KR20180089601A - 식물공장의 환경제어 시스템 및 이를 이용한 환경제어 방법 - Google Patents

식물공장의 환경제어 시스템 및 이를 이용한 환경제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광 식물공장 및 이의 하층부에 배치된 인공광 식물공장을 포함하는 하이브리드형 식물공장의 환경제어 시스템으로서, 상기 태양광 식물공장은, 내부 공기를 외부와 환기하기 위한 하나 이상의 환기팬; 및 내부 온도를 조절하기 위한 난방기;를 포함하고, 상기 인공광 식물공장은, 내부에서 재배될 식물에 빛을 공급하기 위한 조명; 내부 온도를 조절하기 위한 냉난방기;를 포함하고, 이 때 상기 환경제어 시스템은, 상기 태양광 식물공장의 공기를 흡입하여 상기 인공광 식물공장 내부로 배출하는 제1 송풍기; 및 상기 인공광 식물공장의 공기를 흡입하여 상기 태양광 식물공장 내부로 배출하는 제2 송풍기;를 더 포함하는 하이브리드형 식물공장의 환경제어 시스템이 제공된다.

Description

식물공장의 환경제어 시스템 및 이를 이용한 환경제어 방법 {Environment-control system for plant factory and Environment-control method using the same}
본 발명은 식물을 재배하는 식물공장(plant factory)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광형 식물공장과 인공광형 식물공장을 결합한 식물공장의 환경제어 시스템 및 이를 이용한 환경제어 방법에 관한 것이다.
식물공장(plant factory)는 식물을 온실 등의 시설물 안에서 재배환경을 인공적으로 제어하여 계절에 관계없이 생산하는 시스템이며, 일반적으로 태양광 식물공장과 인공광 식물공장으로 구분된다.
태양광 식물공장은 온실이나 비닐하우스 등에서 태양광을 이용하여 식물을 재배하는 것이며, 태양광과 외부 계절의 영향을 완전히 배제할 수 없으므로 작물의 개화 시기나 수확 시기를 마음대로 조절할 수 없는 문제가 있다.
인공광 식물공장은 태양광을 대신하여 형광등, 할로겐램프, LED 광원 등을 사용하여 식물재배를 하는 것으로, 기후나 날씨의 영향을 받지 않는 이점이 있지만 광량 부족, 소비전력 상승 등의 운용상 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광 식물공장과 인공광 식물공장을 결합함으로써 작물의 주년 생산(周年生産)이 가능한 하이브리드형 식물공장 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광 식물공장 및 이의 하층부에 배치된 인공광 식물공장을 포함하는 인공광 및 태양광 조합형 식물공장의 환경제어 시스템으로서, 상기 태양광 식물공장은, 내부 공기를 외부와 환기하기 위한 하나 이상의 환기팬; 및 내부 온도를 조절하기 위한 난방기;를 포함하고, 상기 인공광 식물공장은, 내부에서 재배될 식물에 빛을 공급하기 위한 조명; 내부 온도를 조절하기 위한 냉난방기;를 포함하고, 이 때 상기 환경제어 시스템은, 상기 태양광 식물공장의 공기를 흡입하여 상기 인공광 식물공장 내부로 배출하는 제1 송풍기; 및 상기 인공광 식물공장의 공기를 흡입하여 상기 태양광 식물공장 내부로 배출하는 제2 송풍기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 식물공장의 환경제어 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광 식물공장 및 이의 하층부에 배치된 인공광 식물공장을 포함하는 하이브리드형 식물공장의 환경제어 방법으로서, 상기 인공광 식물공장의 암기에서 명기로의 전환시, 인공광 식물공장에서 재배될 식물에 빛을 공급하는 조명의 전원을 인가하는 단계; 및 상기 태양광 식물공장 및 인공광 식물공장의 각각의 온도에 기초하여, 상기 태양광 식물공장의 공기를 상기 인공광 식물공장에 공급하는 동작 및 상기 인공광 식물공장의 공기를 상기 태양광 식물공장에 공급하는 동작 중 적어도 하나의 동작을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공광 및 태양광 조합형 식물공장의 환경제어 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광 식물공장과 인공광 식물공장을 결합한 하이브리드형 식물공장을 구성하고 태양광 식물공장과 인공광 식물공장의 환경을 서로 연계하여 제어함으로써 작물의 주년 생산이 가능한 이점이 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환경제어 시스템을 구비할 수 있는 하이브리드형 식물공장의 단면도,
