본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 축사 환기와 연계된 지열 냉난방 시 스템의 개시도이고, 도 3은 도 2 "A"구역의 확대도이고, 도 4는 본 발명에 따른 히트펌프 장치의 다른 실시예 개시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 일 실시예의 개시도이고, 도 6은 도 5 "B"구역의 확대도이고, 도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 다른 실시예의 개시도이다.
본 발명은 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 축사(300) 주변 지하에 설치된 지하수정(100)으로부터 양수펌프(110)를 사용하여 지하수를 끌어 올리고, 지하수는 양수파이프(120)를 통해 지열교환기(140)에 공급되어 냉매라인(160)의 냉매에 열원을 전달하고, 열원을 공급받은 냉매는 히트펌프(150)를 통해 냉난방 열교환기(170)에 공급되어 순환파이프(180)를 냉각 또는 가열하고, 순환파이프(180)가 연결된 팬코일 유니트(190)가 냉난방 공기를 축사(300) 내부에 공급함으로써, 지열에 의해 축사 내부를 냉난방하며, 일정한 조건하에 축사의 일측에 설치된 대형 환기팬(240) 및 보조 환기팬(231)을 구동하여 축사(300) 내부의 공기를 환기시키는 축사 환기와 연계된 지열 냉난방 시스템을 제공한다.
상기 지하수정(100)은 축사 주변의 적정한 지점 지하에 설치되되 지하 200~500미터의 심부에 설치되어 풍부한 지하수가 공급될 수 있도록 한다.
또한, 상기 지하수정(100)의 내부에는 양수펌프(110)가 설치되어, 양수펌프(110)에서 지상으로 연결된 양수파이프(120)를 통해 지하수를 지열교환기(140)로 끌어 올리게 된다.
그리고, 지열교환기(140)에 공급된 지하수는 지열교환기(140)의 일측에 설치된 냉매라인(160)에 열원을 제공하고 양수파이프(120)와 일체로 연결된 환원파이 프(130)를 통해 지하수정(100)으로 재유입된다.
이때, 상기 환원파이프(130)는 양수파이프(120)보다 지하로 더 깊게 매설되어 지하수정(100)으로 재유입된 지하수가 지하수정(100)의 하부에서부터 채워질 수 있도록 한다.
상기 지열교환기(140)는 내부에 양수파이프(120)와 환원파이프(130)가 코일 형태로 연결되고, 코일 형태의 연결부(121) 일측에는 냉매라인(160)이 관통하여 설치됨으로써, 지하수의 열원을 이용하여 냉방모드시 히트펌프(150)로부터 냉매라인(160)을 통해 공급되는 냉매를 응축시키고 난방모드시 증발시키는 역할을 제공한다.
또한, 상기 지열교환기(140)의 일측에 설치된 히트펌프(150)는 냉매가 흐르는 냉매라인(160)이 관통 형성되고 통상적인 압축기(151) 및 팽창밸브(152)를 포함하여 냉난방 모드에 따라 냉매를 압축 및 팽창시키게 된다.
상기 히트펌프(150)의 일측에는 냉난방 열교환기(170)가 설치되어 냉난방 모드에 따라 냉매를 증발 및 응축시킴으로써, 순환파이프(180)에 열원을 제공하게 된다.
구체적으로, 상기 냉난방 열교환기(170) 내부에는 냉매라인(160)이 코일 형태로 관통하여 형성되고 코일 형태의 냉매라인(160)에 대응하는 순환파이프(180)가 관통 설치됨으로써, 냉매라인(160)을 흐르는 냉매가 순환파이프(180)에 열원을 전달하게 된다.
다만, 도 4에서 도시한 바와 같이, 다른 실시예로서 냉난방 열교환기(170)를 생략하고 히트펌프(150)를 관통하는 냉매라인(160)을 팬코일 유니트(190) 내부에 직접 연결시킴으로써, 설치비용을 절감시키는 것도 가능하다.
