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J. Mushrooms 2017 March, 15(1):14-20 http://dx.doi.org/10.14480/JM.2017.15.1.14 Print ISSN 1738-0294, Online ISSN 2288-8853
© The Korean Society of Mushroom Science
*Corresponding author E-mail : [email protected]
Tel : +82-63-238-4049, Fax : +82-63-238-4035 Received February 1, 2017
Revised February 24, 2017 Accepted March 20, 2017
CFD 분석에 의한 느타리버섯 재배사 환경균일성 향상 연구
이성현1,* · 유병기1 · 이찬중2 · 임영택3
1국립농업과학원 농업공학부
2국립원예특작과학원 인삼특작부
3㈜태성에스엔이
The study on enhanced micro climate of the oyster mushroom cultivation house with multi-layered shelves by using CFD analysis
Sung-Hyoun Lee1,*, Byeong-Kee Yu1, Chan-Jung Lee2, and Yeong-Taek Lim3
1Department of Agricultural Engineering, National Institute of Agricultural Sciences, Jeonju, 54875, Korea
2National Institute of Horticultural and Herbal Science, Umseong, 27709, Korea
3Taesung S&E, Inc., Seoul, 333-140, Koreaa
ABSTRACT: The oyster mushroom cultivation house typically has multiple layers of growing shelves that cause the disturbance of air circulation inside the mushroom house. Due to this instability in the internal environment, growth distinction occurs according to the area of the growing shelves. It is known that minimal air circulation around the mushroom cap facilitates the metabolism of mushrooms and improves their quality. For the purpose of this study, a CFD analysis FLUENT R16 has been carried out to improve the internal environment uniformity of the oyster mushroom cultivation house. It is found that installing a section of the working passage towards the ceiling is to maintain the internal environment uniformity of the oyster mushroom cultivation house. When all the environment control equipment – including a unit cooler, an inlet fan, an outlet fan, an air circulation fan, and a humidifier – were operated simultaneously, the reported Root Mean Square (RMS) valuation the growing shelves were as follows: velocity 23.86%, temperature 6.08%, and humidity 2.72%. However, when only a unit cooler and an air circulation fan operated, improved RMS values on the growing shelves were reported as follows: velocity 23.54%, temperature 0.51%, and humidity 0.41%. Therefore, in order to maintain the internal environment uniformity of the mushroom cultivation house, it is essential to reduce the overall operating time of the inlet fan, outlet fan, and humidifier, while simultaneously appropriately manage the internal environment by using a unit cooler and an air circulation fan.
KEYWORDS: Air circulation fan, Computational fluid dynamics, Microclimate, Multi-layered shelves cultivation, Oyster mushroom cultivation house
서 론
버섯은 미생물이며 눈으로 볼 수 있고 손으로 만질 수 있을 정도의 큰 곰팡이이며, 자실체라는 독특한 생식기관 을 가지며 여기에 유성포자를 형성한다(Kirk et al., 2001).
버섯은 국내 뿐만 아니라 전 세계적으로도 중요한 식재료 중의 하나이다. 현재 세계의 버섯 생산량은 2,500~3,000만 톤 정도로 추정되며 이 중 중국의 생산량이 약 70~75%를 차지하는 것으로 보고되고 있다(Yoo et al., 2016). 오늘날 시장에 유통되는 느타리버섯은 대부분 환경이 조절되는 시설 내부에서 재배된다. 버섯은 다른 식물과 달리 버섯의 종류, 품종 등에 따라 요구되는 환경이 매우 다르다. 하지 만 대부분 버섯의 적합한 생육관리를 위해서는 온도, 상대
많은 연구가 수행되었다(Lee et al., 2007; Lee et al., 2015; Suh et al., 2002; Yoon et al., 2003).
