전산유체역학을 이용한 단동형 유리온실 내 미기상 환경 예측 모델 개발 및 검증 :Development and Validation of Microclimate Environment Prediction Model for Single-span Glass Greenhouse Using Computational Fluid Dynamics

정인선

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자료유형: 학위논문

저자정보: 정인선 (강원대학교, 강원대학교 대학원)

지도교수: 김대현

발행연도: 2020

저작권: 강원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2020

CFD를 이용한 유리온실 내부 환경 예측 모델 개발 및 검증

정인선 , 이충건 , 조라훈 외 4명 시설원예·식물공장 2020.07 학술저널

전산유체역학을 이용한 단동형 유리온실 내 미기상 환경 예측 모델 개발 및 검증

정인선 원예.바이오시스템공학과 2020.01 학위논문

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본 연구에서는 난방 및 환기시스템, 온실 형상 변경 등에 따른 온실 내 미기상 환경 예측을 위해 온실 내 온도 분포, 공기 유동, 환기성능 등을 정량화 할 수 있는 CFD 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 난방 실험 및 주간의 온실 내부의 온도 데이터를 이용하여 개발된 모델을 검증하였다. 온실 내 8개의 측점에서 측정된 온도 데이터와 시뮬레이션 예측값을 비교한 결과 시뮬레이션 예측값이 약 2∼3℃ 정도 높게 나타났다. R2는 0.9628로 나타나 실험값과 예측값이 유사한 경향을 보임을 확인하였다. 이에 본 연구에서 개발된 모델은 온실 내부의 미기상 환경 변화를 충분히 예측할 수 있다고 판단하였으며, 개발된 모델을 이용해 해석 대상 온실의 열에너지 관리를 위한 최적화된 온실의 형상 및 열 교환 장치의 위치를 제시하고자 하였다. 효율적인 난방에너지 관리를 위해 단면설계를 통하여 온실의 형상을 개선하였으며, 온실 환경설계기준(안)을 기준으로 열 교환 장치인 방열관과 Fan Coil Unit(FCU)의 위치 변경을 실시하였다. 개발된 온실 내부 환경 예측 모델을 이용하여 개선 전?후 온실에 대한 시뮬레이션 분석을 진행하였다. 개선 전 온실 대비 개선 후 온실의 평균 온도와 온도 균일성은 각각 0.65℃, 0.75%p 증가하였으며 최대편차는 0.25℃ 감소하였다. 태양 부하 모델과 User Defined Function(UDF)을 이용한 환기성능까지 고려하였을 때 전체적으로 개선된 온실에서 효율적인 난방에너지 관리가 가능함을 확인하였다. 본 연구를 통해 개발된 온실 내부의 미기상 환경 예측 모델은 온실 내부 구조 단순화와 모델 정립을 위해 가정된 온실 내?외부환경의 열전달 현상의 개선을 통하여 보다 정밀한 분석이 가능하고 실제적용이 가능할 것으로 판단된다.

In this study, CFD simulation model was developed to quantify temperature distribution, air flow, and ventilation performance in order to predict microclimate environment in greenhouse with various heating, ventilation system and greenhouse shape change. The developed model was validated using heating experiments and greenhouse inner temperature data. Comparing the temperature between measured and predicted values at the 8 points in the greenhouse, predicted values was about 2∼3℃ higher. Model was verified with 3 different data set : R2 was 0.9628, confirming that the measured and the predicted value showed similar tendency. Therefore, it was determined that the developed model can sufficiently predict the microclimate environment change inner the greenhouse. In addition, it was suggested the optimal shape of the greenhouse and the location of the heat exchangers for heat energy management of the greenhouse using the developed model. For efficient heating energy management, the shape of the greenhouse was improved through the cross-sectional design, and the positions of the radiating pipe and the Fan Coil Unit (FCU) was changed based on “Standard of greenhouse environment design”. The simulation analysis was performed for the greenhouses before and after the improvement using the developed inner microclimate environment prediction model. As a result of simulation, the mean temperature and uniformity of the modified greenhouse were 0.65℃, 0.75%p higher than that of the control greenhouse, respectively. Also, the maximum deviation decreased by an average of 0.25℃. It was confirmed that efficient heating energy management was possible in the overall improved greenhouse, when considered the temperature uniformity and the ventilation performance by the solar load model and User Defined Function(UDF). The developed microclimate environment prediction model needs to be improved by applying heat transfer between inner and outer systems for precise prediction and practical applications.

#온실 #미기상 #공기령 #단면설계 #전산유체역학

국문 초록ⅰ
감사의 글 ⅱ
List of Figures ⅶ
List of Tables ⅸ
Ⅰ.서 론 1
1.연구 배경 1
2.연구 목적 2
Ⅱ.연 구 사 3
1.온실 내부 환경 조성의 필요성 3
2.온실 내 환경 조성을 위한 연구 4
3.온실 내부 환경에 관한 시뮬레이션 5
Ⅲ.재료 및 방법 7
1.해석대상 온실 7
1)난방시스템 8
(1) 히트펌프 9
(2) 목재펠릿보일러 10
(3) 열 교환 장치 11
① 방열관 11
② FCU 12
2.데이터 수집 13
1)온도 측정 13
2)순환수 유량 측정 14
3.실험방법 15
1)주간 및 야간 온실 내부 데이터 수집 15
(1) 난방 실험 15
(2) 태양 일사에 따른 온실 내부 온도 15
4.온실 내 환경 개선을 위한 온실 구조 변경 16
1)단면설계 16
2)열 교환 장치의 위치 개선 18
(1) 방열관 18
(2) FCU 20
5.실험 및 시뮬레이션 결과 비교?분석 방법 21
1)최대편차 21
2)균일도 21
3)결정계수 22
6.전산유체역학 시뮬레이션 23
1)형상 모델링 23
2)분석격자 생성 24
3)시뮬레이션 진행방법 25
4)경계조건 26
Ⅳ.실험모델 정립 27
1.3차원 열유동 해석방법 27
1)CFD 시뮬레이션에서의 가정 27
2)지배방정식 28
3)에너지방정식 29
4)난류모델 30
5)복사모델 32
6)태양 부하 모델 33
7)사용자 정의 함수 34
Ⅴ.결과 및 고찰 35
1.온실 내부 환경변화 예측모델 검증 35
2.온실의 구조 변경 40
1)단면설계를 통한 온실 형상 변경 40
2)열 교환 장치의 위치 변경에 따른 온실 내부 구조개선 42
(1) 방열관 42
(2) FCU 42
3.온실의 형상 및 열 교환 장치 위치 변경에 따른 온실 내부 환경변화 예측 44
4.해석대상 온실의 개선 전?후 환기시스템에 의한 공기유동 특성 분석 49
Ⅵ.요약 및 결론 51
Ⅶ.참고문헌 53
영문 초록 56

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