KR102486754B1 - 냉수성 또는 온수성 어종의 동시 양어가 가능한 아쿠아포닉스 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 냉수성 또는 온수성 어종의 동시 배양이 가능한 아쿠아포닉스 시스템은 냉수성 또는 온수성 어종을 양어하기 위한 적어도 하나 이상의 양어 수조, 수경 식물을 재배하기 위한 적어도 하나 이상의 수경 재배조, 및 양어 수조 및 수경 재배조를 연결하는 급배수 라인 중에 구비되어 급배수 라인 간의 상호 열 교환에 의해 양어 수조 및 수경 재배조의 수온을 조절하는 히트 펌프를 구비한다.

Description

냉수성 또는 온수성 어종의 동시 양어가 가능한 아쿠아포닉스 시스템{Aquaphonics system for aquaculturing cold or hot water fish}

본 발명은 바이오플락을 이용한 순환여과 방식의 배출수를 활용하여 식물을 재배하고 여기서 정화된 물을 물고기 사육에 필요한 사육수로 재활용하는 아쿠아포닉스 시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 물고기 양식에서 필요로 하는 최적 수온과 식물 재배 시 필요로 하는 최적 수온을 히트 펌프를 이용한 상호 열 교환을 통해 적정 온도를 효율적으로 유지함으로써 전력 등 운영비는 절감하면서도 물고기 어종의 다양한 조합을 가능하게 하여 농가 소득 증대에 기여할 수 있는 냉수성 또는 온수성 어종의 동시 양어가 가능한 아쿠아포닉스 시스템에 관한 것이다.

최근 친환경 농법의 기술 중 하나로서 아쿠아포닉스(aquaponics) 농법에 대한 관심이 날로 증가하고 있으며, 크게 각광받고 있다.

아쿠아포닉스(Aquaponics)란 물고기 양식(Aquaculture)과 수경재배(Hydroponics)를 의미하는 용어의 합성어로서, 수조에서 물고기를 키우고, 물고기 배설물과 소진되지 않은 물고기 사료 등 사육수의 수질을 악화시킬 수 있는 오염원을 순환시켜 수경 재배하는 식물의 영양원으로 공급하며, 식물의 뿌리는 물속에 녹아 든 물고기 배설물 등의 유기물에서 영양분을 섭취하고 물고기에 유해한 암모니아를 정화시켜 물고기에게 깨끗한 물을 순환 공급하는 최신의 친환경 순화여과 시스템이다.

이러한 아쿠아포닉스 시스템은 식물과 어류뿐만 아니라 환경유용 미생물이 포함되며, 환경유용 미생물을 이용하여 암모니아, 아질산 등의 오염물질을 분해시키거나 새로운 유기물로 전환시켜 먹이로 재이용하게 한다. 사육수 내에는 미생물-식물프랑크톤-동물프랑크톤-양식생물 사이에 건강한 생태계가 균형을 유지하게 하면 환경유용 미생물군이 사육수 내에서 우점하기 때문에 기생충이나 비브리오 등의 병원균이 외부에서 유입되더라도 경쟁에서 밀려 질병을 일으키기 어렵다.

또한 아쿠아포닉스 시스템은 기존 양식장에서 배출되는 사육수로 인한 환경오염을 줄일 수 있다. 양식생물의 배설물과 사료 찌꺼기 등이 다량 함유되어있는 사육수를 외부로 배출하면 주변 하천이나 연안을 오염시키고 부영양화를 일으켜 녹조 또는 적조를 유발하며 이로 인한 수질악화를 처리하기 위해 많은 비용이 소요된다.

그러나, 폐쇄된 순환여과양식 시스템인 아쿠아포닉스 시스템을 사용하면 사료찌꺼기, 양식생물 배설물 등이 환경유용 미생물에 의해 천연 유기물로 전환되어 재이용할 수 있으며, 식물-플랑크톤-고 양식생물로 이어지는 안정적인 생태 균형을 유지하게 되어 배출되는 폐수량을 완벽히 저감시켜 매우 효율적으로 환경개선 효과를 가져올 수 있다.

또한 친환경적이고 사료 및 에너지 효율이 높을 뿐만 아니라, 자연환경 및 지리적 입지조건에 제한받지 않고 연중 안정적인 유기 농산물의 생산 및 공급체계 구축이 가능한 도심형 식물공장으로도 가능하기 때문에 아쿠아포닉스 시스템에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다..

또한 아쿠아포닉스 시스템의 수경재배는 토양에서의 재배에 비해 연작 정해를 피할 수 있고, 재배수질을 관리함으로써 재배식물로의 병원균 및 바이러스 감염 기회를 낮출 수 있는 장점이 있다. 아쿠아포닉스 시스템의 경우 양식생물로의 기생식물, 병원균 및 바이러스의 유입을 억제하기 위해 폐쇄된 시스템에서 관리하기 때문에 재배식물의 병충해를 예방하는 데에도 매우 효과적이다.

