KR101597988B1 - 자연 대류식 지중발열유닛 및 농업용 대류식 난방장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 농업용 대류식 난방장치는 지표면으로부터 일정 깊이의 요홈 내에 일정 높이로 형성된 공극층과, 공극층 내에 매설되고, 내벽에 직접 접촉되지 않게 설치된 발열시트를 내장하고 상판에 공기 유출구가 형성되고 측판에 공기 유입구가 형성된 발열터널과, 공극층을 덮는 흙성토층과, 지상으로부터 공극층의 발열터널 설치 깊이까지 설치된 적어도 하나 이상의 공기 파이프를 포함한다. 따라서 발열터널 내에서 발열시트에 의해 가열된 더운 공기가 상판의 공기 유출구를 통해 공극층으로 상승하고, 상승된 더운 공기는 흙성토층의 공극을 통해 지상으로 상승하고 지상의 찬 공기는 공기 파이프를 통해 공극층으로 유입되고 공극층에 유입된 찬 공기는 발열터널의 측판 공기 유입구를 통해 발열터널 내부로 유입되는 대류 순환 구조를 형성한다.

Description

자연 대류식 지중발열유닛 및 농업용 대류식 난방장치{Natural Convection type Underground Heating Unit and Agricultural Heating Apparatus}

본 발명은 자연 대류식 지중발열유닛 및 농업용 대류식 난방장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 식물 뿌리 하방의 지중에 매설된 발열터널 내의 탄소섬유사 발열시트로 발열터널 내의 공기를 가열하고 가열된 더운 공기의 상승작용에 의해 식물 성장에 적합한 온도 유지와 원적외선 방사가 가능한 자연 대류식 지중발열유닛 및 농업용 대류식 난방장치에 관한 것이다.

열에너지의 공급이 요구되는 시설로 겨울철 농작물을 재배하기 위한 비닐 하우스와 각종 가축을 키우기 위한 축사 및 각종 효소 등을 발효시키도록 하는 발효소 등(시설 하우스)을 예시할 수 있다. 비닐하우스에 실시되는 열에너지의 공급은 농작물의 생장을 촉진시킬 수 있도록 하며, 소 돼지 닭 등의 가축이 항상 일정한 온도조건에서 우수한 품종으로 성장할 수 있도록 하기 위한 것임은 주지된 것과 같다.

등록특허 10-1515291에서는 식물의 근권 난방 시스템에 관한 기술을 공개한다. 상기 특허기술은 보호커버 내에 단열재 및 발열시트를 삽입하여 지중에 매설하여 식물의 발근 또는 생육에 필요한 조건을 조성한다.

상기 특허 기술의 보호커버는 내부에 삽입되는 발열수단을 보호하고 열을 용이하게 발산시키는 재질로 구성되어 있다. 즉 특허기술은 보호커버 내부의 발열수단에서 발생된 열이 발열수단에 접촉된 보호커버에 열전도되고 전도된 열은 보호커버에 접촉된 토양이나 화분 등에 직접 전도에 의한 열전달체계로 이루어진다.

그러나 종래의 기술은 발열수단으로부터 열이 열전도에 의해 전달되는 메카니즘으로 구성되어 있기 때문에 발열수단에서 발생된 열이 즉각적으로 외부로 전달된다. 이와 같은 구조는 발열수단이 일정 온도 이상으로 상승하지 못하게 한다. 따라서 발열수단의 자체의 온도와 지중 토양의 온도 차가 크지 않다. 그러므로 지중 토양을 일정 온도까지 상승시키기 위해서는 많은 전류를 소모하게 된다.

발열시트를 이용한 농업용 지중 난방시설은 기존의 화석연료 보일러 방식, 온수 순환방식, 지중 열선 방식 등에 비해 고에너지 효율과 저렴한 난방비의 장점을 가지나 겨울철에는 24시간 가동을 하기 때문에 식물재배시에는 전기료 부담이 적지 않다.

