Analysis of optimal ventilation rate for cooling in summer season for pig houses with forced ventilation

Kyoung-Min Kim; Useung Ko; Do-Kyeong Kim; Eun-Hyeok Jang; Ji-Woo Han; In-Bok Lee

doi:10.11109/JAES.2025.27.1.029

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Research article

Journal of Animal Environmental Science. 30 April 2025. 29-41
https://doi.org/10.11109/JAES.2025.27.1.029

Analysis of optimal ventilation rate for cooling in summer season for pig houses with forced ventilation

강제환기식 돈사의 하절기 냉방시 최적 환기량 분석

Kyoung-Min Kim¹

Useung Ko²

Do-Kyeong Kim²

Eun-Hyeok Jang²

Ji-Woo Han²

In-Bok Lee³^*

김 경민¹

고 우승²

김 도경²

장 은혁²

한 지우²

이 인복³^*

¹M.S student, Department of Rural Systems Engineering, Research Institute for Agriculture and Life Sciences, Seoul National University, Gwanakno 1, Gwanakgu, Seoul, 08826, Republic of Korea

²Undergraduated student, Department of Rural Systems Engineering, Research Institute for Agriculture and Life Sciences, Seoul National University, Gwanakno 1, Gwanakgu, Seoul, 08826, Republic of Korea

³Professor, Department of Rural Systems Engineering, College of Agriculture and Life sciences, Seoul National University, Gwanak-ro 1, Gwanakgu, Seoul 08826, Republic of Korea

¹서울대학교 농업생명과학대학 생태조경·지역시스템공학부 지역시스템공학전공 석사과정

²서울대학교 농업생명과학대학 생태조경·지역시스템공학부 지역시스템공학전공 학사

³서울대학교 농업생명과학대학 생태조경·지역시스템공학부 교수

^{*Corresponding Author}

License (open-access, https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/):

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ABSTRACT

This study aimed to determine the optimal ventilation rate for mechanically ventilated pig houses in summer to enhance heat exchanger efficiency and improve the livestock environment. Using Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations, the study analyzed airflow patterns and calculated the effective temperature (ET) under various ventilation conditions. The results revealed that a 60% ventilation rate provided the optimal balance between reducing ambient temperatures and maintaining ammonia levels within acceptable limits. Furthermore, temperature uniformity and ammonia distribution indicated areas requiring improved airflow management. This research underscores the necessity of integrated cooling and ventilation systems in pig houses during summer, offering insights to enhance productivity and animal welfare in livestock operations.

Keywords

Pig house

Ventilation rate

Computational fluid dynamics

Heat exchanger efficiency

MAIN

서 론
재료 및 방법
1. 실험 대상 시설
2. CFD
3. 열 교환기의 기본 개념과 열 교환 방정식
4. 시뮬레이션 설계
결과 및 고찰
1. 결과 분석
2. 고 찰
결 론

서 론

2022년 기준, 국내 1인당 돼지고기 소비량은 27.6kg으로 쇠고기(13.9kg)와 닭고기(14.6kg)에 비해 가장 높은 소비량을 기록하였으며, 같은 해 축산물 생산량 2,011 천t 중 돼지고기가 1,107 103t을 차지하여, 축산물 생산량에서 가장 높은 비중을 차지하고 있다(MAFRA, 2023). 이러한 통계는 돼지 사육이 축산업의 중심에 있음을 나타내고, 이를 통해 돼지고기 생산성 향상을 위한 노력은 계속되어 왔고, 앞으로도 필요하다.

국내 양돈 산업은 양돈 시설의 대형화, 현대화를 통해 지속적으로 발전하고 있다. 그러나 가축 수가 많아질수록 유해 가스, 온도 등 내부의 환경은 열악해질 수 있으며, 열악한 환경은 돼지의 증체량과 면역력을 떨어뜨릴 수 있다(Park et al, 2023). 따라서 생육 환경 관리가 중요한 과제로 대두된다(Kim et al., 2017). 생육 환경은 가축의 성장과 건강에 중요한 영향을 미친다(Song et al., 2012). 특히 우리나라는 여름철 혹서기와 겨울철 혹한기의 대비가 심해지고 있어 돈사의 적절한 환경 조성에 더욱 주의가 필요하다. 겨울철 돈사의 환기 및 난방 문제는 현재 공기재순환, 지열 히트펌프 등 과 같은 많은 연구가 진행되고 있으나, 여름철 돈사의 냉방과 관련한 연구는 여전히 경제성에 맞지 않는 상황과 제한적인 환기 운영에 의해 아직 부족한 상황이다. 여름철 돈사의 내부 온도 조절은 대부분 환기에 의존하고 있다. 겨울과 달리 여름에는 환기량을 최대로 늘리는 방식으로 온도를 조절하고 있으나, 기후 변화로 인한 여름철 온도 상승으로 환기에만 의존하는 방식으로는 적정 사육 온도를 유지하기 어렵다. 따라서 냉방 시스템에 대한 연구가 필요하다.

냉방 시스템 중 하나인 열교환기는 대류와 전도의 원리에 기반하여 서로 다른 온도의 두 유체가 있을 때, 물, 기름 등과 같은 다양한 매질을 사용하여 열을 교환하는 역할을 하는 기계적 장치로, 축산업을 포함한 다양한 산업에서 사용되고 있다.

여름철에는 외부에서 유입되는 고온의 공기가 돈사의 온도를 크게 상승시키므로, 적절한 냉방이 이루어져야 한다. 그러나 돈사 내부에 적절한 환기와 냉방을 유지하는 것에는 어려움이 있다. 돈사의 음압식 환기에서는 돈사 내부의 공기를 외부로 배출하고, 외부의 공기가 돈사 내부로 들어오게 된다. 이 과정에서 돈사 외부 공기로 인해서 돈사 내부의 온도가 영향을 받는다. 외부에서 들어오는 양이 지나치게 많은 경우, 냉방이 충분히 이루어지지 않아 열교환기의 효율이 낮아지게 된다. 열교환기는 이를 방지하기 위해 과도한 환기는 지양할 필요가 있으며, 적정 환기량을 파악하여야 한다.