이러한 종래 아쿠아포닉 시스템은 일반적으로 어류 등의 양식생물을 사육할 수 있는 수조, 상기 수조 내의 사육수를 수경재배조로 옮길 수 있는 펌프, 식물재배조로 가는 도중에 사육수에 포함된 고형폐기물을 제거하는 필터 및 수경재배를 위한 식물의 재배조를 포함하여 구성된다.

이 때, 상기 수조의 물고기와 식물재배조의 식물은 각각 생장을 위한 각각의 최적 수온이 존재하는데, 예를 들면, 온수성 어종인 메기의 최적 수온은 25 내지 30도, 냉수성 어종인 무지개 송어의 최적 수온은 10 내지 15도, 수경 재배를 위한 식물의 최적 수온은 18 내지 25도로 각각 다른 수온을 필요로 하고 있다.

그러므로 상기 종래 아쿠아포닉스 시스템은 통상 물고기 어종과 재배 식물에 따라 수온 조건이 모두 달라 수조별로 냉난방을 위한 공조장치를 각각 별도로 설치하여 수온을 조절하거나 아예 비슷한 적정 수온을 가지는 물고기와 식물을 택일하여 선택적으로 양식 또는 재배하고 있는 실정이다.

그러나, 상술한 바와 같이 수조별로 냉난방을 위한 공조장치를 각각 별도로 설치하여 수온을 조절하는 경우에는 물고기와 재배 식물이 동시에 만족할 수온을 공급하기 위해서는 막대한 전력이 소비되므로 설비비뿐만 아니라 전력 비용의 급증으로 매우 비효율적인 문제점이 있었다.

이에 따라 전력 비용 등의 높은 운영비용 대비 다른 수온을 요구하는 냉수성 어종과 온수성 어종을 동시에 양식하는 것이 불가능하므로 물고기 양식과 식물 재배를 통해 얻을 수 있는 농가 소득은 현실적으로 저조한 문제점이 있었다.

한국 등록특허 제1813598호 (2017.12.22. 공개)

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 안출된 것으로, 바이오플락을 이용한 순환여과 방식의 배출수를 활용하여 식물을 재배하고 여기서 정화된 물을 물고기 사육에 필요한 사육수로 재활용하는 아쿠아포닉스 시스템에 있어서, 물고기 양식에서 필요로 하는 최적 수온과 식물 재배 시 필요로 하는 최적 수온을 히트 펌프를 이용한 상호 열 교환을 통해 적정 온도를 효율적으로 유지함으로써 전력 등 운영비는 절감하면서도 물고기 어종의 다양한 조합을 가능하게 하여 농가 소득 증대에 기여할 수 있는 냉수성 또는 온수성 어종의 동시 양어가 가능한 아쿠아포닉스 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 일 실시예에 따라, 냉수성 또는 온수성 어종을 양어하기 위한 적어도 하나 이상의 양어 수조; 수경 식물을 재배하기 위한 적어도 하나 이상의 수경 재배조; 및 상기 양어 수조 및 수경 재배조를 연결하는 급배수 라인 중에 구비되어 상기 급배수 라인 간의 상호 열 교환에 의해 양어 수조 및 수경 재배조의 수온을 조절하는 히트 펌프;를 포함하여 구성된다.

또한 일 실시예에 따라, 양어 수조 배수라인과 수경 재배조 급수라인 사이에는 제1 섬프 탱크가 구비됨과 함께 수경 재배조 배수라인과 양어 수조 급수라인 사이에는 제2 섬프 탱크가 구비되어 상기 제1 섬프 탱크 및 제2 섬프 탱크 내에 수용된 물이 히트 펌프에서 상호 열교환된다.

또한 일 실시예에 따라, 양어 수조 배수라인과 제1 섬프 탱크 사이에는 필터 탱크가 더 구비된다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 필터 탱크의 배수단에서, 수경 재배조 급수라인과 연결되는 제1 분기 라인에는 제1 밸브가 구비됨과 함께 제1 섬프 탱크와 연결되는 제2 분기 라인은 제2 밸브가 구비된다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 제1 섬프 탱크의 배수단에서, 수경 재배조 급수라인과 연결되는 제3 분기 라인에는 3방향 밸브가 구비됨과 함께 양어 수조 급수라인과 연결되는 제4 분기 라인에는 제3 밸브가 구비된다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 제2 섬프 탱크와 연결되는 수경 재배조 배수라인에는 제5 분기 라인이 분기됨과 함께 상기 제5 분기 라인이 3방향 밸브에 연결된다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 제4 분기 라인이 연결되는 양어 수조 급수라인은 냉온성 또는 온수성 어종을 위해 각각 다른 수온의 물이 급수되도록 제6 분기 라인과 제7 분기 라인으로 나누어지되, 상기 제4 분기 라인과 제7 분기 라인 사이에는 제4 밸브가 구비된다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 히트 펌프는, 제2 섬프 탱크의 물을 열 교환에 의해 가열하는 응축기; 상기 응축기에서 나온 냉매의 압력을 저감하는 팽창 밸브; 제1 섬프 탱크의 물을 열 교환에 의해 냉각하는 증발기; 및 상기 증발기에서 나온 저온의 냉매 기체를 압축하는 압축기;를 포함하여 구성된다.