또한 발열시트 방식의 지중 발열장치는 토양에 매설된 구조이므로 고장 수리에는 땅을 파지 않고서는 수리가 불가능하다. 그러므로 보수기간동안은 농작물 재배를 할 수 없는 단점이 있다.

또한 기존의 전도식 지중 발열장치는 단전시 발열시트가 전도에 의해 빠르게 식기 때문에 열보존율이 떨어지는 단점이 있다.

공개특허 1993-0003805, 1999-018498, 2009-0043654, 2012-0025136, 2013-0061882, 등록실용신안 20-0174579, 20-0283269

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 지중에 대류식으로 열을 전달함으로써 열원을 보다 고온으로 유지할 수 있으므로 에너지 소모를 줄일 수 있는 자연 대류식 지중발열유닛 및 농업용 대류식 난방장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 비전문가도 용이하게 발열터널의 설치가 가능한 자연 대류식 지중발열유닛 및 농업용 대류식 난방장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 수시 점검이 가능하고, 유지 보수가 용이한 자연 대류식 지중발열유닛 및 농업용 대류식 난방장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 발열시트에서 방출되는 원적외선과 음이온에 의해 식물과 동물의 성장에 유익한 자연 대류식 지중발열유닛 및 농업용 대류식 난방장치를 제공하는 데 있다.

상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 자연 대류식 지중발열 유닛은 관체, 단열시트 및 발열시트를 포함한다. 관체는 상판, 하판 및 좌우측판으로 둘러싸인 공동부를 포함하고, 상판에 복수의 공기 유출공이 형성되고, 좌우 측판 또는 하판에 공기 유입공이 형성되고 길이방향으로 연장된 중공판체를 형성한다. 단열시트는 관체 내부에 수납되어 관체의 하판 상에 재치되고 길이 방향으로 연장된다. 발열시트는 관체 내부에 수납되어 관체의 내벽과는 이격되게 단열시트 상에 재치되고 길이 방향으로 연장된다. 따라서 관체와 발열시트 사이의 공기가 발열시트의 열에 의해 데워져 공기 팽창에 의해 관체의 상판의 공기 유출구를 통해 상방향으로 유출되고 관체의 좌우 측판의 공기 유입구를 통해 관체 외부의 차가운 공기가 내부로 유입되는 자연 대류 순환 구조가 형성된다.

또한 지중발열 유닛은 관체의 전단이 삽입되고 다른 관체의 후단이 관체의 전단을 마주보고 삽입되는 연결부재 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 관체의 외측면에는 연결부재의 삽입 깊이를 정지하기 위한 스톱퍼가 형성된 것이 바람직하다. 본 발명의 공기 유출구는 레이저 타공에 의해 형성될 수 있다.

본 발명의 농업용 대류식 난방장치는 지표면으로부터 일정 깊이의 요홈 내에 일정 높이로 형성된 공극층과, 공극층 내에 매설되고, 내벽에 직접 접촉되지 않게 설치된 발열시트를 내장하고 상판에 공기 유출구가 형성되고 측판에 공기 유입구가 형성된 발열터널과, 공극층을 덮는 흙성토층과, 지상으로부터 공극층의 발열터널 설치 깊이까지 설치된 적어도 하나 이상의 공기 파이프를 포함한다. 따라서 발열터널 내에서 발열시트에 의해 가열된 더운 공기가 상판의 공기 유출구를 통해 공극층으로 상승하고, 상승된 더운 공기는 흙성토층의 공극을 통해 지상으로 상승하고 지상의 찬 공기는 공기 파이프를 통해 공극층으로 유입되고 공극층에 유입된 찬 공기는 발열터널의 측판 공기 유입구를 통해 발열터널 내부로 유입되는 대류 순환 구조를 형성한다.

