KR101923803B1 - 태양열을 이용한 에너지절감 바이오플락 양식장 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외부와 내부의 열전달을 저감시킬 수 있는 단열벽, 상기 단열벽의 상부를 이어 양식장의 공간을 구획하고, 태양열을 받아 가온되는 공기층을 갖는 스페이스가 적어도 1층이 형성된 지붕 및 상기 지붕에서 태양열에 의해 가온된 공기를 양식장 내부로 이동시키는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 에너지절감 바이오플락 양식장을 제공함으로써 특히 동절기 바이오플락 양식장의 에너지 사용을 절감하여 수산 양식을 수행할 수 있어 생산단가를 낮추어 양식어가의 소득증대에 기여하고, 우수한 수산물을 저렴한 가격에 소비자에게 공급할 수 있다.

Description

태양열을 이용한 에너지절감 바이오플락 양식장{ENERGY-SAVING BIOFLOC CULTURE SYSTEM USING SOLAR ENERGY}
본 발명은 태양 복사열을 이용하여 양식장 지붕의 공기를 낮 동안 데우고 승온된 공기를 바이오플락 사육수에 에어레이션시킴으로써 동절기 양식장 에너지를 절감할 수 있도록 한 태양열을 이용한 에너지절감 바이오플락 양식장에 관한 것이다.
최근 오염물 분해 능력이 뛰어나고 어류에 유익한 미생물을 양식 수조에서 어류와 함께 기르는 바이오플락기술이 호평을 얻고 있다. 바이오플락 기술(BioFloc Technology; BFT)은 종속영양세균(heterotrophic bacteria, 타가영양균) 및 독립영양세균(autotrophic bacteria, 자가영양균)의 유용미생물과 양식어종을 함께 양식하면서 세균이 사육수 내의 암모니아 등의 양식어류에 유해한 유기부산물을 분해하여 양식어류가 섭취 가능한 먹이로 전환시키고 아울러 사육수를 정화시킬 수 있다. 미생물은 영양분을 만들어낼 뿐 아니라, 암모니아성 질소를 제거해 수질정화 기능도 하므로 양식과정에서 환수나 여과과정이 필요없는 양식방법이다.
이러한 바이오플락 양식방법을 이용하면 태풍, 고수온 또는 저수온 등의 자연환경에 영향을 많이 받는 등, 통제하지 못하는 요소가 많아 대량 폐사의 위험이 컸던 해상가두리양식법의 문제를 해결하면서도, 육상수조에서 해수어 양식 시, 사육수의 계속적인 환수 시, 멸균이나 여과에 비용이 많이 소모되는 문제들을 해결할 수 있다.
또한 바이오플락 기술을 이용하면 조류(algea)에 의한 분해보다 약 10~100배 더 빠른 속도로 유기물질을 분해시킬 수 있어 양식에 적합한 수질의 사육수로 유지할 수 있다. 또한, 이 기술은 양식과정 중 환수 등에 의하여 바이러스, 병원균 및 기생충 등이 유입되는 것을 원천적으로 차단할 수 있는 폐쇄 사육시스템을 만들 수 있어, 바이러스 감염 등을 통제할 수 있으며, 이로 인한 항생제 등의 사용을 획기적으로 저감시킬 수 있다. 또한 육상의 사육시설에서 환경조건을 컨트롤하며 양식어류를 사육할 수 있으므로 계절에 상관없이 양식어류를 생산할 수 있다.
친환경적이면서도 깨끗한 먹거리를 지속적으로 생산할 수 있는 바이오플락 기술은 최근 흰다리새우, 뱀장어, 황복에 이어 미꾸라지, 비단잉어 등으로 그 대상어종을 확대해 가고 있으며, 사시사철 친환경적인 양식어류를 공급할 수 있어 양식농가의 소득증대에도 기여하고 있다.
그러나 사계절이 뚜렷하고 겨울에는 기온이 영하로 떨어지는 온대지방에 위치한 우리나라에서는 동절기 양식은 많은 에너지를 필요로 하게 된다. 일반적으로 동절기 바이오플락 양식에 이용되는 에너지는 사육수 등의 가온에 약 60~70%, 펌프 등의 모터 사용에 약 20%, 사육수 에어레이션 등에 약 10%, 조명등의 사용 등, 기타 1~2%를 사용하고 있는 것으로 나타났다. 즉 우리나라에서 바이오플락 방법으로 양식하는 경우, 사계절을 통해 양식을 수행할 수 있으나, 동절기에는 생산단가가 증가하고 특히, 양식장의 가온 또는 보온을 위한 에너지의 사용이 가장 큰 비중을 차지하고 있는 것을 알 수 있다.