현장 실험을 통하여 돈사 내의 사육환경 조건을 정량적으로 분석하기에는 많은 비용과 시간이 요구되며, 인위적으로 돈사 외부 온도를 여름철과 유사하게 제어하기 어렵다는 한계가 있다(Seo et al., 2008). 따라서 공기 흐름을 정확히 예측하고 분석하는 도구인 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 시뮬레이션을 연구에 사용하는 것이 효율적이다. CFD 시뮬레이션을 통해 돈사 내의 공기 흐름을 분석한 결과, 실제 측정된 데이터와 매우 유사한 결과가 도출되어 신뢰할 만한 연구 방법임을 입증하는 선행 연구가 진행된 바 있다(Song et al, 2005).

양돈시설에서 환기는 돼지에게 적절한 사육환경을 제공할 수 있는 가장 기본적인 방법이다. 특히, 배기 팬을 사용하는 강제환기식 돈사는 국내에 가장 많은 양돈시설이며, 주로 배기 팬 가동에 따라 사육시설 내 온습도 조절 및 유해가스 제거가 이루어진다(Choi et al, 2020). 따라서 본 연구에서는 CFD 시뮬레이션을 이용하여 여름철 돈사에서 배기 팬과 덕트를 통하여 열 교환을 하였을 때, 열 교환기의 효율을 극대화하기 위한 적정 환기량을 산정하는 것을 목표로 한다. 열교환기의 출력은 고정한 후, 환기 팬의 출력을 조정하는 방식으로 적정 환기량을 찾고자 하며, 이를 통해 가축의 생육 환경을 개선하고, 축산업의 생산성을 증대에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

재료 및 방법

본 연구에서는 2016년 농림축산식품부에서 제안한 축사 표준설계도(양돈ㆍ가금)에서 제시하는 여러 양돈 시설 중 비육돈사를 기본 구조로 선정했다. 비육돈이란, 돼지가 성장하여 출하되는 과정 중 사료소비량과 증체량이 극대화되는 시기로 출하 전까지 안정적으로 키워내는 시기를 말한다. 100일령부터 출하직전인 약 170일령까지 60~70일간을 의미한다. 비육돈은 요구되는 적정 온도가 돼지 사육 구간 중 가장 낮으므로 여름철 비육돈사의 온도 조절에 많은 어려움이 있을 것으로 판단하였다(농촌진흥청, 2024).

하절기 돈사에서의 덕트의 유무 및 배기 팬의 속도 차이에 따른 돈사의 환기 시스템을 검토하는 것이 본 연구의 주된 목적이다. 실험을 위해 냉방을 하지 않는 돈사와 열교환기 덕트를 설치해 냉방을 진행하는 돈사에서 각각 환기량을 다르게 하여 총 10가지 case를 마련하였다. 각각의 case의 온, 습도와 암모니아 농도 분석을 진행하여 적정 환경을 구축할 수 있는 환기량을 산정하였다. 실험 절차를 모식도로 나타낸 그림은 Figure 1과 같다.

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Figure 1.

Flow chart.

1. 실험 대상 시설

농림축산식품부의 2016년 축사 표준설계도에서 제시하는 비육돈사의 규격은 다음과 같다. 비육돈사의 표준설계도는 중복도 기준으로 제작되어 있으며, 해당 돈사는 단층으로, 건축면적 1,699.20 m²에 최고높이는 7.26 m이며 폭 23.6 m, 길이 72.0 m이다. 돈사 내부에는 10개의 돈방이 2열로 배치되어 있다. 1개의 돈방은 6개의 돈사 구획으로 나뉘며 돈방 중앙에는 폭 1 m의 복도가 있다. 구획 하나의 크기는 3.55 m × 6.65 m로 23.61 m²이다. 돈방에는 입기구가 4개씩 2열로 설치되어 있으며 입기구 간의 간격은 2.30 m, 입기구의 크기는 0.4 m × 0.4 m이다. 배기구는 0.78 m × 0.78 m의 정사각형 모양으로 돈방의 벽면에 총 4개가 높이 1.20 m에 위치해 있다. 구획의 하단에는 깊이 1.20 m의 분변용 슬러리 피트가 존재한다.

2. CFD

본 연구에서는 전산유체역학(CFD)을 사용해, 설계와 같은 구조물을 만드는데 드는 많은 시간과 노력을 필요로 하고 외부 환경의 유지하기 힘든 현장실험의 한계를 효과적으로 극복하였다. CFD를 통해 시뮬레이션을 진행하면 돈사 내부 공기의 상태를 가시적으로 보여주고 분석 또한 가능하기 때문에 유체를 해석하는 것에 있어서 유용하다. 또한 CFD는 온도의 분포, 유체의 유동, 이외의 다양한 환경 요소 인자들의 검증과 검토에 사용될 수 있는 수준까지 발전했다(Yeo et al, 2019). 따라서 CFD를 통해 해석하는 것은 편리할 뿐만 아니라 신뢰도가 높다. 전산 유체 역학(CFD)는 비선형 미분 방정식인 Navier-Stokes Equation을 수치 해석 기법의 알고리즘을 통해 풀어서 유체 현상을 예측하고, 이를 시각화한다. 분석 대상을 설계하고 이를 작은 격자들로 나눈 후, 각 격자들에 대한 수치해석을 통해 유체와 에너지의 흐름을 설계한다. 지배 방정식으로는 질량 보존을 나타내는 연속 방정식, 운동량 보존을 나타내는 Navier-Stokes Equation, 에너지 보존을 설명하는 에너지 방정식이 있다. 각 방정식은 다음과 같이 표현된다(Kwon et al., 2010).

