A Review of Greenhouse Energy Management by Using Building Energy Simulation

Adnan Rasheed(아드난 라쉬드),Jong Won Lee(이종원),Hyun Woo Lee(이현우) (사)한국생물환경조절학회 2015 생물환경조절학회지 Vol.24 No.4

본 논문에서는 온실작물 생육에 적절한 미기상환경을 제공하기 위한 최적의 조건을 찾아내기 위하여 TRNSYS 프로그램을 이용하여 온실의 구조 및 환경인자와 에너지공급기술들에 대하여 시뮬레이션을 실시한 연구논문들을 분석하였다. 본 연구의 목적은 온실에너지 관리를 위해 사용되고 있는 여러 가지 에너지시스템과 기술들에 관하여 검토하고 이들에 대해 TRNSYS 시뮬레이션을 통해 실시한 효율분석에 관하여 검토하는 것이다. 사용가능한 에너지자원과 다양한 외부기상조건에 따른 에너지절감기술들의 성능을 분석하기 위한 여러 가지 시뮬레이션 모델들에 대해서도 검토하였다. 사용자가 정의하는 인자들을 사용하여 하이브리드 농업시설을 시뮬레이션 할 수 있는 TRNSYS 프로그램의 주요 구조들을 찾아내었다. 문헌검토에서 얻어진 결과를 토대로 TRNSYS 프로그램을 이용하여 온실의 에너지관리를 위한 시뮬레이션 모델을 개발하는데 필요한 몇 가지 중요한 결론들을 도출하였다. TRNSYS 프로그램은 앞으로 온실의 에너지 시뮬레이션을 수행하는데 크게 활용될 것으로 기대된다. This paper attempts to present a review about simulation of different greenhouse parameters and energy supplying techniques by using building energy simulation, to find out the optimal solution for keeping greenhouse microclimate favorable for the crop production. The objectives of conducting this study were, to describe the various energy systems and techniques used for the greenhouse energy management and efficiency analysis of these technologies by using building energy simulation. We describe different models to understand the behavior of the energy saving technologies with respect to the resources available and different outside climatic conditions. We identified main features of the building energy simulation software, that enable users, to simulate hybrid agricultural building projects by using user defined parameters. At the end of the paper we draw some important concluding remarks on the basis of reviewing all the investigators contributions for the developments of simulation model of agricultural greenhouse energy management, using a building energy simulation software specifically TRNSYS. In conclusion, this paper provides information that TRNSYS have great potential for agricultural buildings energy simulation along with the renewable energy resources and energy saving techniques. This review paper provides aid to greenhouse researcher and energy planner for the future studies of greenhouses energy planning.

TRNSYS에서 분할된 온실 모델의 정확도에 대한 분할면 특성의 영향

카짐오페에미오군로오 ( Qazeem Opeyemi Ogunlowo ),나욱호 ( Wook Ho Na ),아니스라비우 ( Anis Rabiu ),미스바우딘아데레미아데산야 ( Misbaudeen Aderemi Adesanya ),티모시데넨악펜푼 ( Timothy Denen Akpenpuun ),김현태 ( Hyeon Tae Kim ),이현우 ( Hyun Woo 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-

TRNSYS is a common tool that has been recently used to model and simulate greenhouse energy demand and utilization using building energy simulation (BES). Previously, a single thermal point was used for validation without considering the distribution of greenhouse climate parameters, especially the temperature. Often, temperature variation leads to thermal stratification, which has prompted researchers to propose volume discretization in dynamic greenhouse simulation. The effect of surface characterization defined by TRNSYS on the accuracy of such discretized BES model needs to be investigated. Therefore, the objectives of this study are to develop discretized BES models based on surface characterization defined in TRNSYS and to determine the best model under a free-floating regime. The combination of these factors, namely, the number of layers [double (D) and single (S)], geometry mode [3D and manual (M)], and layer type [massless (M) and no glazing window (W)], led to the development of five models: D_3D_M, D_3D_W, D_M_M, S_3D_W, and S_M_M. The simulation was performed in a standard radiation mode, and the output parameters were temperature and relative humidity (RH). R² and the root square mean error (RSME) were used to check the fitness and degree of deviation, respectively, to validate the models. Analysis of variance (ANOVA) was employed to investigate the significant difference among the models. In contrast, contour plots were used to compare the distribution pattern between the significant models and experimental data. Validation of the models showed that the obtained R² values ranged from 0.86 to 0.95, and the RSME values for the temperature were between 2.64℃ and 3.91℃. These values were 0.91-0.93 and 19.72%-30.32% for RH. The ANOVA (p < 0.05) result exhibited significant differences between the S-scenario models and experimental central points in temperature and RH. The D- and S-layer scenarios with a 3D geometry and massless layer exhibited similar distribution with their corresponding experimental greenhouses. Hence, 3D_M was regarded as the best combination in the discretized BES model.

