자연 환기식 온실의 모델 기반 환기 제어를 위한 미기상 환경 예측 모형

홍세운,이인복 (사) 한국생물환경조절학회 2014 생물환경조절학회지 Vol.23 No.3

Modern commercial greenhouse requires the use of advanced climate control system to improve crop productionand to reduce energy consumption. As an alternative to classical sensor-based control method, this paperintroduces a model-based control method that consists of two models: the predictive model and the evaluation model. As a first step, this paper presents straightforward models to predict the effect of natural ventilation in a greenhouseaccording to meteorological factors, such as outdoor air temperature, soil temperature, solar radiation and mean windspeed, and structural factor, opening rate of roof ventilators. A multiple regression analysis was conducted to developthe predictive models on the basis of data obtained by computational fluid dynamics (CFD) simulations. The outputof the models are air temperature drops due to ventilation at 9 sub-volumes in the greenhouse and individual volumetricventilation rate through 6 roof ventilators, and showed a good agreement with the CFD-computed results. Theresulting predictive models have an advantage of ensuring quick and reasonable predictions and thereby can be usedas a part of a real-time model-based control system for a naturally ventilated greenhouse to predict the implicationsof alternative control operation. 본 연구에서는 모델 기반의 온실 환경 제어에 활용될수 있는 미기상 환경 예측 모형을 개발하고자 하였다. 전산유체역학 시뮬레이션을 활용하여 다양한 기상 조건과 온실의 환기 구조에 따른 온실 내부의 미기상 변화와 환기창에서의 환기량 변화를 모의하고, 다중회귀분석을 통해 수치 모형을 제시하였다. 비정상상태의 환기 작용을 모의한 결과, 환기창 개방후 환기 효과가 완전히 나타나기 까지는 3분 ~ 20분 정도의 시간이 소요될 수 있는 것으로 나타났다. 기존의센서 실측에 기반을 둔 대부분의 환경 조절 제어 시스템의 경우에는 측정값에 따른 피드백에 의해 환경 제어가 동작하므로 온실 내부의 기온이 상승한 이후에 환경제어를 시작하게 되지만, 모델 기반의 환경 조절 제어시스템을 도입하면 이러한 3분~20분 정도의 시간을 사전에 고려하여 적정 환경을 제어할 수 있도록 미리 환기창의 조작이 이루어지게 된다. 작은 규모의 온실에서는 이러한 영향이 미비할 수 있지만, 근래에 증가하고있는 대규모 온실들에 대해서는 온실 내부 작물 재배환경의 균일성과 적정성, 안정성을 확보하고 환경 조절의 경제성을 추구할 수 있는 모델 기반의 환경 조절 시스템이 필수적이다. 본 연구에서 제시된 수치 모형들은 외부의 기온과 풍속, 지면 온도, 일사량 등의 기상 환경과 온실의 천창개폐율에 따라 유도되는 자연 환기의 성능을 온실 내미기상 변화와 환기창을 통한 환기량 값으로 제시하고있으며, 전산유체역학 시뮬레이션 결과와 비교하여 각각58% ~ 92%, 76% ~ 93%의 예측력을 보였다. 미기상의변화는 온실을 9개의 세부 영역으로 구분하여 각 영역에서의 기온 하락 정도로 나타내며, 환기량은 지붕에 형성된 6개의 천창에서의 공기 유출입량을 각각 제시하여준다. 환기 작용에 의한 미기상의 변화는 반드시 환기창에서의 환기량에 의해 예측되지는 않으므로 환기량과 환기의 효과를 구분하여 적용하는 것이 중요할 것이다. 이러한 수치 모형들은 모델 기반 환경 제어 시스템에서가상의 환기창 동작에 따른 환기 성능을 예측하는데 활용될 수 있으며, 전산유체역학 시뮬레이션과 같은 매우복잡한 예측 모델이 비해 상당히 간단한 형태로 이루어져 있어 빠른 계산 시간을 보장한다. 이는 실시간 제어의 관점에서는 복잡한 예측 모델들에 비해 실시간 예측과 제어가 가능하다는 큰 장점을 가져다준다. 본 연구를 통해 개발되고 시도된 결과들은 모델 기반의 온실 복합 환경 제어 시스템을 위한 알고리즘을 개발하는데 활용될 것이다. 또한 이러한 활용은 농업에 IT기술을 접목하여 농가의 노동력 부족을 극복하고 생산성향상과 경쟁력 확보를 도모하는 농업 선진화에 기여할것으로 기대된다.

