, relative humidity (RH), greenhouse air velocity, and a fan-on/off comparison under fully open window conditions were conducted. The results showed substantial variability in the 10 above-mounted fan outlet velocities (3.23－5.00 m/s), lower outlet velocities observed at 90° turning locations, indicating an imbalanced distribution along the circulation path. The four below-mounted fans showed more consistent outlet velocities (3.43－4.57 m/s), but their spatial coverage was limited because only four were installed across 34 cultivation racks. Indoor air temperature and RH measured at 1.5 m height showed moderate spatial non-uniformity, with coefficients of variation of 6.52% and 7.73%, respectively. Central regions consistently exhibited higher temperatures and lower RH. Greenhouse air velocity measured at sensor locations ranged from 0.08 to 0.21 m/s, indicating spatial variation in local airflow magnitude. Under the tested full-open window condition, fan operation was associated with a slight decrease in mean temperature and small reductions in the spatial variability of temperature and RH, suggesting a modest improvement in internal mixing rather than a substantial homogenization. These results provide field-based experimental data essential for future CFD-based analysis and the improvement of environmental control strategies in a multi-layer vertical farming greenhouse.