KR20220020797A - 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템 - Google Patents

히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 스마트제어 장비가 구비된 온실 시설 등 스마트팜 본체; 스마트팜 본체의 바닥에 설치되며 공급되는 유체에 의해서 스마트팜의 바닥을 난방시키는 난방장치; 및 스마트팜 본체의 상측에 설치되며 스마트팜 내부의 공기를 흡입하여 정화 및 살균 필터와 교반시키는 기능을 구비한 팬코일유닛(FCU)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스마트팜의 냉난방 시스템이 제공된다.
또한 본 발명은 스마트팜의 기존 냉난방 시스템과 병렬로 히트펌프를 이용한 냉온수를 상시 공급하여 정온을 유지하도록 함으로써 스마트팜에서 소비되는 에너지를 절감하는 효과가 있는 히트펌프를 이용한 냉난방 시스템에 관한 것이다.
또한 본 발명은 기계학습된 데이터셋(dataset)에 의한 열원공급 제어로 스마트팜 본체에 적절한 냉난방을 공급하는 시스템이 제공된다.
이에 본 발명에 의한 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템은 스마트팜 본체의 실내공기를 정화 및 살균을 하며, 실내온도를 일정하게 유지시키고, 외기와의 온도차를 일정하게 유지하면서, 아울러 에너지의 낭비를 줄이는 등의 다양한 효과가 있다.

Description

히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템{Smart farm heating and cooling system using heat pump}
본 발명은 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스마트팜 내부의 온도를 균일하게 냉난방할 수 있고, 스마트팜 내부의 공기를 교반하여 스마트팜 내부의 가축 및 작물에게 쾌적한 환경을 제공하는 것과 관련된다.
스마트팜이란 국내 스마트팜코리아 자료에 의하면, 비닐하우스·유리온실·축사 등에 ICT를 접목하여 원격·자동으로 작물과 가축의 생육환경을 적정하게 유지·관리할 수 있는 농장을 말하는데, 작물 생육정보와 환경정보에 대한 데이터를 기반으로 최적 생육환경을 조성하여, 노동력·에너지·양분 등을 종전 보다 덜 투입하고도 농산물의 생산성과 품질 제고 가능하다고 한다.
상기 스마트팜의 구성 원리를 보면 첫째로, 생육환경 유지관리 SW(온실·축사 내 온·습도, CO2수준 등 생육조건 설정), 둘째로, 환경정보 모니터링(온습도, 일사량, CO2, 생육환경 등 자동 수집), 그리고 셋째로 자동원격 환경관리(냉난방기 구동, 창문 개폐, CO2, 영양분 및 사료 공급 등)이라고 할 수 있다.
그리고 스마트팜의 분야별 적용 분야는 1) 스마트 온실로서 PC 또는 모바일을 통해 온실의 온·습도, CO2 등을 모니터링하고 창문 개폐, 영양분 공급 등을 원격 자동으로 제어하여 작물의최적 생장환경을 유지 및 관리, 2) 스마트 과수원으로 PC 또는 모바일을 통해 온·습도, 기상상황 등을 모니터링하고 원격, 자동으로 관수, 병해충 관리 등, 그리고 3)스마트 축사로서 PC 또는 모바일을 통해 온·습도, 등축사 환경을 모니터링하고 사료 및 물 공급시기와 공급량 등을 원격자동으로 제어를 주요 기능으로 하고 있다.
상기와 같은 스마트팜의 기대효과는 첫째로, ICT를 접목한 스마트팜이 보편적으로 확산되면 노동·에너지 등 투입 요소의 최적 사용을 통해 우리 농업의 경쟁력을 한층 높이고,미래성장산업으로 견인 가능하며, 둘째로 단순한 노동력 절감 차원을 넘어서 농작업의 시간적공간적 구속으로부터 자유로워져 여유시간도 늘고, 삶의 질도 개선되어 우수 신규인력의 농촌 유입 가능성도 증가할 것으로 기대 등이다.
그런데 우리나라는 4계절의 기온 변화가 심하며, 또한 밤낮의 온도차가 많이 나타나므로 스마트팜 내부의 온도를 일정하게 유지하기가 매우 어렵다. 예컨대 하절기에는 스마트팜을 최대한 개방시켜 자연통풍으로 냉방효과를 얻고 난방이 필요한 동절기에는 밀폐시켜 열차단에 따른 난방효과를 얻을 수 있도록 하나 밀폐된 스마트팜 내에는 CO2의 증가와 악취 등이 발생되는 문제점이 있다.
