[논문]포화 불균일성을 고려한 육계사 쿨링패드 시스템 성능 평가

박지연; 최락영; 이세연; 홍세운; 이채린; 박진선

doi:10.5389/ksae.2024.66.6.037

[국내논문] 포화 불균일성을 고려한 육계사 쿨링패드 시스템 성능 평가
Evaluation of Performance on Cooling Pad System According to Non-uniform Saturation of in Broiler House 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.66 no.6, 2024년, pp.37 - 46

박지연 (Department of Rural and Bio-systems Engineering & Education and Research Unit for Climate-Smart Reclaimed-Tideland Agriculture (BK21 four), Chonnam National University) , 최락영 (Department of Rural and Bio-systems Engineering & Education and Research Unit for Climate-Smart Reclaimed-Tideland Agriculture (BK21 four), Chonnam National University) , 이세연 (Department of Rural and Bio-systems Engineering & Education and Research Unit for Climate-Smart Reclaimed-Tideland Agriculture (BK21 four), Chonnam National University) , 홍세운 (Department of Rural and Bio-systems Engineering & Education and Research Unit for Climate-Smart Reclaimed-Tideland Agriculture (BK21 four), Chonnam National University) , (Department of Rural and Bio-systems Engineering & Education and Research Unit for Climate-Smart Reclaimed-Tideland Agriculture (BK21 four), Chonnam National University) , 이채린 (Department of Rural and Bio-systems Engineering & Education and Research Unit for Climate-Smart Reclaimed-Tideland Agriculture (BK21 four), Chonnam Na) , 박진선

Abstract ▼ AI-Helper

Heat stress in broiler houses during the summer can lead to reduced feed intake and feed efficiency, ultimately resulting in decreased productivity. To mitigate heat stress, cooling pads utilizing the evaporative cooling effect have been introduced in commercial broiler houses. In this study, the performance of cooling pads in an actual broiler house was evaluated, and a wind tunnel equipment was designed to precisely analyze their performance. The results revealed that in the broiler house with long cooling pads, the uneven distribution of water led to a decrease in cooling efficiency. Specifically, cooling efficiency was 81% when the cooling pads were wet enough but decreased to 49.6% as the water supply to the cooling pads was not proper. Furthermore, wind tunnel experiments showed that as the airflow speed increased from 0.64 m·s-1 to 1.86 m·s-1, the temperature reduction decreased from 8.3 ℃ to 6.6 ℃. However, the mass transfer coefficient and heat transfer coefficient increased by 0.0019 m·h-1 and 37.32 W·m-2·K-1, respectively, indicating more active evaporation and greater heat removal due to higher airflow speed. Additionally, as relative humidity increased, the temperature reduction significantly decreased. When water was unevenly distributed across the cooling pad, the temperature reduction and cooling efficiency in areas without water were significantly reduced. These findings highlight the importance of maintaining uniform water distribution over the cooling pads to ensure desired cooling effects.

Keyword

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Schematic view of a broiler house for cooling pad performance testing
그림 Fig. 2 Photos of cooling pad installation and experimental measurements
그림 Fig. 3 Schematic view of the wind tunnel for cooling pad performance tests
그림 Fig. 4 Saturation scenarios for evaluating the cooling performance of non-uniformly saturated cooling pads
그림 Fig. 5 Identification of nun-uniform saturation of the cooling pads using thermal imaging camera. P indicates the water pump
그림 Fig. 6 Measurement of performance of cooling pad in a commercial broiler house. η is the cooling efficiency
그림 Fig. 7 Cooling effect according to air velocity
표 Table 1 Cooling efficiency of the cooling pads according to water supply amount
그림 Fig. 9 Cooling effect according to temperature
그림 Fig. 8 Cooling effect according to relative humidity
표 Table 2 Cooling efficiency according to non-uniform saturation of cooling pads