(1)

\frac{\partial ρ}{\partial t} + \nabla ∙ (ρ \vec{v}) = S_{m}

(2)

\frac{\partial}{\partial t} (\vec{v}) + \nabla ∙ (ρ \vec{v v}) = - \nabla P + \nabla ∙ \vec{τ} + ρ \vec{g} + \vec{F} \frac{\partial}{\partial t} (ρ E) + \nabla ∙ (\vec{v} (ρ E + P)) = \nabla ∙ (k_{e f f} \nabla T - \sum_{j} h_{j} \vec{J_{j}} + (\vec{τ} \vec{v})) + S_{h}

where, 𝜌: 밀도 ( $k g m^{- 3}$ )

$t$ : 시간 (s)

$v$ : 속도 ( $m s^{- 1}$ )

(3)

S_{m} : 화학반응에 의해 생성되는 질량 소스 (k g m^{- 1} s^{- 2}) P : 정압 (k g m^{- 1} s^{- 2}) τ : 응력 텐서 (k g m^{- 1} s^{- 2}) \vec{g} : 중력 가속도 (m s^{- 2}) \vec{F} : 외력 (k g m^{- 1} s^{- 2}) E : 총 에너지 (k g m^{2} s^{- 2} {k g}^{- 1}) k_{e f f} : 유효 전도율 (k g m^{- 1} s^{- 3} K^{- 1}) T : 온도 (K) h_{j} : j 종의 현열 엔탈피 (k g m^{- 2} s^{- 1}) \vec{J_{j}} : j 종의 확산 플럭스 (k g m^{- 2} s^{- 1}) S_{h} : 화학반응이나 복사에 의한 엔탈피 증가 (k g m^{- 1} s^{- 3})

본 연구에서는 여름철 돈사의 배기 팬 환기 속도에 따른 열교환기의 효율을 평가하고 열교환기의 효율이 가장 높은 적정 환기량을 찾는 것을 목표로 한다. 따라서 CFD를 통해 입기와 배기 구조를 설계하고 각각의 경계조건을 조절하여 연구를 진행하였다.

3. 열 교환기의 기본 개념과 열 교환 방정식

열 교환기란 물질이 가지는 열량의 손실 없이 온도를 올리거나 내릴 수 있는 기기이다. 열 교환기의 기본 구조를 단순화하면 Figure 2와 같다. $T_{H 1}$ ~ $T_{H 2}$ 를 통하여 이동하는 더운 공기가 열 교환기의 차가운 공기인 $T_{C 1}, T_{C 2}$ 를 통해 열을 교환하는 방식이다.

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Figure 2.

Structure of heat exchanger.

열교환기는 상대적으로 온도가 높은 유체가 흐르는 관 한 개와 온도가 낮은 유체가 흐르는 관 하나가 다음과 같이 배치되는 이중관으로 이루어져 있어 유체의 혼합 없이 열량 교환이 가능하다. 두 유체가 같은 방향 혹은 서로 반대 방향으로 이동하여 온도가 낮은 저온 유체는 온도가 높아지고, 온도가 높은 고온 물체는 온도가 낮아진다. 열교환기 내부의 온도 분포는 Figure 3과 같다.

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Figure 3.

Temperature distribution.

두 유체가 열교환기에서 교환하는 열량을 $Q$ 라고 하면 이는 다음과 같다.

(4)

Q = U A ∆ T_{l m}

where, $Q$ : 총 열량 (W, $J s^{- 1}$ )

$U$ : 총괄열전달 계수 ( $W m^{- 2} K^{- 1}$ )

$A$ : 전열 면적 (m²)

$∆ T_{l m}$ : 대수 평균 온도차 (℃)

이때, $Δ T_{l m} = \frac{Δ T_{2} - Δ T_{1}}{\ln \frac{Δ T_{2}}{Δ T_{1}}}$ 이며 대수 평균 온도 차이다. 대수 평균 온도 차(LMTD)란 전열 열량이 같아지는 계산상의 온도 차를 의미하며, 그 값은 위와 같이 계산한다. 대수 평균 온도 차 사용 시, 저온/고온량 유체의 비열은 교환기 내에서 일정하고, 총괄 열전달 계수는 교환기 내에서 일정하다는 가정이 필요하다.

본 실험에서 돈사의 열교환기는 열교환기 내부의 냉각수와 같은 냉각 매체와 외부의 온도가 높은 공기가 열을 교환하여 외부의 온도를 낮추는 방식이다. 이때 열교환기를 통과한 공기가 열 교환을 통해 온도가 얼마나 낮아지는가는 열 교환 방정식을 통해 알 수 있다.

(5)

Q = c_{p} \dot{m} (T_{in} - T_{out})

where, $Q$ : 총 열량 (W, $J s^{- 1}$ )

$\dot{m}$ : 질량 유량 ( $k g s^{- 1}$ )

$c_{p}$ : 공기의 비열 ( $J k g^{- 1} K^{- 1}$ )

$T_{i n}$ : 열교환기 입기 온도 (℃)

$T_{o u t}$ : 열교환기 배기 온도 (℃)

위와 같은 열교환기에서는 저온 유체의 증가한 열량과 고온 유체의 감소한 열량이 동일하다. 따라서 식 (6)으로 구한 값과 식 (7)로 구한 다음 값이 같다.

(6)

Q = c_{p C} {\dot{m}}_{C} (T_{C 2} - T_{C 1})

(7)

Q = c_{p H} {\dot{m}}_{H} (T_{H 1} - T_{H 2})

where, $c_{p C}$ : 저온 유체의 비열 ( $J k g^{- 1} K^{- 1}$ )

$c_{p H}$ : 저온 유체의 비열 ( $J k g^{- 1} K^{- 1}$ )

$\dot{m_{C}}$ : 저온 유체의 질량 유량 ( $k g s^{- 1}$ )

$\dot{m_{H}}$ : 고온 유체의 질량 유량 ( $k g s^{- 1}$ )

$T_{C 2}$ : 저온 유체의 배기 온도 (℃)

$T_{C 1}$ : 저온 유체의 입기 온도 (℃)

$T_{H 1}$ : 저온 유체의 입기 온도 (℃)

$T_{H 2}$ : 고온 유체의 배기 온도 (℃)

4. 시뮬레이션 설계

(1) Modeling

본 연구에서는 Design Modeler (Ver 18.2, ANSYS Inc., USA)를 사용하여 돈사의 구조와 돼지 모형을 설계하고, 격자망 설계를 위하여 Mesh (Ver 18.2, ANSYS Inc., USA)를 사용하였다. 그리고 Fluent (Ver 18.2, ANSYS Inc., USA)를 사용하여 후처리 및 해석을 진행하였다. 비육돈사의 전반적인 구조는 2016 축사 표준설계도(양돈ㆍ가금)에 따라 1개의 돈방을 설계하였고, 본 연구의 상황에 맞게 조정하였다. 분변용 슬러리 피트의 깊이는 1.2 m이지만 분변이 차 있을 것을 감안하여 0.60 m의 깊이로 설계했다. 또한, 각 돈사 구획에는 반지름 0.35 m, 높이 1.20 m의 원통형 사료통 1개를 배치하였다. 돈방 천장에는 2개의 덕트를 배치하였다.