이상과 같은 문제점을 개선하기 위하여 스마트팜의 환기장치 등이 제 안되고 있으나, 종래 기술에 의한 스마트팜의 환기장치는 대개 환기팬을 통해 외부 공기를 내부에 유입하여 환기시키는 것으로, 스마트팜 내부의 전 영역에 균일하게 공기를 공급하지 못하여 스마트팜의 일부 영역에서 악취가 발생되며 공기가 정체됨에 따라 병균이 서식하게 되고, 환기팬이 설치된 부분과 스마트팜 바닥과의 온도 차이에 의해서 가축이 복냉증과 같은 질병에 감염되는 문제점이 발생한다.
또한, 실내의 공기를 고르게 환기시키기 위해서는 실내 전체에 덕트 설비를 해야 하고, 위 덕트 설비의 용량과 상응하는 대형의 환기팬을 설치하여 가동시켜야 하므로 상당한 설치비와 유지비가 소요되는 문제점이 있었다.
또한, 스마트팜에 ICT가 접목되었음에도 상당 수준 불구하고 특히 온습도 조절에 있어서, 적용 분야별 혹은 적용 작물이나 축종에 따라, 혹은 작물 및 축종의 성장주기별, 지역별, 계절별 차이 반영 등 다양한 관리요소별로 유연한 적용에 어려움이 있는 등 설치된 냉난방 장치의 학습효과가 그리 많지 않다는 단점이 상당히 많았다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시 예는 난방장치에 의해 스마트팜 바닥을 난방시킬 뿐만 아니라 팬코일유닛에 의해 스마트팜 상부의 온도를 균일하게 유지하여 가축에게 쾌적한 환경을 제공하는 것과 관련된다. 아울러 스마트팜 온습도 조절에 있어서 재배 작물 및 사육 축종의 성장주기별, 지역별 및 계절별 차이를 반영한 다른 관리요소별 관련성에 있어서 기계학습된 조합의 데이터셋(dataset)을 활용하여 스마트한 온습도 조절이 가능하도록 하는 것과도 관련이 있다.
본 발명에 의한 히트펌프를 이용한 스마트팜 냉난방 시스템은, 실외기를 포함하는 히트펌프시스템과; 상기 히트펌프시스템으로부터 냉온수를 공급받는 공급헤더와; 상기 공급헤더로부터 냉온수를 공급받아 열교환시키는 냉난방열교환기와; 상기 열교환기로부터 열교환된 냉온수를 회수하여 상기 히트펌프시스템으로 돌려보내는 환수헤더와; 상기 냉난방 열교환기와 열교환하여 스마트팜에 냉난방열을 공급하는 냉난방라인과; 상기 냉난방라인과 병렬연결된 기존 냉난방 시스템;을 포함한다.
또한 상기 공급헤더로부터 냉온수를 공급받아 순환시키고, 상기 환수헤더로 돌려보내는 라인을 갖는 상시 냉난방수요처를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 공급헤더와 상기 환수헤더 사이에는 냉온수의 압력의 차이를 보상하는 차압밸브장치가 추가로 설치된 것이 바람직하다.
또한 상기 공급헤더로부터 온수를 공급받아 상기 스마트팜의 급탕라인과 열교환 후, 상기 환수헤더로 돌려보내는 급탕 열교환기를 추가로 갖는 것이 바람직하다.
아울러 상기 환수헤더에 연결되어, 과부족한 냉온수가 유출되거나 공급하는 팽창탱크를 추가로 갖는 것이 바람직하다
본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 스마트팜 본체; 스마트팜 본체의 바닥에 설치되며 공급되는 유체에 의해서 스마트팜의 바닥을 난방시키는 난방장치; 및 스마트팜 본체의 상측에 설치되며 스마트팜 내부의 공기를 하측에서 흡입하여 교반시키는 팬코일유닛;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스마트팜의 냉난방 시스템이 제공된다.
아울러 스마트팜 온습도 조절에 있어서 재배 작물 및 사육 축종의 성장주기별, 지역별 및 계절별 차이를 반영한 다른 관리요소별 관련성에 있어서 기계학습된 조합의 데이터셋(dataset)을 활용하여 스마트한 온습도 조절이 가능하도록 하는 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템을 제공된다.
상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면 첫째, 난방장치에 의해 스마트팜 바닥이 난방되므로 가축의 동사 및 설사병 등을 방지할 수 있다.
둘째, 팬코일유닛에 의해 스마트팜 상부의 온도가 균일하게 유지되므로 스마트팜 내부의 가축이 항상 쾌적한 환경에서 생활하게 된다.
셋째, 지열히트펌프 및 공기히트펌프를 이용한 에너지를 냉방과 난방에 사용하므로 스마트팜의 냉난방에 소요되는 에너지를 절약할 수 있다.
넷째, 팬코일유닛에 의해서 공기가 교반되면서 공기정화가 이루어지므로 가축에게 활력을 줄 수 있고, 스마트팜 본체 내부의 온도를 용이하게 조절할 수 있다.
도1은 종래의 스마트팜의 구성 개념도이다.