국내에서 사용되는 느타리버섯 균상재배사는 주로 폭 6.0, 6.6 m, 길이 20.0 m의 크기가 일반적이다. 내부 균상 은 폭 1.4 m, 길이 18.0~19.0 m 이고, 위쪽 재배상과 바로 밑 재배상 사이의 간격은 0.6 m 이다(RDA, 1992).
균상위에 버섯배지를 입상하고 버섯의 생육이 왕성해 지면 균상과 균상 사이의 간격은 약 0.3m 정도로 줄어들 어 균상과 균상 사이가 꽉 차 있는 상태가 된다. 표준느타 리버섯재배사의 경우 버섯 재배 균상은 4단 2열로 설치가 된다. 이렇게 균상과 균상 사이가 좁고 여러 단으로 균상이 설치되기 때문에 내부의 공기 흐름이 원활치 않아 아래쪽 균상과 위쪽 균상간의 환경차이로 인해 버섯의 생육 및 품 질 불균일성이 나타난다(KMGA, 2013, 2015; MushWorld, 2004).
본 연구는 다단으로 재배되는 느타리버섯재배사 내부의 재배상 위치에 따른 불균일성을 해소하기 위하여 버섯재 배사 내부에 대류팬을 설치하여 인위적인 공기 유동을 발 생시켰을 때 내부환경의 균일성을 전산유체해석적 관점에 서 검토하였다.
재료 및 방법
내부 대류팬 설치방법 및 분석 요인
버섯재배사 내부 작업에 지장을 주지 않으면서 내부의 기류를 전체적으로 유동할 수 있는 방법으로 버섯재배사 중앙통로 상단에 대류팬을 설치하여 가동하는 방법을 고 려하였다. 이 방법을 이용해 대류팬을 설치할 때 주요한 고려 요인은 팬에서 토출된 강한 바람이 버섯이 생육되는 균상에 직접 도달하여 버섯의 생육에 지장을 주어서는 안 된다는 것이다. 따라서 본 기술을 적용하기 위하여 대류팬 에서 토출되는 강한 바람이 버섯재배사의 천장을 향하도 록 하였다. 이렇게 한 이유는 팬에서 토출된 강한 바람이 재배사의 천장에 도달한 후 지붕면과 양측 벽면을 따라 유 도되도록 한 것이며, 팬으로 재배사 내부의 공기를 위쪽으 로 토출하면 팬의 반대편 쪽에는 부압이 형성되어 자연스 럽게 주위의 공기가 흘러 들어가게 되는 원리를 이용한 것
능을 평가하기 위해서는 각 열과 위치별로 평균값과 RMS값을 제시하는 것으로 시스템의 적절성 여부를 판단 하였다.
내부환경 분석 CFD 코드 및 분석방법
본 분석에서 사용된 FLUENT R16 코드의 경우 SIMPLE 계열의 알고리즘을 채택하였다. 속도항에서 각 각의 성분을 따로 푸는 Segregated solver를 이용하였고 수치해석적 분석은 Fig. 1과 같은 순서로 계산되었다. 즉 u, v, w 방향의 운동량 보전방정식을 각각 계산하고, 이 계산에서 얻어진 속도가 질량보존을 만족하지 못할 수도 있어, 연속방정식으로부터 질량보존에 대한 계산을 수행 한 후 속도성분을 update한다. 이어서 엔탈피와 각각의 species를 계산하고, 난류(turbulence kinetic energy, eddy dissipation rate)에 대한 계산을 수행한 후 속도 성분을 update하며, 그 이후에 유체의 property를 update한다. 이 와 같은 과정을 수행한 후 수렴성을 판단하여 수렴하였으 면 계산을 끝내고, 수렴하지 않았으면 계속해서 이와 같 은 과정을 반복 계산한다.