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Figure 4.

Pig house for design geometry.

돼지에 의하여 격자망이 변화하는 양상이나 열의 발생 등을 고려하고자 돼지 모형을 설계하여 배치하였다. 연구에 사용된 돼지 모형은 Figure 4과 같은 구조를 가진다. 한 구획의 크기는 23.6 m²이며 돼지 한 마리당 0.8~1.2 m²를 필요로 하기 때문에 본 실험에서는 각 돈방에 23 마리의 비육돈을 배치했다. 돼지 모형의 길이는 137 cm이고 모형을 단순화하고자 다리를 설계하지 않았으므로 바닥에서 돼지 다리 길이인 35.5 cm만큼을 띄워서 배치하였다.

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Figure 5.

Pig model for design geometry.

격자는 mesh quality를 최대화하는 방향으로 설정하였다. 돈사의 경우, 천장과 복도 공간은 element size를 0.15 m로, 6개의 돈사 구획은 automatic으로, 구획의 edge는 element size를 0.15 m로, 배기팬과 입기구는 0.1 m, 돼지 표면은 0.2 m, slurry pit는 0.2 m로 설정하였다. Meshing을 수행한 결과 Skewness(max)는 0.96, Orthogonal(min)은 0.03, 격자 개수는 9,141,166개로 도출되었다.

경제적 난류 모델은 Standard k-ε Model을 사용하였다. Standard k-ε Model은 강건하고 경제적이며 넓은 영역의 유동해석에서 합리적인 정확도를 제공한다는 장점이 있어 여러 연구에서 사용된 바 있다(Yeo et al., 2019).

(2) 경계조건

돼지의 몸에서 발생하는 열과 수분량은 국제농업공학위원회(CIGR, International Commission of Agricultural and Biosystems Engineering)의 2002년 보고서, “Heat and Moisture Production at Animal and House Levels”를 통해 알 수 있다.

돼지의 총 열 발생량( $Φ_{t o t}$ )은 식 (8)과 같다.

(8)

Φ_{t o t} = 5.09 m^{0.75} + (1 - K Y) (Φ_{d} - Φ_{m})

where, $Φ_{t o t}$ : 총열 (W)

$m$ : 무게 (kg)

$K Y$ : 지방 및 단백질 유지 효율

$Φ_{d}$ : 대사 가능 에너지 섭취량

$Φ_{m}$ : 유지 보수에 필요한 에너지 ( $Φ_{m} = 5.09 m^{0.75}$ )

돼지의 현열 발생량( $Φ_{s}$ )은 식 (9)와 같다.

(9)

Φ_{s} = 0.62 [1000 + 12 \times (20 - t)] - 1.15 \times 10^{- 7} \times t^{6}

where, $Φ_{s}$ : 현열 (W)

$t$ : 주변 온도 (℃)

잠열은 총 열에서 현열을 뺀 값과 같다.

(10)

Φ_{l} = Φ_{t o t} - Φ_{s}

where, $Φ_{t o t}$ : 총열 (W)

$Φ_{s} Φ_{s}$ : 현열 (W)

$Φ_{l}$ : 잠열 (W)

Seo(2008)에 따르면 비육돈 한 마리의 표면 온도는 39.6 ℃이다.

수분 발생량은 식 (11)과 같다.

(11)

Moisture Production = \frac{Φ_{l}}{L}

where, $Φ_{l}$ : 잠열 (W)

$L$ : 물의 기화 잠열 (2,425 $J g^{- 1}$ )

Lee et al.(2015)에 따르면 돼지 한 마리의 입에서 발생하는 수분량은 7.932 $g s^{- 1}$ 이다. Fluent 프로그램에 수분량을 입력할 때는 수분의 질량 분율을 입력해야 한다.

Kim et al.(2020)에서 참고한 돼지 입에서 발생하는 수분의 유속 0.30512 $g s^{- 1}$ 에 돼지 입 면적 4224.3 mm²를 곱하여 유량 0.0296 $m^{3} s^{- 1}$ 를 계산하였고, 돼지 온도 39.6 ℃와 식 (12)을 통해 건조 공기의 무게를 구하였다.

(12)

\dot{m} = \frac{P \times Q}{R \times T}

where, $\dot{m}$ : 질량 유량

$P$ : 대기 압력 (Pa)

$Q$ : 유속 ( $m^{3} s^{- 1}$ )

$R$ : Gas constant of air ( $J k g^{- 1} K^{- 1}$ )

$T$ : 절대 온도 (K)

따라서 건조 공기의 무게와 수분 발생량을 통해 질량 분율을 구하면, 0.1916이다. 배기팬은 velocity inlet으로 설정하였고, 비육돈의 고온기 환기량인 216 $m^{3} h^{- 1}$ 를 통해 유속 3.40236 $m s^{- 1}$ 를 산정하였다. 여름철 외부온도는 청주기상대의 30년 치 기상 분석을 통한 TAC 2.5 % 기준을 선정하여 33.8 ℃로 설정하였다. 슬러리 피트에서 발생하는 암모니아의 양은 6.309×10^-5 $k g m^{- 3} s^{- 1}$ 이다(Chang et al., 2001; Kim et al., 2008). 전체 경계조건을 정리하면 Table 1와 같다.

Table 1.

Boundary condition.

