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문제 정의
- 돈사의 床上部 환경개선을 위한 본 연구에서는 경기도 용인군에 위치한 형제농장의 비육 돈사를 실험축사로 선정하여, 외부환경에 따른 돈사환경의 변화, 실내 공기유동을 위한 팬의 유무 등이 실내환경에 미치는 영향을 살펴보았다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 물론 이들 변수의 분포를 CFD를 이용한 이론적 분포해석이 없지 않으나, 이러한 이론적 연구는 경향을 파악할 수 있으나 (Choi 등, 1988, 1992) 정밀하다 할 수 없다. 따라서 연구에서는 현장에서 자연환기와 강제환기에 따른 윈치커튼 돈사의 실내환경을 분석하고 이의 문제점을 개선을 하기 위하여 현장실증실험을 수행하였다. 본 연구의 결과는 자연환기 비육돈사의 환경개선을 위한 기초자료로 이용할 수 있다.
제안 방법
- 돈사내부의 물리적 환경변수 및 오염물질의 분포는 공기의 유동의 형태와 크기에 따라 분포되므로 실내의 적정환경을 제공하기 위해서는 돈사환기의 설계가 무엇보다 중요하다. 따라서 실내공기의 유속은 Hotwire 풍속계 (Solomat 500e, UK)를 이용하여 윈치 커튼 비육돈사의 자연환기와 환기팬을 가동한 강제환기, 두 경우를 위치별로 측정하였다. 측점은 돈사공간을 3등분하여 공기 유동 형태 및 크기의 분포를 결정하기 변화가 가장 크게 나타날 것으로 예상되는 입구 전면 (front), 중앙면 (middle), 후면 (rear)에서 단면 당 9지점, 총 28지점(외부 1점 포함)을 측정하였다.
- 실험돈사는 우리나라 전형적인 돈사 형태인 중앙에 약 600 mm 폭의 복도에 좌우로 2열 돈방으로 배치되어 있으며, 측벽과 용마루 monitor는 윈치커튼를 설치하여 입배기구 역할을 하도록 하였다. 실증실험은 돈사 열환경 및 실내 공기유동 등 실내환경에 미치는 영향을 구명하기 위하여 Table 1과 같이 실험 1, 2로 구분하여 자연환기와 강제환기에 따른 실내 환경변수를 측정 분석하였다. 실험 1, 2 모두 외기온은 약 25.
- 실험 1은 외기온이 25.7℃인 청명일에 돈사 내에서는 복사열의 크기를 量化하기 위하여 환기팬을 작동시키지 않은 자연환기상태에서 현장실증실험이 수행되었다. 우선 실내공간환경을 분석하기 위하여 중앙 단면에서의 온도, 유속 및 유해기체의 농도를 측정하였으며, Fig.
- 실험 2는 실험 1과 같이 외기온이 25.7℃로 비슷하였으나 하절 복사열과 강제환기가 비육 돈사 실내 열환경에 미치는 영향을 구명하기 위하여 상대적으로 복사열이 적은 흐린 날을 선택하였으며, 윈치커튼 비육돈사 내 팬을 작동시켜 강제환기상태를 유발하였다. 유속, 온도 및 유해기체의 농도를 중앙 단면에서 Test 1과 같은 지점에서 측정하였다.
- 1은 실험돈사의 제원과 돈사형태를 나타낸 것이다. 실험돈사는 우리나라 전형적인 돈사 형태인 중앙에 약 600 mm 폭의 복도에 좌우로 2열 돈방으로 배치되어 있으며, 측벽과 용마루 monitor는 윈치커튼를 설치하여 입배기구 역할을 하도록 하였다. 실증실험은 돈사 열환경 및 실내 공기유동 등 실내환경에 미치는 영향을 구명하기 위하여 Table 1과 같이 실험 1, 2로 구분하여 자연환기와 강제환기에 따른 실내 환경변수를 측정 분석하였다.