본 발명에서 발열터널은 복수의 자연 대류식 지중발열 유닛들을 길이방향으로 조립하여 구성한다. 복수의 자연 대류식 지중발열 유닛들 각각은 상판, 하판 및 좌우측판으로 둘러싸인 공동부를 포함하고, 상판에 복수의 공기 유출공이 형성되고, 좌우 측판 또는 하판에 공기 유입공이 형성되고 길이방향으로 연장된 관체와, 관체 내부에 수납되어 관체의 하판 상에 재치되고 길이 방향으로 연장된 단열시트와, 관체 내부에 수납되어 관체의 내벽과는 이격되게 단열시트 상에 재치되고 길이 방향으로 연장된 발열시트와, 관체의 전단이 삽입되고 다른 관체의 후단이 관체의 전단을 마주보고 삽입되는 연결부재를 포함한다.

상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 농업용 대류식 난방장치는 더운 공기의 상승작용에 의해 식물의 생육 환경에 필요한 난방환경을 제공함으로써 에너지 소모를 대폭적으로 절감시킬 수 있다. 또한 비전문가도 용이하게 발열터널의 설치가 가능하다. 발열터널에 의해 열원이 보호되므로 단전 등의 비상시에도 발열터널 내부의 공간열로 장시간 난방 상태를 유지할 수 있다. 또한 땅을 파헤치지 않고 발열터널을 통하여 내부의 발열시트의 수시 점검이 가능하고, 유지 보수가 용이하다. 또한 발열시트에서 방출되는 원적외선과 음이온에 의해 식물과 동물의 성장에 친환경적이다.

다만, 본 발명의 효과는 상기에서 언급된 효과로 제한되는 것은 아니며, 상기에서 언급되지 않은 다른 효과들은 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 자연 대류식 지중 발열 유닛의 바람직한 일실시예의 사시도.
도 2는 도 1의 정면도.
도 3은 도 1의 평면도 및 우측면도를 나타낸 도면.
도 4는 도 1의 분해 사시도.
도 5는 도 1의 A-A선 단면도.
도 6은 본 발명의 자연 대류식 지중 발열 유닛을 적용한 농업용 대류식 발열장치의 일예를 설명하기 위한 개략도.
도 7은 본 발명에 의한 발열터널(240)의 조립을 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 농업용 대류식 난방장치(200)과 비교 테스트하기 위한 농업용 전도식 난방장치(300)의 개략도.
도 9는 본 발명에 의한 농업용 대류식 발열장치의 온도특성 그래프.
도 10은 본 발명에 의한 농업용 대류식 발열장치과 비교 테스트를 하기 위한 농업용 전도식 발열장치의 온도특성 그래프.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시(說示)된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 의한 자연 대류식 지중 발열 유닛의 바람직한 일실시예의 사시도를 나타내고, 도 2는 도 1의 정면도이고, 도 3은 도 1의 평면도 및 우측면도이고, 도 4는 도 1의 분해 사시도이고 도 5는 도 1의 A-A선 단면도이다.

도면을 참조하면 본 발명의 자연 대류식 지중 발열 유닛(100)은 관체(110), 단열시트(120), 발열시트(130) 및 연결부재(140)를 포함한다.