또한 다른 실시예에 따라, 상기 히트 펌프는, 제1 섬프 탱크의 물을 열 교환에 의해 가열하는 응축기; 상기 응축기에서 나온 냉매의 압력을 저감하는 팽창 밸브; 제2 섬프 탱크의 물을 열 교환에 의해 냉각하는 증발기; 및 상기 증발기에서 나온 저온의 냉매 기체를 압축하는 압축기;를 포함하여 구성된다.

또한 일 실시예에 따라, 상기 압축기의 출구단에는 4방향 밸브가 더 구비된다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 물고기 양식에서 필요로 하는 최적 수온과 식물 재배 시 필요로 하는 최적 수온을 히트 펌프를 이용한 상호 열 교환을 통해 적정 온도를 효율적으로 유지함으로써 물고기와 식물의 최적 성장을 증진시킴은 물론, 전력 등 운영비는 절감하면서도 냉수성 또는 온수성 어종의 동시 양어가 가능하므로 물고기 어종의 다양한 조합을 통해 수확량을 향상시켜 농가 소득 증대에 기여할 수 있는 유익한 효과가 있다.

도 1은 본 발명 냉수성 또는 온수성 어종의 동시 양어가 가능한 아쿠아포닉스 시스템의 일 실시예에 따른 전체 구성도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 온수성 어종 만을 양어하는 경우의 시스템 운용 예시도
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 냉수성 어종 만을 양어하는 경우의 시스템 운용 예시도
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 온수성 및 냉수성 어종을 동시에 양어하는 경우의 시스템 운용 예시도
도 5a는 본 발명 시스템의 일 실시예에 따른 히트 펌프의 구성도
도 5b는 본 발명 시스템의 다른 실시예에 따른 히트 펌프의 구성도

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 내지 "구비하다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 냉수성 또는 온수성 어종의 동시 배양이 가능한 아쿠아포닉스 시스템의 구성 및 작동 관계에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 냉수성 또는 온수성 어종의 동시 양어가 가능한 아쿠아포닉스 시스템의 일 실시예에 따른 전체 구성도이다.

본 발명의 아쿠아포닉스 시스템은, 양어 수조(100)에서 발생된 사육수(물)로부터 물고기 분변 등의 고형폐기물을 여과한 후, 이를 수경 재배조(200)에 공급하기 전에 상기 양어 수조(100)와 수경 재배조(200) 간의 급배수 라인에 히트 펌프(500)를 설치하여 양어 수조(100)와 수경 재배조(200)의 물 간에 상호 열 교환이 이루어지도록 함으로써 물고기와 식물에 필요한 각각의 최적 수온을 조절하여 공급할 수 있다.

상기 도 1을 참조하면, 이를 위해 본 발명 아쿠아포닉스 시스템은, 냉수성 또는 온수성 어종을 양어하기 위한 적어도 하나 이상의 양어 수조(100)와, 수경 식물을 재배하기 위한 적어도 하나 이상의 수경 재배조(200)를 구비한다.

또한, 상기 양어 수조(100) 및 수경 재배조(200) 사이에는 물 순환을 위해 급배수 라인(AOL, AIL, HIL, HOL)이 구비되며, 상기 급배수 라인(AOL, AIL, HIL, HOL)에는 양어 수조(100) 및 수경 재배조(200)로부터 순환되는 급배수 간의 상호 열 교환에 의해 양어 수조(100) 및 수경 재배조(200)의 수온을 조절하기 위한 히트 펌프(500)가 구비된다.

또한, 상기 양어 수조 배수라인(AOL)과 수경 재배조 급수라인(HIL) 사이에는 제1 섬프 탱크(400-1)가 구비됨과 함께 수경 재배조 배수라인(HOL)과 양어 수조 급수라인(AIL) 사이에는 제2 섬프 탱크(400-2)가 구비되며, 상기 제1 섬프 탱크(400-1) 및 제2 섬프 탱크(400-2) 내에 수용된 물이 각각의 열교환 라인(HEL1, HEL2)을 통해 히트 펌프(500)에서 상호 열 교환되어지도록 구성된다.

그러므로, 앞서 상술한 바와 같이 종래 아쿠아포닉스 시스템이 다수의 양어 수조 또는 수경 재배조 별로 냉난방 공조장치를 구비 및 상기 냉난방 공조장치를 별도로 가동해야 했던 것에 비해 본 발명은 시스템에 투입되는 전력량이 대폭 절감될 수 있음은 이해 가능하다.

