KR102649588B1 - 자연광 하이브리드형 다층 식물 재배 시스템에서 균일한 광 환경을 조성하는 방법 및 상기 방법이 적용된 시스템 - Google Patents

자연광 하이브리드형 다층 식물 재배 시스템에서 균일한 광 환경을 조성하는 방법 및 상기 방법이 적용된 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스마트 식물 재배 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 자연광과 인공광을 병용하는 자연광 하이브리드형 다층 식물 재배 시스템에서 균일한 광 환경을 조성하는 방법, 및 상기 방법이 적용된 자연광 하이브리드형 다층 식물 재배 시스템에 관한 것이다.

Description

자연광 하이브리드형 다층 식물 재배 시스템에서 균일한 광 환경을 조성하는 방법 및 상기 방법이 적용된 시스템 {Method for providing uniform light environment in natural light hybrid-type multi-layered plant cultivation system and System using the same method}
본 발명은 자연광과 인공광을 병용한 하이브리드 다층 식물 재배 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 자연광과 인공광을 병용하여 온실 내 균일한 광환경을 조성하여 작물간 생육편차를 최소화시키는 방법, 및 상기 방법이 적용된 자연광 하이브리드형 다층 식물 재배 시스템에 관한 것이다.
수직형 다층 식물재배 시스템(버티컬팜)은 기후나 계절의 영향을 받지 않고 작물 생육을 위한 재배조건을 구성하여 다층 재배하는 시설로서 미래농업의 핵심기술이다.
다층재배 구현시 가장 중요한 기술적 요인은 안정적인 생육환경을 제공함으로써 작물간 생육편차가 발생하지 않도록 하는 것인데, 인공광(LED 등)을 활용하면 광량, 온도, 습도, CO2 등 재배조건을 비교적 쉽게 조절하여 안정적인 생육환경을 제공할 수 있기 때문에, 기존 버티컬팜 기술은 인공광(LED)을 중심으로 개발되어 왔다.
그러나 인공광 버티컬팜은 인공광 시설 설치비와 광조달을 위한 전기사용료가 너무 비싼 것이 문제였는데, 특히 광 요구량이 높은 작물은 인공광을 사용시 재배비용이 너무 높아 수익확보가 불가능했기 때문에, 인공광 버티컬팜의 재배 가능 작물은 광 요구량이 낮은 엽채소 등에 한정되어 있었다. 그나마도 모든 엽채소 재배가 가능했던 것이 아니고, 광요구량이 낮은 성장 초기 단계(정식후 1개월 미만)에서 포기채로 수확해 샐러드 형태로 판매할 수 있는 몇몇 품종의 재배시에만 제한된 수익을 확보할 수 있었기 때문에, 인공광 버티컬팜의 작물재배 범용성과 수익성이 매우 낮아 기술개발 및 확산이 정체되어 있다.
자연광의 경우 인공광과 달리 별도의 광 조달비용이 발생하지 않는 장점이 있지만, 일출부터 일몰까지 광량/광질이 변화되고, 기후조건, 계절조건 등에 따라 불규칙하게 변화하므로, 자연광의 변화에 맞춰 안정적인 생육환경을 조성하여 다층재배시 작물간 생육편차가 발생하지 않도록 하는 것은 거의 불가능에 가까웠기 때문에 현재까지도 다층재배 모델이 개발되지 못하였던 것이 현실이다.
그러나 기후변화, 인구증가 등에 따른 식량부족에 대응하기 위해 단위면적당 생산력을 증대시키는 방법은 수직형 다층재배가 거의 유일하고, 인공광 버티컬팜 모델은 광조달 비용의 문제를 해결할 수 없기 때문에 미래농업의 적합한 모델로 자연광을 활용한 버티컬팜을 개발하는 것은 필수적인 과제라 할 수 있다.
한국 등록특허 10-1121067 (2012.02.21.등록) 한국 특허공개 10-2022-0111434 (2022.08.09.공개)
본 발명의 일 목적은 자연광과 인공광을 병용하는 자연광 하이브리드형 다층 식물 재배 시스템에서 광센서를 사용하지 않고도 모든 식재 위치에서 균일한 광 환경을 조성할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 전술한 방법을 채용한 자연광 하이브리드형 다층 식물 재배 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 자연광을 활용한 버티컬팜 구축시 불규칙한 자연광이 유발하는 작물 생육편차를 최소화시킬 수 있는 균일한 광환경 조성방법에 관한 것으로, 재배공간(온실)을 채광부와 단열부로 나누고, 채광부로부터 유입되는 자연광을 산광 처리하며, 재배장치 내 재배작물까지 자연광 도달율에 따라 공간을 구분하여 각 재배작물에게 공급되는 광량을 수치화하여 부족분을 인공광으로 보광하는 방법을 사용하고자 한다.
작물의 생육편차는 광량/광질, 온도, 습도, CO2, 비료량, 토질 등 다양한 조건에 의해 발생한다. 그러나 자연광을 활용한 다층재배시 광 문제를 제외한 다른 재배환경은 인위적으로 통제가 가능하고, 광 조건에 따라 다른 재배조건이 변화된다는 점에서 본 발명을 이용하여 자연광의 불규칙함으로 인해 발생되는 문제를 통제할 수 있다면, 자연광 활용 버티컬팜 구축이 가능해진다는 점에서 큰 의미가 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 다층 식물 재배 시스템에서 균일한 광 환경을 조성하는 방법으로서, 상기 방법은
(a) 식물 재배 시스템 내에서 광이 식물 재배층에 도달하는 비율에 따라 책정된 2개 이상의 등급을 기준으로 각 식물 재배층을 2개 이상의 섹터로 구별하는 단계;
(b) 태양의 남중고도에서의 조도(lux 단위)를 측정하고 상기 조도로부터 일평균 자연광 조도(lux 단위)를 구하는 단계;
(c) 상기 일평균 자연광 조도로부터 광 단위변환 환산 기준에 따라 PPFD (광합성 유효광량 자속 밀도)를 계산하는 단계;
(d) 상기 PPFD에 기초하여, 식물 재배층의 상기 구별되는 각 섹터에서의 도달 PPFD 를 계산하는 단계;
(e) 각 식물 종류에 따른 목표 DLI (일적산 광량)와 평균 일조 시간에 기초하여, 일조 시간내 필요한 PPFD 를 환산하는 단계;
(f) 상기 일조 시간내 필요한 PPFD 값과 각 섹터별 도달 PPFD 를 비교하여 각 섹터별 시간당 부족한 PPFD 를 계산하는 단계;
(g) 평균 일조시간과 각 섹터별 시간당 부족 PPFD 를 곱하여 구한 값을 인공광 보광시간으로 나누어서 인공광으로부터 보충되어야하는 시간당 PPFD 값을 계산하는 단계;
(h) 상기 인공광으로부터 보충되어야 하는 PPFD 값을 인공광원 용량으로 환산하는 단계; 및
(i) 상기 LED 용량으로부터 각 섹터별 필요한 인공광원 갯수를 계산하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 일평균 자연광 조도는 상기 남중고도 조도의 50~70% 로 추정하여 계산한 값일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 인공광원은 LED 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다층 식물 재배 시스템은 하기를 포함하는 것인 방법이 제공된다:
자연광이 입사가능한 채광부(101) 및 벽면의 일부 또는 전부를 따라 단열재가 설치된 차광 단열부(102)를 포함하는 하우징 본체 및 상기 차광 단열부(102) 벽면의 일부 또는 전부에 설치되어 하우징 본체 내부의 광을 반사하는 광반사부(130)를 포함하는 시스템 하우징부(100);
복수의 수직 지지 프레임(411)과 복수의 수평 지지 프레임(412)에 의해 구획되고, 수직으로 배열된 복수의 식물 재배층 및 인공광을 선택적으로 조사하는 조명부(240)를 포함하며, 상기 시스템 하우징부의 하우징 내부에 위치하는 수직형 식물 재배부(200); 및
공기 이동 통로(423) 및 상기 공기 이동 통로(423)의 공기를 하우징 내부로 분사하는 복수의 공기 유출구(422)를 포함하고 상기 수직 지지 프레임(411)과 상기 수평 지지 프레임(412)을 구성하는 지지프레임용 파이프(420), 상기 지지 프레임용 파이프(420)의 공기 이동 통로(423) 내로 공기를 유입하는 공기공급부(미도시), 공기의 습도 제어를 위한 습도 제어부(430), 공기 중 이산화탄소 함량 제어를 위한 이산화탄소 제어부(440), 및 공기의 압력 제어를 위한 공기압 제어부(450)를 포함하고, 상기 공기공급부를 통해 유입되는 공기는 하우징 내부의 목표 온도, 습도, 및 이산화탄소 농도로 조절된 공기인 공기 순환부(400),