- 돈사 내에서 돼지의 생산 및 번식에 가장 큰 영향을 미치는 환경변수는 일반적으로 온도로 알려져 있으므로 우선 실내온도의 적정범위의 제어가 가장 우선되어야 한다. 온도는 Thermocouple (T-type)을 이용하여 매시간 돈사의 중앙단면에서 좌우상하 7점, 입출구 각각 1점, 바닥층 내부 5점, 외부 1점 등 모두 15점을 hybrid recorder를 이용하여 자동 즉정하였다. 돈사내부의 물리적 환경변수 및 오염물질의 분포는 공기의 유동의 형태와 크기에 따라 분포되므로 실내의 적정환경을 제공하기 위해서는 돈사환기의 설계가 무엇보다 중요하다.
- 7℃인 청명일에 돈사 내에서는 복사열의 크기를 量化하기 위하여 환기팬을 작동시키지 않은 자연환기상태에서 현장실증실험이 수행되었다. 우선 실내공간환경을 분석하기 위하여 중앙 단면에서의 온도, 유속 및 유해기체의 농도를 측정하였으며, Fig. 2는 각 즉점의 유속분포를 나타낸 그림이다.
- 위와 같은 실험돈사를 이용하여 환경개선을 위한 기초자료를 얻기 위하여 열환경, 화학적 환경변수의 경시적 변화를 측정하였다. 돈사 내에서 돼지의 생산 및 번식에 가장 큰 영향을 미치는 환경변수는 일반적으로 온도로 알려져 있으므로 우선 실내온도의 적정범위의 제어가 가장 우선되어야 한다.
- 7℃로 비슷하였으나 하절 복사열과 강제환기가 비육 돈사 실내 열환경에 미치는 영향을 구명하기 위하여 상대적으로 복사열이 적은 흐린 날을 선택하였으며, 윈치커튼 비육돈사 내 팬을 작동시켜 강제환기상태를 유발하였다. 유속, 온도 및 유해기체의 농도를 중앙 단면에서 Test 1과 같은 지점에서 측정하였다. 팬은 중앙통로를 중심으로 대칭 각돈방열 바닥으로부터 3.
- 측점은 돈사공간을 3등분하여 공기 유동 형태 및 크기의 분포를 결정하기 변화가 가장 크게 나타날 것으로 예상되는 입구 전면 (front), 중앙면 (middle), 후면 (rear)에서 단면 당 9지점, 총 28지점(외부 1점 포함)을 측정하였다. 일반적으로 돈사 내의 악취 및 유해 기체의 과도한 집적은 생산 및 번식률을 저하시키므로 기체환경 제어를 위하여 본 연구에서는 암모니아와 이산화탄소농도를 간이적으로 Gastec을 이용하여 각 단면당 5지점씩 총 15지점을 측정하였다. 물론 황화수소가 악취 원인 물질의 하나로 알려져 있지만 비육 돈사에서는 고농도인 경우도 Ippm에 미치지 못하므로 당시 측정기기를 보유하지 못해 측정에 어려움이 있었다.
- 따라서 실내공기의 유속은 Hotwire 풍속계 (Solomat 500e, UK)를 이용하여 윈치 커튼 비육돈사의 자연환기와 환기팬을 가동한 강제환기, 두 경우를 위치별로 측정하였다. 측점은 돈사공간을 3등분하여 공기 유동 형태 및 크기의 분포를 결정하기 변화가 가장 크게 나타날 것으로 예상되는 입구 전면 (front), 중앙면 (middle), 후면 (rear)에서 단면 당 9지점, 총 28지점(외부 1점 포함)을 측정하였다. 일반적으로 돈사 내의 악취 및 유해 기체의 과도한 집적은 생산 및 번식률을 저하시키므로 기체환경 제어를 위하여 본 연구에서는 암모니아와 이산화탄소농도를 간이적으로 Gastec을 이용하여 각 단면당 5지점씩 총 15지점을 측정하였다.