도2는 종래의 스마트팜의 본체인 온실의 열원 구조 관련 도면이다.
도2a는 종래의 스마트팜의 본체인 온실의 열원 분포도이고, 도2b는 온실의 실제 열원 분포에 대한 열화상카메라 촬영사진 들이다.
도3은 본 발명에 의한 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템의 연결 상태를 나타낸 개략도이다.
도4는 본 발명에 의한 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템의 연결 상태를 3D로 나타낸 개략도이다.
도5는 본 발명에 의한 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템의 팬코일유닛(FCU)의 사시도이다.
도6은 본 발명에 의한 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템의 팬코일유닛(FCU)의 분해 사시도이다.
도7은 본 발명에 의한 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템의 팬코일유닛(FCU)의 사용 상태도이다.
도8은 본 발명에 따른 일 실시예에 있어서 히트펌프를 이용한 냉난방 배관 흐름도이다.
이하, 본 발명의 스마트팜의 냉난방 시스템의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다. 아울러, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술 사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리 범위에 포함될 수 있다.
이하 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도1은 종래의 스마트팜의 구성 개념도이다.
그리고 도2는 종래의 스마트팜 본체인 온실의 열원 구조 관련 도면이다.
도2a는 종래의 스마트팜 본체인 온실의 열원 분포도이고, 도2b는 온실의 실제 열원 분포에 대한 열화상 카메라 촬영사진 들이다.
이미 상술한 바와 같이 스마트팜의 본체는 주로 온실 시설 내지는 관리 시스템인데 상기 스마트팜을 구성하는 제어인자는 도1에 도시된 바와 같이 상당히 다양하고 복잡하다. 다만 본 발명은 상기 스마트팜의 본체인 온실의 냉난방시설 및 제어 시스템에 관한 것에 한정되는 것이다.
그런데 본 발명이 스마트팜 본체인 온실의 냉난방 시설 및 제어 시스템에 한정한다고 하더라도 상기 도2a는 종래의 스마트팜 본체인 온실의 열원 분포도이고, 도2b는 온실의 실제 열원 분포에 대한 열화상카메라 촬영사진 들에 의하면 상기 온실의 냉난방이 단지 냉난방 제공시설별 차이 및 재배 작물이나 사육 가축은 물론이고 다양하고 측정하기 어려운 환경 요인 및 계절적인 요인 등에 의해서도 그 영향을 받고 다르게 제공되어야 한다는 사실은 용이하게 알 수가 있다. 이에 본 발명은 위와 같은 사실에 착안하여 개시된 것이다.
이에 본 발명의 도면에 의한 일 실시례를 들어 좀 더 구체적으로 살펴보면, 도3은 본 발명에 의한 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템의 연결 상태를 나타낸 개략도이다. 그리고 도4는 본 발명에 의한 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템의 연결 상태를 3D로 나타낸 개략도이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 스마트팜의 냉난방 시스템은, 스마트팜 본체(100); 상기 스마트팜 본체(100)의 바닥에 설치되며 공급되는 유체에 의해서 스마트팜의 바닥을 냉방과 난방시키는 냉난방 장치(200); 및 상기 스마트팜 본체(100)의 상측에 설치되며 상기 스마트팜 본체(100) 내부의 공기를 하측에서 흡입하여 교반시키는 팬코일유닛(fan coil unit, FCU, 300);을 포함하여 이루어진다.
상기 도3 내지 도4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 스마트팜의 냉난방 시스템은 스마트팜 본체(100), 냉난방 장치(200), 팬코일유닛(300), 히트펌프(heat pump, HP, 400), 축열조(500) 및 유체공급원(600) 등을 포함하여 이루어진다.
본 발명에서 스마트팜 본체(100)는 스마트 제어 기능이 부여된 온실의 일반적인 개념으로서 재배 작물이 자라고, 가축이 사육되는 공간이며 다수개의 지지벽이 상기 스마트팜 바닥으로부터 위로 연장되어 하나의 온실공간(동)이 이루어지는 것이 바람직하다. 이에 실제 각각의 스마트팜 본체(100)가 연결되어 하나의 온실동을 이루는 것이 가능하며, 여러 개의 동이 배열되는 것도 가능하여야 한다. 가령 도3에 나타난 본 발명의 바람직한 실시 예와 같이 3개의 스마트팜 본체(100)가 연결되어 하나의 온실동을 이루며, 두 개 이상의 동이 나란히 배열되는 것도 가능하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 스마트팜 본체(100) 상부에는 바닥 공간과 이격되어 스마트팜 지붕이 설치된다. 본 발명에 의한 스마트팜 본체(100) 바닥에는 냉난방 장치(200)가 설치된다. 상기 냉난방 장치(200)는 스마트팜 본체(100)의 바닥을 냉방 시키거나 난방시킨다. 따라서 겨울에 소정의 바닥 온도가 유지되므로 가축이 동상 등에 걸리지 않게 된다. 상기 냉난방 장치(200)는 가축이 주로 머무르는 스마트팜 본체(100)의 바닥에 설치되는 것이 바람직하다.
