KR102392431B1 - 하이브리드형 분산 난방 시스템 및 그 설치방법 - Google Patents

Abstract

스마트팜 또는 온실의 경우 어떠한 방식의 난방장치를 사용하더라도 온실 전체의 온도를 일률적으로 일정하게 유지하기 힘든 문제가 있다. 이러한 문제를 국부난방장치와 히트펌프 및 추가적인 열원을 사용하여 히트펌프의 효율을 개선하고자 한다. 이를 위하여 본 출원 발명에서는 스마트팜에 사용하는 하이브리드 분산형 난방시스템에 있어서, 스마트팜의 측벽을 따라 난방효율이 상대적으로 일반 PTC 히터와 비교하여 높은 공기열 히트펌프의 응축기와 송풍기를 복수개 배치하고, 복수개의 상기 공기열 히트펌프의 각각의 증발기는 가장 가까운 상기 스마트팜의 측벽의 외부에 인접하여 설치하고, 상기 공기열 히트펌프가 설치된 스마트팜의 내측으로 재배식물 주면으로 소형 PTC 전기히터를 재배 간격을 따라 복수개 설치하며, 상기 공기열 히트펌프와 소형 PTC 전기히터에 구비된 무선모듈과 400MHz 통신을 통하여 제어신호 및 온도 및 습도 데이터를 송수신하는 무선관리 게이트웨이를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 분산형 난방시스템을 제공한다.
본 발명의 상기와 같은 구성에 의하여 소형으로 분산된 난방기를 사용하며, 외부 기온에 취약한 곳에는 히트펌프를 배치하여 외부의 냉기를 차단함으로써 스마트팜 또는 온실 내부의 온도를 일정하게 유지함으로써 작물의 생육 저하를 막을 수 있는 효과가 있다.

Description

하이브리드형 분산 난방 시스템 및 그 설치방법{.}

본 출원 발명은 농업에 필요한 난방장치를 시스템화하는 기술에 관한 것이다. 더욱 자세하게는 히트펌프, 전기 온풍기를 혼합하여 사용하는 기술에 관한 것이다.

본 발명의 출원 이전의 선행기술로 히트펌프식 공기조화기의 실외기의 열교환기의 공기 빨아들여 측면에 장착되는 실외기용 전기 히터 유닛으로서, 평행하게 배치되는 다수의 방열날개와, 상기 방열날개로 수직으로 관통되는 복수의 금속관과,

상기 금속관으로 삽입 되는 전기 히터와, 상기 전기 히터-를 제어하는 제어장치를 구비하고, 상기 금속관은 공기의 흐름 방향으로 거의 직교하도록 배열됨과 동시에, 거의 평면상으로 병렬되어 상기 방열날개는 공기의 유로가 양호하게 형성되도록 일정 간격으로 병렬되는, 실외기용 전기 히터 유닛으로 구성되어 히트 펌프식 공기조화기의 실외기 서리 제거, 제설이 가능한 기술이 개시되어 있다.

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또 다른 선행기술로 냉방, 난방, 냉·온수의 동시 공급이 가능하며, 공기열을 이용하여 저온의 열원을 고온으로 전달하고 고온의 열원을 저온으로 전달하는 히트펌프 보일러와; 상기 히트펌프 보일러로부터 온수를 공급받아 저장하고 저장된 온수를 온수 분배기와 제2 온수탱크로 공급하는 제1 온수탱크와; 상기 제1 온수탱크로부터 공급받은 온수를 난방 장소에 설치된 복수 개의 방열기로 분배하여 공급하는 온수 분배기와; 상기 복수 개의 방열기로부터 방열된 냉수를 회수하는 냉수 회수기; 및 상기 냉수 회수기로부터 회수된 냉수와 상기 제1 온수탱크로부터 공급된 온수를 혼합하여 저장하고 저장한 냉온수를 상기 히트펌프 보일러로 공급하는 적어도 1개 이상의 온수탱크;를 포함하며, 상기 복수 개의 방열기와 상기 적어도 1개 이상의 온수탱크를 난방 장소의 내부에 함께 설치하여 동시에 난방하는 공기열 히트펌프를 이용한 연료절감형 저탄소 녹색 농업 시설 운영 시스템이 개시되어 있다.

일본공개특허공보 제2017-020762호 공개특허공보 제2011-0054477호

보일러 등의 화석연료를 사용하는 시스템은 비용이 많이 들고, 온실가스 배출량이 많다. 한편 기존에 많이 설치하여 사용하는 지열 히트펌프는 지구의 내부 온도와 태양의 복사열을 열원으로 사용하는 것으로 우리나라의 경우 지하수면 아래 약 150m의 지하수와 지온을 이용하며, 설치비용이 고가이며 설치 후 유지보수의 어려움이 있다.