관체(110)는 길이방향으로 연장되고, 중앙이 빈 사각 파이프 형상으로 상판(110a), 하판(110b) 우측판(110c) 및 좌측판(110d)을 포함한다. 상판(110a), 하판(110b) 우측판(110c) 및 좌측판(110d)에 의해 둘러싸인 내부에 공동부(110e)가 형성된다. 상판(110a) 및 하판(110b)의 폭이 측판(110c, 110d)의 높이 보다 상대적으로 매우 커서 전체적으로 납작한 중공 판체의 형상을 가진다. 상판(110a)에는 복수의 공기 유출구(112)가 형성되고, 측판(110c, 110d)에는 복수의 공기 유입구(114)가 형성되고, 하판(110b)에는 복수의 배수구 또는 공기 유입구(116)가 형성된다. 상판 및 측판의 공기 유출구(112)는 레이저 가공으로 물은 통과되지 않고 공기는 통과될 정도의 마이크로 직경으로 형성된 것이 바람직하다. 하판의 배수구(116)는 관체 내에 유입된 물이 하방으로 잘 배수될 정도의 직경으로 형성된 것이 바람직하다. 하판(110b)의 좌우측 에지 부위는 측판(110c, 110d)보다 좌우 방향으로 각각 돌출된 측면 돌출부(118)가 형성된다. 돌출부(118)의 길이(l)는 관체(110)의 전장(L) 보다 짧은 길이로 형성된다. 돌출부(118)의 전단 및 후단(118a)은 연결부재(140)에 관체(110)의 선단 또는 종단을 삽입할 때 삽입 깊이의 스톱퍼 역할을 한다. 여기서 돌출부(118)의 전단 및 후단의 커팅 길이는 연결부재(140)의 전후 길이의 1/2이하인 것이 바람직하다.

전체적으로 본 발명에 의한 관체(110)는 PVC, PP, PE 등의 합성 수지 재 압출공정에 의해 성형되고 일정 길이로 절단 제작 가능하므로 제조가 용이하고 제조원가를 대폭 절감할 수 있다. 일정 길이로 절단된 관체(110)는 돌출부 커팅공정과 레이저 타공 공정을 거쳐서 완성된다.

단열시트(120)는 스펀지 재, 섬유재, 발포 고무, 우레탄 등의 단열재로 형성된다. 단열시트(120) 상면에는 열반사층 예컨대 알루미늄 박막필름 등이 적층될 수 있다. 단열시트(120)는 발열시트(130)에서 발생된 열이 하방으로 손실되는 것을 방지하고 상방으로 열을 반사시켜 주는 역할을 한다.

발열시트(130)는 탄소섬유사로 직조된 면상 발열체를 사용한다. 본 발명의 발열시트(130)에서는 본 출원인이 선출원한 출원번호 제2015-0000183호 "탄소코팅사 제조장치 및 제조방법"에 의해 제조된 탄소 섬유사를 사용하는 것이 바람직하다. 발열시트(130)는 외부가 실리콘 절연재로 코팅되고 전단에 돌출된 전단 리드선(130a)과 후단에 돌출된 후단 리드선(130b)을 포함한다.

연결부재(140)는 두 개의 관체(110)들을 길이 방향으로 연결하기 위한 것으로 PVC, PP, PE 등의 합성 수지 재 압출공정에 의해 성형되고 일정 길이로 절단 제작 가능하므로 제조가 용이하고 제조원가를 대폭 절감할 수 있다.

자연 대류식 지중 발열 유닛(100)은 관체(110)내의 공동부(110e)에 단열시트(120)와 발열시트(130)의 적층체를 삽입하여 조립된다. 도 2 및 도 5에 도시한 바와 같이 관체(110) 내에 삽입된 발열시트(130)는 하판(110b)으로부터 단열시트(120)를 개재하여 이격되고, 상판(110a) 및 측판(110c, 110d)으로부터 공동부(110e)의 공기층을 개재하여 이격되게 설치된다.

그러므로 발열시트(130)는 관체(110)와는 직접 접촉되지 않은 상태로 관체(110) 내에 설치되므로 발열시트(130)에서 생성된 열은 관체(110)에 전도되지 않는다. 공동부(110e) 내부의 공기는 발열시트(130)에 의해 히팅되고 히팅된 공기는 팽창되어 대류현상에 의해 상판(110a)에 형성된 공기 유출구(112)를 통해 관체(110) 외부로 유출된다. 관체(110) 내부의 더운 공기가 외부로 빠져나가면 측판(110c, 110d)의 공기 유입구(114)를 통해 관체(110) 외부의 찬 공기가 유입된다. 이와 같이 발열시트(130)를 관체(110)와 직접 접촉되지 않게 설치하여 열전도가 발생되지 않도록 하고 자연 대류에 의해 더운 공기가 상판을 통해 상방향으로 배출되게 된다.