여기서 상기 수직형 식물 재배부의 조명부는 복수의 인공광원을 포함하고 상기 균일한 광 환경을 조성하는 방법에 따라 계산된 섹터 및 각 섹터별 인공광원 개수에 따라 조명부에서 선택적으로 인공광원의 스위치 온 또는 오프를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하우징 본체에서 상기 채광부(101) 대 상기 차광 단열부(102)의 면적비가 3.5 ~ 4.5 대 5.5 ~ 6.5 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 채광부(101)는 상기 하우징 천장부에 경사진 광 투과창을 포함하고, 상기 경사진 광 투과창의 경사면이 지면에 수직하는 수직선과 이루는 각도(θ)가 40 내지 50도의 범위 내에 있는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 채광부(101)는 하우징 본체의 남쪽에 위치하고, 상기 채광부(101)의 경사진 광 투과창의 꼭지점과 하우징 본체 바닥부의 북쪽 모서리 하단이 이루는 각도가, 태양의 연평균 남중고도값이 되도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 천장 구획판(120)은 하우징 내부를 향하는 하면에 광반사 부재를 더 포함하여, 상기 천장 구획판(120)으로 입사하는 자연광은 투과하고 하우징 내부로부터의 광은 반사하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 지지 프레임용 파이프(420)의 적어도 2개 이상의 면 상에 상기 공기 유출부(612)가 형성되어, 유출된 공기가 하우징 내부에서 복수의 방향으로 순환되도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공기 순환부(400)의 공기 공급부를 통해 유입되는 공기는 온도, 습도, 및 이산화탄소 농도가 조절된 공기이고, 상기 습도 및 이산화탄소는 상기 공기 이동용 파이프(610)에서 수증기 및 이산화탄소를 공기 중으로 분사함으로써 조절되는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 양태에 따르면 하기를 포함하는 식물 재배 시스템이 제공된다:
자연광이 입사가능한 채광부(101) 및 벽면의 일부 또는 전부를 따라 단열재가 설치된 차광 단열부(102)를 포함하는 하우징 본체 및 상기 차광 단열부(102) 벽면의 일부 또는 전부에 설치되어 하우징 본체 내부의 광을 반사하는 광반사부(130)를 포함하는 시스템 하우징부(100);
복수의 수직 지지 프레임(411)과 복수의 수평 지지 프레임(412)에 의해 구획되고, 수직으로 배열된 복수의 식물 재배층 및 인공광을 선택적으로 조사하는 조명부(240)를 포함하며, 상기 시스템 하우징부의 하우징 내부에 위치하는 수직형 식물 재배부(200)로서, 여기서 상기 수직형 식물 재배부의 조명부(240)는 전술한 균일한 광환경 조성 방법에 따라 계산된 섹터 및 각 섹터별 인공광원 개수에 따라 선택적으로 인공광원의 스위치 온 또는 오프를 제어하기 위한 제어부 및 복수의 인공광원을 포함하는, 수직형 식물 재배부(200); 및
공기 이동 통로(423) 및 상기 공기 이동 통로(423)의 공기를 하우징 내부로 분사하는 복수의 공기 유출구(422)를 포함하고 상기 수직 지지 프레임(411)과 상기 수평 지지 프레임(412)을 구성하는 지지프레임용 파이프(420), 상기 지지 프레임용 파이프(420)의 공기 이동 통로(423) 내로 공기를 유입하는 공기공급부(미도시), 공기의 습도 제어를 위한 습도 제어부(430), 공기 중 이산화탄소 함량 제어를 위한 이산화탄소 제어부(440), 및 공기의 압력 제어를 위한 공기압 제어부(450)를 포함하고, 상기 공기공급부를 통해 유입되는 공기는 하우징 내부의 목표 온도, 습도, 및 이산화탄소 농도로 조절된 공기인 공기 순환부(400).
본 발명의 방법에 따르면 광센서를 통해 각 식재층마다 광량을 일일이 확인하여 부족한 인공광을 보광할 일 없이, 태양의 평균 남중고도, 각 식물에 필요한 DLI 등의 정보만을 이용함으로써 식재층의 각 섹터에 적합한 인공광의 광량을 조절할 수 있으므로, 다층 식물 재배 시스템에서 각 식재층에 필요한 인공광의 광량을 효율적이면서도 비용 효과적으로 제어할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 식물 재배 시스템(10)은 인공광과 자연광을 선택에 따라 동시에 이용할 수 있으며, 식물 재배 시스템(10)의 채광부(101)의 투명한 유리 및 플라스틱 온실 창문 외부에 설치된 1차 외부차양시설(103a, 103b)의 개폐를 통해 자연광이 부족할 경우는 완전 개방하고, 자연광이 과할 경우에는 필요한 만큼 차단하여, 온실내로 DLI가 충족될 수 있는 충분한 광 유입이 가능하도록 조절하고, 천장 구획판(120)을 통해 온실내로 유입된 광을 2차로 산광하여 자연광이 온실 내부 구석구석까지 잘 도달할 수 있도록 하여 인공광 사용량을 줄여 광조달 에너지 비용을 절감할 수 있고, 내부 온도 조절에 차광 단열부의 단열재 뿐만 아니라 지열도 이용함으로써 시스템 전력 소모 저감에 기여할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 식물 재배 시스템(10)은 차광 단열부에 의한 단열, 바닥부에서의 바닥 냉난방과 팬 코일 유니트에 의한 천장 냉난방, 및 공기 순환부에 의해 순환되는 온도 조절된 공기를 통해 식물의 생육에 적합한 온도(생육적온)를 연중 계절 변화와 관계없이 항상 일정하게 유지할 수 있다. 이러한 생육적온의 유지를 통해 작물의 생육 발달과 수량 개선의 효과를 가져올 수 있다.
또한, 단일의 공기 순환부에 의해 온도뿐만 아니라 이산화탄소 농도와 습도를 동시에 컨트롤할 수 있으므로 생육 환경을 효율적이고 편리하게 유지시킬 수 있고, 또한, 생육적온, 습도, 및 CO2가 비교적 균일하게 유지될 수 있기 때문에 복수의 다층 식재층 사이의 생육편차가 최소화될 수 있어서 다층 재배가 구현될 수 있게 된다.
또한, 식물 재배부와 결합된 공기 순환부를 통해 하우징 내부 공기를 다양한 방향으로 순환시켜 작물 주위에 미풍 순환이 이루어지게 할 수 있으므로 병충해 발생율이 저하될 수 있다.
도 1은 식물 재배 시스템으로 입사하는 입사광과 하우징 내부의 산란광의 광 경로를 예시적으로 보여주는 정단면도이다.
도 2는 식물 재배 시스템 내부에서 광이 식물 재배층에 도달하는 비율에 따라 책정된 등급을 기준으로 각 식물 재배층을 복수의 섹터로 구별하는 예를 보여준다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배 시스템(10)의 시스템 하우징부(100)를 개략적으로 도시하는 정단면도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배 시스템(10)의 온도 조절부(300), 시스템 하우징부(100), 및 이들이 결합된 상태를 개략적으로 도시하는 정단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배부(200)를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 순환부(400), 식물 재배부(200), 및 이들이 결합된 상태를 개략적으로 도시하는 정단면도이다.
도 7 에서 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 순환부(400)의 지지 프레임용 파이프(420)의 일례를 개략적으로 도시하는 사시도이고, (b)는 지지 프레임용 파이프(420)들을 연결하기 위한 3구 결착부의 일례, (c)는 4구 결착부의 일례를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 조절부(300)의 수 이동용 파이프(510)와 공기 순환부(400)의 공기 이동용 파이프(610)가 결합된 상태를 개략적으로 도시하는 상면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 식물 재배 시스템에 대해 상세히 설명한다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
본 명세서에서 PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density: 광합성 유효 광량 자속 밀도)는 1제곱미터 면적에 1초동안 내리쬐는 광량자의 양 (μ㏖/m2/s로 표시됨)을 의미한다. PPFD는 식물이 광합성을 하는데 필요한 최소의 요건이며, 일반적으로 PPFD가 높을수록 광합성 작용이 촉진되며, 본 발명에서 표시되는 광량은 PPFD의 광입자량을 의미한다. 엽채소의 경우 약 350 μ㏖/m2/s 이 필요하다고 알려져 있다. PPFD는 광센서에 의해 측정이 가능하나, 광센서는 가격이 고가이고 다층 재배시에는 각 층마다 설치해야하는 문제가 있다.