도2a 및 도2b는 도1의 하이브리드형 식물공장을 구성하는 태양광 식물공장 및 인공광 식물공장을 각각 설명하기 위한 도면,
도3은 일 실시예에 따른 하이브리드형 식물공장의 환경제어 시스템을 설명하기 위한 도면,
도4a 내지 도4c는 제1 실시예에 따라 하이브리드형 식물공장의 인공광 식물공장의 냉난방부하 예측량을 설명하기 위한 도면,
도5a 내지 도5c는 제2 실시예에 따라 하이브리드형 식물공장의 인공광 식물공장의 냉난방부하 예측량을 설명하기 위한 도면,
도6a 내지 도6c는 제3 실시예에 따라 하이브리드형 식물공장의 인공광 식물공장의 냉난방부하 예측량을 설명하기 위한 도면,
도7 및 도8은 일 실시예에 따른 하이브리드형 식물공장의 환경제어 방법을 설명하기 위한 도면,
도9는 본 발명의 효과를 설명하기 위한 도면으로, 도9a는 종래의 온실에서의 딸기 재배 과정을 설명하는 도면이고, 도9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 딸기 재배 과정을 설명하는 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "위"(또는 "아래", "오른쪽", 또는 "왼쪽")에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소의 위(또는 아래, 오른쪽, 또는 왼쪽)에 직접 위치될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한 본 명세서에서 구성요소간의 위치 관계를 설명하기 위해 사용되는 '상부(위)', '하부(아래)', '좌측', '우측', '전면', '후면' 등의 표현은 절대적 기준으로서의 방향이나 위치를 의미하지 않으며, 각 도면을 참조하여 본 발명을 설명할 때 해당 도면을 기준으로 설명의 편의를 위해 사용되는 상대적 표현이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환경제어 시스템을 구비할 수 있는 하이브리드형 식물공장의 단면도이고, 도2a 및 도2b는 도1의 하이브리드형 식물공장을 구성하는 태양광 식물공장 및 인공광 식물공장을 각각 설명하기 위한 도면이다.
도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 하이브리드형 식물공장(100)은 태양광으로 식물을 재배하는 태양광 식물공장(10) 및 인공광으로 식물을 재배하는 인공광 식물공장(20)을 포함한다. 태양광 식물공장(10)은 인공광 식물공장(20)의 상층부에 설치된다. 일 실시예에서 인공광 식물공장(20)은 예컨대 지상 1층에 해당하는 높이에 설치되고 태양광 식물공장(10)이 지상 2층에 해당하는 높이에 설치될 수 있다. 바람직하게는, 인공광 식물공장(20)이 지하에 설치하고 태양광 식물공장(10)이 그 상층부에 설치함으로써 인공광 식물공장(20)의 환경(예컨대 온도 및/또는 조도)을 목표 환경에 보다 용이하게 맞출 수 있다.
도1 및 도2a를 참조하면, 태양광 식물공장(10)은 일반적인 온실이나 비닐하우스의 외관을 가질 수 있다. 즉 일정 높이의 벽면 및 태양이 투과할 수 있는 지붕으로 구성될 수 있다.
일 실시예에서 태양광 식물공장(10)이 내부 공기를 외부와 환기하기 위해 개폐가능한 하나 이상의 환기창(11) 및 내부 온도를 조절하기 위한 하나 이상의 난방기(19)를 포함한다.
인공광 식물공장(20)은 일반적인 인공광 식물공장의 형태를 가질 수 있다. 즉 외부 환경으로부터 격리가능하고 식물을 재배할 수 있는 공간을 가지며 이 식물 재배 공간의 환경(예컨대 온도 및/또는 조명)을 조절할 수 있는 장치로서 조명(21) 및 냉난방기(23)를 포함한다. 냉난방기(23)의 경우, 일 실시예에서 항상 10~20도 사이의 온도를 일정하게 유지하는 지중의 열을 이용하기 위해 지중 열교환기(231)를 추가로 포함할 수 있다.
