Journal of Bio-Environment Control (생물환경조절학회지)

The Korean Society for Bio-Environment Control (한국생물환경조절학회)
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Annual Energy Demand Analysis of a Lettuce Growing Plant Factory according to the Environmental Changes

상추 재배 식물공장의 환경변화에 따른 연중 에너지 요구량 분석

  • Eun Jung Choi (Department of Zero-carbon Fuel & Power Generation, Korea Institute of Machinery & Materials) ;
  • Jaehyun Kim (Department of Zero-carbon Fuel & Power Generation, Korea Institute of Machinery & Materials) ;
  • Sang Min Lee (Department of Zero-carbon Fuel & Power Generation, Korea Institute of Machinery & Materials)
  • 최은정 (한국기계연구원 무탄소연료발전연구실) ;
  • 김재현 (한국기계연구원 무탄소연료발전연구실) ;
  • 이상민 (한국기계연구원 무탄소연료발전연구실)
  • Received : 2023.07.07
  • Accepted : 2023.08.31
  • Published : 2023.10.31
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Abstract

Recently, a closed-type plant factory has been receiving attention as a advanced agricultural method. It has diverse advantages such as climate-independence, high productivity and stable year-round production. However, high energy cost caused by environmental control system is considered as a challenges of a closed-type plant factory. In order to reduce the energy cost, investigation about energy load which is directly connected to energy consumption needs to be conducted. In this study, energy load changes of a plant factory have been analytically analyzed according to the environmental changes. The target plant factory was a lettuce growing container farm. Firstly, the impact of photoperiod, set temperature and relative humidity change were examined. Under the climate condition of Daejeon in South Korea, increase of photoperiod and set temperature rose a yearly energy demand of a container farm. However, increase of set relative humidity decreased a yearly energy demand. Secondly, the climate environment effect was compared by investigating the energy demand under 9 different climate conditions. As a result, the difference between maximum and minimum value of the yearly energy demand showed 21.7%. Lastly, sensitivity analysis of each parameter (photoperiod, set temperature and relative humidity) has been suggested under 3 different climate conditions. The ratio of heating and cooling demand was varied depending on the climate, so the effect of each parameter became different.

본 연구에서는 식물공장 내·외부 환경 변화에 따라 연간 총 에너지 요구량의 변화를 분석하기기 위해, 컨테이너형 식물공장을 대상으로 해석적 연구를 진행하였다. 내부 환경 변수로는 일장, 설정 온도 및 습도를 선정하였으며, 외부 환경은 ASHRAE에서 제시한 세계 기후 ZONE에 따라 9가지 기후조건에서 연간 총 에너지 요구량의 변화를 살펴보았다. 내부환경 조건 변화에 있어서는 대전지역에서의 일장의 증가는 연간 총에너지 요구량을 증가시키고, 설정 습도의 증가는 연간 총 에너지 요구량을 감소시켰다. 설정 온도의 증가는 냉·난방 및 제습 부하의 증감량에 따라 에너지 요구량 최적점이 있었다. 외부 기후 환경의 변화에 따른 차이를 살펴보면, 식물공장의 연간 총 에너지 요구량이 최대 713.0kWh·m-2·yr-1(타이페이, 타이완, 고온·건조)이고 최저585.7kWh·m-2·yr-1(모스크바, 러시아, 저온·다습)로, 동일한 작물 재배에 최대 21.7%의 에너지 요구량 차이가 났다. 또한 각 내부 환경 변수가 기후에 따라 미치는 영향의 정도를 분석하기 위해 민감도 분석을 진행하였다. 그 결과 연간 총 에너지 요구량 중 냉방부하의 비율이 높은 더운 지역의 경우 일장 변화에 의한 에너지 요구량 변화가 컸고, 반면에 난방 부하가 큰 추운 지역의 경우 설정 습도 변화에 따른 에너지 요구량 변화가 상대적으로 더컸다. 설정온도의 변화는 난방 부하 및 냉방 부하의 상충된 영향을 미치기 때문에, 기후에 따른 냉·난방 부하 비율에 따라 최적점이 나타났다. 본 연구의 개발 모델 및 결과는 작물에 따른 최적 지역 선정 또는 지역에 따른 적정 생육환경 작물을 선정하는 데 활용될 수 있으며, 또한 작물의 생육뿐만 아니라 에너지 사용량 절감을 고려한 식물공장 재배 환경 조건 도출에 활용될 수 있다.

Keywords

Acknowledgement

본 결과물은 농림축산식품부 및 과학기술정보통신부, 농촌진흥청의 재원으로 농림식품기술기획평가원과 재단법인 스마트팜연구개발사업단의 스마트팜다부처패키지혁신기술개발사업의 지원을 받아 연구되었음(421008-04).

References

  1. ASHRAE 2017, Energy standard for buildings except low-rise residential buildings. American Society of Heating Refrigerating and Air-conditioning Engineers, Atlanta, GA, USA.
  2. Baille M., A. Baille, and J.C. Laury 1994, A simplified model for predicting evapotranspiration rate of nine ornamental species vs. climate factors and leaf area. Sci Hortic 59:217-232. doi:10.1016/0304-4238(94)90015-9
  3. Choi E.J., J. Kim, and S.M. Lee 2023, Energy demand analysis of a lettuce growing plant factory: A case for Indonesian and Korean regions. Hortic Environ Biotechnol (Published online). doi:10.1007/s13580-023-00529-8
  4. Graamans L., A. Dobbelsteen, E. Meinen, and C. Stanghellini 2017, Plant factories: Crop transpiration and energy balance. Agric Syst 153:138-147. doi:10.1016/j.agsy.2017.01.003
  5. Graamans L., E. Baeza, A. Dobbelsteen, I. Tsafaras, and C. Stanghellini 2018, Plant factories versus greenhouses: Comparison of resource use efficiency. Agric Syst 160:31-43. doi:10.1016/j.agsy.2017.11.003
  6. Gu S., H. Ji, Y. Yang, Q. Chu, Y. Yang, H. Liu, and X. Jiang 2021, Analysis on transporting methods of cultivation unit for vertical cultivation in plant factory. Agriculture 11:989. doi:10.3390/agriculture11100989
  7. Harbick K., and L.D. Albright 2016, Comparison of energy consumption: Greenhouses and plant factories. Acta Hortic 1134:285-292. doi:10.17660/ActaHortic.2016.1134.38
  8. Kozai T., G. Niu, and M. Takagaki 2016, Plant Factory: An Indoor Vertical Farming System for Efficient Quality Food Production, Elsevier, London, UK.
  9. Lee J.W., J.N. Eom, W.H. Kang, J.H. Shin, and J.E. Son 2013, Prediction of transpiration rate of lettuces (Lactuca sativa L.) in plant factory by Penman-Monteith model. Protected Hort Plant Fac 22:182-187. (in Korean)
  10. Liebman-Pelaez M., J. Kongoletos, L.K. Norford, and C. Reinhart 2021, Validation of a building energy model of a hydroponic container farm and its application in urban design. Energy Build 250:111192. doi:10.1016/j.enbuild.2021.111192
  11. Searchinger T., R. Waite, C. Hanson, and J. Ranganathan 2018, Creating a sustainable food future - A menu of solutions to feed nearly 10 billion people by 2050. World Resources Institute, Washington DC, USA.
  12. Santin M., D. Chinese, O. Saro, A.D. Angelis, and A. Zugliano 2019, Carbon and water footprint of energy saving options for the air conditioning of electric cabins at industrial sites. Energies 12:3627.