KR102702667B1 - 스마트팜 에어하우스의 온도제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스마트팜 에어하우스의 온도제어 시스템에 관한 것으로, 좀더 상세하게 설명하자면, 압축공기를 이용하여 하우스의 골격을 구성하는 에어하우스(10)와, 상기 에어하우스(10)의 외면을 밀착상태로 둘러싸는 열매체 하우스(20), 지하에 열매체를 저장하고 있는 지중매설탱크(30), 상기 열매체 하우스(20)와 지중매설탱크(30) 사이에서 열매체를 순환시키는 열매체 순환수단(40), 그리고 지중온도(soil temperature)를 이용하여 상기 열매체를 가열 또는 냉각하는 열교환수단(50)을 포함하여 구성되는 온도제어 시스템에 관한 것이다.

Description

스마트팜 에어하우스의 온도제어 시스템{Temperature control system for air house of smart farm}

본 발명은 스마트팜 에어하우스의 온도제어 시스템에 관한 것으로, 좀더 상세하게 설명하자면, 압축공기를 이용하여 하우스의 골격을 구성하는 에어하우스(10)와, 상기 에어하우스(10)의 외면을 밀착상태로 둘러싸는 열매체 하우스(20), 지하에 열매체를 저장하고 있는 지중매설탱크(30), 상기 열매체 하우스(20)와 지중매설탱크(30) 사이에서 열매체를 순환시키는 열매체 순환수단(40), 그리고 지중온도(soil temperature)를 이용하여 상기 열매체를 가열 또는 냉각하는 열교환수단(50)을 포함하여 구성되는 온도제어 시스템에 관한 것이다.

스마트팜(smart farm)은 영농과정 전반에 사물인터넷(IoT) 또는 정보통신기술(ICT)을 접목하여 작물의 생육환경을 최적의 상태로 관리하는 자동제어 농장을 의미한다. 이러한 스마트팜은 주로 통상적인 비닐하우스나 유리온실 내에서 작물을 재배하지만, 철재 프레임을 사용하지 않고 에어튜브나 이중공간지에 압축공기를 주입하여 하우스 골격을 형성하는 에어하우스(air house)도 개발되어 있다.

이러한 스마트팜은 하우스 내부의 온도를 인위적으로 조절하기 때문에 온도를 제어하는데 많은 에너지와 비용이 소요된다. 그래서 종래에도 지중온도(soil temperature)를 이용하여 작물 재배용 하우스의 온도를 제어하는 시스템들이 개발되고 있다.

일반적으로 지표의 온도는 대기 온도와 거의 같지만, 지하 3~4m 정도의 깊이에서는 주간 및 야간은 물론, 계절의 변화에 따른 온도변화가 거의 나타나지 않는데 이를 지중온도(이하, ‘지온’ 또는 ‘지열’도 같은 의미로 사용한다)라고 한다. 그래서 주간이나 여름철에는 지중온도가 대기온도 보다 낮고, 야간이나 겨울철에는 지중온도가 대기온도 보다 대체로 높다.

이러한 지중온도를 이용한 온도제어 시스템으로서 예를 들면, 공개특허 제10-2010-0062755호(2010년 06월 10일)에는, 수막시설 하우스의 외부막과 내부막 사이로 지하수의 잠열과 열교환 된 액상 열매체를 흘러내리게 하여 냉방 또는 난방용 수막을 형성하는 순환 열매체 분사기와, 상기 외부막과 내부막 사이로 흘러내린 액상 열매체를 모으는 수집부를 포함하여 구성되는, 지하수의 잠열을 이용한 수막시설의 냉난방 시스템이 개시되어 있다.

또한 등록특허 제10-1672353호(2016년 10월 28일)에는, 에어하우스의 작업공간 내부에 지열을 축적하는 액상 열매체 저장탱크를 매설하고, 상기 작업공간의 공기를 흡입하여 상기 탱크에 저장된 액상 열매체와 열교환 시킨 다음, 그중 일부를 다시 상기 작업공간으로 배출하도록 구성된 조립식 에어하우스가 개시되어 있다.