도1 및 도2에 도시한 구성요소 외에 태양광 식물공장(10) 및 인공광 식물공장(20)은 환경 조절을 위한 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있으며 이에 대해 도3을 참조하여 후술하기로 한다.
도3은 일 실시예에 따른 하이브리드형 식물공장의 환경제어 시스템을 설명하기 위한 도면으로, 태양광 식물공장(10) 및 인공광 식물공장(20)의 환경제어를 위한 시스템 구성을 도식적으로 표현한 것이다.
일 실시예에서 태양광 식물공장(10) 및 인공광 식물공장(20)에 대한 "환경" 제어는 예컨대 각각의 식물공장(10,20)의 온도 및/또는 조명을 제어하는 것을 의미한다. 그러나 대안적 실시예에서 환경 제어는 온도와 조명 외에 예컨대 습도 제어를 포함하거나 산소나 이산화탄소와 같이 공기의 특정 성분의 조절을 포함할 수도 있다.
도3을 참조하면, 하이브리드형 식물공장(100)은 태양광 식물공장(10) 및 이의 하층부에 배치되는 인공광 식물공장(20)을 포함한다.
태양광 식물공장(10)은 환기창(11), 환기팬(13), 온도센서(15), 및 난방기(19)를 포함할 수 있다. 환기창(11)은 태양광 식물공장(10)의 내부 공기를 외부와 환기하기 위해 개폐가능 하도록 설치된다. 환기팬(13)은 태양광 식물공장(10)의 내부 공기를 강제적으로 외부와 환기하기 위해 추가로 설치가능한 것으로, 예컨대 태양광 식물공장(10)의 벽면에 하나 이상 설치될 수 있다. 난방기(19)는 태양광 식물공장(10)의 내부 온도를 조절하기 위해 설치된다.
일 실시예에서 하이브리드형 식물공장(100)은 제1 송풍기(17)를 더 포함한다. 제1 송풍기(17)는 태양광 식물공장(10)과 인공광 식물공장(20) 사이를 연통하도록 설치되고, 이에 따라 태양광 식물공장(10)의 공기를 흡입하여 인공광 식물공장(20) 내부로 배출하도록 동작할 수 있다.
인공광 식물공장(20)은 다수의 조명(21), 냉난방기(23), 및 온도센서(25)를 포함할 수 있다. 조명(21)은 인공광 식물공장(20) 내에서 재배될 식물에 빛을 공급하기 위한 것이고 또한 동시에 조명(21)에서 나오는 열로 인해 인공광 식물공장(20) 내부의 온도를 상승시키는 역할도 한다. 일 실시예에서 조명(21)은 예컨대 형광등, 백열등, LED조명 등에서 선택될 수 있고, 또한 재배될 특정 식물 종류에 따라 특정 대역의 파장을 발하는 조명이 선택될 수도 있다. 냉난방기(23)는 인공광 식물장치(20)의 내부 온도를 조절하기 위한 것으로 냉방 기능과 난방 기능을 모두 포함하는 것이 바람직하며, 대안적으로 냉방기와 난방기가 별도로 설치되어도 무방하다.
일 실시예에서 하이브리드형 식물공장(100)은 제2 송풍기(27)를 더 포함한다. 제2 송풍기(27)도 태양광 식물공장(10)과 인공광 식물공장(20) 사이를 연통하도록 설치되고, 이에 따라 인공광 식물공장(20)의 공기를 흡입하여 태양광 식물공장(10) 내부로 배출하도록 동작할 수 있다.
도시하지 않았지만, 바람직한 실시예에서 하이브리드형 식물공장(100)은 제어부를 더 포함한다. 이 제어부(미도시)는 하이브리드형 식물공장(100)의 상술한 구성요소들(환기팬, 온도센서, 냉난방기, 조명, 송풍기 등)과 각기 전기적으로 연결되거나 통신할 수 있도록 설치되어, 각 구성요소의 동작을 제어할 수 있다. 예컨대 제어부는 각 식물공장(10,20)에 설치된 온도센서(15,25)가 센싱한 온도 정보를 수신하여 이에 기초하여 환기팬(13), 난방기(19), 조명(21), 냉난방기(23), 제1 및 제2 송풍기(17,27)의 동작을 각각 제어할 수 있다.