한편, 본 명세서에서 DLI (Daily Light Integral: 일적산 광량)은 하루에 제공되어야 하는 광자 밀도량 (mol/㎡day로 표시됨)을 의미한다. 식물은 PPFD가 증가할수록 광합성이 촉진되나 무제한으로 광합성 작용을 하진 못한다. 식물의 광합성 능력은 제한되어 있으며, 따라서 하루에 사용하는 광량도 제한되어 있다. 이를 일적산광량(DLI:Daily Light Integral)로 표시하는데, 모든 식물은 DLI가 충족되면 광합성 효율이 급격히 떨어지며 DLI를 초과하는 광이 광합성 작용에 기여하는 바는 매우 적다. 따라서 DLI를 초과하는 광은 생육편차를 거의 발생시키지 않는다. 그러나 광부족으로 식물별 요구 DLI를 충족시키지 못하면 작물의 광합성량이 떨어져 생육편차가 발생하므로, 각 식물의 생육편차를 최소화시키기 위해서는 작물별로 요구되는 DLI를 충족하는 최소한의 광량을 초과해서 제공하는 것이 매우 중요하다. 각 식물의 요구 DLI는 모두 다르며, 엽채소의 경우 DLI 값은 14 (최소) 내지 17 (최적)이라고 알려져 있다.
자연광 활용 다층재배시 모든 작물에게 요구 DLI를 충족시키는 광량을 제공하면 광 부족으로 유발되는 생육편차 문제를 해결할 수 있다. 즉 재배공간(온실)으로 유입되는 PPFD의 양과 평균 일조시간을 확인하고, 다층재배시 작물의 위치에 따른 광 도달률을 계산하여, 각 작물별로 요구 DLI 충족할 수 있을 만큼 자연광을 제공하는데, 재배작물의 위치에 따라 광 도달률이 낮을 경우 인공광을 사용하여 보광처리하는 방법으로 재배장치 내 작물에게 요구 DLI를 충족시키면 광 부족으로 인한 생육편차를 해소할 수 있기 때문이다.
다층재배시 다른 재배환경이 일정하다고 가정할 경우, 재배위치에 관계없이 각 작물별로 충분한 광을 제공하면 저성장 작물이 발생할 확률을 최소화할 수 있다. 다층재배시 일정기준 이상으로 잘자라는 것은 문제되지 않지만, 광부족으로 인한 생육피해가 발생할 경우 비료량 조절 및 재배환경에 대한 일괄적인 통제가 불가능해져 비료 및 물 과부족으로 인한 품질저하, 수확량 감소, 병충해 발생 등의 문제가 발생하기 때문에, 자연광을 활용한 다층재배시 모든 작물별로 요구 DLI를 충족시켜주고, 제공된 광 조건에 맞춰 온도, 습도, CO2, 비료량 등의 다른 조건을 조절해 저성장으로 인한 생육편차가 발생하지 않도록 하는 것은 자연광을 활용한 버티컬팜 구축시 가장 중요한 요인이 된다.
본 발명과 관련하여 각 재배작물 주위에 광센서를 설치하여 도달광량을 측정한 후, 부족한 광량을 인공광으로 보광하는 방법으로 생육편차를 최소화시키는 방법이 있을 수 있으나, 그 방법은 비용이 많이 발생하는 단점이 있다. 이에 본 발명은 광센서를 사용하지 않고 균일한 광환경을 조성하여 생육편차를 최소화시키는 방법을 제시하고자 한다.
상기 DLI 값은 상기 PPFD 로부터 다음의 [수학식 1]에 따라 계산될 수 있다:
[수학식 1]
간략히 말하면 상기 DLI 값은 PPFD*조명시간*3,600/1,000,000 으로 계산된다. 따라서 DLI 값과 조명시간을 알면 광센서가 없더라도 PPFD 값을 구할 수 있으며, 또한, 목표 DLI 값을 알면, 자연광에 의해 공급되는 PPFD 에 의했을 때 부족한 PPFD 값은 조명을 통해 보완하여 목표 DLI 값을 채울 수 있게 된다.
구체적으로, 본 발명에 따른 균일한 광환경 조성 방법은 다음의 단계를 포함한다:
(a) 식물 재배 시스템 내에서 광이 식물 재배층에 도달하는 비율에 따라 책정된 2개 이상의 등급을 기준으로 각 식물 재배층을 2개 이상의 섹터로 구별하는 단계;
(b) 태양의 남중고도에서의 조도(lux 단위)를 측정하고 상기 조도로부터 일평균 자연광 조도(lux 단위)를 구하는 단계;
(c) 상기 일평균 자연광 조도로부터 광 단위변환 환산 기준에 따라 PPFD (광합성 유효광량 자속 밀도)를 계산하는 단계;
(d) 상기 PPFD에 기초하여, 식물 재배층의 상기 구별되는 각 섹터에서의 도달 PPFD 를 계산하는 단계;
(e) 각 식물 종류에 따른 목표 DLI (일적산 광량)와 평균 일조 시간에 기초하여, 일조 시간내 필요한 PPFD 를 환산하는 단계;
(f) 상기 일조 시간내 필요한 PPFD 값과 각 섹터별 도달 PPFD 를 비교하여 각 섹터별 시간당 부족한 PPFD 를 계산하는 단계;
(g) 평균 일조시간과 각 섹터별 시간당 부족 PPFD 를 곱하여 구한 값을 인공광 보광시간으로 나누어서 인공광으로부터 보충되어야하는 시간당 PPFD 값을 계산하는 단계;
(h) 상기 인공광으로부터 보충되어야 하는 PPFD 값을 인공광원 용량으로 환산하는 단계; 및
(i) 상기 LED 용량으로부터 각 섹터별 필요한 인공광원 갯수를 계산하는 단계.
이하에서는 상기 방법에서의 각 단계에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
상기 (a) 단계는 식물 재배 시스템 내에서 광이 식물 재배층에 도달하는 비율에 따라 각 식물 재배층별, 각 식물 재배층 내의 화분 위치별로 등급을 책정하고, 유사한 등급을 가진 곳을 하나의 섹터로 묶는 단계이다. 여기서 "광"은 식물 재배 시스템 내로 입사하는 자연 입사광 뿐만 아니라 식물 재배 시스템 내부에서 광반사부 등에 의해 산란되어 도달하는 산란광까지 모두 포함하는 것이다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 수직으로 배열된 수직 다층 식물 재배부에서 각 식물 재배층의 화분 위치별로 광이 도달하는 비율에 따라 광 도달율이 80% 이상인 A 등급, 50%~80%의 B 등급, 30~50%의 C 등급으로 등급을 나누고, 해당 등급을 기준으로 각 화분 위치별로 A 등급을 가진 A 섹터, B 등급을 가진 B 섹터, C 등급을 가진 C 섹터로 구별할 수 있다.
상기 (b) 단계는 태양의 남중고도에서의 조도(lux 단위)를 측정하고 상기 조도로부터 일평균 자연광 조도(lux 단위)를 구하는 단계이다. 여기에서 상기 태양의 남중고도는 태양이 가장 높이, 즉, 남쪽에 있을 때의 고도이다.
상기 남중고도는 각 지역별, 계절별, 일기별로 다를 수 있으나, 특정 지역에서 각 계절 평균값은 년 단위의 주기에서 거의 차이가 없을 수 있다. 따라서, 예를 들어, 상기 태양의 남중고도는 각 계절에 따른 평균 남중고도 값으로 할 수 있으며, 이에 따르면, 본 발명에서 최종적으로 (i) 단계에서 도출되는 인공광원 개수는 계절별로 다르게 적용될 수 있다. 다른 예로는 상기 태양의 남중고도를 월별로 평균하여 월별 평균 남중고도 값으로 할 수 있으며, 이에 따르면 최종 도출되는 인공광원 개수는 월별로 다르게 적용될 수 있다.
상기 일평균 자연광 조도는 조도센서를 이용하여 각 시간마다 직접 측정한 후 평균값을 구하여 도출할 수도 있지만, 본 발명에서는 편의를 위하여 태양의 남중고도에서의 조도로부터 도출한다. 예를 들어 상기 일평균 자연광 조도는 태양의 남중고도에서의 조도값의 50 내지 70%, 구체적으로는 55 내지 65%, 예를 들어 60% 인 것으로 추정될 수 있다.
상기 (c) 단계는 상기 일평균 자연광 조도로부터 광 단위변환 환산 기준에 따라 PPFD (광합성 유효광량 자속 밀도)를 계산하는 단계이다.