한국생물환경조절학회 회칙 외

편집부(편집자) (사)한국생물환경조절학회 2002 생물환경조절학회지 Vol.11 No.4

한국생물환경조절학회 회칙 외

편집부(편집자) (사)한국생물환경조절학회 2001 생물환경조절학회지 Vol.10 No.4

한국생물환경조절학회 회칙 외

편집부(편집자) (사)한국생물환경조절학회 2004 생물환경조절학회지 Vol.13 No.4

저일조 조건에서 몇 가지 친환경농자재가 고추와 토마토의 유묘 생육에 미치는 영향

엄영철(Yeong-Cheol Um),서태철(Tae-Cheol Seo),장윤아(Yoon-Ah Jang),이상규(Sang-Gyu Lee),이준구(Jun-Gu Lee),최장선(Chang-Sun Choi),오상석(Sang-Seok Oh) (사)한국생물환경조절학회 2011 생물환경조절학회지 Vol.20 No.4

저일조 조건에서 고추와 토마토 유묘의 생육에 미치는 몇 가지 친환경농자재의 이용효과를 검토하고자 하였다. 친환경농자재는 미생물제재, 효소제, 아미노산제 3종을 이용하였고 30% 차광조건에서 토마토와 고추를 육묘하였으며, 육묘용 상토 종류에 따른 차이를 보기 위해 일반 원예용(유비)상토와 무비상토를 비교하였다. 토마토와 고추 모두 무비상토에서는 효소제와 아미노산제 처리에 의해 묘의 생육이 양호하였으나, 미생물제재 처리는 대조구와 차이가 없었다. 유비상토에서는 친환경농자재 처리에 의한 생장촉진효과가 나타나지 않았다. 차광처리에 의하여 묘의 건물중은 감소하고, 엽면적은 다소 증가하는 경향을 보였으나, 친환경농자재의 처리에 의한 생육촉진효과는 없었다. 정식 후 토마토 1화방의 개화소요일수 및 착과절위를 조사한 결과, 무비상토의 경우 효소제 및 아미노산제 처리구에서 개화소요일수가 3~4일 적었으나, 착과절위는 차이가 없었다. 다만 차광조건에서 착과절위가 낮아지는 경향을 보였다. 유비상토의 경우는 친환경농자재 처리나 차광유무에 따른 개화소요일수나 착과절위의 차이가 없었다. 고추는 무비상토에서 차광에 관계없이 효소제 및 아미노산제 처리구에서 건물중이 증가하였으나 미생물 제재 처리구에서는 효과가 없었다. 유비상토는 친환경 농자재의 처리효과가 없었다. 따라서 시판되고 있는 효소제와 아미노산제는 무비상토에서 생육촉진효과가 있었으나, 미생물제재 처리는 처리효과가 없었고, 양분이 함유된 상토에서는 친환경농자재의 처리효과가 없었다. 또 차광에 의한 저일조 조건에서 친환경농자재의 혼용처리에 의한 토마토와 고추 유묘의 생육촉진효과는 없었다. The aim of this study was to evaluate the effect of 3 environment- friendly farming materials on the growth of pepper and tomato seedlings under low level of solar radiation. The pepper and tomato seedlings were separately grown on commercial substrate and non-fertilizer substrate under 30% shading condition, respectively. The microbe-, enzyme-, and amino acid-supplements were used for the foliar application to the seedlings. The application of enzyme- and amino acid-supplements significantly enhanced the growth of tomato and pepper seedlings grown on non-fertilizer substrate, while there was no significant effect on the seedlings grown on commercial substrate. The foliar application of enzyme- and amino acid-supplements reduced the days to flowering by 3 to 4 days and lowered the node order of fruit set in tomato plants grown on non-fertilizer substrate. The results showed that the enzyme- and amino acid-supplements could enhance the seedling growth and lower the node order of fruit set under limited nutritional conditions.