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 실제 육계사에서 사용되고 있는 쿨링패드의 냉각 효과를 현장 실험과 실내 실험으로 평가하고, 쿨링패드의 불충분한 포화도에 따른 냉각 성능의 변화를 분석하고자 하였다. 현장 실험을 통해 육계사 내 쿨링패드의 현실적인 문제점을 조사하였으며, 실내 풍동 장치를 이용하여 공기의 온습도와 유속 및 물에 의한 포화 불균일도에 따른 쿨링패드의 성능 변화를 평가하였다.
현장 실험을 통해 육계사 내 쿨링패드의 현실적인 문제점을 조사하였으며, 실내 풍동 장치를 이용하여 공기의 온습도와 유속 및 물에 의한 포화 불균일도에 따른 쿨링패드의 성능 변화를 평가하였다. 또한 이러한 결과로부터 실제 육계사에서 쿨링패드의 효과적인 활용 방안을 모색하고자 하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 실제 육계사에서 사용되고 있는 쿨링패드의 냉각 효과를 현장 실험과 실내 실험으로 평가하고, 쿨링패드의 불충분한 포화도에 따른 냉각 성능의 변화를 분석하고자 하였다. 현장 실험을 통해 육계사 내 쿨링패드의 현실적인 문제점을 조사하였으며, 실내 풍동 장치를 이용하여 공기의 온습도와 유속 및 물에 의한 포화 불균일도에 따른 쿨링패드의 성능 변화를 평가하였다. 또한 이러한 결과로부터 실제 육계사에서 쿨링패드의 효과적인 활용 방안을 모색하고자 하였다.
이러한 성능 지표들은 쿨링패드 통과 전⋅후의 온도와 습도를 측정하여 계산되었으며, 각 변수들이 쿨링패드의 증발 냉각 효과에 미치는 영향을 종합적으로 평가하였다.
각 실험은 안정적인 조건에서 5분 동안 1초 간격으로 측정하였다. 물 순환 장치와 가변식 팬을 이용하여 쿨링패드로 유입되는 물의 유량과 공기의 유속을 조절하였으며, 이를 통해 쿨링패드의 성능 지표인 온도 저감, 냉각 효율, 질량 전이, 열전이를 분석하였다. 이러한 성능 지표들은 쿨링패드 통과 전⋅후의 온도와 습도를 측정하여 계산되었으며, 각 변수들이 쿨링패드의 증발 냉각 효과에 미치는 영향을 종합적으로 평가하였다.
쿨링패드의 불균일한 물 공급에 따른 성능 평가 결과는 Table 2와 같다. 현장에서 빈번하게 발생하는 쿨링패드의 물이 불균일하게 도포되어 있는 경우를 모의하였고, 포화도에 따른 냉각 효율을 평가하였다. 포화도 100%에 비해 25%에서는 온도 저감량이 약 40% 저하되는 것으로 나타났고, 냉각 효율 또한 40% 가량 낮게 산정되었다.
쿨링패드의 불균일한 물 공급에 따른 성능 평가 결과는 Table 2와 같다. 현장에서 빈번하게 발생하는 쿨링패드의 물이 불균일하게 도포되어 있는 경우를 모의하였고, 포화도에 따른 냉각 효율을 평가하였다. 포화도 100%에 비해 25%에서는 온도 저감량이 약 40% 저하되는 것으로 나타났고, 냉각 효율 또한 40% 가량 낮게 산정되었다.
본 연구에서는 여름철 육계사에서 사용되는 쿨링패드의 성능을 평가하기 위해 실제 육계사에서 쿨링패드를 통과하는 공기의 온도 감소량, 냉각 효율을 측정하고 분석하였으며, 실내 풍동을 활용하여 펌프의 유량, 통과하는 공기의 유속, 온습도, 쿨링패드의 포화 불균일도에 따라 쿨링패드의 성능을 평가하였다.
2. 실내 풍동을 이용하여 쿨링패드의 성능을 온도 감소량, 냉각 효율, 질량 전달계수, 열 전달 계수를 이용하여 분석 및 평가하였다. 쿨링패드의 물의 용수공급량은 쿨링 패드 성능에 유의미한 영향을 미치지 않았으며, 통과하는 공기의 유속이 증가할수록 온도 감소량은 감소하였으나, 냉각 효율에는 차이가 없었다.
3. 또한 육계사에서와 같이 물이 불균일하게 분포된 상황에서 쿨링패드의 성능을 평가하였다. 포화도에 따른 냉각 효율을 평가하였다.
쿨링패드의 성능은 열화상 카메라 (Testo872, Testo SE & Co.KGaA, Germany)를 활용하여 포화 불균일도를 정량화하고, 내외부의 온습도 변화를 측정하여 냉각 효율과 기온 감소량을 산정하여 평가하였다
실내 실험 환경제어는 가습기 및 제습기를 활용하여 습도를 조절하였고, 온풍기를 이용하여 쿨링패드로 유입되는 공기의 온도와 상대습도가 각각 30∼35 ℃, 30∼80%의 범위로 외부 환경과 동일하게 유지하였으며, 이는 실제 육계사에서 쿨링패드가 동작할 때의 온도와 상대습도의 범위와 유사하다
쿨링패드 포화 불균일도의 정량화는 취득한 열화상 이미지를 영상 분석 프로그램인 Image J™(NIH, Bethesda, MD, USA)를 이용하여 펌프로부터의 거리에 따라 포화 된 비율을 산정하였다. 또한 쿨링패드의 국부적 온도 저감효과 측정은 쿨링패드 전 구간 중 세 지점을 선정하여 측정하였으며, 풍량, 유입되는 실외 공기의 온습도, 쿨링패드를 통과한 공기의 온습도를 측정하여 쿨링패드의 냉각 효율과 기온 감소량을 비교하였다.
4와 같이 구성하였다. 포화 불균일도를 구현하기 위해 전면을 100% 포화시킬 수 있는 용수량을 살포 노즐의 위치를 조정하여 면적의 25, 50, 75%에 살포하여 포화 불균일 상태를 모사하였다.