버섯재배사 모델링
Fig. 1. The schematic diagram of Segregated Solver algorithm
버섯재배사 내부 대류팬 설치에 의한 효과를 분석하기 위하여 Fig. 2에서 보는 바와 같이 내부 온도 조절을 위한 유니트쿨러를 버섯재배사 중앙통로 상부에 설치를 하고 유니트쿨러에서 토출되는 기류의 방향을 버섯재배사 길이 방향이 되도록 하였다. 버섯재배사 내부 유동 해석을 위한 격자는 Fig. 3과 같이 350만개 정도의 하이브리드 격자를 사용하였다. 버섯 재배부의 형상 등을 반영하여 유동방향 에 정렬될 경우 적은 격자를 사용하더라도 더 정도가 높은 결과를 얻을 수 있는 육면체(Hexahedral) 격자를 주로 사 용할 수 있도록 하였으며, 입구나 출구가 있는 영역들은 사면체와 프리즘 격자를 사용하여 내부를 분할하고 해석 을 수행하였다.
CFD 분석을 위한 경계조건
Fig. 4에서 보는 바와 같이 냉난방기는 버섯재배사 중앙 통로의 상단에 설치되었으며, 50 m3/m의 공기를 흡입 후 냉각하여 재배사 내부에 길이방향으로 토출하도록 하였다.
내부 CO2 농도를 낮추기 위하여 외부 공기를 흡입하여 사 용할 경우에는 버섯이 재배되는 영역에 직접적인 영향을
주는 것을 막기 위하여 길이 방향의 좌, 우측 1단 균상 아 래에서 유입되도록 하였으며, 내부의 공기가 외부로 빠져 나가는 것은 에어컨이나 대류 팬의 유동에 방해가 되지 않 도록 상부의 길이 방향의 양쪽 끝 부근에 45 m3/m을 내보 낼 수 있는 배기 팬을 설치하였다. 또한 4열 재배사의 경 우 앞에서 언급한 바와 같이 비교적 재배 공간이 협소하고, 내부에 설치된 시설물이나 재배되고 있는 버섯의 성장과 함께 공기의 흐름을 방해할 수 있는 요소가 많기 때문에 환기상태가 불량할 가능성이 높아, 내부 공기를 순환할 수 있도록 80 m3/m의 대류팬 3대가 설치되도록 설계하였다.
버섯 재배에 영향은 없으면서 재배 공간으로 약간의 유동 이 발생할 수 있도록 팬을 모두 상향으로 설치하도록 계획 하였다. 외부 공기의 유입에 따른 온도나 습도조건은 온도 30oC, 습도 50% 공기가 유입되는 것으로 설정하였으며, 외부와의 열전달 양은 대류 조건을 반영하여 외부 공기와 동일한 온도에 열전달 계수가 5 W/m2·K를 반영하여 버섯 재배사에 대한 해석과 Case Study를 수행하였다.
Table 1은 상정한 해석 case를 나타낸 것이다. 각각의 설 계 인자들에 의해 버섯 재배 영역의 내부에서 발생하는 기 류 및 온도, 습도에 어떠한 영향을 미치는지를 정성적으로 확인할 수 있도록 하였으며, 최종적으로 평균과 편차의 개 념을 각각의 물리적인 값(속도, 온도, 습도)에 적용하여 설 계의 적절성 여부와 상대적인 우수성을 비교할 수 있도록 정량적인 평가를 진행하였다.
