[논문]BES 수치모델을 이용한 사육 밀도별 가금류 고온 스트레스 평가

권경석; 하태환; 최희철; 김종복; 이준엽; 전중환; 양가영; 김락우; 여욱현; 이상연

doi:10.5762/kais.2019.20.1.456

BES 수치모델을 이용한 사육 밀도별 가금류 고온 스트레스 평가
Evaluation of thermal stress of poultry according to stocking densities using mumerical BES model 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.1, 2019년, pp.456 - 463

권경석 (국립축산과학원 축산환경과) , 하태환 (서울대학교 생태조경.지역시스템공학부) , 최희철 (국립축산과학원 축산환경과) , 김종복 (국립축산과학원 축산환경과) , 이준엽 (국립축산과학원 축산환경과) , 전중환 (국립축산과학원 축산환경과) , 양가영 (국립축산과학원 축산환경과) , 김락우 (서울대학교 생태조경.지역시스템공학부) , 여욱현 (서울대학교 생태조경.지역시스템공학부) , 이상연 (서울대학교 생태조경.지역시스템공학부)

초록
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가축 사육 시설 내부의 온도, 습도 등과 같은 미기상 요소는 환기, 냉방, 난방, 단열, 가축의 현열 및 잠열과 같은 에너지 발생 등 다양한 요소의 복합적인 영향을 받는다. 본 연구에서는 위와 같은 다양한 변수에 따른 시설 내부의 에너지 흐름 및 기작을 구현하기 위하여 BES 수치해석 기법을 활용하였다. BES 수치해석 모델 및 THI 지수 개념을 이용하여 국내 주요 지역별 가금 사육 시설 내부의 고온 스트레스 발생 정도를 정량적으로 산정하고자 하였다. 또한, 최근 동물복지 사육이슈에 따라, 현행 기준 및 동물복지를 고려한 사육 밀도 적용 시, 시설 내부의 THI 지수를 비교 분석하였으며, 그 결과, 환절기 시기의 경우 사육밀도 감소에 따른 유의한 고온 스트레스 감소 효과가 도출되었으나(p<0.05), 하절기의 경우 큰 차이를 보이지 않아(p>0.05) 지역별 적정 냉방시설의 설비 마련이 시급한 것으로 나타났다. 전라북도 익산시의 경우, 사육밀도 감소에 따라 고온 스트레스 발생 시간 기준, 총 252시간의 이득이 있는 것으로 산출되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Micro climatic conditions within the livestock facility are affected by various factors such as ventilation, cooling, heating, insulation and latent and sensible heat generation from animals. In this study, numerical BES method was used to simulate energy flow inside the poultry house. Based on the BES method and THI concept, degree of thermal stress of poultry was evaluated according to the locations in South Korea. Comparison of THI values within the poultry house was also carried out according to the stocking densities to reflect recent animal-welfare issue. Significant decrease in thermal stress of poultry was observed when the stocking density of $30kg/m^2$ was applied in the change of the seasons(p0.05). It meant that installation of proper cooling system is urgently needed. For Iksan city of Jeollabuk-do province, total 252 hours of profit for thermal stress was found according to decrease in the stocking density.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. BES computed THI trends according to stocking densities(2.∼7. Aug., 2017, Iksan, Jeollabuk-do)
표 Table 1. Designed rearing periods
표 Table 2. Designed stocking densities
표 Table 3. BES computed Hours and its ratio over THI threshold according to research area and stocking densities
그림 Fig. 2. BES computed hours over THI threshold at (a) Anseong and (b) Jeju according to period
그림 Fig. 3. BES computed THI according to stocking density at Iksan

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 BES 해석 프로그램 중 TRNSYS(TESS, LLC., USA)를 이용하여, 계사 내· 외부 환경 조건에 따른 에너지 발생 및 손실 구현을 통해 닭의 고온 스트레스를 계산하고자 하였다.
본 연구에서는 최근 이슈가 되는 동물복지 개념의 도입과 관련하여, 강제환기식 무창 육계사를 대상으로 BES 수치해석 모델 설계를 실시하고 이를 이용하여, 현행 축산법에 따른 육계 사육 밀도부터, 동물복지 기준에 따른 사육 밀도까지, 조건별 국내 주요 지역별 가축 고온 스트레스 발생 수준 및 냉방 부하 수준을 모의하고자 하였다.

