KR20240079785A - 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템 - Google Patents

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임용훈
이찬규
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주식회사 파워투팜스
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Abstract

본 발명은 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 냉방이 필요한 경우 복사에너지를 흡수하고, 난방이 필요한 경우 흡수된 열에너지를 재활용하여 난방을 수행함으로써 에너지 비용을 절감할 수 있고 온실 관리의 효율성을 향상시킬 수 있는 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템은 내부에 재배공간이 마련된 온실; 상기 온실에 설치되고 내부에 복사에너지흡수실이 마련된 에너지흡수함체; 상기 에너지흡수함체에 설치되어 상기 온실 내부의 복사에너지를 흡수하는 열흡수체; 및 상기 열흡수체에 흡수된 복사에너지를 열교환하는 열교환부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템{COOLING AND HEATING SYSTEM OF GREENHOUSE USING HEAT ABSORBER}
본 발명은 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 냉방이 필요한 경우 복사에너지를 흡수하고, 난방이 필요한 경우 흡수된 열에너지를 재활용하여 난방을 수행함으로써 에너지 비용을 절감할 수 있고 온실 관리의 효율성을 향상시킬 수 있는 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 유리온실이나 비닐하우스에 의해 이루어지는 시설원예는 온실 내부에 마련한 재배지에 작물을 식재하고, 작물의 재배에 이상적인 온도, 습도, CO2 등의 조건을 유지하도록 환경을 관리하면서 재배과정을 수행하는 시설로서, 온도의 조절을 위해 난방장치 및 냉방장치가 구비되어 있다.
예컨대, 온실의 난방장치 및 냉방장치로는 대한민국 등록특허 등록번호 제10-1707045호로 개시된 '유리온실 냉난방시스템'이 제안되어 있다.
상기한 유리온실 냉난방시스템은 열매체저장조, 히트펌프, 열매체순환공급라인, 공기순환공급라인, 외기유입라인, 배출라인, 개폐밸브, 온도센서 및 제어부 등이 구비되어 있다.
여기서, 히트펌프는 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 냉난방장치로, 구동 방식에 따라 전기식과 엔진식으로 구분되는데, 현재 대부분이 냉방과 난방을 겸용하는 구조로 되어 있다.
전술한 유리온실 냉난방시스템은 열매체저장조의 저장된 열매체를 이용하여 여름철에 히트펌프를 냉방운전시켜 유리온실 내부를 냉방할 수 있고, 겨울철에 난방상태로 조작하여 히트펌프를 난방운전시켜 상기 유리온실 내부를 난방할 수 있다. 즉, 공기순환공급라인의 내부로 유입된 유리온실의 내부공기는 공기순환공급라인을 통해 히트펌프를 경유하면서 냉각 및 가열된 상태로 다시 유리온실의 내부로 순환 공급되면서 냉,난방을 수행할 수 있다.
이러한, 종래 유리온실 냉난방시스템은 냉난방을 위해 전기식 또는 엔진식 히트펌프를 가동시켜야 하고, 팬코일의 송풍기를 가동시켜야 하며, 팬코일 및 히트펌프의 작동에 이동되는 열매체저장조의 열매체를 냉각하거나 가열하기 위한 에너지가 필요하므로 운전비용의 상승을 초래한다.
특히, 온실은 열 환경 제어에 있어 일사량이 클 경우(주로 낮 시간대) 온실로 유입되는 태양 복사에너지(800~1000W/m2)로 인해 작물 생육에 적합한 온도 조건(통상 28 oC 이하)을 초과하여 온실 내부온도 상승을 유발하게 되는 단점이 있다. 이와 같이 온실 내부 온도가 과도하게 승온된 열 환경은 정상적인 작물 생육을 저해하고, 과온에 의한 화상을 유발하는 등의 문제를 유발할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 온실의 승온된 공기를 환기하는 방법, 포깅, 히트펌프 등 기존 냉방 수단을 작동시키는 방안이 있으나 냉방부하가 커질수록 (하절기 등) 에너지 비용의 증대로 인해 시설원예 생산원가가 상승되므로 농업 현장에서는 하절기에 휴지기를 갖는 경우가 많다.
그리고, 온실 내부 온도의 과도한 상승으로 측장 및 천정창의 개방할 경우 온실에 시비한 CO2가 외부로 유출, 낭비되므로 시비효과의 저하는 물론이고 관리비용의 상승을 초래하는 단점이 있고, 습도를 정확하게 조절할 수 없는 단점이 있다.