- 유속, 온도 및 유해기체의 농도를 중앙 단면에서 Test 1과 같은 지점에서 측정하였다. 팬은 중앙통로를 중심으로 대칭 각돈방열 바닥으로부터 3.3 m 지 점 (@fan, s core)에 110 m3/min 용량의 팬을 각각 2개씩 총 4개가 설치되어 공기를 입구쪽에서 돈사의 길이를 따라 출구쪽으로 유도하여 실내유동을 하게 하였다 (Fig. 5).
대상 데이터
- 본 연구에 이용된 실험돈사는 경기도 용인군 외사면 소재 비육돈사를 대상으로 7월 2일부터 7월 10일까지 실험을 수행하였으며 Fig. 1은 실험돈사의 제원과 돈사형태를 나타낸 것이다. 실험돈사는 우리나라 전형적인 돈사 형태인 중앙에 약 600 mm 폭의 복도에 좌우로 2열 돈방으로 배치되어 있으며, 측벽과 용마루 monitor는 윈치커튼를 설치하여 입배기구 역할을 하도록 하였다.
성능/효과
- 1. 외기온이 25.7P인 실험 1의 경우 측벽 윈치 커튼을 통하여 유입된 공기는 용마루 (ridge)의 윈치커튼를 통하여 배출되었으며, 중앙단면의 속도가 바닥부근 유속의 2~3배에 이르는 것은 열부력 (thermal buoyancy) 때문에 공기유동이 에너지를 얻어 유속이 가속되었으며, 측벽 윈칙커튼으로 유입된 공기 유동은 급격히 확산되어 消散 (disssipatioiO되었다. 그러므로 윈치커튼 돈사의 경우, 외부 바람의 속도가 거의 없거나 있어도 속도가 적다면, 돈사내 공기유동의 형태는 주로 열 부력에 의하여 결정됨을 알 수 있다.
- 2.실험 1에서는 비교적 균일한 온도분포를 보이고 있으나 실내온도가 외부에 비하여 전반적으로 외기온 보다 높게 나타났으며, 이는 돼지의 현열 및 배출분뇨에 의한 바닥층의 부숙열이 床上部 공간의 현열집적을 환기로 적절히 제거시키지 못한 결과로 판단된다. 따라서 실내에서 발생되는 열을 효과적으로 제거하기 위하여서는 강제환기 시설 또는 측벽 및 용마루 윈치커튼의 개폐정도 등을 포함한 관리논리를 개발할 필요하다.
- 3.실험 2는 실험 1과 같이 외기온이 25.7 C로 비슷하나 복사열의 영향여부를 실험 1과 비교검정하기 위하여 흐린 날을 선택하고 돈사 내 강제환기를 위한 팬을 작동시킨 상태에서 중앙단면에서의 유속을 측정한 결과 실험 1에 비해 속도가 대체로 크나, 편차 또한 크게 나타났으며, 팬 작동시 공기유동의 정체 지역 (dead region)이 발생한 것을 알 수 있었다. 따라서 강제환기시에는 보다 정확한 환기율을 결정하고 설계 시공이 필요할 것으로 판단된다.
- 4. 실험 2에서의 유해기체의 농도를 실험 1과 비교해보면 전체적으로는 편차가 적게 나타났으며, 외부기상의 차이로 인해 암모니아의 농도는 실험 1에 비해서 매우 높게 나타났다. 이는 외부기상에 따른 실내공기 유동의 효율저하, 상대습도의 변화 등으로 판단되며, 외기상의 변화에 능동적으로 대처할 수 있는 환기시스템의 개발도 고려해볼 필요가 있다
- 5. 실험 2에서의 온도분포는 거의 편차가 없이 균일하게 나타난 것을 볼 수 있었으며, 비로 인하여 지붕이 받는 부가적인 태양 복사열이 없었으며, 실험 1과는 달리 열부력에의한 上高下低의 전형적인 수직분포가 나타나지 않고, 오히려 지붕을 냉각시키는 효과를 가져와 上低下高의 분포를 나타냈으며, 수평온도분포도 팬에 의한 강제환기에 의해 실내공기를 균일하게 분포시켜 거의 편차가 없음을 알 수 있었다. 그러므로 지붕의 단열이 축사환경제어에 중요한 변수로 작용한다는 것을 알았으며, 이를 위해서 지붕의 단열 및 높이 등의 설계가 매우 중요하다.
