JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY OF AGRICULTURAL ENGINEERS, JAN. 2008, pp. 25-37 한국농공학회논문집제50권제1호 강제환기식돈사의환기효율성분석을위한 CFD 모델개발 Development of a CFD Model to Study Ventilation Efficiency of Mechanically Ventilated Pig House 서일환 * 이인복 홍세운 황현섭 Jessie P. Bitog 유재인 권경석 하태환 김현태 ** Il-hwan Seo* In-bok Lee Se-woon Hong Hyun-Seob Hwang Jessie Pascul Bitog Jae-in Yoo Kyung-suk Kwon Tae-hwan Ha Hyeon-tae Kim** Abstract When livestock facilities in Korea have been changed larger and denser, rearing conditions have been getting worse and the productivity of animal production have been decreased. Especially in the cold season, the minimized ventilation has generally been operated to save energy cost in Korea resulting in very poor environmental condition and high mortality. While the stability, suitability, and uniformity of the rearing condition are the most important for high productivity, the ventilation configuration is the most important to improve the rearing condition seasonally. But, it is so difficult to analyze the internal air flow and the environmental factors by conducting only field experiment because the weather condition is very unpredictable and unstable as well as the structural specification can not be easily changed by the researchers considering cost and labor. Accordingly, an aerodynamic computer simulation was adopted to this study to overcome the weakness of conducting field experiment and study the aerodynamic itself. It has been supposed that the airflow is the main mechanism of heat, mass, and momentum transfers. To make the simulation model accurately and actually, simplified pig models were also developed. The accuracy of the CFD simulation model was enhanced by 4.4 % of errors compared with the data collected from field experiments. In this paper, using the verified CFD model, the CFD computed internal rearing condition of the mechanically ventilated pig house were analyzed quantitatively as well as qualitatively. Later, this developed model will be computed time-dependently to effectively analyze the seasonal ventilation efficiency more practically and extensively with tracer gas decay theory. Keywords : CFD, Mechanical ventilation, Pig house, Ventilation efficiency I. 서론 * 최근축산물의생산력증대와가격경쟁력향상을 * 서울대학교농업생명과학대학지역시스템공학 ** 성균관대학교생명공학부바이오메카트로닉스공학 Corresponding author. Tel.: +82-2-880-4586 Fax: +82-2-873-2087 E-mail address: iblee@snu.ac.kr 위하여축산시설의대형화와밀집화가이루어지는추세에있다. 돼지의경우 1,000두이하의소규모사육비율이 10년전의 56% 에서 2007년 3월현재 19% 로현저히감소한것이이를나타내고있다 (NAQS, 2007). 그러나대형화된축산시설에서주요환경인자들의균일성및적정성을유지하는것은매우어려운일이며, 밀집사육으로인하여시설내에과도하게집적되는먼지, 미생물, 유해가스등의오염물질 25
