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문제 정의
- 또한 Seo 등(2007)은 CFD를 사용하여 다양한 환기 구조에 대한 환기 효율성을 비교, 분석하여 적정 환기 구조를 개발하였다. 본 연구에서는 이러한 선행 연구의 후속으로 이중 윈치커튼을 이용한 자연환기식 육계사를대상으로 한 난방 부하 시뮬레이션을 통하여 기존의 환기 구조와 개선된 환기 구조의 난방에너지 요구량을 분석하고 이를 정량적인 수치로 나타내고자 하였다. 또한 중천장의 유무에 따른 난방에너지와 계군에서의 최대 난방에너지를 분석하였다.
- 이를 보완하기 위하여 시스템 (B) 에서는 배기되는 공기가 단열성이 매우 낮은 측창의 윈치 커튼을 따라 상향으로 흐르도록 추가 커튼을 설치하여 지붕배기구를 통하여 배기되도록 하였다. 이를 통하여 측창 앞을 상향으로 스치며 배기되는 공기 중의 열에너지가 측창을 통하여 빼앗기도록 하여 계사 내 사용공간으로부터의 열손실을 최소화하고자 하였다. 또한 이를 통하여 측창을 통하여 유입되는 기존의 밀도 높은 찬 공기가 계군으로 곧장 도달하는 현상도 방지할 수 있게 되었다.
가설 설정
- 상태에서 계산한 결과를 나타낸 것이다. 닭 사육 시 바닥면에는 겨 등을 깔아두기 때문에 다른 벽체에 비하여 열 손실이 적은 것으로 가정하였다. 수 계산에 이용된 식은 다음과 같다.
- 외기조건은 시각별 건구온도, 절대습도, 일사량, 풍향, 풍속 등으로 구성된다. 닭의 사육기간은 일반적인 경우를 가정하여 1년 동안 약 35〜40일 씩 총 6번의 사육 기간으로 나누어 사육하는 것으로 설정하였다. 난방 기간은 그 중 사육기간 1과 사육기간 6 동안에 이루어지며 각 사육 기간 동안의 설정온도와 습도는 지속적으로바뀌는 것을 감안하여 일별 온도와 습도를 적용하였다.
제안 방법
- CFD의 환경 조건은 TRNSYS의 계산조건과 동일하게 설정하였으며, 정상상태로 계산하였다. 또한 Fig.
- 닭의 사육기간은 일반적인 경우를 가정하여 1년 동안 약 35〜40일 씩 총 6번의 사육 기간으로 나누어 사육하는 것으로 설정하였다. 난방 기간은 그 중 사육기간 1과 사육기간 6 동안에 이루어지며 각 사육 기간 동안의 설정온도와 습도는 지속적으로바뀌는 것을 감안하여 일별 온도와 습도를 적용하였다. 지중온도는 기상청 데이터가 6시간 간격으로 측정되므로 각 사육기간 별로 평균값을 사용하여 경계조건으로 설정하였다.
- 따라서 환기 장치를 작동시키지 않는 시간이 더 많기 때문에추가적으로 환기를 고려하지 않은 경우 중천장 유무에 따른 난방에너지 요구량과 환기구조별 난방에너지 요구량을 구하였다(Table 7). 여기서는 환기를 고려하지 않았으나 각 공간의 상호 교환되는 풍속과풍량은 유지하였고 환기방법은 시스템 A, B로 유지하였다.
- CFD의 환경 조건은 TRNSYS의 계산조건과 동일하게 설정하였으며, 정상상태로 계산하였다. 또한 Fig. 2에서와 같이 상부(top zone)과 중부(middle zone) 사이에 중 천장을 설치하여 기존의 육계사와의 난방에너지 차이를 분석하였다. 육계사 내의 3개의 가상공간 사이에 열적 교류는 TRNSYS를 사용하여 계산하였다.