한편 대안적 실시예에서, 하이브리드형 식물공장(100)은 인공광 식물공장(20)의 공기를 외부와 교환하도록 하는 송풍기를 추가로 더 포함할 수 있다. 예컨대 하이브리드형 식물공장 외부의 공기를 흡입하여 인공광 식물공장(20) 내부로 공급하는 제3 송풍기(미도시), 및 인공광 식물공장(20)의 공기를 흡입하여 하이브리드형 식물공장 외부로 배출하는 제4 송풍기(미도시)를 더 포함할 수 있고, 이러한 추가적인 송풍기에 의해 필요에 따라 인공광 식물공장(20) 내부 공기를 외부와 교환할 수 있다.
도시한 하이브리드형 식물공장(100)에서 태양광 식물공장(10)은 태양의 유무에 따른 자연적 낮(주간)과 밤(야간)에 따라 명기(明期) 및 암기(暗期)가 정해진다. 그러나 인공광 식물공장(20)은 자연적인 주간/야간에 상관없이 조명(21)의 온-오프에 따라 명기/암기를 조절할 수 있으며, 반드시 주간에 명기가 되고 야간에 암기가 되어야 할 필요는 없다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 인공광 식물공장(20)에 대한 명기/암기의 시기는 인공광 식물공장(20)의 전열부하(heat transmission load) 및 조명(21)의 조명부하에 따라 결정된다. 즉 자연적 주간/야간에 관계없이, 인공광 식물공장(20)의 외부로 전달되는 열량 및 조명에 의한 발열의 정도에 따라 인공광 식물공장(20)의 명기와 암기의 시기를 설정할 수 있다.
이와 관련하여 도4 내지 도6을 참조하여 인공광 식물공장(20)의 특정 조건에서의 냉난방부하량에 따른 명기/암기 시기의 결정을 설명하기로 한다.
도4a 내지 도4c는 제1 실시예에 따라 하이브리드형 식물공장의 인공광 식물공장의 냉난방부하 예측량을 설명하기 위한 도면이다.
도4a 내지 도4c는 각각 여름철, 겨울철, 및 봄가을철의 예측량이며, 조명(21)으로서 1.2m 길이의 60W(와트)짜리 형광등을 사용하는 경우이다.
도4의 표에서 최대 전열부하는 최대야간냉방부하의 값을 이용하기로 한다. 일반적으로 최대야간냉방부하(Qm)(단위: kcal/hr)는 다음 수식으로 표현된다.
Qm = {Ag*(qt + qv) + As*qs}(1 + fw)
여기서, Ag는 온실의 피복면적(㎡), As는 온실의 상면적(㎡), qt는 단위 피복면의 관류열부하(kcal/㎡·hr), qv는 간극환기 전열부하(kcal/㎡·hr), qs는 단위 상면적당 지표전열부하(kcal/㎡·hr), 그리고 fw는 안전율을 각각 의미한다.
한편 상기 수식의 최대야간냉방부하는 아래와 같이 간단화된 수식으로 표현될 수도 있다.
Qm = Ag*U*(To - Tc)
여기서 Ag는 온실의 피복면적(㎡), U는 야간냉방 부하계수((kcal/㎡·hr·℃), Tc는 냉방설정 실온(℃), 그리고 To는 설계 외기온(℃)을 각각 의미한다.
상기 수식에서 야간냉방 부하계수(U)는 피복 방법에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어 1중 피복인 경우 계수(U)는 1.7로 설정할 수 있고 1중 피복과 1층 커튼으로 피복할 경우 1.2로 설정할 수 있다. 도4 내지 도6의 실시예에서는 이 값을 2.0으로 설정하기로 한다.
일 예로서 인공광 식물공장(20)의 피복면적을 200㎡이라고 가정하고, 도4a에 표시한 바와 같이 여름철의 주간 외기온을 섭씨 40도, 야간 외기온을 섭씨 30도로 각각 가정하고, 식물공장(20) 내부 목표온도로서 주간 온도를 25도, 야간 온도를 10도로 각각 설정하였고, 이에 따라 상기 간단화된 수식에 따라 최대야간냉방부하를 계산한 값을 도면의 표의 최대전열부하 값으로 사용하였다.