아울러, 전술한 바와 같은 종래 시설원예의 단점을 보완하기 위해서는 온실 내부로 유입되는 태양 복사에너지가 온실 내부로 확산되기 전에 적절한 냉방부하 관리를 위한 수단이 필요하며, 특히 전기 에너지를 소비하지 않는 방식의 냉방 관리방법의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정에 있다.
한국등록특허 등록번호 제10-1707045호 "유리온실 냉난방시스템 한국등록특허 등록번호 제10-1347523호 "온실용 냉난방 시스템 및 그의 냉난방 방법" 한국공개특허 공개번호 제10-2015-0084103호 "온실하우스의 하이브리드 냉난방시스템"
본 발명은 상기 내용에 착안하여 제안된 것으로, 냉방이 필요한 경우 복사에너지를 흡수하고, 난방이 필요한 경우 흡수된 열에너지를 재활용하여 난방을 수행함으로써 에너지 비용을 절감할 수 있고 온실 관리의 효율성을 향상시킬 수 있도록 한 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 측장 및 천정창의 개방을 최소화 하면서 온실 내부의 난방 및 냉방을 위한 온도 조절작용과 습도 조절작용을 효과적으로 수행할 수 있고 온실에 시비한 CO2가 외부로 유출에 따른 낭비를 저감할 수 있도록 한 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템은 내부에 재배공간이 마련된 온실; 상기 온실에 설치되고 내부에 복사에너지흡수실이 마련된 에너지흡수함체; 상기 에너지흡수함체에 설치되어 상기 온실 내부의 복사에너지를 흡수하는 열흡수체; 및 상기 열흡수체에 흡수된 복사에너지를 열교환하는 열교환부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템은 상기 에너지흡수함체에 접하여 배치되고 상기 열교환부의 열교환작용에 의해 가온되는 용수가 수용되는 열교환수조부; 및 상기 열교환부에 의해 열교환된 열을 축열하는 축열부를 더 포함하되, 상기 축열부는 용수가 저장되도록 상기 열교환수조부와 연결되고, 상기 온실의 지상부, 상기 온실의 지하부, 상기 온실의 외부 중에서 적어도 한 개소 이상에 설치되는 홈통형 분사축열조를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템은 내부에 재배공간이 마련된 온실; 상기 온실에 설치되고 내부에 복사에너지흡수실이 마련된 에너지흡수함체; 상기 에너지흡수함체에 설치되어 상기 온실 내부의 복사에너지를 흡수하는 열흡수체; 상기 열흡수체에 흡수된 복사에너지를 열교환하는 열교환부; 상기 열교환부에 의해 열교환된 열을 축열하는 축열부; 및 상기 축열부 및 상기 열교환부 중에서 어느 한 곳 이상으로부터 전달되는 열원을 이용하여 작동되는 히트펌프;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템은 상기 에너지흡수함체에 접하여 배치되고 상기 열교환부의 열교환작용에 의해 가온되는 용수가 수용되는 열교환수조부;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 열교환부는 상기 열흡수체에 일측이 접속되고 타측이 상기 열교환수조부에 침지되며, 외부 동력 없이 작동유체의 증발과 응축에 의하여 상기 열흡수체의 열을 상기 열교환수조부의 용수에 전달하는 진동형 히트파이프로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 축열부는 용수가 수용되는 축열탱크로 구성될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템은 상기 열교환수조부의 가온 용수가 상기 히트펌프로 공급되도록 연결되는 제1 용수공급라인, 상기 히트펌프의 용수가 열교환수조부로 회수되도록 연결되는 제1 용수회수라인, 상기 히트펌프의 가온 용수가 상기 히트펌프의 난방부를 향해 공급되도록 연결되는 제2 용수공급라인, 상기 난방부에서 난방에 이용된 용수가 축열탱크로 회수되도록 연결되는 제2 용수회수라인, 상기 제2 용수공급라인에서 분기되어 상기 축열탱크에 접속되는 제1 분기라인, 상기 축열탱크의 용수를 상기 히트펌프로 공급하기 위해 연결되는 제2 분기라인, 상기 제1 용수공급라인에서 분기되어 상기 축열탱크에 연결되고 가온 용수가 공급되는 제3 분기라인, 상기 제1 용수회수라인에서 분기되어 상기 축열탱크로 연결되고 용수가 회수되는 제4 분기라인, 상기 제3 분기라인에서 연장되고 가온 용수가 방류되는 방류라인을 구비한 배관라인을 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템은 상기 제2 용수공급라인 및 상기 제1 분기라인의 분기부에 설치되는 제1 제어밸브, 상기 제1 용수공급라인 및 상기 제3 분기라인의 분기부에 설치되는 제2 제어밸브, 상기 제1 용수회수라인 및 상기 제4 분기라인의 분기부에 설치되는 제3 제어밸브 및 상기 제3 분기라인 및 상기 방류라인의 분기부에 설치되는 제4 제어밸브를 포함하는 밸브; 및 상기 제1 용수공급라인에 설치되는 제1 펌프, 상기 제1 용수회수라인에 설치되는 제2 펌프를 포함하는 