따라서 발열시트(130)는 단열시트(120) 및 공동부(110e) 내의 공기층에 의해 외부와 단열된 상태로 유지되므로 가열 초기에 발열시트(130)는 작은 전류에 의해 설정 온도까지 상승할 수 있다.

도 6은 본 발명의 자연 대류식 지중 발열 유닛을 적용한 농업용 대류식 난방장치의 일예를 설명하기 위한 개략도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 농업용 대류식 발열장치(200)는 도 1을 참조하면 대상 식물을 재배하기 위하여 특정된 영역 상에 시설물들(210)이 설치된다. 시설물들(210)은 온실을 이루기 위한 상부 구조물을 의미하며, 상부 구조물은 비닐하우스의 경우 하우스의 형태를 이루는 프레임들과 프레임을 덮어서 보온 효과를 얻기 위한 비닐 등을 포함할 수 있다. 유리로 벽체나 지붕을 이루는 하우스 구조의 경우 덮게는 창을 이루는 요소들을 포함할 수 있다. 시설물들(210)에는 재배하는 작물에 수분을 공급하기 위한 샤워기나 스프링쿨러 등이 포함될 수 있다. 시설물들(210)의 내부 또는 외부에는 자연 대류식 지중 발열 유닛(100)내의 발열시트(130)에 전원을 공급하기 위한 전원 장치(220)가 설치될 수 있으며, 전원 장치(220)는 외부로부터 인입된 전원의 출력을 변환하여 발열시트(130)로 공급하는 기능을 갖는다. 또한 전원 장치(220)는 발열시트(130)의 온도를 측정하기 위한 발열시트 온도센서(222), 지중 온도센서(224), 지표 온도센서(226) 및 지상 온도센서(228)를 포함하고 각 측정영역의 온도를 실시간으로 측정한다. 또한 전원 장치(220)는 발열시트(130)의 온도제어를 위한 제어회로를 포함한다. 제어회로는 발열시트 온도센서(222)에서 감지된 온도신호에 응답하여 발열시트(130)에 공급되는 전류를 제어한다. 온실은 대상 식물을 재배하기 위하여 특정된 영역의 토양을 터파기 한 후 먼저 공극층을 형성하고, 그 상부에 히터층, 퇴비층 및 흙성토층을 순차적으로 형성한다. 여기에서, 공극층(230)은 톱밥, 볏짚 또는 왕겨 등으로 공기통로를 충분히 확보할 수 있는 공극이 큰 재료들이면서 토양과 섞이더라도 식물재배에 악영향을 주지 않은 퇴비 재료들로 형성할 수 있으며, 공극층(230)인 공극물질은 10 ㎝ 이상의 두께를 갖도록 형성할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 10 ㎝ 내지 15 ㎝의 두께로 형성될 수 있다. 여기서 공극층의 입자 크기는 직경 5mm 이상의 대공극으로 비모세관 공극 크기로 주로 공기 통로로 제공되는 것이 바람직하다. 공극층(230)을 이루는 톱밥, 왕겨 또는 볏짚과 같은 공극물질은 단열과 보온 및 배수가 뛰어난 기능을 갖는다. 그리고, 볏짚은 습기를 머금은 상태에서 습도와 온도를 오래 유지하므로 식물의 성장에 도움을 준다.

