A Study on the Design of Smart Farm Heating Performance using a Film Heater

필름 히터를 이용한 스마트 팜 난방 성능 설계에 관한 연구

Abstract

This paper presents the optimal design of a heating system using radiant heating elements for application in smart farms. Smart farming, an advanced agricultural technology, is based on artificial intelligence and the internet of things and promotes crop production. Temperature and humidity regulation is critical in smart farms, and thus, a heating system is essential. Radiant heating elements are devices that generate heat using electrical energy. Among other applications, radiant heating elements are used for environmental control and heating in smart farm greenhouses. The performance of these elements is directly related to their electrical energy consumption. Therefore, achieving a balance between efficient electrical energy consumption and maximum heating performance in smart farms is crucial for the optimal design of radiant heating elements. In this study, the size, electrical energy supply, heat generation efficiency, and heating performance of radiant heating elements used in these heating systems were investigated. The effects of the size and electrical energy supply of radiant heating elements on the heating performance were experimentally analyzed. As the radiant heating element size increased, the heat generation efficiency improved, but the electrical energy consumption also increased. In addition, increasing the electrical energy supply improved both the heat generation efficiency and heating performance of the radiant heating elements. Based on these results, a method for determining the optimal size and electrical energy supply of radiant heating elements was proposed, and it reduced the electrical energy consumption while maintaining an appropriate heating performance in smart farms. These research findings are expected to contribute to energy conservation and performance improvement in smart farming.

1. 서론

필름 히터(film heater, 면상 발열체)[1]는 전도성 물질로 코팅된 얇고 유연한 필름으로 구성된 발열 제품이다. 전기 전류가 전도성 물질을 통과하면 열이 발생하여 주변 영역에 열을 전달하게 되는 원리이다. 필름 히터는 공간이 제한된 경우나 전력비가 중요한 장치(배관 히팅) 및 설비(동파 방지) 등에 주로 사용된다. 또한 자동차 배터리 히팅 시스템과 같은 정밀한 온도 제어[2]가 필요한 응용 분야에도 적극적으로 사용되고 있다. 필름 히터는 특정 응용 분야에 따라 다양한 모양과 크기로 설계 가능하다는 것 또한 장점이다. 일반적으로 폴리이미드[3]나 폴리에스터는 절연체 필름막(상하 접합 목적)으로 사용되며, SUS, CNT, Cu 등의 저항체는 발열체[4]로 사용된다. 그림 1은 발열체 역할을 하는 CNT(carbon nano tube), 합지(접합)을 위한 고내열성 PI(polyimide)필름, 전류를 흐르게 하기 위한 적극(electrode)를 나타낸다.

Fig. 1 Product of CNT film heater

필름 히터의 장점은 기존의 전통적인 제작 방법인 구리 열선과 같은 발열체와 비교해서 사용 전력 대비 열효율이 높다는 것이다. 그림 2와 같이, CNT 필름 히터는 47V의 전압으로 230도의 고온 발열이 가능하고 균일한 열분포를 나타낸다.

Fig. 2 Temperature of film heater

그리고 필름 히터는 얇고 유연하기 때문에 가열 대상물에 가까이 배치하여 열손실을 줄이고 발열체의 발열 효율성을 향상시킬 수 있다. 또한 빠르게 가열되고 빠르게 켜고 끌 수 있기 때문에 급격한 온도 변화가 필요한 응용 분야에 적합하다. 이러한 장점이 필요한 산업분야 중 하나가 스마트 팜이다.

본 연구의 목적은 스마트 팜의 필름 히터 적용에 있어, 적절한 온도를 유지하기 위하여 필름 히터의 장점인 저전력, 고온 발열 효율, 발열 안정성 등을 스마트 팜 난방 시스템의 발열체로 활용하기 위해 연구를 수행하였다.

필름 히터는 전기 에너지를 이용하여 발열하는 디바이스로, 스마트 팜의 온실 난방에 사용된다. 이러한 필름 히터의 성능은 전기 에너지 소비와 직접적으로 연관되어 있다. 따라서 필름 히터의 최적 설계는 전기 에너지를 효율적으로 사용함과 동시에 스마트 팜의 난방 성능을 극대화하는 것 사이에서 균형을 잡는 것이 중요하다.