- 실증실험은 돈사 열환경 및 실내 공기유동 등 실내환경에 미치는 영향을 구명하기 위하여 Table 1과 같이 실험 1, 2로 구분하여 자연환기와 강제환기에 따른 실내 환경변수를 측정 분석하였다. 실험 1, 2 모두 외기온은 약 25.7P이며, 실험 1은 맑고 상대습도가 약 70%였으며, 실험 2는 흐리고 상대습도가 약 85%였다.
- 실험결과, 공기유동의 기본형태는 좌우 측 벽 윈치커튼을 통하여 유입된 공기는 용마루(ridge)의 윈치커튼를 통하여 배기되며, 전체적으로 공기속도의 크기는 the order of 10-1으로 사람이 거의 감지하기 어려울 정도이었다. 중앙단면의 상부유속은 0.
- 실험 2에서의 온도분포는 거의 편차가 없이 균일하게 나타난 것을 볼 수 있다. 실험이실시된 날은 비로 인하여 지붕이 받는 부가적인 태양복사열이 없었기 때문에 실험 1과는 달리 열부력에 의한 전형적인 수직 분포가 나타나지 않고, 오히려 비로 인해 지붕을 냉각시키는 효과를 가져와 반대로 나타났으나, 전공간에 걸쳐 거의 균일한 온도분포를 유지했다. 수평온도분포도 팬에 의한 강제환기에 의해 실내공기를 균일하게 분포시켜 거의 편차가 없음을 알 수 있다.
후속연구
- 9 ℃로써 같은 위치의 바닥표층 부분보다 4℃ 이상 높았다. 그러므로 실내에서 발생되는 열을 효과적으로 제거하기 위하여서는 강제환기 시설 또는 측벽 및 용마루 윈치 커튼의 개폐 정도 등을 포함한 관리논리를 개발할 필요가 있음을 인식해야 한다.
- 이는 바깥에는 비가 내리고 있어 설사 윈치커튼을 열어둔 상태라 하더라도 비가 air curtain의 역할을 하여 실내외의 공기교환을 차단함으로써 돈 사내 특히 대류가 약한 우측면은 유해 기체가 희석되지 못하고 집적되어 암모니아 농도가 실험 1 보다 높은 것으로 관찰되었다. 또 하나의 가능성은 비로 인하여 실내 상대습도가 매우 높은 상태에서 암모니아가 공기중의 수증기와 흡착되어 농도 높을 가능성을 들 수 있으나 열부력을 실내 전체공간의 공기가 고루 받는다는 가정하면 유독 우즉면만 높은 이유를 달리 설명하기 어려우므로 향후 깊이 있는 연구가 필요하다.
- 따라서 연구에서는 현장에서 자연환기와 강제환기에 따른 윈치커튼 돈사의 실내환경을 분석하고 이의 문제점을 개선을 하기 위하여 현장실증실험을 수행하였다. 본 연구의 결과는 자연환기 비육돈사의 환경개선을 위한 기초자료로 이용할 수 있다.
- 6는 각 지점의 유속분포를 나타낸 그림이다. 실험 2의 경우는 실험 1에 비해 속도가 대체로 크나, 편차 또한 커서 환기시스템 효율에 대한 세밀한 분석이 필요하다. 오히려 강제환기시스템을 작동하므로써 환기의 효율문제를 제기한 결과를 가져올 수도 있기 때문이다.
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