스마트팜 본체(100) 상부에는 팬코일유닛(300)이 설치된다. 상기 팬코일유닛(300)은 스마트팜 본체(100) 내부의 공기를 하측에서 유입하여 교반시킨 후에 양 측면으로 배출하므로, 스마트팜 내의 공기가 균일한 온도를 가지게 되며, 따라서 스마트팜 내부의 가축이 항상 쾌적한 환경에서 생활하는 것이 가능해진다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 스마트팜의 냉난방 시스템에 있어서, 상기 팬코일유닛(300)은, 밑바닥에 공기유입구(311)가 형성되며, 측벽에 공기유출구(312)가 형성되는 팬코일유닛몸체(310); 상기 팬코일유닛몸체(310)의 내부에 설치되며, 상기 공기유입구(311)를 통해 공기를 흡입한 후에 공기유출구(312)로 열교환된 공기가 배출되도록 하는 송풍기(320); 및 상기 팬코일유닛몸체(310)의 공기유출구(312)에 설치되며, 일단이 상기 스마트팜 본체(100)의 외측에 설치되는 유체공급원(600)과 연결되어 상기 송풍기(320)를 통해서 흡입된 공기가 열교환되도록 하는 코일(330);을 포함하여 이루어진다.
상기 도3 내지 도4에 나타난 바와 같이, 팬코일유닛(300)은 팬코일유닛몸체(310)와 송풍기(320)와 코일(330)을 포함하여 이루어진다.
팬코일유닛(300)은 스마트팜 본체(100)의 상부에 다수 개가 일렬로 나란히 설치되며 스마트팜 본체(100) 내부의 공기를 하 측에서 흡입한 후 열교환시킨 후 양 측면 방향으로 배출함으로써 스마트팜 본체(100)의 내부를 냉난방하는 역할을 한다.
또한 도5는 본 발명에 의한 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방시스템의 팬코일유닛(FCU)의 사시도이다. 그리고 도6은 본 발명에 의한 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템의 팬코일유닛(FCU)의 분해 사시도이다. 아울러 도7은 본 발명에 의한 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템의 팬코일유닛(FCU)의 사용 상태도이다.
상기 도5 내지 도7에 나타난 바와 같이, 팬코일유닛(300)은 팬코일유닛(Fan Coil Unit, FCU)은 가열 또는 냉각 코일과 팬으로 구성된 냉각 시스템이다. 공조하는 공간의 따뜻한 공기는 팬코일 유닛으로 흡입되어 냉수를 사용해 냉각 및 제습된 후, 공조하는 공간으로 다시 공급된다. 상기 팬코일 유닛(FCU, 300)을 사용하면 각 방을 개별적으로 냉각할 수 있다. 공기유입구(311)가 형성된 바닥과 공기유출구(312)가 형성된 측벽과 천정으로 이루어진 팬코일유닛몸체(310)와, 팬코일유닛몸체(310)의 천장부에 바람직하게는 나사로 견고하게 결합되며 공기유입구(311)를 통해서 공기를 흡입한 후 공기유출구(312)로 공기가 배출되도록 하는 송풍기(320)와, 상기 도3 내지 도4에 도시된 바와 같이 바람직하게는 바닥의 양측에 설치되며 유체공급원(600)으로부터 열교환 유체를 공급받아 송풍기(320)에 의해서 흡입되는 공기를 열교환시키는 코일(330)을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 팬코일유닛몸체(310)는 소음이나 진동에 강하도록 바람직하게는 경량의 냉각 압연강판이나 경금속인 알루미늄 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 공기유출구(312)를 2개 형성하는 2방향(way) 방식뿐만 아니라 4방향(way) 방식 등 다양한 형상으로 변경이 가능한 것이 바람직하다.
상기 도5 내지 도7에 나타난 바와 같이, 송풍기(320)의 하측에는 송풍기(320)가 바닥의 공기유입구(311)에 잘 들어맞도록 안내하는 가이드 돌출부가 형성된다. 이 가이드 돌출부는 공기유입구(311)에 삽입이 용이하도록 단면상 하측이 좁고 상측으로 갈수록 넓어지도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 팬코일(330)은 열교환이 원활히 이루어지도록 동 파이프, 또는 알루미늄 재질의 파이프을 사용하는데 모두 히트파이프(heat pipe) 형식으로 형성되는 것이 바람직하다.
