CFD기법을 통한 온실 환기시스템 및 덕트 난방시스템의 평가 = Assessment of Ventilation and Heating Systems for Controlling Air Environment of Greenhouse using CFD Technique
저자
발행기관
학술지명
한국농공학회 학술대회초록집(Proceedings of the Korean Society of Agricultural Engineers Conference)
권호사항
발행연도
2017
작성언어
Korean
주제어
자료형태
학술저널
수록면
144-144(1쪽)
제공처
온실은 재배작물의 적정생육온도를 유지하기 위해서 높은 에너지비용이 필요하다. 가온온실의 경우 평균적으로 총 운영비 중 41%를 난방비로 소비하며 주로 유류를 사용한다. 이에 화석연료를 대체할만한 에너지로 신재생에너지를 농업시설에 활용하고자하는 시도가 행해지고 있으며 이를 위해 에너지 이용 효율성 분석의 선행되어야 한다. 온실 내부의 환경 조절을 위해 다양한 공조시스템이 활용되고 있으며, 본 연구에서는 하절기에는 자연환기를 대상으로, 동절기에는 덕트 난방 시스템을 대상으로 에너지 이용 효율성의 향상을 위해 효율적인 환기 운영 및 덕트 난방 시스템의 적정 설계방안을 도출하고자하였다. 이를 위해 본 연구에서는 전산유체역학기법(CFD)을 이용하여 여름철 대상 온실의 자연환기량을 분석하였고 겨울철 덕트 난방 시스템의 설계 방안에 따른 작물군에서의 유속 및 온도 균일성을 평가하고자 하였다.
대상 온실은 보령화력발전소에 위치한 8연동 플라스틱온실로 현장실험을 통하여 온실의 CFD 시뮬레이션 모델을 설계 및 검증하였다. CFD 시뮬레이션 모델에서 작물을 다공성매체로 가정하여 설계하기 위하여 공기저항 측정 실험을 추가적으로 진행하였다. CFD모델은 작물특성, 온실형상, 구조적특징 등을 반영하였으며 격자크기, 난류모델에 따라 온실 내부 15개 지점에서의 기온 및 공기유속을 비교하여 검증하였다. CFD 시뮬레이션을 통해 연산된 값과 현장 실측치의 비교 결과, 온도 및 유속 분포의 결정계수 (R<sup>2</sup>)가 0.92~0.96으로 산정되었다. 따라서 본 연구에서 설계한 CFD 시뮬레이션 모델이 온실 내부 공기유동 모의에 적합하다고 판단하였으며, 적정 격자 크기와 난류모델은 0.5 m와 RNG k-ε 모델로 선정하였다.
본 연구에서는 검증된 CFD 시뮬레이션을 통해 외부 풍환경에 따라 하절기의 자연환기량을 평가하였다. 또한 하절기 외부 풍속이 작아 자연환기를 통해 온실 내부에 환기가 원활히 이루어지지 않을 경우 순환팬을 추가적으로 활용하여 약 0.3 min<sup>-1</sup> 만큼 환기를 개선할 수 있는 것으로 분석되었다. 추가적으로 겨울철 온실 내부의 열환경 및 풍환경의 균일성을 고려한 덕트 난방 시스템의 적정 천공 간격을 도출하였다. CFD 시뮬레이션을 통해 분석한 결과, 본 연구의 대상 온실에 설치된 덕트 난방 시스템의 경우 천공 간격의 감소비율을 1.2로 설계하는 것이 적절한 것으로 나타났다. 마지막으로 본 연구에서 제시한 결과는 본 연구의 대상 온실뿐만 아니라 다른 온실의 공조 설계 시 활용될 수 있을 것이라 판단된다.
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