등록특허 제10-1801480호(2017년 11월 20일)에는, 태양열과 지열을 이용하여 열교환 탱크의 물을 가온하고, 상기 물이 히트펌프의 증발용 코일을 통과하는 냉매를 가온한 다음, 상기 냉매가 온수탱크에 저장된 난방수를 가열하고, 상기 난방수가 난방수관을 통하여 비닐하우스 내부를 이송 순환하도록 구성된 비닐하우스의 난방시스템이 개시되어 있다.

마지막으로 공개특허 제10-2023-0065117호(2023년 05월 11일)에는, 외부막과 내부막으로 이루어진 에어돔 지붕과, 상기 에어돔 지붕 내부의 지면에 매몰되는 물탱크와, 상기 물탱크에 저장된 물을 지열과 열교환 시키는 지열교환장치를 포함하고, 상기 물탱크로부터 에어돔 지붕의 내부막과 외부막 사이로 미스트(mist)를 공급하여 온도조절용 수막을 형성하는 에어돔 스마트팜이 개시되어 있다.

공개특허 제10-2010-0062755호(2010년 06월 10일) 등록특허 제10-1672353호(2016년 10월 28일) 등록특허 제10-1801480호(2017년 11월 20일) 공개특허 제10-2023-0065117호(2023년 05월 11일)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 일교차가 거의 없는 지중온도를 이용하여 스마트팜 에어하우스의 온도를 효과적으로 제어할 수 있는 온도제어 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 스마트팜 에어하우스의 온도를 제어하는데 소요되는 에너지와 비용을 절감할 수 있는, 지중온도를 이용한 온도제어 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 사막이나 고원 지대 등과 같이 주간과 야간 사이에 기온의 일교차가 심한 지역에서도 효과적으로 스마트팜을 경영할 수 있는 온도제어 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 스마트팜 에어하우스의 온도제어 시스템은,

이중공간지 또는 에어튜브로 구성되고, 상기 이중공간지나 에어튜브 내부에 압축공기를 주입하여 스마트팜용 하우스의 골격을 구성하는 에어하우스와;

상기 에어하우스의 외면을 밀착상태로 둘러싸는 것으로, 내부에 액상 열매체가 충전(充塡)되는 이중공간지로 이루어지며, 상기 에어하우스에 의해 지지되는 열매체 하우스와;

상기 열매체 하우스로 공급되는 열매체를 저장한 상태로 지하에 매설되어 있는 지중매설탱크와;

상기 지중매설탱크에 저장되어 있는 열매체를 열매체 하우스의 이중공간지 내부로 공급하는 열매체 공급관 및 순환펌프와, 상기 열매체 하우스의 이중공간지에 충전되어 있는 열매체를 지중매설탱크로 회수하는 열매체 회수관 및 유압조절밸브를 포함하는 열매체 순환수단과;

상기 지중매설탱크에 저장되어 있는 열매체를 지중온도(soil temperature)와 열교환시켜 주는 열교환수단;

을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 추가적으로 상기 에어하우스의 실내 공기를 흡입하여 지중매설탱크 내부를 통과시키면서 열교환시킨 다음, 다시 에어하우스 실내로 공급하는 공조수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 스마트팜 에어하우스의 온도제어 시스템은 주간 및 야간의 알교차가 거의 없는 지중온도를 이용하여 스마트팜 에어하우스의 온도를 제어함으로써, 스마트팜의 운영에 소요되는 에너지와 비용을 크게 절약할 수 있고, 특히 사막이나 고원 지대 등과 같이 기온의 일교차가 극심한 지역에서도 에어하우스를 이용한 스마트팜을 경영할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 스마트팜 에어하우스의 온도제어 시스템에 대한 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 이용하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 다만, 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시한 것이므로 이들 실시예에 의해서 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다. 또한 본 발명을 실시하는데 꼭 필요한 구성이라 하더라도 종래기술에 소개되어 있거나, 통상의 기술자가 공지기술로부터 용이하게 실시할 수 있는 사항에 대해서는 구체적인 설명을 생략한다.