강제환기식돈사의환기효율성분석을위한 CFD 모델개발 은가축의질병면역력약화와사육및작업환경의악화를가져왔다. 이에따라돼지의폐사율은해마다증가세를유지하며, 조사된바에따르면 2006년 12월에는약 14.6% 로여전히높은실정이다 (SSLI, 2006). 이러한질병문제의해결을위하여돼지사육환경의적정성, 안정성및균일성의향상이요구되고있으며, 특히온도, 습도등기본환경인자만을고려하는것이아니라, 호흡기성질병발생과연관이깊은먼지및유해가스등을인위적으로감소시킬수있는환경조절시스템개발이필요하다. 특히동절기의경우, 연료비절감을위하여최소환기량을유지하기때문에축사내의사육환경은매우열악한실정이다. 이러한연구를위해서는다양한환경조건하에서내부환경의변화를분석할필요가있으며, 특히눈에보이지않는공기유동및이의환기효율성을비교분석할필요가있다. 그러나현장실험을통하여돈사내의사육환경조건을정량적으로분석하기에는많은비용과노력및시간이요구되고또한인위적으로자연환경조건을제어하기어려운문제가있다. 또한환기작용의주메커니즘인공기유동을가시적으로분석하기에는한계가있다. 이러한현장실험의한계를극복하기위하여 Harral et. al.(1997), Bjerg et. al.(2002), Lee et. al.(2002), Sun et. al.(2002, 2004) Lee et al.(2007) 등은축산시설내에서의환기효율성및공기유동을정량적으로분석하기위하여전산유체역학시뮬레이션 (Computational fluid dynamics) 을사용한바있으며, 최근에는시설내에서의열과물질이동등의현상을고려한시뮬레이션에관심이모아지고있다 (Norton et. al., 2007). 이러한공기유동학적접근을통하여다양한시스템의효율성을정성적및정량적으로비교분석할수있으며, 적정환기구조설계를수행할수있을것으로기대된다. 본연구에서는동절기돈사의환기구조적문제점을파악하고이의향상을도모하기위해서이용될수있는공기유동학적시뮬레이션모델개발에목표를두었다. 본연구에서이용된공기유동학적모델은전산유체역학 (computational fluid dynamics) 의대표적상용화모델인 Fluent(Fluent Inc. N.H., USA) 이 었다. 본연구의첫번째단계로기본적인 3차원 CFD 시뮬레이션모델을설계하였고, 동시에현장실험을수행하여 CFD 시뮬레이션모델의정확도검증및이의향상을도모하였다. 또한개발된 CFD 모델을이용하여기존돈사내부의환기효율성분석을수행하였다. 본연구는농림부농림기술개발연구과제 축사용습식공기정화시스템개발 (2006.4~2008.4) 의지원으로수행되었다. II. 재료및방법 1. 시뮬레이션툴 시뮬레이션툴은크게기본적인구조적모델을만들고이의계산영역내에격자 (mesh) 를설계하는프리프로세서와계산영역을바탕으로공기유동학적계산을수행하고또이를분석하는메인모듈로나눌수있다. 본연구에서는 3D-Max, CAD 등의그래픽프로그램을이용하여돈사의기본구조와돼지모형을기초설계하였으며, 전산유체역학 (Computational fluid dynamics) 의프리프로세서인 Gambit (ver. 2.3. Fluent Inc. N.H., USA) 을사용하여 3차원격자망모델로설계하였다. Gambit은 GUI(Graphical user interface) 를기반으로하여기본적인외형과유한개의 3차원의격자망형성에사용된다. Gambit의장점은육면체또는사면체의격자를형성할때, 복잡한지형에서격자크기와모양등이부드럽게이어지도록적절한수준의격자크기비율을조절하는데있다. 또한유체의유동문제해결능력의향상을위하여다양한격자설계방법을제공하여격자를유연하게설계하도록도와준다. 격자는시뮬레이션의정확도에가장큰영향을미치는요인중하나이므로설계시형태가안정적이어야한다. 이를판단하기위하여각격자들의왜곡도를식 (1) 과같이 Equiangle skew 공식을통하여분석함으로써격자설계의완성도를판단할수있다. 6면체의경우 0.85, 4면체의경우 0.9를넘지않아야결과의데이터신뢰도가충분히높은것으로가정하였다 (Fluent manual, 2006). 26 한국농공학회논문집제 50 권제 1 호, 2008
서일환 이인복 홍세운 황현섭 Jessie P. Bitog 유재인 권경석 하태환 김현태 (1) θ max : 면이나격자의가장큰각 θ min : 면이나격자의가장작은각 θ e : 면이나격자의등각 ( 삼각형의경우 60도, 사각형의경우 90도 ) Fluent(ver. 6.2. Flunet Inc. N.H., USA) 는 CFD 연산을수행하는상용프로그램으로 C++ 언어를기반으로만들어졌으며동적인메모리할당과효율적인데이터구조와유연한계산제어를가능하게제작된 CFD 기반의컴퓨터모델링및분석툴이다. Fluent는계산영역내의모든격자들에대하여 Navier- Stokes 방정식의레이놀즈이론의개념을계산하기위하여질량, 운동량, 에너지보존법칙을미소의체적에적용하여얻어진비선형연립편미분방정식을통하여유체및에너지의이동현상을해석한다. CFD 시뮬레이션의현실성을높이고정확도를향상시키기위해서는난류현상을충분히고려하여야한다. 현재모든종류의문제에대하여포괄적으로사용할수있는난류모델은존재하지않기때문에각모델에서의물리적인특성과문제의특성, 요구되는정확도의정도, 시뮬레이션에소요되는시간등을고려하여난류모델을결정해야한다. 이번연구에서사용된난류모델은 RNG κ-ε model 이다. Lee et al.(2007) 은축산시설등을대상으로한풍동및 PIV 실험을통하여확보한시설내공기유동장데이터를전산유체역학시뮬레이션결과와비교분석함으로써 RNG κ-ε turbulence model이가장높은신뢰도를가지는것으로주장하였으며, 구체적인수송방정식은다음과같다. ρ ρ α μ ρε (2) ρε ρε α ε μ ε ε ε ε ε ρ ε ε ε (3) G k : 평균속도구배에의한난류동적에너지의생성 G b : 부력에의한난류동적에너지의생성 Y M : 전체확산에서압축성난류의변동하는팽창의정도 σ k, σ ε : 각각 k 와 ε의난류 Prandtl 수 α k, α ε, C 1ε, C 2ε, C 3ε : 상수 2. Tracer gas decay 방법 습식공기정화기의성능을비교분석하기위하여 Tracer gas decay 이론을사용하여환기효율성을분석하였다. 식 (4) 와같이들어오는공기와나가는공기의양을산술적으로계산하는기존의환기량계산방법은시설전체의공기유출입을통하여전체적인평균환기량을산출하기때문에지역적인환기량과유해가스및분진의정화효과를적절하게분석하기가어려웠다. 이를극복하기위하여본연구에도입한 Tracer gas decay 방법은식 (5) 와같이시간의변화와농도의변화간의관계를정량적으로분석하여환기량을계산하는방법이다. 실험의대상이되는공간내부에 CO 2, NO 2 등의특정한가스를균일하게채워넣은후환기가수행되는동안의농도의변화를측정함으로써전체의환기량은물론지역적인환기효과를분석할수있다. Tracer gas decay 방법을현장에서사용할경우, 초기의가스농도를균일하고안정적으로분포시키는것이어렵고외부의환경적인요소를실험자가임의대로조절할수없는어려움이있다. 또한점측정에의존하기때문에지역적환기효과를분석하기가어렵다. 그러나전산유체역학을통한공기유동학적시뮬레이션을사용할경우초기가스농도와환경적인요소등을실험자의요구에맞게안정적으로설정할수있으며, 방대한양의데이터를통하여다양한분석을도출할수있는장점이있다. (4) (5) Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 50(1), 2008. 1 27