- 해석을 위한 건물 에너지 시뮬레이션(BES) 프로그램은 다양한 종류가 있으며(Hong 등, 2000), 본 연구에서는 건물의 동적 열 부하계산에 용이한 TRNSYS(Wisconsin, USAX 이용하였다. 또한 육계사 내부의 공기 유동 해석을 위하여 Fluent(Fluent Inc., ver. 6.2. N.H., USA)를사용하였다. 본 연구의 결과는 추후 환기방법의 설정과 같은 공학적 접근이 필요한 육계사의 최적 사육 환경조성을 위한 연구의 기초 자료로 활용할 예정이다.
- 2와 같이 난방에너지 선정을 위한 해석 수행 시 계산의 정확도와 시간의 효율성을 향상시키기 위하여 불필요한 정보의 입력을 줄임으로써 대상을 단순화 할 필요가 있었다. 또한 육계의 생육공간을 분리하여 난방에너지 부하를 산출하고, 중천장 유무의 효과를 볼 수 있도록 가상으로 육계사 내부를 3개 부분으로 구별하여 각 구역의 경계는 가상의 공기층을 설정하였다. 실제 모델과 단순화한 모델의 열 부하 차이는 3% 미만으로, 이는 허용될 수 있는 수준으로 보고된 바 있다(Yoo 등 2002).
- 본 연구에서는 이러한 선행 연구의 후속으로 이중 윈치커튼을 이용한 자연환기식 육계사를대상으로 한 난방 부하 시뮬레이션을 통하여 기존의 환기 구조와 개선된 환기 구조의 난방에너지 요구량을 분석하고 이를 정량적인 수치로 나타내고자 하였다. 또한 중천장의 유무에 따른 난방에너지와 계군에서의 최대 난방에너지를 분석하였다. 해석을 위한 건물 에너지 시뮬레이션(BES) 프로그램은 다양한 종류가 있으며(Hong 등, 2000), 본 연구에서는 건물의 동적 열 부하계산에 용이한 TRNSYS(Wisconsin, USAX 이용하였다.
- 실제 모델과 단순화한 모델의 열 부하 차이는 3% 미만으로, 이는 허용될 수 있는 수준으로 보고된 바 있다(Yoo 등 2002). 본 연구에서는 Fig. 3과 같이 양쪽 윈치커튼을 통하여 입기되어 천장에 있는 환기팬으로 배기되는 기존구조(시스템 A)와 천장에 있는 덕트를 통하여 입기 되어 디퓨저에 의하여 상층부에 고루 퍼진 후 측벽과 추가로 설치한 커튼 사이로 지붕방향으로 배기 되는 Seo 등(2007)이 제시한 개선된 환기 구조(시스템 B)를 대상으로 난방에너지를 비교 분석하였다.
- 수행하였다. 시뮬레이션 상에 가상적인 추적 가스를 구현하여 Tracer gas decay(TGD) 기법을 사용하여 환기량을 계산하고 각 구조의 유동장, 온도 등을 종합적으로 고려하여 환기 시스템의 적정성을 평가하였다. TGD 기법은 시설 내부를 특정 가스로 가득 채운 후 환기를 수행하여 감소하는 가스 농도 데이터를 토대로 식 (11)과 같이 환기량을 계산한다.
- 또한 윈치커튼 재질의 단열성은 지붕 등의 다른 벽면에 비하여 단열성이 현저히 낮기 때문이다. 이를 보완하기 위하여 시스템 (B) 에서는 배기되는 공기가 단열성이 매우 낮은 측창의 윈치 커튼을 따라 상향으로 흐르도록 추가 커튼을 설치하여 지붕배기구를 통하여 배기되도록 하였다. 이를 통하여 측창 앞을 상향으로 스치며 배기되는 공기 중의 열에너지가 측창을 통하여 빼앗기도록 하여 계사 내 사용공간으로부터의 열손실을 최소화하고자 하였다.
- 자연환기식 육계사를 해석 대상모델로 설정하고 Fluent를 사용하여 도출한 최적 환기 구조를 선정한 이후에 BES 프로그램을 이용하여 난방에너지 부하를 비교 분석하였다. 정상상태에서의 난방에너지 요구량을 계산한 결과 기존 육계사의 총 에너지 손실 중에서 약 90% 가까이가 가장 단열성이 낮은 측창과 측벽을 통하여 이루어지는 것을 알 수 있었다.