본 명세서에서 자연광은 태양광(복사량 400-700 nm), 인공광은 삼파장 LED 를 기준으로 할 수 있다. 상기 광 단위변환 환산 기준은 당업계의 통상적인 광단위 변환표, 예를 들어 국립 원예특작과학원에서 제공하는 광단위 변환표를 기준으로 할 수 있다. 예를 들어 하기 [표 1]에 나타낸 광단위 변환표에 따른 것일 수 있다.
[표 1]
예를 들어, 봄/여름의 최대 남중고도 조도 평균값이 70,000 lux 이고 일평균 조도는 상기 최대 남중고도 조도 평균값의 60% 라고 추정할 경우, 일평균 조도는 42,000 lux 이 되고, 이로부터 상기 광 단위변환 환산 기준에 따라 PPFD (광합성 유효광량 자속 밀도)를 계산하면 1,354 μ㏖/m2/s 이 된다.
상기 (d) 단계는 상기 (c) 단계에서 도출한 PPFD에 기초하여, 식물 재배층의 상기 구별되는 각 섹터에서의 도달 PPFD (최소값)를 계산하는 단계이다. 예를 들어, (c) 단계에서 도출한 PPFD 가 1,354 μ㏖/m2/s 이고 식물 재배층에 A 섹터 (광도달율 80% 이상), B 섹터 (50-80%), C 섹터 (30%-50%)가 있을 경우, A 섹터에 도달하는 PPFD 는 최소 1,084 μ㏖/m2/s, B 섹터에 도달하는 PPFD 는 최소 650 μ㏖/m2/s, C 섹터에 도달하는 PPFD는 최소 390 μ㏖/m2/s 이 된다.
상기 (e) 단계는 각 식물 종류에 따른 목표 DLI (일적산 광량)와 평균 일조 시간에 기초하여, 일조 시간내 필요한 PPFD 를 환산하는 단계이다. 식물 종류에 따라 요구 DLI 가 상이한데, 예를 들어 엽채소의 경우 DLI 값이 17 일 때가 최적이다. 여기에서 상기 평균 일조 시간은 지역별, 계절별, 일기별로 상이할 수 있으며, 본 명세서에서 상기 평균 일조 시간은 상기 남중고도 조도 평균값을 구했을 때 기준이 되는 기간 (예를 들어 봄/가을과 같은 계절, 또는 특정 월)과 동일한 기간에서 자연광의 평균 일조 시간이다. 예를 들어 봄(3-5월)에서의 평균 일조시간은 8.2 시간이고 가을(9-11월)에서의 평균 일조 시간은 6.5 시간이다 (기상청에서 제공하는 평균 일조시간 기준). 일조 시간내 필요한 PPFD 는, 예를 들어 DLI 값을 구하기 위한 상기 [수학식 1], 간략히 "DLI 값 = PPFD*조명시간*3,600/1,000,000"이라는 수학식에 목표 DLI 값과 평균 일조시간을 넣으면 나오는 PPFD 값일 수 있다. 예를 들어 목표 DLI 값이 17 이고 평균 일조시간이 6.5 시간 (상기 수학식에서 조명시간에 6.5를 대입)일 때 PPFD (일조 시간내 필요한 PPFD)는 대략 726 μ㏖/m2/s 이 된다.
상기 (f) 단계는 상기 일조 시간내 필요한 PPFD 값과 각 섹터별 도달 PPFD 를 비교하여 각 섹터별 시간당 부족한 PPFD 를 계산하는 단계이다. 구체적으로, 전술한 각 단계의 예에서 A 섹터, B 섹터, C 섹터 각각에 도달하는 PPFD가 각각 1084, 650, 390 이고, 일조 시간내 필요한 PPFD 값이 대략 726 인 경우, A 섹터는 PPFD 가 부족하지 않고 B 섹터는 대략 76, C 섹터는 대략 336 만큼의 PPFD 부족이 발생한다.
상기 (g) 단계는 평균 일조시간과 각 섹터별 시간당 부족 PPFD 를 곱하여 구한 값을 인공광 보광시간으로 나누어서 인공광으로부터 보충되어야하는 시간당 PPFD 값을 계산하는 단계이다. 구체적으로, 전술한 예시에서 가을 동안의 평균 일조 시간은 6.5 시간인데, B 섹터 및 C 섹터는 부족 PPFD 가 각각 76, 336 이므로, 평균 일조시간과 각 섹터별 시간당 부족 PPFD 를 곱한 값은 B 섹터 및 C 섹터에서 각각 495 및 2,186 이 된다. 인공광으로 보광하고자 하는 보광시간을 10 시간으로 설정하였을 경우, 인공광으로부터 보충되어야하는 시간당 PPFD 값은 B 섹터와 C 섹터에서 각각 49.5 및 218.6 이 된다.
상기 (h) 단계는 상기 인공광으로부터 보충되어야 하는 PPFD 값을 인공광원 용량으로 환산하는 단계이다. 여기서 상기 인공광원 용량으로의 환산은 전술한 광 단위변환 환산 기준, 예를 들어 상기 [표 1]에 나타낸 광단위 변환표에 따른 것일 수 있다. 인공광을 삼파장 LED 로 하였을 경우, 전술한 예에서 B 섹터와 C 섹터에서 인공광으로부터 보충되어야 하는 PPFD 값, 49.5 및 218.6 은 삼파장 LED 용량으로 각각 10.79 W/m2 및 47.62 W/m2 가 된다.
상기 (i) 단계는 상기 LED 용량으로부터 각 섹터별 필요한 인공광원 갯수를 계산하는 단계이다. 예를 들어, 앞서 (h) 단계에서 B 섹터와 C 섹터에서 보충되어야 하는 인공광원 용량은 각각 10.79 W/m2 및 47.62 W/m2 이므로, 이러한 용량을 제공할 수 있는 삼파장 LED 개수를 계산할 수 있다.
이하에서는 전술한 광 환경 조성 방법이 적용되기에 바람직한 식물 재배 시스템의 일 실시예에 대해 보다 자세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배 시스템(10)은 시스템의 하우징 본체와 이의 부속 구성요소로 이루어진 시스템 하우징부(100); 시스템 하우징부(100)의 내부에 위치하고 식물이 식재되는 식재부(210)를 포함하는 식물 재배부(200)로서, 여기서 상기 수직형 식물 재배부의 조명부는 본 발명의 광환경 조성 방법에 따라 계산된 섹터 및 각 섹터별 인공광원 개수에 따라 선택적으로 인공광원의 스위치 온 또는 오프를 제어하기 위한 제어부 및 복수의 인공광원을 포함하는 식물 재배부(200); 및 상기 식물 재배부(200)를 구획하는 지지 프레임(411, 412)의 파이프(420)에 공기를 유입하고 상기 파이프 상에 타공된 공기 유출구(422)를 통해 공기가 유출되도록 하여 식물 재배부 주변의 공기를 순환시키는 공기 순환부(400)를 포함한다. 추가로, 상기 식물 재배 시스템(10)은 물을 소정 온도의 온도조절 수로 전환하고 상기 온도조절 수를 하우징 바닥과 천장에 설치된 파이프를 통해 순환시켜 시스템 하우징부(100) 내부의 온도를 조절하는 온도 조절부(300)를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 상기 각 구성요소에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배 시스템(10)의 시스템 하우징부(100)를 개략적으로 도시한다.
상기 시스템 하우징부(100)에서 하우징 본체는 식물이 재배되어 자라기 위한 공간을 포함하여, 다수의 지지벽이 바닥부로부터 위로 연장되고 지붕을 이루어서 형성되는 공간이다. 하우징 본체는 바닥, 지지벽, 지붕으로 이루어진 외형을 가지며, 또한, 본 발명에 따르면 상기 하우징 본체는 채광부(101)와 차광 단열부(102)로 구성될 수 있다.
상기 채광부(101)는 자연광이 입사가능하며 상기 차광 단열부(102)는 자연광을 차광하고 벽면의 일부 또는 전부를 따라 단열재를 설치한 부분이다. 상기 채광부(101)는 하우징 본체의 지붕 중 일부와 지지벽 중의 일부를 구성할 수 있으며, 상기 차광 단열부(102)는 상기 채광부(101)를 제외한 지붕의 나머지 일부와 지지벽의 나머지 일부를 구성할 수 있다. 상기 채광부(101)는 하우징 본체의 남쪽 방향에 설치되는 것이 자연광을 년중 효과적으로 활용하는데 바람직하다.