또한, 스마트팜 또는 온실의 경우 어떠한 방식의 난방장치를 사용하더라도 온실전체의 온도를 일률적으로 일정하게 유지하기 힘든 문제가 있다.

이러한 문제를 국부난방장치와 히트펌프 및 추가적인 열원을 사용하여 히트펌프의 효율을 개선하고자 한다.

스마트팜에 사용하는 하이브리드 분산형 난방시스템에 있어서,

스마트팜의 측벽을 따라 난방효율이 상대적으로 일반 PTC 히터와 비교하여 높은 공기열 히트펌프의 응축기와 송풍기를 복수개 배치하고, 복수개의 상기 공기열 히트펌프의 각각의 증발기는 가장 가까운 상기 스마트팜의 측벽의 외부에 인접하여 설치하고,

상기 공기열 히트펌프가 설치된 스마트팜의 내측으로 재배식물 주면으로 소형 PTC 전기히터를 재배 간격을 따라 복수개 설치하며,

상기 공기열 히트펌프와 소형 PTC 전기히터에 구비된 무선모듈과 400MHz 통신을 통하여 제어신호 및 온도 및 습도 데이터를 송수신하는 무선관리 게이트웨이를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 분산형 난방시스템을 제공한다.

또한, 상기 공기열 히트펌프의 난방 효율을 높이기 위하여 상기 증발기는 스마트팜의 측벽 외측에 고정하여 상기 스마트팜에서 측벽으로 손실되는 열을 흡수할 수 있도록 구비되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 분산형 난방시스템을 제공한다.

또한, 상기 공기열 히트펌프의 난방 효율을 높이기 위하여 상기 증발기는 스마트팜의 측벽 외측에 고정하고, 케이스를 더 구비하여 보관함으로써 상기 스마트팜에서 측벽으로 손실되는 열을 흡수할 수 있도록 구비되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 분산형 난방시스템을 제공한다.

또한, 상기 공기열 히트펌프의 난방 효율을 높이기 위하여 상기 증발기는 태양열 축열 또는 보일러로부터 열을 공급받아 상기 증발기의 온도를 높여주는 것을 특징으로 하는 하이브리드 분산형 난방시스템을 제공한다.

또한, 상기 공기열 히트펌프의 난방 효율을 높이기 위하여 상기 증발기는 외기 온도가 낮은 경우 그 기능을 상실할 수 있어 PTC히터 또는 열선히터를 더 구비하여 설정된 온도 이하로 상기 증발기의 온도가 떨어지는 경우 동작하여 상기 공기열 히트펌프가 정상적으로 동작할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 분산형 난방시스템을 제공한다.

또한, 상기 PTC 히터는 개개의 온도, 습도 센서를 가지고 있어, 상기 무선관리 게이트웨이로부터 설정온도를 전송받아 그 온도를 유지할 수 있도록 동작하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 분산형 난방시스템을 제공한다.

상기 무선관리 게이트웨이는 사용자로부터 설정된 내부 온도를 입력받아 상기 스마트팜의 내부 온도가 상기 사용자가 설정한 온도로 항사 유지될 수 있도록 복수개의 상기 공기열 히트펌프 및 복수개의 PTC 히터를 제어하며, 상기 복수개의 상기 공기열 히트펌프 및 복수개의 PTC 히터로부터 온도 및 습도 값을 연속적으로 수집하여 비교함으로써 상기 스마트팜 내부의 온도가 잘유지되고 있는지 확인하며, 특정 위치가 설정된 값을 유지하지 못하는 경우 그 위치 주면의 센서의 온도와 습도를 함께 모니터링함으로써 설정 온도를 유지하지 못하는 원인이 센서의 오동작인지 스마트팜의 문제인지를 확인하여 사용자에 알람하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 분산형 난방시스템을 제공한다.