- 난방 기간은 그 중 사육기간 1과 사육기간 6 동안에 이루어지며 각 사육 기간 동안의 설정온도와 습도는 지속적으로바뀌는 것을 감안하여 일별 온도와 습도를 적용하였다. 지중온도는 기상청 데이터가 6시간 간격으로 측정되므로 각 사육기간 별로 평균값을 사용하여 경계조건으로 설정하였다. 닭의 현열과 잠열이 고려된Xin 등(2002)의 식을 참고하여 식 (6)~(8)을 사용하여 계산하였다.
- 특히 외기조건은 기상청에 협조를 받아 해당지역의 2002년도 시간별 기상데이터를 해석프로그램에서 요구하는 형식으로 변환하여 적용하였다. 외기조건은 시각별 건구온도, 절대습도, 일사량, 풍향, 풍속 등으로 구성된다.
- 현장실험을 통하여 연구된 기존 육계사의 문제점을 보완하기 위하여 다양한 구조에 관하여 CFD 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 상에 가상적인 추적 가스를 구현하여 Tracer gas decay(TGD) 기법을 사용하여 환기량을 계산하고 각 구조의 유동장, 온도 등을 종합적으로 고려하여 환기 시스템의 적정성을 평가하였다.
대상 데이터
- 해석 대상은 현재 전북 익산에 설치되어 있는 전용면적 840 if의 육계사로서 전후방향이 동서로 70 m 이며, 총 15, 000마리의 닭을 사육하고 있다(Lee 등, 2003a). 육계사의 실제 도면은 Fig.
데이터처리
- TRNSYS의 초기 환경 조건의 설정과 적정 환기 구조의 선정을 위하여 전산유체역학(CFD)을 이용하였으며 상용프로그램인 Fluent를 사용하였다. CFD의 환경 조건은 TRNSYS의 계산조건과 동일하게 설정하였으며, 정상상태로 계산하였다.
이론/모형
- 완성된 모델은 메인 모듈인 Fluent에서 다양한 환경조건을 바탕으로 실제 계산을 수행하게 된다. CFD는 관심 영역을 수많은 격자망으로 나누어 Navier-Stokes 방정식을 기반으로 질량, 운동량, 에너지 보존 방정식을 수치적으로 계산한다. 결과의 정확성 향상에 큰 영향을 미치는 난류 모델의 경우 Lee 등(2007)의 연구를 바탕으로 축산시설에 대하여 가장 신뢰도가 높은 것으로 나타난 RNG k-8 model을 사용하였다(공식 1과 2).
- CFD는 관심 영역을 수많은 격자망으로 나누어 Navier-Stokes 방정식을 기반으로 질량, 운동량, 에너지 보존 방정식을 수치적으로 계산한다. 결과의 정확성 향상에 큰 영향을 미치는 난류 모델의 경우 Lee 등(2007)의 연구를 바탕으로 축산시설에 대하여 가장 신뢰도가 높은 것으로 나타난 RNG k-8 model을 사용하였다(공식 1과 2).
- 본 연구에서는 육계사 내부의 유동문제를 해석하기 위하여 전선유체역학(computational fluid dynamics) 를 사용하였다. 프리프로세서인 Gambit(ver.
- 본 연구에서는 응답계수(response factor)와 가중치 계수(weighting factor)를 기초로 하여 건물 구조체의 축열 영향까지를 고려한 동적 열부하 계산법을 사용하였다(SEL, 1994). 사용된 동적 열 부하 계산 프로그램은 TRNSYS(A transient systems simulation program) 상용화 프로그램으로써 해석 수행 시 설비 및 제어 계통의 포함 여부에 따라 Energy rate con- trol(ERC)과 Temperature level control(TLC)로 구별된다.