그리고 본 발명에 속하는 구성요소들 중에서 ‘~수단’이라는 명칭은 적어도 하나의 공통적인 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하는 것으로, 하드웨어나 소프트웨어 또는 이들의 결합에 의해서 구현될 수 있다. 또한 어떤 구성요소를 ‘포함’ 한다는 것은, 명시된 구성요소에 더하여 필요에 따라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 스마트팜 에어하우스의 온도제어 시스템은, 도 1과 같이 하우스의 골격을 구성하는 에어하우스(10)와, 상기 에어하우스(10)의 외면을 밀착상태로 둘러싸는 열매체 하우스(20), 지하에 열매체를 저장하고 있는 지중매설탱크(30), 상기 열매체 하우스(20)와 지중매설탱크(30) 사이에서 열매체를 순환시키는 열매체 순환수단(40), 그리고 지중온도를 이용하여 상기 열매체를 가열 또는 냉각하는 열교환수단(50)을 포함하여 구성된다.

먼저, 에어하우스(10)는 통상적인 스마트팜용 에어하우스와 마찬가지로 이중공간지 또는 에어튜브로 이루어지며, 상기 이중공간지나 에어튜브 내부에 압축공기를 주입하여 하우스의 골격을 구성한다. 상기 에어하우스(10)는 하우스의 골격을 형성하면서 상기 열매체 하우스(20)의 하중을 물리적으로 지탱하는 기능을 한다.

상기 에어하우스(10)의 구조는 벽체와 지붕으로 구성될 수 있고, 그 내부에는 통상적인 작물 재배시설, 예컨대 에어로포닉스(aeroponics) 농법에 적합하도록 구성된 작물재배단이 설치될 수 있다. 이러한 작물재배단의 구조는 본 출원인의 특허출원 제10-2023-0070133호에 구체적으로 개시되어 있다.

또한 벽체와 지붕을 구성하는 이중공간지의 구조는 등록특허 제10-1521277호 등에 개시되어 있고, 에어튜브의 구조는 등록실용신안 제20-0353437호 등에서 참고할 수 있다. 상기 에어하우스(10)를 구성하는 지붕의 구조는 평평한 슬라브(slab) 형이나 돔(dome) 형, 또는 삼각 지붕일 수도 있다.

다음으로 열매체 하우스(20)는 상기 에어하우스(10)의 외면을 밀착상태로 둘러싸는 것으로, 이중공간지로 이루어진다. 따라서 상기 에어하우스(10)와 열매체 하우스(20)는 서로 대응하는 형상을 갖는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 에어하우스(10)와 열매체 하우스(20) 사이의 경계면에는 적소에 양쪽을 서로 밀착하여 고정시켜 주는 부착수단, 예컨대 벨크로 테이프나 고정끈이 설치될 수 있다.

상기 열매체 하우스(20)를 구성하는 이중공간지 내부에는 액상 열매체가 충전(充塡)되고, 이러한 열매체로는 물을 사용할 수 있다. 물은 공기에 비해 비열(specific heat)이 훨씬 높기 때문에 열매체 하우스(20) 내부에 물을 충전해 두면, 예컨대 주간의 직사광선에 의해서 하우스 내부의 온도가 급격하게 상승하거나, 야간에 온도가 떨어지는 것을 방지할 수 있다.

다음으로 지중매설탱크(30)는 상기 열매체 하우스(20)로 공급되는 열매체를 저장하는 것으로 지하에 매설된다. 상기 지중매설탱크(30)는 에어하우스(10) 내부에 매설되는 것이 바람직하지만, 여기에 국한되는 것은 아니다. 상기 지중매설탱크(30)는 지하 2~5m 깊이에 매설되는 것이 바람직하다.

상기 지중매설탱크(30)는 에어하우스(10)와 열매체 하우스(20)를 지상에 고정시켜 주는 기능을 할 수도 있다. 이를 위하여 에어하우스(10) 및 열매체 하우스(20)의 하단부와 지중매설탱크(30) 사이에는 고정 케이블(도면에는 나타내지 않았음)이 설치될 수 있다.

상기 열매체 순환수단(40)은 지중매설탱크(30)에 저장되어 있는 열매체를 열매체 하우스(20)를 구성하는 이중공간지 내부로 공급하고, 또한 상기 이중공간지에 충전되어 있는 열매체를 지중매설탱크(30)로 회수하는 기능을 한다.

