KR102280741B1 - 트라이젠 기법을 이용한 컨테이너형 식물공장의 ｃｏ2 공급장치 및 방법 - Google Patents

트라이젠 기법을 이용한 컨테이너형 식물공장의 ｃｏ2 공급장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 트라이젠 기법을 이용한 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 트라이젠 시스템을 컨테이너형 식물공장에 적용하는 경우 컨테이너와 같은 소형 공간에 고집적화된 식물에 효과적으로 CO2를 분배하여 공급할 수 있도록 해 주는, 트라이젠 기법을 이용한 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치 및 방법을 제공함에 있다.

Description

트라이젠 기법을 이용한 컨테이너형 식물공장의 ＣＯ2 공급장치 및 방법 {CO2 supplying apparatus and method for container-type plant factory using tri-generation}
본 발명은 트라이젠 기법을 이용한 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 난방, 냉방, CO2를 생산하는 트라이젠 시스템을 식물공장에 도입하되, 트라이젠 시스템에서 발생되는 CO2를 컨테이너형 식물공장의 구조에 최적화된 형태로서 보다 효과적으로 식물에 공급할 수 있도록 하는, 트라이젠 기법을 이용한 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치 및 방법에 관한 것이다.
가스엔진 히트펌프(Gas engine-driven Heat Pump, GHP)란 청정 저탄소 가스연료(NG, LPG, 합성가스)를 사용하는 내연기관의 동력으로 구동되는 압축기를 이용하여 냉방 및 난방을 생산하는 장치를 말한다. 일반적으로 내연기관에서는 매우 많은 열이 발생하며, 따라서 내연기관에는, 냉각수가 내연기관의 주변을 유통하면서 과도한 열을 흡수하여 내연기관을 냉각하도록 하는 구조가 구비되어 있다. 이 때 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수는 다시 내연기관으로 돌아가 열을 흡수할 수 있도록 외부에 열을 버리게 되는데, 이 폐열을 이용하여 난방을 수행할 수도 있고, 또한 히트펌프를 포함하는 냉방 사이클을 이용하여 냉방을 수행할 수도 있다. 또한 내연기관에서 발생되는 배기가스에는 이산화탄소(CO2)가 포함되는 바, 배기가스 내 유해물질 및 과도한 습기를 제거함으로써 CO2도 생산할 수 있다.
이처럼 GHP는 난방, 냉방, CO2 3가지를 한꺼번에 생산할 수 있으며, 이러한 시스템을 3중 발전 시스템(tri-generation system) 또는 트라이젠 시스템(trigen system)이라 한다. 이러한 트라이젠 시스템의 예시가 한국특허등록 제1569677호("고희박연소를 이용한 트라이젠 시스템 및 그 제어방법", 2015.11.11.)에 잘 개시된다. 한편 트라이젠 시스템이라고 할 때 반드시 GHP를 사용하여 난방, 냉방, CO2만을 생산하는 것만을 지칭하는 것은 아닌데, 일례로 트라이젠 시스템의 중심장치로서 가스엔진으로 작동되는 발전기가 사용되는 경우가 있다. 이러한 경우에는 발전기로부터 전기가, 가스엔진의 폐열로부터 난방이, 가스엔진의 배기가스로부터 CO2가 생산되어, 전기, 난방, CO2를 생산하는 트라이젠 시스템이 형성된다. 이 경우 발전기로부터 발생되는 전기를 이용하여 냉방을 생산할 수도 있는데, 이와 같이 할 경우 전기, 난방, 냉방, CO2를 생산하는 4중 발전 시스템으로 활용될 수도 있다.
한편 최근 북미, 유럽 등 선진국 대도시 위주로, 신선한 작물을 사람들에게 신속하고 용이하게 공급하기 위해 건물 옥상 등에 온실을 설치하여 직접 작물을 재배하는 형태의 도시형 스마트 팜(smart farm) 도입이 확산되고 있다. 이러한 도시형 스마트 팜, 시설원예 등과 같은 식물공장 설비는, 작물 재배를 위한 각종 장비에 공급하기 위한 전기가 필요하고, 작물 생육에 적합하도록 온도를 조절하기 위한 난방 및 냉방이 필요하며, 또한 작물 생육을 촉진시키기 위한 CO2 공급이 필요하다. 즉 상술한 3중 또는 4중 발전 시스템을 적용하기 적합하다. 국내의 경우 해외에 비해 전기세가 저렴한 편이기 때문에 GHP에서 전기까지 생산하지는 않아도 되는 바, 국내 식물공장의 경우에는 앞서 설명한 난방, 냉방, CO2를 생산하는 GHP 기반 트라이젠 시스템을 적용하기에 매우 적합하다.
일반적으로 식물공장은, 복수 개의 선반 상에 배치된 긴 화분에 식물들이 심어져 이루어지는 수납장이 복수 개 배열된 형태로 이루어진다. 이러한 수납장들이 배열되어 있는 공간은 외부와 격리되어, 식물이 생장하기에 최적의 광량, 온도, 습도, 공기 질 조건 등이 만족되도록 조명, 난방, 냉방, CO2 등이 공급된다. 앞서 설명한 바와 같이 식물공장에 GHP가 도입되면 난방, 냉방, CO2를 원활하게 공급할 수 있으며, 조명 등은 외부 전기를 사용할 수 있다.