- 2에서와 같이 상부(top zone)과 중부(middle zone) 사이에 중 천장을 설치하여 기존의 육계사와의 난방에너지 차이를 분석하였다. 육계사 내의 3개의 가상공간 사이에 열적 교류는 TRNSYS를 사용하여 계산하였다. 해석에 사용된 실내상태, 난방기간 및 시간 등은 Table 1과 같다.
- 또한 중천장의 유무에 따른 난방에너지와 계군에서의 최대 난방에너지를 분석하였다. 해석을 위한 건물 에너지 시뮬레이션(BES) 프로그램은 다양한 종류가 있으며(Hong 등, 2000), 본 연구에서는 건물의 동적 열 부하계산에 용이한 TRNSYS(Wisconsin, USAX 이용하였다. 또한 육계사 내부의 공기 유동 해석을 위하여 Fluent(Fluent Inc.
성능/효과
- 경제성을 고려하여 기존의 육계사 구조(시스템 A) 를 보존하면서 환기 구조를 개선시키기 위하여 디퓨저와 추가 커튼의 설치를 통하여 환기 효과를 개선하고자 설계된 시스템 B의 CFD 결과는 본 구조가 계군에서의 충분한 환기량과 유해먼지 제거에 유리한 유 동장과 함께 계군의 온도를 약 17% 상승시킬 수 있음을 보였다. 또한 TRNSYS를 사용한 동적 열 부하 계산을 통하여 시스템 B가 시스템 A에 비하여 약 8.
- 6°C 로 설정하고 실내는 적정설정온도인 2VC 를사용하여 단순한 외기와 실내의 온도차를 고려하여 정적인 상태로 계산을 수행한 결과이기 때문이다. 계산 결과를 보면 측창과 측벽을 통한 열손실이 각각 58%와 31.3%로 전체 열손실의 거의 90% 가까이를차지하고 있다. 이는 측창을 통하여 자연환기가 되므로 외기와의 접촉이 많아 다른 벽체에 비하여 단열이 미흡한 것으로 판단된다.
- Cho와 Zaheer- udin(2002)은 국내외에서 개발되어 활용되는 7개의 서로 다른 BES 프로그램의 정확도를 검증하였다. 그 결과 TRNSYS 의 오차는 창문을 통한 일사량이 없는 경우 -1.8%로 나타났다. 일반적으로 계사에는 일사량이 큰 영향을 미치지 않으므로 TRNSYS를 이용한 결과가 높은 신뢰도를 보일 것으로 판단되었다(SEL, 1994).
- 환기가 작동되지 않을 경우 시스템 B에서 내부의 추가 커튼은 완전히 닫혀서 측벽 및 측창의 단열성을 높이게 된다. 그 결과 환기를 전혀 하지 않았을 때 육계사의 난방에너지의 값은 기존의 환기를 적용했을 때의 값보다 시스템 A에서는 약 4.7%, 시스템 B에서는 약 7.7% 감소하였다. 또한 환기를 수행하지 않을 경우, 시스템 B의 난방에너지 요구량이 시스템 A보다 약 11.
- 시스템 A에서는 측창을 통하여 들어온 신선한 공기가 직접 계군으로 떨어지므로 온도의 균일성 및 적정성이 부족할 것으로 판단되며 계군을 통과하여 오염 물질을 함유한 공기 중 일부는 직접 덕트로 빠져 '나가지 못하고 다시 내부로 순환하고 있다. 그러나 시스템 B에서는 덕트를 통하여 유입된 공기가 디퓨저에 의하여 상층부에 넓게 퍼지면서 하단부로 이동하기 때문에 상부에 형성된 열에너지를 더 효과적으로 활용할 수 있었으며 계군을 통과하여 오염물질을 함유한 공기가 양 측벽의 추가 커튼을 통하여 효과적으로 외부로 배기될 수 있었다. Table 5는 각 구조의 환기량과 평균 온도를 나타낸 것이다.
- 3 % 의 난방 에너지 절감 효과를 보였다. 따라서 기존의 구조를 시스템 B로 개선하면서 동시에 중천장을 사용할 경우 약 20.0%의 에너지 절감 효과가 있을 것으로 판단되었다.