강제환기식돈사의환기효율성분석을위한 CFD 모델개발 AER : 환기량 (air change rate, min -1 ) v i, v o : 환기창에서의유입과유출속도 (m s -1 ) A i, A o : 유입및유출이일어나는환기창의면적 (m 2 ) C 0 와 C t : t 0 와 t 시간에서의가스농도 (mass fraction = gas volume/air volume) 3. 실험방법시뮬레이션은현장실험의어려움을극복하고이를보완하기위한방법이므로현장실험을통하여시뮬레이션모델의정확도를검증하는작업은중요한과정이다. 본연구에서는온습도센서, 암모니아측정기, 적외선표면온도계, 다채널풍속계등을사용하여돈사의내부와외부의온도와습도분포의실시간변화, 시설내지역별암모니아농도, 각벽체및돼지의표면온도, 환기량등을측정하였다. 이데이터들을현재실제돈사에서동절기동안발생하는문제점들을정확하게이해하고또한개발된 CFD 3차원모델의정확도를검증하는데이용하였다. 가. 현장실험현장실험은충청북도충주시살미면문강리에소재한약 700두규모의농장에서 2006년 12월 27일, 28일이틀간실시하였다. 강제환기식실험돈사의길이와폭은각각 73 m와 14 m이며, 동절기동안에는크로스환기방식을적용하고있다. 돈사내부의환기는 (1) 과같이남쪽측벽과지붕사이의입기구를통하여유입된공기가돈사내부를순환한후북쪽의배기식덕트나측벽의배기팬을통하여배기되는구조이다. 하절기의경우측벽유입구바로아래의폭 1 m의유도판을사용하여돈군에신선한외부공기가도달할수있도록설치되며, 동절기에는외부의찬공기가돈군에도달하기전에상부의따뜻한공기와혼합될수있도록유도판이지붕과평행하게설치된다. 하절기에는측벽에위치한총 8개의배기팬들과길이방향으로균일하게배치된배기식덕트가동시에가동되며, 동절기에는가변식팬이설치된굴뚝덕트만작동하게된다. 동절기동안은에너지비용등을고려하여최소환기가이루어진다. Fig. 1 Seasonal ventilation systems of the expeirmental pig house located at Choongju, Choongnam-province, Korea (Unit : mm) 돈사내부구조및데이터수집을위한센서설치위치는 (2) 와같다. 실험용강제환기식돈사내돈방은총 3열로각열에 18개가있으며, 열에덕트가설치되어있다. 측정지점은돈사중앙으로부터좌우로약 10 m 간격으로균일하게선정하였다. 각돈방에는약 80 kg의육성돈이평균 14마리씩사육되고있었다. 농장내작업자들이작업을하는데방해가되지않도록센서를설치하여야하기때문에연구자가원하는지점에충분히센서를설치하는것은매우어려웠고, 기존의급이급수시설라인들을최대한활용하여센서들을설치하고자노력하였다. 온습도센서 (Hobo, Onset Corp, Southern MA, USA) 는돈방내부에바닥으로부터약 1 m 높이에설치하였다. 외기의온습도측정을위하여시설외부에온습도센서를추가로설치하였으며, 직사광선이직접온습도센서에도달하지않도록처마아래에센서를설치하였다. 또한모든온습도센서는일정한온습도환경조건하에서예비실험을통하여측정값을비교하여보정하였으며, 매 1분간격을데이터를측정하였다. 시설내부각벽체및돼지의피부온도를측정하기위하여표면온도계 (Raynger MX4, Raytek, USA) 를사용하였으며, 각대상별로 5번의반복측정을하여이를평균한값을이용하였다. 바닥에서발생하는암모니아가스의농도및시설내부에서의암모니아농도를측정하기위하여암모니아가스측정기 (PAC III, Dräger, Germany) 2대를사용하였고, 매 10초간격으로데이터를측정하였다. 열선풍속계 (Kanomax, JP/SYSTEM 6243, Japan) 를이용하여각배기구에서의풍량을측정하였고측정한데이터와축사내의부피를고려하여환기량을예측하였다. 28 한국농공학회논문집제 50 권제 1 호, 2008
서일환 이인복 홍세운 황현섭 Jessie P. Bitog 유재인 권경석 하태환 김현태 Fig. 2 A plane figure of pig house and locations of sensors installed(an exit is located at the left side toward the north) : HOBO sensors : Exhaust ducts (Unit:cm) 나. CFD 시뮬레이션설계 3차원시뮬레이션모델의설계는크게모델의구조설계와시뮬레이션설계로이루어진다. 모델의구조설계는 CFD 상용프로그램중에하나인 Gambit을사용하였다. CFD 시뮬레이션에사용된돈사의모델은폭 14 m, 전체길이 73 m로설계하였으며, 돈방은 18개씩 3열로각각 4 m 4 m로설계하였다. 돈사의기본구조및환기구조는실제와같은방식으로설계하였고, 돼지모형은복잡한형상을나타내고있기때문에효율적인연산시간과결과의정확도를종합적으로고려하여기본적인환기구조를유지하는범위내에서단순화시켜설계하였다. 추후연구를위하여돈사의환기구조는동절기와하절기에따라서측창의유입방법을서로다르게적용할수있도록설계하였으며, 덕트나, 배기용팬, 출입구의개폐등을임의로조절할수있도록설계하였다. 격자의구성은계산시간을최대한단축시키고, 정확도를최대한증가시키기위하여안정적인 6면체 (hexahedron mesh) 구조를주로사용하였으며, 돼지가각각 12마리씩있는돈방의경우구조가복잡하여 4면체 (tetrahedron mesh) 구조를사용하여격자망을구성하였다. 