따라서 양식장의 에너지효율을 극대화시켜 운용비를 저감시키기 위한 연구가 지속되고 있으며, 단열재의 사용, 재생에너지의 사용 등, 다각도의 노력이 이루어지고 있다.
한편, 육상에 기반을 둔 양식장을 포함하는 그린하우스는 일반적으로 비닐하우스 형태로 제작되고 있다. 통상의 비닐하우스는 밭작물이나 화훼식물 기타 과실수 등의 농작물을 계절이 관계없이 재배하여 생산하기 위한 시설로, 주간의 햇빛의 복사열을 이용하면서, 하우스 내부의 수분이 증발되어 버리는 것을 방지하기 위하여 지붕을 비닐로 구성하게 된다.
그러나 동절기에는 태양 복사에너지를 받아 하우스 내 가온에 도움이 되더라도 외부의 낮은 온도 때문에 열손실을 피할 수 없으며, 따로 난방을 가동하여 온도를 유지해야 한다. 따라서 동절기 태양 복사에너지를 효율적으로 양식장 가동에 이용하여 에너지 절감효과를 낼 수 있는 양식시스템의 개발이 시급한 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-1363041호에서는 내부에 공간이 형성된 비닐하우스에 있어서, 천장에 형성되며, 하부가 개구된 덮개부와; 상기 덮개부의 상부에 형성되는 승강장치와 상기 승강장치에 의해 상기 덮개부와 결합되도록 상승되거나 상기 덮개부와 분리되도록 하강되는 재배포트를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 비닐하우스를 개시하고 있다. 대한민국 등록특허 10-0325129호에서는 비닐지지대위에 하부비닐을 설치하고, 그 하부비닐위에 보온용 공기매트를 설치한 후, 그 보온용 공기매트위에 상부비닐을 설치하여 상기 상·하부비닐 사이에 단열층을 형성하는 것을 특징으로 하며, 상기 보온용 공기매트는 2장의 비닐이 접착된 다수개의 접착부와, 그 접착부에 의해서 다수개로 형성된 비닐칸과, 그 비닐칸 사이의 공기통로인 통기구와, 다수개의 비닐칸을 공기로 채울 수 있도록 형성된 공기주입구와, 상기 보온용 공기매트를 상기 비닐지지대 또는 다른 보온용 공기매트와 고정시키는 고정홀로 구성되는 것을 특징으로 하는 비닐하우스 보온방법 및 그 장치를 개시하고 있다. 대한민국 등록실용신안 제20-0465694호에서는 2겹의 원통형 이중비닐을 겹쳐서 벽체가 구성되는 외부 비닐하우스(1)를 설치하고, 상기 외부 비닐하우스 내부에 이중비닐로 구성된 또 하나의 내부 비닐하우스(4)를 안팎 복합으로 설치하고, 비닐하우스 내부온도가 일정 이상일 때는, 안팎 비닐하우스의 이중비닐에 구성된 지하수 통로와 비닐하우스 땅속에 설치된 지중배관(8)에 섭씨 15도 이상 유지되는 지하수를 순환시켜 냉난방을 하고, 비닐하우스 내부온도가 일정 이하일 때는, 내부 비닐하우스(4)에 공급되는 지하수를 차단하고, 내부 비닐하우스에 내장된 지하수를 보일러(14)로 가열해 순환펌프(15)로 내부 비닐하우스에 순환시켜 내부 비닐하우스에만 보일러 난방을 함으로써 비닐하우스 난방에 소요되는 에너지비용을 절감할 수 있는 지하수와 2중 비닐을 이용한 비닐하우스 난방시스템을 개시하고 있다. 대한민국 등록특허 제10-1209092호에서는 비닐하우스 내부 양측의 고랑에는 비닐튜브 축열탱크와, 그 지하에는 지열축열탱크와, 천정에는 태양열 반사판과 일체로 형성되는 태양열 진공 집열관이 각각으로 형성되어 낮 동안에 태양열의 복사열과 지열을 축열하여 온도가 내려가는 밤 동안에 축열 된 열에너지를 비닐하우스의 내부로 공급할 수 있도록 구성함을 특징으로 하는 태양열과 지열을 이용한 무동력 비닐하우스의 난방장치을 개시하고 있다. 그러나 상기 발명들은 대부분 초기 시설비용이 많이 들고, 시설이 복잡하여 관리가 어렵거나 상당한 유지비용이 소요되는 문제가 있었으며, 양식장의 지붕을 7겹 비닐로 형성하고 주간에 태양열에 의하여 가온된 각 층의 공기를 회수하여 바이오플락 양식의 사육수 에어레이션 등에 이용하여 바이오플락 양식장의 에너지를 절감할 수 있는 본 발명의 태양열을 이용한 에너지절감 바이오플락 양식장과는 그 구성 및 효과에서 차이를 보인다.