본 발명의 상기와 같은 구성에 의하여 소형으로 분산된 난방기를 사용하며, 외부 기온에 취약한 곳에는 히트펌프를 배치하여 외부의 냉기를 차단함으로써 스마트팜 또는 온실 내부의 온도를 일정하게 유지함으로써 작물의 생육 저하를 막을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 하이브리드형 분산 난방시스템의 전체 구성도를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명에서 사용하는 히터펌프의 구성을 도시하고 있다.
도 3은 일반 온실 또는 스마트팜에서 난방 손실이 발생하는 것을 열화상 카메라로 촬영한 사진이다.
도 4는 본 출원 발명에서 온실의 측벽으로부터 열을 흡수하여 히트펌프에 활용하는 개념을 도시하고 있다.
도 5는 본 출원 발명에서 히트펌프의 증발기에서 필요한 열을 태양열 발전 또는 태양열 축열을 이용하여 히터펌프의 난방 효율을 높이고자한 구성을 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 히트펌프를 온실 또는 스마트팜의 측벽에 인접하여 배치한 배치도를 도시하고 있다.
도 7은 본 출원 발명의 히트펌프의 효율 향상을 위하여 PCT 히트를 증발기에 추가로 결합한 개념도이다.

본 출원 발명은 히트펌프와 소형 PTC 히트를 결합한 하이브리드형 난방시설에 관한 것으로, 이러한 기술이 개발된 배경부터 설명하면 다음과 같다.

우리나라 시설원예면적은 2015년말 기준 5만 5,015ha로 1990년대에 비해 2배 이상으로 급격하게 늘어났으며, 겨울철에 화석연료나 전기 등을 열원으로 이용해 난방을 하는 가온재배면적도 매년 증가해 전체면적의 32.4%를 차지하고 있다. 2017년도에 발간한 에너지총조사보고서에서는 석유 소비량은 59.5%, 전력 소비량은 38.0%로써 석유를 이용한 난방이 절반이상을 차지하고 있다. 이처럼 유류의존도가 높다보니 시설원예농가는 유가변동에 매우 민감하고 경쟁력도 취약한 실정이며, 시설재배농가의 전체경영비 중에서 겨울철 난방비가 차지하는 비중이 30 ~ 50%정도로 매우 높아 난방비를 절약하는 것이 곧 농가의 소득을 높이는 방법이라 할 수 있다.

최근에는 이러한 난방비를 절감하기 위해서 전기를 이용한 난방방식을 도입하는 농가가 늘어나고 있다. 에너지소비 추이를 보면 석유소비량은 지속적으로 감소(2013년 대비 연평균 4.0%)하고 전력 소비량은 지속적으로 증가(2013년 대비 연평균 7.7%)하고 있다. 전기를 이용한 난방은 일반적으로 전기를 이용해 공기를 데워 순환시키는 방식이며, 대부분 농가에서 이러한 방식을 이용하여 난방을 하고 있다. 미국, 유럽, 일본 등에는 동절기 전력 소모를 줄이기 위해서 전기히터, 온풍기, 전기장판 등의 난방기구를 대신하여 고효율 난방장치인 히트펌프를 사용하고 있다.

히트펌프는 1970년대 후반부터 국제에너지기구(International Energy Agency, 이하 IEA)를 비롯하여 선진국에서 주목받기 시작했다. IEA의 에너지기술전망보고서 ETP2010에서는 2050년까지 건물에너지부분의 온실가스 배출 저감량의 60% 이상을 히트펌프가 기여할 것으로 예상하고 있다.

이러한 히트펌프는 적은 구동에너지를 투입해 이보다 많은 열에너지를 획득할 수 있는 기기인데, 하나의 장치로 냉방과 난방을 함께 수행할 수 있는 점이 특징이며, 투입 에너지대비 산출에너지가 평균 3~4배에 달하며 가스보일러나 기름보일러대비 온실가스 배출량도 40~50%밖에 되지 않아 에너지절감 효과가 매우 크다. 따라서 유럽에서는 2012년 기준으로 약 5,400만대가 보급되어 대중적인 기기로 인식되고 있으나, 국내는 2000년대에 들어서야 비로소 대기업을 위주로 보급이 시작되었다.

본 출원 발명에서는 히트펌프의 장점과 전기 온풍기의 장점을 농업용 난방에 적용한 하이브리드형 분산 난방 시스템을 제공한다. 난방 시스템은 10kW급 히트펌프기반의 전기 온풍기, 3kW급의 소형 PTC 전기 히터, 이를 무선으로 관리하고 외부에서 스마트폰을 이용하여 모니터링 및 제어를 할 수 있는 게이트웨이 그리고 서버로 구성되어 있다.

본 출원 발명에서 사용하는 히트펌프는 10kW급 히프펌프 전기 온풍기이다. 400MHz대역의 무선기반으로 관리 시스템에서 제어와 모니터링이 가능하도록 구성되었다. 또한 온·습도 센서를 탑재하고 있기 때문에 온풍기 주변의 온·습도를 측정하여 게이트웨이로 전송하고, 실외기를 제어할 수 있도록 프로토콜이 개발되었다.