Contents	Input Values
Velocity inlet	3.40 $m s^{- 1}$
Velocity inlet (pig mouth)	0.31 $m s^{- 1}$
Outside temperature	33.8 ℃
Floor temperature	26.2 ℃
Roof temperate	31.3 ℃
Indoor wall temperature	30.4 ℃
Swine (surface temperature)	39.6 ℃
Ammonia emission (slurry pit)	6.31×10^-5 $k g m^{- 3} s^{- 1}$
Respiratory Moisture content	0.19

덕트가 있는 경우, 배기팬 풍속이 3.40237 $m s^{- 1}$ 일 때를 100% 가동으로, 80 %, 60 %, 40 %, 20 % 가동했을 때의 온도 분포를 통해 최적의 환기량을 찾아내려고 했다. 여름철 외부 공기가 덕트 내로 들어와 내부 냉각수와의 열 교환을 통해 온도가 낮아지면 해당 공기는 돈사 내부로 들어와 돈사 냉방에 사용된다. 그러나 배기팬의 풍속이 달라지면 그에 따라 덕트를 통해 유입되는 공기의 양도 달라지므로 열교환기에서 발생하는 열 교환량도 달라진다. Geometry 내부에 열교환기는 도식되어 있지 않고, 열 교환을 모두 마친 공기가 돈사 내부로 들어온다고 가정한다. 따라서 열 교환식에서 냉각수의 질량유량과 온도, 열 교환 면적은 일반적인 값으로 가정하였다. 열 교환식에 사용되는 인자 값들은 다음과 같다.

Table 2.

Value in heat exchange formula.

Contents	Input Values
Over-all coefficient of heat Transfer ( $W m^{- 2} K^{- 1}$ )	500
Mass flow rate of coolant ( $k g s^{- 1}$ )	5
Coolant inlet temperature (℃)	5
Heat exchange area (m²)	0.5
Specific heat of water ( $J k g^{- 1} K^{- 1}$ )	4186
specific heat of air ( $J k g^{- 1} K^{- 1}$ )	1006.43

질량유량( $\dot{m}$ ) 값은 배기팬의 면적을 통과하는 초당 공기의 질량 값으로 다음과 같은 식을 통해 계산된다.

(13)

\dot{m} = \frac{ρ}{A V}

where, $\dot{m}$ : 질량 유량 ( $k g s^{- 1}$ )

𝜌: 공기의 밀도 ( $J k g^{- 1} K^{- 1}$ )

$A$ : 배기팬의 전체 면적 ( $m^{2}$ )

$V$ : 공기가 통과하는 유속 ( $m s^{- 1}$ )

현재 배기팬 하나의 면적은 0.6084 m² 이며, 총 4개의 배기팬이 돈사 내에 위치하고 있다. 공기의 밀도는 0 ℃에서의 값인 1.225 $k g m^{- 3}$ 을 사용하였다. Case 별 질량 유량 계산값은 아래와 같다.

Table 3.

Mass flow calculation results.

Fan Velocity (%)	Fan Velocity( $m s^{- 1}$ )	Mass Flow ( $k g s^{- 1}$ )
100	3.40	2.54
80	2.72	2.03
60	2.04	1.52
40	1.36	1.01
20	0.68	0.51

열교환기의 열 교환식은 다음과 같다.

(14)

500 \times 0.5 \times \frac{(33.8 - 5) - (T_{H 2} - T_{C 2})}{\ln (\frac{33.8 - 5}{T_{H 2} - T_{C 2}})} = 1006.43 \times \dot{m} \times (33.8 - T_{H 2}) = 4186 \times 5 \times (T_{C 2} - 5)

위 식 (14)를 계산하여 $T_{H 2}$ , $T_{C 2} 111$ 의 값을 구할 수 있다. 다섯 가지 case에 대한 각각의 질량 유량 값을 이용하여 계산하였으며, 그 결과는 아래와 같다. 결과값 중 $T_{H 2}$ 의 값을 입기구의 온도 값에 입력하여 분석을 진행하였다.

Table 4.

$T_{H 2}$ , $T_{C 2}$ calculation results.

Fan Velocity (%)	$T_{H 1}$ (℃)	$T_{H 2}$ (℃)	$T_{C 2}$ (℃)	$T_{C 1}$ (℃)	Q ( $Q$ )
100	33.80	31.13	5.33	5	6818.61
80	33.80	30.50	5.32	5	6737.11
60	33.80	29.49	5.32	5	6604.41
40	33.80	27.58	5.30	5	6349.64
20	33.80	22.71	5.27	5	5661.28

(3) 해석 조건

본 연구에서는 크게 덕트가 설치되지 않은 경우 (A1~A5), 덕트가 설치된 경우 (B1~B5) 로 case를 나눈 후, 환기량을 20 %, 40 %, 60 %, 80 %, 100 %로 각각 변화하여 열교환기의 효율성을 극대화하는 환기량을 산정하고자 한다.

Table 5.

Case classification according to duct.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/jaes/2025-027-01/N0360270103/images/jaes_27_01_03_T5-1.jpg

Case A (without duct)

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/jaes/2025-027-01/N0360270103/images/jaes_27_01_03_T5-2.jpg

Case B (with duct)

Case A와 같이 열교환기를 통과한 공기는 덕트가 없는 경우 중천장 입기구를 통해서, 덕트가 있는 경우 열교환기에서 열교환을 마친 공기가 덕트를 통해서 방 안으로 들어오며, 배기구를 통해서 빠져나간다.

여름철 복도 입기구를 사용하는 일반적인 환기 방식과 달리, 해당 실험에서는 열교환기를 통과하여 냉방된 공기가 중천장 입기구를 통해 들어온다고 가정하였다. 냉방을 하지 않는 경우를 냉방과 환기를 병행하는 경우의 대조군으로 활용하고자 유입되는 공기는 냉방을 하는 경우와 하지 않는 경우 모두 중천장 입기구를 통해 들어온다고 가정하여 분석을 진행하였다.

결론적으로, 다음과 같은 총 10가지의 case에 대해 CFD 분석을 시행하였다.

Table 6.

Analysis cases.

