Design and Fabrication of a Dehumidifier with a Heating Module for Greenhouses

Research
Sun-Ok Chung1,2Seung-Ho Jang3*

Abstract

The purpose of this study was to design and fabricate a prototype to manage the environment by heating, dehumidification, and air circulation modules in one form for optimal temperature and humidity conditions of crops in greenhouses. The heating module was made of detachable form capable of 3.5-kW of electric power using PTC surface heating element. The arrangement of the condenser and evaporator was changed by cooling dehumidification method, and the refrigerant was effectively used to make the best dehumidification. We designed and fabricated a waterproof motor and an aluminum fan that ccould be used in low temperature and high humidity environment of greenhouses. To verify the performance, the sensor and equipment in the greenhouse were installed to verify that the temperature could be managed at levels greater than 10℃ and the humidity over 20%.

Keyword



Introduction

우리나라 시설원예 온실산업은 매년 발전을 거듭하여 재배면적이 54,218 ha까지 확대되었으나, 생산성이 농업 선진국인 네덜란드 대비 60%에도 미치지 못한다. 현재, 국내 시설원예 온실에서 작물생육성장의 핵심요소인 온도와 관련하여 겨울철 난방을 주로 하며, 농작물 가온 재배 면적은 16,177 ha로 전체의 30.2%를 차지하고 있으며, 이 중 84.8%이상은 유류 난방을 이용하여 국제유가 변동에 의해 경영비소요가 많이 되고 있는 실정이다 (Cho et al., 2018).

국내 원예시설 온실의 가온면적은 2007년 9,951 ha에서 2018년 16,177 ha로 1.7배 증가하였으며, 가온 방법으로는 농업용전기를 사용하여 88%는 온풍난방기를 이용하고 있으며, 겨울철에는 온풍기가 있는 전면에서의 온도와 온풍기의 덕트 끝 지점의 온풍온도 차이의 기온편차가 4~7℃까지 생겨 온실 내부의 불균일한 온도조건은 작물의 생육이 불균일하여 수량 및 품질저하를 발생시킨다 (Kang et al., 2007). 특히, 겨울철에는 난방기의 가동으로 평균 10~18℃로 유지가 되지만, 온실내부의 열손실을 방지하기 위하여 피복자재를 사용하여 최대한 밀폐를 시키기 때문에 온실 내 야간 상대습도는 90%이상으로 높아지고 있다. 이와 같은 이유로 공기 중에 수분이 작물 잎표면에 응축되어 노균병, 탄저병, 곰팡이병 등을 발생시키는 원인이 되고 있다 (Yu et al., 2007).

특히, 온실 내부 습도의 경우에는 상대습도 40%이하의 조건에서 광합성의 억제가 시작되고, 80% 이상의 고습도 환경에서는 광합성 작용의 장애가 발생하며, 병균의 번식이 쉬워지고, 농작물의 내병성도 저하되기 때문에 고습도에 연속적으로 노출되면 작물생육 형태의 개체변이가 일어나 품질저하를 초래할수있기 때문에 온실내 작물재배 관리에 있어 중요한 요소이다 (Lee et al., 2013).

온실 내 미기상 환경을 균일하게 유지할 수 있는지 여부가 작물생육에 많은 영향을 미친다. 작물생육은 특히 기온에 민감하게 반응하고 개화, 결실 등 특정 생육단계에서는 더욱 기온의 영향을 많이 받는다 (Yu et al., 2014). 온실 내부의 온습도 불균일은 에너지의 소비를 증가시킬 뿐 아니라 생육 불균일에 의한 생산성 저하와 재배관리상의 어려움을 초래한다. 온실 내 환경 불균일을 해소하는 가장 현실적인 방법은 순환을 이용하여 내부공기를 교반하는 방법이다 (Lee et al., 2015). 전기온풍난방, 제습기를 동시에 적용하여 온습도를 조절하면서 공기순환팬을 이용하여 온실전체의 정화된 공기를 순환시켜주는 것이 필요하다. 위에서 언급한 공기순환, 난방, 제습 구동기를 통해 온실내 온도, 습도 제어를 위하여 별도의 구동기를 각각 사용하고 있는 실정이다. 이를 해결하기 위해 하나의 통합제품을 사용함에 따라 비용과 에너지가 절감이 가능한 기술이 필요하다.