3kW급 소형 정온특성(Positive Temperature Coefficient, 이하 PTC) 전기 히터도 함께 개발되었다. 상기 소형 전기 히트는 히트펌프 전기 온풍기의 열이 전달되지 않는 곳이나, 추가적으로 열이 더 필요한 곳에서 설치하여 사용하며, 제어와 모니터링이 무선 게이트웨이를 통하여 가능하도록 구성하였다.

히트펌프와 PTC 히터를 무선으로 제어하는 무선관리게이트웨이가 구비되어 있다. 이 무선관리게이트웨이는 히트펌프 전기 온풍기와 소형 전기 히터를 무선으로 모니터링 및 제어할 수 있으며, 필요에 따라 각 온풍기와 히터에서 수신된 온도 및 습도 센서를 기반으로 개별적으로 혹은 전체를 동시에 제어 할 수 있도록 무선으로 연결되어 있다. 특별히, 수신된 온도 및 습도를 이용하여 난방이 필요한 구역만 선택적으로 히터가 동작하도록 제어할 수 있음은 물론이다.

또한 상기 무선관리계이트웨이를 외부의 단말기 또는 터미널등과 연동하여 사용할 수 있도록 함으로써 외부에서 스마트 기기를 이용하여 본 출원 발명의 하이브리드형 난방시스템의 모니터링과 제어를 할 수 있다. 본 출원 발명에서는 400MHz 무선 기반을 이용하기 때문에 다른 주파수 대역보다 통신거리가 길어 대규모 농업 환경에 적합할 것으로 예상된다.

농업에 사용할 수 있는 히터펌의의 종류는 여러 가지가 있으나, 본 출원 발명에서는 간편하게 설치하여 사용하며, 주면의 다른 에너지원과도 연결이 간단한 공기열 히트펌프를 사용하였다.

히트펌프 난방은 실외의 열원에서 열을 뽑아내어 실내로 방출하는 것으로 열원의 종류에 따라 다양한 히트펌프가 있으며, 주로 폐열, 지열 혹은 공기열 히트펌프가 있다. 폐열 히트펌프는 생활폐수의 열을 회수하여 히트펌프의 열원으로 사용하는 시스템으로 주로 급탕을 많이 사용하는 건물(호텔, 콘도, 수영장, 온천장 등)에 유리한 방식이며, 지열 히트펌프는 지구의 내부 온도와 태양의 복사열을 열원으로 사용하는 것으로 우리나라의 경우 지하수면 아래 약 150m의 지하수와 지온을 이용하며, 설치비용이 고가이며 설치 후 유지보수의 어려움이 있다.

본 출원 발명에서 사용하고자 하는 공기열 히트펌프는 열원을 외부의 공기를 이용하는 것으로 지역과 기온에 따라 효율의 차이가 있으나 우리나라 전역에 설치가 가능하고, 히트펌프 구축과 유지보수가 다른 히트펌프보다 쉬운 장점이 있다.

간편하다고는 하나, 열효율이 뛰어나 시설원예에 적합한 기술로 판단하여 본 출원 발명에서 사용하고 있다. 히트펌프는 공장, 사무실 등 대규모 냉·난방이 필요한 곳에 사용되고 있으나, 시설하우스에는 적용이 미비한 상태이다.

이는 농가의 규모가 빌딩처럼 일률적이지 않고 규모와 설치 환경이 다르기 때문에 상용제품을 이용하기에는 무리가 있기 때문으로 추정된다. 기존 농가에 적용된 히트펌프는 지열을 이용한 히트펌프로 초기 설치 후 시간이 지남에 따라 유지보수의 문제로 현재 지열히트펌프는 거의 사용되고 있지 않으며, 이러한 지열히트펌프에 대한 불만족으로 공기열 히트펌프 역시 사용되지 않는 것으로 판단된다.

본 출원 발명에서는 기존 지열 히트펌프의 문제점을 파악하고 높은 효율의 공기열 히트펌프와 소형 전기 히터의 장점만을 이용하여 시설하우스의 난방에 최적화된 하이브리드난방시스템을 제공하고자 한다. 공기열을 열원으로 이용하기 때문에 설치비용이 다른 열원을 이용하는 히트펌프에 비해 저렴하며, 시설하우스 내부의 모니터링으로 열이 부족한 부분에는 소형 전기 히터를 이용함으로 추가적인 난방을 함으로 하우스 전체적으로 동일한 온도로 작물을 재배할 수 있는 환경과 난방 모델을 제공할 수 있다.