상기 순환파이프(180)의 내부에는 전달액체가 충진되어 순환펌프(181)의 작동에 의해 순환하면서 냉난방 열교환기(170)에서 냉매라인(160)을 흐르는 냉매의 열원을 공급받음으로써, 팬코일 유니트(190)에 열원을 공급하게 된다.
또한, 열원을 공급받은 팬코일 유니트(190)는 냉난방 모드에 따라 차갑거나 따뜻한 공기를 급기덕트(210)를 통해 축사(300) 내부로 유입시키게 된다.
여기서, 상기 팬코일 유니트(190)의 내부에는 순환파이프(180)가 코일 형태로 관통 설치되고 순환파이프(180)의 일측에는 코일팬(191)이 장착되어, 순환파이프(180)에서 제공하는 열원에 따라 냉난방 공기를 공급하게 된다.
그리고, 상기 급기덕트(210)는 팬코일 유니트(190)와 축사를 연결하여 팬코일 유니트(190)에서 축사 내부로 공급되는 냉난방 공기의 루트를 제공한다.
이하 냉난방 모드에 따른 히트펌프 장치(200)(지열교환기(140), 히트펌프(150), 냉난방 열교환기(170), 팬코일 유니트(190), 급기덕트(210)로 구성)의 작동과정을 살펴보기로 한다.
여름철 냉방 모드시 히트펌프(150)의 압축기(151)는 저온 저압의 냉매를 고온 고압으로 형성시키고, 고온 고압의 냉매는 냉매라인(160)을 따라 지열교환기(140)에 공급되어 양수펌프(110)에 의해 공급된 지하수에 열을 방출함으로써 응축하게 된다.
열을 방출한 냉매는 히트펌프(150)의 팽창밸브(152)에 의해 저온 저압으로 팽창한 후에 냉난방 열교환기(170)로 이동하게 되고, 저온 저압의 냉매는 냉난방 열교환기(170)에서 열을 흡수하여 증발함에 따라, 냉난방 열교환기(170)의 내부 온도를 감소시키게 된다.
여기서, 상기 지열교환기(140)는 응축기의 역할, 냉난방 열교환기(170)는 증발기의 역할을 하게 된다.
이후, 냉난방 열교환기(170)의 내부를 관통하는 순환파이프(180)가 냉각되고, 순환펌프(181)의 작동에 의해 순환파이프(180) 내부에서 유동하는 전달액체가 함께 냉각된채로 팬코일 유니트(190)에 전달됨으로써, 팬코일 유니트(190) 내부의 찬 공기가 코일팬(191)의 작동에 의해 급기덕트(210)를 통하여 축사 내부로 공급된다.
반대로, 겨울철 난방 모드시 히트펌프(150)는 저온 저압의 냉매를 냉매라인(160)을 통해 지열교환기(140)에 공급하고, 저온 저압의 냉매는 양수펌프(110)에 의해 공급된 지하수로부터 열을 흡수하게 된다.
열을 흡수한 냉매는 압축기(151)에 의해 고온 고압으로 압축된 후에 냉난방 열교환기(170)로 이동하게 되고, 고온 고압의 냉매는 냉난방 열교환기(170)에서 열을 방출하여 응축됨에 따라, 냉난방 열교환기(170)의 내부 온도를 증가시키게 된다.
이때, 냉방 모드와 달리 상기 지열교환기(140)는 증발기의 역할, 냉난방 열교환기(170)는 응축기의 역할을 하게 된다.
다음으로, 냉난방 열교환기(170)의 내부를 관통하는 순환파이프(180)가 가열 되어 순환파이프(180) 내부의 전달액체가 함께 가열된채로 팬코일 유니트(190)로 전달됨으로써, 코일팬(191)의 작동에 의해 따뜻한 공기가 급기덕트(210)를 통해 축사 내부로 공급된다.
통상, 여름철의 경우 25~30℃의 지하수를 끌어 올린후 지하수 및 히트펌프 장치(200)를 이용하여 10~15℃의 찬 공기를 만들고, 팬코일 유니트(190)를 통해 찬 공기를 공급하여 축사 내부를 27℃ 내외로 맞추게 된다.