일 구현예에 따르면, 상기 하우징 본체에서 상기 채광부(101) 대 상기 차광 단열부(102)의 면적비가 3.5 ~4.5 대 5.5 ~6.5, 예를 들어 4:6 일 수 있다. 상기 차광 단열부(102)가 차지하는 면적이 상기 채광부(101)의 면적에 비해 더 넓은 것이 단열과 안정적인 온도 유지를 위해 바람직할 수 있다. 차광 단열부(102)로 인하여 광량이 부족하거나 광분포가 불균일해지는 것을 방지하기 위해 시스템 하우징부(100)는 광반사부(130)를 통해 광의 손실을 방지하고 식물 재배부(200)는 조명부(240)를 더 포함하여 자연광이 충분히 도달하지 못하는 영역은 더 많은 인공광이 사용되도록 할 수 있다.
또한, 일 구현예에 따르면 상기 채광부(101) 상에는 외부 차양막(103)을 설치할 수 있다. 여기서 상기 외부 차양막(103)은 여름 낮과 같이 자연광이 과도하게 입사될 때에는 채광부(101)를 가려서 차광하기 위한 목적으로 사용될 수 있다. 상기 외부 차양막(103)은 착탈식 또는 접이식으로 되어 필요에 따라 제거가 가능하도록 설치하는 것이 바람직하다. 또한 외부 차양막(103)은 광투과율이 60% 이상의 원단을 사용하는 것이 바람직하며 광량이 풍부한 여름(6-8월)에만 외부 차양막에 의한 차양을 실시한다.
또한, 일 구현예에 따르면, 상기 채광부(101)는 하우징 천장부에 경사진 광 투과창을 포함하고 상기 경사진 광투과창의 경사면이 지면에 수직하는 수직선과 이루는 각도(θ)가 40 내지 50도의 범위, 구체적으로는 45 내지 50도의 범위, 예를 들어 48도 내지 49도가 되도록 할 수 있다. 이와 같이 채광부의 광투과창 경사도를 조정함으로써 최소의 채광부 사이즈에서도 하우징 내부의 구석까지 자연광이 잘 침투하고 단열 면적이 가장 큰 구조로 할 수 있다. 구체적으로, 상기 각도가 40도 미만일 경우, 하우징 천장부의 높이가 과도하게 높아져서 불필요한 공간이 많아져서 건축비가 많이 소요될 수 있으며 상기 각도가 50도를 초과할 경우 채광부의 넓이가 과도하게 넓어져서 단열 성능이 떨어질 수 있다.
또한, 일 구현예에 따르면, 상기 채광부(101)는 하우징 본체의 남쪽에 위치하고, 상기 채광부(101)의 경사진 광 투과창의 꼭지점과 하우징 본체 바닥부의 북쪽 모서리 하단이 이루는 각도가, 태양의 연평균 남중고도값, 예를 들어 한국의 경우 45 내지 60도, 구체적으로 춘/추분 남중고도인 53도가 되도록 할 수 있다. 상기 각도를 태양의 연평균 남중고도값으로 함으로써 채광부(101)를 통해 입사하는 입사광이 입사하는 비율이 높아져서 광효율이 증가할 수 있다.
상기 시스템 하우징부(100)는 식물 재배부(200) 상에 위치하고 상기 하우징 본체를 가로지르도록 설치되어 하우징 내부와 하우징 천장부를 구획하는 천장 구획판(120)을 포함한다. 상기 천장 구획판(120)은 온도 조절부(300)와 공기 순환부(400)에 의해 조절한 온도 등의 생육 조건이 잘 유지될 수 있도록 하우징 본체를 구획하는 역할을 한다. 상기 천장 구획판(120)에는 환기구(121)를 설치하여 전술한 바와 같이 내부 생육 조건은 유지시키면서도 하우징 내부의 불필요한 열이나 공기가 배출되어 순환이 이루어질 수 있게 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 상기 하우징 천장부에 위치하는 차광 단열부(102) 상에 기계식 열 배출구(110)를 설치하여 내부의 열을 외부로 강제 배출할 수도 있다.
또한, 상기 천장 구획판(120)은 하우징 내부를 향하는 하면에 광반사 부재(미도시)를 더 포함할 수 있으며 이를 통해 하우징 외부로부터 입사하는 자연광은 투과하면서도 하우징 내부로부터의 광은 반사하여 광손실이 저감되게 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 상기 차광 단열부(102) 벽면의 일부 또는 전부에도 광반사부(130a, 130b, 130c)를 설치하여 하우징 본체 내부의 광이 잘 반사되도록 할 수 있다.
일 실시예에 따르면 상기 천장 구획판(120)은 광투과율 80% 이상의 2차 산광판일 수 있으며 상기 2차 산광판에 의해 온실 내부로 유입되는 자연광을 산란광 처리하며, 온실의 차광 단열부(102)의 내부 벽면은 모두 광반사 코팅처리하여 내부 유입광의 작물 도달률을 높인다.
상기 시스템 하우징부(100)의 내부에는 식물 재배부(200)가 위치한다 (도 3, 도 4 참조). 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 식물 재배부(200)를 개략적으로 도시하는 사시도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 순환부(400), 식물 재배부(200), 및 이들이 결합된 상태를 개략적으로 도시하는 정단면도이다.
상기 식물 재배부(200)는 복수의 수직 지지 프레임(411)과 복수의 수평 지지 프레임(412)에 의해 구획되고 수직으로 배열된 복수의 식물 재배층을 포함한다. 상기 식물 재배층 각각은 식물이 식재되는 복수의 식재부(210)를 포함하며 상기 식재부(210)는 식재 프레임(220) 상의 식재 하우징 내에 배치될 수 있다. 상기 식재 프레임(210)은 식물 재배부(200)를 지지하고 구획하는 지지 프레임(411, 412)에 연결 또는 부착되어 있을 수 있다.
상기 식물 재배부(200)는 조명부(240)를 더 포함한다. 상기 조명부(240)는 식재 하우징의 일측에 배치될 수 있다. 상기 조명부(240)는 스위치 온 또는 스위치 오프에 의해 선택적으로 조명을 키거나 끄도록 스위치에 연결되어 있을 수 있으며 상기 스위치는 수동 조작되거나 원격으로 자동 제어될 수 있다. 상기 조명부(240)는 시스템 하우징부(100)의 하우징 내부 각 영역에 따라 상이한 밀도로 설치될 수 있다. 예를 들어 상기 조명부(240)는 채광부(101)에 인접한 하우징 상부에 비해 채광부(101)에서 가장 멀리 떨어진 바닥부에 위치한 식재층 부근에서 더 높은 밀도로 설치될 수 있다. 다른 예로는 상기 조명부(240)는 동일한 밀도로 설치되고 하우징 내부의 각 영역에 필요한 광량에 따라 상이한 개수의 조명부(240)가 독립적으로 켜지도록 조작할 수도 있다.
다층재배장치 구성시 작물의 배치는 작물의 가로*세로 크기를 특정하여 작물간 가로 간격은 작물의 가로크기와 최소한 1:1의 비율이 넘는 빈 공간이 있도록 구성되며, 세로 간격도 작물의 세로크기와 상단의 재배장치 하단(또는 인공광 위치)와 1:1의 비율이 넘는 빈공간이 있도록 구성되어야 한다. 또한 작물을 담지하고 있는 다층재배장치간의 간격 또한 가로 비율로 1:1이 넘는 비율로 빈공간이 있도록 구성되어야 한다. 이렇게 하는 이유는 밀식 다층재배시 산란광의 유입이 수월하도록 작물을 배치하여, 온실내로 유입된 자연광을 산란시켜 공급하였을 때, 산란광이 각 작물들에게 일정한 비율로 도달하도록 하기 위함이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 식물 재배부(200)는 식물에 양액을 공급하기 위한 양액 공급부(230)를 각 식재층마다 포함할 수 있다. 여기서 각 식재층의 양액 공급부(230)는 양액 이동 통로(232)에 의해 서로 유통할 수 있다. 또한, 양액 공급부(230)로 양액을 유입하는 양액 유입구(231)는 수직하는 복수의 식재층의 상층에 위치하고 양액 공급부(230)로부터 폐양액을 배출시키기 위한 양액 유출구(233)는 수직하는 복수의 식재층의 하층에 위치하도록 할 수 있다. 이와 달리 양액 유입구(231)와 양액 유출구(233)가 각 식재층마다 위치하도록 하여 양액이 각 식재층에서 독립적으로 이용되도록 하여도 된다.