시설하우스는 겨울철 난방비가 전체 경영비의 30 ~ 50%를 차지하기 때문에 난방비의 비중이 높다. 따라서 난방을 위해서 가열식 난방뿐만 아니라 보온 덮개 등 다양한 난방 자재를 시설하우스 내에 구축하여 난방비를 절감하고자 한다. 또한 지역과 작물의 종류마다 시설하우스의 구조가 다르기 때문에 시설하우스의 구조와 난방에 따라 난방 방식을 개별적으로 적용해야 한다.

시설하우스 대부분은 대형 난방기와 덕트를 이용하여 열을 순환시켜 시설하우스 내부의 온도를 유지하도록 되어 있다. 덕트를 이용하여 열을 전달하기 때문에 난방기에서 멀어질수록 온도가 떨어져 시설하우스의 측벽과 같이 난방열 손실이 발생하는 곳에서는 저온으로 인해 작물의 발육이 저조한 문제가 발생하고 있다.

대부분 설치 편의와 재배밀도를 높이기 위하여 시설하우스 통로에 덕트를 배치함으로써 작업자의 이동에 따라 덕트가 노화되어 주기적으로 교체가 필요하다. 본 출원 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 대형 난방기를 소형으로 분산하고 외부 기온에 취약한 곳에는 시설하우스의 측벽쪽에는 히트펌프를 배치하여 외부의 냉기를 차단하도록 하며, 시설하우스의 중심부에는 내부의 온도를 일정하게 유지하고 고른 온도로 작물의 생육을 위하여 소형 PTC 히트를 분산 배치한다.

기존의 난방기는 지정된 온도에 의해 동작/정지 되며, 난방의 가동 시간과 횟수에 따라 난방비가 책정된다. 난방기에 장착되어 있는 온도 센서는 일반적으로 1개로 온도 센서의 위치에 따라 난방 가동시간과 횟수가 달라져 난방비의 변화 폭이 크다. 단동 시설하우스나 소형 시설하우스는 단일 센서를 이용한 난방 제어가 적합하지만, 중·대형 시설하우스는 단일 센서를 이용한 난방 제어는 내부의 위치에 따라 온도편차가 크기 때문에 적합하지 않다.

시설하우스의 규모와 내부 보온자재의 구성 그리고 시설하우스의 적정 온도에 따라 필요한 열량이 정해진다. 따라서, 필요한 열량을 기준으로 사용자는 난방기의 종류를 선택하게 되는데, 대형 단일 난방기 혹은 소형 다수의 난방기를 선택하여 사용하는 것이 기존의 시설하우스에서 난방시스템을 선정하는 기준이었다.

그러나, 본 출원 발명에서는 소형난방기를 여러대 사용하여 분산 배치함으로써 시설하우스에서 온도 편차가 발생하는 곳만 가열을 함으로 에너지 낭비를 최소화 할 수 있으며, 히트펌프, 소형 전기 난방기 그리고 순환팬 등을 이용한 복합제어로 난방비를 최소화 할 수 있는 난방 알고리즘을 제공한다.

본 출원 발명에서는 시설하우스 내부 온도 관리 복합 알고리즘을 개발하여 무선게이트웨이에 탑재하여 기존 시설하우스 내부에 구축되어 있는 시스템까지 제어 할 수 있도록 확장할 수 있음은 물론이다.

재배 시설하우스 또는 스마트팜은, 시설하우스 내부를 PC 혹은 스마트 기기를 이용하여 시설하우스 내부를 재배 작물에 적합하게 온도, 습도 및 광량을 모니터링하고 재배에 적합한 환경으로 제어하는 것이며, 다양한 환경 제어 인자를 이용하여 식물의 생장환경을 유지시켜 주는 기능을 하고 있다.

이러한 생장환경 유지 기능 중에는 난방장치가 포함되어 있으나, 기존의 시설하우스는 별도로 난방기를 설치하여 운영되는 경우가 대부분이다.

그러나 본 출원 발명의 분산형 하이브리드형 난방 시스템은 기존 난방기의 문제점을 인지하여 분산형 하이브리드형 난방 시스템을 개발하였다.