펌프;를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 상기 열흡수체는 흑체 또는 태양전지패널로 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 흑체는, 열전도성을 갖는 열전도성베이스판; 및 상기 열전도성베이스판에 적층되는 흑체코팅부;를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 에너지흡수함체는, 판형 육면체로 형성되어 상기 온실의 측벽 부위에 설치되고, 광의 유입이 가능하도록 투명 소재로 형성되며 열교환부인입부가 천공된 투명육면체; 상기 열전도성베이스판이 고정되도록 상기 투명육면체에 형성되는 흑체고정부; 상기 열교환수조부에 결속되도록 상기 투명육면체에 형성되는 제1 연결부; 및 상기 열교환부를 고정하기 위해 결속되는 열교환부고정부재;를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 열교환수조부는, 상기 투명육면체의 하부에 배치되고 내부에 용수가 수용되는 수조몸체; 상기 수조몸체의 상부에 형성되어 상기 제1 연결부에 결속되는 제2 연결부; 상기 수조몸체에 형성되어 내부의 용수가 배출되는 배기노즐; 및 상기 수조몸체에 형성되어 내부로 용수가 회수되는 유입노즐;을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템에 의하면, 태양 복사에너지 중 광합성에 사용되는 가시광선 영역 이외의 온실 내부 온도를 상승시키는 파장대가 큰 적외선, 원적외선 등의 복사에너지를 열흡수체, 열교환부 및 열교환수조부의 유기적인 작용에 의해 냉방이 필요한 경우 흡수하고, 난방이 필요한 경우 흡수된 열에너지를 재활용하여 난방을 수행함으로써 에너지 비용을 절감할 수 있고 온실 관리의 효율성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템에 의하면, 측장 및 천정창의 개방을 최소화 하면서 온실 내부의 난방 및 냉방을 위한 온도 조절작용과 습도 조절작용을 효과적으로 수행할 수 있으므로 측창 및 천정창의 개방에 따른 시비한 CO2 외부 유출이 방지되어 시비효과를 유지할 수 있고 CO2 낭비를 줄여 관리비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 외기에 포함된 병원균 유입을 차단하여 병해충을 예방할 수 있으며, 동절기 급격한 찬공기 유입에 따른 농작물의 성장 불량으로 발생할 수 있는 생산성 저하 및 품질 저하를 방지할 수 있다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템을 설명하기 위한 구성도,
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템의 주요 구성을 설명하기 위한 도1의 A부의 단면도,
도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템을 설명하기 위한 구성도,
도4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템의 변형예를 설명하기 위한 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하되, 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조번호가 부여하여 설명하도록 한다.
한편, 각각의 도면에서 일반적인 기술로부터 이 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 상세한 설명은 간략히 하거나 생략한다. 또한, 본 발명이 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템에 특징을 갖는 것이므로 이와 관련된 부분들을 중심으로 도시 및 설명하고 나머지 부분에 대한 설명은 간략화하거나 생략하도록 한다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템을 설명하기 위한 구성도로서, 이해를 돕기 위해 주요 구성요소를 간략화하여 나타낸 것이다. 도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템의 주요 구성을 설명하기 위한 도1의 A부의 단면도로서, 에너지흡수함체(2), 열흡수체(3), 열교환부(4), 및 열교환수조부(5)의 일 형태를 단면화하여 간략하게 도시한 것이다.
도1 및 도2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템은 냉방이 필요한 경우 복사에너지를 흡수하고, 난방이 필요한 경우 흡수된 열에너지를 재활용하여 난방을 수행할 수 있도록 구성한 것으로서 온실(1), 에너지흡수함체(2), 열흡수체(3), 열교환부(4), 및 열교환수조부(5)를 구비한다.
온실(1)은 태양광이 입사되도록 형성되고 내부에 식물의 재배를 위한 재배공간이 갖도록 구성된 구조라면 특별히 구조나 형태에 제한이 없지만 대표적으로 온실프레임(미도시)에 투명유리가 설치된 유리온실이나, 온실프레임에 투명비닐이 설치되는 비닐하우스가 적용될 수 있다.
