Research article

Journal of Animal Environmental Science. 31 August 2023. 62~66
https://doi.org/10.11109/JAES.2023.25.2.062

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 재료 및 방법

  •   1. 시험 돈사

  •   2. 환기량 측정기

  •   3. 시험 방법

  • 결과 및 고찰

  •   1. 풍량 측정 장치 길이에 따른 환기량 비교

  •   2. 풍량 측정 장치의 설치 유·무에 따른 환기량 비교

  • 결 론

서 론

암모니아는 2차 초미세먼지의 전구체로 알려져 이슈화되었으며 (Zhang et al., 2018), 이에 농림축산식품부는 국가 차원의 감축 목표를 발표한 바 있다. 국가 대기오염물질 배출량 통계에 따르면 암모니아는 축산 부문의 분뇨관리 중 45%가 양돈시설에서 배출되는 비율로 국가 전체 배출량의 32.2%를 차지한다 (NIER, 2023). 암모니아 배출량은 암모니아 농도와 환기량을 이용하여 계산하는데, 이때 정확한 배출량 산정을 위해서는 환기량 측정이 중요하다. 또한 돈사 환기량에 기반하여 가동되는 돈사 내부 환경 (온도, 습도, 먼지, 가스 등) 관리 ICT 장비의 정밀한 제어를 위해서는 정확한 환기량 측정이 중요하다. 돈사 환기량은 환기팬 설치 업체에서 자체적으로 평가하고 있으며 (Heber et al., 2000), 돈사 환기량 측정을 위해 ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) 기준에 준한 풍량 측정 장치 (Hood-type device)를 이용하고 있다. ASHRAE는 미국 냉난방공조학회의 약자로 난방, 냉동 및 공조기술 관련 기준에 대한 자료를 제공하고 있다. 이 중 환기량은 ASHRAE Fundamentals, AMCA Publication 203, 40CFR60에서 환기량 측정을 위한 풍량 측정 장치의 정보를 찾을 수 있다. ASHARE 기준의 풍량 측정 장치는 다수의 구멍으로 된 정류장치 (honeycomb)에 차압 측정기를 이용하여 장치 내부로 흐르는 공기의 전압과 정압의 차이를 측정한 후 동압을 계산한다 (ASHRAE, 1993). 계산된 동압 값은 공기 밀도와 환기팬 면적을 이용하여 환기량으로 환산한다. 풍량 측정 장치의 구조는 공기 기류 유도를 위해 5단의 덕트로 구성되어 길이가 길다. 이때 환기팬의 풍량은 덕트 길이가 기준이 되어 산출되며, 본 시험에서 이용된 풍량 측정 장치도 이 기준에 따라 산출된다. 그러나 측정 장치의 긴 길이로 인해 덕트 내부에 흐르는 공기의 저항과, 덕트 연결부를 통한 공기 손실로 인해 환기량이 과소 측정될 수 있다 (Yang et al., 2022). 특히 공기 배출 속도와 배출량이 많은 높은 환기팬 가동률에서는 더 큰 손실이 발생한다. 이에 본 연구는 풍량 측정 장치 길이를 긴 길이 (덕트 5단) 또는 짧은 길이 (덕트 3단)로 조절하여 환기량 과소 평가에 대한 검증 시험을 수행하였다.

재료 및 방법

1. 시험 돈사

시험 돈사는 국립축산과학원 내 위치한 강제 환기식 밀폐형 돈사로, 본 시험에서 이용한 돈방은 규모 280 m3 (5 m × 8 m × 7 m)로 돈방 내 2개의 구획 (팬)으로 분리되어 있다. 돈방에 설치된 환기팬은 좌측 구획 상부에 위치한 굴뚝팬 (COCO-500A, Dongsung Cocofan Co. Ltd., Korea)으로 내부 직경 540 mm와 외부 직경 620 mm이며, 환기팬 내부에 6개의 날개가 설치되어 있다 (Figure 1).

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Figrue 1.

Chimney exhaust fan.

2. 환기량 측정기

(1) 풍량 측정 장치

ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) 기준에서 제시하는 장치로 돈방 내 환기팬 직경에 맞게 제작하였다 (Figure 2 (a)). 풍량 측정 장치는 총 5단의 덕트로 구성되었으며, 마지막 하단부는 벌집 모양의 덕트로 차압 측정기 (Micro-manometer)를 연결하여 환기량을 측정한다. 본 시험에서 이용한 차압 측정기는 TSI 제품 (DP-Calc Micro-manometer 5825, USA)으로 환기팬 형태와 직경을 입력하면 자동적으로 환기량이 환산된다.