가설 설정

일령별, 내·외부 온도 조건별 설계환기량은 국내 H 계열사에서 권고하는 환기 운영 권장표를 토대로, 경계 조건이 동적으로 작동되도록 모델을 설계하였다[12]. 단, 시뮬레이션 해석 시 침기에 의한 영향은 없으며, 향후 지역별 기후 조건에 따른 적정 냉방시스템 용량 산정을 목적으로 쿨링패드 등과 같은 냉방시설은 설치되어 있지 않다고 가정하였다.

제안 방법

이에 따라 [17]이 제시한 닭의 중량 및 주변 온도에 따른 현열 및 잠열 발생 수식 및 [18]이 제시한 국내 육계의 일령별 중량 경험식을 토대로 다음과 같은 조건별 현열(φ_s) 및 잠열(φ_l) 보정식을 도출하고, 이를 BES 수치해석 모델의 경계조건에 반영하였다. BES 모델로부터 계산되는 시계열별 내부 온도 및 일령조건 등에 따라 동적으로 경계조건이 업데이트될 수 있도록 모델을 구성하였다.
국내 주요 지역별 외부 기상, 건축물 특성, 환기 운영 알고리즘, 가축의 에너지 발생량 등을 복합적으로 고려하여, 연구 대상 사육기간(총 112일, 2,688시간)동안의 사육밀도별 하절기 시설 내부 온·습도 변화를 모의하고 이를 통해 THI 지수, 한계 THI 지수 초과 시간을 계산하였다.
앞서, 언급한 연구 대상 각 지역의 외부 기상자료, 닭으로부터의 현열 및 잠열 발생량, 벽체로부터의 열 획득 및 손실, 환기에 의한 열 손실 기작 등을 복합적으로 고려하여 실시간 계사 내부의 기온 및 상대습도를 1초 단위로 계산하였으며, 도출된 자료를 토대로 고온 스트레스 평가를 위한 THI 지수를 계산하였다. THI 지수 78을 한계 THI 지수로 설정하였으며[9], 해당 값을 초과하는 시간 및 일수를 도출하였다.
연구 대상 기간의 경우 2017년을 대상으로 고온스트레스가 발생될 것이라 예상되는 5월부터 9월까지로 설정하였으며 해당 기간 동안 총 4차례 28일간 육계 사육을 실시하고 출하 후 14일간 휴지기를 갖는다는 전제하에 수치해석 모델 설계 및 해석을 실시하였다(Table 1). 이때 기상자료의 경우 기상청에서 제공하는 2017년 전체 기간의 외부 온도, 습도, 일사량, 지면 온도 등의 자료를 입력자료로 구축하였다.
이에 따라 [17]이 제시한 닭의 중량 및 주변 온도에 따른 현열 및 잠열 발생 수식 및 [18]이 제시한 국내 육계의 일령별 중량 경험식을 토대로 다음과 같은 조건별 현열(φs) 및 잠열(φl) 보정식을 도출하고, 이를 BES 수치해석 모델의 경계조건에 반영하였다.
일령별, 내·외부 온도 조건별 설계환기량은 국내 H 계열사에서 권고하는 환기 운영 권장표를 토대로, 경계 조건이 동적으로 작동되도록 모델을 설계하였다[12].