또한, 양어 수조 배수라인(AOL)과 제1 섬프 탱크(400-1) 사이에는 필터 탱크(300)가 더 구비된다. 상기 필터 탱크(300)는 양어 수조(100)로부터 물고기의 분변이나 물고기가 먹다 남은 물고기 사료 등의 고형폐기물을 다양한 필터를 통해 걸러 제거하는 역할을 수행한다.

또한, 상기 필터 탱크(300)의 배수단 중에서, 수경 재배조 급수라인(HIL)과 연결되는 제1 분기 라인(SL1)에는 제1 밸브(V1)가 구비됨과 함께 제1 섬프 탱크(400-1)와 연결되는 제2 분기 라인(SL2)은 제2 밸브(V2)가 구비된다.

이에 따라 상기 필터 탱크(300)를 거쳐 정화된 물은 제1 밸브(V1)를 통해 수경 재배조 급수라인(HIL)으로 바로 급수되거나, 또는 제2 밸브(V2)를 통해 제1 섬프 탱크(400-1)로 공급되어질 수 있다. 즉, 상기 제1, 제2 밸브(V1, V2)의 개폐를 제어함에 의해 물의 폐순환 루프를 선택적으로 형성할 수 있다.

또한, 상기 제1 섬프 탱크(400-1)의 배수단 중에서, 수경 재배조 급수라인(HIL)과 연결되는 제3 분기 라인(SL3)에는 3방향 밸브(600)가 구비됨과 함께 양어 수조 급수라인(AIL)과 연결되는 제4 분기 라인(SL4)에는 제3 밸브(V3)가 구비된다.

이에 따라 상기 제1 섬프 탱크(400-1)에 저수된 물은 3방향 밸브(600)를 통해 수경 재배조 급수라인(HIL)으로 급수될 수 있으며, 또는 상기 제3 밸브(600)를 통해 양어 수조 급수라인(AIL)쪽으로 공급될 수도 있다.

또한, 상기 제2 섬프 탱크(400-2)와 연결되는 수경 재배조 배수라인(HOL)에는 제5 분기 라인(SL5)이 분기됨과 함께 상기 제5 분기 라인(SL5)이 3방향 밸브(600)에 연결된다.

또한, 상기 제4 분기 라인(SL4)이 연결되는 양어 수조 급수라인(AIL)은 냉온성 또는 온수성 어종을 위해 각각 다른 수온의 물이 급수되도록 제6 분기 라인(SL6)과 제7 분기 라인(SL7)으로 나누어지되, 상기 제4 분기 라인(SL4)과 제7 분기 라인(SL7) 사이에는 제4 밸브(V4)가 구비된다.

상술한 제3 밸브(V3) 및 3방향 밸브(600)를 통해 제1 섬프 탱크(400-1)의 물이 양어 수조 급수라인(AIL)의 제6 분기 라인(SL6) 및 제7 분기 라인(SL7)으로 분할하여 공급되는 경우에는 냉수성 또는 온수성 어종을 동시에 양어할 때 이용되는 물의 폐순환 루프로서, 이는 후술하는 도 4의 실시예 설명에서 보다 자세히 살펴보기로 한다.

따라서, 상술한 본 발명 아쿠아포닉스 시스템에 의해, 냉수성 어종 또는 온수성 어종 등 모든 물고기 어종과 식물의 생장에 적합한 최적의 수온을 효율적으로 공급할 수 있게 된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 온수성 어종 만을 양어하는 경우의 시스템 운용 예시도이다.

즉, 상기 도 2에서는 온수성 어종인 메기 만을 양어하는 경우를 예시한다.

온수성 어종인 메기의 경우, 최적 수온은 25 내지 30℃로 알려져 있으며, 이 때 수경 재배를 위한 식물의 최적 수온은 통상 18 내지 25℃가 적정하므로 온수성 어종인 메기와 수경 재배 식물은 각각 다른 수온을 필요로 한다.

먼저, 상기 제1 내지 제4 양어 수조(100-1, 100-2, 100-3, 100-4)에 있는 물고기는 모두 온수성 어종인 메기이므로 각 양어 수조 배수라인(AOL)의 수온(T1, T2, T3)는 공히 25℃로 동일하게 유지된다.

이어서, 상기 양어 수조 배수라인(AOL)으로부터 필터 탱크(300)로 물이 공급되면 필터 탱크(300)에서 고형폐기물을 걸려 정화한 후, 제1 섬프 탱크(400-1)로 공급하게 된다. 이 때, 제1 밸브(V1)는 폐쇄(close), 제2 밸브(V2)는 개방(open)된다. (V1=close, V2=open, 도 2 참조)

계속해서, 상기 제1 섬프 탱크(400-1)로 공급된 물은 히트 펌프(500)의 증발기(530, 도 5a 참조)와 제1 열교환 라인(HEL1)을 통해 열 교환되어 20℃(T5)로 냉각된 뒤, 수경 재배조(200)의 급수라인으로 공급된다. 앞서 설명한 바와 같이 이로써 상기 수경 재배조(200)에는 식물의 생장에 최적 수온인 20℃(T6)의 물이 공급되어진다.