또한결과에중요한영향을끼치는유입구와배기구, 장치설치부등을다른지역보다더조밀하게설계하여계산시간을단축시킴과동시에정확도를향상시키는구조가되도록약 232만개의격자망을설계하였다. Gambit으로설계한격자망모델은 Fluent 메인모듈을사용하여초기경계값과환경조건, 난류방정식등을적용하여시뮬레이션연산을수행하게된다. 시뮬레이션설계시사용한가정들은다음과같다. 1) Tracer gas decay 방법을적용하기위하여돈사내부에는공기와암모니아이외의가스는없는것으로가정한다. 2) 가스나입자등의화학적인반응에의한생성이나응집등은없는것으로가정한다. 3) 환경조건은현장에서측정한값을사용하였다. 4) 슬러리에서발생하는악취및수분은바닥에서발생하는것으로가정한다. 5) 돼지에서는온도만이발생하는것으로가정한다. 6) 습식공기정화기를통하여암모니아는완전제거되는것으로가정한다. 7) 공기는비압축성이상기체로가정한다. 외부및내부의환경조건은현장실험을통하여얻은데이터를바탕으로하였으며, 계산의정확도에큰영향을주는난류모델의경우 Lee et al.(2007) 에의하여축산시설에서가장신뢰도가높은것으로알려진 RNG k - ε model을사용하였다. 3차원 CFD 시뮬레이션의결과의정확도를향상시키기위하여현장실험결과를토대로검증을수행하였다. 시뮬레이션검증은 Fluent 프로그램을사용하였으며비정상상태를가정하였다. 설정한초기조건은현장실험결과외기상이비교적안정적이었던 12월 27일오후 2시에서 3시사이의데이터를토대로이루어졌다. 표면온도계를사용하여현장에서측정한각벽체및돼지의표면온도데이터와온습도센서를사용하여측정한외기온도등을초기환경조건으로설정하였으며, 같은기간의내부온도데이터와의비교를통하여시뮬레이션모델의검증을수행하였다. 또한현장에서측정한덕트의유속을바탕으로하여돈사내부피가약 10.9분에한번교체되는것으로가정하였다. 또한현장실험결과를바탕으로돈사의바닥의슬러리에서부터 40 ppm의농도의암모니아와상대습도 100% 의수분이확산하는것으로가정하여시뮬레이션하였다. Table 1은 3차원 CFD 모델의초기환경조건을나타낸것이다. 실험돈사의환기시설은음압식환기로써남쪽측벽의상단부에폭이약 0.2m 인유입구를통하여유입되는외부공기가덕트의팬을통하여배기되는 Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 50(1), 2008. 1 29
강제환기식돈사의환기효율성분석을위한 CFD 모델개발 Table 1 Input data of the 3-dimentional CFD model used for this study Contents Values North and West wall 13.7 South and East wall 16.5 Corridor floor 13 Temperature Partition for pig room 16 Floor of pig room 20.6 Surface of pig 40 Roof 18.3 Outside of pig house 6.2 Humidity Floor of pig room 0.013572 kg m -3 Outside of pig house 0.004353 kg m -3 Ammonia Floor of pig room 40 ppm concentration Ventilation rates(air exchanges) 0.0918 min -1 구조를가지고있다. 그러나실제로는양끝벽의출입문들의틈새를통하여유입되는공기의영향이크기때문에이를충분히고려할필요가있었다. 특히양쪽출입문을통하여유입되는공기는돈사전체의온도균일성에큰영향을미치게되므로이를다공성매체 (Porous medium) 로가정하여공기유입량을설정하였다. 다공성매체는기존의유체흐름을구현하는공식에운동량항 (Momentum source term) 을추가함으로써구현된다. 이운동량항은 Darcy 의공식에의한점성력손실 (Viscous loss term) 과내부손실 (Inertial loss term) 로구성되어있으며유체의압력장에영향을미쳐각격자에서의유속에비례하는압력의저하를생성하여감소된유량이흐르도록유도한다. 의환기효율성분석을수행하였다. III. 결과및고찰 1. 현장실험결과 Fig. 3에서보여주듯이, 측정시간동안외기온도는 7.0-5.8 의분포로시간에따라낮아지는경향을보였다. 시설내부의온도는 27일오후 4시경에 17.9 21.8 로최고온도를보였으며, 이후외부온도와같이꾸준히낮아져서 4월 28일오전에 10.6 16.8 로최저온도를나타냈다. 돼지의적정설정설정온도이며, 또한자동온도조절장치에설정온도이었던 21 에훨씬못미치는환경이었으며 (SSLI, 2006), 이는돼지의식욕감퇴및호흡기성질병발생을유발할수있는위험한상태이었다. 특히, 관리자가출입을하지않는밤사이에매우열악한환경조건이었음을알수있었다. Fig. 4에서는시설내부의상대습도변화를보여주고있는데, 4월 27일 Fig. 3 Temperature variation at measuring points and outdoor (6) S i : i번째모멘텀공식의 source term, D, C : 계산을위한 Matrix 이다. v mag : 유체유속의크기 완성된 3차원 CFD 모델은현장실험결과와의비교를통하여정확도를분석하고이를향상시키고자노력하였으며, 검증된모델을바탕으로기존돈사내부 Fig. 4 Humidity variation at measuring points and outdoor 30 한국농공학회논문집제 50 권제 1 호, 2008