한국생물환경조절학회 회칙 외

편집부(편집자) (사)한국생물환경조절학회 2003 생물환경조절학회지 Vol.12 No.4

식물공장용 체인 컨베이어식 작물 조간 조절장치 개발

장유섭(Chang Yu Seob),송현갑(Song Hyun Gap),김동억(Kim Dong Eok) (사)한국생물환경조절학회 2005 생물환경조절학회지 Vol.14 No.1

본 연구는 식물공장용 체인컨베이어식 조간조절장치를 개발하기 위해 수행하였다. 개발 시스템을 재배작물에 실제로 적용하기 위해 평가시험하였다. 실험결과, 식물공장에서 수경재배되는 채소의 주간을 조절하는 기술을 제공하였다. 작물조간조절단계는 매주 수확하는 것으로 하여 4단으로 설정하였고, 단계별 이송속도는 각각 6.4, 9.6, 12.3, 15.8 ㎝ㆍs?¹이었고, 조간조절량은 각각 101.6, 152.4, 203.2, 254.0 ㎜로 나타났다. 1단계에서 4단계로 작물이 이송되는 동안 작물과 재배홈통의 무게가 17N에서 935N으로 증가함에 따라 구동축토오크도 11.7~33.3 Nㆍm범위에서 증가하여 이론 토크 값보다 5.9~9.8 Nㆍm 더 소요되었으며, 이때의 진행 저하율은 1.6~2.1%이었다. 재배홈통의 이동소요 시간의 설계 값이 2.26초이고 실측값이 2.2초로 잘 일치한 것으로 나타났다. 조간조절장치는 조간조절량이 설계된 값의 5%이내 범주에서 잘 조절되고, 시스템으로도 안정적으로 나타나 식물공장용 조간조절장치로 체인컨베이어식 조간조절장치가 활용될 수 있을 것으로 판단되었다. This study was conducted to develop a chain conveyor-type, row-spacing system for a plant factory. The developed system was evaluated for its practical use in growing plants. Results are intended to provide technical suggestions on the row spacing for hydroponically grown vegetables in a plant factory. The designed row-spacing system for a plant factory could be adjusted by four stages with a conveying speed range of 5.3~15.8 ㎝ㆍs?¹ and with a row-space range of 10~25 ㎝. The torque of driving shaft was measured with a torque range of 11.7~33.3 Nㆍm according as a trough weight changes with a range of 17~935 N. A measured value was 5.9~9.8 Nㆍm lower than a theoretical value. Travel reduction rate was shown up 1.6~1.9%. The conveying time of trough was shown up 2.24 seconds in case that the designed value was 2.26 seconds. The system was evaluated to be functioning effectively according to the initial design factors in the test.