TRNSYS를 이용한 박스형 이중외피시스템의 열적성능 해석방법에 관한 연구

김윤(Kim Yun),최진혁(Choi Jin Hyuk),김용경(Kim Yong Kyoung),이성진(Lee Sung Jin),이정재(Yee Jurng Jae) 한국건축친환경설비학회 2008 한국건축친환경설비학회 학술발표대회 논문집 Vol.- No.-

Recently, developing and applying of the double skin, which can utilize the natural energy with more aggressive characteristic, is now in study. The studies of the double skin are been constantly in progress in advanced countries as well as in domestic. And the double skin has lately been put to practical use. This study has selected the building with the box-typed double skin system and performed the thermal performance prediction of double skin system using TRNSYS. The U-value of the double skin system has been calculated. And this one has compared the measured U-value with the simulated U-value of double skin system. The results of comparison between experiment and the simulation were similar. So a prediction method on thermal performance of the box-typed double skin using TRNSYS simulation has secured a feasibility.

건물에너지 상세해석을 위한 VRF 시스템 에어컨의 TRNSYS 시뮬레이션 방법

하상우(Sang Woo Ha),장용성(Yong Sung Jang),김의종(Eui-Jong Kim) 대한설비공학회 2022 설비공학 논문집 Vol.34 No.2

Variable refrigerant flow (VRF) based system air-conditioner can control a number of indoor zones by a single outdoor unit. As the simulation model for this VRF system is not trivial to develop, a simple TRNSYS air-conditioner model is proposed as a methodology for describing the VRF system using the performance data provided by the manufacturer. In this work, a new simulation process algorithm is introduced to describe the detailed VRF control by a simple on/off control. Results show that the proposed model applied for a unit house of a typical flat can control indoor temperatures and humidity levels of a number of rooms under a predefined occupancy scenario. The simulation time step is a key parameter to obtain well-controlled simulation results and corresponding energy consumption.

지열 히트 펌프 시스템을 이용한 온실의 에너지 시스템 설계

이성복 ( Sungbok Lee ),이인복 ( Inbok Lee ) 한국농공학회 2011 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2011 No.-

사계절이 뚜렷한 국내 농업분야에서 연중 고른 작물 생산을 위해 시설원예는 필수불가결한 조건이다. 국내 시설원예 재배 면적은 꾸준히 증가하고 있는 실정에서, 시설원예 총 경영비 중 난방에 지출되는 비용은 대상 작물에 따라 최대 58%로 상당부분을 차지하고 있다. 난방에너지의 92%가 유류로 충당되고 있는 등 대부분의 에너지를 외국에 의존하고 있는 국내 현실을 감안할 경우, 유가상승 등에 대비하여 농가 경영의 안정성을 확보하고 난방비용을 절감할 수 있는 대체에너지 활용 및 수급이 시급하다. 지열에너지는 연중외기온도에 영향을 받지 않는 지속가능한 에너지이며 안정된 성능을 확보할 수 있는 에너지로 농업시설에 이용하기에 유리하다. 그러나 지열 시스템의 표준화가 이루어지지 않은 상황에서 시설의 규모, 위치, 재배작물 그리고 기상 및 환경 조건 등의 다양한 요소에 영향을 받는 온실을 종합적으로 제어하기위한 시스템을 개발하는데 어려움이 따를 뿐만 아니라 국내 기술 부족으로 인한 지열에너지 시스템의 불필요한 과설계는 시공비 등의 막대한 손실을 발생시킨다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 Building Energy Simulation (BES) 프로그램 중 하나인 TRNSYS를 이용하여 지열 이용 온실의 에너지부하를 산출하고, 이 결과를 바탕으로 적정 지열 시스템의 용량을 산정한 후 기존 시설과의 비교를 통해 국내 실정에 맞는 지열 이용 온실의 설계를 목적으로 한다. TRNSYS를 이용하여 지중열교환기, 열 펌프, 축열조, 팬 코일 유닛 등의 모듈 조합을 통해 지열 시스템 시뮬레이션을 모의하고 온실 모듈과의 연결을 통하여 시스템의 적합성을 검증하려고 한다. 또한 TRNSYS 에너지부하 산출 시뮬레이션을 통해 산출된 결과를 신재생에너지 분석 프로그램인 RETScreen에 적용하여 기존 지열 이용 시설을 내부수익률법(IRR)과 투자회수기간법을 활용한 경제성 평가를 실시하였다. 남원시 생암면 대강리에 소재한 지열시스템 이용 농가인 탑그린 영농조합을 대상으로 2009년(지열설치 이전)의 부하를 TRNSYS 시뮬레이션을 이용하여 산출한 결과 난방부하는 약 1,857Gcal가 발생했고 냉방부하는 약 974Gcal가 발생했다. 이를 330,000ℓ의 경유를 사용한 2009년 실제 사용량과 비교하면 약 306,000ℓ로 산출된 시뮬레이션 결과와 약 10%의 차이를 보였다. 또한 시뮬레이션 결과를 RETScreen에 적용하여 경제성평가를 한 결과 투자회수기간은 약 6.5년으로 계산되었고, IRR은 약 17%로 산출되었다.