Case	Duct Installation	Fan Velocity (%)
A1	no	100
A2		80
A3		60
A4		40
A5		20
B1	yes	100
B2		80
B3		60
B4		40
B5		20

(4) 해석 방법

① 균일성 분석

도출된 돈사 구획별 온도, 습도, 유속, 암모니아의 균일성을 분석하기 위해 Weltens(1993)이 제시한 균일성 지수 (Uniformity Index)를 도입하여 분석하였다. 균일성 지수란, 유동 균일성을 평가하기 위해 도입된 지표이며 특히 CFD에서 유속 분포의 균일성을 정량적으로 나타낼 때 사용된다. 균일성 지수는 식 (15)와 같이 정의된다.

(15)

γ = 1 - \frac{\sum_{i = 1}^{n} \sqrt{{(w_{i} - \bar{w})}^{2}}}{2 n \bar{w}}

where, 𝛾: 균일도

$w_{i}$ : 특정 지점 i의 속도

$\bar{w}$ : 전체 영역의 평균 속도

n: 측정 지점의 개수

위의 식을 이용하여 유속의 균일성을 정량적으로 평가할 수 있다. 1에 가까울수록 영역 전체에서 유속이 고르게 분포한다는 것을 의미한다. 식 (10)에서 속도 대신 온도를 대입하면 온도의 균일성 지수를 도출할 수 있다. 또한, 습도와 암모니아 농도에 대해서도 동일한 방법을 통해 균일성 지수를 계산할 수 있다. 식 (10)에서 온도, 습도, 암모니아 농도의 균일성을 정량화하기 위해 변형한 식은 식 (16), (17), (18)과 같다.

(16)

γ = 1 - \frac{\sum_{i = 1}^{n} \sqrt{{(T_{i} - \bar{T})}^{2}}}{2 n \bar{T}}

where, 𝛾: 균일도

$T_{i}$ : 특정 지점 i의 온도

$\bar{T}$ : 전체 영역의 평균 온도

n: 측정 지점의 개수

(17)

γ = 1 - \frac{\sum_{i = 1}^{n} \sqrt{{(H_{i} - \bar{H})}^{2}}}{2 n \bar{H}}

where, 𝛾: 균일도

$w_{i}$ : 특정 지점 i의 습도

$\bar{w}$ : 전체 영역의 평균 습도

n: 측정 지점의 개수

(18)

γ = 1 - \frac{\sum_{i = 1}^{n} \sqrt{{(C_{i} - \bar{C})}^{2}}}{2 n \bar{C}}

where, 𝛾: 균일도

$w_{i}$ : 특정 지점 i의 암모니아 농도

$\bar{w}$ : 전체 영역의 암모니아 농도

$n$ : 측정 지점의 개수

위 식을 통해 온도, 습도, 암모니아 농도의 균일성을 평가할 수 있다.

② ET (Effective Temperature)

돼지가 느끼는 체감 온도를 측정하기 위해 Effective Temperature 라는 인자를 도입하여 해석을 시도하였다. Beckett(1965) 돼지에 미치는 영향을 평가하기 위해 공기 온도, 습도, 속도를 고려한 유효 온도(ET)를 제안했다.

(19)

E T = T + E_{< u m} + E_{v e l}

(20)

E T = T + 0.0015 (R H - 50) T - (402 - T) (v^{0.66} - 0 . 2^{0.66})

$E T$ : 유효 온도 ( $K$ )

$T$ : 기온 ( $K$ )

$E_{< u m}$ : 습도의 기여

$E_{v e l}$ : 유속의 기여

$R H$ : 주변 습도 (%)

$v$ : 주변 유속 ( $m s^{- 1}$ )

전문가들은 돼지 사육 단계별 적온의 개념은 돼지가 실제 느끼는 유효 온도를 의미하는 것으로 돈사 내부 실제 온도와 습도, 풍속, 바닥 형태, 단열상태, 사육밀도, 돼지의 활동성 등을 고려해 결정해야 한다고 강조했다. 이를 고려하여 ET 값이 비육돈의 적정 사육온도 범위에 해당하는지를 토대로 분석을 진행한다.

결과 및 고찰

1. 결과 분석

(1) 온도, 습도, 암모니아 결과 분석

결과 분석은 돼지가 있는 돈사 구획 1~6 공간에 대해 진행하였다. 덕트가 없는 경우, 도출된 온도, 습도, 암모니아 값은 다음과 같다.

Table 7.

Average temperature, relative humidity, concentration of NH₃ of pig house without duct.

Case Number	Fan Velocity (%)	Pen Average Temperature (℃)	Relative Humidity (%)	Concentration of NH₃ (ppm)
A1	100	34.84	56.33	7.17
A2	80	34.90	58.36	8.39
A3	60	35.04	60.61	11.81
A4	40	35.20	66.76	16.61
A5	20	36.00	86.35	29.79

비육돈의 적정 사육 온도가 18~25 ℃ 임을 감안했을 때, 여름철 평균 돈사의 온도는 그와 비교하여 10 ℃ 이상 높은 온도를 가짐을 알 수 있다. 적정온도보다 10 ℃ 이상 높은 온도에서의 사육은 발육 및 번식 장애, 질병 발생, 폐사 등의 문제를 발생시킬 수 있다. 따라서 냉방을 통해 돈사 구획의 평균 온도를 낮출 필요성이 있다.

덕트가 있는 경우의 온도, 습도, 암모니아 값은 다음과 같다.

Table 8.

Temperature, relative humidity, concentration of NH₃ of pig house with duct.

Case Number	Fan Velocity (%)	Pen Average Temperature (℃)	Relative Humidity (%)	Concentration of NH₃ (ppm)
B1	100	32.67	63.74	6.31
B2	80	32.31	67.30	9.14
B3	60	31.67	73.97	11.13
B4	40	30.62	86.30	16.34
B5	20	29.34	124.52	30.27

온도 값은 덕트가 없는 내부에 대해 2~5 ℃ 정도 낮아짐을 확인할 수 있다. 각 경우별 온도 하강량이 다른 것은 열교환기를 통과하는 공기의 양 차이에 의한 열 교환량 차이 발생에 의한 것으로 보인다. 온도, 암모니아 농도 값을 고려하여 냉방 시 적정 환기량을 산정하였다. 일차적으로 온도를 고려한 경우 냉방을 하지 않은 경우보다 3 ℃ 이상 온도 하강을 보인 60 %, 40 %, 20 % 의 환기량을 선정하였다. 다음으로 암모니아 농도를 고려하였을 때, 20%의 환기량을 가지는 경우는 2021년부터 시행된 동물보호법 기준 돈사의 적정 암모니아 범위인 25 ppm을 넘어 적합하지 않음을 알 수 있었다. 따라서 환기량 60%, 40%가 최적 환기량임을 알 수 있다.