대상 데이터

육계사 내부 고온 스트레스 평가를 위한 THI 지수 산출을 위한 연구 대상 지역은 국내 주요 행정구역별 각 구역 내 육계 사육 수수가 가장 많은 시군을 대상으로 선정하였다[13]. 안성시(182만수, 경기), 춘천시(87만수, 강원), 제천시(127만수, 충북), 부여군(401만수, 충남), 익산시(265만수, 전북), 영암군(188만수, 전남), 상주시 (176만수, 경북), 창녕군(146만수, 경남), 제주시(142만수, 제주)가 연구 대상지역으로 선정되었다.
연구대상 시설은 농림축산식품부의 축사 표준설계도 중 육계사육시설을 기준으로 선정하였다[3]. 강제환기식 무창사육시설 형태로 총 길이 114.
연구 대상 기간의 경우 2017년을 대상으로 고온스트레스가 발생될 것이라 예상되는 5월부터 9월까지로 설정하였으며 해당 기간 동안 총 4차례 28일간 육계 사육을 실시하고 출하 후 14일간 휴지기를 갖는다는 전제하에 수치해석 모델 설계 및 해석을 실시하였다(Table 1). 이때 기상자료의 경우 기상청에서 제공하는 2017년 전체 기간의 외부 온도, 습도, 일사량, 지면 온도 등의 자료를 입력자료로 구축하였다.

이론/모형

육계사 건축물의 바닥면, 벽체, 지붕 시공법 및 각 건설재료의 경우 표준설계도[3]에 고시된 내용을 기준으로 수치해석 모델에 반영하였다.

성능/효과

BES 수치해석 모델을 이용하여 사육밀도별 국내 육계 사육시설의 고온스트레스 발생 가능성을 모의한 결과, 현행 사육 밀도 기준에서, 동물복지 고려 사육밀도 수준으로 사육수수를 제한할 경우, 하절기 전후 환절기시기에 유의한 차이를 보여 사육밀도 감소를 통해 고온스트레스 발생 정도를 경감시킬 수 있는 것으로 산정되었다. 예를 들어, 제주를 제외한 내륙지역 중 고온 스트레스가 가장 극심할 것으로 예측된 익산 지역의 경우, 한계 THI 초과 시간은 전체 사육기간 대비 74.
3℃ 높게 모의되었다. Fig. 1에 도시된 바와 같이, 해당 기간 동안 현행 사육 밀도(39 kg/m²) 적용 시, 동물복지 고려 사육밀도(30 kg/m²) 적용 시보다 다소 높은 THI 지수 경향을 보이나 전체적인 추이는 유사한 정성적인 형태를 보이는 것으로 나타났다. 해당 기간의 경우, 모든 사육밀도 조건에 대하여 한계 THI 지수를 크게 상회하는 것으로 나타났다.
매우 심한 고온스트레스 발생 시기로 예상되는 89∼98 구간에 대해서도, 현행 기준 50시간에서 동물복지 고려 시 10시간으로 대폭 감소하는 것으로 산출되었다.
THI 지수가 72 이하일 경우, 고온 스트레스가 없는 것으로, 72∼78 사이의 값을 가질 경우 경미한 수준의 스트레스가 발생하는 것으로 보고된 바 있는데[9] 현행 사육 밀도 적용 시, 해당 범위의 THI 지수 값을 보인 시간은 약 646시간으로 전체 연구대상 사육 시간 대비 24%의 값을 보이는 것으로 나타났다. 반면, 동물복지를 고려한 사육밀도 적용 시, 948시간이 해당 구간 조건을 만족하는 것으로 나타나 현행 기준 보다 11% 높은 수준을 보이는 것으로 산출되었다. 심한 고온스트레스가 발생할 것으로 예상되는 78∼89 범위의 값은 현행 기준 값 적용 시 1,992시간, 동물복지 고려 시, 1,780시간으로 동물복지 고려 시, 212시간의 이득이 있는 것으로 나타났다.
사육밀도를 현행 기준에서, 동물복지 고려 기준까지 감소시킬 경우 환절기로 분류될 수 있는 Period 1, 4의 경우 한계 THI 지수가 유의하게 감소하는 것으로 나타났다(p<0.05).
심한 고온스트레스가 발생할 것으로 예상되는 78∼89 범위의 값은 현행 기준 값 적용 시 1,992시간, 동물복지 고려 시, 1,780시간으로 동물복지 고려 시, 212시간의 이득이 있는 것으로 나타났다.
1에 도시된 바와 같이, 해당 기간 동안 현행 사육 밀도(39 kg/m²) 적용 시, 동물복지 고려 사육밀도(30 kg/m²) 적용 시보다 다소 높은 THI 지수 경향을 보이나 전체적인 추이는 유사한 정성적인 형태를 보이는 것으로 나타났다. 해당 기간의 경우, 모든 사육밀도 조건에 대하여 한계 THI 지수를 크게 상회하는 것으로 나타났다.
현행 사육밀도 적용 시, 9개 대상 지역 중 한계 THI 지수를 초과하는 시간은 제주, 익산, 영암, 창녕, 부여, 춘천, 상주, 제천, 안성 순으로 나타났으며 이는 연구대상 전체 사육기간 2,688 시간 대비 각각 78.3, 74.9, 74.5, 73.4, 69.5, 68.9, 66.9, 59.2, 59.1%를 차지하고 있는 것으로 나타났다(Table 3). 이는 쿨링패드 등과 같은 냉방시설이 설치되어 있지 않을 경우, 하절기 사육기간 절반 이상에 거쳐 닭의 고온 스트레스가 발생할 수 있어 생산성에 영향을 미칠 수 있을 것이라 추정할 수 있다.