그런데 상술한 바와 같이 식물공장은 식물들이 상당히 고집적화된 형태로 배열되어 있으므로, 단순히 어느 하나의 배출구에서 CO2를 공급할 경우 식물공장 공간 내 CO2 농도가 불균일해지며, 따라서 식물의 생장효율을 극대화할 수 없다. 따라서 트라이젠 시스템을 식물공장에 적용할 때, 트라이젠 시스템에서 발생되는 CO2를 식물에 효과적으로 공급할 수 있는 기술이 필요하다.
더불어 식물공장 역시 다양한 형태로 이루어지는데, 농경단지 형태나 대형 건물의 한 층으로 이루어지는 형태 등과 같이 대형으로 이루어지는 경우도 있지만, 상대적으로 적은 개수의 화분들을 수용하는 컨테이너 정도의 소형으로 이루어지는 경우도 있다. 식물공장에 CO2 공급장치를 별도로 설치한다고 할 때, 대형 식물공장과 (컨테이너형과 같은) 소형 식물공장은 설치가능 공간 자체의 크기에도 차이가 있고, 공간 크기 차이로 인하여 위치에 따라 CO2 밀도가 불균형한 정도에도 차이가 있는 등, 환경조건이 여러 가지로 상이하다.
1. 한국특허등록 제1569677호("고희박연소를 이용한 트라이젠 시스템 및 그 제어방법", 2015.11.11.)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 트라이젠 시스템을 컨테이너형 식물공장에 적용하는 경우 컨테이너와 같은 소형 공간에 고집적화된 식물에 효과적으로 CO2를 분배하여 공급할 수 있도록 해 주는, 트라이젠 기법을 이용한 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 트라이젠 기법을 이용한 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치(100)는, 일방향으로 연장되며 연장방향에 따라 복수 개의 식물이 심어진 복수 개의 화분(550)을 포함하며 외부와 격리되는 공간을 형성하는 컨테이너(1000) 내에 상기 화분들이 수용되어 이루어지는 컨테이너형 식물공장에 설치되며, CO2를 생산하여 배출구(210)로 배출하는 트라이젠 시스템(200)으로부터 상기 식물로 CO2를 분배하여 공급하는 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치(100)에 있어서, 상기 배출구(210)와 연통된 파이프 형태로 이루어져 내부로 CO2가 유통되며, 상기 화분(550)에 상응하는 복수 개의 분기부가 형성되는 메인파이프(110); 일단이 상기 분기부와 연통되며 복수 개의 공급홀(125)이 형성된 파이프 형태로 이루어져 CO2를 상기 식물 쪽으로 배출하여 공급하고, 상기 화분(550)의 연장방향으로 연장되어 상기 컨테이너(1000)의 모서리에 배치되는 공급파이프(120)를 포함하는 분배부; 를 포함할 수 있다. 이 때 상기 분배부는, 상기 분기부 측에 형성되어 CO2를 상기 식물 쪽으로 송풍하여 공급하는 공급팬(130)을 더 포함할 수 있다.
또한 상기 분배부는, 복수 개의 상기 공급홀(125)이 모두 동일한 간격으로 배치되되, 상기 메인파이프(110)의 직경을 D, 상기 공급파이프(120)의 직경을 d, 상기 공급파이프(120)의 개수를 N, 상기 공급홀(125)의 직경을 a, 상기 공급홀(125)의 개수를 n이라 할 때, 하기의 식을 만족하도록 형성될 수 있다.
Figure 112019066429450-pat00001
Figure 112019066429450-pat00002
또한 상기 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치(100)는, 각각의 상기 공급파이프(120)에 형성된 복수 개의 상기 공급홀(125)이 모두 동일한 간격으로 배치되되, 각각의 상기 공급파이프(120)에 형성된 복수 개의 상기 공급홀(125)이 형성되는 위치가 서로 어긋나게 배치될 수 있다.
또한 상기 공급홀(125)은, 하나의 공급위치(P)에서, 상기 컨테이너(1000)의 폭 또는 높이가 미리 결정된 기준 미만일 경우 하나의 상기 공급위치(P) 당 하나의 상기 공급홀(125)이 상기 공급파이프(120)의 상기 컨테이너(1000)의 대각선 방향 내측으로 배치되고, 상기 컨테이너(1000)의 폭 또는 높이가 미리 결정된 기준 이상일 경우 하나의 상기 공급위치(P) 당 한 쌍의 상기 공급홀(125)이 상기 공급파이프(120)의 상기 컨테이너(1000)의 대각선 방향 내측에서 미리 결정된 각도만큼 벌어지도록 배치될 수 있다.