또한, 겨울철의 경우 10~15℃의 지하수를 끌어 올린후 지하수 및 히트펌프 장치(200)를 이용하여 45~50℃의 따뜻한 공기를 만들고, 팬코일 유니트(190)를 통해 따뜻한 공기를 공급하여 축사 내부를 20℃ 내외로 맞추게 된다.
한편, 팬코일 유니트(190)에 의해 축사 내부로 공급되는 냉난방 공기는 급기덕트(210)를 통해 공급되는데, 이때 상기 급기덕트(210)는 축사를 관통하여 설치되되 축사내부에 냉열 공기를 균일하게 배분하기 위해 복수의 분기덕트(220)와 연결 설치된다.
특히, 상기 복수의 분기덕트(220)에는 복수의 공기토출구(221)가 축사 바닥과 수평하게 라인을 형성한채 형성되어 냉열 공기의 공급 균일성을 더욱 향상시키게 된다.
바람직한 일 실시예에 있어서, 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기 축사의 일측에는 복수의 대형 환기팬(240)이 설치되는바, 냉방 모드에서 축사 내부의 온도센서(250)에 의해 온도가 일정치 이상으로 감지되거나, 히트펌프 장치(200)가 미작동시에도 축사 내부의 가스센서(260)에 의해 환기필요성이 감지되는 경우 상기 대형 환기팬(240)이 환기 콘트롤러(270)에 의해 작동된다.
여기서, 상기 대형 환기팬(240)은 축사 내부의 공기를 배출시켜 여름철 축사에서 사육되는 가축의 체감온도를 낮추게 되고, 축사 내부의 공기를 환기시키게 된다.
또한, 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기 분기덕트(220)의 일측에는 환기덕트(230)가 축사를 관통하여 연결되고 환기덕트(230)의 일단에 보조 환기팬(231)이 설치되어, 겨울철 난방모드시 상기 온도센서(250)의 감지 온도가 일정치 이상인 경우 축사 외부의 신선한 공기를 내부로 유입시키게 된다.
이때, 환기덕트(230)와 분기덕트(220) 사이에는 보조댐퍼(232)가 설치되어 보조 환기팬(231)의 작동시에만 축사 외부공기가 축사 내부에 유입되도록 한다.
그리고, 도 3에서 도시한 바와 같이, 상기 보조댐퍼(232)는 환기덕트(230)의 내측에 힌지결합하여 구동모터(미도시)의 작동으로 회전하고, 90도 만큼 회전시 환기덕트(230)의 반대측에 설치된 스토퍼(233)에 의해 정지하게 된다.
바람직한 다른 실시예에 있어서, 도 5에서 도시한 바와 같이, 상기 팬코일 유니트(190)의 일측에는 흡입덕트(280)가 연결 설치되어 축사 내부의 공기를 팬코일 유니트(190)로 순환시키게 된다.
또한, 흡입덕트(280)와 수직으로 연통되는 돌출덕트(290)가 흡입덕트(280)와 만나는 입구에는 흡입댐퍼(281)가 설치되어 축사 외부의 공기가 팬코일 유니트(190)에 선택적으로 유입될 수 있도록 한다.
구체적으로, 도 6에서 도시한 바와 같이, 흡입댐퍼(281)가 반시계방향으로 상승시 축사 외부의 공기가 팬코일 유니트(190)에 유입되고, 이때, 상기 흡입댐퍼(281)의 작동은 상기 보조댐퍼(232)와 동일한 방식으로 구동모터(미도시) 및 스토퍼(282)에 의해 조절된다.
바람직한 또 다른 실시예에 있어서, 도 7에서 도시한 바와 같이, 축사의 일측에는 상호 환기부(310)가 설치되어 축사 내외부의 공기를 순환시키는데, 이때 상기 상호 환기부(310)는 일정 공간을 갖는 챔버(311) 내부에 설치되어 축사의 내부공기를 외부로 배출시키는 배출팬(312)과 외부공기를 축사 내부로 공급하는 공급팬(313)으로 이루어진다.