결과 및 고찰
Fig. 2. Location of the devices for environmental control
Fig. 3. Mesh formation for analysis of internal environment
Fig. 4. Boundary condition of the mushroom cultivation house
Table 1. The Analysis cases
Case Summer01 Summer02 Summer03
circulation fan ○ - ○
inlet/outlet fan ○ ○ -
humidifier ○ ○ -
cooling fan ○ ○ ○
형성하게 된다. 결국 이러한 유동 특성은 버섯 재배 영역 에도 영향을 주게 되어 다른 Case와 달리 길이 방향의 중
마지막으로 Summer03의 경우에는 입, 출구 팬을 가동 하지 않고 순수하게 유니트쿨러(에어컨)와 내부 대류 팬만 사용하고 있기 때문에 Summer01보다는 유속이 느려지긴 하였지만, 에어컨에서 나온 공기는 Summer01과 마찬가지 로 대류 팬에 의해 발생하는 유동의 영향을 받기 때문에 확산되지 못하고 일부가 중앙으로 내려오기 때문에 버섯 재배 영역의 가장 위쪽에 있는 L4층 중앙에서 유속이 빠 른 것으로 나타나고 있다. 또한 Fig. 6의 3차원 유선 분포 에서 알 수 있듯이 재배사 내에서 대류 팬에 의한 유동이
Fig. 5. Velocity distribution of the central cross section of the cultivation house
Fig. 6. Current distribution of the cultivation house
Fig. 7. Velocity distribution of the left side growing area
Fig 8. Velocity distribution of the right side growing area
주 흐름을 형성하기 때문에 팬을 통하여 상승한 공기가 각 방향의 벽면을 타고 다시 아래로 내려가면서 중앙에서 바 깥쪽으로 순환하는 형태의 흐름을 생성하고 있음을 확인 할 수 있다. 하지만 위치에 관계없이 전체적으로 버섯 생 육부의 풍속은 0.3 m/s 이내인 것으로 나타나 버섯의 생육 에 지장을 주지는 않을 것으로 판단되었다.
앞의 유동특성과 마찬가지로 Fig. 9와 10은 버섯재배 균 상 좌, 우측 버섯 재배 영역 내의 온도분포를 보여주고 있 다. 먼저 Summer01의 경우 앞의 유동 특성에서 확인한 바와 같이 대류 팬에 의해 생성되는 유동의 영향으로 유니 트쿨러(에어컨)에서 나온 찬 공기가 재배사 내부로 확산되 지 못하기 때문에 유니트쿨러가 있는 상부와 외부에서 더 운 공기가 유입되는 하부 사이에서 온도차가 심하게 나타 나고 있으며, 또한 버섯 재배 영역의 중앙에서도 실내 평 균온도(17.8oC)보다 1.5~2.0oC정도가 낮은 영역들이 있는 것으로 확인되고 있다.
Summer02에서는 유니트쿨러(에어컨)에서 나온 차가운 공기가 더 이상 대류 팬의 영향을 받지 않기 때문에 외부 에서 유입된 더운 공기(30oC)와 훨씬 더 잘 섞이면서 Summer01과 비교하여 상, 하 편차뿐만 아니라 가장 중요 한 버섯 재배 영역의 온도도 좀 더 균일해지는 것으로 나
타나고 있다.
마지막으로 Summer03의 조건에서는 그림에서 확인할 수 있듯이 가장 균일한 온도분포를 보여주고 있는데, 이는 외부 공기의 유입이 없고 단순히 내부에서 유니트쿨러(에 어컨)에 의해 온도와 습도가 조절되기 때문에 변화폭이 크 지 않을 뿐만 아니라, 내부에 대류 팬이 작동되면서 온도 나 습도가 균일해지는 효과가 함께 동반되어 앞에서 확인 한 Summer01과 02보다 상대적으로 좋은 결과를 보여 주 고 있는 것으로 판단된다.
Fig. 11과 12는 재배사 내부의 상대습도에 대한 분포를 보여주고 있다. 상대적으로 유속이 빠르고 공기의 흐름이 원활한 Summer01의 경우 버섯재배영역에서 습도 편차가 큰 것으로 나타나고 있는데, 이는 앞에서 확인한 바와 같 이 에어컨의 찬 공기가 유입되어 온도가 내려가면서 포화 수증기량이 감소하게 되어 버섯재배영역의 왼쪽으로는 중 앙에서, 오른쪽으로는 1~3번 영역에서 상대습도가 높아지 는 분포를 보이는 것으로 확인되고 있다.