또한 상기 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치(100)는, 상기 메인파이프(110) 및 상기 공급파이프(120)의 연결부에 구비되어 상기 공급파이프(120)로 유통되는 CO2의 유량을 조절하는 복수 개의 공급밸브(140); 를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치(100)는, 상기 공급파이프(120) 및 상기 식물 사이에 배치되어 CO2 농도를 측정하는 복수 개의 농도센서(150); 를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 트라이젠 기법을 이용한 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급방법은, 상술한 바와 같은 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치(100)를 사용하는 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급방법에 있어서, 상기 메인파이프(110)로 유통된 CO2가 복수 개의 상기 분배부로 분배되는 단계; 상기 분배부로 유통된 CO2가 상기 식물로 공급되는 단계; 복수 개의 상기 농도센서(150)에 의해 복수 개의 측정위치(S)에서 CO2 농도가 측정되는 단계; 측정된 CO2 농도가 미리 결정된 기준을 벗어나는 경우, 해당 측정위치(S)에 근접한 공급위치(P)로의 CO2 공급량이 증감되도록, 상기 공급밸브(140) 또는 상기 공급팬(130)이 작동되는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 트라이젠 시스템을 식물공장에 적용하는 경우 고집적화된 식물에 효과적으로 CO2를 분배하여 공급할 수 있는 효과가 있다. 보다 구체적으로는, 복수 개의 선반 상에 배치된 긴 화분에 식물들이 심어져 이루어지는 수납장이 복수 개 배열된 형태로 이루어지되, 컨테이너형으로 형성되어 소형의 공간을 가지는 식물공장에 대하여, 식물들이 나열되어 있는 화분의 연장방향으로 연장되며 컨테이너의 각 모서리부에 구비되는 파이프 또는 팬을 이용하여 식물을 향하여 CO2를 뿜어주되, GHP 배출구로부터의 거리 등을 고려하여 CO2 분사위치가 적절하게 최적화되어 형성되게 함으로써, 컨테이너형 식물공장 내 어느 위치에 있는 식물로든지 균일한 농도로 CO2를 공급할 수 있게 해 주는 효과가 있는 것이다.
물론 이와 같은 효과에 따라, 본 발명에 의하면, 식물공장 내 식물의 생장효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다. 뒤집어 보자면 이는 난방, 냉방 및 CO2를 생산하는 트라이젠 시스템에서의 CO2 사용을 최적화할 수 있다는 의미가 되므로, 결과적으로 트라이젠 시스템 자체의 효율을 극대화할 수 있는 효과도 얻게 된다.
도 1은 컨테이너형 식물공장의 개략도.
도 2는 본 발명의 CO2 공급장치의 한 실시예.
도 3은 분배부의 제1실시예.
도 4는 분배부의 제2실시예.
도 5는 컨테이너 내 화분 및 공급파이프의 배치 실시예.
도 6은 공급파이프의 하면상세도.
도 7은 공급홀의 배치 실시예.
도 8은 공급파이프의 단면상세도.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 트라이젠 기법을 이용한 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치 및 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 컨테이너형 식물공장의 형태를 개략적으로 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 식물공장에는 복수 개의 선반(510) 상에 배치된 긴 화분(550)에 식물들이 심어져 이루어지는 수납장(500)이 복수 개 배열된다. 상기 화분(550)은 도시된 바와 같이 일방향으로 연장되며 연장방향에 따라 복수 개의 식물이 심어진 형태로 이루어진다. 또한 상기 수납장(500)에는, 식물이 원활히 생장할 수 있도록 빛 공급을 위한 조명(520) 등이 설치된다. 수경재배의 경우에는 기본적으로 식물이 물에 심겨진 상태이므로 수질을 관리하기 위한 여러 장치들이 더 구비될 수 있고, 토양재배의 경우에는 식물에 물을 주기 위한 노즐 등이 더 설치될 수 있다. 일반적인 식물공장은 상술한 바와 같은 구성들을 포함하되, 특히 컨테이너형 식물공장은, 외부와 격리되는 공간을 형성하는 컨테이너(1000) 내에 상기 화분(550)들이 수용되어 이루어진다.
앞서 설명한 바와 같이, 식물공장 공간은 식물 생장에 최적화된 온도, 습도, CO2 농도 등의 환경조건을 맞추어 주어야 하며, 이를 위해서 난방, 냉방, CO2 등이 공급될 필요가 있다. 이 때 난방, 냉방, CO2를 생산하는 GHP 기반 트라이젠 시스템은 식물공장에 도입하기에 매우 적합하다.
[1] 본 발명의 컨테이너형 식물공장의 CO 2 공급장치의 기본구성
도 2는 본 발명의 CO2 공급장치의 개략도로서, 상술한 바와 같이 CO2를 생산하여 배출구(210)로 배출하는 트라이젠 시스템(200)으로부터 상기 식물로 CO2를 분배하여 공급하는 본 발명의 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치(100)를 개략적으로 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 본 발명의 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치(100)는, 메인파이프(110), 공급홀(125)이 형성된 공급파이프(120)를 포함하는 분배부를 포함하는데, 이 때 상기 분배부는 공급팬(130)을 더 포함할 수 있다. 또한 상기 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치(1000)는, 여기에 더하여 공급밸브(140), 농도센서(150)를 더 포함할 수 있다.