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Figrue 2.

The device for measurement of ventilation rates.

(2) 베인형 풍속계 (Vane-type device)

포터블 타입의 풍속 측정기 (프로브 model 611, range 0.3~20 m/s; 풍속계 본체 TESTO, model 435, Germany) 로 축산 외에 풍속을 측정하는 연구에서 많이 사용하는 기기이다. 베인형 풍속계를 이용한 환기량 측정은 환기팬 원형을 중심으로 십자 형태의 방향으로 6개 지점을 측정한 후 평균값을 이용하였다 (Figure 2 (b)). 환기량은 측정한 풍속 값에 환기팬 지름을 곱하여 계산하였다. 상세한 작동 방법은 업체에서 제공하는 매뉴얼을 참고하였다.

3. 시험 방법

(1) 풍량 측정 장치 길이

돈방 환기팬에 풍량 측정 장치의 길이를 길게 (덕트 5단) 또는 짧게 (덕트 3단) 설치하고 (Figure 3), 환기팬 가동률을 30, 50, 70, 100%로 각각 조절 한 후 차압 측정기 또는 베인형 풍속계를 이용하여 환기량을 측정하였다. 짧은 길이는 풍량 측정 장치의 마지막 단인 벌집 모양 덕트를 남겨두고 설치하여, 차압 측정기를 이용한 환기량 측정이 가능하도록 하였다.

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Figrue 3.

Length of hood-type device.

(2) 풍량 측정 장치 설치 유·무

풍량 측정 장치의 무 처리구는 풍량 측정 장치를 설치하지 않고, 환기팬에서 직접 풍속을 측정한 후 환기팬 직경을 곱하여 환기량을 계산하였다. 그리고 풍량 측정 장치의 설치 유 처리구는 측정 장치의 마지막 단인 벌집 모양 덕트를 연결하거나 또는 제거한 후, 측정 장치의 길이를 길게 또는 짧게 조절하여 환기팬 가동률에 따라 환기량을 측정하였다. 본 시험의 환기량 측정기는 풍량 측정 장치를 설치하지 않거나 차압 측정기를 연결하는 벌집 모양 덕트를 제거한 처리구가 있기 때문에, 베인형 풍속계를 이용하여 측정하였다.

결과 및 고찰

1. 풍량 측정 장치 길이에 따른 환기량 비교

풍량 측정 장치 길이별로 돈사 환기팬 가동률에 따른 환기량 결과를 Table 1에 정리하였다. 먼저, 두 환기량 측정기로 측정한 환기량을 평균하여 풍량 측정 장치 길이에 따른 환기량을 비교하였다. 환기팬 가동률 30, 50, 70, 100%에서 장치 길이가 길 때 환기량은 555.43±56.18, 1537.17±204.23, 3479.79±340.39, 3850.06±157.18 m3/h이었고, 짧을 때는 각각 483.22±101.17, 1425.89±275.06, 3558.94±368.05, 4075.57±370.53 m3/h로 측정되었다. 환기량은 환기팬 가동률 30과 50%에서 짧은 길이 장치가 낮은 반면, 70과 100%에서는 긴 길이 장치의 환기량이 낮았다. 풍량 측정 장치는 돈사 배출 공기의 기류 유도를 위해 덕트 길이가 길다. 그러나 덕트의 길이가 길면 덕트 내부로 흐르는 공기 손실에 영향을 주어 환기량이 과소 측정될 수 있다 (Yang et al., 2022). 특히 환기팬 가동률이 높으면 (70, 100%) 배출되는 공기가 많기 때문에, 더 큰 공기 손실이 발생하여 환기량이 낮아질 수 있다. 반면, 환기팬 가동률이 낮았을 때 (30, 50%)의 환기량은 짧은 길이 장치에서 낮았는데, 이것은 측정된 환기량의 큰 변이 (표준편차)로 인해 낮은 경향을 보였을 것이다. 환기팬 가동률이 낮으면 외부로 배출되는 공기량이 적어 내·외부 바람에 더 민감히 반응함으로써 환기량 변이가 커질 수 있다. 이러한 변이는 Table 1에서 풍량 측정 장치의 길이가 짧았을 때 더 커진 것을 확인할 수 있다.

그리고 두 측정기별로 풍량 측정 장치의 길이 간에 환기량을 상세히 비교하였다. 환기팬 가동률 30과 50%에서는 짧은 길이 장치에서 환기량이 낮았고, 환기팬 가동률 70과 100%에서는 긴 길이 장치의 환기량이 낮았다. 이때 환기량은 차압 측정기에 비해 베인형 풍속계로 측정한 값이 높은 경향을 보였지만, 측정 장치 길이 간의 환기량 차이 패턴은 유사하였다 (Table 1).

