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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.50 No.2 pp.187-194
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2016.50.2.187

Development of Exhaust Fan with an Embedded Controller for Windowless Swine Housing

Woong Kim*
Major in Bio-Industry Mechanical Eng., Kongju National Univ., Chungnam, 32439, Korea
Corresponding author: Woong Kim Tel: +82-41-330-1284FAX: +82-41-330-1289kimw017@kongju.ac.kr
September 16, 2015 January 4, 2016 March 8, 2016

Abstract

The purpose of this study was to analyze temperature distribution characteristics using a model swine housing for temperature sensor adjustable positioning and developed a sensor and controller embedded exhaust fans utilizing ICT fusion technology for windowless swine housing. Temperature measured by the sensor attached on the exhaust fan was also determined that there is no problem, the temperature is located in the upper fan given the measured errors shown in the 1°C temperature difference between the lower temperature than the other positions in the model swine housing. The performance of the exhaust fan at maximum output was found to be 1920rpm, air flow rate 125m3/min. When the open area ratio of 70% one proper air volume of the exhaust fan was found to be 75m3/min, 60pa. Maximum efficiency in all of the output of the exhaust fan is exhibited at about 70% open area ratio of the damper. The number of revolution of the exhaust fan was 1920rpm when the output was a maximum of 100%. AC output phase of the pulse duty ratio change of the controller was shown to change without delay. It was determined that the instant fan speed control is possible.


무창돈사를 위한 컨트롤러 일체형 환기팬 개발

김 웅*
공주대학교 생물산업기계공학전공

초록

본 연구는 무창돈사에서 최적 환경조절이 가능한 시스템을 구축하고자 환경조절이 가능한 모형돈사를 제작하여 온도분포특성을 분석하고 ICT 융합기술을 활용한 온도센서 위치 최적화 및 컨트롤 일체형 환 기팬을 개발하고자 하였다. 팬 상부에 부착된 센서에 의해 측정된 온도는 다른 측점온도보다 1°C 내의 낮은 온도차를 나타내어 측정오차를 고려할 때 온도센서가 팬 상부에 위치하여도 문제가 없을 것으로 판단되었다. 환기팬 성능은 최대 출력일 때 회전수 1920rpm, 송풍량 125m3/min로 나타났으며, 최대 효 율은 개방면적비 약 70%를 고려할 경우 사용된 환기팬의 적정 송풍량은 75m3/min에 60pa로 나타났다. 댐퍼의 개방면적비가 약 70%일 때 환기팬의 동력과 상관없이 최대효율을 나타내었다. 팬의 출력별 회 전수는 출력 100%일 때 최대 1,920rpm으로 나타났으며, 컨트롤러의 펄스 듀티비를 변화시킴에 따라 AC 출력 위상이 지연 없이 변화하는 것으로 나타나 빠른 응답속도로 팬 속도조절이 가능한 것으로 판 단되었다.


    Rural Development Administration
    PJ010541042014

    서론

    1990년대 초에 시작된 우리나라 양돈시설 현대화 는 양돈 농가들의 사육규모 증가와 생산비, 노동력 절감 등을 위해 집약관리 되고 있으며, 육성돈사와 비육돈사는 대부분 대형화가 되고 있다(choi et al., 1999).

    돈사의 환경조절에는 열환경과 화학적 환경조절 등 여러 가지가 있으며, 이와 관련된 요인은 온×습 도, 유속, 유해가스, 소음 등이 있다. 이들 중 온× 습도 및 유해가스의 농도조절은 환기를 통해 조절이 가능하며, 적절한 환기는 돼지와 작업자에게 쾌적한 환경 제공 및 생산량의 향상이 가능하다.

    최근 환기시설이나 단열과 같은 사육환경에 대한 관심이 증가하고 있으며, 사계절이 뚜렷하고 온도변 화가 심한 우리나라 기후에서는 환기에 대한 중요성 이 점차 커지고 있는 실정이다(Song et al., 2002; Yoo et al., 2002).

    적정 환기량은 돈사 내 돼지의 상태 및 외기의 상 태에 따라 결정하게 되며, 환기량의 결정은 돈사의 여러 가지 조건을 이용한 복잡한 모델을 이용하여 결정하거나 권장 값을 이용하여 대략적인 환기량을 결정한다(RDA, 2004). 그러나 환기팬의 적절한 성 능에 대한 자료는 전무한 실정이며, 적정 환기량의 결정은 환기팬의 성능값 및 적절한 환기구의 부재로 인하여 원활한 환기는 기대하기 어려운 실정이다 (Han et al., 2015).