본 논문의 목적은 온실 내 균일한 온도 유지를 위한 공기순환팬, 다습한 습도환경유지를 위한 제습 장치, 저온 환경 방지를 위한 난방기를 통합적으로 구성하고, 온도 및 습도를 하나의 구동장치로 통합적으로 ICT기술을 적용하여 스마트팜 기술을 이용하여 원격 자동제어알고리즘을 적용한 온도, 습도 데이터 모니터링 및 각 농작물에 맞는 환경에 맞춰 희망 온도, 습도를 자동제어 할수 있는 기술이 적용된 온실 공중 설치형 난방 모듈을 갖춘 공기순환제습기를 설계, 제작하는 것이다.

Materials and Methods

난방모듈이 있는 공기순환제습기 구성도

전체적인 구조는 팬모터를 통해서 제습장치 쪽으로 공기가 흡입되며, 냉각 제습된 공기를 UV(ultra violet)-C 공기살균장치를 통해 정화시켜 왼쪽의 탈부착형태의 난방모듈인 PTC(Positive Temperature Coefficient Thermally Sensitive Resistor) 면상발열체를 통하여 상승되어진 공기로 배출되어지도록 설계되었다. 난방기능은 기존 온풍기 대비 발열속도 및 잔열발산속도가 빠른 카본 소재의 PTC 면상발열체 난방모듈을 이용하여 공기순환제습기의 공기배출부에 탈부착이 가능하도록 제작하여, 계절 및 상황에 따라 난방기능을 사용할 수 있도록 설계 및 제작되었다. 공기순환 및 제습기능은 온실 환경 특성을 고려한 작물에 피해가 없는 풍량의 일정 방수가 가능한 방수모터와 알루미늄팬을 제작 구성하고, R-22 냉매를 이용한 냉각식 제습방법을 구성하였다. Fig. 1은 제작된 난방기능을 갖춘 공기순환제습기의 제작된 모습과 각 부의 명칭을 나타내고 있다.

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Fig. 1. Air circulation dehumidifier for heating system: A) PTC heater, B) fan motor, C) dehumidification.

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Fig. 2. Air circulation heating dehumidifier layout by greenhouse size: a) 660 m2 greenhouse, b) 1300 m2 greenhouse

난방겸용 공기순환제습기를 온습도센서를 이용하여 자동제어를 통해 온실 내부 온습도 자동으로 최적화 관리되도록 구성되어있으며, Fig. 2와 같이 시설원예온실 내부의 중방 파이프를 통해 공중에 설치되어 길이가 90 m의 660 m2 면적의 온실 기준으로 25-30 m 간격으로 3대 설치할수 있도록 설계되었다.

난방모듈 검토 및 설계, 제작

현재 농업용 전기 온풍기는 주로 시즈모듈과 핀히터모듈이 사용되고 있다. 하지만 본 논문에서는 난방모듈의 종류로써 판형 면상모듈을 발열체로 선정하여 난방장치를 제작하였다. 판형 면상발열체 종류 중 PTC 발열체는 열 발산 속도가 매우 빠르고, 열 발생 능력이 강하며, 전기소모량에 비해 상승 및 유지 온도가 높은 장점을 가지고 있다. 기존에서 사용하는 시즈히터의 경우에는 전기를 차단하였음에도 불구하고 잔열이 있어 화재의 위험이 있으나, PTC 면상발열체는 위와 같은 단점을 해결하여 전원 차단하는 즉시 온도가 떨어지는 장점을 가지고 있어 안정성 또한 확보된다(Yang, 2014).

PTC 면상 발열체는 직경 300 mm의 원형에 15 mm 간격으로 발열체를 위치시켜 발열 범위의 충돌로 인한 화재를 방지할 수 있고, 최대의 발열 온도로 공기를 순환시킬 수 있도록 설계되었다. 또한, 발열체를 선형 지그재그형식으로 하나의 줄로 연결시켜 난방 모듈을 작동시켰을 때는 동시에 빠른 발열을 발생시키고, 작동을 멈췄을 때는 공기의 열교환이 효율적으로 진행될 수 있으며, 중앙부에 전원차단장치를 장착하여 난방 모듈 자체적인 작동 정지를 시킬 수 있는 기능을 포함하고 있다. 비상상황시 화재의 위험이 있을시에는 줄형태의 발열체가 끊어져 화재의 확산을 방지가 가능하다. 제작된 난방모듈은 Fig. 1의 A) 와 같이 제작하였다.