그리고, 공극층(230)의 중간에 자연 대류식 지중 발열 유닛(100)을 길이방향으로 조립하여 구성한 발열터널(240)을 배치하고, 발열터널(240) 내에 상술한 바와 같이 발열시트가 터널 내벽에 직접 접촉되지 않게 설치한다. 발열터널(240) 내의 공기층은 발열시트(130)를 외부와 열적으로 차단시켜 발열시트(130)가 충분한 설정 온도까지 상승할 수 있도록 한다. 발열시트(130)가 설정온도까지 가열된 상태에서 공기층은 열을 전달받아 발열터널(240)의 공기 유출구를 통해 공극층(230)의 공극을 통해 상방향으로 자연 대류하게 된다. 발열터널(240)을 이와 같이 구성함에 의해 전 영역을 걸쳐 균일한 열 공급이 가능하여 온실 전체에 균일한 난방 환경을 제공할 수 있으며, 온실의 유지 관리가 용이하며, 난방비를 크게 절감할 수 있다. 또한 공기층은 축열 시간이 길기 때문에 히팅된 발열시트(130)의 열을 장시간 보유할 수 있기 때문에 적은 전력으로 고효율의 보온 효과를 제공할 수 있다. 또한 발열시트(130)는 카본 섬유사로 직조된 면상 발열체로 절연 코팅물질에는 원적외선 발생을 위한 광물질 등이 첨가되고 광물질으로는 포르말, 맥반석, 게르마늄 등이 사용될 수 있다. 원적외선은 파장이 25㎛ 이상인 적외선으로 열작용이 크고 침투력이 강하며, 유기화합물 분자에 대한 공진 및 공명 작용이 강하다. 그러므로 위 물질들이 발열시트(130)에 첨가함으로써 난방효과를 더욱 향상시키고 원적외선이 세균을 제거하므로 식물 생장에 적합한 환경을 제공할 수 있다.

본 발명의 발열터널(240)은 자연 대류식 지중 발열 유닛(100)을 길이방향으로 조립하여 배치될 수 있으므로 전문 시공자가 아닌 농민 또는 일반인들도 용이하게 온실 내에 난방장치를 설치할 수 있다. 발열터널(240) 사이의 간격은 특별히 제한되지 않으나 대략 30~40cm 간격으로 배치시키는 것이 바람직하다.

도 7은 본 발명의 발열터널(240)의 조립을 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면 발열터널(240)은 자연 대류식 지중 발열 유닛(100a)의 연결부재(140a)에 자연 대류식 지중 발열 유닛(100b)의 후단을 삽입하는 방식으로 조립하면 된다. 삽입하기 전에 자연 대류식 지중 발열 유닛(100b)의 후단 리드선과 자연 대류식 지중 발열 유닛(100a)의 선단 리드선을 전기적으로 연결하고 연결부위에는 열수축성 튜브를 덮고 튜브를 열 수축시켜서 전기적으로 절연시키고 물이 스며들지 않게 완전하게 밀봉 처리한다. 또한 발열터널(240)의 일단을 통해 발열터널(240) 내의 발열시트의 수시 점검이 가능하다. 즉 매몰된 발열터널을 파내지 않고 발열시트만을 꺼내어 유지보수를 할 수 있으므로 유지 관리가 용이하다.

공극층(230) 상부에는 재배할 식물에 따라서 다양한 두께로 흙성토층(250)이 형성됨이 바람직하다. 흙성토층(250)은 재배할 대상 식물이 채소류를 포함하는 원예류인 경우 25 ㎝ 내지 40 ㎝의 두께로 형성될 수 있으며 30 ㎝ 정도의 두께로 형성됨이 바람직하다. 그리고, 흙성토층(250)은 재배할 대상 식물이 꽃 종류를 포함하는 화훼류인 경우 50 ㎝ 내지 80 ㎝의 두께로 형성될 수 있으며 50 ㎝ 정도의 두께로 형성됨이 바람직하다.

흙성토층(250)을 형성한 다음에 두둑과 두둑 사이의 고랑에는 적당한 간격으로 공기 파이프(260)를 공극층(230)의 발열터널(240)의 측방 깊이까지 박아서 자연 대류를 위한 공기 통로를 형성한다.