한국생물환경조절학회 회칙 외

편집부(편집자) (사)한국생물환경조절학회 2000 생물환경조절학회지 Vol.9 No.4

포그분사 및 공기유동에 의한 온실재배 토마토의 엽온 변화

남상운,김영식,서동욱 (사) 한국생물환경조절학회 2014 생물환경조절학회지 Vol.23 No.1

To investigate the influence of surrounding environment on the plant temperature and examine the effectof plant temperature control by fogging and airflow, plant temperature of tomato, inside and outside air temperatureand relative humidity, solar radiation and wind speed were measured and analyzed under various experimental conditionsin plastic greenhouse with two-fluid fogging systems and air circulation fans. According to the analysis of planttemperature and the change of inside and outside air temperature in each condition, inside air temperature and planttemperature were significantly higher than outside air temperature in the control and shading condition. However, inthe fogging condition, inside air temperature was lower or slightly higher than outside air temperature. It showed thatplant temperature could be kept with the temperature similar to or lower than inside air temperature in fogging andairflow condition. To derive the relationship between surrounding environmental factor and plant temperature, we didmultiple regression analysis. The optimum regression equation for the temperature difference between plant and airincluded solar radiation, wind speed and vapor pressure deficit and RMS error was 0.8oC. To investigate whether thefogging and airflow contribute to reduce high temperature stress of plant, photosynthetic rate of tomato leaf wasmeasured under the experimental conditions. Photosynthetic rate was the highest when using both fogging and airflow,and then fogging, airflow and lastly the control. So, we could assume that fogging and airflow can make bettereffect of plant temperature control to reduce high temperature stress of plant which can increase photosynthetic rate. It showed that the temperature difference between plant and air was highly affected by surrounding environment. Also, we could estimate plant temperature by measuring the surrounding environment, and use it for environmentcontrol to reduce the high temperature stress of plant. In addition, by using fogging and airflow, we can decreasetemperature difference between plant and air, increase photosynthetic rate, and make proper environment for plants. We could conclude that both fogging and airflow are effective to reduce the high temperature stress of plant. 주변 환경이 작물의 엽온에 미치는 영향을 규명하고,포그분사 및 공기유동에 의한 엽온조절의 효과를 검토하기 위하여 이류체 포그시스템 및 공기유동 장치를 설치한 토마토 재배온실에서 다양한 실험조건하에 작물의 엽온과 실내외 온습도, 일사량, 풍속 등의 환경을 계측하여 분석하였다. 처리조건별 엽온 및 실내외 기온의 변화를 분석한 결과, 무처리와 차광조건에서는 실내기온과엽온 모두 외기온보다 상당히 높았으나, 포그분사 조건에서는 실내온도가 외기온보다 낮거나 약간 높은 정도를유지하는 것으로 나타났고, 포그분사와 공기유동 조건에서는 엽온을 실내온도와 비슷하거나 더 낮게 유지할 수있는 것으로 나타났다. 일사량, 풍속 및 포차에 따른 엽기온차의 변화를 분석하였으며, 주변 환경요인과 엽온과의 관계를 도출하기 위하여 다중회귀분석을 실시하였다. 엽기온차에 대한 최적의 회귀방정식은 일사량, 풍속, 포차를 모두 고려한 것으로써 RMS 오차는 0.8oC였다. 본회귀방적식을 이용하여 온실의 온습도, 일사량, 풍속을측정하면 엽온을 추정할 수 있으며, 토마토 재배온실의고온기 작물 스트레스 경감을 위한 환경조절에 활용할수 있을 것으로 판단된다. 처리조건별 광합성 속도는 포그분사와 공기유동의 병행 처리에서 가장 컸고, 포그분사, 공기유동, 무처리 순으로 나타났다. 포그분사에 공기유동까지 병행하면 체온조절 효과가 증대하여 작물의 고온 스트레스를 경감할 수 있으며 결국 광합성을 증대시킬 수 있는 것으로 판단된다. 이상을 종합해보면 엽온과기온의 차이는 주변 환경에 큰 영향을 받는 것으로 나타났으며, 주변 환경을 계측함으로써 엽온을 추정할 수있고, 그것을 고온 스트레스 경감을 위한 환경조절에 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 포그분사 및 공기유동을 통해 엽기온차를 줄이고 광합성 속도를 증가시켜작물생장에 유리한 환경을 조성할 수 있으며, 고온 스트레스를 경감시키는데 효과적일 것으로 판단된다.