공기순환시스템 성능개선

시설원예온실 내부환경을 고려하여 고온, 다습한 환경에서 견딜수 있는 소재의 일정부분 방수가 가능한 팬 모터를 설계 및 제작되었다.

농업용 모터에 대한 방수등급은 별도로 존재하지 않기 때문에, 국제 보호 등급인 분진으로부터 침투되지 않으며, 수분으로부터 보호할 수 있는 IP54 등급을 승인받을 수 있도록 제작하였다. 노출되어 있는 모터 축부분과 전선 모터 본체가 연결되는 부분에 방수캡을 별도 제작하여 수분, 분진을 차단하였다. 개발된 팬모터의 상세 사양표는 Table 1에 나타내고 있다.

Table 1. Specifications of fan motor.http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_19-018_image/Table_PASTJ_19-018_T1.png

모터와 함께 결합되어 공기를 송풍해줄 날개는 너무 빠르고 강한바람이 흡입된 경우에는 제습 및 난방효과가 낮기 때문에 흡입된 공기를 앞으로 밀어주는 역할 보다는 제습장치 쪽으로 최대한 많은 양의 바람을 빨아들여 제습, 난방, 살균하여 배출이 목적의 날개로 경량화를 위한 알루미늄재질로 제작되었다. 온실에서 쓰이는 공기순환팬의 날개 크기에 따라 전력 및 풍량이 결정되는데 단동 온실에서 가장 많이 쓰이는 Ø350 (350 mm) 크기로 설계 및 제작을 진행하였다(Lee et al., 2015). 이에 따라 모터를 4방향으로 고정시켜줄 수 있는 브라켓 또한 경량화를 위한 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymer) 플라스틱 재질로 제작되었다. 공기순환기능의 역할을 할수 있는 팬모터 결합형태는 Fig. 1와 같다.

온실용 제습장치 구조변경 적용

일반적인 제습 방법으로는 냉각식, 압축식, 흡수식, 흡착식이 있다. 본 연구에서는 온실의 미기상 환경에 적합한 400~700W 수준의 시설 원예용 냉각식 제습 방법이 이용되었다. 적용한 냉각식 제습방법은 1/4 HP 용량의 압축기와 2개의 열교환기로 구성되어 고온 다습한 공기는 2차 열교환기에 들어가 R-22 냉매를 통해 냉각되는 방법으로 제습을 하는 방식으로 구성되었다.

기존 제습 역할을 하는 응축기는 총 3개로써, 수평 방향으로 1개, 수직방향으로 1개, 증발기가 수평방향으로 1개 위치하였지만, 이를 응축기1개, 증발기 1개로 열교환기와 배열을 팬과 일치되어 코일 간격을 R-22 냉매가 순환하는 냉각핀 또한 스테인레스 재질에서 열전도도가 보다 높은 알루미늄 및 구리 핀으로 변경하여 제습공간에서 유동되는 가스와 접촉되는 가스를 응축, 냉각시키게 유도하여 제습량이 극대화시키도록 Fig. 1C와 같이 구조설계, 제작을 되었다.

경량화를 위한 알루미늄 소재의 공기순환제습기 하우징 제작

난방모듈이 있는 공기순환제습모듈을 포함하는 하우징은 시설원예온실 내 중방 파이프에 본체 중심으로부터 55°각도로 앞, 뒤, 양쪽 4방향으로 아이볼트에 체인을 걸어 설치하는 방식이기 때문에 경량화가 필요하다. 이에 따라, 경제성, 내구성 등을 고려하여 알루미늄 5083 종류로, 두께는 2 mm, 규격은 385 × 550 (D × L, mm)사이즈로 제작되었다. 제습의 응축기, 증발기, 팬모터를 고정시키고, 제습된 물의 배출할수 있는 제습판 또한 알루미늄으로 제작 진행되었다.

알루미늄 5083은 Al-Mg 합금으로써, 인장강도 300 Mpa, 항복강도 210 Mpa로 SUS304 재질 대비하여 약 66%정도 가볍고 단단하다. 표면처리는 아노다이징 표면코팅을 통해 시설온실 같은 고온다습한 환경에서 사용가능할수 있도록 내식성을 향상시키고, 양극산화를 시켜 알루미늄 표면을 산화시켜 피막을 형성시켜 표면강도를 강화시켰다.