본 연구에서는 필름 히터를 스마트 팜의 난방을 위한 발열체로 적용하기 위해서, 필름 히터 단품에 대한 발열해석을 수행하여 열적 성능을 사전에 검증하였으며, 필름 히터의 패턴 설계를 위한 근거로 활용하였다. 또한 난방 시스템을 위한 비닐 하우스에 설치하여 그 효과를 검증하였다.

스마트 팜의 적용은, 먼저 바나나 나무(파초과 식물)의 성장과 보존을 위한 발열체로 시험 중에 있다. 비닐 하우스속 바나나 나무의 간격에 맞는, 발열체의 발열 성능을 고려한 최적 설치 위치가 중요하다. 즉, 바나나 나무로부터 일정한 거리에서 발열을 하여 바나나 및 주위의 온도가 일정하게 유지 되는지가 바나나의 발육과 수확에 큰 영향을 주기 때문이다. 발육 가능한 열원으로의 성능을 발휘함과 동시에 전력 효율성도 스마트 팜의 중요한 이점이기도 하다.

마지막으로, 스마트 팜용 필름 히터는 약 200도까지 도달하는 고온의 제품으로 사용자의 접촉에 의한 화상을 방지하기 위하여 내열성이 있는 플라스틱을 사용하여 보호 케이스를 제작하고, 보호 케이스에 의한 열적(복사열) 손실을 검증하였다.

2. 본론

2.1 필름 히터의 활용

연중 따뜻한 환경으로 재배해야 하는 바나나의 경우 온도의 변화에 민감한 식물이기 때문에 환경에 따른 신속한 온도 제어와 함께 에너지 효율성이 중요한 사항이다. 특히 바나나 재배용 스마트 팜의 경우, 바나나의 발육 온도를 정확하게 제어해야 하기 때문에, 필름 히터를 사용하여 비닐 하우스 내부 난방 온도를 효율적으로 빠르게 상승시키고, 주위 온도 변화에 따른 실시간 온도 제어가 가능해야 한다.

필름 히터는 다른 발열체와 달리 얇고 유연하여 재배 밀도가 상대적으로 높은, 공간이 제한된 스마트 팜 환경에 적합하다. 기존의 열선히터(Cu, PVC, 실리콘 소재)의 경우 화재 가능성이 있으며, 전력량 또한 상대적으로 높다. 설치비용 및 유지보수 비용도 높은 편에 속한다. 이러한 단점에 비하여 필름(CNT필름) 히터는 화재 위험이 없으며, 전력량과 시공 및 유지보수 비용이 열선 히터 대비 경제적이다. 근거로 해남군 농업기술센터에서 실시한 한 농가의 비닐하우스(바나나 나무 120그루 기준)의 경우, 석유계 난방 대비 약 30%, 기존 전기 난방 대비 10% 정도 에너지 절감 효과를 확인하였다.

그림 3은 스마트 팜에 사용된 필름 히터(CNT필름)가 일반 알루미늄 박판의 필름 히터 대비 빠른 승온 시간, 고온 열 안정성 및 저전력에 대한 설명을 나타낸다. 그림 3과 같이, 25도에서 60도(온도 차 35도)로 승온 시키는데 걸리는 시간은 약 6분 정도의 승온 시간을 확인하였다. 최대 온도 도달 후 열 안정성은, 목표 온도 60도 대비 평균 온도 편차 약5%(57도~60도)로 높은 열적 안정성을 유지하였다.

Fig. 3 Temperature conditions of film heater

2.2 필름 히터의 검증 및 성능

스마트 팜용 필름 히터를 개발 하기전에, 넓은 면적의 비닐 하우스에 일정한 온도와 발열을 위하여 비교적 큰 필름 히터와 다양한 종류의 설계가 필요하다. 최적 설계(패턴 설계)[5]을 위하여 발열해석을 선행하였다. 발열해석 및 시험을 통하여 해석의 신뢰성을 확보하고, 신뢰성 있는 해석을 근거로 제품 최적 설계를 진행하였다. 그림 4는 발열온도 120도, 25W기준 제품의 발열 온도를 나타낸다. 그림 5는 발열 해석을 통한 필름 히터의 발열 온도를 나타낸다. 발열 시험에서 발열 중심부의 온도는 약 128도 이며, 발열 해석에서는 약 123.8도를 나타낸다. 시험과 해석의 온도 차이는 약 3%정도로, 발열 해석의 결과를 신뢰할 수 있다고 판단된다.