서일환 이인복 홍세운 황현섭 Jessie P. Bitog 유재인 권경석 하태환 김현태 오후 6시 이후에 센서의 위치에 따라 53 73%로 나 타났다. 이 때 외기의 상대습도는 50 76%로 27일 저녁에 가장 높게 나타났으며, 이후 점차 낮아져서 4 월 28일 아침에 가장 낮게 나타났다. 외부에 설치된 습도센서의 오류로 인하여 외기 상대습도는 충주 기 상청 데이터를 활용하였다. 축사내 공기 온도는 환기시스템에 따른 공기유동 에 따라서 측벽의 유입구 쪽이 더 낮게 나타났으며, 특히 끝벽에 설치되어 있는 출입구 부근의 돈방에서 온도가 현저히 낮게 나타났다. 이는 출입구의 틈새바 람으로 인한 것으로 Fig. 5에서와 같이 육안으로 확 인이 가능할 정도의 틈새를 통하여 많은 양의 찬 외 기가 유입되고 있는 것을 나타내고 있다. Fig. 6에서 보여 주듯이, 이는 돼지들의 움직임을 통하여서도 확 인할 수 있었다. Fig. 6과 같이 출입문에 근접한 곳 에 위치한 돈방에는 돼지들이 체온 유지를 위하여 활동을 거의 하지 않고 모여서 누워있는 반면에 적 정한 온도가 유지되고 있는 돈사의 중앙부에 위치한 돈방의 돼지들은 활발하게 움직이며 사료를 먹는 것 을 볼 수 있었다. 측벽의 유입구 쪽에 돈방에서 다른 지역에 비하여 상대적으로 낮은 온도가 감지되었는 데, 이번 연구를 통하여 개발된 전산유체역학(CFD) 모델을 통한 시설내 공기유동을 통하여 정확한 원인 분석이 이루어졌다. 이에 대한 설명은 이 논문의 후 반부에서 CFD 결과들과 함께 소개되었다. Fig. 6 Pigs near the indoor and at the center of the pig house 시설 내부의 표면온도는 총 3회에 걸쳐서 측정하였 다. 표면 온도 측정 시 필요한 각 재료의 방사율 (emissivity) 값은 콘크리트 0.95, 철재 0.8, 유리 0.85 등의 값을 각각 사용하였으며, 돼지의 경우는 0.85 0.95의 다양한 값을 적용시켰으나 방사율에 따른 온 도 차이가 거의 나타나지 않았다. 측정한 결과는 Table 2 에서 보여주는 바와 같다. 이 데이터들은 전산유체역학 시뮬레이션 모델 개발 시 입력 데이터로 이용되었다. Table 2 Surface temperatures measured by infrared gun (unit : ) Avg. No. of STD temp. samples Material Avg. No. of STD temp. samples 34.4 66 2.4 Ceiling 18.3 19 1.6 Side wall(left) 16.5 20 2.1 Side wall(right) 15.7 20 0.8 16.5 18 1.5 End wall(x-1) 13.7 14 0.5 Floor 13.0 (middle aisle) 22 1.5 Floor 10.3 (right aisle) 24 2.8 Floor(center 20.6 pig-room) 16 4.9 Floor(right pig-room) 18.9 17 5.4 Material Pig End wall(x-5) Fig. 5 Door located at a end wall causing unexpected air-infiltration Inner wall 16.0 20 1.9 Entrance door 8.9 16 0.3 Small door 5.4 17 0.5 13 0.0 Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 50(1), 2008. 1 Window 6.9 31
강제환기식 돈사의 환기 효율성 분석을 위한 CFD 모델 개발 Fig. 7 Variations of ammonia concentration at floor(sensor A) and 1m height(sensor B) 암모니아 가스 측정은 측정기 2대를 이용하여 돈사 내부의 바닥으로부터 약 1 m 높이에서와 바닥에서 발생되는 암모니아 가스의 농도를 각각 측정하였다. 바닥에서 1 m 높이에서의 암모니아 가스 농도는 두 센서에서 평균 약 21.8 ppm으로 측정되었다. 12월 27일 오후 1 2시 사이에 하나의 센서를 바닥높이 에서(Fig. 7 sensor A), 다른 하나는 1 m 높이에서 (Fig. 7 sensor B) 각각 실시간으로 측정하여 비교 한 결과, 바닥 높이에서 최고 40 ppm까지 측정되었 으며, 평균 약 32 ppm으로 1 m 높이보다 약 10 ppm 더 높은 것으로 나타났다. 에너지 부하 등을 고려하 여 최소환기가 이루어지고 있는 동절기에 일반적으 로 돈사내 악취농도가 매우 높게 형성되는 것은 당 연한 결과이다. Wathes와 Charles(1994)는 돼지의 경우 25 ppm을 최대 허용 농도로 규정하고 있는데, 이번 실험 돈사내 암모니아 농도는 이와 비교하여 매우 높은 것으로 판단되었다. 2. 시뮬레이션 모델링 결과 CFD 시뮬레이션 모델을 만드는 과정은 크게 Gambit 을 사용한 구조 설계와 Fluent를 사용한 시뮬레이션 Fig. 8 Volume sections of the 3-dimentional CFD simulation model of the experimental pig house using Gambit ver 2.2.30 을 지정하여 주는 과정을 거치게 된다. 때문에 구조 를 형성하기 전에 설정할 경계 조건을 미리 생각하여 가급적 많은 수의 독립된 계산 영역으로 나누어 설계 하는 것이 양질의 격자를 최대한 조밀하게 설계하고 또한 연산 작업을 수월하게 하는 방법이다. 이번 돈 사 모델에는 외벽과 환기구, 출입구를 비롯하여 내부 에 복잡한 경계 조건(복도, 돈방, 철창, 덕트, 습식공 기정화장치, 환기구, 순환팬 등)을 설정하기 위하여 내부 공간을 Fig. 8과 같이 많은 수의 계산 영역으 로 나누어 설계하였다. 덕트와 지붕의 경우는 각각 원기둥과 삼각기둥 형 태로 설계할 경우 부피의 제작에는 큰 문제가 발견 되지 않지만, 직육면체와 원기둥이 만나는 부분에서 격자의 연결이 잘 되지 않는 문제가 종종 발생한다. 따라서 원기둥들의 윗면과 아랫면의 원 부분을 인접 한 직육면체들의 사각평면과 연결되도록 하기 위하여 4개의 선분의 합으로 나누어 설계하였다. 이를 통하 여 원기둥과 직육면체의 연결부의 격자 작업의 효율 성이 향상되는 결과를 보였다. 