상기 메인파이프(110)는 상기 배출구(210)와 연통된 파이프 형태로 이루어져 내부로 CO2가 유통되며, 상기 화분(550)에 상응하는 복수 개의 분기부가 형성된다. 상기 트라이젠 시스템(200)에서 배출되는 배기가스에는 물론 CO2 외에도 유해물질 및 과도한 습기 등이 더 포함되어 있지만, 유해물질 제거를 위한 촉매, 습기 제거를 위한 흡습제 등을 통과시켜 줌으로써, 상기 배출구(210)로 배출되는 가스는 단지 CO2 농도만 높은 청정한 공기가 될 수 있다.
상기 분배부는 기본적으로 상기 공급파이프(120)를 포함하며, 공급팬(130)을 더 포함할 수 있다. 상기 분배부의 구체적인 구성에 대해서는 이후 보다 상세히 설명한다.
상기 공급파이프(120)는 상기 분기부에 연결될 수 있으며, 즉 상기 메인파이프(110)당 복수 개가 형성되어, 도시된 바와 같이 상기 화분(550)마다 적어도 하나씩 배치될 수 있다. 상기 공급파이프(120)는 일단이 상기 분기부와 연통되며 복수 개의 공급홀(125)이 형성된 파이프 형태로 이루어진다. 보다 구체적으로는, 상기 공급파이프(120)는, 일단은 상기 메인파이프(110)와 연통되는 연결단(120a)을 형성하고 타단은 폐쇄되어 폐쇄단(120b)을 형성하는 파이프 형태로 이루어진다. 따라서 상기 메인파이프(110)에서 유통되는 CO2가 상기 연결단(120a)을 통해 상기 공급파이프(120) 내부로 흘러들어와 유통될 수 있게 된다. 또한 상기 공급파이프(120)에 형성된 상기 공급홀(125)을 통해 CO2가 상기 공급파이프(120)로부터 배출되어 상기 식물 쪽으로 공급될 수 있게 된다. 상기 공급파이프(120)는 상기 화분(550)의 연장방향으로 연장되어 상기 컨테이너(1000)의 모서리에 배치되는데, 이러한 배치에 따라 상기 식물을 수용하고 있는 상기 컨테이너(1000) 내부 공간 전체에 CO2가 자연스럽고 원활하게 공급될 수 있다.
상기 공급팬(130)은 상기 분기부 측에 형성되어 CO2를 상기 식물 쪽으로 송풍하여 공급하는 역할을 한다. 상기 공급팬(130)이 상기 공급파이프(120)와 함께 설치될 경우, 상기 공급팬(130)의 송풍에 의하여 상기 공급파이프(120)에서 배출된 CO2의 위치에 따른 농도를 적절하게 조절해 주는 역할을 할 수도 있다. 상기 공급팬(130)의 역할에 대해서는 이후 보다 상세히 설명한다.
이와 같은 구성으로 이루어지는 상기 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치(100)에 의해 CO2가 공급되는 과정을 요약하면 다음과 같다. 먼저 상기 메인파이프(110)로 유통된 CO2가 복수 개의 상기 분배부로 분배된다. 다음으로 상기 공급파이프(120) 또는 상기 공급팬(130)에 의하여 CO2가 상기 식물로 공급된다.
종래에는 상기 트라이젠 시스템(200)에서 배출되는 CO2를 식물공장에 공급할 때 벽면에 설치된 배출구 등과 같은 장치를 통하여 공간 전체에 공급하는 방식이 사용되었다. 그런데 이와 같이 할 경우 배출구와 가까운 쪽에는 CO2 농도가 높은 반면 배출구에서 멀어질수록 CO2 농도가 낮아지게 되는 문제가 있었다. 또한 배출구와 가까운 쪽에 배치된 식물이 CO2를 소비해버림으로써 이러한 농도 불균형 문제가 더욱 심화되는 문제가 있었다.
그러나 본 발명의 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치(100)는, 상술한 바와 같이 상기 트라이젠 시스템(200)에서 배출되는 CO2를 그대로 식물공장 공간에 배출하는 것이 아니라, CO2를 상기 메인파이프(110)를 통해 적절한 경로로 유통시키되 상기 메인파이프(110)와 연통되는 복수 개의 상기 분배부를 통해 상기 컨테이너(1000) 내부 공간 전체적으로 균일하게 분배하도록 이루어진다. 이처럼 상기 분배부에 의하여 CO2가 상기 컨테이터(1000) 내부 공간 전체적으로 균일하게 분배됨에 따라, 상기 컨테이너(1000) 내 수용되어 있는 식물 위치가 상기 배출구(210)와 얼마나 멀고 가까운지와는 상관없이, 즉 식물이 어느 위치에 있든지 균일하게 CO2를 공급받을 수 있게 된다.