친환경 육묘시 세 가지 박과채소의 흰가루병에 대한친환경 제제의 방제효과

여경환,장윤아,김수,엄영철,이상규,이한철 (사) 한국생물환경조절학회 2013 생물환경조절학회지 Vol.22 No.4

The purpose of this study was to evaluate the control efficacy of major environment-friendly control agents against powdery mildew, as affected by the application condition such as disease-developing stage and microclimate,as compared with the efficacy of pesticides in plug seedling of three Cucurbitaceae vegetables, including cucumber, melon, and oriental melon. Single or combined application of major six environment-friendly control agents was used in the experiment: two biofungicide (Ampelomyces quisqualis 94013 and Bacillus subtilis Y1336),two plant extracts (neem oil and extracts of Rheum undulatum), and two mineral materials (wettable sulfur powder and lime bordeaux mixture). These control agents were treated to the plug seedlings for preventing powdery mildew and curative applications for managing powdery mildew. In all treatments, the disease incidence declined as daily average temperatures increased to 30oC for consecutive 6~8 days with maximum temperature over 40oC. In preventative application, the control efficacy against powdery mildew was the highest in the treatment of wettable sulfur powder, and lowest in the B. subtilis Y1336, with values of 20~40%. In cucumber seedlings, the preventive single application of neem oil or wettable sulfur powder was more effective than curative application of fungicides, while the control efficacy of these agents was similar to those of fungicides in melon seedlings. The single application of R. undulatum extracts was also effective in preventing the disease for both cucumber and melon seedlings, showing a higher control efficacy than those of biofungicides during seedling stage. The treatment of water spray was not effective and showed a higher disease incidence than the untreated control plot in the oriental melon and melon seedlings. The curative application with environment friendly control agents, after powdery mildew was first detected, could not successfully controlled the disease at the middle stage (5~10% of disease incidence) of disease development. The curative combined application of [R. undulatum extracts (1st application) + wettable sulfur powder (2nd) + neem oil (3rd)] showed the highest control efficacy among the other treatments, with control value over 80% at the early stage (less than 1% of disease incidence) of disease development. 본 실험은 박과류(오이, 참외, 멜론)를 공시작물로 하여친환경 육묘시 친환경 제제와 시용조건에 따른 흰가루병의 방제효과를 구명하고 기존 등록된 농약과 대조하여그 효과를 검정하기 위해 수행되었다. 친환경제제는 유효미생물로서 Ampelomyces quisqualis 94013(AQ94013)과Bacillus subtilis Y1336(BS Y1336), 식물추출물로서 님오일(Neem oil)과 대황(Rheum undulatum)추출물, 미네랄제제는 황수화제와 석회보르도액(Lime Bordeaux mixture)을 단용 또는 혼용처리하여 병 발생시기(발생전, 초기,중기)에 따라 처리하였다. 모든 처리구에서 시설내 일평균온도 30oC 이상, 하루 중 최고기온이 40oC 이상의조건이 일주일 이상 지속되는 기간 동안 유묘의 흰가루병의 발병도는 감소하였고, 대조구인 무처리구에서의 발병도도 크게 감소되어 10% 미만으로 나타났다. 발생 전처리시 방제효과는 모든 작물에서 황수화제가 가장 높았고, BS Y1336는 방제가가 20~40%로서 가장 낮게 나타났다. 오이의 경우 발생전 처리시 님오일과 황수화제 처리는 살균제보다 높은 방제효과를 보였으며, 멜론에서는농약과 비슷한 방제가를 보였다. 대황추출물은 전 생육기간 동안 미생물제제보다 높은 방제가를 나타내었고,오이와 멜론작물에서 발생초기 처리시 효과가 우수하였다. 물살포구는 무처리구와 비슷한 발병도를 보여 방제효과가 없었고, 참외와 멜론에서 물살포 처리는 무처리보다 더 높은 발병도를 보였다. 병발생후 친환경제제 처리시 방제효과는 처리하는 시기가 늦어질수록 감소하였다. 친환경제제의 혼용처리에 의한 방제효과를 조사하였을 때, 대황추출물(1주차) + 황수화제(2주차) + 님오일(3주차)의 조합으로 한 가지의 친환경제제를 주당 1회씩총 3주 동안 혼용처리 했을 때, 전 육묘기간 동안 오이에서는 90% 이상, 모든 작물에서 평균 80% 이상의 방제가를 나타내어 다른 조합의 처리에 비해 높은 방제효과를 보였다. 본 실험결과를 통해 박과채소의 친환경 육묘시 흰가루병에 대한 친환경제제의 방제효과는 단용처리 했을 때, 병발생 전후 처리에 상관없이 모든 작물에서 황수화제 처리가 가장 높게 나타났으며, 혼용처리시에는 대황추출물(1주차) + 황수화제(2주차) + 님오일(3주차)의 조합이 가장 효과가 높은 것으로 나타났다.