Fig. 4 Heating temperature of Test

Fig. 5 Heating temperature of heating analysis

발열 해석은 ANSYS 프로그램을 사용하였으며, 해석 경계 조건으로, 전압 15V, 필름 히터 표면의 대류 조건인 막계수(film coefficient) 5E-06 W/mm²℃으로 정상상태 열-전기 전도성 해석(thermal-electric conduction analysis)을 수행하였으며, 표 1은 그림 4에서 나타낸 제품의 열전도율과 비저항 물성을 나타낸다.

Table 1 Thermal properties of materials

전류가 저항체를 통하여 발열하는 물질에서는 비저항의 값에 의하여 발열량이 결정된다. 또한 저항은 온도의 변화에 따라 변한다. 즉, 필름 히터를 설계 시 중요한 물질 고유의 저항뿐만 아니라 저항체의 길이, 폭, 두께에 의한 비저항을 계산함으로써 정확한 온도 제어가 가능하다. 일정 온도 하에서 사용되는 저항체는 온도 변화에 따른 저항도 함께 고려되어야 한다. 식 (1)은 본 연구에서 사용 한 제품의 저항 패턴 설계 저항체의 비저항을 구하는 식이며, 식 (2)는 온도변화에 따른 저항을 구하는 식이다. 이러한 저항체 패턴 설계시, 제작 전 설계 검증을 위하여 열-전기 발열 해석을 활용할 수 있다.

\(\begin{aligned}\rho=R \times \frac{W \times t}{L}\end{aligned}\)       (1)

R: Electric Resistance, W: Electric Width, t: Electric Thickness, L: Electric Length

R = R_25.6ºC (1 + αΔt)       (2)

R: Resistance, R_25.6: Resistance at 25.6℃

Alpha: Temperature Coefficient, Delta t: Time Difference

2.3 스마트 팜용 필름 히터

2.2의 발열 검증 해석을 통하여 신뢰성이 확보된 데이터(물성, 조건 등)를 이용하여 스마트 팜 용 필름 히터를 개발하였다.

그림 6은 실제 설치된 스마트 팜용 필름 히터[6]를 나타낸다. 그림 6과 같이, 바나나 나무마다 일정한 간격을 두고 필름 히터 하단에 설치되고, 바나나 나무에 접촉하는 열은 윗부분이 아닌, 아래 부분으로 열전달(복사)이 일어나야 발육에 효율적이다.

Fig. 6 Film heater for smart farm (banana tree)

발열 해석은 열-유동 해석 프로그램인 Fluent를 사용하였으며, 발열 해석 결과를 활용하여 실제 바나나 비닐 하우스 설비에 적용하였다.

그림 7은 필름 히터의 용량 및 설치 위치를 결정하기 위한 발열해석의 메커니즘을 나타낸다.

Fig. 7 Thermal analysis of banana tree

발열 해석 조건은 다음과 같다. 초기 분위기 온도: 20도, 초기 필름 히터 온도 20도, 중력(-9.81m//s²)효과, 자연 대류 효과, 바나나 나무 방사율(0.9), 케이스 방사율(0.97), 필름 히터 온도 150도, 바나나 나무와 필름 히터 간의 거리 1m로 설정하여 열전달을 확인하였다.

그림 8과 9에서, 케이스가 없는 그림 8의 A와 같이, 바나나의 최고 온도는 24.04도이며, 케이스가 있는 그림 9의 B와 같이, 바나나의 최고 온도는 22.73도로, 케이스에 의한 온도 저하는 약 1.3도의 차이를 나타낸다.

Fig. 8 Temperature of banana tree using file heater without case

Fig. 9 Temperature of banana tree using film heater with case

그림 10과 11은 케이스 유무에 따른 복사의 영향을 확인할 수 있었다. 케이스가 없는 경우가 케이스가 있는 경우 대비 높은 복사의 영향을 나타내었다. 케이스에 의한 온도 저하 영향은, 그림 12와 같이 케이스의 최고 온도 114.8도(전면), 112.3도(후면)이다. 이와 같이 케이스에서 발생하는 복사열로 인하여, 케이스로 발생하는 열 손실을 일정 수준 보상하였다고 판단할 수 있다.