- 보였다. 또한 TRNSYS를 사용한 동적 열 부하 계산을 통하여 시스템 B가 시스템 A에 비하여 약 8.2%의 에너지 절약이 가능함을 보였다. 특히 계군에 대하여 약 46.
- 또한 윈치커튼을 통하여 유입되는 찬 공기는 계군으로 곧장 떨어짐으로써 계군에서의 온도 균일성 및 적정성이 매우 열악한 것으로 판단되었다. 또한 계사 내 상층부에 형성된 열에너지를 효율적으로 이용할 방안을 도출하는 것도 중요하다는 것을 알 수 있었다.
- 정상상태에서의 난방에너지 요구량을 계산한 결과 기존 육계사의 총 에너지 손실 중에서 약 90% 가까이가 가장 단열성이 낮은 측창과 측벽을 통하여 이루어지는 것을 알 수 있었다. 또한 윈치커튼을 통하여 유입되는 찬 공기는 계군으로 곧장 떨어짐으로써 계군에서의 온도 균일성 및 적정성이 매우 열악한 것으로 판단되었다. 또한 계사 내 상층부에 형성된 열에너지를 효율적으로 이용할 방안을 도출하는 것도 중요하다는 것을 알 수 있었다.
- 이를 통하여 측창 앞을 상향으로 스치며 배기되는 공기 중의 열에너지가 측창을 통하여 빼앗기도록 하여 계사 내 사용공간으로부터의 열손실을 최소화하고자 하였다. 또한 이를 통하여 측창을 통하여 유입되는 기존의 밀도 높은 찬 공기가 계군으로 곧장 도달하는 현상도 방지할 수 있게 되었다.
- 7% 감소하였다. 또한 환기를 수행하지 않을 경우, 시스템 B의 난방에너지 요구량이 시스템 A보다 약 11.5% 줄었으며, 중천장에 의한 난방에너지의 감소는 약 10.6% 를 보였다. 이들 결과를 토대로 기존의 육계사의 환기 구조를 시스템 B로 개선한 후 중천장을 사용할 때 약 20.
- 이는 시스템 A의 경우 양쪽 측벽의 윈치커튼을 통하여 입기되는 찬 공기가 닭들이 주로 상주하는 바닥에 먼저 도달한 후 천장의 환기 팬으로 배기가 되는 반면 시스템 B의 경우 천장의 환기 팬을 통하여 입기되는 찬 공기가 따뜻한 공기가 머물러 있는 계사의 상층부를 거치면서 충분히 데워진 후 계군을 통과하여 윈치커튼을 통하여 배기 되므로 상대적으로 전체 및 특히 계군에서의 난방에너지 요구량이 적은 것으로 판단된다. 이는 에너지 절약 측면에서 시스템 B가 시스템 A 보다 육계사 전체를 기준으로 약 8.2%, 계군만을 기준으로 약 46.9% 더 효율적임을 알 수 있었다.
- 6% 를 보였다. 이들 결과를 토대로 기존의 육계사의 환기 구조를 시스템 B로 개선한 후 중천장을 사용할 때 약 20.0%의 에너지 절감 효과가 있을 것으로 기대되었다. 최소한의 환기만 이루어지는 동절기이기 때문에 환기에 의하여 요구되는 에너지 요구량은 예상보다 크지 않은 것으로 나타났다.
- 2의 상부(top zone)와 중앙부(middle zone) 사이에 설치하였다. 이를 통하여 난방 공간을 줄일 수 있으며 동시에 중천장이 지붕의 단열성을 향상시키는 역할을 하기 때문에 Table 6에서와 같이 중 천장을 사용할 경우 평균 약 11.3% 에너지 절약 효과를 보였다. 중천장 유무에 상관없이 계군의 난방에너지가 비슷한 것은 육계사 전체 높이에 비하여 계군의 높이가 현저히 작으므로 단열재의 역할을 하는 중 천장의 영향보다 닭의 발열량에 의한 영향이 더욱 크기 때문으로 판단된다.