본 발명은 최근 사계절 친환경 양식을 수행할 수 있어 각광받고 있는 바이오플락 양식에서, 동절기 기온저하로 인해 양식장 가온을 위한 에너지 소비가 증가하여 생산단가가 증가하던 문제를 해결하고, 태양 에너지를 효율적으로 이용하여 동절기 에너지를 절감할 수 있는 양식장의 시스템을 제공하는 데에 목적이 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 에너지절감을 위한 양식장에 있어서, 외부와 내부의 열전달을 저감시킬 수 있는 단열벽, 상기 단열벽의 상부를 이어 양식장의 공간을 구획하고, 태양열을 받아 가온되는 공기층을 갖는 스페이스가 적어도 1층이 형성된 지붕 및 상기 지붕에서 태양열에 의해 가온된 공기를 양식장 내부로 이동시키는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 에너지절감 바이오플락 양식장을 제공한다.
본 발명에 따른 태양열을 이용한 에너지절감 바이오플락 양식장을 이용하여 동절기 바이오플락 양식에 이용함으로써, 사계절 친환경적이고 저에너지를 이용하여 수산 양식을 수행할 수 있어 생산단가를 낮추어 양식어가의 소득증대에 기여하고, 우수한 수산물을 저렴한 가격에 소비자에게 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양열을 이용한 에너지절감 바이오플락 양식장의 일실시예의 개략적인 구조를 나타낸 정면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 태양열을 이용한 에너지절감 바이오플락 양식장의 일실시예의 개략적인 구조를 나타낸 사시도이다.
도 3은 중층 스페이스가 형성된 본 발명의 태양열을 이용한 에너지절감 바이오플락 양식장의 일실시예의 지붕의 개략적인 구조를 나타낸 정면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 태양열을 이용한 에너지절감 바이오플락 양식장의 일실시예의 중층 스페이스를 확대한 것이다.
본 발명에 따른 태양열을 이용한 에너지절감 바이오플락 양식장은 동절기 주간에 양식장 지붕을 데우는 태양열을 양식장의 가온 및 보온에 이용하기 위하여 안출된 것이다. 이하 본 발명을 구체적인 실시예를 들어 자세히 설명한다.
우리나라의 양식장은 일반적으로 하절기 주간에는 강한 태양열을 차단하고 환기를 적절하게 실행하여 양식장의 온도가 급격히 상승하는 것을 방지하여야 한다. 그러나 동절기의 경우, 양식장 가온과 보온에 많은 에너지가 소모되므로 에너지효율을 극대화하여 에너지 비용을 절감할 수 있는 양식 시스템이 필요하다.
보통의 바이오플락 양식장은 넓은 면적으로 구성되며, 보온 및 조명 기능을 위하여 지붕을 비닐로 덮고 그 위에 가리개 등을 씌워 조도를 조절하게 된다. 따라서 동절기의 경우에도 비닐로 형성된 양식장 지붕의 외부로부터 주간에 태양 복사열을 상당히 받을 수 있고 내부에서 일정온도로 덮혀진 양식장의 환경온도를 복사열로 받게 된다.
그러나 이렇게 데워진 공기는 팽창하여 가벼워지고 계속해서 양식장의 상부 천장에 머무르다가 야간에 양식장 외부의 공기가 식으면서 열을 잃게 된다. 따라서 본 발명은 동절기 주간에 양식장 지붕에서 얻을 수 있는 태양 복사열을 최대한 이용하여 양식장의 가온 및 보온에 이용함으로써 에너지를 절감할 수 있는 양식 시스템을 개발하기 위하여 안출된 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 태양열을 이용한 에너지절감 바이오플락 양식장의 일실시예의 개략적인 구조를 나타낸 정면도이다. 본 발명은 에너지절감을 위한 양식장에 있어서, 외부와 내부의 열전달을 저감시킬 수 있는 단열벽(200), 상기 단열벽의 상부를 이어 양식장의 공간을 구획하고, 태양열을 받아 가온되는 공기층을 갖는 스페이스(110)가 적어도 1층이 형성된 지붕(100) 및 상기 지붕(100)에서 태양열에 의해 가온된 공기를 양식장 내부로 이동시키는 펌프(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 에너지절감 바이오플락 양식장을 제공한다.