또한 도면의 표의 조명부하는 조명(21)에 의한 열량을 나타내며, 식물공장(20)의 내부 면적을 고려하여 4개x6열x3실의 형광등을 사용할 경우 대략 9,288kcal/hr의 조명부하가 나온다.
이에 따라 표에서 최대 열용량은 최대전열부하와 조명부하를 합산한 값이고, 냉난방기 용량은 최대열용량에 비례하여 결정된다. 이 때 냉방 용량의 단위는 RT(냉동톤, 3320Kcal/hr)로 나타내고 난방기용량의 단위는 KW(킬로와트, 860Kcal/hr)로 표시하였다.
도면의 표에서 알 수 있듯이 주간과 야간시의 냉난방기 용량은 주간과 야간 각각에서의 외부온도(To)와 목표온도(Tc)의 차이 및 조명 온-오프에 따른 조명부하에 따라 냉난방기 용량이 결정된다. 이 때 주간을 명기로 하고 야간을 암기로 하는 제1 경우(표에서 검은색 글자로 표시) 최대열용량의 합산값과 주간을 암기로 하고 야간을 명기로 하는 제2 경우(표에서 빨간색 글자로 표시) 최대열용량의 합산값이 대략 비슷하지만, 상기 제1 경우가 더 큰 용량의 냉난방기를 사용해야 하는 단점이 있다. 따라서 설비 비용을 절감하면서 운영하기 위해서는 상기 제2 경우, 즉 주간을 암기로 하고 야간을 명기로 하여 인공광 식물공장(20)을 냉방하는 것이 바람직하다.
도4b는 인공광 식물공장(20) 내부 조건은 도4a와 동일하고 주간 및 야간의 외부 온도(To)만 상이한 경우이다. 도4b에서 최대 열용량과 냉난방기 용량을 살펴보면, 주간을 명기로 하고 야간을 암기로 하는 제1 경우(표에서 검은색 글자로 표시) 최대열용량의 합산값과 주간을 암기로 하고 야간을 명기로 하는 제2 경우(표에서 빨간색 글자로 표시) 최대열용량의 합산값이 동일하지만 상기 제1 경우가 더 큰 용량의 냉난방기를 사용해야 하는 단점이 있으므로, 상기 제2 경우, 즉 주간을 암기로 하고 야간을 명기로 하여 인공광 식물공장(20)을 난방하는 것이 바람직하다.
마찬가지로 도4c는 봄가을철의 예측량을 나타낸 것으로 주간 및 야간의 외부 온도(To)만 상이하고 나머지 조건은 도4a 또는 도4b와 동일하다고 가정하였으며, 이 경우에도 주간을 암기로 하고 야간을 명기로 하여 인공광 식물공장(20)을 냉방하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 인공광 식물공장의 명기 및 암기의 시기는 인공광 식물공장(20)의 외부에 대한 최대 전열부하 및 조명(21)의 조명부하에 기초하여 결정될 수 있고, 추가적으로, 냉난방기의 최대용량에 따라(즉, 가능하면 작은 용량의 냉난방기를 사용하는 쪽으로) 결정될 수 있다.
한편 도5a 내지 도5c는 제2 실시예에 따라 하이브리드형 식물공장의 인공광 식물공장의 냉난방부하 예측량을 설명하기 위한 도면으로, 도5a 내지 도5c는 각각 여름철, 겨울철, 및 봄가을철의 예측량이며, 조명(21)으로서 1.2m 길이의 40W 형광등을 사용하는 경우이며 나머지 조건은 도4와 동일하다고 전제하였다.
도5a 및 도5b에서 알 수 있듯이, 여름과 겨울철의 경우 도4a와 도4b와 마찬가지로 주간을 암기로 하고 야간을 명기로 하여 인공광 식물공장(20)을 각각 냉방하거나(여름철) 난방하는 것(겨울철)이 바람직하다. 또한 도5c에 도시한 바와 같이, 봄가을에는 주간을 암기로 하고 야간을 명기로 하되 암기시에는 냉방을 하고 명기시에는 난방을 하는 것이 바람직하다.