냉방과 함께 60 %, 40 %의 환기량을 갖는 두 가지 경우 중에 가장 최적의 환기 조건을 알아내기 위해 Effective Temperature를 분석하였다. 그 결과는 다음과 같다.

Table 9.

Effective temperature.

Case Number	Fan Velocity (%)	Effective Temperature (ET, ℃)
B3	60	26.81
B4	40	31.02

60 %의 환기량을 갖는 경우, 돼지가 느끼는 체감 온도는 약 26.8 정도로, 40%의 환기량을 가지는 경우와 비교했을 때 낮은 온도임을 알 수 있다. 또한 비육돈의 최적 사육 온도인 18~25 ℃ 와 많은 차이가 나지 않는 범위이므로 에너지 사용량를 고려하지 않은 상황에서 하절기 돈사의 최적 환기량은 60 %로 결정할 수 있다.

(2) 균일성 지수 (UI) 분석

덕트가 없는 경우, 온도, 습도, 유속, 암모니아에 대한 균일성 분석을 진행한 결과는 다음과 같다.

Table 10.

Uniformity index analysis (without duct).

Case Number	UI
Case Number	Temperature (℃)	Relative Humidity (%)	Velocity ( $m s^{- 1}$ )	Concentration of NH₃ (ppm)
A1	0.9990	0.9948	0.9575	0.9314
A2	0.9990	0.9968	0.9615	0.9089
A3	0.9993	0.9937	0.9650	0.9731
A4	0.9990	0.9957	0.9597	0.9112
A5	0.9995	0.9950	0.9837	0.9743

균일성 분포 결과에서 암모니아의 온도 분포가 상대적으로 균일성이 떨어짐을 볼 수 있었다. 따라서 암모니아의 농도가 균일하지 않은 부분을 파악하고자 돼지 높이인 y=0.47 m 의 NH₃ contour 결과를 분석하고자 했다. 그 결과는 다음과 같다.

Table 11.

NH₃ contour result (without duct).

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/jaes/2025-027-01/N0360270103/images/jaes_27_01_03_T11-1.jpg

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분석 결과, 모든 case에서 공기가 정체되어 돼지가 모여있는 곳이나 돈사 구획의 중앙 혹은 구석에 암모니아 농도가 높아지는 부분이 있으며 해당 부분은 붉은색, 노란색 등으로 표시됨을 알 수 있다.

덕트가 있어 냉방을 진행한 경우, 온도, 습도, 유속, 암모니아에 대한 균일성 분석을 진행한 결과는 다음과 같다.

Table 12.

Uniformity index analysis (with duct).

Case Number	UI
Case Number	Temperature (℃)	Relative Humidity (%)	Velocity ( $m s^{- 1}$ )	Concentration of NH₃ (ppm)
B1	0.9993	0.9969	0.9576	0.9488
B2	0.9979	0.9953	0.9563	0.9643
B3	0.9990	0.9979	0.9646	0.9254
B4	0.9973	0.9987	0.9576	0.9212
B5	0.9984	0.9949	0.9867	0.9660

덕트가 있는 경우 돼지 높이의 y=0.47 m의 NH₃ contour 결과는 다음과 같다.

Table 13.

NH₃ contour result (with duct).

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/jaes/2025-027-01/N0360270103/images/jaes_27_01_03_T13-1.jpg

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최적 환기량인 60 %에서의 암모니아 흐름을 나타내는 벡터장의 결과는 다음과 같다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/jaes/2025-027-01/N0360270103/images/jaes_27_01_03_F6.jpg

Figure 6.

Vector field (ammonia).

벡터장 분석 결과 돈방 중앙 지점의 중앙 부분에서 암모니아의 흐름이 정체되어 있는 부분이 관찰되었고, 해당 부분에서 암모니아의 환기가 제대로 발생하지 않는 이유를 파악하고자 연직 방향 암모니아의 흐름을 분석하였다. 그 결과는 다음과 같다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/jaes/2025-027-01/N0360270103/images/jaes_27_01_03_F7.jpg

Figure 7.

Vertical directional ammonia flow.

연직 방향 암모니아 흐름 분석 결과 양쪽 덕트에서 방출된 차가운 공기가 각각 벽체를 타고 하강하거나 중앙에서 만나 하강하면서 각각 좌, 우측 하단 중앙에 공기의 흐름이 수렴하는 수렴대를 생성함을 알 수 있었다. 해당 부분에서의 벡터 방향 흐름을 보면 암모니아가 순환하는 듯한 난류 흐름이 관찰되었고, 이는 암모니아의 배출을 방해할 수 있음을 알 수 있다.

암모니아가 균일하지 못하게 분포되면 다양한 문제가 발생할 수 있다. 암모니아의 농도가 높은 부분으로 돼지가 잘 이동하지 않아 돈방 내부 암모니아 농도가 높은 공간에는 돼지 밀집도가 낮아지고, 이에 따른 다른 지역의 돼지 밀집도가 높아지며 돈사 내부 사육 환경에 악영향을 줄 수 있다. 따라서 암모니아의 균일한 농도 분포를 위한 추가적인 조치가 필요할 것으로 보인다.