    환기량 결정을 위한 돈사 내 온도측정은 위치에 따른 온도차를 고려하지 않고 한 점만을 측정하는 방식이 대부분을 차지하고 있으며, 이때 부적절한 센서위치로 인해 여러 가지 문제가 발생하고 있다. 온도센서를 돈사 바닥 가까이 설치하여 돼지에 의해 센서가 파손되거나 관리자의 관리 소홀에 의해 오염 된 센서로 인해 측정오차가 발생하는 등 최적 환경 조절을 위한 온도측정방법에서 개선이 필요한 실정 이다.

    본 연구는 무창돈사의 최적 환경조절이 가능한 시 스템 구축을 위한 연구로 온도센서 위치결정을 위하 여 모형돈사를 이용한 온도분포특성을 분석하고 ICT 융합기술을 활용한 센서 및 컨트롤러 일체형 환기팬을 개발하고자 하였다.

    재료 및 방법

    1모형돈사 온도분포 특성

    ICT 기술을 접목한 무창돈사용 컨트롤러 일체형 환기팬을 개발하기 위한 기초실험으로 돈사 내 위치 별 온도분포 특성을 알아보고자 실내실험으로 모형 돈사를 제작하였으며, 위치별 온도분포 특성을 조 사, 분석하였다.

    모형돈사는 충남 예산군에 위치한 무창돈사를 방 문하여 돈사 내 돈방의 크기 및 환경상태를 조사하 여 가로, 세로, 높이를 3m, 2.5m, 1.5m, 크기로 10mm 두께의 스티로폼을 이용하여 제작하였으며, 입기구는 측면에 지름 12mm, 구멍을 150mm 간격 으로 타공한 지름 100mm, 길이 1500mm의 PVC재 질의 파이프를 이용하여 돈사모형 상부에 설치하여 외부공기의 유입이 원활하도록 구성하였다.

    모형돈사 내 환경을 실제 돈사와 같게 만들기 위 하여 발열체인 돼지를 대신해 바닥에 온도조절이 가 능한 발열판을 일정간격으로 설치하였으며, 설정온 도는 돼지의 체온과 비슷한 38℃를 유지되도록 하였 다. 또한, 지름 250mm인 팬(25DRA, DONGWOO, Korea)을 측면에 설치하고 기존의 시판중인 팬 컨 트롤러(KO-850, KUNOK, Korea)를 이용하여 설정 온도를 최적온도의 상한선인 28℃로 설정하여 환기 및 온도 조절을 하였다.

    모형돈사 내 지점별 온도분포를 알아보기 위해 서머커플(PP-T-24-SLE, OMEGA, USA)과 데이 터로거(MX100, YOKOGAWA, Japan)를 이용하여 Fig. 1과 같이 상부 8지점(a-h), 하부 8지점(i-p) 및 팬(S-fan) 1점으로 총 17점의 온도변화를 1분간 격으로 24시간동안 측정하여 위치별 온도특성을 분 석하였다. Fig. 2

    2환기팬 성능분석

    컨트롤러 설계를 위하여 성능분석을 수행한 팬은 국내에 보급된 대표적인 형식의 무창돈사용 벽면형 환기팬(KB-500, KUNOK, Korea)을 대상으로 하였 으며, Fig. 3은 환기팬의 성능평가용 덕트를 나타낸 것으로 송풍기 시험 및 검사방법 KS 기준(KS B 6311, 2001, 기술표준원)에 준하여 성능평가를 실시 하였다. Fig. 4

    성능분석은 정압과 전압, 송풍량 및 출력별 회전 속도를 측정하였으며, 성능곡선 산출을 위하여 공기 배출부에 피토정관을 설치하고 전자식 Manometer (3166, Yokogawa, Japan)를 이용하여 24지점의 전 압과 정압을 측정하였다.

    송풍량 측정은 풍량풍속계(9555P, TSI, USA)를 이용하였으며, 팬 회전수는 비접촉식 Tachmetor (470, testo, GERMANY), 효율계산을 위한 전력소 모량은 소비전력계(3166, HIOKI, Japan)를 이용하 여 측정하였다.

    성능분석은 댐퍼각 조절을 통한 5단계(0°, 30°, 45°, 60°, 90°)의 개방면적과 송풍량 변화를 위하 여 팬의 출력을 5단계(10, 30, 50, 80, 100%)로 조절하였으며, 식 1을 이용하여 팬의 효율을 계산 하였다. Fig. 5, 6

    η = Q × Δ p W
    (1)

    여기서,

    ηf :

    효율 (%)

    Q :

    송풍량(㎥/s)

    Δp :

    정압(pa)

    W :

    소비전력(kW)

    3컨트롤러 일체형 환기팬 시스템

    기초실험을 통해 얻어진 팬 성능특성과 돈사 내 온도특성 고려하여 온도센서-컨트롤러 일체형 환기 팬을 제작하였다. 일반적으로 전동기의 속도제어를 위해 사용하는 방법은 입력전류제어방식과 위상제어 방식이 있다.