이와 같은 방법을 사용 하여 작성된 격자를 Table 3과 같이 구성되었다. 환경 조건의 설계로 나눌 수 있다. CFD 설계에 따른 모델 정확도는 대표적으로 격자설계, 난류모델, 환경 Table 3 Designed computational domain using Gambit 조건 설계 등 중요한 요인들이 있다(Lee et al., 2007). Size 14 m width 73 m length 5.2 m height Gambit을 사용한 격자망의 설계는 구조를 다수의 Shapes of meshes Hex-Map, Hex/Wedge-Cooper, Tet/Hybrid - Tgrid Number of meshes about 2.32 million meshes 부피로 만든 후 이를 적절한 간격과 모양의 격자로 나눈 후 최종적으로 경계 조건(Boundary condition) 32 한국농공학회논문집 제50권 제1호, 2008
서일환 이인복 홍세운 황현섭 Jessie P. Bitog 유재인 권경석 하태환 김현태 Fig. 9 Process of pig simplification for CFD simulation 이전에수행된유사한 CFD를이용한환기연구들의경우보통축사내에동물이없는것으로가정하여구조만을대상으로시뮬레이션을수행하였다 (Harral et al., 1997; Bjerg et al., 2002; Lee at al., 2002). 그러나이경우동물에의하여발생하는유동장의변화나체열및수분의발생등을효과적으로나타내지못하였다. 따라서이번 CFD 시뮬레이션에는돼지를포함한모델을설계하였다. 돼지의경우다리, 귀, 코, 꼬리등이매우사실적으로상세히표현되어있는모델을사용하여격자를설계할경우, 제한된영역에많은격자수가필요하게된다. 그러나본연구가돈방하나를대상으로하는것이아니라넓은돈사전체를대상으로하기때문에이처럼상세한묘사를사용할경우공학적으로실용적인시뮬레이션에적합하지않을것으로판단되었다. 따라서돼지의다리와꼬리등을생략한단순화한모델을사용하는것이적절하다고판단하였으며, Fig. 9는이번연구에서돼지의간략화과정을나타낸것이다. 초기모델의다리와꼬리등을제거하여간략화시킨모델을만들어 54개의돈방에각각약 12마리의돼지를넣어최종시뮬레이션모델을만들었다. 그러나이경우 Fig. 9의과정 A의돼지모형과같이삼각형의격자들이모여전체계산영역을형성하기때문에얼굴부분과같이격자가조밀하게형성된부분에서왜곡도가기준치를넘어서는경향을보였다. 이는돼지를넣은돈방하나를기준으로하였을때, 돈방외 부의격자간격에비하여돼지의표면의격자간격이약 1/100 정도로작기때문에기준을초과하는적절하지못한결과를보였다. 따라서이를해결하기위하여과정 (2) 와같이격자의간격을몸통의경우약 4배, 얼굴의경우약 8배정도크게하였다. 이를통하여왜곡도의기준을초과하지않고돼지를적용할수있었다. 그러나 Gambit 프로그램상의문제로설계한데이터가저장이되지않는문제가발생하였다. 격자의설계과정에는문제가없으나이를저장할경우프로그램이다운되는현상이반복되어발생하였다. CFD 시뮬레이션모델설계에사용된컴퓨터는 Double CPUs 컴퓨터 (Pentium IV 3.0 GHz, 4 GB memory) 로계산수행에충분하다고판단되며, 이같은문제는면, 선등의정보가너무많기때문이라는결과를내리게되었다. 과정 B의돼지모델하나의경우약 300여개의선과약 120개의면정보를가지고있으며, 돈사전체에약 620여마리의돼지를넣을경우약 186,000개의선정보와약 74,400개의면정보가추가로소요되게되는데이는일반적인모델에비하여굉장히많은양이다. 따라서과정 C와같이기존모델의 3차원좌표정보를활용하여 3차원적인평면을만들어획기적으로선과면의수를줄일수있었다. 간략화시킨돼지모델을돈방에적용한결과왜곡도를조절하는데훨씬유용하였고또한총격자수를 30% 정도줄이는효과가있었다. Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 50(1), 2008. 1 33
강제환기식돈사의환기효율성분석을위한 CFD 모델개발 3. 시뮬레이션모델의검증 현장실험을통하여얻은온도데이터중비교적균일하다고판단되는 4월 27일오후 2시에서 3시사이의현장실험결과와시뮬레이션의결과중에서센서가설치된위치와동일한위치에서의온도데이터를비교함으로써시뮬레이션모델의정확도를검증하고자하였다. 첫번째로내부의환경조건을현장의조건과동일하게한후, 2시에서 3시사이의외기온도의평균인 6.2 의공기가측창과양끝의출입구를통하여유입되도록하여시뮬레이션을수행하였다. 이초기결과에서센서가설치된 1.2 m 높이에서의온도데이터를현장실험의온도데이터와비교한결과평균약 4.4 더낮은온도를나타났다. 이는현장에서는측창의유입구로차가운외부공기가바로들어오지못하도록비닐로막아두기때문에공기가비닐과입기구사이에형성된공간에서외부공기보다약 4 정도온도가상승되어내부로들 Fig. 10 Comparison of the averaged air temperatures in the pig house measured at the field experiment and computed by the 3- dimensional CFD simulation 어오는것으로확인되었다. 이와같은현상은추후의현장실험에서직접지점별로측정하여확인을하였다. 따라서측창에서유입되는공기의축사의길이별온도분포를 UDF(User defined function) 을사용하여측창의양끝부분에서가운데로갈수록온도가외부온도보다약 4 정도까지점차높아지도록설정하여시뮬레이션에적용하였다. 그결과현장실험의온도데이터와의차이가평균약 0.8 까지근접하였으며, 현장의환경조건이불안정, 불균일한상태임을감안하였을때, 공학적으로상당한수준까지정확도를향상시킨것으로판단되었다. Fig. 10에서는 Fig. 2에서보여주는센서들의각위치에서의온도비교를보여주고있다. 4. 돈사내부의환기효율성비교분석실험농장은측창에서유입되는공기가돈사내부를순환하여팬이설치된덕트를통하여배기되는음압식환기시스템을사용하고있다. 