TRNSYS를 이용한 Borehole 방식 태양열 계간축열 시스템의 성능에 관한 연구

박상미(Park Sang-Mi),서태범(Seo Tae-Beom) 한국태양에너지학회 2018 한국태양에너지학회 논문집 Vol.38 No.5

The heating performance of a solar thermal seasonal storage system applied to a glass greenhouse was analyzed numerically. For this study, the gardening 16th zucchini greenhouse of Jeollanam-do agricultural research & extension services was selected. And, the heating load of the glass greenhouse selected was 576 GJ. BTES (Borehole Thermal Energy Storage) was considered as a seasonal storage, which is relatively economical. The TRNSYS was used to predict and analyze the dynamic performance of the solar thermal system. Numerical simulation was performed by modeling the solar thermal seasonal storage system consisting of flat plate solar collector, BTES system, short-term storage tank, boiler, heat exchanger, pump, controller. As a result of the analysis, the energy of 928 GJ from the flat plate solar collector was stored into BTES system and 393 GJ of energy from BTES system was extracted during heating period, so that it was confirmed that the thermal efficiency of BTES system was 42% in 5th year. Also since the heat supplied from the auxiliary boiler was 87 GJ in 5th year, the total annual heating demand was confirmed to be mostly satisfied by the proposed system.

TRNSYS를 이용한 반도체 클린룸 전용 외조기의 연간 에너지 사용량 분석

정우현(Woo Hyun Jung),송두삼(Doo Sam Song) 대한설비공학회 2022 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.11

본 연구는 TRNSYS를 이용하여 반도체 클린룸 전용 외조기의 연간 에너지 사용량 분석하였다. 분석 대상 외조기는 대형 클린룸에 많이 사용하고 있는 증기가습과 WSS 단열가습이 혼합된 조건의 외조기로 4개의 가열코일과 2개의 냉각/제습코일, 2개의 가습 장치로 구성되어 있다. 외기조건은 21년 수원지역 온습도 데이터를 사용하였다. 최종 공급 조건은 건구온도 14℃, 절대습도 0.00733kg/kg’의 공기를 클린룸에 공급하는 조건이고, 공급 풍량은 2,000CMM으로 선정하였다. 외조기 내부의 코일 및 가습장치의 에너지 사용량을 1차로 분석하고, 외조기 운영을 위한 냉동기, 보일러, Fan, 펌프 등 부대설비의 에너지 사용량으로 환산하여 전체 에너지 사용량을 집계하였다. 분석결과 냉동기 에너지 사용량은 46.6%로 가장 많았고, FAN 에너지 사용량 29.9%, 보일러 에너지 사용량 19.7%, 펌프 에너지 사용량 6.8%로 분석되었다. 분석결과를 바탕으로 외조기의 내부 구성 변경 및 열원 변경을 통한 에너지 절감 가능성 등 수치적인 비교가 가능할 것으로 판단된다.