그리고, 상기 배출팬(312) 및 공급팬(313)의 사이 공간에 열교환 파이프(314)가 인접 설치되고, 열교환 파이프(314)상에는 열교환 펌프(315)가 장착되어 열매체유가 열교환 파이프(314)를 통해 순환되도록 함으로써, 배출팬(312)과 공급팬(313) 사이에 상호 열교환이 이루어진다.
상기 실시예와 동일한 목적을 갖되 다른 구성의 실시예로서, 도 8에서 도시한 바와 같이, 이중관 환기부(320)가 축사의 일측에 설치되되, 상기 이중관 환기부(320)는 구동팬(324)의 작동에 의해 축사 내부의 공기를 외부로 배출시키는 배출덕트(322)와 유입팬(323)의 작동으로 축사 외부의 공기를 내부로 유입시키는 유입덕트(321)로 이루어진다.
이때, 상기 배출덕트(322)는 유입덕트(321) 내부를 관통하면서 설치되어, 배출덕트(322) 및 유입덕트(321) 사이에 상호 열교환이 이루어지고, 유입덕트(321)의 외부면에 단열재가 도포되어 축사 내부와는 열교환이 이루어지지 않도록 함으로써, 배출덕트(322)와 유입덕트(321)간의 열효율을 증대시키게 된다.
이하 본 발명에 따른 실시예와 비교예를 사용한 시험을 통해 본 발명이 비교예와 차별화되는 점을 살펴보기로 한다.
<시험예1>
본 발명에 따른 축사 환기와 연계된 지열 냉난방 시스템을 사용하여 모돈 48두, 돈사 면적 330㎡의 축사를 가을철에 난방 시험시, 외부 평균기온이 9.3℃일때, 이하의 표 1에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예는 난방부하가 24.101 kcal/h였고, 축사 내부기온이 24.9℃로 높은 기온을 유지한 반면 난방을 하지 않은 비교예는 축사 내부 기온이 18.7℃를 유지하였다.
또한, 암모니아 가스 농도에서 실시예가 12.2ppm으로 19.3ppm의 비교예에 비해 크게 낮았으며, 황화수소 농도에서 실시예는 불검출로 비교예는 0.25ppm로 나타났고, 이산화탄소 농도에서 실시예는 992.3ppm으로 비교예는 1,100ppm로 나타났는바, 본 발명의 실시예에 의해 신선한 온풍이 축사로 공급되어 사육환경이 향상된 것을 알 수 있다.
특히, 환절기에 난방을 하지 않은 돈사는 돈사내 온도 변동이 극심하여 호흡기 질병이 많이 발생하는데 비하여 지열난방시 일정한 온도를 유지할 수 있었다.
구 분 |
실시예 |
비교예 |
난방방법 |
본 발명에 따른 지열난방 |
비난방 |
난방부하(kcal/h) |
24.101 |
- |
돈사내 평균온도(℃) |
24.9 |
18.7 |
돈사내 평균습도(%) |
48.3 |
56.6 |
이산화탄소 농도(ppm) |
992.3 |
1,100 |
암모니아가스 농도(ppm) |
12.2 |
19.3 |
황화수소 농도(ppm) |
불검출 |
0.25 |
분진농도(PM-10)(㎍/㎥) |
203.7 |
303.5 |
<시험예2>
표 2에서 나타낸 바와 같이, 비교예를 종래 온풍 난방으로 시험하였다.
본 발명에 따른 축사 환기와 연계된 지열 냉난방 시스템을 사용하여 모돈 48두, 돈사 면적 330㎡의 축사를 겨울철에 난방 시험시, 외부 1일간 평균기온이 3.0℃일때, 이하의 표 2에서 나타낸 바와 같이, 비교예는 축사 내부 평균온도 19.9℃, 평균습도 49.6%를 유지하였고, 실시예는 축사 내부 평균온도 21.0℃, 평균습도 51.6%를 유지하여 온풍난방에 비해 돼지를 사육하기에 좋은 온도 및 습도가 형성됨을 알 수 있다.