아울러 도5 내지 도7에 나타난 바와 같이 상기 팬코일유닛(FCU, 300)은, 송풍기(320)가 작동되면 공기유입구(311)를 통해서 스마트팜 내부에 공기가 흡입된다. 흡입된 공기는 순환팬(320)의 계속된 회전에 의해서 공기유출구(312)로 이송되는데 상기 공기유출구(312)로 이송되는 과정에서 팬코일(330)을 거치게 되고, 그 과정에서 팬코일(330)과의 접촉으로 인해서 열교환이 이루어지게 된다. 즉, 상기 팬코일유닛(FCU, 300)은 하절기에는 코일(330)에 흐르는 냉각 열교환유체에 의해서 시원한 공기가 배출되고, 동절기에는 팬코일(330)에 흐르는 고온 열교환유체에 의해서 따뜻한 공기가 배출된다. 배출되는 공기는 순환팬(320)의 회전력 조절에 의해서 먼 거리까지 송풍될 수 있으므로 스마트팜 본체 내의 온도를 균일하게 조절할 수 있는 구조를 가지고 있는 것이 바람직 하다.
또한, 상기 팬코일유닛(300)의 하측에서 스마트팜 내부의 공기를 흡입한 후 양측단으로 공기가 배출하는 방식으로 스마트팜 내의 공기를 교반시켜 순환시키면서 스마트팜 본체(100) 내부 공기정화가 자동으로 이루어지며, 겨울에는 온풍을 여름에는 냉풍을 불어 주게 되므로 항상 쾌적한 환경을 제공할 수 있게 된다.
또한 한편, 스마트팜 본체(100)에는 다수의 온도 센서(미도시)를 설치하고, 상기 온도 센서에서 전달되는 신호는 기계학습 서버(machine lerning server, 도면에 미도시)에서 기계학습되어 데이터셋(dataset)을 축적되어 송풍기(320)의 회전 속도를 제어부가 제어하도록 하는 것이 바람직 하다.
도8은 본 발명에 따른 일 실시예에 있어서 히트펌프를 이용한 냉난방 배관 흐름도이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 스마트팜의 냉난방 시스템에 있어서, 상기 난방장치(200)는 상기 스마트팜 본체(100)의 바닥(베드, bed)에 매설되는 열교환파이프(210)를 포함하여 이루어지며, 상기 열교환파이프(210) 일단은 상기 유체공급원(600)과 연결되도록 이루어진다.
그런데 본 발명에 의한 냉난방장치(200)는 첨부된 도3 내지 도4에 도시된 바와 같이 열교환 파이프(210)를 포함하여 이루어진다. 이를 도8을 참고로하여 좀 더 구체적으로 살펴보면, 본 발명에 의한 스마트팜 냉난방 시스템은 그 공급처는 히트펌프시스템(400, 이를 본 출원인은 출원인이 보유하고 있는 브랜드인 엑서지-21(EXERGY-21)라 칭하고자 함), 실외기(410), 냉난방교환기(420), 급탕열교환기(430), 공급헤더(440), 환수헤더(450), 냉온수 순환펌프(460), 냉난방라인(470), 차압밸브장치(480) 및 기존 냉난방 시스템(700)으로, 그리고 수요처(대상)로서는 상시냉난방수요처(80)와 스마트팜 본체(100)로 구성된다.
우선 상기 히트펌프시스템(400)는, 실외기(410)와 냉매배관, 즉 상기한 바 냉난방라인으로 연결되어 냉매를 정순환 및 역순환을 시켜 냉수 또는 온수를 각 생산한다. 그리고 상기 히트펌프시스템(400)에서 생산된 냉수 또는 온수는 공급헤더(440)로 이동한다. 상기 공급헤더(440)에서 헤더(header)는 용어는 설비용어로서 헷다, 헷더라고 불리우며 헤더는 유체의 분배를 목적으로 하며 제어밸브가 한 곳에 집합되어 있는 모음관으로서 분배기라고 지칭하기도 한다.
상기 생산된 냉수 또는 온수의 순환은, 냉온수 순환펌프(460)에 의해 환수헤더(450)의 냉온수를 흡입하여 히트펌프시스템(400)으로 이송시킴으로써 이루어진다.
공급헤더(440)에서는 냉온수를 냉난방 열교환기(420) 및 상시냉난방수요처(800)로 공급한다.
상기 상시냉난방수요처(800)는, 이미 도2a와 도2b에 도시된 바와 같이 스마트팜 본체(100)인 온실의 경우에 각 열원에 의한 열에너지의 분포가 같은 온실이라고 해도 공간이나 계절별로 각기 다르며, 더 나아가 시설원예 작물이나 사육 가축 종류에 따라 달라지기도 하는데 작물 재배의 경우에는 하단 뿌리 부분은 상시적으로 아울러 집중적으로 온도제어하여 냉난방 효과를 극대화하기 위하여 상시냉난방수요처(800)를 별도로 지정하여 집중관리할 필요가 있다.