대상 데이터

환기는 14개의 터널팬 (EM50, Munters, Sweden)과 5개의 크로스팬 (EM36, Munters, Sweden)으로 배기하며, 60여 개의 측면 입기구와 양측의 쿨링패드 600×1500×150 (L×H×T, mm)에서 공기를 유입한다.
대상 육계사는 전북특별자치도 남원시에 위치한 강제환기식 무창 육계사이며 육계사의 쿨링패드 및 환기시스템 위치는 Fig. 1과 같다.

데이터처리

쿨링패드 포화 불균일도의 정량화는 취득한 열화상 이미지를 영상 분석 프로그램인 Image J™(NIH, Bethesda, MD, USA)를 이용하여 펌프로부터의 거리에 따라 포화 된 비율을 산정하였다

성능/효과

5와 같이 나타났다. 펌프가 가동된 후, 펌프와 거리가 가까운 곳에서 쿨링패드는 거의 모든 영역이 젖어있었으며, 펌프로부터 거리가 멀어질수록 물이 공급되지 않는 것으로 나타났다. 열화상 카메라 (Testo872, Testo SE & Co.
현장에서 빈번하게 발생하는 쿨링패드의 물이 불균일하게 도포되어 있는 경우를 모의하였고, 포화도에 따른 냉각 효율을 평가하였다. 포화도 100%에 비해 25%에서는 온도 저감량이 약 40% 저하되는 것으로 나타났고, 냉각 효율 또한 40% 가량 낮게 산정되었다. 쿨링패드가 물에 포화된 면적이 전체 면적의 25%로 줄었다 하더라도 냉각 효과는 이보다 적게 감소하였는데, 이는 쿨링패드에 공급된 물이 연직 하향으로 이동하는 것이 아니라 사선방향으로 전달되면서 실제로는 더 많은 면적에 물이 공급되었기 때문으로 추정된다.
현장에서 빈번하게 발생하는 쿨링패드의 물이 불균일하게 도포되어 있는 경우를 모의하였고, 포화도에 따른 냉각 효율을 평가하였다. 포화도 100%에 비해 25%에서는 온도 저감량이 약 40% 저하되는 것으로 나타났고, 냉각 효율 또한 40% 가량 낮게 산정되었다. 쿨링패드가 물에 포화된 면적이 전체 면적의 25%로 줄었다 하더라도 냉각 효과는 이보다 적게 감소하였는데, 이는 쿨링패드에 공급된 물이 연직 하향으로 이동하는 것이 아니라 사선방향으로 전달되면서 실제로는 더 많은 면적에 물이 공급되었기 때문으로 추정된다.
쿨링패드가 물에 포화된 면적이 전체 면적의 25%로 줄었다 하더라도 냉각 효과는 이보다 적게 감소하였는데, 이는 쿨링패드에 공급된 물이 연직 하향으로 이동하는 것이 아니라 사선방향으로 전달되면서 실제로는 더 많은 면적에 물이 공급되었기 때문으로 추정된다. 포화도가 100%에서 25%로 줄어들면서 열전달 계수는 57% 낮게 평가되어 동일 시설물에서 포화도에 따라 현저한 효율 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 외관 상의 포화도와 실제 쿨링패드 내부의 물 공급 상태는 다를 수 있으므로, 본 실험 결과로 부터는 외관상의 포화도가 75% 이상은 유지되어야 100% 포화되었을 때와 유사한 기온 저감효과 및 냉각 효율을 나타낼 것으로 판단된다.
쿨링패드가 물에 포화된 면적이 전체 면적의 25%로 줄었다 하더라도 냉각 효과는 이보다 적게 감소하였는데, 이는 쿨링패드에 공급된 물이 연직 하향으로 이동하는 것이 아니라 사선방향으로 전달되면서 실제로는 더 많은 면적에 물이 공급되었기 때문으로 추정된다. 포화도가 100%에서 25%로 줄어들면서 열전달 계수는 57% 낮게 평가되어 동일 시설물에서 포화도에 따라 현저한 효율 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 외관 상의 포화도와 실제 쿨링패드 내부의 물 공급 상태는 다를 수 있으므로, 본 실험 결과로 부터는 외관상의 포화도가 75% 이상은 유지되어야 100% 포화되었을 때와 유사한 기온 저감효과 및 냉각 효율을 나타낼 것으로 판단된다.
포화도가 100%에서 25%로 줄어들면서 열전달 계수는 57% 낮게 평가되어 동일 시설물에서 포화도에 따라 현저한 효율 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 외관 상의 포화도와 실제 쿨링패드 내부의 물 공급 상태는 다를 수 있으므로, 본 실험 결과로 부터는 외관상의 포화도가 75% 이상은 유지되어야 100% 포화되었을 때와 유사한 기온 저감효과 및 냉각 효율을 나타낼 것으로 판단된다. 따라서 적절한 설계와 시공, 시설물 유지관리를 통해 쿨링패드를 올바르게 사용하는 것이 육계사 고온스트레스 관리 및 내부 온도 제어에 경제적이고 효과적인 방법임을 확인하였다.