한편, 상기 수경 재배조(200)를 거친 물은 수경 재배조(200)의 배수라인(HOL)을 통해 제2 섬프 탱크(400-2)로 물이 유입되는데, 이 때 상기 제2 섬프 탱크(400-2)는 히트 펌프(500)의 응축기(510, 도 5a 참조)와 제2 열교환 라인(HEL2)을 통해 열 교환되어 물고기의 생장에 최적 수온인 25℃(T8)로 다시 가열된다.

이 후, 상기 제2 섬프 탱크(400-2)의 물은 양어 수조 급수라인(AIL)을 통해 각 양어 수조(100-1, 100-2, 100-3, 100-4)로 재공급됨으로써 물의 폐순환 루프가 형성된다. 이 때, 제3 밸브(V3)는 폐쇄(close), 제4 밸브(V4)는 개방(open)된다. (V3=close, V4=open, 도 2 참조)

따라서, 종래 아쿠아포닉스 시스템에서는 메기가 있는 양어 수조와 식물이 있는 수경 재배조에 모두 동일한 25℃의 수온의 물을 공급하고 있지만, 본 발명 아쿠아포닉스 시스템을 이용하는 경우 온수성 어종인 메기에게 최적 수온인 25℃의 물을 공급하는 한편, 히트 펌프를 통해 제1 섬프 탱크와 제2 섬프 탱크의 물을 상호 열 교환함으로써 수경 재배조의 식물에는 최적 수온인 20℃의 물을 공급할 수 있으므로 결국 온수성 어종인 메기와 식물이 동시에 만족할 수 있는 최적 수온을 각각 공급할 수 있게 되는 것이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 냉수성 어종 만을 양어하는 경우의 시스템 운용 예시도이다.

즉, 상기 도 3에서는 냉수성 어종인 송어 만을 양어하는 경우를 예시한다.

냉수성 어종인 송어의 경우, 최적 수온은 10 내지 15℃로 알려져 있으며, 이 때 수경 재배를 위한 식물의 최적 수온은 통상 18 내지 25℃가 적정하므로 냉수성 어종인 송어와 수경 재배 식물은 각각 다른 수온을 필요로 한다.

먼저, 상기 제1 내지 제4 양어 수조(100-1, 100-2, 100-3, 100-4)에 있는 물고기는 모두 냉수성 어종인 송어이므로 각 양어 수조 배수라인(AOL)의 수온(T1, T2, T3)는 공히 15℃로 동일하게 유지된다.

이어서, 상기 양어 수조 배수라인(AOL)으로부터 필터 탱크(300)로 물이 공급되면 상기 필터 탱크(300)에서 고형폐기물을 걸려 정화한 후, 제1 섬프 탱크(400-1)로 공급되어진다. 이 때, 제1 밸브(V1)는 폐쇄(close), 제2 밸브(V2)는 개방(open)된다. (V1=close, V2=open, 도 3 참조)

계속해서, 상기 제1 섬프 탱크(400-1)로 공급된 물은 히트 펌프(500)의 응축기(510, 도 5b 참조)와 제1 열교환 라인(HEL1)을 통해 열 교환되어 20℃(T5)로 가열된 뒤, 수경 재배조(200)의 급수라인(HIL)으로 공급된다. 앞서 설명한 바와 같이 이로써 상기 수경 재배조(200)에는 식물의 생장에 최적 수온인 20℃(T6)의 물이 공급되어진다.

한편, 상기 수경 재배조(200)를 거친 물은 수경 재배조(200)의 배수라인(HOL)을 통해 제2 섬프 탱크(400-2)로 물이 유입되는데, 이 때 상기 제2 섬프 탱크(400-2)는 히트 펌프(500)의 증발기(530, 도 5b 참조)와 제2 열교환 라인(HEL2)을 통해 열 교환되어 송어의 생장에 최적 수온인 15℃(T8)로 다시 냉각된다.

이 후, 상기 제2 섬프 탱크(400-2)의 물은 양어 수조 급수라인(AIL)을 통해 각 양어 수조(100-1, 100-2, 100-3, 100-4)로 재공급됨으로써 물의 폐순환 루프가 형성된다. 이 때, 제3 밸브(V3)는 폐쇄(close), 제4 밸브(V4)는 개방(open)된다. (V3=close, V4=open, 도 3 참조)

따라서, 종래 아쿠아포닉스 시스템에서는 송어가 있는 양어 수조와 식물이 있는 수경 재배조에 모두 동일한 15℃의 수온의 물을 공급하고 있지만, 본 발명 아쿠아포닉스 시스템을 이용하는 경우 냉수성 어종인 송어에게 최적 수온인 15℃의 물을 공급하는 한편, 히트 펌프를 통해 제1 섬프 탱크와 제2 섬프 탱크의 물을 상호 열 교환함으로써 수경 재배조의 식물에는 최적 수온인 20℃의 물을 공급할 수 있으므로 결국 냉수성 어종인 송어와 식물이 동시에 만족할 수 있는 최적 수온을 각각 공급할 수 있게 되는 것이다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 온수성 및 냉수성 어종을 동시에 양어하는 경우의 시스템 운용 예시도이다.