이러한 열매체 순환수단(40)은 열매체 하우스(20)와 지중매설탱크(30) 사이를 연결하는 열매체 공급관(41) 및 열매체 회수관(42)과, 그리고 여기에 각각 설치되는 순환펌프(43) 및 유압조절밸브(44)를 포함할 수 있다. 상기 순환펌프(43)는 열매치 공급관(41)을 통해서 열매체 하우스(20)로 열매체를 공급한다.

그리고 상기 유압조절밸브(44)는 열매체 하우스(20)에 주입된 열매체의 유압이 소정의 압력을 초과하면, 스스로 개방되면서 열매체 회수관(42)을 통해서 지중매설탱크(30)로 열매체를 회수한다. 따라서 열매체 하우스(20)에 주입된 열매체는 항상 일정한 유압을 유지할 수 있다. 상기 순환펌프(43)와 유압조절밸브(44)는 서로 연계하여 작동하도록 구성할 수 있다.

마지막으로 열교환수단(50)은 지중온도를 이용하여 상기 지중매설탱크(30)에 저장되어 있는 열매체를 가열 또는 냉각하는 기능을 하는 것으로, 통상적인 열교환수단 중에서 적당한 구성을 채택할 수 있다. 이러한 열교환수단(50)은 예컨대 주간에는 열매체를 냉각하고, 야간에는 열매체를 가열하는 기능을 할 수 있다.

상기 열교환수단(50)은 지중매설탱크(30)의 내부 및 그 주변에 걸쳐서, 바람직하기로는 지중매설탱크(30) 보다 더 깊은 지하에 설치될 수 있고, 예컨대 상기 열매체를 지하로 순환시키는 열교환 파이프를 포함할 수 있다. 상기 열교환수단(50)은 상기 열매체를 인위적으로 가열하거나 냉각하는 수단을 더 포함할 수도 있다.

본 발명에 따른 스마트팜 에어하우스의 온도제어 시스템은, 추가적으로 상기 에어하우스(10)의 실내 공기를 흡입하여 지중매설탱크(30) 내부를 통과시킨 다음, 다시 에어하우스(10) 실내로 공급하는 공조수단(60)을 더 포함할 수 있다. 이러한 공조수단(60)을 통해서 에어하우스(10)의 실내 공기가 지중매설탱크(30)를 통과하면서 가열 또는 냉각된 다음, 다시 에어하우스(10) 실내로 공급된다.

(10) 에어하우스 (20) 열매체 하우스
(30) 지중매설탱크 (40) 열매체 순환수단
(41) 열매체 공급관 (42) 열매체 회수관
(43) 순환펌프 (44) 유압조절밸브
(50) 열교환수단

Claims (4)

1. 이중공간지 또는 에어튜브로 구성되고, 상기 이중공간지나 에어튜브 내부에 압축공기를 주입하여 스마트팜용 하우스의 골격을 구성하는 에어하우스와;
   상기 에어하우스의 외면을 밀착상태로 둘러싸는 것으로, 내부에 액상 열매체가 충전(充塡)되는 이중공간지로 이루어지고, 상기 에어하우스에 의해 지지되는 열매체 하우스와;
   상기 열매체 하우스로 공급되는 열매체를 저장한 상태로 지하에 매설되어 있는 지중매설탱크와;
   상기 지중매설탱크에 저장되어 있는 열매체를 열매체 하우스의 이중공간지 내부로 공급하는 열매체 공급관 및 순환펌프와, 상기 열매체 하우스의 이중공간지에 충전되어 있는 열매체를 지중매설탱크로 회수하는 열매체 회수관 및 유압조절밸브를 포함하는 열매체 순환수단과;
   상기 지중매설탱크에 저장되어 있는 열매체를 지중온도(soil temperature)와 열교환 시켜주는 열교환수단;을 포함하고,
   상기 에어하우스와 열매체 하우스의 경계면 사이에는 서로 대응하는 부착수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는, 스마트팜 에어하우스의 온도제어 시스템
   
2. 제1항에 있어서, 추가적으로 상기 에어하우스의 실내 공기를 흡입하여 상기 지중매설탱크의 내부로 통과시키면서 열교환 시킨 다음, 다시 에어하우스 실내로 공급하는 공조수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 스마트팜 에어하우스의 온도제어 시스템
   
3. 삭제
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열매체는 물 인 것을 특징으로 하는, 스마트팜 에어하우스의 온도제어 시스템