도6a 내지 도6c는 제3 실시예에 따라 하이브리드형 식물공장의 인공광 식물공장의 냉난방부하 예측량을 설명하기 위한 도면으로, 도6a 내지 도6c는 각각 여름철, 겨울철, 및 봄가을철의 예측량이며, 조명(21)으로서 LED 광원을 사용하는 경우이며 나머지 조건은 도4와 동일하다고 전제하였다.
일반적으로 LED의 발열량이 작기 때문에 조명부하가 형광등의 조명부하에 비해 작음을 알 수 있다. 따라서 도6a 및 도6b의 표에서 알 수 있듯이 LED 광원의 경우에는 주간을 명기로 하고 야간을 암기로 하여 인공광 식물공장(20)을 각각 냉방하거나(여름철) 난방하는 것(겨울철)이 바람직하고, 또한 도6c에 도시한 바와 같이 봄가을에는 주간을 명기로 하고 야간을 암기로 하되 암기시에는 냉방을 하고 명기시에는 난방을 하는 것이 바람직하다.
이제 도7 및 도8을 참조하여 일 실시예에 따른 하이브리드형 식물공장의 환경제어 방법을 설명하기로 한다.
도7을 참조하면, 인공광 식물공장(20)은 주간에 암기, 야간에 명기로 유지하고, 여름철에 태양광 식물공장(10)의 실내 온도를 낮에는 대략 30~40도, 밤에는 대략 20~25도라고 가정하고, 인공광 식물공장(20)의 실내 온도는 목표 온도와 동일하게 낮에 대략 25도로 유지되고 밤에 대략 10도로 유지된다고 가정한다.
이러한 환경에서, 낮에서 밤으로 바뀌는 기간, 즉 태양광 식물공장(10)은 명기에서 암기로 전환되고 인공광 식물공장(20)은 암기에서 명기로 전환되는 기간을 살펴보면, 대략 30~40도로 유지되는 태양광 식물공장(10)은 환기창(11) 또는 환기팬(13)에 의한 환기 뿐만 아니라, 제2 송풍기(27)의 송풍에 의해, 암기에서 10도로 유지되었던 인공광 식물공장(20)의 공기를 공급받음으로써 온도를 20~25도로 훨씬 빨리 떨어뜨릴 수 있다.
또한 10도로 유지되는 인공광 식물공장(20)은 조명(21) 뿐만 아니라, 제1 송풍기(17)의 송풍에 의해, 명기에서 30~40도로 유지되었던 태양광 식물공장(10)의 공기를 공급받음으로써 목표 온도인 25도로 온도를 훨씬 빨리 상승시킬 수 있다. 이 때 필요에 따라 냉난방기(23)의 난방 동작에 의해 온도 상승 시간을 더 줄일 수 있다.
또한 도7을 보면 명기/암기 기간에 상관없이 인공광 식물공장(20)의 온도가 태양광 식물공장(10)의 온도에 비해 항상 낮거나 비슷하므로, 필요에 따라 태양광 식물공장(10)의 온도를 조절하기 위해(예컨대, 태양열이 매우 높은 경우 실내 온도를 낮추기 위해), 제2 송풍기(27)를 이용하여 인공광 식물공장(20)의 실내 공기를 태양광 식물공장(10) 내부로 공급할 수 있다.
한편 도7에서 겨울철의 경우, 태양광 식물공장(10)의 실내 온도가 낮에는 대략 20~30도, 밤에는 대략 10~20도라고 가정하고, 인공광 식물공장(20)의 실내 온도는 낮에 대략 25도로 유지되고 밤에 대략 10도로 유지된다고 가정한다.
이러한 환경에서, 낮에서 밤으로 바뀌는 기간, 즉 태양광 식물공장(10)은 명기에서 암기로 전환되고 인공광 식물공장(20)은 암기에서 명기로 전환되는 기간을 살펴보면, 대략 20~30도로 유지되는 태양광 식물공장(10)은 난방기(19) 뿐만 아니라, 제2 송풍기(27)의 송풍에 의해, 암기에서 10도로 유지되었던 인공광 식물공장(20)의 공기를 공급받음으로써 온도를 10~20도로 훨씬 빨리 떨어뜨릴 수 있다. 암기에서 10도로 유지되는 인공광 식물공장(20)은 조명(21) 뿐만 아니라, 제1 송풍기(17)의 송풍에 의해, 명기에서 20~30도로 유지되었던 태양광 식물공장(10)의 공기를 공급받음으로써 목표 온도인 25도로 빨리 상승시킬 수 있다. 이 때 필요에 따라 냉난방기(23)의 난방 동작에 의해 온도 상승 시간을 더 줄일 수 있음은 물론이다.