Table 1.

The air velocity (m3/h) measured by different tools according to length of hood-type device.

Fan speed Long (m3/h)
Manometer Vane Average
30% 515.71±233.39 595.16±35.55 555.43±56.18
50% 1392.76±623.88 1681.58±73.27 1537.17±204.23
70% 3239.10±1448.43 3720.48±107.30 3479.79±340.39
100% 3738.92±1671.83 3961.20±104.73 3850.06±157.18
Fan speed Short (m3/h)
Manometer Vane Average
30% 411.68±186.31 554.75±67.14 483.22±101.17
50% 1231.40±551.14 1620.39±28.85 1425.89±275.06
70% 3298.69±1475.04 3819.19±116.07 3558.94±368.05
100% 3813.57±1705.06 4337.58±75.87 4075.57±370.53

2. 풍량 측정 장치의 설치 유·무에 따른 환기량 비교

풍량 측정 장치를 설치하지 않았을 때와 벌집 모양 덕트를 연결한 풍량 측정 장치의 긴 길이와 짧은 길이의 환기량을 Table 2 (a)에 정리하였다. 풍량 측정 장치를 설치하였을 때 환기량은 설치하지 않은 것에 비해 낮았으며, 이때 긴 길이 장치의 환기량 감소율 (평균 28.31%)이 짧은 길이 장치 (평균 26.22%)에 비해 조금 높았다. 풍량 측정 장치 내부로 유입된 공기는 장치 내부의 마찰로 인해 손실될 수 있다. 이때 유속이 크면 (높은 환기팬 가동률) 마찰 손실이 더 커져 환기량 감소에 영향을 준다. 이로 인해 긴 길이 장치의 환기량이 낮아진 것으로 판단된다. 그리고 벌집 모양 덕트를 제거한 풍량 측정 장치를 설치한 후 측정한 환기량도 설치하지 않은 것에 비해 낮았으며 (Table 2 (b)), 이때도 또한 긴 길이 장치의 환기량 감소율 (평균 38.01%)이 높았다 (Table 2 (b)). 시험 2의 결과를 종합하면, 긴 길이 장치로 측정된 환기량이 낮았고, 시험 1의 결과와 동일하였다.

Table 2.

The air velocity (m3/h) measured according to no-attach and length of hood-type device.

(a) Hood-type device with honeycomb duct
Fan speed Hood-type device (m3/h)
No Long Short
30% 1057.88± 467.80 595.16± 35.55 554.75± 67.14
50% 2033.30± 197.74 1681.58± 73.27 1620.39± 28.85
70% 4920.67± 258.33 3720.48± 107.30 3819.19± 116.07
100% 5265.84± 255.36 3961.20± 104.73 4337.58± 75.87
(b) Hood-type device without honeycomb duct
Fan speed Hood-type device (m3/h)
No Long Short
30% 1057.88± 467.80 154.71± 8.10 290.36± 21.62
50% 2033.30± 197.74 1283.84± 58.56 1390.06± 120.18
70% 4920.67± 258.33 4114.75± 158.94 4195.57± 218.99
100% 5265.84± 255.36 4559.25± 119.78 4529.23± 249.99

결 론

본 연구는 돈사 환기량 측정을 위해 사용되는 풍량 측정 장치의 길이에 따른 환기량을 비교하였다. 시험 1에서, 풍량 측정 장치의 긴 길이 (덕트 5단) 또는 짧은 길이 (덕트 3단)의 환기량은 환기팬 가동률 70과 100%에서 짧은 길이 장치 (3558.94±368.05, 4075.57±370.53 m3/h)에 비해 긴 길이 장치 (3479.79±340.39, 3850.06±157.18 m3/h)가 낮았다. 그리고 시험 2에서는 풍량 측정 장치를 설치하지 않았을 때 대비 장치를 설치한 후의 환기량의 감소율이 긴 길이 장치에서 높았다. 결과를 종합하면, 풍량 측정 장치의 덕트 길이가 길면 덕트 내부로 흐르는 공기 손실로 인해 환기량이 과소 측정됨을 확인하였다.

Acknowledgements

본 연구는 농촌진흥청 연구과제 (모돈,자돈 유래 NH3 배출량 평가 및 바이오커튼 효능 평가 프로토콜 개발PJ0160192023) 사업에 의해 이루어졌습니다.

References

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