Table 2. Detailed specification table of air circulation dehumidifier with heating module.http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_19-018_image/Table_PASTJ_19-018_T2.png

난방모듈이 있는 공기순환제습기 제작

지금까지 설명한 난방모듈, 제습모듈, 공기순환장치는 하나의 온습도제어를 할수 있는 통합 구동기로 제작되었고, Table 2는 난방모듈이 있는 공기순환 난방제습기의 상세 사양표이며, Fig. 4와 같이 실험온실에 설치하여 진행되었다.

Results and Discussion

공기순환난방제습기에서 저온을 제어하는 난방모듈, 상온을 제어하는 순환팬, 다습 조건을 제어하는 제습장치의 성능시험을 위하여 13.7 × 5.9 × 4.1(L × W × H, m) 크기의 아치형 플라스틱 비닐온실에서 시험을 진행하였다. 실험조건은 Fig. 4와 같이 온실내 난방, 제습모듈의 앞에 1개, 제습 및 난방효과를 받지 않는 1 m 뒤쪽 1개, 효과를 받는 1 m 앞쪽 1개의 온습도 센서를 설치하여 제습 및 난방모듈을 작동시켰을 때 8시간동안의 시간에 따른 자동제어를 통해 온습도 변화량을 측정하였다.

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Fig. 3. Automatic control algorithm for heating, dehumidification and air circulation.

Table 3. Data on humidity variation in greenhouse time in greenhouse.http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_19-018_image/Table_PASTJ_19-018_T3.png
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Fig. 4. Greenhouse environment for measuring temperature and humidity: a) temperature and humidity sensor, b) automatic control node, sensor node, c) air circulation heating dehumidifier.

제어방식은 마이크로 컨트롤러 및 릴레이 모듈에서 팬, 제습, 난방 모듈을 각각 별도라인으로 구성하였고, 각각 모듈에 대한 ON/OFF 제어신호와 전력소모량을 측정분석하고 자동제어 신호는 Fig. 3의 제어알고리즘과 같이 제습 모듈은 현재 습도가 70%이상이 감지되면 팬과 함께 작동하고 난방 모듈은 현재 온도가 10℃ 이하가 감지되면 팬과 함께 작동되도록 설정하여 성능시험을 진행하였다.

온도분포의 경우에는 난방장치와 팬을 동시에 작동시켰을때와 미작동의 결과 10.8℃의 온도상승이 급격하게 이루지는 것을 확인하였고, PTC 면상발열체 난방 모듈의 경우에는 표면온도가 최대온도 279.2℃, 최소온도는 49.8℃의 온도 데이터가 측정되었다. 난방장치의 영향을 받지 않는 뒷부분에 온도센서를 설치하고, 난방모듈 1 m앞에 온도센서를 배치하여 시간에 따른 온도 변화량 값을 비교분석 결과 5.1℃이상의 온도편차가 나타났다.

실내온도의 유지를 위해 난방장치 이용한 실험에는 실험온실 내 8시간동안 난방장치 미가동시 10.9°C였지만, 팬과 난방장치를 동시 작동시킨 결과, 16.0°C로 5.1°C의 온도편차가 Table 4와 Fig. 5 데이터 및 그래프와 같이 변화량을 확인할 수 있었으며, 위 데이터는 희망온도를 20°C 설정시 유지하였고, 스크린, 다겹보온커튼 등을 이용하여 온실을 외부공기로부터 밀폐시킨다면 효과적인 난방역할을 할수 있을것이라 판단된다.

제습장치의 경우에는 테스트 시간동안 시간당 1.8 L의 제습량이 발생되었고, 총 시험시간 8시간동안 14.6 L가 배출되었다. 제습장치 미설치환경과 설치환경은 약 18.4%이상의 습도변화량을 Table 3과 Fig. 4 그래프와 같이 변화량을 확인할수 있었다.

위 시험결과와 같이 온실 내 온도 및 습도의 효과가 5.1℃, 습도 18.4%이상의 관리효과를 나타내었고, 팬모터의 송풍능력인 67m3/min와 1,240 rpm을 고려하였을 때, 30m 간격으로 설치한다면 효과적으로 온실 내의 공중 온습도관리가 가능할 것으로 판단된다.

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Fig. 5. Comparison of humidity change before and after dehumidifier operation with time.

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Fig. 6. Comparison of temperature change before and after heater operation with time.

Table 4. Data on temperature variation in greenhouse time in greenhouse.http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_19-018_image/Table_PASTJ_19-018_T4.png

Acknowledgements

본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기획평가원의 농림축산식품연구센터지원사업의 지원을 받아 연구되었음(717001-07).

References

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