또한측창바로아래지붕방향으로 1 m 폭의유도판을두어 Fig. 11 과같이지붕방향으로공기가유입되어상층부의따뜻한공기를통하여온도가상승된후돈군으로내려가유해가스와함께외부로배출될것을기대하였다. 그러나이러한구조는 B 지점으로환기를집중시키므로상대적으로 A 지점의환기효과가미비해질수있기때문에환기구조적으로완벽한구조는아니라고판단되었다. 이와같은환기구조상에서는 B 지점이 A 지점보다상대적으로온도가낮을것으로예상되었으나, 현장에서측정한결과오히려 A 지점이 B 지점보다온도가훨씬낮은결과를보였다. 이는동절기에내부의온도가급격히떨어지는것을감안하여환기량을최소로하기때문에유입구인측벽입기구에서의공기유입속도가미비하게된다. 이로인하여유입되는공기흐름이돈사의중앙부까지뻗어나가지못하고, 또한환기가지속될경우 Fig. 11에서와같이중앙부에반시계방향의와류가형성되어유입되는공기를 A 지점방향으로밀어내리게된다. 이로인하여차가운무거운공기가돈사중앙부까지퍼지지못하고바로측벽을타고돈군으로떨어지는현상을보였다. 이는돈사내부의균일 34 한국농공학회논문집제 50 권제 1 호, 2008
서일환 이인복 홍세운 황현섭 Jessie P. Bitog 유재인 권경석 하태환 김현태 Fig. 11 Ideal(left) and real(right) air flow distribution of the pig-house computed by the CFD simulation 성과 안정성을 저해시키고 또한 온도의 편차를 증가 시켜 적정성 유지에 어려움을 겪을 것으로 판단되었 다. 농장 운영자가 제시한 폐사 데이터를 확인한 결 과 약 70% 이상의 폐사율이 이 지역에서 발생한 것 으로 나타났으며, 또한 다른 지역에 비하여 증체율도 매우 떨어지는 것으로 나타났다. Fig. 12는 시간에 따라서 온도의 변화를 돼지 높 이와 센서가 설치된 1.2 m 높이에서 나타낸 것이다. 내부의 온도분포가 대칭형이 이루어지지 않는 이유는 양쪽 끝벽에 위치한 출입문의 크기와 틈새의 크기가 서로 달랐으며, 또한 현장실험을 통하여 풍상측에 노 출되어 있는 왼쪽 출입문을 통하여 더 많은 찬 바람 이 유입되었기 때문이다. 양쪽의 출입구와 측창을 통 하여 유입되는 차가운 공기는 상대적으로 밀도가 높 기 때문에 바닥 부근으로 떨어져서 퍼지게 되었다. 따라서 측벽의 유입구와 양쪽 출입구 근처 돈방에 온도가 다른 지역에 비하여 약 3 4도 가량 낮은 것 으로 나타났으며, 돼지의 증체율이나 페사율이 이곳 에서 집중적으로 발생할 것으로 판단되었다. 내부의 온도가 25 일 때 환기를 시작한다고 가정하여 120 초 동안 환기를 수행시킨 시뮬레이션의 결과, 돼지 높 이에서의 온도는 평균 19.1 로 120초 동안 약 5.9 만큼 평균 온도가 떨어졌다. 이는 돈사의 2 m 높이에 서의 평균 온도인 20.9 와 비교하여 1.8 더 낮은 결과로 환기로 인하여 찬 바람이 바닥에 더 큰 영향 을 주기 때문으로 판단되었다. 또한 돼지 높이에서의 온도 편차는 최대 약 14.6 로 온도의 균일성 뿐 아 니라 안정성에도 문제가 나타났다. 이처럼 동절기에 너무 오랫동안 환기를 시킬 경우, 측벽의 유입구와 양쪽 출입구 근처 돈방을 중심으로 발생하는 급격한 온도 차이가 발생하여 돼지에게 커다란 스트레스 요 인으로 작용하기 때문에 돈군 사육환경의 적정성 균일성을 매우 악화시키며 폐사율을 증가시키는 요인으로 작용할 것으로 판단되었다. 일반적으로 사의 경우 환기 작동은 ON/OFF 형태로 운영이 및 큰 축 되 Fig. 12 Changes of internal air temperature distribution at 1.2m height and 0.5m height at 5, 60 120 sec after the ventilation started. bottom line is inlet vent openings while the outlet chimneys are located at the upper part Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 50(1), 2008. 1 35
강제환기식돈사의환기효율성분석을위한 CFD 모델개발 는데, 이번연구의결과로보면환기가작동되는시간은짧고자주수행하는것이좋다는결과를보여주었다. CFD 시뮬레이션의결과각작동시간은 30 초를넘지않는것이바람직한것으로나타났다. Fig. 13과같이돈사전체의암모니아농도평균은시간에따라지수적으로감소하는결과를보였다. 이는 Tracer gas decay를사용하여환기량을계산할수있는근거로판단된다. 공기의유출입을통한기존의환기량계산방법에따르면돈사의환기량은 0.0918 min -1 이다. 그러나 Tracer gas decay 법으로계산한돈사전체의환기량은 0.0513 min -1 이었다. 이는기존의계산법에의한환기량의실제환기효율성은약 56% 에불과한것을보여주고있으며, 이는기존의환기량계산방법이실제환기효율성을나타내는데어려움이있고또한실제수행되는환기의정도를측정하기위하여한계가있음을보여주고있다. Lee et. al(2007) 에서는기존환기량계산방법보다 Tracer gas decay방법의더높은정확도를보여주고있다. Lee 등은환기수행시시설내공급되는공기량자체가중요한것이아니라시설내에오염된공기가얼마나신선한공기와교체되는지가중요하다고주장하였다. Fig. 14는 Tracer gas decay Fig. 13 Changes of CFD computed locally averaged ammonia concentrations in the pig house 법으로계산한돼지높이에서의지역적환기효과를나타낸결과, TGD 방법으로계산된돈사전체의환기량보다최대 36% 평균약 18% 더높은것으로나타났다. 이는유입된찬공기가바닥에집중되어돈군에서의환기효율성을더높이는것을알수있었다. 또한지역적으로환기의효율성이약 38% 의차이를보여지역적인환기의균일성이부족한것으로나타났다. III. 결과및고찰 본연구를통하여강제환기식돈사의사육환경특히환기를정량적으로연구할수있는전산유체역학 (CFD) 3차원모델을개발하고자하였다. 