후속연구

그러나, 국내 육계 사육시설을 대상으로, 냉방 시설의 적정 시스템 용량 산정이나 운영방법과 관련한 기준이 제대로 마련되어 있지 않은 실정이다. 향후, 본 연구에서 활용한 BES 수치해석 모델을 기반으로 국내 주요 지역별 냉방시스템의 적정 용량 선정 및 단열재에 대한 가이드라인 수립을 실시할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BES가 무엇인가?	BES는 전달함수법에 근거하여 대상 공간의 열 취득 및 손실과 관련되는 복사, 대류, 축열, 방열 등을 복합적으로 고려하여 시계열적인 에너지 흐름을 산출하기 위한 동적 해석 기법이다. 일반 주거, 사무 건축물에서부터 최근 농업시설의 에너지 흐름 모의 및 부하 산정에 활용되고 있다[12, 14-16].
	사육밀도를 현행 기준에서, 동물복지 고려 기준까지 감소시킬 때 환절기의 THI지수가 받는 영향은?	사육밀도를 현행 기준에서, 동물복지 고려 기준까지 감소시킬 경우 환절기로 분류될 수 있는 Period 1, 4의 경우 한계 THI 지수가 유의하게 감소하는 것으로 나타났다(p<0.05). 예를 들어, 안성시의 경우, Period 1 기간 시, 초과시간이 161시간에서 70시간으로 약 57% 감소하는 것으로 나타났으며, 제주시의 경우 262시간에서 175시간으로 33% 감소하는 것으로 산출되었으며(Fig.2), Period 1의 전국 평균 감소 효과는 약 40.9%, Period 4는 약 15.0%로 나타났다. 이는 하절기 전후 기간의 경우 사육밀도의 감소를 통해서도 고온 스트레스 발생 저감에 어느 정도 기여를 할 수 있는 것으로 판단할 수 있다.
	전지구의 폭염 및 열대야일수가 꾸준히 증가로 인한 축산분야의 2018년 가축 폐사 두수는?	한편, 축산분야의 경우 2018년 폭염발생으로 인한 가축 폐사 두수는 전체 6,871천 마리 수준으로 2012년 총 1,867천 마리보다 약 368% 증가한 수준이었다[3]. 국내 농업분야 생산액 기준 4위를 차지하고 있는 닭(23.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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