온도 조절부(300)는 식물 재배 시스템(10)의 온도를 조절하기 위한 것으로서 도 2에 도시된 바와 같이 그 일부가 시스템 하우징부(100)에 설치된다. 본 발명에 따르면 상기 온도 조절부(300)는 지하에 설치된 지열 열 교환부(310), 상기 지열 열 교환부(310)에서 물을 공급받아 소정의 온도로 조절된 온도조절 수로 전환하는 히트 펌프(330), 상기 히트 펌프(330)로부터의 온도조절 수가 하우징 본체의 바닥부 및 천장부를 따라 흐르도록 설치된 수 이동용 파이프(510), 및 하우징 천장부로부터 하우징 내부를 향해 온도 조절된 공기를 분사하는 팬 코일 유니트(360)를 포함한다.
상기 지열 열 교환부(310)는 지면(301) 아래(지하)에 위치하며, 지열 열 교환부(310)로 공급된 물 (보급수(302))은 지열에 의해 온도가 조절될 수 있다. 상기 조절된 온도는 지온(대략 15℃ 내외)과 동일한 온도일 수 있다. 상기 지열 열 교환부(310)에서 온도 조절된 물은 필요에 따라 지하수 저장고(320)에 유입되어 보관될 수 있으며, 상기 지하수 저장고(320)는 지면(301) 아래에 위치하므로 물의 온도는 지온으로 계속 유지될 수 있다. 상기 온도 조절된 물은 히트 펌프(330)로 다시 유입되고, 상기 히트 펌프(330)에서는 하우징 내부의 온도 조절에 필요한 온도까지 물의 온도를 조절하여 냉수 또는 온수와 같은 온도조절 수를 생성한다. 상기 온도조절 수는 수 이동용 파이프(510)를 통해 수 이동경로(303a, 303b, 303c)를 따라 하우징 본체의 바닥부 및 천장부를 흐른다. 상기 온도조절 수에 의해 하우징 내부의 온도가 조절될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 온도조절 수는 히트 펌프(330)에서 나와서 하우징 본체로 이동하기 전에 축열조(340)로 유입되어 보관되었다가 사용될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 팬 코일 유니트(360)는 하우징 본체의 천장부,예를 들어 천장 구획판 아래에 다수 개가 일렬로 나란히 설치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 팬 코일 유니트(360)는 공기 유입구(미도시), 열 교환용 코일(미도시), 공기 유출구(미도시), 및 송풍기(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 팬 코일 유니트(360)는 공기 유입구를 통해 공기를 흡입한 후, 수 이동용 파이프(510)를 따라 흐르는 온도조절 수와의 열 교환이 이루어지도록 함으로써 공기의 온도를 조절할 수 있다. 이와 같이 열교환에 의해 온도 조절된 공기는 공기 유출구를 통해 유출되고 팬 코일 유니트(360)의 송풍기를 통해 온풍 또는 냉풍과 같은 온도조절된 공기로 분사될 수 있다. 이 때 상기 온풍 또는 냉풍과 같은 온도조절된 공기는 하우징 천장부로부터 하우징 내부를 향하는 방향으로 분사되며, 바람직하게는 식재부(210)에 직접 공기가 닿지 않도록 하기 위해 팬 코일 유니트(360)는 복수의 식재부(210) 사이에 위치하도록 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 팬 코일 유니트(360)의 공기 유입구에 유입되는 공기는 미리 온도 조절된 것일 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 팬 코일 유니트(360)의 공기 유입구는 공기 이동용 파이프(610)에 연결되어 상기 파이프(610)로부터의 공기가 유입되는 것일 수 있으며, 여기서 상기 파이프(610)는 하우징 본체의 천장부에 설치된 수 이동용 파이프(510)에 인접함으로써 공기와 온도조절 수 사이의 열교환이 이루어지도록 설치되어 있을 수 있다. 일 실시예에 따르면 상기 공기 이동용 파이프(610)와 수 이동용 파이프(510)는 적어도 일면이 접촉하고 있을 수 있다. 다른 일 실시예에 따르면 도 8에 도시된 바와 같이 수 이동용 파이프(510)는 공기 이동용 파이프(610)의 둘레를 둘러싸는 쉘(shell) 형태로 설치되어 있을 수 있다. 상기 온도조절 수 파이프 쉘은 공기 이동용 파이프(610)의 일부에만 설치되어 있어도 된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 하우징 본체의 바닥부에 설치된 수 이동용 파이프(510)는 지그재그형으로 설치될 수 있다. 상기 하우징 본체의 천장부와 마찬가지로 바닥부에도 공기 이동용 파이프(610)가 설치되어 있을 수 있으며, 상기 공기 이동용 파이프(610)는 하우징 바닥부의 수 이동용 파이프(510)에 인접하여 서로 열교환이 이루어지도록 설치되어 있을 수 있다. 상기 열교환에 의해 온도가 조절된 공기는 후술하는 공기 순환부(400)의 지지 프레임용 파이프(420)의 공기 유입구에 유입될 수 있으며, 이에 따라, 온도 조절된 공기가 공기 순환부(400)의 도움으로 하우징 내부에서 순환하여 내부 온도의 조절에 기여할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 하우징 바닥부에서 상기 공기 이동용 파이프(610)와 수 이동용 파이프(510)는 적어도 일면이 접촉하고 있을 수 있다. 다른 일 실시예에 따르면 도 8에 도시된 바와 같이 수 이동용 파이프(510)는 공기 이동용 파이프(610)의 둘레를 둘러싸는 쉘(shell) 형태로 설치되어 있을 수 있다. 상기 수 파이프 쉘은 공기 이동용 파이프(610)의 일부에만 설치되어 있어도 된다.
상기 온도 조절부(300)의 수 이동용 파이프(510)를 통해 바닥부와 천장부를 따라 흐른 폐수는 폐수 이동경로(304a, 304b, 304c)를 따라 폐수를 저장하는 폐수 저장고(350)에 보관되었다가 상기 지열 열 교환부(310) 또는 히트펌프(330)에 다시 공급되어 재순환될 수도 있다.
공기 순환부(400)는 도 8에 도시된 바와 같이 식물 재배부(200)의 각 식재층을 구획하는 복수의 지지 프레임(411, 412)을 포함할 수 있다. 상기 지지프레임은 지지 프레임용 파이프(420)를 포함한다. 상기 파이프(420)들끼리는 도 9의 (b)와 (c)에 도시된 바와 같은 3구 결착부, 4구 결착부 등을 이용하여 연결할 수 있다.
상기 지지 프레임용 파이프(420)는 파이프 내부를 길이 방향으로 관통하는 공기 이동 통로(423)과 복수의 공기 유출구(422)를 포함한다. 복수의 공기 유출구(422) 사이의 간격은 목적하는 미풍 정도 등에 따라 달라질 수 있으나, 예를 들어 작물이 식재된 각 포트들 사이에 1 내지 2개의 공기 유출구가 포함되도록 설계될 수 있다. 예를 들어 작물이 식재된 포트들을 20 cm 간격으로 두었을 경우 각 포트들 사이에 공기 유출구가 위치하도록 하고 각 공기 유출구들 사이의 간격이 20 cm 가 되도록 할 수 있다. 또한, 일례에 따르면 지지 프레임용 파이프(420)의 지름에 대해 공기 유출구의 지름은 1/5 내지 1/4 정도일 수 있고 예를 들어 파이프의 지름이 20 mm일 경우 공기 유출구의 지름은 4 내지 5 mm, 예를 들어 5 mm 일 수 있다.
상기 공기 유출구(422)를 통해 공기 이동 통로(423)의 공기가 하우징 내부로 분사되며, 외부로 분사되는 공기의 압력에 의해 공기가 움직이면서 미풍을 일으킬 수 있다. 일 실시예에 따르면 상기 지지 프레임용 파이프(420)에는 적어도 2개 이상의 면 상에 공기 유출부(612)가 형성되어 있을 수 있다. 이에 따라 2개 이상의 면으로부터 공기가 유출됨으로써 복수의 방향으로 공기 순환이 일어날 수 있다. 식물의 고른 생육발달 유도와 병충해 방지를 위해서는 어느 일 방향으로의 공기 순환에 비해 여러 방향에서의 공기 순환을 통해 미풍을 일으키는 것이 더 바람직하므로 상기 파이프(420)로부터 복수 방향으로의 공기 순환이 일어나도록 함으로써 식물의 생육이 증대될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 공기 순환부(400)의 지지 프레임용 파이프(420) 내로 공기를 유입하는 공기 공급부(미도시)에는 공기의 습도 제어를 위한 습도 제어부(430), 공기 중 이산화탄소 농도 제어를 위한 이산화탄소 제어부(440), 및 공기의 압력을 제어하기 위한 공기압 제어부(450)가 더 설치되어 있을 수 있다. 이에 따라 공기 순환부(400)로 유입되는 공기는 온도 뿐만 아니라 습도, 이산화탄소 농도 등도 조절된 상태로 하우징 내부에 유입 및 순환될 수 있다.