에너지흡수함체(2)는 온실(1)에 설치되고 내부에 복사에너지흡수실(25)이 마련된 구성요소로서, 투명육면체(21), 흑체고정부(22), 제1 연결부(23) 및 열교환부고정부재(24)를 구비한다.
투명육면체(21)는 온실의 측벽 부위에 설치되는 것으로 내부에 복사에너지흡수실(25)이 형성되도록 높이에 비해 두께가 얇은 구조의 판형 육면체로 형성되어 있다.
투명육면체(21)는 광의 유입이 가능하도록 투명 소재로 형성되되, 저면에 열교환부의 설치를 위한 열교환부인입부(26)가 천공되어 있다. 여기서 투명 소재는 폴리카보네이트(PC), 아크릴 등 빛의 투과도가 높으나 열전도도가 낮은 재질을 선택하는 것이 바람직하다.
흑체고정부(22)는 후술되는 흑체(21)가 고정되도록 투명육면체(21)에 형성되는 것으로서, 투명육면체의 상판 내면에 끼움공을 갖도록 이격 돌출되는 한 쌍의 상고정돌부(221)와, 투명육면체(21)의 하판 내면에 끼움공을 갖도록 이격 돌출되는 한 쌍의 하고정돌부(222)를 구비한다.
제1 연결부(23)는 열교환수조부(5)에 결속되도록 투명육면체(21)의 하단에 수평방향으로 돌출되는 것으로 체결공이 천공되어 있다.
열교환부고정부재(24)는 열교환부(4)를 투명육면체(21)에 안정적으로 고정할 수 있다면 형태나 구조에 특별한 제한은 없지만, 본 실시예에서는 대략 'U'자 형상으로 형성된 볼트몸체(241)에 너트(242)가 체결된 것으로 통상 U-볼트라고 호칭되는 체결부재로 구성되어 있다.
한편, 열흡수체(3)는 에너지흡수함체(2)에 설치되어 온실 내부의 복사에너지를 흡수하는 구성요소로서, 태양전지패널 등과 같이 온실 내부의 복사에너지를 흡수할 수 있고 투명육면체의 내부에 설치할 수 있다면 특별한 제한 없이 선택할 수 있지만 흑체(31)로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 흑체(31,Black-body)는 태양 복사에너지의 흡수율이 이론적으로 1인 물체를 의미하며, 전 파장대의 태양 복사에너지를 효과적으로 흡수하여 주변(Environment)으로 태양 복사에너지의 확산을 완화할 수 있는 것으로, 온실 내부로 유입되는 태양 복사에너지의 일부를 온실 측벽 부위에서 흡수하는 열 고속도로(Heat Highway) 기능을 통해 빠르게 온실 밖으로 방열 시킴으로써 온실 내부의 온도상승을 완화하는 효과를 발휘할 수 있다.
예컨대, 흑체(31)는 열전도성을 갖는 열전도성베이스판(311)과, 이 열전도성베이스판(311)에 적층되는 흑체코팅부(312)로 구성되어 있다.
열전도성베이스판(311)은 알루미늄 등과 같이 열전도도가 높은 금속판으로 구성되는 것이 바람직하다.
흑체코팅부(312)는 높은 방사율과 내열성, 내마멸성, 내화학성을 갖는 공지의 흑체용 페인트를 열전도성베이스판(311)에 페인팅하여 구성할 수 있다.
한편, 열교환부(4)는 열흡수체(3)에 흡수된 복사에너지를 열교환하는 구성요소로서, 열교환 효율이 우수하다면 특별한 제한은 없지만, 하절기 고온의 온실 공기를 냉각하여 재공급할 수 있는 동시에 높은 열 유속의 열전달을 통해 축열작용을 수행할 수 있는 진동형 히트파이프(41)로 구성된다.
진동형 히트파이프(41)는 열흡수체(3)에 일측인 상부가 접속되고 타측인 하부가 열교환수조부(5)에 침지되며, 외부 동력 없이 작동유체의 증발과 응축에 의하여 열흡수체(3)의 열을 열교환수조부(5)의 용수에 전달한다.