즉, 상기 도 4는 온수성 어종인 메기(25℃)와 냉수성 어종인 송어(15℃), 그리고 수경 재배 식물(20℃)을 동시에 키우는 경우를 예시한다.

예컨대, 온수성 어종인 메기의 최적 수온은 25 내지 30℃, 냉수성 어종인 송어의 최적 수온은 10 내지 15℃, 수경 재배를 위한 식물의 최적 수온은 18 내지 25℃로서, 각각 다른 최적 수온이 메기와 송어, 수경 재배 식물에 각각 공급되도록 설정될 수 있다.

먼저, 상기 도 4를 참조하면, 제1 양어 수조(100-1)와 제2 양어 수조(100-2)에는 온수성 어종인 메기가 양어되며, 한편 제3 양어 수조(100-3)와 제4 양어 수조(100-4)에는 냉수성 어종인 송어가 각각 나누어 양어된다.

이 때, 제1 양어 수조(100-1)와 제2 양어 수조(100-2)에는 온수성 어종인 메기가 양어되고 있으므로 상기 각 양어 수조(100-1, 100-2) 및 배수라인(AOL-1)의 수온이 25℃(T1)로 설정되며, 한편 제3 양어 수조(100-3)와 제4 양어 수조(100-4)에는 냉수성 어종인 송어가 양어되고 있으므로 상기 각 양어 수조(100-3, 100-4) 및 배수라인(AOL-2)의 수온은 15℃(T2)로 다르게 설정된다.

이 때, 상기 각 분기된 양어 수조 배수라인(AOL-1, AOL-1)이 합쳐지는 통합 배수라인(AOL)에서는 상기 각 수온(T1, T2)의 물이 서로 섞이면서 별도의 가열 또는 냉각 과정없이도 중간 온도인 20℃(T3)로 재설정됨은 이해 가능하다.

이 과정에서는 앞서 도 2와 도 3에서 살펴본 바와 같이 히트 펌프(500)에 의해 물을 가열하거나 냉각하지 않고도 수경 재배 식물을 위한 20℃의 최적 수온을 얻을 수 있으므로 상기 20℃의 물이 바로 수경 재배조(200)로 급수 가능한 이점을 갖는다.

이어서, 상기 통합된 양어 수조 배수라인(AOL)으로부터 필터 탱크(300)로 물이 공급되면 상기 필터 탱크(300)에서 고형폐기물을 걸려 정화한 후, 제1, 제3, 제5 수경 재배조(200-1, 200-3, 200-5)로 바로 공급되어진다. 이 때, 제1 밸브(V1)는 개방(open), 제2 밸브(V2)는 폐쇄(close)된다. (V1=open, V2=close, 도 4 참조)

계속해서, 상기 제1, 제3, 제5 수경 재배조(200-1, 200-3, 200-5)로 공급된 물은 다시 제2, 제4, 제6 수경 재배조(200-2, 200-4, 200-6)를 거쳐 수경 재배조 배수라인(HOL)을 통해 제2 섬프 탱크(400-2)로 공급되어진다.

이 때, 상기 수경 재배조(200)의 배수라인(HOL)은 제5 분기라인(SL5)을 통해 제2 섬프 탱크(400-2)뿐만 아니라 3방향 밸브(600)를 거쳐 제1 섬프 탱크(400-1)로도 연결되어 있으므로 수경 재배조 배수라인(HOL)을 거친 20℃(T7) 수온의 물은 제2 섬프 탱크(400-2)와 제1 섬프 탱크(400-1)로 각각 공급되어진다.

계속해서, 상기 제1 섬프 탱크(400-1)로 공급된 20℃(T7)의 물은 히트 펌프(500)의 응축기(510, 도 5b 참조)와 제1 열교환 라인(HEL1)을 통해 열 교환되어 25℃(T8-1)로 가열된 뒤, 제6 분기 라인(SL6) 및 수경 재배조(200)의 급수라인(HIL)을 통해 최종적으로 온수성 어종인 메기가 양어되고 있는 제1 및 제2 양어 수조(100-1, 100-2)로 급수된다.