따라서 도 6에 도시한 바와 같이 발열터널(240) 내부의 더운 공기는 관체(110)의 상판에 형성된 공기 유출구(112)를 통해 공극층(230)으로 유출되고 공극층의 더운공기는 공극층(230)의 공극을 통해 상방의 흙성토층(250)으로 상승하고 흙성토층(250)의 공극을 통해 상승하고 상승된 더운공기는 상승과정에서 흙성토층(250)에 열을 전달하고 온실 내부로 상승하게 된다. 온실 내부의 공기는 외부의 찬 공기와 섞이면서 차가워져 공기 파이프(260)를 통해 다시 공극층(230)으로 유입된다. 공극층(230)에 유입된 찬 공기는 관체(110)의 측판에 형성된 공기 유입구(114)를 통해 발열터널(240) 내부로 유입된다. 이와 같이 자연대류식 공기 순환 구조가 형성된다.

본 발명에서는 자연 대류식 공기 순환 구조에 의해 발열터널(240)을 통해 유출된 더운 공기가 상승하면서 상방에 위치한 식물의 뿌리 및 식물에 직접적으로 열을 빠르게 전달할 수 있다. 열전도방식과 비교하면 측방으로의 열전도에 의한 열 손실이 상대적으로 적어서 난방효과가 매우 고효율적이다.

도 8은 본 발명의 농업용 대류식 난방장치(200)과 비교 테스트하기 위한 농업용 전도식 난방장치(300)의 개략도를 나타낸다. 도 8에서 도 6과 동일한 부분은 동일 부호로 처리하고 구체적 설명은 생략한다.

농업용 전도식 난방장치(300)는 비교 실험을 위하여 관체(110)을 제거하여 발열시트(130)가 직접 흙성토층(250)의 토양 입자와 접촉에 의해 열전도가 이루어지도록 구성하였다. 발열시트(130)의 하방에는 본 발명과 동일한 단열시트(120)를 설치하여 하방 열손실을 방지하여 본 발명과 동일한 조건으로 구성하였다.

농업용 대류식 난방장치(200)와 농업용 전도식 난방장치(300)는 모두 설정 온도 50℃로 온도 제어를 세팅하고 발열시트 온도센서(222), 지중 온도센서(224), 지표 온도센서(226), 지상 온도센서(228)로 5일 동안 온도를 체크하였다.

도 9는 본 발명에 의한 농업용 대류식 발열장치의 온도특성 그래프이고, 도 10은 본 발명에 의한 농업용 대류식 발열장치과 비교 테스트를 하기 위한 농업용 전도식 발열장치의 온도특성 그래프이다.

도 9를 참조하면, 농업용 대류식 발열장치(200)의 발열시트 온도는 공기층으로 단열되어 있으므로 초기에 지중온도 보다 높은 30도 이상으로 급상승하고, 공기순환에 의한 대류 현상이 나타나면서 주변으로의 열손실이 일어나면서 상승정도가 둔화되면서 설정온도 50℃ 보다 대략 10℃ 낮은 40℃까지는 온도 상승을 보이고 있다. 발열터널의 온도가 40℃로 유지되면서 지중온도도 35℃~36℃를 유지하고 지표온도도 약 23℃ 정도로 유지됨을 알 수 있다.

지상온도가 약 10도에서 30도까지 온도차가 심하게 변하더라도 지중온도와 지표온도가 일정한 온도 상태를 유지함을 알 수 있다.

도 10을 참조하면, 비교대상 농업용 전도식 발열장치(300)의 발열시트 온도는 공기층으로 단열되어 있지 않고 전도에 의해 주변으로 열이 즉각적으로 손실되므로 30℃ 까지는 상승하나 지속적인 주변으로의 열손실에 의해 그 이상으로 상승하지 못함을 알 수 있다. 설정온도 50℃에 보다 대략 20℃ 낮은 30℃까지는 온도 상승을 보이고 있다. 그러므로 발열시트의 온도가 30℃로 낮게 유지되면서 지중온도도 25℃~26℃를 유지하고 지표온도도 약 23℃ 정도로 유지됨을 알 수 있다.