그리고 진동형 히트파이프(41)는 주지된 바와 같이 폐회로를 이루도록 형성된 관의 밀폐된 내부에 작동유체를 주입한 후 진공 배기한 것으로 작동유체의 증발과 응축에 의하여 별도의 외부동력 없이 열을 전달하는 기구이다. 여기서, 작동유체(working fIuid)란 일반적으로 냉매를 말하는 것으로, 열기관에서는 열 에너지의 공급을 받는 유체가 팽창함으로써 역학적 일을 하는데, 나머지 에너지를 방출해 원래의 상태로 되돌아간 다음에 다시 열의 공급을 받는다는 식으로, 유체가 몇 단의 상태변화를 하는 하나의 사이클에 의해 동력이 발생한다. 아울러 진동형 히트파이프(41)는 열교환 대상물 사이(흑체의 표면과 열교환수조부에 수용된 용수)의 최소 작동 온도차가 7℃ 이상일 경우 열교환 특성이 우수한 제품이 널리 적용되고 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.
열교환수조부(5)는 에너지흡수함체(2)에 접하여 배치되는 구성요소로서, 투명육면체(21)의 하부에 배치되고 내부에 용수가 수용되는 수조몸체(51), 수조몸체(51)의 상부에 형성되어 제1 연결부(23)에 결속되는 제2 연결부(52), 수조몸체(51)에 형성되어 내부의 용수가 배출되는 배기노즐(53), 및 수조몸체(51)에 형성되어 내부로 용수가 회수되는 유입노즐(54)을 구비한다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템은 열교환부(4)에 의해 열교환된 열을 축열하는 축열부(미도시)가 더 구성될 수 있다.
축열부(미도시)는 열교환수조부(5)의 용수가 순환되도록 열교환수조부와 연결되게 수로 형태로 형성될 수 있는 것으로서, 온실(1)의 지상부, 온실의 지하부, 온실의 외부 중에서 적어도 한 개소 이상에 설치되는 홈통형 분산축열조(미도시)로 구성될 수 있다. 이러한 홈토형 분산축열조는 낮 시간 동안 가온된 온수를 저장한 후 야간 등 난방이 필요한 경우 난방수 등으로 활용할 수 있다.
그리고 도1의 미설명부호 9는 식물의 재배를 위한 배지가 올려지는 식물재배대로서 온실 내부에 다수 열을 이루도록 설치되어 있다.
이하 본 발명의 제1 실시예에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템의 작용을 간략하게 설명한다.
도1을 참조하면 태양광이 입사되면 온실(1) 내부가 가온되는데, 이때의 태양 복사에너지는 통상 800~1000W/m2 정도로서 하절기(또는 춘추절기, 동절기 낮 시간)의 경우 작물 생육에 적합한 온도 조건인 28℃ 이상으로 온실 내부 온도를 상승시키게 되는 것이 일반적이지만, 본 실시예에 따르면 에너지흡수함체(2), 열흡수체(3), 열교환부(4), 및 열교환수조부(5)의 유기적인 복사에너지의 흡수작용을 통해 태양 복사에너지가 온실 내부로 확산되기 전에 적절하게 보조적인 냉방작용을 수행한다.
보다 구체적으로 설명하면, 온실로 진입하거나 온실 내부로 유입되는 태양 복사에너지는 먼저 에너지흡수함체(2)로 유입되고, 연이어 복사에너지의 흡수율이 높은 흑체(31)로 전달되면서 흑체의 온도가 상승된다.
그리고 흑체(31)의 하부에 진동형 히트파이프(41)가 상측 부분이 접속되어 있으므로 흑체(31)로 전달된 열기는 진동형 히트파이프(41)의 열교환작용에 의해 열교환수조부(5)에 수용된 용수로 전달된다. 즉 진동형 히트파이프(41)는 외부 동력 없이 작동유체의 증발과 응축에 의하여 열교환이 이루어지게 되어 열교환수조부(5)에 수용된 용수를 가온하고 흑체(31)의 온도를 낮추는 작용을 수행한다.
실험 결과 열교환부(4)를 설치하지 않은 경우 흑체(31)의 온도는 최대 90℃ 이상으로 상승되고 에너지흡수함체(2)의 복사에너지흡수실(25) 내부 온도는 70℃ 이상으로 상승됨을 확인할 수 있었다. 하지만, 열교환부(4)로서 진동형 히트파이프(41)를 흑체의 하부에 접속할 경우 열전달 프로세스를 통해 흑체의 온도는 40 내지 45℃로 유지함을 확인할 수 있었다.
전술한 바와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템에 따르면 온실로 전달되는 태양 복사에너지 중 광합성에 사용되는 가시광선 영역 이외의 온실 내부 온도를 상승시키는 파장대가 큰 적외선, 원적외선 등이 열흡수체(3), 열교환부(4), 및 열교환수조부(5)의 유기적인 작용에 의해 온실의 열기을 제거해 줌으로써 종래 방식과 비교하여 15~20% 범위로 온도 증가를 억제하는 효과를 수행할 수 있다.