도 2 및 도 3은 상기 분배부의 여러 실시예들을 도시하고 있다. 각각에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 분배부의 제1실시예로서, 상기 분배부가 상기 공급파이프(120)만을 포함하는 경우이다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 공급파이프(120)에는 복수 개의 상기 공급홀(125)이 형성되어 있으며, 따라서 상기 공급파이프(120) 내에 유통되어 온 CO2가 자연스럽게 상기 공급홀(125)을 통해 배출될 수 있다. 이 때 상기 공급파이프(120)는 상기 화분(550)의 연장방향으로 연장되기 때문에, 상기 화분(550)의 연장방향으로 균일하게 CO2를 배출할 수 있다. 뿐만 아니라 상기 공급파이프(1000)는 직육면체 형태의 상기 컨테이너(1000)의 각 4개의 모서리에 배치되므로, 상기 컨테이터(1000) 내부 공간 전체에 매우 균일하게 CO2를 공급할 수 있다.
도 4는 분배부의 제2실시예로서, 상기 분배부가 상기 공급파이프(120)와 더불어 상기 공급팬(130)도 포함하는 경우이다. 상기 공급팬(130)은 단지 CO2의 균일한 분배 역할만을 하는 것이 아니라 식물에 적절한 바람을 공급하는 역할을 한다. 식물의 원활한 생장을 위해서는 적절한 바람이 필요한데, 바람의 세기는 CO2의 균일 분포, 습기 유지, 식물의 기공 열림 등에 영향을 주는 요소이다. 식물의 기공이 적절하게 열리면 산소, 이산화탄소, 수분 등의 교환량이 많아지므로 생장에 도움이 되지만, 지나치게 열리게 되면 뿌리에서 빨아올리는 수분보다 기공으로 빠져나가는 수분이 많아지게 되어 탈수현상이 일어나게 되는 바, 바람의 세기를 적절히 조절할 필요가 있다. 더불어 식물이 직접적으로 바람을 맞게 되면 생장에 악영향을 주어 식물의 키가 작아지기 때문에 직풍은 삼가야 한다. 이러한 점을 고려할 때, 상기 공급팬(130)에서 송풍되는 바람의 풍속은 1~3m/s 정도가 되는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 화분(550)의 길이가 상당히 길 경우 끝까지 CO2를 송풍하기 어려울 수 있으며, 이러한 경우에는 상기 공급팬(130)을 추가적으로 설치할 필요가 있다.
또한 이처럼 상기 공급파이프(120)에 상기 공급팬(130)이 더 설치되는 경우, 상기 공급팬(130)을 이용하여 CO2를 더욱 고르게 분배할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하자면 다음과 같다. 상술한 바와 같이 상기 공급파이프(120)를 이용하여 상기 식물에 CO2를 공급함에 있어서, 이상적으로는 상기 연결단(120a)에서 상기 폐쇄단(120b)까지 CO2가 균일하게 공급되어야 하겠으나, 실제로는 상기 연결단(120a)에서 상기 폐쇄단(120b)까지 진행하면서 압력강하가 발생함에 따라 상기 폐쇄단(120b) 쪽에서의 CO2 유량이 일부 줄어들게 될 수 있다. 뿐만 아니라 상기 연결단(120a)에 가까운 쪽의 상기 공급홀(125)에서 CO2가 미리 빠져나가 버림으로써 상기 폐쇄단(120b) 쪽으로 갈수록 CO2 유량이 줄어드는 경향은 더욱 강해진다. 즉 상기 공급파이프(120)를 이용하여 상기 식물에 CO2를 공급하여도, 상기 연결단(120a) 쪽이 상기 폐쇄단(120b) 쪽보다 CO2 농도가 높게 형성되는 농도 불균일 문제가 여전히 약간은 남아있을 수 있다. 이 때 상기 공급팬(130)이 상기 연결단(120a) 쪽에서 상기 폐쇄단(120b) 쪽으로 CO2 농도가 높은 공기를 송풍해 줌으로써, 이러한 농도 불균일 문제가 훨씬 완화될 수 있다. 즉 상기 공급팬(130)은, 상기 연결단(120a) 쪽에 배치되어 상기 폐쇄단(120b) 쪽으로 송풍하여 위치별 CO2 농도를 조절하는 역할을 할 수 있는 것이다. 더불어 앞서 설명한 바와 같이, 상기 공급팬(130)을 이용하여 식물에 바람을 공급함으로써, 습기 유지, 기공 확장 등과 같이 식물 생장 촉진 영향을 더 줄 수 있음은 물론이다.
[2] 본 발명의 컨테이너형 식물공장의 CO 2 공급장치의 추가구성
앞서 설명한 바와 같이, 상기 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치(100)는 공급밸브(140) 및 농도센서(150)를 더 포함할 수 있으며, 이를 통해 보다 정밀한 환경조건 제어를 수행할 수 있다. 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 공급밸브(140)는, 상기 메인파이프(110) 및 상기 공급파이프(120)의 연결부에 구비되어 상기 공급파이프(120)로 유통되는 CO2의 유량을 조절하는 역할을 한다. 예를 들어 CO2 농도가 필요한 만큼에 미치지 못하는 경우 상기 공급밸브(140)를 더 열어줌으로써 식물에 공급되는 CO2 유량을 늘릴 수도 있고, CO2 농도가 필요 이상으로 과도하게 높아진 경우 상기 공급밸브(140)를 더 닫아줌으로써 식물에 공급되는 CO2 유량을 줄일 수도 있다.