Fig. 10 Temperature of banana tree at side view without case

Fig. 11 Temperature of banana tree at side view with case

Fig. 12 Temperature of case

그림 13은 케이스 사출품을 만들기 위한 사출 금형(2단)을 나타낸다. 사출기 톤수는 케이스의 크기를 고려하여 350톤 사출기를 사용하였으며, 사출 시간은 냉각 시간 포함 45초, 수지는 PP(Polypropylene) + 그라파이트(Graphite)30%, 용융 수지 온도는 235도(노즐 온도 기준)이다. 특히 높은 그라파이트 함유량에 의하여 수지의 용융흐름 지수(Melting index)는 4.0~5.0으로, 사출시 수지 흐름성이 좋지 않기 때문에 그림 14와 같이 사출 금형의 6점 게이트로 설계하였다.

Fig. 13 Injection mold

Fig. 14 Gate location of mold

케이스 금형 제작 이전에 사출성형 프로그램인 MoldFlow를 이용하여 사출성을 사전 검증하였다.

사출해석의 결과, 그림 15의 A부분에서 사출 불량 중 하나인 Weld Line[7]에 의한 강성 저하가 예상되었고, 그림 16의 A&B 부분에서 최대 7.5mm의 휨(warpage) 발생이 예상되었다. 실제 초기 시사출에서 해석 결과와 동일하게, 그림 15의 A부분에서 사출후 크랙이 발생하였고, 그림 16의 A&B의 제품 선단부분에 최대 5.5mm의 두께 방향 휨이 발생하였다.

Fig. 15 Weld line of case by injection molding analysis

Fig. 16 Warpage of case by injection molding analysis

이에, 설계 개선 및 사출 성형 공정 조건 개선으로, 그림 17의 B부분의 제품 두께를 3mm에서 5mm로 설계 변경하여 충진시 흐름성을 개선하는 금형 설계를 하였으며, 금형 온도(52도에서 95도) 및 사출 압력 변경(95kgf/cm2에서 85kgf/cm2)으로 weld line에 의한 파손 확률을 최소화하였다. 또한 사출 후 휨 불량을 최소화하기 위하여, 부분 냉각 채널을 설계하여 사출 후 선단 부분의 최대 3.8mm의 두께 방향 휨을 개선할 수 있었다.

Fig. 17 Weld line of case by injection mold​​​​​​​

3. 결론

열적 안정성, 낮은 전력량, 설치 용이성의 필름 히터를 이용하여, 스마트 팜 난방 설비에 적용하였다.

(1) 기존의 열선 히터와 대비하여, 5%(57도~60도 사이의 온도변화)정도의 열변화율로 높은 열적 안정성을 나타낸다: 전력이 일정하게 유지되는 조건하에서 우수한 열적 안정성을 확인 가능하였다.

(2) 바나나 농장의 발육 필요 온도면에서, 1m 거리 기준으로 200도의 발열 온도를 가정하면, 바나나 초기 온도 20도에서 22.7도(케이스가 있는 경우)로 상승하여 2.7도(정상상태 기준) 온도 상승 효과가 있다: 1m 기준, 2.7도 상승의 열전달 효과를 근거로 스마트 팜 전체 공간의 설계가 가능하다고 판단된다.

(3) 필름 히터 접촉 시, 화상 방지를 위한 케이스에 의한 열 손실을 고려해도 난방 성능(석유계 난방 대비 30%, 기존 전기 난방 대비 10% 에너지 절감)면에서 활용 가치가 높다고 판단된다: 케이스의 복사열에 의한 효과를 포함하여 전체 필요한 발열량을 충족한다고 판단된다.

(4) 필름 히터 설계 시, 비저항, 발열량을 고려한 설계를 전기-열 해석, 케이스 제작 시 사출성형 해석, 성능을 고려한 설계는 열-유동 해석을 통하여 제품의 성능 및 개발을 사전 검증하였다: 필름 제작부터 제품 설치 및 설계까지 다양한 해석을 통한 사전 검증으로 신뢰성 높은 제품 개발이 가능하다고 판단된다.

감사의 글

스마트 팜의 난방 성능 설계 프로젝트를 수행함에 있어서 설계, 제작, 성능 평가 등 모든 사항에 대하여 아낌없는 조언과 협력을 해 주신 ㈜교린께 깊은 감사의 뜻을 전하고자 합니다.