아울러 본 발명의 제1 실시예에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템은 온실(1)의 지상부, 온실의 지하부, 온실의 외부 등에 홈통형 분산축열조와 같은 축열부를 별도로 구성할 경우 낮 시간 동안 복사에너지를 이용하여 가온된 온수를 축열부에 저장함으로써 야간 등 난방이 필요한 경우 난방수 등으로 활용할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 다른 실시예를 설명하되, 전술한 제1 실시예에 나타난 구성요소와 유사한 구성요소에 대하여는 구체적인 설명을 생략하고 차이점을 갖는 구성요소를 중심으로 설명한다. 그리고, 이하의 다른 실시예에서는 제1 실시예에 나타난 구성요소 또는 서로 다른 실시예에 나타난 구성요소 중에서 채용 가능한 구조라면 선택적으로 적용할 수도 있는 것으로 구체적인 설명이나 도면상 도시는 생략한다.
도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템을 설명하기 위한 구성도로서, 이해를 돕기 위해 주요 구성요소를 간략화하여 나타낸 것이다.
도3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템은 내부에 재배공간이 마련된 온실(1), 온실에 설치되고 내부에 복사에너지흡수실(25)이 마련된 에너지흡수함체(2), 에너지흡수함체에 설치되어 온실 내부의 복사에너지를 흡수하는 열흡수체(3), 열교환작용을 수행하는 열교환부(4), 에너지흡수함체(2)에 접하여 배치되는 열교환수조부(5)를 구비하되, 열을 축열하는 축열부(6)와, 열교환부로부터 전달되는 열원을 재활용하여 작동되는 히트펌프(7)가 더 구성되어 있다.
축열부(6)는 열교환부(4)에 의해 열교환된 열을 축열하도록 용수가 수용되는 축열탱크(61)로 구성되어 있다.
히트펌프(7)는 열교환부(4)에 의해 가온된 열교환수조부(5)의 용수에 회수된 열을 열교환하여 축열부에 전달하거나 난방부(81)를 매개로 온실의 난방을 수행하기 위한 구성요소로서, 증발기(미도시), 팽창밸브(미도시), 응축기(미도시), 압축기(미도시) 등이 구비되어 가온 용수에 포함된 열 에너지가 증발기(미도시)내에서 증발하고 응축기(미도시)에서 방출하는 공지의 히트펌프 중에서 선택하여 설치할 수 있다. 그리고, 히트펌프(7)는 냉난방 분야에서 널리 사용되고 있는 주지된 장치이므로 구체적인 설명을 생략하고 단순화하여 도시한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템은 열교환수조부(5)의 가온된 용수를 히트펌프(7)로 순환시키고, 히트펌프에 의해 생산된 고온수를 축열부(6)로 저장하거나 난방을 하기 위해 배관라인(82), 펌프(83) 및 밸브(84) 등이 구비되어 있다.
예컨대, 배관라인(82)은 열교환수조부(5)의 가온 용수가 히트펌프(7)로 공급되도록 연결되는 제1 용수공급라인(821), 히트펌프의 용수가 열교환수조부(5)로 회수되도록 연결되는 제1 용수회수라인(822), 히트펌프의 가온 용수가 난방부(81)를 향해 공급되도록 연결되는 제2 용수공급라인(823), 난방부에서 난방에 이용된 용수가 축열탱크(61)로 회수되도록 연결되는 제2 용수회수라인(824), 제2 용수공급라인에서 분기되어 축열탱크에 접속되는 제1 분기라인(825), 축열탱크(61)의 용수를 히트펌프로 공급하기 위해 연결되는 제2 분기라인(826)을 구비한다.
펌프(83)는 제1 용수공급라인(821)에 설치되는 제1 펌프(831), 제1 용수회수라인(822)에 설치되는 제2 펌프(832)를 구비하고, 밸브(84)는 제2 용수공급라인(823) 및 제1 분기라인(825)의 분기부에 설치되는 제1 제어밸브(841) 등을 구비한다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템은 전술한 제1 실시예의 작용 설명 부분에 기재된 바와 같이 온실의 태양 복사에너지를 열흡수체(3), 열교환부(4), 및 열교환수조부(5)의 유기적인 작용에 의해 제거할 수 있는 동시에 축열부(6) 및 히트펌프(7)가 더 구비되어 있으므로 열교환수조부(5)의 가온 용수를 이용하여 히트펌프(7)를 작동시켜서 고온수를 형성한 후 온실의 난방에 이용하거나, 히트펌프(7)에 의해 생성된 고온수를 축열부(6)에 저장하여 온실의 난방부(81)로 순환시키는 형태로 난방에 이용할 수 있어서 냉난방 시스템을 안정적으로 운영할 수 있다.