상기 농도센서(150)는, 상기 공급파이프(120) 및 상기 식물 사이에 배치되어 CO2 농도를 측정하는 역할을 한다. 상기 농도센서(150)에서 측정한 CO2 농도에 따라 앞서 설명한 상기 공급밸브(140)의 개폐정도 및 상기 공급팬(130)의 송풍정도가 제어되도록 함으로써, 식물 주변의 CO2 농도 조건을 언제나 최적화된 상태로 유지할 수 있다.
상기 공급밸브(140), 상기 농도센서(150)가 더 구비되는 경우, 상기 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치(100)는 다음과 같이 동작할 수 있다. 먼저 복수 개의 상기 농도센서(150)에 의해 복수 개의 측정위치(S)에서 CO2 농도가 측정된다. 다음으로, 측정된 CO2 농도가 미리 결정된 기준을 벗어나는 경우, 해당 측정위치(S)에 근접한 공급위치(P)로의 CO2 공급량이 증감되도록, 상기 공급밸브(140) 또는 상기 공급팬(130)이 작동된다. 예를 들어 어떤 하나의 화분(550) 전체에 걸쳐 형성된 측정위치(S)들에서 측정된 CO2 농도가 미리 결정된 기준보다 낮다면, 해당 화분(550)에 상응하는 상기 공급파이프(120)에 구비된 상기 공급밸브(140)를 좀더 열어주는 식으로 동작할 수 있다. 다른 예를 들어 앞서 설명한 바와 같이 어떤 하나의 화분(550)에서 상기 연결단(120a) 쪽 CO2 농도는 적절하거나 조금 과도하나 상기 폐쇄단(120b) 쪽 CO2 농도는 미달일 경우, 해당 화분(550)에 상응하는 상기 공급팬(130)에서 송풍을 시킴으로써 상기 폐쇄단(120b) 쪽으로 CO2 농도가 높은 공기를 송풍해 주는 식으로 동작할 수 있다.
[3] 공급파이프 및 공급홀의 상세구성
도 5는 컨테이너 내 화분 및 공급파이프의 배치 실시예를 도시하고 있다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 분배부에 포함되는 상기 공급파이프(120)는 상기 컨테이너(1000) 내의 4개의 모서리마다 설치되며, 상기 화분(550)의 연장방향과 나란하게 연장된다. 이 때 상기 화분(550)은, 도 5(A)에 도시된 바와 같이 상기 컨테이너(1000) 내에 1열만 구비될 수도 있고, 또는 도 5(B)에 도시된 바와 같이 복수 개의 열이 구비될 수도 있다. 컨테이너형 식물공장은 통상적인 식물공장에 비해 훨씬 작은 크기를 가지는데, 일반적으로 컨테이너의 길이가 10m 정도 되며, 폭이나 높이는 그보다 더욱 작다. 따라서 상기 화분(550)이 지나치게 많은 열을 이루도록 할 필요는 없으며, 또한 상기 공급파이프(120)도 4모서리 이상으로 많이 설치될 필요도 없다.
도 6은 CO2 공급파이프의 하면상세도를 도시하고 있다. 도 6은 상기 메인파이프(110)의 연장방향에 대하여 수직하게 자른 단면도로서, 즉 도 2에서의 A-A' 단면이다.
상기 메인파이프(110)는 복수 개의 상기 공급파이프(120)에 CO2를 잘 분배할 수 있도록 충분히 많은 양의 CO2가 유통될 수 있게 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 점을 고려할 때, 상기 메인파이프(110)는 상기 공급파이프(120)에 비하여 보다 직경이 크게 형성되는 것이 바람직하다.
한편 상기 공급홀(125)의 직경이 너무 크면 상기 연결단(120a)에 가까운 쪽에서 지나치게 많은 CO2가 배출되어 버림으로써 상기 폐쇄단(120b)까지 흘러갈 CO2 유량이 모자라게 될 우려가 있다. 뿐만 아니라 상기 공급파이프(120) 직경에 비해 상기 공급홀(125)의 직경이 너무 클 경우 상기 공급파이프(120)의 강성이 약해지는 문제도 생길 수 있다. 반대로 상기 공급홀(125)의 직경이 너무 작으면 충분한 양의 CO2를 배출하여 줄 수가 없는 문제가 있다.
또한 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 공급파이프(120)에는 상기 공급홀(125)이 복수 개 모두 동일한 간격으로 배치되어 있다. 이 때 상기 공급홀(125)이 얼마나 조밀하게 배치되어 있느냐에 따라 공급위치(P) 주변에서 CO2 농도가 균일한 정도가 달라지는 바, 상기 공급홀(125) 개수는 상당히 중요하게 고려되어야 하는 설계요소이다. 더불어 하나의 상기 공급파이프(120) 당 형성되는 상기 공급홀(125)의 개수와 마찬가지로, 하나의 상기 메인파이프(110) 당 연결되는 상기 공급파이프(120)의 개수 역시 중요하게 고려되어야 함은 물론이다.