외관 상의 포화도와 실제 쿨링패드 내부의 물 공급 상태는 다를 수 있으므로, 본 실험 결과로 부터는 외관상의 포화도가 75% 이상은 유지되어야 100% 포화되었을 때와 유사한 기온 저감효과 및 냉각 효율을 나타낼 것으로 판단된다. 따라서 적절한 설계와 시공, 시설물 유지관리를 통해 쿨링패드를 올바르게 사용하는 것이 육계사 고온스트레스 관리 및 내부 온도 제어에 경제적이고 효과적인 방법임을 확인하였다. 또한 쿨링패드 증발냉각 성능을 최적화 하고, 실제 농가에 능동적인 적용을 견인하기 위해 용수의 순환시스템 개발 및 분사장치의 개선이 뒷받침 되어야 할 것으로 사료된다.
1. 실제 육계사에서 길이가 긴 쿨링패드를 설치한 경우, 설계 및 시공 오류, 파손, 관리 소홀 등으로 용수공급의 불균일성이 발생하고, 이로 인해 각 영역별로 쿨링패드 포화도의 차이가 나타나는 것을 확인하였고, 측정 결과 포화 불균일도에 따라 냉각 효율이 평균적으로 약 30% 차이를 보였다. 이는 쿨링패드가 본래의 잠열 증발 효과를 충분히 발휘하지 못하도록 하여, 육계사 내 적정 온도 유지에 부정적인 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.
실제 육계사에서 길이가 긴 쿨링패드를 설치한 경우, 설계 및 시공 오류, 파손, 관리 소홀 등으로 용수공급의 불균일성이 발생하고, 이로 인해 각 영역별로 쿨링패드 포화도의 차이가 나타나는 것을 확인하였고, 측정 결과 포화 불균일도에 따라 냉각 효율이 평균적으로 약 30% 차이를 보였다. 이는 쿨링패드가 본래의 잠열 증발 효과를 충분히 발휘하지 못하도록 하여, 육계사 내 적정 온도 유지에 부정적인 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.
실내 풍동을 이용하여 쿨링패드의 성능을 온도 감소량, 냉각 효율, 질량 전달계수, 열 전달 계수를 이용하여 분석 및 평가하였다. 쿨링패드의 물의 용수공급량은 쿨링 패드 성능에 유의미한 영향을 미치지 않았으며, 통과하는 공기의 유속이 증가할수록 온도 감소량은 감소하였으나, 냉각 효율에는 차이가 없었다. 반면, 질량 전달계수와 열 전달 계수는 풍속이 증가함에 따라 상승하는 경향을 보였다.
반면, 질량 전달계수와 열 전달 계수는 풍속이 증가함에 따라 상승하는 경향을 보였다. 또한, 온습도에 따른 비교 결과, 습도가 증가함에 따라 온도 감소량과 증발 전달계수는 모두 감소한 반면, 나머지 변수들은 유의미한 변화를 나타내지 않았다. 온도가 증가함에 따라 쿨링패드는 선형적인 성능 분포를 보이지 않았다.
또한, 온습도에 따른 비교 결과, 습도가 증가함에 따라 온도 감소량과 증발 전달계수는 모두 감소한 반면, 나머지 변수들은 유의미한 변화를 나타내지 않았다. 온도가 증가함에 따라 쿨링패드는 선형적인 성능 분포를 보이지 않았다.
열전달 계수는 57% 낮게 평가되어 동일 시설물에서 포화도에 따라 현저한 효율 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 쿨링패드의 활용 시, 외관상의 포화도가 약 75% 이상은 유지되어야 쿨링패드의 최대 냉각 효율을 기대할 수 있을 것으로 판단되었다.
본 연구를 통해 육계사에서 쿨링패드를 사용한 냉각 효과를 명확히 규명할 수 있었다. 특히, 현재 불균일한 물의 공급으로 인한 쿨링패드의 성능이 저하 될 수 있음을 확인하였다. 쿨링패드의 물 공급 방식 및 유지 관리를 최적화하여 실제 현장에서의 효율성을 높이는 추가 연구가 필요할 것이다.
또한 환경 변화에 따른 쿨링패드 성능을 평가하기 위해 제습과 가습하여 상대습도를 제어하고, 온도 31.0∼33.4 ℃, 상대습도 45∼76% 범위에서 쿨링패드의 성능을 평가하였다
펌프와 인접한 측정 지점 Ⅰ에서 외기의 쿨링패드 통과 전후의 온도 감소 및 냉각 효율은 각각 7.3∼11.7 ℃와 68.2∼95.5%로 나타났으며, 펌프와 가장 멀리 떨어진 측정 지점 Ⅲ에서는 각각 3.8∼7.3 ℃와 36.0∼63.3%로 나타났다
열화상 카메라 (Testo872, Testo SE & Co.KGaA, Germany)를 활용해 용수공급 후 쿨링패드를 촬영하고, 영상 분석 프로그램을 이용하여 색상 정보에 따라 면적비율을 산정한 결과, 측정 지점 세 곳 중 용수공급 펌프와 인접한 순서에 따라 포화도가 70.5%, 8.7%, 0.2%로 나타나 펌프와 거리가 멀어질수록 포화 효율이 급격히 저하되는 것으로 나타났다
본 연구를 통해 육계사에서 쿨링패드를 사용한 냉각 효과를 명확히 규명할 수 있었다. 특히, 현재 불균일한 물의 공급으로 인한 쿨링패드의 성능이 저하 될 수 있음을 확인하였다.