천정 또는 재배장치에 공기순환 팬을 부착하여 공기유동을 발생시키는 것과, 별도의 CO2 발생기를 통해 농장 내 한곳 또는 여러 곳에서 공장전체로 밀어 넣어주는 방식의 경우, 공기순환 팬을 활용한 공기유동은 전체적인 큰 흐름을 발생시킬 수 있으나, 작물 주위의 일정하고 불규칙한 미풍순환을 발생시키지 못하고, 온실내 한곳 또는 몇 지점에서 공급되는 CO2는 온실전체에 일정한 CO2 농도를 유지하는 것이 불가능하기 때문에, 자연광 활용 다층재배시 생육편차, 병충해 발생, 광합성 효율 저하 등의 문제를 해결할 수가 없다. 본 발명의 공기순환구를 구비한 재배프레임을 통해 공기를 순환시키면 밀식된 작물 주변에 불규칙하지만 지속적인 미풍순환이 발생되고, 순환되는 공기 내에 CO2농도를 조절하면 작물주위에 일정한 CO2 농도를 유지할 수 있게 되어 작물의 고른 생육발달 유도, 병충해 방지, 광합성 효율 개선이 가능하다. 또한 공기순환구에 습기 발생기를 연결하면 습도까지 조절할 수 있어, 재배프레임 하나로 온도/ CO2/습도의 세 가지 재배조건을 안정적으로 콘트롤 하게 된다.
하기 [표 2]는 전술한 (a) 내지 (i) 단계에 따른 계산 예를 보여주는 것이다.
[표 2]
상기 실시예를 보다 구체적으로 설명하면, 본 실시예에서는 5층 재배를 기준하였고, 작물의 크기는 가로 15 cm를 기준하였으며, 엽채소 성장시 높이는 최대 세로 30 cm를 기준하였다. 이를 근거로 작물간 거리는 1:1 비율로 산정하면 15 cm 이상이면 충분하나 본 실시예에서는 20 cm씩 산정하여 산란광 도달률을 높였으며, 다층재배장치의 층간 높이는 작물과 빈 공간의 비율을 1:1로 산정하여 60 cm를 기준하였다. 다층재배장치의 바닥은 육묘공간으로 사용될 수 있도록 하여, 바닥으로부터 60 cm부터 1층재배가 시작되고, 총 5층을 올렸을 경우 재배장치의 높이는 3 m가 된다. 5층에 놓여진 작물의 세로크기가 30 cm임을 감안할 때 다층재배장치의 총 높이는 3 m 30 cm가 된다.
다층재배장치의 광도달률 섹터 구분은 5층 재배 1세트 20개 작물의 번호를 매겨 각 재배작물 위치에서의 조도값을 오전8시부터 오후 6시까지 1시간 단위로 측정하여, 가장 높은 값을 100으로 놓고 도달률 80%까지는 A 섹터로, 도달률 50%까지는 B 섹터로, 도달률 30%까지는 C 섹터로 구분하였을 때, A 섹터는 10개, B 섹터는 6개, C 섹터는 4개로 조사되었다 (도 2 참조).
다층재배장치 내 각 작물별 자연광 도달률은 A 섹터와 C 섹터는 거의 변화가 없지만, B 섹터가 작물 위치와 반사 산란광 유입정도에 따라 약간씩 변화가 있다. 실시예의 경우 산란광 유입이 좋은 장소에 있는 재배장치 세트에서 B 섹터내 작물수는 7개가 되기도 하며, 반대로 산란광 유입이 안좋은 장소에 있는 재배장치 세트에서 B 섹터내 작물수는 5개가 되기도 한다.
자연광 인공광 하이브리드 버티컬팜이 대한민국 대구광역시 인근에 설치된다고 가정할 때, 각 계절별 온실내로 유입되는 광량은 다음의 [표 3]과 같다.
계절 남중고도에시
자연광 조도(측정값)
(lux) 		일조시간 내
일평균 조도(lux)
(남중고도 자연광의 60%) 		PPFD 변환값
(㎛ol/㎡/s)
봄(3월~5월) 70,000 42,000 1,354
여름(6월~8월) 120,000 42,000 2,322
가을(9월~11월) 70,000 42,000 1,354
겨울(12월~2월) 50,000 42,000 967
여름에는 온실내 1차 산광(광투과율 60%), 2차 산광(광투과율 80%)처리된 후의 PPFD를 산출하고, 봄/가을/겨울은 2차 산광 후의 PPFD를 산출한 후 A/B/C 섹터별로 도달되는 광량을 계산한다. A섹터는 유입광의 80%로 계산하고, B섹터는 50%, C섹터는 30%로 산출하여, 각 섹터별로 도달되는 자연광의 PPFD를 구하면 다음 [표 4]와 같다.
계절 계절별 자연광
PPFD
(㎛ol/㎡/s) 		1차 산광
광투과율 		2차 산광
광투과율 		섹터별 도달
PPFD
(㎛ol/㎡/s)
봄(3월~5월) A섹터 1,354 - 80% 1,084
B섹터 - 80% 650
C섹터 - 80% 390
여름(6월~8월) A섹터 2,322 60% 80% 1,115
B섹터 60% 80% 669
C섹터 60% 80% 401
가을(9월~11월) A섹터 1,354 - 80% 1,084
B섹터 - 80% 650
C섹터 - 80% 390
겨울(12월~2월) A섹터 967 - 80% 774
B섹터 - 80% 465
C섹터 - 80% 279
각 계절별, 각 섹터별 부족한 광량을 인공광으로 보광하기 위해서, 시간당 부족한 PPFD를 산출 후, 그것을 인공광 보광시간으로 나눠 인공 광 사용시 요구되는 PPFD를 산출한 후, 실시예에서 사용할 삼파장 LED 용량(W)으로 환산하면 인공광 보광을 충족하는 삼파장 LED 전기 용량(W)을 구할 수 있다. 다음의 [표 5]를 참조한다.
계절 평균
일조
시간
(h) 		부족한
PPFD/시간
(㎛ol/㎡/s)/h 		일조시간
누적PPFD
(㎛ol/㎡/s) 		인공광
보광시간
(h) 		인공광 요구PPFD
(㎛ol/㎡/s) 		삼파장
LED
용량
(W)
봄
(3월~5월)		 A섹터 8.2 - - 10

 - -
B섹터 - - - -
C섹터 186 1,523 152 34
여름
(6월~8월)		 A섹터 5.5 - - - -
B섹터 190 1,043 104 23
C섹터 457 2,515 251 55
가을
(9월~11월)		 A섹터 6.5 - - - -
B섹터 76 495 49 11
C섹터 336 2,186 218 48
겨울
(12월~2월)		 A섹터 6.3 - - - -
B섹터 285 1,796 179 40
C섹터 471 2,966 296 65
본 발명을 활용하면 별도의 광센서 없이도 자연광과 인공광을 병용하여 다층재배시 각 작물에 필요한 광량을 충족시켜 작물의 생육편차 없이 다층재배가 가능해진다.
본 발명을 활용해 자연광과 인공광을 병용하여 엽채소 재배시 목표 DLI 17을 충족할 경우 연간 사용되는 전기사용량을 추산해보면 다음의 [표 6]과 같다.
계절 일수 삼파장LED
용량 (W) 		전기사용량 (W)
(계절합계) 		전기사용량 합(W)
(연간 합계)
봄(3월~5월) A섹터 91 - 1,125,388
B섹터 91 -
C섹터 91 34 120,749
여름(6월~8월) A섹터 91 -
B섹터 91 23 124,100
C섹터 91 55 199,434
가을(9월~11월) A섹터 91 -
B섹터 91 11 58,897
C섹터 91 48 173,353
겨울(12월~2월) A섹터 91 -
B섹터 91 40 213,615
C섹터 91 65 235,240
인공광을 활용해 DLI 17을 충족하는 전기사용량을 추산해보면 다음의 [표 7]과 같다.
인공광
조명시간 		목표
DLI 		필요 PPFD
(㎛ol/㎡/s) 		LED 용량
(W) 		LED 개수
(개) 		전기사용량
(년)
10 17 472 103 20 7,519,000
상기 예시에 따르면 본 발명을 활용할 경우 인공광 버티컬팜 광조달비용 대비 약 15% 수준의 전기 사용량으로 작물에 필요한 충분한 광을 제공할 수 있는 것이다.