상기한 열교환수조부(5)와 히트펌프(7) 사이의 용수 순환은 제1 용수공급라인(821) 및 제1 용수회수라인(822)를 통해 이루어지는 것으로 이때, 제1 펌프(831) 및 제2 펌프(832)의 펌핑 동작이 수행된다. 그리고, 히트펌프(7)와 난방부(81) 사이의 용수 순환은 제2 용수공급라인(823) 및 제2 용수회수라인(824)를 매개로 이루어지게 된다.
도4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템의 변형예를 설명하기 위한 구성도로서, 이해를 돕기 위해 주요 구성요소를 간략화하여 나타낸 것이다.
도4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템은 열교환수조부(5)의 가온된 용수를 히트펌프(7) 및 축열부(6)에 선택적으로 공급할 수 있도록 구성함으로써 보다 안정적이면서 효과적으로 폐열을 활용하도록 구성한 점에 특징이 있다.
이를 위해, 열교환수조부(5), 축열부(6) 및 히트펌프(7)를 서로 연결하는 배관라인(82)은 제1 용수공급라인(821)에서 분기되어 축열탱크(61)로 연결되고 가온 용수를 공급되는 제3 분기라인(827), 제1 용수회수라인(822)에서 분기되어 축열탱크(61)로 연결되고 용수가 회수되는 제4 분기라인(828), 제3 분기라인(827)에서 연장되고 가온 용수가 방류되는 방류라인(829)을 더 구비한다.
밸브(84)는 제1 용수공급라인(821) 및 제3 분기라인(827)의 분기부에 설치되는 제2 제어밸브(842), 제1 용수회수라인(822) 및 제4 분기라인(828)의 분기부에 설치되는 제3 제어밸브(843) 및 제3 분기라인(827) 및 방류라인(829)의 분기부에 설치되는 제4 제어밸브(844)를 등을 구비한다.
여기서, 제1 내지 제4 제어밸브(841,842,843,844)는 밸브 설치 수량을 최소화 하면서 자동 제어가 가능하도록 전동식 액츄에이터가 구비된 3-방향 자동제어밸브로 구성되어 있다.
전술한 바와 같이 본 발명의 제2 실시예의 변형예에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템은 제3 분기라인(827), 제4 분기라인(828), 방류라인(829), 제2 내지 제4 제어밸브(842,843,844) 등이 더 구비되어 있으므로 열교환수조부(5)의 가온 용수를 축열부(6)에 직접 저장하여 온실의 난방부(81)로 순환시키면서 난방에 이용할 수 있고, 필요시에 가온 용수를 방류라인(828)을 통해 외부로 방류할 수 있으므로 냉난방 시스템을 보다 다채롭고 효율적으로 구현할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템의 구성 및 동작에 대해서 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로서 본 기술분야에 통상의 지식을 가진자는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 전술한 실시예의 일부를 치환 및 변형하는 것이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
따라서 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물에 미치는 것으로 이해되어야 할 것이다.
1:온실 2:에너지흡수함체
21:투명육면체 22:흑체고정부
23:제1 연결부 24:열교환부고정부재
3:열흡수체 31:흑체
4:열교환부 41:진동형 히트파이프
5:열교환수조부 51:수조몸체
52:제2 연결부 53:배기노즐
54:유입노즐 6:축열부
7:히트펌프 81:난방부
82:배관라인 83:펌프
84:밸브

Claims (10)

  1. 내부에 재배공간이 마련된 온실;
    상기 온실에 설치되고 내부에 복사에너지흡수실이 마련된 에너지흡수함체;
    상기 에너지흡수함체에 설치되어 상기 온실 내부의 복사에너지를 흡수하는 열흡수체; 및
    상기 열흡수체에 흡수된 복사에너지를 열교환하는 열교환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에너지흡수함체에 접하여 배치되고 상기 열교환부의 열교환작용에 의해 가온되는 용수가 수용되는 열교환수조부; 및
    상기 열교환부에 의해 열교환된 열을 축열하는 축열부를 더 포함하되,
    상기 축열부는 용수가 저장되도록 상기 열교환수조부와 연결되고, 상기 온실의 지상부, 상기 온실의 지하부, 상기 온실의 외부 중에서 적어도 한 개소 이상에 설치되는 홈통형 분사축열조를 포함하는 것을 특징으로 하는 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템.