후속연구

이와 같은 시공 방식과 펌프 용량 부족, 노즐 막힘 현상으로 쿨링패드 전면에 용수공급이 균일하게 적용되지 못할 우려가 있고, 이렇게 불균일한 포화도는 시스템의 냉각 효율을 급격히 저하시킬 수 있으나, 이에 대한 성능저하를 정량적으로 평가한 연구는 미흡한 실정이다. 이처럼 쿨링패드의 냉각 효율은 쿨링패드를 통과하는 공기 및 공급되는 물의 특성, 재료의 포화도 등 다양한 요인에 따라 변동할 수 있기 때문에 온습도 및 포화도 정도에 따라 쿨링패드 성능 변화를 측정하고, 개선안을 검토해 볼 필요가 있다.
따라서 적절한 설계와 시공, 시설물 유지관리를 통해 쿨링패드를 올바르게 사용하는 것이 육계사 고온스트레스 관리 및 내부 온도 제어에 경제적이고 효과적인 방법임을 확인하였다. 또한 쿨링패드 증발냉각 성능을 최적화 하고, 실제 농가에 능동적인 적용을 견인하기 위해 용수의 순환시스템 개발 및 분사장치의 개선이 뒷받침 되어야 할 것으로 사료된다.
4. 본 연구를 통해 육계사 고온스트레스 저감을 위한 관리 방법으로 쿨링패드의 도입이 경제성을 확보하고, 온도 저감에 효과적인 방법임을 확인하였고, 향후 용수 사용 절감을 위한 물 순환시스템 및 분사장치 개선을 위한 연구가 요구된다.
특히, 현재 불균일한 물의 공급으로 인한 쿨링패드의 성능이 저하 될 수 있음을 확인하였다. 쿨링패드의 물 공급 방식 및 유지 관리를 최적화하여 실제 현장에서의 효율성을 높이는 추가 연구가 필요할 것이다.

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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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