Summer02의 경우에는 버섯재배 영역의 온도가 Summer01보다 더 균일한 결과를 보여주었으나, 상대습도
Fig. 9. Temperature distribution of the left side growing area
Fig. 10. Temperature distribution of the right side growing area
Fig 11. Humidity distribution of the left side growing area
Fig 12. Humidity distribution of the right side growing area
가 그 영역에 모이거나 머물러 있게 되어 유속에 반비례하 여 상대습도가 높아지는 결과가 나타날 수 있게 되며, Summer01과 Summer02에서 온도와 다른 결과를 보이는 것은 이러한 현상에 기인한다고 할 수 있을 것이다.
Summer03의 경우 습도분포 역시 온도와 마찬가지로 가 장 균일한 분포를 보이고 있으며, 유니트쿨러에 의하여 적 절한 습도로 조절이 이루어지고 있기 때문에 요구하는 습 도 조건을 가장 잘 만족하는 것으로 나타나고 있다.
Table 3은 여름철 내부 설비의 운전조건에 따라 세 가지 경우에 대한 해석 결과를 RMS(Root Mean Square)로 나 타낸 것이다.
Summer01의 경우 입구로 유입되는 외부 공기에 의한 영향뿐만 아니라 내부에 설치되어 있는 대류 팬의 영향이 합쳐져 버섯 재배 공간으로 유속이 빠른 것으로 확인되었 는데, 편차의 절대값에 대한 평균치를 의미하는 RMS값은 오히려 Summer03과 유사하며 Summer02 보다도 작은 값 을 보여주고 있다. 이와 같이 유속은 빠른데 편차가 크지 않다는 것은 영역 내에 흐름이 아주 느리거나 정체되어 있 는 사영역(Dead Zone)은 오히려 적다는 것을 의미한다.
이러한 유동 특성과는 달리 온도와 습도에서는 외부에서 유입되는 따뜻한 공기와 유니트쿨러(에어컨)의 찬 공기가 쉽게 섞이지 않기 때문에 흐름에 따라 편차가 나타나게 되 어 RMS가 상대적으로 큰 값을 보여주고 있다.
Summer02의 경우에는 Summer01에 비하여 유속 편차 는 크지만 대류 팬에 의한 유동이 없기 때문에 입구로 유 입되는 유동이나 유니트쿨러에 의한 직접적인 영향이 버 섯 재배 영역에 미치지 못하기 때문에 온도나 습도 편차는 감소하는 결과를 보여주고 있다.
마지막으로 Summer03의 경우에는 외부 공기의 유입이
본 연구에서와 같이 버섯재배사 내부에서 버섯이 생육 되지 않는 작업통로의 상단에 천장방향으로 대류팬을 설 치하여 운용하면 재배사 내부의 공기를 전체적으로 균일 하게 유지할 수 있는 것으로 나타났다. 다만, 버섯재배사 내부에 설치된 각종 환경조절장치 즉 유니트쿨러, 입기팬, 배기팬, 대류팬, 가습기 등이 모두 한꺼번에 가동될 때는 버섯재배 균상위의 RMS 값이 속도 23.86%, 온도 6.08%, 습도 2.72%로 나타났다. 하지만 유니트쿨러와 대류팬이 가동될 때는 균상위의 RMS 값이 속도 23.54%, 온도 0.51%, 습도 0.41%로 나타났다. 따라서 버섯재배사의 환 경조절을 위한 입기팬, 배기팬과 가습기는 용량이 큰 것을 설치하여 전체적인 가동시간을 줄이고, 유니트쿨러와 대류 팬을 조합한 환경관리 방법이 내부 환경의 균일성 향상에 큰 도움이 될 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 농촌진흥청 연구사업(과제번호 PJ012001012017) 의 지원에 의해 이루어진 것입니다.
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Case RMS(%)
Velocity Temperature Humidity
Summer01 23.86 6.08 2.72
Summer02 35.97 3.00 1.49
Summer03 23.54 0.51 0.41
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