또한, 암모니아 가스 농도에서 실시예가 10.6ppm으로 23.3ppm의 비교예에 비해 크게 낮았으며, 황화수소 농도에서 실시예는 0.045ppm로 비교예는 0.067ppm로 나타났고, 이산화탄소 농도에서 실시예는 1,470ppm으로 비교예는 2,025ppm로 나타났는바, 지열난방에 따른 실시예가 온풍난방에 비해 신선한 온풍을 축사로 공급하여 사육환경을 더욱 향상시킨 것을 알 수 있다.
덧붙여, 돼지의 생산성을 분석하면, 분만자돈수에서 실시예가 13.2두로 비교예가 12.7두, 체중에서 실시예가 6.93kg으로 비교예가 6.86kg, 모돈 섭취량에서 88.22kg으로 비교예의 99.56kg에 비해 낮아짐을 나타내었다.
이와 같이, 겨울철 본 발명의 실시예에 따른 지열난방을 시행하여 돈사 내부에 적정한 온도를 유지해줌으로써, 사육돈의 생산성을 향상시키며 사료비를 절감시킴과 동시에, 종래 온풍난방에 사용되던 유류비용을 감소시키게 되었다.
구 분 |
실시예 |
비교예 |
난방방법 |
본 발명에 따른 지열난방 |
온풍난방 |
난방부하(kcal/h) |
- |
- |
돈사내 평균온도(℃) |
21.0 |
19.9 |
돈사내 평균습도(%) |
51.6 |
49.6 |
이산화탄소 농도(ppm) |
1,470 |
2,025 |
암모니아가스 농도(ppm) |
10.6 |
23.3 |
황화수소 농도(ppm) |
0.045 |
0.67 |
분진농도(PM-10)(㎍/㎥) |
185.3 |
481.4 |
분만자돈수(돈) |
13.2 |
12.7 |
이유시 체중(kg) |
6.93 |
6.86 |
모돈 섭취량(kg) |
88.22 |
99.56 |
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 축사 환기와 연계된 지열 냉난방 시스템의 제어방법을 살펴보기로 한다.
도 9는 본 발명에 따른 축사 환기와 연계된 지열 냉난방 시스템의 제어방법 흐름도이다.
우선, 축사 외부의 온도가 최고 설정치(Th) 이하 최저 설정치(Tl) 이상인 경우 메인 콘트롤러(400)에서 환기 콘트롤러(270)에 신호를 전달하여 대형 환기팬(240) 및 보조 환기팬(231)을 구동함으로써, 축사 내부의 공기를 환기시킨다.
또한, 축사 외부의 온도가 최고 설정치 및 최저 설정치 범위를 벗어나는 경우 축사 내부의 온도센서(250)가 감지한 온도를 최고 및 최저 설정치와 비교하게 된다.
이때, 축사 내부의 온도가 최고 설정치 이상인 경우 히트펌프 장치(200)는 냉방모드에서 가동하여 팬코일 유니트(190)가 찬 공기를 공급하고, 축사 내부의 온도가 최저 설정치 이하인 경우 히트펌프(150) 장치는 난방모드에서 운전하여 팬코일 유니트(190)가 따뜻한 공기를 공급하도록 한다.
그리고, 냉방모드에서 축사 내부로 찬 공기가 공급됨에도 불구하고 축사 내부 온도가 최고 설정치 이상인 경우 환기 콘트롤러(270)가 대형 환기팬(240)을 작동시켜 축사 내부의 공기를 외부로 급속히 배출시킴으로써, 풍속을 이용하여 가축이 느끼는 체감온도를 낮추게 된다.
덧붙여, 난방모드에서 축사 내부의 온도가 최저 설정치 이상인 경우 환기 콘트롤러(270)가 보조 환기팬(231)을 작동시켜 축사 외부의 공기를 내부로 공급함으로써, 가축의 사육 적온이 항상 유지될 수 있도록 한다.
구체적으로, 가축을 양호하게 사육하기 위해 유지되어야 할 축사 내부의 온도는 20~27℃가 적당한바, 상기 최고 설정치(Th)는 27℃, 최저 설정치(Tl)는 20℃가 바람직하다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.