Analysis of Aerodynamic Improvements to solve Major Environmental Problems in Domestic Piglet House

Abstract

In recent years, the livestock industry in domestic agricultural production has increased steadily, accounting for about 43%, as meat-oriented consumption has increased. Among them, the production of swine is the largest amount, and farmers are required to mass-produce farms while the number of swine workers in rural areas is decreasing. As a result, many swine facilities are becoming larger and maximizing the production of swine through concentrated breeding in large-scale facilities. However, the control of the internal environment in such a large-scale facility is very close to the productivity of swine. If the internal environment is not properly maintained, feed efficiency will decrease and productivity will be lowered, and it will become vulnerable to disease exposure and lead to death. In particular, young swine is sensitive to environmental changes, which can easily lead to mortality if they do not provide adequate growth conditions during the winter and the summer. For this reason, environmental control swine house is very important. In many farmhouses, the existing conventional swine houses are remodeled and the ventilation system is different for each farmhouse. Also, farmers operate in an empirical method, so there is not a standardized management for environmental control of swine house. Therefore, in order to maximize the annual production of swine and to reduce the damage caused by diseases, it is becoming increasingly important to control the optimal growth environment through the proper operation of the ventilation system of the facility. In Korea, various environmental problems are occurring in winter season, summer season, and changing season due to distinct seasonal climate characteristics. The main problems of swine house are internal temperature, humidity, ammonia gas, etc. These environmental factors are dominantly influenced by air flow, which is the main mechanism of diffusion. Therefore, aerodynamic analysis and improvement of seasonal environmental problems are needed to improve the productivity of swine. Numerical studies on the various conditions inside the swine facility have been conducted through computational fluid dynamics simulation. However, few studies have been carried out to analyze the various ventilation system and environmental condition. In addition, aerodynamic analysis of the existing standard swine house model is insufficient. Therefore, in this study, the main objects are to understand the internal environmental problems mainly occurring in swine house and to evaluate the improvement methods through aerodynamic analysis. Computational fluid dynamics simulations were performed to analyze various environmental conditions and ventilation systems. Heat, moisture and ammonia were simulated inside the swine house, and a lot of models were developed considering various ventilation system. Model validation was based on previous research results. As a result of this study, it is suitable to use the ceiling hole inlet type and the pit fan to solve the low temperature problem in the winter season. To solve humidity and ammonia problems at the same time, it is necessary to adjust the ventilation rate. It is appropriate to supplement the temperature by using some heating devices. In summer season, the fan may be overloaded due to excessive air volume when operated with the ventilation rate of 2009 Korean Standard. Because it is possible to control the internal environment of the swine room sufficiently by the ventilation rate based on MWPS, it is suitable to operate with the maximum ventilation rate based on MWPS. In addition, in order to solve the high temperature problem around the swine group, it is effective to use the pipe partition. Based on the results of this study, it is expected that it can be used as basic data for environmental management of domestic swine house.