특히돈사내돼지를설계추가함으로써실제상황에더욱가까운모델을만들고자노력하였다. 이전의연구들과같이축사의시뮬레이션모델에동물을배제할경우, 동물에의한유동장의변화, 체열및수분발생등을효과적으로나타내는것이어려워지기때문이다. 이번연구에서는돼지의모델을시뮬레이션에적용하고, Tracer gas decay method등다양한기술을적용함으로써시뮬레이션결과의정확도를향상시키고현실성을높일수있었다. 완성된모델은현장실험의결과를바탕으로타당성을검증하였으며, 온도의경우오차가약 4.1% 로나타났다. 검증된모델을사용하여돈사내부의환기효율성을 Tracer gas decay 법을사용하여계산하였다. 그결과기존의계산법에의한환기량은실제이루어지고있는환기량의약 56% 에불과한것으로나타났으며, 특히지역적으로많은차이가발생하는것으로나타났다. 돼지높이에서의환기효율성은지역적으로약 38% 의차이를보여지역적인환기의균일성이부족한것으로나타났다. 또한눈에보이지 Fig. 14 Regional ventilation rates computed by tracer gas decay method at the pig zone (unit : air exchanges, min -1 ) 36 한국농공학회논문집제 50 권제 1 호, 2008
서일환 이인복 홍세운 황현섭 Jessie P. Bitog 유재인 권경석 하태환 김현태 않는내부의공기유동을정성적및정량적으로가시화함으로써돼지의사육환경에문제점들의원인파악이가능하였다. 이연구를통하여전산유체역학 (CFD) 3차원모델은돈사의사육환경연구에효과적으로이용될수있을것으로판단되며, 특히연구자가인위적으로자연기상상태, 사육시설및돈군의상태등을바꾸어가면서다양하게상대비교가가능할것으로판단된다. 또한원인분석을가능하게함으로써해결책도출에도큰도움을줄수있을것으로판단된다. Reference 1. Bjerg, B., K. Svidt, & G. Zhang. 2002. Modeling of air inlets in CFD prediction of airflow in ventilated animal houses. Computers and Electronics in Agriculture 34. pp. 223-235 2. Fluent manual, 2006, Version 6.2.2. Lebanon, N.H. Fluent Inc. 3. Harral, B. B., & C. R. Boon. 1997. Comparison of predicted and measured air flow patterns in a mechanically ventilated livestock building without animals. J. Agric. Eng. Res. 66. pp. 221-228 4. Lee, I., W. Park, & B. Yu. 2002. Optimum design of forced ventilation system of piglet house using computer simulation. Presented at the 2002 ASAE annual international meeting. ASAE paper number : 024109. St, Joseph. Mich. :ASAE 5. Lee, I. 2007. Evaluation of CFD accuracy for the study on ventilation of a naturally ventilated broiler house. JARQ 6. NAQS, National agricultural products quality management service, 국립농산물품질관리원, http:// www.naqs.go.kr 7. Norton, T., D. Sun, J. Grant, R. Fallon, & V. Dodd. 2007. Applications of computational fluid dynamics(cfd) in the modelling and design of ventilation systems in a agricultural industry : A review. Bioresource Technology. 8. Statistical Survey of Livestock Industry(SSLI). 2006. NAPQMS(National Agricultural Product Quality Management Service), Korea. 9. Sun, H., R. Stowell, H. Keener, D. Elwell, & F. Michel. 2002. Two-dimensional computational fluid dynamics modelling of air velocity and ammonia distribution in a high rise hog building. Transactions of the ASAE 45, pp. 1559-1568 10. Sun, H., H. Keener, W. Deng, & F. Michel. 2004. Development and validation of 3-D CFD models to simulate airflow and ammonia distribution in a high-rise hog building during summer and winter conditions. Agricultural Engineering International : the CIGR Journal of Scientific Research and Development. Manuscript BC 04 004. Vol. VI. 11. Wathes, C. M. & D. R. Charles. 1994. Livestock Housing. Cab International. UK Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 50(1), 2008. 1 37