동절기 양식장의 에너지 효율을 위하여 양식장의 벽은 단열재를 이용하여 단열벽(200)으로 형성한다. 단열벽(200)은 양식장의 내부 공간을 구성하는 기둥 프레임(미도시)을 중심으로 형성되며, 기둥프레임의 상부는 지붕프레임(120)에 연결되어 양식장의 골격을 구성한다.
지붕프레임(120)은 복수의 층으로 형성되어 양식장의 지붕(100)에 복수층의 공간이 형성될 수 있도록 한다. 이때 지붕프레임을 투명 또는 반투명 재질의 비닐을 이용하여 지붕프레임(120)을 둘러싸 지붕(100)을 형성하며, 2층 이상으로 비닐층이 형성되도록 하여 지붕프레임 사이에 공기층을 갖는 스페이스(100)가 형성될 수 있도록 한다. 즉, 2층의 지붕프레임을 형성하고, 이를 각각 비닐로 둘러싸는 경우 1층의 스페이스(110)가 형성된다.
스페이스(110) 내의 공기는 주간에 태양 복사열을 받아 데워지며 스페이스(110) 내부에서 대류를 일으키는데, 이를 펌프(300)를 이용하여 양식장의 내부로 이동시켜 양식장의 가온 및 보온에 이용한다. 펌프(300)는 스페이스(110) 일단에 형성된 공기파이프(210)를 통하여 지붕(100)에서 데워진 공기를 양식장 내부로 이동시킨다.
펌프(300)에 의해 이동된 데워진 공기는 양식수조(400)의 사육수 내에 위치한 벤추리에 연결되어 사육수를 데우는 데에 이용될 수 있다. 일반적인 비닐하우스, 또는 온실의 경우, 하우스 내부의 공기의 가온 또는 보온 시에 에너지 소모가 주로 일어나나, 바이오플락을 포함하는 수산양식장의 경우, 공기보다 밀도가 높은 사육수의 가온 및 보온이 필요하므로 대량의 에너지를 필요로 하게 된다. 따라서 사육수 가온을 위한 히터 등의 설비를 필요로 하게 되는데, 본 발명의 사육수 가온을 위하여 태양열을 이용한 에너지절감 바이오플락 양식장의 경우 태양 복사열을 더 사용함으로써 에너지 효율을 극대화시킬 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 태양열을 이용한 에너지절감 바이오플락 양식장의 일실시예의 개략적인 구조를 나타낸 사시도이다. 지붕에서 태양 복사열에 의하여 데워진 공기는 사육수 가온 뿐 아니라 환기장치(320)에 연결하여 양식장 내부의 공기 온도를 높이는 데에 사용할 수 있다.
더운 공기는 양식장 내의 사육수 또는 공기를 데운 후, 양식장의 상부로 올라가게 되는데, 양식장 상부 가까이에 공기유입구(230)가 형성되도록 하여 공기가 지붕(100)에 형성된 스페이스(110)로 다시 유입되도록 하여 더운 공기의 순환고리가 형성되도록 한다. 이때 공기유입구(230)에 환풍장치(240)를 별도로 연결하여 양식장 내부의 공기를 스페이스(110)를 향하여 불어 넣어 줌으로써 공기유입을 더욱 용이하게 할 수 있다.
도 3은 중층 스페이스가 형성된 본 발명의 태양열을 이용한 에너지절감 바이오플락 양식장의 일실시예의 지붕의 개략적인 구조를 나타낸 정면도이다. 상기 스페이스(110)는 2층 내지 7층의 중층으로 형성될 수 있다. 도 3은 7층의 스페이스를 갖는 본 발명의 일실시예를 나타낸 것이다. 이때 외부와 가까운 층일수록 스페이스 내의 공기는 태양복사열을 많이 받을 수 있으며, 아울러 외부의 차가운 기온에 의하여 열에너지를 잃을 확률 또한 높다. 따라서 최외곽층의 스페이스 내부 공기는 공기의 온도를 확인하고 공기 순환에 사용하거나 사용하지 않을 수 있다.
본 발명의 실험에 의하면 2층 내지 7층까지는 복사열에 의해 스페이스에서 덥혀지는 공기의 온도가 양식장에서 사용할 수 있는 온도로 가열되었으나, 7층 이상이 되면 그이상의 층에 형성되는 온도는 양식장의 환경온도보다 낮아 복사열로서의 활용이 어려운 점이 있었다.