상기와 같은 상시냉난방수요처(800)는 용수가 순환되는 방식에 따라서 일반 가스식 냉매 혹은 유류 보일러에 비해 온도가 서서히 변화하여 급격한 온도변화에 취약한 작물에서는 상대적으로 보다 더욱 적합하고, 스마프팜 온실동은 대부분 작물 단위의 베드(bed, 재배상)를 따라서 에어덕트를 설치하기 때문에 그 설치 위치에 따라 온도편차가 심하게 나타나게 되는 종래의 문제점을 해결할 수 있는 수단이 될 수 있다. 아울러 가축사육의 경우에 급격한 온도변화에 취약하거나 독립적이고 집중적으로 온도를 관리하여야 할 임신돈이나 송아지 등 갓 태어난 새끼들을 위한 축사의 경우는 상시냉난방수요처(800)라고 할 수 있다.
상기한 바와 같이 상시냉난방수요처(800)로 지정된 경우에는 공급헤더(440)로부터 냉온수를 공급받아 냉난방을 하고, 냉온수를 환수헤더(450)로 되돌려 보낸다.
상기한 바와 같은 과정에서 냉난방 열교환기(420)에서는 냉온수의 에너지를 냉난방라인(도면에 직접 표시된 냉방 및 난방 배관류 전체를 의미)을 통해 냉난방을 위한 물이 전달되고 환수헤더(450)로 미지근해지거나 식은 물은 상기 냉난방배관라인을 통해 회수되는 등 상기 냉난방라인은 냉난방 열교환기(420)에서 에너지를 받아 스마트팜 본체(100) 및 상시냉난방수요처(800)를 냉방 혹은 난방시키는 데 이용된다.
상기 냉난방라인은 도면에 직접 도시된 바와 같이 기존 냉난방 시스템(700)과 병렬로 연결되어 있는데 상기 냉난방라인에서 적절한 용량의 에너지가 전달되지 않으면, 기존 냉난방 시스템(700)이 가동되어 에너지를 보충한다. 다만 기존 냉난방 시스템(700)이 가동되는 것은 주로 한여름 또는 한겨울의 피크(pick) 때 등 한시적으로 한정하는 것이 바람직한데 이 또한 기계학습된 데이터셋(dataset)에 의거 제어된다.
환수헤더(450)에는 팽창탱크(470)가 연결되어 있다. 히트펌프시스템(400)에서부터 공급헤더(440), 냉난방 열교환기(420), 상시냉난방수요처(800), 환수헤더(450), 냉온수 순환펌프(460)를 경유하는 라인의 냉온수가 온도에 의해 팽창하는 경우에는 여유분의 물이 팽창탱크(470)로 유입되고, 온도가 낮아져 수축하는 경우에는 팽창탱크(470)의 물로 보충된다.
상기 공급헤더(440)와 환수헤더(450) 사이에는 차압밸브장치(도면에 직접 표시)가 설치되어 공급헤더(440), 환수헤더(450) 중 어느 하나의 압력이 급격히 상승하는 경우 이들의 압력을 조정하는 것이 바람직하다. 상기 공급헤더(440)로 부터 별도의 냉반방 라인이 인출되어 급탕열교환기(430)로 유입된다. 급탕열교환기(430)는 스마트팜 본체(100) 또는 상시냉난방수요처(800)의 급탕라인으로 연결되며, 스마트팜 본체(100) 또는 상시냉난방수요처(800)에 온수를 공급한다. 그런데 냉방시에는 공급헤더(440)의 온도는 대략 5℃ 내외, 환수헤더(450)의 온도는 12℃ 내외이며, 난방시에는 공급헤더(440)의 온도는 대략 55~60℃ 내외, 환수헤더(450)의 온도는 40℃ 내외인 것이 바람직하다. 그리고 난방시 냉난방라인의 온도는 45℃~35℃를 유지하는 것이 바람직하다. 이에 따라 스마트팜에는 대략 40℃의 물이 계속 순환한다. 아울러 상기 제어 온도의 범주는 별도로 설명하는 바 기계학습된 데이터셋(dataset)에 의하여 각 시설별로 변경되어 제어되는 것이 바람직하다. 일반적으로 열병합 발전소에서 지역난방을 할 때에 아파트 등 주택 난방을 위해서 100℃의 물을 공급하여 45~50℃로 회수하므로 외기와의 온도차가 커 열손실이 크지만 본 발명에 의한 난방시스템에서는 대략 40℃의 물이 계속 순환 공급되므로 외기와의 온도차가 일정하고, 그 차이가 상기와 같이 주택에 지역난방할 때보다 더 적으므로 열손실이 적어진다. 이는 냉방할 때에도 동일하게 적용되는 것이 바람직하다.