  3. 내부에 재배공간이 마련된 온실;
    상기 온실에 설치되고 내부에 복사에너지흡수실이 마련된 에너지흡수함체;
    상기 에너지흡수함체에 설치되어 상기 온실 내부의 복사에너지를 흡수하는 열흡수체;
    상기 열흡수체에 흡수된 복사에너지를 열교환하는 열교환부;
    상기 열교환부에 의해 열교환된 열을 축열하는 축열부; 및
    상기 축열부 및 상기 열교환부 중에서 어느 한 곳 이상으로부터 전달되는 열원을 이용하여 작동되는 히트펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에너지흡수함체에 접하여 배치되고 상기 열교환부의 열교환작용에 의해 가온되는 용수가 수용되는 열교환수조부;를 더 포함하고,
    상기 열교환부는 상기 열흡수체에 일측이 접속되고 타측이 상기 열교환수조부에 침지되며, 외부 동력 없이 작동유체의 증발과 응축에 의하여 상기 열흡수체의 열을 상기 열교환수조부의 용수에 전달하는 진동형 히트파이프로 구성된 것을 특징으로 하는 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 축열부는 용수가 수용되는 축열탱크로 구성되고,
    상기 열교환수조부의 가온 용수가 상기 히트펌프로 공급되도록 연결되는 제1 용수공급라인, 상기 히트펌프의 용수가 열교환수조부로 회수되도록 연결되는 제1 용수회수라인, 상기 히트펌프의 가온 용수가 상기 히트펌프의 난방부를 향해 공급되도록 연결되는 제2 용수공급라인, 상기 난방부에서 난방에 이용된 용수가 축열탱크로 회수되도록 연결되는 제2 용수회수라인, 상기 제2 용수공급라인에서 분기되어 상기 축열탱크에 접속되는 제1 분기라인, 상기 축열탱크의 용수를 상기 히트펌프로 공급하기 위해 연결되는 제2 분기라인, 상기 제1 용수공급라인에서 분기되어 상기 축열탱크에 연결되고 가온 용수가 공급되는 제3 분기라인, 상기 제1 용수회수라인에서 분기되어 상기 축열탱크로 연결되고 용수가 회수되는 제4 분기라인, 상기 제3 분기라인에서 연장되고 가온 용수가 방류되는 방류라인을 구비한 배관라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 용수공급라인 및 상기 제1 분기라인의 분기부에 설치되는 제1 제어밸브, 상기 제1 용수공급라인 및 상기 제3 분기라인의 분기부에 설치되는 제2 제어밸브, 상기 제1 용수회수라인 및 상기 제4 분기라인의 분기부에 설치되는 제3 제어밸브 및 상기 제3 분기라인 및 상기 방류라인의 분기부에 설치되는 제4 제어밸브를 포함하는 밸브; 및
    상기 제1 용수공급라인에 설치되는 제1 펌프, 상기 제1 용수회수라인에 설치되는 제2 펌프를 포함하는 펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열흡수체는 흑체 또는 태양전지패널로 구성되는 것을 특징으로 하는 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 흑체는,
    열전도성을 갖는 열전도성베이스판; 및
    상기 열전도성베이스판에 적층되는 흑체코팅부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템.
  9. 제8에 있어서,
    상기 에너지흡수함체는,
    판형 육면체로 형성되어 상기 온실의 측벽 부위에 설치되고, 광의 유입이 가능하도록 투명 소재로 형성되며 열교환부인입부가 천공된 투명육면체;
    상기 열전도성베이스판이 고정되도록 상기 투명육면체에 형성되는 흑체고정부;
    상기 열교환수조부에 결속되도록 상기 투명육면체에 형성되는 제1 연결부; 및
    상기 열교환부를 고정하기 위해 결속되는 열교환부고정부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 열교환수조부는,
    상기 투명육면체의 하부에 배치되고 내부에 용수가 수용되는 수조몸체;
    상기 수조몸체의 상부에 형성되어 상기 제1 연결부에 결속되는 제2 연결부;
    상기 수조몸체에 형성되어 내부의 용수가 배출되는 배기노즐; 및
    상기 수조몸체에 형성되어 내부로 용수가 회수되는 유입노즐;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열흡수체를 이용한 온실의 냉난방 시스템.
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