한편, 상기 제2 섬프 탱크(400-2)로 공급된 20℃(T7)의 물은 히트 펌프(500)의 증발기(530, 도 5b 참조)와 제2 열교환 라인(HEL2)을 통해 열 교환되어 15℃(T8-2)로 냉각된 뒤, 제7 분기 라인(SL7) 및 수경 재배조(200)의 급수라인(HIL)을 통해 최종적으로 냉수성 어종인 송어가 양어되고 있는 제3 및 제4 양어 수조(100-3, 100-4)로 급수됨으로써 물의 폐순환 루프가 형성된다.

이 때, 제3 밸브(V3)는 개방(open), 제4 밸브(V4)는 폐쇄(close)됨으로써 제1 섬프 탱크(400-1)로부터의 25℃(T8-1) 수온의 물과 제2 섬프 탱크(400-2)로부터의 15℃(T8-2) 수온의 물이 나누어 공급될 수 있게 된다.(V3=open, V4=close, 도 4 참조)

따라서, 종래 아쿠아포닉스 시스템에서는 온수성 어종 또는 냉수성 어종이 들어있는 양어 수조와 식물이 있는 수경 재배조에 모두 동일한 수온의 물을 공급하고 있지만, 본 발명 아쿠아포닉스 시스템을 이용하는 경우 온수성 어종인 메기에게 최적 수온인 25℃의 물을 공급하는 한편, 냉수성 어종인 송어에게는 최적 수온인 15℃의 물을 각각 나누어 공급할 수 있다.

또한, 히트 펌프를 통해 제1 섬프 탱크와 제2 섬프 탱크의 물을 상호 열 교환함으로써 수경 재배조의 식물또한 최적 수온인 20℃의 물을 공급할 수 있으므로 결국 온수성 어종 및 냉수성 어종, 그리고 수경 재배 식물이 모두 동시에 만족할 수 있는 최적 수온을 각각 공급하여 최적의 생장온도를 조절할 수 있음에 따라 다양한 어종 및 식물의 혼합 생산이 가능하며, 물고기와 식물의 수확량을 최대화할 수 있다.

도 5a는 본 발명 시스템의 일 실시예에 따른 히트 펌프의 구성도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프(500)는, 크게 물을 가열하기 위한 열 교환기로서 응축기(510)와 물을 냉각하기 위한 열 교환기로서의 증발기(530)가 구비되며, 또한 냉매의 압축을 위한 압축기(550), 냉매의 기화를 위한 팽창 밸브(520), 4방향 밸브(4-Way Valve, 540) 등이 포함될 수 있다.

이와 같은 구성의 히트 펌프(500)에서 냉매는 팽창 밸브(520)에서 팽창하여 차가워진 뒤 증발기(530)에서 열을 흡수하여 기화되며, 이어서 상기 냉매는 압축기(550)에서 필요로 하는 온도로 압축된 후, 응축기(510)에서 순환수(물)와 열 교환한 뒤 다시 팽창 밸브(520)로 공급되는 폐쇄 사이클을 형성한다.

도 5a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프(500)는, 제1 섬프 탱크(400-1)의 물을 열 교환에 의해 가열하는 응축기(510)와, 상기 응축기(510)에서 나온 냉매의 압력을 저감하는 팽창 밸브(520)와, 제2 섬프 탱크(400-2)의 물을 열 교환에 의해 냉각하는 증발기(530)와, 상기 증발기(530)에서 나온 저온의 냉매 기체를 압축하는 압축기(550)를 포함하여 구성된다. 이 때, 상기 압축기(550)의 출구단에는 4방향 밸브(540)가 구비됨으로써 압축기(550)를 통한 냉매의 히트 펌프(500) 내 순환을 제어하게 된다.

이에 따라 상기 제2 섬프 탱크(400-2)의 물이 히트 펌프(500)의 응축기(510)와 제1 열교환 라인(HEL1)을 통해 가열되는 한편, 이와 동시에 제1 섬프 탱크(400-1)의 물은 반대로 히트 펌프(500)의 증발기(530)와 제2 열교환 라인(HEL2)을 통해 냉각됨으로써 상기 제1 섬프 탱크(400-1) 및 제2 섬프 탱크(400-2)의 물 간에 상호 열 교환이 이루어지게 됨은 이해 가능하다.

한편, 도 5b는 본 발명 시스템의 다른 실시예에 따른 히트 펌프의 구성도로서, 역으로 제1 섬프 탱크(400-1)의 물을 가열하고, 제2 섬프 탱크(400-2)의 물을 냉각하기 위해서는 도 5a에 도시된 제1 및 제2 섬프 탱크(400-1, 400-2)의 위치가 서로 바뀔 필요가 있다.

즉, 도 5b의 다른 실시예에 따른 히트 펌프(500)는, 제2 섬프 탱크(400-2)의 물을 제2 열교환 라인(HEL2)을 통한 열 교환에 의해 가열하는 증발기(530)와, 상기 증발기(530)에서 나온 저온의 냉매 기체를 압축하는 압축기(550)와, 제1 섬프 탱크(400-1)의 물을 열 교환에 의해 가열하는 응축기(510)와, 상기 응축기(510)에서 나온 냉매의 압력을 저감하는 팽창밸브(520)로 제1 및 제2 섬프 탱크(400-1, 400-2)의 위치가 바뀌어 구성될 수 있다.