도 4는 본 발명에 따른 태양열을 이용한 에너지절감 바이오플락 양식장의 일실시예의 중층 스페이스를 확대한 것이다. 각 층의 스페이스에서 태양 복사열에 의하여 데워진 공기는 공기파이프(210)를 통해 회수된다. 이때 주간 및 야간의 온도변화에 의하여 스페이스(110) 내부에 결로현상이 발생하게 되므로, 스페이스(110) 양단에 복수개의 이슬배출공(140)을 형성하여 이슬이 배출될 수 있도록 한다.
이슬이 고이게 되면 곰팡이, 세균 또는 이끼 등이 자랄 수 있으며, 이는 스페이스 내부의 공기를 이용하여 가온 또는 보온을 하는 과정에서 양식장으로 병원체가 유입될 가능성을 저감시키기 위한 것이다. 또한 비열이 높은 물을 제거함으로써 스페이스(110) 내의 공기가 태양복사열로 가열이 더욱 용이할 수 있도록 하기 위함이다. 또한 공기파이프(210) 일단에 필터(130)를 형성하도록 하여 이물질 등이 양식장 내부로 쉽게 유입되지 않도록 한다.
상기의 시스템은 동절기 야간에는 멈추어 외부로 열이 유출되지 않도록 하며, 하절기에는 스페이스 내의 가열된 공기를 양식장 외부로 배출시킴으로써 양식장 온도 조절에 기여할 수 있다.
종래에는 동절기 주간에 양식장 지붕을 덥힌 열은 양식장의 상부 공기만 가열하다가 야간에 빠져나가 버리고 이를 충분히 사용하지 못하였다. 일부에서는 이러한 태양열을 이용하여 발전하고 이를 양식장의 가온에 사용하기도 하였으나, 태양광 판넬 설치를 위한 추가 비용이 많이 드는 문제가 있었다.
또한 비열이 높은 물을 데워서 사용하는 열교환기를 이용하는 방법이 있었으나, 양식장 내부에 배관기를 깔아야 하는 문제가 있고, 유지보수비도 많이 들었다. 특히 이러한 복잡한 장치는 고장, 부식되는 경우 교체, 수리하는 과정에서 비닐 지붕이 자주 찢어지면서 전체를 교체해야 하며 따라서 많은 비용이 소모되었다.
그러나 본 발명의 태양열을 이용한 에너지절감 바이오플락 양식장을 이용하면 일반적인 바이오플락 양식장의 지붕 시스템을 그대로 이용하여 지붕에 스페이스를 형성토록 하고 공기 유입구 및 공기파이프 등을 연결하며 펌프 또는 환풍기 정도의 시설로 공기만 불어넣는 것으로 태양 복사열을 쉽게 이용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 바이오플락 양식장에 있어서 동절기 주간의 태양복사열을 이용하여 사육수를 데우거나 양식장 내부 공기를 가열시킴으로써 동절기 수산양식장의 에너지 절감에 기여할 수 있으므로 수산양식업, 바이오플락 양식업에 이용될 수 있어 산업상 이용가능성이 있다.
100 : 지붕 110 : 스페이스
120 : 지붕프레임 130 : 필터
140 : 이슬배출공 200 : 단열벽
210 : 공기파이프 220 : 팬
230 : 공기유입구 240 : 환풍장치
300 : 펌프 310 : 기체공급기
320 : 환기장치 330 : 벤추리
400 : 양식수조

Claims (5)

  1. 외부와 내부의 열전달을 저감시킬 수 있는 단열벽이 이격 형성되어 양식장 공간을 형성하고, 단열벽에는 양식장 내부의 공기를 이동시키는 공기파이프(210)가 내설되며,
    상기 공기파이프는 양식장의 공간을 구획하고, 태양열을 받아 가온되는 공기층을 갖는 스페이스(110)가 2층 이상 7층 이하의 복수층으로 이루어진 지붕(100) 양단의 스페이스와 각각 연결되며,
    복수층으로 이루어진 지붕 일단의 단열벽 상부에는 양식장 내부의 공기를 유입하는 공기유입구(230)가 형성되어 양식장 내부의 공기를 유입하여 복수층으로 이루어진 지붕 각각의 스페이스로 공급하며, 각각의 스페이스에서 태양 복사열에 의하여 가온된 공기는 지붕 타단의 단열벽에 내설된 공기파이프와 연결되어 양식장 내부로 회수되며,
    상기 가온되어 양식장 내부로 회수된 공기는 펌프(300)와 연결되어 양식수조의 사육수를 에어레이션시켜 사육수 가온에 이용한 후, 양식장 내부로 방출되어 공기유입구를 통해 각 층의 스페이스로 순환시키도록 한 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 에너지절감 바이오플락 양식장.
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