본 출원 발명의 분산형 난방 시스템은 기존 난방기에서 해결하지 못한 시설하우스 내부에 특별히 가열이 필요한 국소 지역을 개별적으로 난방을 하는 것으로 이는 다수의 온도센서를 시설하우스 내부에 배치하여 온도를 상시 모니터하며, 모니터링 결과로써 국소적으로 온도가 낮은 위치의 주변 난방기를 가동시켜 시설하우스 내부의 온도도를 전체적으로 동일하게 유지하도록 하는 기술에 관한 것이다.

본 출원 발명의 하이브리드 난방은 PTC 소형 히트와 공기열식 히트펌프 및 순환팬을 이용하여 시설하우스의 내부의 온도를 일정 상태로 유지하는 기술에 관한 것이다.

또한 본 출원 발명은 외부 통신망을 이용하여 시설하우스의 현재 난방상태를 확인할 수 있으며, 필요시 사용자가 난방기를 제어할 수 있으며, 기존 스마트팜과 유무선으로 연동할 수 있는 구성이 있어, 다양한 재배시설에 적용하여 사용할 수 있고, 오동작 감지 기능 등을 구비하여 오동작을 미연에 방지할 수 있다.

즉, 오동작 감지 기능은 분사되어 있는 여러 온도 및 습도 센서의 측정값을 이용하여, 하나의 센서의 측정값이 특별히 높거나, 낮거나, 변화가 없는 경우를 확인하고 이러한 센서들의 값에 의하여 히터가 과열되도록 동작하거나, 동작을 중단하는 일이 없도록 하며, 사용자가 접속하는 경우 이를 즉시 사용자에 알려 센서의 오동작을 사용자가 최종적으로 확인할 수 있도록 하는 것이다. 시설하우스 내부의 특정위치가 온도가 낮은 것으로 측정되는 경우 그 주변의 히터를 동작시켰음에도 온도의 변화가 없는 경우 그 센서 이외의 다른 주변 센서의 온도 값을 함께 모니터링 함으로써 해당 센서의 동작여부를 함께 확인하는 스마트 센서 동작확인 알고리즘을 더 구비하고 있다. 상기 스파트 센서 동작확인 알고리즘은 주변의 센서값의 변화가 있음에도 해당 센서의 측정값에 변화가 있는지 등으로 판단할 수 있다.

본 출원 발명의 작용효과를 도면을 활용하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 하이브리드형 분산 난방시스템의 전체 구성도를 도시하고 있다.

시설하우스 또는 온실 또는 원예 스마트팜등 에 있어서, 외부와 내부를 나누는 측벽에서 가장 열 손실이 많이 발생한다. 이 열손실이 많이 발생하는 위치에 1개 이상의 공기열 방식의 히트펌프를 배치한다. 이렇게 스마프팜 등의 측벽 둘레로 10KW 정도의 소형 공기열 방식의 히트펌프가 복수개 배치되고, 그 안쪽에는 난방열이 부족할 수 있으므로, 필요한 난방열 부하만큼의 소형 PTC 히터를 배치하여 각 부분별로 난방을 할 수 있도록 한다. 상기 히트펌프와 PTC 히터에는 각각 온도와 습도 센서를 1개 이상 구비하고 있고, 무선관리게이트웨이와 무선동신할 수 있는 모듈을 각각 구비하고 있다.

도 2는 본 발명에서 사용하는 히트펌프의 구성을 도시하고 있다. 히트펌프는 냉매를 압축하면서 냉매의 열을 배출하는 응축기의 구성과 냉매을 팽창하면서 냉매가 열을 흡수하는 과정으로 나눌 수 있다. 열을 흡수를 이용하면 냉방이 이용하는 것이고, 열 배출을 이용하면 난방에 이용하는 것이다. 본 출원 발명에서는 난방에 이용하기위하여 응축기를 스마트팜 내부에 두고 발생하는 열을 팬을 사용하여 스마트팜 내부의 난방에 이용한다.

도 3은 일반 온실 또는 스마트팜에서 난방 손실이 발생하는 것을 열화상 카메라로 촬영한 사진이다. 외부에서 스마트팜을 촬영하면, 측벽에서 열손실이 많은 것으로 나타난다. 이를 보상하고자 히트펌프를 스마트팜의 측벽 주변으로 배치하는 것이 본 출원 발명의 난방 원리이다.