    전동기 속도를 제어하기 위해서는 권선에 인가되 는 전압을 제어하게 되는데, 본 연구에서는 간단한 구조로 구현할 수 있으며, 가격이 저렴하고 제어 시 스템이 단순화되는 장점이 있어 저가형 단상 유도전 동기 속도제어 시스템에 많이 사용되고 있는 양방향 싸이리스터나 TRIAC을 이용한 위상제어 방식으로 시스템을 구현하였다(Law & Lipo, 1986; Krischan et al., 2010; Lee & Yoon, 2012).

    컨트롤러 일체형 환기팬을 위해서는 컨트롤러의 크기를 최소화할 필요가 있으며 이를 위해 MCU의 경우 AVR ATmega32u4(Atmel, USA)와 Atheros AR9331(Qualcomm, USA)를 이용하였으며, 추후 무 선통신과 데이터 로깅을 위한 확장을 할 수 있도록 구성하였다. 또한 Surge와 같은 큰 전압으로 부터 회로를 보호하기 위하여 바리스터(Varistor)를 사용 하였으며, 온도 측정을 위하여 NTC Thermistor (NTSF4-10㏀, BOYUAN, China)를 사용하였다.

    컨트롤러 일체형 팬은 컨트롤러가 팬 내부에 장착 되므로 환경제어설정을 노트북이나 PC를 이용하여 하게 된다. 이를 위해 Fig. 8과 같이 Visual studio. Net(ver.2015, Microsoft, USA)를 이용하여 프로그 램을 개발하였으며, 프로그램 내에서 통신설정, 환 기 및 온도 설정, 고×저온 경보 등을 제어할 수 있 도록 하였다. 또한 AC 팬 출력을 1% 단위로 수동제 어 할 수 있도록 하였다. Fig. 7

    결과 및 고찰

    1모형돈사 온도분포 특성

    모형돈사를 이용하여 돈사 내 위치별 온도 분포 를 측정한 결과는 Table 1과 같으며, 최대온도는 f 와 j지점에서 28.8℃로 나타났으며, 최소온도는 d 지점에서 25.6℃로 나타나 모든 지점에서 27±2℃ 전후의 온도를 유지하는 것으로 나타났다. 위치별 온도는 가장자리보다는 중앙부분이 높은 것으로 나 타났으며, 상부보다는 하부가 높은 것으로 나타나 이는 발열 매트에 의해 데워진 공기의 영향으로 판 단되었다.

    팬 상부에 부착된 센서에 의해 측정된 온도는 최 고 27.9℃, 최저 25.6℃이며, 평균 26.8℃로 a부터 p지점까지의 온도보다 1℃ 내의 낮은 온도차를 나타 내고 있다. 이는 팬이 구동되면서 발생되는 공기의 흐름에 영향을 받은 것으로 판단되었으며, 측정오차 를 고려할 때 온도센서가 팬 상부에 위치하여도 문 제가 없을 것으로 판단되었다.

    2팬 성능특성

    환기시스템을 개발하기 위한 팬 성능분석결과는 Fig. 9와 같이 나타났다. 정압은 개방면적부터 완전 차단점 부근까지 거의 일정하게 증가하는 것으로 나 타났다. 환기팬의 최대 출력일 때 회전수 1920rpm, 송풍량 125㎥/min로 나타났으며, 최대효율인 개방 면적 약 70%를 고려할 경우 사용된 환기팬의 적정 송풍량은 75㎥/min, 60pa로 나타났다.

    환기팬의 출력을 80%로 감소 한 경우, 전체 송풍 량 및 압력의 감소는 약 10%가 감소하는 것으로 나 타났으며, 출력을 50%로 감소시킬 경우 환기팬의 송풍량 및 압력의 감소는 약 55% 이하로 나타났다. 따라서, 환기팬의 효율을 고려할 경우 팬의 출력은 70% 이하의 감소는 환기팬으로써 성능을 유지하기 에 적절치 않을 것으로 판단되었다.