이처럼 원활한 CO2 공급을 위해서는, 상기 메인파이프(110), 상기 공급파이프(120), 상기 공급홀(125)의 직경 및 개수 등이 서로 적절히 연관되어 설계되어야 한다. 도 6에 표시된 바와 같이 상기 메인파이프(110)의 직경을 D, 상기 공급파이프(120)의 직경을 d, (상기 메인파이프(110) 1개당) 상기 공급파이프(120)의 개수를 N, 상기 공급홀(125)의 직경을 a, (상기 공급파이프(120) 1개당) 상기 공급홀(125)의 개수를 n이라 할 때, 상기 메인파이프(110), 상기 공급파이프(120), 상기 공급홀(125)의 직경 및 개수 사이에는 하기의 수학식 1, 2가 모두 만족되도록 하는 것이 바람직하다.
Figure 112019066429450-pat00003
… (식 1)
Figure 112019066429450-pat00004
… (식 2)
식 1은 상기 메인파이프(110) 및 상기 공급파이프(120) 간의 관계에 관한 것으로, 상기 메인파이프(110)의 단면적(πD2/4)이 복수 개(N)의 상기 공급파이프(120)의 단면적(πd2/4)들의 합(N*πD2/4)보다 커야 한다는 것이다. 식 1이 만족되지 못할 경우, 상기 메인파이프(110)로 유통되는 CO2가 복수 개의 상기 공급파이프(120)들로 충분히 균일하게 분배되지 못한다.
식 2는 상기 공급파이프(120) 및 상기 공급홀(125) 간의 관계에 관한 것으로, 식 1과 유사하게, 상기 공급파이프(120)의 단면적(πd2/4)이 복수 개(n)의 상기 공급홀(125)의 면적(πa2/4)들의 합(n*πD2/4)보다 커야 한다는 것이다. 식 2가 만족되지 못할 경우, 식 1에서와 마찬가지로, 상기 공급파이프(120)로 유통되는 CO2가 복수 개의 상기 공급홀(125)들로 충분히 균일하게 분배되지 못한다.
여기에서 N, n 값의 경우 식물공장의 크기, 식물공장에 배치되는 화분의 개수 등에 따라 자연스럽게 미리 결정될 수 있는 값이다. 이 때 식 1, 2를 만족시킬 수 있는 D, d, a 값은 매우 다양할 수 있다. 그러나 실제 설치 등과 같은 현실적인 문제를 고려할 때, D나 d의 선정은 위의 식을 만족하는 최소값으로 하는 것이 무한정 크기가 커지는 것을 방지할 수 있다.
도 7은 공급홀의 배치 실시예를 도시한 것이다. 앞서 설명한 바와 같이 복수 개의 상기 공급홀(125)은 상기 연결단(120a)에서 상기 폐쇄단(120b)까지의 범위 내에서 모두 동일한 간격으로 배치된다. 이와 같이 할 경우, 상기 공급파이프(120) 제작 시 단지 동일한 간격으로 상기 공급홀(125)를 형성해 주기만 하면 되므로, 미리 아주 길게 상기 공급파이프(120)를 제작한 다음 원하는 대로 적절한 길이로 잘라서 사용하면 되는 바, 제작용이성이 매우 높다는 장점이 있다.
이 때, 각각의 상기 공급파이프(120)에 형성된 복수 개의 상기 공급홀(125)이 서로 다른 간격으로 배치되게 할 수도 있지만, 제작이나 제어 상의 용이성을 고려할 때 각각의 상기 공급파이프(120)에 형성된 복수 개의 상기 공급홀(125)이 모두 동일한 간격으로 배치되도록 하는 것이 바람직하다. 한편 각각의 상기 공급파이프(120)에 형성된 복수 개의 상기 공급홀(125)은, 도 10(B)에 도시된 바와 같이 그 형성되는 위치가 서로 어긋나게 배치되는 것이 바람직하다. 상기 공급홀(125)의 배치가 도 10(B)와 같이 이루어짐으로써, 상기 컨테이너(1000) 내 CO2 분포가 보다 균일해질 수 있다.
도 8은 CO2 공급파이프의 단면상세도를 도시하고 있다. 상기 공급홀(125)은, 하나의 공급위치(P)에서, 도 8(A)와 같이 상기 컨테이너(1000)의 폭 또는 높이가 미리 결정된 기준 미만일 경우 하나의 상기 공급위치(P) 당 하나의 상기 공급홀(125)이 상기 공급파이프(120)의 상기 컨테이너(1000)의 대각선 방향 내측으로 배치되게 할 수 있다. 또는 도 8(B)와 같이 상기 컨테이너(1000)의 폭 또는 높이가 미리 결정된 기준 이상일 경우 하나의 상기 공급위치(P) 당 한 쌍의 상기 공급홀(125)이 상기 공급파이프(120)의 상기 컨테이너(1000)의 대각선 방향 내측에서 미리 결정된 각도만큼 벌어지도록 배치되게 할 수 있다.