BES를 이용한 스마트팜 테스트베드의 내부온도 예측모델

이충건 ( Chung Geon Lee ),홍선영 ( Sun Young Hong ),조라훈 ( La Hoon Cho ),김석준 ( Seok Jun Kim ),박선용 ( Seon-yong Park ),김대현 ( Dae Hyun Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

현재 우리나라는 기존의 시설농업에서 스마트팜으로 전환되어가는 과정에 있으며, 자동화, 원격모니터링 및 제어 등 많은 부분에서 기술발전을 하고 있는 중이다. 그 중 에너지 최적화 기술을 접목시킨 3세대 스마트팜의 연구개발이 활발한 실정이다. 또한 우리나라는 탄소중립을 위해서 농업을 비롯한 다양한 산업에서 화석연료를 배제하고 신·재생에너지를 이용한 탄소감축방안에 박차를 가하고 있다. 이에 따라 스마트팜과 시설농업에서도 화석연료가 아닌 지열 히트펌프, 펠릿보일러 등과 같은 다양한 열에너지원을 선택하여 온실난방에 활용하고 있는 실정이다. 신·재생에너지로 열원을 대체함에 따라 보다 수준 높은 열에너지활용방안 및 관리가 필요한 상황이다. 따라서 정확한 온실의 난방부하 파악은 필수요소로 여겨지고 있다. 그러나 현재 시설농업에서 사용되는 난방부하 산출식은 실제와 다소 차이가 있어 온실에 난방에너지원을 적용할 때 오차가 발생하여 난방이 부족하거나 혹은 과난방되어 에너지의 낭비가 발생하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 최근에는 증산량을 포함한 난방부하량을 BES 프로그램인 ‘TRNSYS’를 이용하여 해결하려는 연구가 활발히 진행중이다. 본 연구에서는 신·재생에너지 중 목재펠릿을 이용하여 약 92m2규모의 온실난방 실험을 진행하였고 이를 TRNSYS로 모델링하여 내부온도 예측모델을 만들어 비교하고자 하였다. 모델 검증을 위해 각기 다른 실험기간의 데이터를 활용하였고 실제 실험과 개발된 내부온도 예측모델간의 유사한 경향을 확인하였다. 그러나 실험결과에서는 주간에 비 난방 시 내부온도가 약 45℃까지 상승하는데 반해 TRNSYS로 구현된 모델에서는 55℃이상 상승하는 것으로 확인되어 추가적으로 보정이 필요한 것으로 판단된다.

동적부하해석을 통한 박스형 이중외피시스템의 열적성능 해석방안의 타당성 검토

조웅현,김윤,최진혁,김용경,이정재 대한건축학회지회연합회 2008 대한건축학회지회연합회 학술발표대회논문집 Vol.2008 No.1

Recently, developing and applying of the double skin, which can utilize the natural energy with more aggressive characteristic, is now in study. The studies of the double skin are been constantly in progress in advanced countries as well as in domestic. And the double skin has lately been put to practical use. This study has selected the building with the box-typed double skin system and performed the thermal performance prediction of double skin system using TRNSYS. The U-value of the double skin system has been calculated. And this one has compared the measured U-value with the simulated U-value of double skin system. The results of comparison between experiment and the simulation were similar. So a prediction method on thermal performance of the box-typed double skin using TRNSYS simulation has secured a feasibility.

액체식 태양광·열 시스템(L-PVTs) 최적안 제안 및 계절별 에너지생산량 분석

김윤호,다루에청,배상무,남유진,황정하 한국건축친환경설비학회 2019 한국건축친환경설비학회 논문집 Vol.13 No.1

Recently, South Korea has been encouraging the expansion and distribution of renewable energies to reduce the consumption of fossil fuels which is the cause of greenhouse gas emissions. This study suggests a PVT system with optimized efficiency and analyzes the energy production characteristics using the TRNSYS17 program for the application and commercialization of an optimal photovoltaic thermal (PVT) system that simultaneously produces electrical and thermal energies while possessing a higher energy production rate per installed area compared to conventional photovoltaic and solar thermal energy systems. The proposed system was applied to a building to analyze the energy production in each season. This study was performed in the following steps. First, the components of the PVT system and the environmental variables affecting the energy production were examined through an analysis of previous studies. Second, the energy production from each component of L-PVTs was calculated and compared using TRNSYS. Based on the results, the optimal PVT system was proposed by combining the most efficient components. Third, the energy production of the proposed L-PVTs was calculated and compared according to the ambient temperature, solar radiation and the inlet temperature. Fourth and last, the target building was selected and the suggested L-PVT was applied to it. Then the energy production in each season was calculated by performing energy analysis.