    환기팬의 출력변화와 개방면적에 따른 효율은 Fig. 10과 같이 나타났다. 댐퍼의 개방면적비 약 70%일 때 환기팬의 출력과 상관없이 최대효율을 나 타내었다. 그러나 환기팬의 효율은 약 60% 이하의 개방면적일 때 개방면적에 따른 효율의 변화가 작게 나타났다.

    y = 0.0018 x 3 0.3574 x 2 + 39.833 x 268.57
    (식(2))

    팬의 출력별 회전특성은 컨트롤러 출력 12%부터 시동하였으며, 출력 100%일 때 최대 1920rpm으로 나타났다. 환기팬의 회전속도를 제어하기 위한 상관 관계식은 결정계수 R²= 0.9995를 갖는 식 (2)와 같 이 나타났으며, 이를 통해 rpm과 최종 환기량 관계 를 이용하여 팬의 출력을 구할 수 있는 것으로 판단 되었다(Fig. 11.).

    팬의 회전수는 돈방 내 공기 흐름에 영향을 미치 는 여러 가지 환경변수에 따라 오차가 크게 발생하 는 AC모터의 특성으로 인해 설치되는 농가의 기준 전압과 입기구의 크기 등 환경적인 부분을 모두 고 려하여야 최적의 환기량 조절이 가능할 것으로 판단 되었다.

    3컨트롤러 일체형 환기팬 시스템

    개발된 컨트롤러 및 온도센서 일체형 환기팬의 성 능평가를 위하여 컨트롤러 입력부과 출력부의 출력 파형을 분석한 결과는 Fig. 12와 같이 나타났다. 컨 트롤러의 펄스 듀티비를 변화시킴에 따라 AC 출력 위상이 지연 없이 변화하는 것으로 나타나 빠른 응 답속도로 팬 속도조절이 가능한 것으로 판단되었다.

    감사의 글

    본 논문은 농촌진흥청 공동연구사업(과제번호: PJ010541042014)의 지원에 의해 이루어진 것임.

    Figure

    JALS-50-187_F1.gif

    Schematic diagram of the model swine housing for experiment.

    JALS-50-187_F2.gif

    Model swine housing with sensors and heating plates.

    JALS-50-187_F3.gif

    Schematic diagram of fan performance test duct.

    JALS-50-187_F4.gif

    Honeycomb and damper for fan performance test duct.

    JALS-50-187_F5.gif

    Measurement of static pressure and power consumption.

    JALS-50-187_F6.gif

    Schematic diagram of exhaust fan system with an embedded controller.

    JALS-50-187_F7.gif

    Exhaust fan system with an embedded controller.

    JALS-50-187_F8.gif

    The control program for Exhaust fan system on computer.

    JALS-50-187_F9.gif

    Performance curves of exhaust fan for windowless swine housing.

    JALS-50-187_F10.gif

    Efficiency curves of exhaust fan for windowless swine housing.

    JALS-50-187_F11.gif

    RPM curves of exhaust fan by output values

    JALS-50-187_F12.gif

    Wave forms of AC-output by PWM-ratio(X-axis: pulsed duty cycle, Y-axis: output phase).

    Table

    The temperature distribution of the position in the model swine housing

    Reference

    1. Choi HR , Song JI , Kim HT , Ahn HK , Ko SY (1999) Field Survey of Structural and Environmental Characteristics of Pig Houses in the Central Provinces in Korea , J. lives. Hous. & Env, Vol.5 (1) ; pp.1-15
    2. Jeon MJ , Han JW , Lee SK , Kim W (2014) Characteristics of temperature distribution of pen in windowless swine housing , Proceedings of KSAM 2014 autumn conference, Vol.19 (2) ; pp.177-178
    3. Korea Standard (2011) Testing methods for industrial fans, KS B 6311
    4. Krischan K , Guenther D , Oliver K , Roland RS (2010) Comparing low cost speed control for single phase induction motors concerning line reaction and electromagnetic compatibility , IEEE Speedam 2010 International Symposium On Power Electronics Electrical Drives Automation and Motion, ; pp.1794-1799
    5. Law Josep D , Lipo Thomas A (1986) A single phase induction motor voltage controller with improved performance , IEEE Transactions on power electronics, Vol.PE-1 ; pp.240-247
    6. Lee SY , Yoon DY (2012) Speed control characteristics of capacitor-run single phase induction motor using TRIAC , KIEE, Vol.61 (9) ; pp.1283-1288
    7. Rural Development AdministrationNational Livestock Research Institute (2004) Pig facilities and ventilation ,
    8. Song JI , Yoo YH , Lee DS , Choi HC , Kang HS , Kim TI , Jeon BS , Park CH , Kim HH (2002) Analysis of ventilation efficiency by duct system in pig house , Vol.8 ; pp.73-78
    9. Yoo YH , Song JI , Kang HS , Jeon BS , Kim TI , Kim HH (2002) Effects of ventilation types on interior environment of the enclosed farrowingnursery pig house , J. lives. Hous. & Env, Vol.8 ; pp.79-86
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