상기 컨테이너(1000)의 폭 또는 높이가 좁으면 상기 공급홀(125) 하나만으로도 충분히 상기 컨테이너(1000) 내부 공간 전체에 적절히 CO2를 공급할 수 있겠으나, 상기 컨테이너(1000)의 폭 또는 높이가 넓어지면 상기 컨테이너(1000)의 최상측 또는 최하측에 배치된 식물은 충분한 양의 CO2를 공급받지 못할 수 있다. 그러나 도 8(B)와 같이 상기 공급홀(125)을 2개 형성하여 적당한 간격으로 벌어지게 형성해 줌으로써 CO2 배출방향을 넓혀주면, 상기 컨테이너(1000)의 최상측 또는 최하측에 배치된 식물로도 충분한 양의 CO2를 원활하게 공급할 수 있다. 이 때 한 쌍의 상기 공급홀(125) 간의 각도가 60도 내지 120도 범위 내로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치
1000: 컨테이너
110 : 메인파이프 120 : 공급파이프
125 : 공급홀 130 : 공급팬
140 : 공급밸브 150 : 농도센서
200 : 트라이젠 시스템 210 : 배출구
500 : 수납장 510 : 선반
520 : 조명 550 : 화분

Claims (8)

  1. 일방향으로 연장되며 연장방향에 따라 복수 개의 식물이 심어진 복수 개의 화분을 포함하며 외부와 격리되는 공간을 형성하는 컨테이너 내에 상기 화분들이 수용되어 이루어지는 컨테이너형 식물공장에 설치되며, CO2를 생산하여 배출구로 배출하는 트라이젠 시스템으로부터 상기 식물로 CO2를 분배하여 공급하는 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치에 있어서,
    상기 배출구와 연통된 파이프 형태로 이루어져 내부로 CO2가 유통되며, 상기 화분에 상응하는 복수 개의 분기부가 형성되는 메인파이프;
    일단이 상기 분기부와 연통되며 복수 개의 공급홀이 형성된 파이프 형태로 이루어져 CO2를 상기 식물 쪽으로 배출하여 공급하고, 상기 화분의 연장방향으로 연장되어 상기 컨테이너의 모서리에 배치되는 공급파이프를 포함하는 분배부;
    를 포함하며,
    상기 분배부는,
    복수 개의 상기 공급홀이 모두 동일한 간격으로 배치되되,
    상기 메인파이프의 직경을 D, 상기 공급파이프의 직경을 d, 상기 공급파이프의 개수를 N, 상기 공급홀의 직경을 a, 상기 공급홀의 개수를 n이라 할 때,
    하기의 식을 만족하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치.
    Figure 112021000454819-pat00015

    Figure 112021000454819-pat00016

  2. 제 1항에 있어서, 상기 분배부는,
    상기 분기부 측에 형성되어 CO2를 상기 식물 쪽으로 송풍하여 공급하는 공급팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치는,
    각각의 상기 공급파이프에 형성된 복수 개의 상기 공급홀이 모두 동일한 간격으로 배치되되,
    각각의 상기 공급파이프에 형성된 복수 개의 상기 공급홀이 형성되는 위치가 서로 어긋나게 배치되는 것을 특징으로 하는 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 공급홀은,
    하나의 공급위치에서,
    상기 컨테이너의 폭 또는 높이가 미리 결정된 기준 미만일 경우 하나의 상기 공급위치 당 하나의 상기 공급홀이 상기 공급파이프의 상기 컨테이너의 대각선 방향 내측으로 배치되고,
    상기 컨테이너의 폭 또는 높이가 미리 결정된 기준 이상일 경우 하나의 상기 공급위치 당 한 쌍의 상기 공급홀이 상기 공급파이프의 상기 컨테이너의 대각선 방향 내측에서 미리 결정된 각도만큼 벌어지도록 배치되는 것을 특징으로 하는 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치는,
    상기 메인파이프 및 상기 공급파이프의 연결부에 구비되어 상기 공급파이프로 유통되는 CO2의 유량을 조절하는 복수 개의 공급밸브;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치는,
    상기 공급파이프 및 상기 식물 사이에 배치되어 CO2 농도를 측정하는 복수 개의 농도센서;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치.
  8. 제 2항에 따른 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치를 사용하는 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급방법에 있어서,
    상기 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급장치는,
    상기 메인파이프 및 상기 공급파이프의 연결부에 구비되어 상기 공급파이프로 유통되는 CO2의 유량을 조절하는 복수 개의 공급밸브;
    상기 공급파이프 및 상기 식물 사이에 배치되어 CO2 농도를 측정하는 복수 개의 농도센서;
    를 더 포함하며,
    상기 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급방법은,
    상기 메인파이프로 유통된 CO2가 복수 개의 상기 분배부로 분배되는 단계;
    상기 분배부로 유통된 CO2가 상기 식물로 공급되는 단계;
    복수 개의 상기 농도센서에 의해 복수 개의 측정위치에서 CO2 농도가 측정되는 단계;
    측정된 CO2 농도가 미리 결정된 기준을 벗어나는 경우, 해당 측정위치에 근접한 공급위치로의 CO2 공급량이 증감되도록, 상기 공급밸브 또는 상기 공급팬이 작동되는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨테이너형 식물공장의 CO2 공급방법.
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