마찬가지로, 밤에서 낮으로 바뀌는 기간, 즉 태양광 식물공장(10)은 암기에서 명기로 전환되고 인공광 식물공장(20)은 명기에서 암기로 전환되는 기간을 살펴보면, 대략 10~20도로 유지되는 태양광 식물공장(10)은 태양광 및 난방기(19) 뿐만 아니라, 제2 송풍기(27)의 송풍에 의해, 명기에서 25도로 유지되었던 인공광 식물공장(20)의 공기를 공급받음으로써 온도를 훨씬 빨리 상승시킬 수 있다. 또한 명기에서 25도로 유지되는 인공광 식물공장(20)은 냉방기 뿐만 아니라, 제1 송풍기(17)의 송풍에 의해, 암기에서 대략 10~20도로 유지되었던 태양광 식물공장(10)의 공기를 공급받음으로써 목표 온도인 10도로 훨씬 빨리 하강할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 태양광 식물공장(10)과 인공광 식물공장(20)의 각각의 명기와 암기 사이의 전환시 제1 송풍기(17) 및/또는 제2 송풍기(27)의 동작에 의해 태앙광 식물공장(10)의 공기와 인공광 식물공장(20)의 공기를 교환함으로써 목표 온도로 신속하게 상승 또는 하강할 수 있고, 더욱이 이 경우 실내 온도의 상승/하강을 위한 난방기 및/또는 냉방기를 가동할 필요가 없거나 가동하더라도 기존에 의해 가동량을 줄일 수 있으므로 에너지 효율도 더 좋아지는 이점이 있다.
도8은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 식물공장에서 태양광 식물공장과 인공광 식물공장의 각각에 대한 계절별 냉방/난방 모드시 사용하는 장치를 예시한 것이다.
도면을 참조하면, 예컨대 태양광 식물공장(10)은 여름철에 환기창(11), 환기팬(13), 그리고 제1 및 제2 송풍기(17,27)에 의해 냉방을 할 수 있다. 또한 인공광 식물공장(20)의 경우, 인공광 식물공장의 냉방시, 냉난방기(23)를 냉각모드에서 동작시킴과 동시에 제1 및 제2 송풍기(17,27) 중 적어도 하나를 동작시킴으로써 냉방을 행할 수 있고, 인공광 식물공장의 난방시, 냉난방기(23)를 난방모드에서 동작시킴과 동시에 제1 및 제2 송풍기(17,27) 중 적어도 하나를 동작시킴으로써 난방을 행할 수 있다.
도9는 본 발명의 효과를 설명하기 위한 도면으로, 딸기를 재배하는 구체적 실시예의 경우 도9a는 종래의 온실에서의 딸기 재배 과정을 설명하는 도면이고, 도9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 딸기 재배 과정을 설명하는 도면이다.
도9a를 참조하면, 온실 재배의 경우, 일반적으로 육묘장에서 3월부터 육묘(育苗)를 시작하여 9월에 정식(定植: 묘종을 제 자리에 심는 것)하고 재배를 하여 11월부터 그 다음해 수확하여 대략 5월까지 수확한다. 그러나 이 경우 3월 이후에는 온도가 높아져서 당도 및 경도가 저하하기 때문에 상품성이 낮아지고 5월 이후부터는 신선한 딸기를 공급할 수 없는 문제가 있었다.
이에 대해 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 식물공장을 이용할 경우, 도9b를 참조하면, 태양광 식물공장(10)에서 3월에 육묘 시작해서 8월쯤 정식하고, 그 다음해 3월까지 수확을 할 수 있다. 그 후, 태양광 식물공장(10)에서 재배하던 딸기를 인공광 식물공장(20)으로 옮기고, 태양광 식물공장(10)에는 새로운 묘종을 가져와 심어서 육묘를 계속한다. 인공광 식물공장(20)에서는 상술한 바와 같이 실내 온도를 명기 25도, 암기 10도로 안정적으로 유지할 수 있으므로, 태양광 식물공장(10)에서 옮겨온 딸기를 그 다음해 3월까지 거의 1년간 계속적으로 수확을 할 수 있다. 즉 품질 좋은 딸기의 주년 생산(year-round production)이 가능해진다.