- 비교 분석하였다. 정상상태에서의 난방에너지 요구량을 계산한 결과 기존 육계사의 총 에너지 손실 중에서 약 90% 가까이가 가장 단열성이 낮은 측창과 측벽을 통하여 이루어지는 것을 알 수 있었다. 또한 윈치커튼을 통하여 유입되는 찬 공기는 계군으로 곧장 떨어짐으로써 계군에서의 온도 균일성 및 적정성이 매우 열악한 것으로 판단되었다.
- 0%의 에너지 절감 효과가 있을 것으로 기대되었다. 최소한의 환기만 이루어지는 동절기이기 때문에 환기에 의하여 요구되는 에너지 요구량은 예상보다 크지 않은 것으로 나타났다. 또한 닭들로부터 지속적인 현열 발생이 있는 것도 한 요인으로 판단된다.
- 9%의 에너지 절약이 가능함을 보여 기존의 절반 정도의 에너지 사용만으로 계군의 온도를 유지할 수 있음을 보였다. 추가로 계군을 중심으로 난방 공간을 줄이기 위하여 설치한 중천장은 약 11.3 % 의 난방 에너지 절감 효과를 보였다. 따라서 기존의 구조를 시스템 B로 개선하면서 동시에 중천장을 사용할 경우 약 20.
- 2%의 에너지 절약이 가능함을 보였다. 특히 계군에 대하여 약 46.9%의 에너지 절약이 가능함을 보여 기존의 절반 정도의 에너지 사용만으로 계군의 온도를 유지할 수 있음을 보였다. 추가로 계군을 중심으로 난방 공간을 줄이기 위하여 설치한 중천장은 약 11.
후속연구
- BES 기법은 설계자가 원하는 기간별 외기조건, 벽체의 특성, 실내 온습도 조건, 환기량 등을 실시간으로 고려할 수 있기 때문에 추후 각종 농업 시설 설비의 최적 환경 조성을 위한 열 부하 계산에 중요한 기술로 활용될 것으로 판단되었다. 본 연구의 결과는 육계 사내 적정 환경 조절 시스템 개발을 위하여 고려해야 하는 주요한 사항 중에 하나인 난방에너지 요구량 분석 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 닭의 현열과 잠열이 고려된Xin 등(2002)의 식을 참고하여 식 (6)~(8)을 사용하여 계산하였다. 계산에는 총열을 사용하였으나, 향후 잠열을 통한 수증기 방출량을 산정할 수 있을 것이다. 또한 각 벽체간의 열교환기가 없는 경우에도 벽체의 축열 효과가 존재하므로, 각 벽체에 대한 물성치와 구조는 Table 2와 3과 같이 입력하였다.
- 활용될 것으로 판단되었다. 본 연구의 결과는 육계 사내 적정 환경 조절 시스템 개발을 위하여 고려해야 하는 주요한 사항 중에 하나인 난방에너지 요구량 분석 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 추후 추가적인 환기구조에 관한 연구를 토대로 한 적정 환기 구조 개발에 대하여 CFD와 BES 기법은 현장 실험의 한계를 보완하고 짧은 시간에 비교 분석을 위한 충분한 양의 정량적 데이터 확보에 큰 기여를 할 것으로 판단된다.
- , USA)를사용하였다. 본 연구의 결과는 추후 환기방법의 설정과 같은 공학적 접근이 필요한 육계사의 최적 사육 환경조성을 위한 연구의 기초 자료로 활용할 예정이다.
- 본 연구의 결과는 육계 사내 적정 환경 조절 시스템 개발을 위하여 고려해야 하는 주요한 사항 중에 하나인 난방에너지 요구량 분석 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 추후 추가적인 환기구조에 관한 연구를 토대로 한 적정 환기 구조 개발에 대하여 CFD와 BES 기법은 현장 실험의 한계를 보완하고 짧은 시간에 비교 분석을 위한 충분한 양의 정량적 데이터 확보에 큰 기여를 할 것으로 판단된다.
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