아울러 본 발명은 단지 앞서 기술된 일 실시예에 의해서만 한정된 것은 아니며, 장치의 세부 구성이나 개수 및 배치 구조를 변경할 때에도 동일한 효과를 창출할 수 있는 것이므로 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 구성의 부가 및 삭제, 변형이 가능한 것임을 명시하는 바이다.

100 : 양어 수조 200 : 수경 재배조
300 : 필터 탱크 400-1: 제1 섬프 탱크
400-2: 제2 섬프 탱크 500 : 히트 펌프
510 : 응축기 520 : 팽창 밸브
530 : 증발기 540 : 4방향 밸브
600 : 3방향 밸브 AOL: 양어 수조 배수라인
AIL: 양어 수조 급수라인 HIL: 수경 재배조 급수라인
HOL: 수경 재배조 배수라인 HEL1: 제1 열교환 라인
HEL2: 제2 열교환 라인 SL: 분기 라인
V : 밸브 T : 수온

Claims (10)

1. 냉수성 또는 온수성 어종을 양어하기 위한 적어도 하나 이상의 양어 수조(100);
   수경 식물을 재배하기 위한 적어도 하나 이상의 수경 재배조(200);
   상기 양어 수조(100) 및 수경 재배조(200)를 연결하는 급배수 라인;
   상기 양어 수조(100)의 배수 라인과 상기 수경 재배조(200)의 급수 라인 사이에 구비되는 제1 섬프 탱크(400-1);
   상기 수경 재배조(200)의 배수 라인과 상기 양어 수조의 급수 라인 사이에 구비되는 제2 섬프 탱크(400-2);
   상기 제1 섬프 탱크(400-1)와 상기 제2 섬프 탱크(400-2) 사이에 구비되어 상호 열교환에 의해 상기 제1 섬프 탱크(400-1)와 상기 제2 섬프 탱크(400-2)의 물을 가열 또는 냉각시키는 히트 펌프(500);
   상기 양어 수조(100)의 배수 라인과 상기 제1 섬프 탱크(400-1) 사이에 구비되는 필터 탱크(300);
   상기 필터 탱크(300)와 상기 수경 재배조(200) 사이에서 상기 필터 탱크(300)의 일측 배수단에 연결되는 제1 분기 라인(SL1)에 구비되는 제1 밸브(V1);
   상기 필터 탱크(300)와 상기 제 섬프 탱크(400-1) 사이에 구비되는 제2 밸브(V2);
   상기 제1 섬프 탱크(400-1), 제2 섬프 탱크(400-2), 및 상기 수경 재배조(200) 사이에서 상기 수경 재배조(200)의 급수 라인과 상기 제1 섬프 탱크(400-1) 사이를 연결하는 제3 분기 라인(SL3)과 상기 제2 섬프 펌프(400-2)에 연결되는 상기 수경 재배조(200)의 배수 라인 및 상기 제3 분기 라인(SL3) 사이에 연결되는 제5 분기 라인(SL5)에 연결되는 3 방향 밸브(600);
   상기 제1 섬프 탱크(400-1)의 배수단에서, 상기 양어 수조(100)의 급수 라인과 연결되는 제4 분기 라인(SL4)에 구비되는 제3 밸브(V3); 및
   상기 제4 분기 라인(SL4)이 연결되는 상기 양어 수조(100)의 급수 라인은 냉수성 또는 온수성 어종을 위해 각각 다른 수온의 물이 급수되도록 제6 분기 라인(SL6)과 제7 분기 라인(SL7)으로 분기되고, 상기 제4 분기 라인(SL4)과 상기 제7 분기 라인(SL7) 사이에 구비되는 제4 밸브(V4)를 포함하고,
   상기 히트 펌프(500)는
   상기 제1 섬프 탱크(400-1)와 제2 섬프 탱크(400-2) 중 하나의 물을 가열하는 응축기(510);
   상기 응축기(510)에서 나온 냉매의 압력을 저감하는 팽창 밸브(520);
   상기 제2 섬프 탱크(400-2)와 제1 섬프 탱크(400-1) 중 다른 하나의 물을 냉각하는 증발기(530);
   상기 증발기(530)에서 나온 냉매를 압축하는 압축기(550); 및
   상기 압축기(550)의 출구단에서, 상기 압축기(550)의 출구단 및 입구단, 상기 응축기(510)의 입구단 및 상기 증발기(530)의 출구단에 연결되어 냉매의 순환을 제어하는 4 방향 밸브(540)를 포함하는, 냉수성 또는 온수성 어종의 동시 양어가 가능한 아쿠아포닉스 시스템.
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