도 4는 본 출원 발명에서 온실의 측벽으로부터 열을 흡수하여 히트펌프에 활용하는 개념을 도시하고 있다. 따라서, 상기 열흡수가 필요한 증발기는 스마트팜의 외벽에 가능한 부착하여 손실되는 열을 활용하고자 한다. 그럼에도 불구하고 한 겨울 외기의 농도가 냉매가 증발할 수 없는 정도의 온도인 경우에는 히트펌프가 동작하지 못할 수도 있다. 이러한 경우를 대비하여 상기 증발기의 온도를 유지하기위한 케이스 등이 필요할 수 있다. 이는 스마트팜이 설치되는 위치와 지역을 고려하여 필요에 따라 설치한다.

도 5는 본 출원 발명에서 히트펌프의 증발기에서 필요한 열을 태양열 발전 또는 태양열 축열을 이용하여 히터펌프의 난방 효율을 높이고자한 구성을 도시하고 있다. 태양열을 축열하고, 축열된 열을 상기 히트펌프의 증발기에 공급함으로써 냉매가 충분한 열을 흡수하여 응축기로 이동하고, 상기 응축기에서 그 열을 방출하게함으로써 스마트팜 내부의 온도를 효과적으로 제어할 수 있다. 상기 태양열을 축열한 축열 시스템은 하나의 히트펌프에 열을 공급할 수도 있고, 스파트팜의 추가적인 난방원으로 사용될 수도 있다.

도 6은 본 발명의 히트펌프를 온실 또는 스마트팜의 측벽에 인접하여 배치한 배치도를 도시하고 있다. 히트펌으 증발기를 스마트팜 측벽에 인접하여 배치하여 스마트팜에서 손실되는 열을 활용하고자하는 도면이다.

도 7은 본 출원 발명의 히트펌프의 효율 향상을 위하여 PCT 히트를 증발기에 추가로 결합한 개념도이다. 외기 온도가 정상적인 냉매의 증발과 응축이 불가능할 정도로 저온인 경우에는 상기 증발기의 동작을 위하여 외부에서 열을 가해줄 필요가 있다. 이때 PCT 히터를 사용하여 증발기의 온도를 증발기 사용 최저온도 이상으로 가열해 줌으로써 한 겨울에도 스마트팜에 설치된 히트펌프를 정상적으로 사용할 수 있다.

상기와 같은 작용효과를 위한 본 출원 발명의 구성은 다음과 같다.

스마트팜의 측벽을 따라 난방효율이 상대적으로 일반 PTC 히터와 비교하여 높은 공기열 히트펌프의 응축기와 송풍기를 복수개 배치하고, 복수개의 상기 공기열 히트펌프의 각각의 증발기는 가장 가까운 상기 스마트팜의 측벽의 외부에 인접하여 설치하고,

상기 공기열 히트펌프가 설치된 스마트팜의 내측으로 재배식물 주면으로 소형 PTC 전기히터를 재배 간격을 따라 복수개 설치하며,

상기 공기열 히트펌프와 소형 PTC 전기히터에 구비된 무선모듈과 400MHz 통신을 통하여 제어신호 및 온도 및 습도 데이터를 송수신하는 무선관리 게이트웨이를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 분산형 난방시스템을 제공한다.

또한, 상기 공기열 히트펌프의 난방 효율을 높이기 위하여 상기 증발기는 스마트팜의 측벽 외측에 고정하여 상기 스마트팜에서 측벽으로 손실되는 열을 흡수할 수 있도록 구비되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 분산형 난방시스템을 제공한다.

또한, 상기 공기열 히트펌프의 난방 효율을 높이기 위하여 상기 증발기는 스마트팜의 측벽 외측에 고정하고, 케이스를 더 구비하여 보관함으로써 상기 스마트팜에서 측벽으로 손실되는 열을 흡수할 수 있도록 구비되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 분산형 난방시스템을 제공한다.

또한, 상기 공기열 히트펌프의 난방 효율을 높이기 위하여 상기 증발기는 태양열 축열 또는 보일러로부터 열을 공급받아 상기 증발기의 온도를 높여주는 것을 특징으로 하는 하이브리드 분산형 난방시스템을 제공한다.

또한, 상기 공기열 히트펌프의 난방 효율을 높이기 위하여 상기 증발기는 외기 온도가 낮은 경우 그 기능을 상실할 수 있어 PTC히터 또는 열선히터를 더 구비하여 설정된 온도 이하로 상기 증발기의 온도가 떨어지는 경우 동작하여 상기 공기열 히트펌프가 정상적으로 동작할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 분산형 난방시스템을 제공한다.

또한, 상기 PTC 히터는 개개의 온도, 습도 센서를 가지고 있어, 상기 무선관리 게이트웨이로부터 설정온도를 전송받아 그 온도를 유지할 수 있도록 동작하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 분산형 난방시스템을 제공한다.