2. 고 찰

(1) 최적 환기량 분석

온도는 덕트가 있어 냉방과 환기가 같이 실행되는 경우가 덕트가 없이 환기만 진행하는 경우에 비해 평균적으로 약 3 ℃ 정도 낮아지는 것으로 확인되었다. 따라서 여름철 돈사 내부의 온도를 낮추기 위한 냉방의 필요성을 입증하였다. 첫 번째 조건으로 온도를 고려했을 때, 냉방과 함께 20 %, 40 %, 60 %의 환기량을 유지하는 경우 돈사 내부의 온도가 3 ℃ 이상 떨어져 냉방의 효과가 있다고 판단하였다. 온도에 대한 분석 이후 암모니아 분석을 진행하였으며, 20 %의 환기량을 가지는 경우 암모니아 농도가 동물보호법 기준 돈사 내부 적정 수치인 25 ppm 이상으로 측정되어 적절하지 않다고 판단하였다. 남은 40 %, 60 %의 환기량 중에 더 적절한 환기량을 판단하기 위해 돼지가 느끼는 체감 온도인 Effective Temperature 값을 분석하였고, 60%의 환기량에서 돼지가 느끼는 체감 온도가 약 26.8 ℃ 정도로 40% 환기량의 ET 값인 31.0 ℃ 보다 낮았다. 또한 해당 온도 값은 비육돈의 적정 사육 온도와 큰 차이가 없었으므로 60%의 환기량을 유지하는 것이 가장 적절하다고 판단하였다. 이와 같은 결과는 돈사 구획 내부 유속에 의한 결과로 보이며, 주변 공기의 유속이 빠를수록 체감 온도가 낮아져 60 %의 환기량에서 돼지의 체감 온도가 더 낮게 계산된 것으로 보인다.

(2) 균일성 분석

추가적으로 균일성 분석을 진행하였으며, 각 case 별로 온도, 상대습도, 평균유속, 암모니아 농도에 관한 UI (Uniformity Index) 값을 산출하였다. 그 결과 모든 case에서 암모니아에 대한 UI 값이 상대적으로 낮았다. 비교를 위해 최적 환기량인 60%에서 환기만 진행한 경우와 환기와 냉방을 함께 진행한 경우에 대해 분석하였고, 60% 환기량의 경우 냉방과 환기를 같이 했을 때 암모니아의 균일성 지수가 0.97에서 0.92로 낮아져 공기 흐름에 대한 분석이 필요하다고 판단하였다.

상대적으로 균일성 지수가 낮게 계산된 결과는 특정 지점에서의 암모니아 환기가 잘되지 않는다는 것으로 해석하여 돼지 높이인 0.47 m의 암모니아 contour를 분석하였다. 그 결과, 덕트에서 방출되는 공기가 중앙과 벽면을 타고 내려와 바닥 측에서 만나는 부분에서 난류가 발생하여 암모니아가 순환되는 형태의 공기 흐름이 발견되었다. 암모니아의 순환이 정체되는 부분이 돈사 내에 존재하면, 해당 부분과 암모니아의 농도가 낮은 부분에서의 돼지 밀집도 차이에 의해 밀사 피해 등 사육에서의 문제가 생길 수 있다.

이를 해결하기 위해 암모니아의 균일성을 증가시키는 방안을 연구할 필요가 있다. 그 방법으로는 중앙 환기용 팬 등의 설치가 있으며, 이를 고려한 추가 case 해석 등은 후속 연구에서 진행할 예정이다.

결 론

본 연구를 통해 하절기 돈사 내부 냉방의 필요성을 판단하였으며, 열 교환을 통한 냉방 시스템과 환기 시스템 두 가지는 여름철 비육돈사 내에서 모두 필수적이므로 두 시스템의 효과를 모두 얻을 수 있는 적정 환기량을 찾기 위한 분석을 진행하였다. 그 결과, 하절기 돈사 내부 온도와 돼지의 체감 온도를 모두 떨어뜨릴 수 있는 적정 환기량은 60%로 판단되었다.

해당 연구는 하절기 돈사 내부의 냉방 필요성 및 효과를 입증하였고, 여러 case 들 중 가장 적절한 냉방량을 가진 경우를 도출해 냈다는 점에서 의의가 있다. 또한 균일성 분석을 통해 최적 냉방 상황에서의 암모니아 흐름 분석을 진행하여 문제를 분석하고 이에 따른 해결책으로 중앙 환기팬 설치를 제안했다는 점에서 추가적 의의가 있다.

그러나 해당 연구에서 최적 냉방을 진행한 경우, 냉방을 진행하지 않은 경우보다 암모니아의 균일성이 떨어졌다는 한계점이 존재하며, 열교환기 덕트 설치에 따른 압력 부하를 고려하지 못했다는 한계가 있다. 이러한 한계를 고려했을 때 중앙 입기팬 설치와 덕트 압력 부하를 고려한 추가 case 분석이 필요할 것으로 보이며, 향후 연구에 대한 필요성을 입증할 수 있다.

Acknowledgements

본 논문은 농림축산식품부 및 농림식품기술기획평가원 스마트팜 다부처 패키지 혁신기술개발사업의 지원을 받아 수행된 것 임 (과제번호: RS-2025-02303347).

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Journal of Animal Environmental Science ISSN:1226-0274(Print) 축산시설환경학회지

Preview

Analysis of optimal ventilation rate for cooling in summer season for pig houses with forced ventilation

ABSTRACT

MAIN

Figure 1.

Flow chart.

(1)

(2)

(3)

Figure 2.

Structure of heat exchanger.

Figure 3.

Temperature distribution.

(4)

(5)

(6)

(7)

Figure 4.

Pig house for design geometry.

Figure 5.

Pig model for design geometry.

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

Table 1.

Boundary condition.

Table 2.

Value in heat exchange formula.

(13)

Table 3.

Mass flow calculation results.

(14)

Table 4.

TH2, TC2 calculation results.

Table 5.

Case classification according to duct.

Table 6.

Analysis cases.

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

Table 7.

Average temperature, relative humidity, concentration of NH3 of pig house without duct.

Table 8.

Temperature, relative humidity, concentration of NH3 of pig house with duct.

Table 9.

Effective temperature.

Table 10.

Uniformity index analysis (without duct).

Table 11.

NH3 contour result (without duct).

Table 12.

Uniformity index analysis (with duct).

Table 13.

NH3 contour result (with duct).

Figure 6.

Vector field (ammonia).

Figure 7.

Vertical directional ammonia flow.

Acknowledgements

References

$T_{H 2}$ , $T_{C 2}$ calculation results.

Average temperature, relative humidity, concentration of NH₃ of pig house without duct.

Temperature, relative humidity, concentration of NH₃ of pig house with duct.

NH₃ contour result (without duct).

NH₃ contour result (with duct).