지상온도가 약 10도에서 30도까지 온도차가 심하게 변하더라도 지중온도는 어느 정도 일정한 온도 상태를 유지하지만 지표온도는 지상 온도의 영향으로 2 내지 3℃ 정도의 온도변화가 있음을 알 수 있다.

비교 테스트 결과 전도식에 비해 대류식이 동일 설정온도에서 지표 온도 차이는 거의 없으나 지중온도 차가 대략 10도 정도 나타남을 알 수 있다. 그 이유는 전도식은 열원으로부터 발생된 열이 토양을 통해 열전도에 의해 사방으로 지속적으로 손실(도 10의 화살표 참조)되므로 열원 자체가 고온으로 유지될 수 업기 때문이다. 그러나 대류식은 열원이 공기층에 의해 주변과 열차단이 되므로 고온으로 유지될 수 있으며 더운 공기는 측방향 보다는 상방향으로 상승하려고 하기 때문에 측방향 보다는 상방향의 지중에 보다 많은 열을 전달할 수 있기 때문이다.

따라서 대류식은 전도식과 동일한 지중온도를 유지하기 위해서는 설정온도를 50℃ 가 아니라 40℃ 정도로 낮출 수 있으므로 설정온도의 차이 만큼 전력소비를 줄일 수 있음을 알 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 지표면으로부터 일정 깊이의 요홈 내에 일정 높이로 형성된 공극층;
   상기 공극층 내에 매설되고, 내벽에 직접 접촉되지 않게 설치된 발열시트를 내장하고 상판에 공기 유출구가 형성되고 측판에 공기 유입구가 형성된 발열터널;
   상기 공극층을 덮는 흙성토층; 및
   지상으로부터 상기 공극층의 발열터널 설치 깊이까지 설치된 적어도 하나 이상의 공기 파이프를 구비하고,
   상기 발열터널 내에서 발열시트에 의해 가열된 더운 공기가 상기 상판의 공기 유출구를 통해 공극층으로 상승하고, 상승된 더운 공기는 흙성토층의 공극을 통해 지상으로 상승하고 지상의 찬 공기는 상기 공기 파이프를 통해 공극층으로 유입되고 공극층에 유입된 찬 공기는 상기 발열터널의 측판 공기 유입구를 통해 발열터널 내부로 유입되는 대류 순환 구조를 형성하는 농업용 대류식 난방장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 발열터널은 복수의 자연 대류식 지중발열 유닛들을 길이방향으로 조립하여 구성하고,
   상기 복수의 자연 대류식 지중발열 유닛들 각각은
   상판, 하판 및 좌우측판으로 둘러싸인 공동부를 포함하고, 상기 상판에 복수의 공기 유출공이 형성되고, 좌우 측판 또는 하판에 공기 유입공이 형성되고 길이방향으로 연장된 관체;
   상기 관체 내부에 수납되어 관체의 하판 상에 재치되고 길이 방향으로 연장된 단열시트;
   상기 관체 내부에 수납되어 상기 관체의 내벽과는 이격되게 상기 단열시트 상에 재치되고 길이 방향으로 연장된 발열시트; 및
   상기 관체의 전단이 삽입되고 다른 관체의 후단이 상기 관체의 전단을 마주보고 삽입되는 연결부재를 구비하는 농업용 대류식 난방장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 관체의 외측면에는 상기 연결부재의 삽입 깊이를 정지하기 위한 스톱퍼가 형성된 농업용 대류식 난방장치.
8. 제5항에 있어서, 상기 공기 유출구는 레이저 타공에 의해 형성된 농업용 대류식 난방장치.
   
   
   

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