상기 무선관리 게이트웨이는 사용자로부터 설정된 내부 온도를 입력받아 상기 스마트팜의 내부 온도가 상기 사용자가 설정한 온도로 항사 유지될 수 있도록 복수개의 상기 공기열 히트펌프 및 복수개의 PTC 히터를 제어하며, 상기 복수개의 상기 공기열 히트펌프 및 복수개의 PTC 히터로부터 온도 및 습도 값을 연속적으로 수집하여 비교함으로써 상기 스마트팜 내부의 온도가 잘유지되고 있는지 확인하며, 특정 위치가 설정된 값을 유지하지 못하는 경우 그 위치 주면의 센서의 온도와 습도를 함께 모니터링함으로써 설정 온도를 유지하지 못하는 원인이 센서의 오동작인지 스마트팜의 문제인지를 확인하여 사용자에 알람하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 분산형 난방시스템을 제공한다.

100 : 네트워크형 하이브리드 난방 시스템
200 : 히트펌프 전기 온풍기
210 : 응축기
220 : 난방팬
230 : 무선통신모듈을 구비한 제어기
240 : 팽창밸브모듈(증발기)
250 : PCT히터
300 : 소형 PTC 전기 히터
400 : 태양광발전기
500 : 난방기 무선관리 게이트웨이
600 : 집열장치
610 : 집열부
620 : 열교환부
630 : 축열부
640 : 축열제어부

Claims (5)

1. 스마트팜의 측벽을 따라 난방효율이 상대적으로 일반 PTC 히터와 비교하여 높은 공기열 히트펌프의 응축기와 송풍기를 복수개 배치하고, 복수개의 상기 공기열 히트펌프의 각각의 증발기는 가장 가까운 상기 스마트팜의 측벽의 외부에 인접하여 설치하고,
   상기 공기열 히트펌프가 설치된 스마트팜의 내측으로 재배식물 주변으로 소형 PTC 전기히터를 재배 간격을 따라 복수개 설치하며,
   상기 공기열 히트펌프와 소형 PTC 전기히터에 구비된 무선모듈과 400MHz 통신을 통하여 제어신호 및 온도 및 습도 데이터를 송수신하는 무선관리 게이트웨이를 더 구비하며,
   상기 공기열 히트펌프의 난방 효율을 높이기 위하여 상기 증발기는 스마트팜의 측벽 외측에 고정하여 상기 스마트팜에서 측벽으로 손실되는 열을 흡수할 수 있도록 구비되고,
   상기 공기열 히트펌프의 난방 효율을 높이기 위하여 상기 증발기는 스마트팜의 측벽 외측에 고정하고, 케이스를 더 구비하여 보관함으로써 상기 스마트팜에서 측벽으로 손실되는 열을 흡수하며,
   상기 공기열 히트펌프의 난방 효율을 높이기 위하여 상기 증발기는 태양열 축열 또는 보일러로부터 열을 공급받아 상기 증발기의 온도를 높이고,
   상기 공기열 히트펌프의 난방 효율을 높이기 위하여 상기 증발기는 외기 온도가 낮은 경우 그 기능을 상실할 수 있어 PTC히터 또는 열선히터를 더 구비하여 설정된 온도 이하로 상기 증발기의 온도가 떨어지는 경우 동작하여 상기 공기열 히트펌프가 정상적으로 동작할 수 있도록 하고,
   상기 PTC 히터는 개개의 온도, 습도 센서를 가지고 있어, 상기 무선관리 게이트웨이로부터 설정온도를 전송받아 그 온도를 유지할 수 있도록 동작하며,
   상기 무선관리 게이트웨이는 사용자로부터 설정된 내부 온도를 입력받아 상기 스마트팜의 내부 온도가 상기 사용자가 설정한 온도로 항상 유지될 수 있도록 복수개의 상기 공기열 히트펌프 및 복수개의 PTC 히터를 제어하며, 상기 복수개의 상기 공기열 히트펌프 및 복수개의 PTC 히터로부터 온도 및 습도 값을 연속적으로 수집하여 비교함으로써 상기 스마트팜 내부의 온도가 잘 유지되고 있는지 확인하며, 특정 위치가 설정된 값을 유지하지 못하는 경우 그 위치 주면의 센서의 온도와 습도를 함께 모니터링함으로써 설정 온도를 유지하지 못하는 원인이 센서의 오동작인지 스마트팜의 문제인지를 확인하여 사용자에 알람하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 분산형 난방시스템.
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