그리고 스마트팜 본체(100)의 바닥에는 열교환파이프(210)가 매설되며, 열교환 파이프(210)는 유체공급원(400)과 연결되도록 이루어진다. 열교환파이프(210)는 바닥에 매설되는 XL파이프(extra-long파이프) 형태로 구비되는 것이 가능하며, 겨울에 열교환파이프(210)를 통해 온수를 순환시켜 난방을 하게 되는 것이 바람직하다.
상기 도8에 나타난 바와 같이, 유체공급원(600)에 의해 스마트팜 본체(100) 상부와 바닥의 난방이 가능하므로 스마트팜 본체(100) 및 상시냉난벙수요처(800) 바닥의 온도와 상부의 온도차를 보상하여 공간 난방의 한계를 극복할 수 있게 되고, 항상 스마트팜 내부가 알맞은 온도로 유지되는 이점이 있다. 즉 열교환파이프(210)는 유체공급원(600)에서 이송되는 유체를 공기열 히트펌프(HP)와 축열조(100)를 통해서 공급받게 되는 것이 바람직하다.
상기 유체공급원(400)으로 공기열에 한정하지 아니하고 수열이나 지열 히트펌프를 사용하는 것도 또한 가능할 것이다.
또한 본 발명에 따른 스마트팜의 냉난방 시스템에 있어서, 상기 도3 내지 도7에서 도시한 바와 같이 상기 공기유입구(311) 하부에는, 상기 공기유입구(311)를 통하여 유입되는 공기중의 이물질을 포집하는 공기필터가 더 구비되는 것이 바람직하다. 이에 공기유입구(311) 하부에는 소정거리 이격되어 공기필터가 구비되는 것이 가능하다. 이를 도5 내지 도7을 참고하여 추가로 설명하면, 상기 공기 필터는 모기장과 같이 소정 크기의 다소의 구멍(hole)이 형성되도록 이루어져, 소정 크기 이상의 공기 중 이물질이 걸리게 되므로 공기유출구(312)로는 항상 깨끗한 공기가 공급되게 된다. 즉 팬코일유닛(300)의 양 측면의 공기유출구(312)를 통하여 각각 5m정도까지 공기가 유출되는 것이 가능하므로, 충분한 공기정화가 이루어지게 된다. 상기 공기필터는 교체형으로 이루어지는 것이 가능하다. 즉 공기필터에 접착 성분을 도포하여 이물질이 공기필터에 부착되도록 하며, 일정한 주기로 교체되도록 이루어질 수 있다. 그리고 공기필터 테두리에는 공기필터를 지지하는 지지프레임이 액자의 테두리와 같이 설치되는 것이 가능하며, 지지프레임에서 위로 연장되는 수직편이 마련되며, 수직편 끝단에 걸림고리가 형성되도록 하여, 걸림고리가 팬코일유닛몸체(310) 하측면 테두리에 형성된 걸림고리홈에 걸리도록 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스마트팜의 냉난방 시스템에 있어서, 상기 공기유입구(311)와 공기필터 사이에 설치되어, 상기 공기필터를 통과한 공기를 살균시키는 살균기를 더 포함하여 이루어진다. 공기유입구(311)와 공기필터 사이에는 살균기가 설치되는 것이 가능하다. 가령, 자외선을 이용한 UV(ultraviolet) 살균기를 이용하는 것이 가능하다.
자외선을 이용한 살균기는 미생물의 DNA(deoxyribonucleic acid) 및 RNA(ribonucleic acid)를 파괴하여 미생물을 사멸시키고 신진대사, 증식 등을 할 수 없도록 불활성화 시키는 뛰어난 살균효과가 있으며 기존의 염소계 소 독으로 인한 살균부산물을 발생시키지 않아 인체에 무해하고 친화경적이고 안전한 살균방법이다. 상기 공기필터를 통과하여 1차적으로 정화된 공기는 살균기를 통과하면서 2차적으로 정화되므로, 공기유입구(311)로는 항상 신선한 공기가 유입되는 것이 가능해진다.
또한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스마트팜의 냉난방 시스템에 있어서, 스마트팜 본체 제공되는 열원은 스마트팜 본체 열원 분포에 따라 선택적으로 차별적으로 제공되는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이 스마트팜 본체에 선택적으로 열원을 공급하는 방법은 스마트팜 본체에 설치된 센서에서 수집된 정보와 스마트팜의 관리 정보를 기계학습시켜 이를 데이터셋(dataset)를 관리하여 본 발명에 의한 냉난방 시스템 제어에 사용하도록 하는 방법으로 개시할 수 있다. 상기와 같은 방법은 이미 출원인이 2020.9.25. 접수 국내 특허 10-0125735호 "기계학습된 데이터셋(dataset)을 구비한 공기열 히트펌프 및 그 제어 방법" 으로 출원한 바 있는데 위 특허 기술을 그대로 활용하여 적용하는 것이 바람직하다.