본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 식물 재배 시스템
100 시스템 하우징부
101 채광부 102 차광 단열부
103 외부 차양막
110 기계식 열 배출구 120 천장 구획판
130a, 130b,130c 광반사부
200 식물 재배부
210 식재부 220 식재 프레임
230 양액 공급부
231 양액 유입구 232 양액 이동통로 233 양액 유출구
240 조명부
300 온도 조절부
301 지면 302 보급수
310 지열 열 교환부 320 지하수 저장고
330 히트 펌프 340 축열조
303a, 303b, 303c 수 이동경로
350 폐수 저장고 304a, 304b, 304c 폐수 이동경로
360 팬 코일 유니트(FCU)
400 공기 순환부
411 수직 지지 프레임 412 수평 지지 프레임
420 지지 프레임용 파이프
421 공기 유입구 422 공기 유출구
423 공기 이동 통로
430 습도 제어부 440 이산화탄소(CO2) 제어부
450 공기압 제어부
510 수 이동용 파이프
511 온도조절 수 유입부 512 온도조절 수 유출부
610 공기 이동용 파이프
611 공기 유입부 612 공기 유출부

Claims (11)

  1. 다층 식물 재배 시스템에서 광센서를 사용하지 않고 균일한 광 환경을 조성하는 방법으로서, 상기 방법은
    (a) 식물 재배 시스템 내에서 광이 식물 재배층에 도달하는 비율에 따라 미리 책정된 2개 이상의 등급을 기준으로 각 식물 재배층을 2개 이상의 섹터로 미리 구별하는 단계;
    (b) 태양의 남중고도에서의 조도(lux 단위)를 측정하고 상기 조도로부터 일평균 자연광 조도(lux 단위)를 구하는 단계로서, 여기서 상기 태양의 남중고도에서의 조도는 조도센서를 이용하여 실시간으로 직접 측정하는 것이 아닌, 소정 지역의 소정 기간에서 태양의 평균 남중고도에서의 조도값이고, 상기 일평균 자연광 조도는 조도센서를 이용하여 실시간으로 직접 측정하는 것이 아닌, 상기 태양의 남중고도에서의 조도값의 50 내지 65%이고;
    (c) 상기 일평균 자연광 조도로부터 광 단위변환 환산 기준에 따라 PPFD (광합성 유효광량 자속 밀도)를 계산하는 단계;
    (d) 식물 재배층의 상기 구별되는 각 섹터에서의 도달 PPFD 를 계산하는 단계;
    (e) 각 식물 종류에 따른 목표 DLI (일적산 광량)와 평균 일조 시간에 기초하여, 일조 시간내 필요한 PPFD 를 환산하는 단계로서, 상기 평균 일조 시간은 상기 태양의 남중고도에서의 조도를 구했을 때의 기준이 되는 기간과 동일한 기간에서 태양의 평균 일조 시간이고;
    (f) 상기 일조 시간내 필요한 PPFD 값과 각 섹터별 도달 PPFD 를 비교하여 각 섹터별 시간당 부족한 PPFD 를 계산하는 단계;
    (g) 평균 일조 시간과 각 섹터별 시간당 부족 PPFD 를 곱하여 구한 값을 인공광 보광시간으로 나누어서 인공광으로부터 보충되어야하는 시간당 PPFD 값을 계산하는 단계;
    (h) 상기 인공광으로부터 보충되어야 하는 PPFD 값을 인공광원 용량으로 환산하는 단계; 및
    (i) 상기 인공광원 용량으로부터 각 섹터별 필요한 인공광원 갯수를 계산하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인공광원은 LED 인, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다층 식물 재배 시스템은 하기를 포함하는 것인 방법:
    자연광이 입사가능한 채광부 및 벽면의 일부 또는 전부를 따라 단열재가 설치된 차광 단열부를 포함하는 하우징 본체 및 상기 차광 단열부 벽면의 일부 또는 전부에 설치되어 하우징 본체 내부의 광을 반사하는 광반사부를 포함하는 시스템 하우징부;
    복수의 수직 지지 프레임과 복수의 수평 지지 프레임에 의해 구획되고, 수직으로 배열된 복수의 식물 재배층 및 인공광을 선택적으로 조사하는 조명부를 포함하며, 상기 시스템 하우징부의 하우징 내부에 위치하는 수직형 식물 재배부로서, 여기서 상기 수직형 식물 재배부의 조명부는 복수의 인공광원을 포함하고 상기 균일한 광 환경을 조성하는 방법에 따라 계산된 섹터 및 각 섹터별 인공광원 개수에 따라 조명부에서 선택적으로 인공광원의 스위치 온 또는 오프를 제어하는 것인 수직형 식물 재배부; 및
    공기 이동 통로 및 상기 공기 이동 통로의 공기를 하우징 내부로 분사하는 복수의 공기 유출구를 포함하고 상기 수직 지지 프레임과 상기 수평 지지 프레임을 구성하는 지지프레임용 파이프, 상기 지지 프레임용 파이프의 공기 이동 통로 내로 공기를 유입하는 공기공급부, 공기의 습도 제어를 위한 습도 제어부, 공기 중 이산화탄소 함량 제어를 위한 이산화탄소 제어부, 및 공기의 압력 제어를 위한 공기압 제어부를 포함하고, 상기 공기공급부를 통해 유입되는 공기는 하우징 내부의 목표 온도, 습도, 및 이산화탄소 농도로 조절된 공기인 공기 순환부.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하우징 본체에서 상기 채광부 대 상기 차광 단열부의 면적비가 3.5 ~ 4.5 대 5.5 ~ 6.5 인, 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 채광부는 하우징 본체의 남쪽에 위치하고,
    상기 채광부는 하우징 천장부에 경사진 광 투과창을 포함하며,
    상기 채광부의 경사진 광 투과창의 꼭지점과 하우징 본체 바닥부의 북쪽 모서리 하단이 이루는 각도가, 태양의 연평균 남중고도값인, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 경사진 광 투과창의 경사면이 지면에 수직하는 수직선과 이루는 각도(θ)가 40 내지 50도의 범위 내에 있는 것인, 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 시스템 하우징부는 식물 재배부 상에 위치하고 상기 하우징 본체를 가로지르도록 설치되어 하우징 내부와 하우징 천장부를 구획하는 천장 구획판을 포함하고,
    상기 천장 구획판은 하우징 내부를 향하는 하면에 광반사 부재를 더 포함하여, 상기 천장 구획판으로 입사하는 자연광은 투과하고 하우징 내부로부터의 광은 반사하는 것인, 방법.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 지지 프레임용 파이프의 적어도 2개 이상의 면 상에 상기 공기 유출구가 형성되어, 유출된 공기가 하우징 내부에서 복수의 방향으로 순환되는, 방법.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 공기 순환부의 공기 공급부를 통해 유입되는 공기는 온도, 습도, 및 이산화탄소 농도가 조절된 공기이고, 상기 습도 및 이산화탄소는 상기 공기 이동용 파이프에서 수증기 및 이산화탄소를 공기 중으로 분사함으로써 조절되는 것인, 방법.
  11. 하기를 포함하는 식물 재배 시스템:
    자연광이 입사가능한 채광부 및 벽면의 일부 또는 전부를 따라 단열재가 설치된 차광 단열부를 포함하는 하우징 본체 및 상기 차광 단열부 벽면의 일부 또는 전부에 설치되어 하우징 본체 내부의 광을 반사하는 광반사부를 포함하는 시스템 하우징부;
    복수의 수직 지지 프레임과 복수의 수평 지지 프레임에 의해 구획되고, 수직으로 배열된 복수의 식물 재배층 및 인공광을 선택적으로 조사하는 조명부를 포함하며, 상기 시스템 하우징부의 하우징 내부에 위치하는 수직형 식물 재배부로서, 여기서 상기 수직형 식물 재배부의 조명부는 제1항에 기재된 방법에 따라 계산된 섹터 및 각 섹터별 인공광원 개수에 따라 선택적으로 인공광원의 스위치 온 또는 오프를 제어하기 위한 제어부 및 복수의 인공광원을 포함하는, 수직형 식물 재배부; 및
    공기 이동 통로 및 상기 공기 이동 통로의 공기를 하우징 내부로 분사하는 복수의 공기 유출구를 포함하고 상기 수직 지지 프레임과 상기 수평 지지 프레임을 구성하는 지지프레임용 파이프, 상기 지지 프레임용 파이프의 공기 이동 통로 내로 공기를 유입하는 공기공급부, 공기의 습도 제어를 위한 습도 제어부, 공기 중 이산화탄소 함량 제어를 위한 이산화탄소 제어부, 및 공기의 압력 제어를 위한 공기압 제어부를 포함하고, 상기 공기공급부를 통해 유입되는 공기는 하우징 내부의 목표 온도, 습도, 및 이산화탄소 농도로 조절된 공기인 공기 순환부.
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