이와 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상술한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 태양광 식물공장
20: 인공광 식물공장
100: 하이브리드형 식물공장

Claims (10)

  1. 태양광 식물공장 및 이의 하층부에 배치된 인공광 식물공장을 포함하는 하이브리드형 식물공장의 환경제어 시스템으로서,
    상기 태양광 식물공장은, 내부 공기를 외부와 환기하기 위한 하나 이상의 환기팬(13); 및 내부 온도를 조절하기 위한 난방기(19);를 포함하고,
    상기 인공광 식물공장은, 내부에서 재배될 식물에 빛을 공급하기 위한 조명(21); 및 내부 온도를 조절하기 위한 냉난방기(23);를 포함하고,
    상기 환경제어 시스템은,
    상기 태양광 식물공장의 공기를 흡입하여 상기 인공광 식물공장 내부로 배출하는 제1 송풍기(17); 및
    상기 인공광 식물공장의 공기를 흡입하여 상기 태양광 식물공장 내부로 배출하는 제2 송풍기(27);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 식물공장의 환경제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양광 식물공장이 내부 공기를 외부와 환기하기 위해 개폐가능한 하나 이상의 환기창(11);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 식물공장의 환경제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 인공광 식물공장의 외부에 대한 최대 전열부하 및 상기 조명(21)의 조명부하에 기초하여, 상기 인공광 식물공장 내의 명기 및 암기의 시기를 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 식물공장의 환경제어 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 인공광 식물공장의 명기와 암기 사이의 전환시, 상기 제1 및 제2 송풍기의 동작에 의해 상기 태앙광 식물공장의 공기와 상기 인공광 식물공장의 공기를 교환하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 식물공장의 환경제어 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 인공광 식물공장의 냉방시, 상기 냉난방기(23)를 냉각모드에서 동작시킴과 동시에, 상기 제1 및 제2 송풍기 중 적어도 하나를 동작시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 식물공장의 환경제어 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 인공광 식물공장의 난방시, 상기 냉난방기(23)를 난방모드에서 동작시킴과 동시에, 상기 제1 및 제2 송풍기 중 적어도 하나를 동작시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 식물공장의 환경제어 시스템.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 인공광 식물공장이,
    상기 하이브리드형 식물공장 외부의 공기를 흡입하여 상기 인공광 식물공장 내부로 공급하는 제3 송풍기; 및
    상기 인공광 식물공장의 공기를 흡입하여 상기 하이브리드형 식물공장 외부로 배출하는 제4 송풍기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 식물공장의 환경제어 시스템.
  8. 태양광 식물공장 및 이의 하층부에 배치된 인공광 식물공장을 포함하는 하이브리드형 식물공장의 환경제어 방법으로서, 상기 인공광 식물공장의 암기에서 명기로의 전환시,
    인공광 식물공장에서 재배될 식물에 빛을 공급하는 조명의 전원을 인가하는 단계; 및
    상기 태양광 식물공장 및 인공광 식물공장의 각각의 온도에 기초하여, 상기 태양광 식물공장의 공기를 상기 인공광 식물공장에 공급하는 동작 및 상기 인공광 식물공장의 공기를 상기 태양광 식물공장에 공급하는 동작 중 적어도 하나의 동작을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 식물공장의 환경제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 인공광 식물공장의 외부에 대한 최대 전열부하 및 상기 조명의 조명부하에 기초하여, 상기 인공광 식물공장 내의 명기 및 암기의 시기를 결정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 식물공장의 환경제어 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 인공광 식물공장의 명기에서 암기로의 전환시,
    상기 조명의 전원 인가를 중단하는 단계; 및
    상기 태양광 식물공장 및 인공광 식물공장의 각각의 온도에 기초하여, 상기 태양광 식물공장의 공기를 상기 인공광 식물공장에 공급하는 동작 및 상기 인공광 식물공장의 공기를 상기 태양광 식물공장에 공급하는 동작 중 적어도 하나의 동작을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 식물공장의 환경제어 시스템.
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