도3에서,
100 스마트팜 본체(body)
200 냉난방장치
300 팬코일유닛(FCU, fan coil unit)
400 히트펌프(HP, heat pump)
500 축열조
600 유체공급원
도4에서,
210 열교환 파이프
상기 도3에서 반복되는 기호는 설명 생략.
도5에서,
310 팬코일 몸체(body),
311 공기유입구(하단) 312 공기유출구
상기 도3 내지 도4에서 반복되는 기호는 설명 생략.
도6에서,
320 송풍기 330 코일
상기 도3 내지 도5에서 반복되는 기호는 설명 생략.
도8에서,
410 실외기(공랭식) 420 냉난방열 교환기,
430 급탕열교환기 440 공급 헤더(header),
450 환수 헤더(header) 460 냉온수 순환펌프,
470 팽창 탱크
700 기존 난방 시스템
800 상시냉난방수요처
상기 도3 내지 도7에서 반복되는 기호는 설명 생략. 이하 도면에 표기.

Claims (11)

  1. 실외기를 포함하는 히트펌프시스템과;
    상기 히트펌프시스템으로부터 냉온수를 공급받는 공급헤더와;
    상기 공급 헤더로부터 냉온수를 공급받아 열교환시키는 냉난방 열교환기와;
    상기 열교환기로부터 열교환된 냉온수를 회수하여 상기 히트펌프시스템으로 돌려보내는 환수 헤더와; 상기 냉난방 열교환기와 열교환하여 스마트팜에 냉난방열을 공급하는 냉난방라인과;
    상기 냉난방라인과 병렬 연결된 기존 냉난방 시스템;을 포함하는 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공급헤더로부터 냉온수를 공급받아 순환시키고, 상기 환수헤더로 돌려 보내는 라인을 갖는 상시냉난방수요처를 추가로 포함하는 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템.
  3. 제1항 내지 제2항에 있어서,
    상기 공급헤더와 상기 환수헤더 사이에는 냉온수의 압력의 차이를 보상하는 차압밸브장치가 추가로 설치된 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항에 있어서,
    상기 공급헤더로부터 온수를 공급받아 상기 스마트팜의의 급탕라인과 열교환 후, 상기 환수헤더로 돌려보내는 급탕열교환기를 추가로 갖는 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 환수헤더에 연결되어, 과부족한 냉온수가 유출되거나 공급하는 팽창탱크를 추가로 갖는 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항에 있어서,
    상기 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템은 스마트팜 본체;
    상기 스마트팜 본체의 바닥에 설치되며 공급되는 유체에 의해서 스마트팜의 바닥을 난방시키는 난방장치; 및
    상기 스마트팜 본체의 상측에 설치되며 상기 스마트팜 내부의 공기를 하측에서 흡입하여 교반시키는 팬코일유닛(FCU);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 팬코일유닛(FCU)은, 바닥에 공기유입구가 형성되며, 측벽에는 공기유출구가 형성되는 팬코일유닛(FCU) 몸체;
    상기 팬코일유닛(FCU) 몸체의 내부에 설치되며, 상기 공기유입구를 통해 공기를 흡입한 후에 상기 공기유출구로 열교환된 공기가 배출되도록 하는 순환팬; 및
    상기 팬코일유닛(FCU) 몸체의 공기유출구에 설치되며, 일단이 상기 스마트팜 본체의 외측에 설치되는 유체공급원과 연결되어 상기 송풍기를 통해서 흡입된 공기가 열교환되도록 하는 팬코일;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 난방장치는 상기 스마트팜 본체의 바닥에 매설되는 열교환파이프를 포함하여 이루어지며, 상기 열교환파이프 일단은 상기 유체공급원과 연결되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공기유입구 하부에는, 상기 공기유입구를 통하여 유입되는 공기 중의 이물질을 포집하는 공기필터가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 공기유입구와 공기필터 사이에 설치되어, 상기 공기필터를 통과한 공기를 살균시키는 살균기를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항에 있어서,
    각 단계별 제어는, 별도 구비된 기계학습 서버와 송수신하면서 기계학습된 조합의 데이터셋(dataset)을 활용하여 제어하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템.
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KR1020210182915A KR20220020797A (ko) 2021-12-17 2021-12-17 히트펌프를 이용한 스마트팜의 냉난방 시스템

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023161545A1 (es) * 2022-02-25 2023-08-31 Pena Cabello Daniel Instalación de climatización para granjas
KR20230147240A (ko) 2022-04-13 2023-10-23 주식회사 네모엘텍 온도조절이 용이한 스마트팜 시스템
KR102594334B1 (ko) * 2023-04-19 2023-10-26 주식회사 아이토브에너지 온도제어장치

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