최근 육류위주의 소비가 증가함에 따라 국내 농업 생산액 중 축산업은 꾸준히 증가하여 약 43%를 차지하고 있다. 이중에서도 양돈 생산액은 가장 많은 양을 차지하고 있으며, 농촌의 양돈 종사자가 줄어들고 있는 상황에서 농가당 대량 생산이 요구되고 있는 실정이다. 이에 따라, 많은 양돈시설들이 대형화되고 있으며, 대형화된 시설에서 밀집사육을 통해 돼지의 생산량을 극대화하고 있다. 그러나 이러한 대형화된 시설에서 내부 환경조절은 돼지의 생산성에 매우 밀접하다고 할 수 있다. 내부 사육 환경이 적절하게 유지되지 못하면 사료효율이 감소하게 되어 오히려 생산성이 떨어지며, 질병 노출에 취약해지게 되어 급기야 폐사에 이를 수 있다. 최근까지도 구제역 등의 질병으로 인한 피해사례가 빈번하게 발생하고 있는 실정이다. 특히, 어린 돼지들은 환경 변화에 민감하여 동절기, 하절기, 환절기와 같은 시기에 적정 생육환경을 제공하지 못하면 쉽게 폐사에 이를 수 있다. 이와 같은 이유로, 돈사 내부의 환경 조절은 매우 중요하다고 할 수 있다. 한편, 국내 돈사 시설은 재래식 돈사가 많은 비중을 차지하고 있으며, 최근 표준 설계도가 출판되었지만, 아직까지도 대부분 노후화된 축사로 이루어져 있다. 특히 많은 농가에서는 기존의 재래식 돈사를 개조하여 운영하고 있으며, 농가마다 환기 구조가 상이하며 농가의 경험적인 방식으로 운영을 하기 때문에 환경 조절을 위한 표준화된 운영 방침이 미비한 실정이다. 또한 최근 폭염, 한파와 같은 극한 기후 사상들이 빈번하게 발생하고 있어 이로 인한 피해 역시 증가하고 있다. 따라서 연중 돼지의 생산량을 극대화하고 질병으로 인한 피해를 줄이기 위해서는 시설 내부 환기시스템의 올바른 운영을 통해 적정 생육 환경 조절의 중요성이 점점 부각되고 있다. 우리나라는 뚜렷한 사계절의 기후 특성으로 동절기, 하절기, 환절기에 여러 가지 환경 문제들이 발생하고 있다. 돈사에서 발생하는 주요 문제점은 내부의 온도, 습도, 암모니아 가스 등이 있으며, 이러한 환경 요소들은 확산의 주요 메커니즘인 공기 유동에 지배적인 영향을 받는다. 따라서 돈사의 생산성을 향상시키기 위해서는 이러한 계절별 환경 문제들에 대한 공기역학적인 분석 및 개선 방안이 필요하다. 한편 기존의 국내·외 연구들의 경우 돈사 내부 환경 분석을 위하여 현장실험들이 다양하게 이루어져 왔다. 그러나 현장에서 측정할 수 있는 계측 방법 및 위치 선정에는 제한이 있으며, 동일한 환경 조건에서 다른 환기 구조를 적용해보기 어렵다는 한계가 있다. 최근 전산유체역학 시뮬레이션을 통해서 시설 내부의 다양한 조건에 대한 분석들이 진행되고 있으나, 돈사에서 활용되는 환기 구조, 환기량 등에 대한 종합적인 분석을 수행한 연구는 거의 없다. 또한 기존의 표준 돈사 모델에 대한 공기역학적 분석이 미비한 실정이며, 극심한 기후 조건일 경우 대처 방안이 전무한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 국내 표준 자돈사를 대상으로 돈사에서 주로 발생하는 내부 환경 문제점들을 파악하고 이에 대한 공기역학적인 분석을 통하여 개선 방안들을 평가하고자 하였다. 계절별 주요 환경 문제들과 공기역학적인 개선 방안들을 다양한 환경 조건에서 평가하기 위하여 본 연구에서는 전산유체역학을 이용하였다. 대상 시설은 2009년도 표준돈사설계도에서 제공하는 이유자돈사이며, 대상 축종은 7-8주령의 이유자돈이다. 대상 시설 및 자돈에 대한 전산유체역학 모델을 설계를 하였으며, 이를 시뮬레이션에 적용하기 위한 경계조건은 현장실험 및 선행 연구 결과를 바탕으로 설정하였다. 돼지의 발열, 호흡으로 인한 수분발생, 분뇨에서 발생하는 수분 및 암모니아 가스를 고려하기 위하여 선행 연구 결과를 바탕으로 온도, 유속에 따른 발생량을 적용하였다. 또한 전산유체역학 모델의 최적 난류모델을 도출하기 위하여 선행연구를 통해 검증 수행 결과를 활용하였으며, 가장 정확도가 높은 Realizable k-w 모델을 적용하였다. 개선 방안 평가를 위한 해석 케이스들을 설계하였으며, 돈사에서 활용하는 대표적인 입기방식, 배기방식, 보온장치, 칸막이 등을 고려하였다. 온도문제, 습도문제, 암모니아 가스 문제 등을 분석하기 위하여 각 요소에 따른 분석을 수행하였으며 각 환경 요소에 따른 적정 환경 기준치와 비교 분석하여 환기시스템에 따른 평가를 수행하였다. 동절기 환기 시스템에 따른 차이를 분석한 결과, 측벽 입기방식을 사용하는 경우 돈군 주변으로 최소 12℃의 온도가 형성되어 저온스트레스를 유발하는 것으로 모의되었다. 측벽 슬랏의 각도를 형성하여 분석한 결과 최소 온도는 약 5.6℃ 개선되었지만, 적정 생육온도에 미치지 못하였다. 중천장을 활용하는 방식은 중천장 상단의 공간으로 외부 공기를 유입시켜 완충작용을 이용하여 저온 문제를 해결하는 방법이다. 이를 통하여 내부 평균 온도는 25.5℃, 최저 온도는 20.2℃까지 개선할 수 있었다. 특히, 중천장 천공 입기방식의 경우 돈방 전체적으로 고르게 유입시키기 때문에 변동계수가 0.09-0.10으로 균일한 분포를 나타내었다. 한편 온도를 개선하기 위하여 중천장을 활용하는 경우, 돈방 내부의 습도 및 암모니아 농도가 높게 형성되어 환기량 개선이 필수적이라 판단하였다. 환기량을 증가시켜 모의한 결과, 모든 환기 구조에 대하여 습도 및 암모니아 농도가 적정 수준으로 개선되었다. 그러나 저온 문제가 발생할 수 있기 때문에 보온장치를 활용하고자 하였다. 이를 CFD 모의한 결과 중천장 천공 입기 방식 및 피트배기팬을 활용할 경우, 돈방 내부 온도를 24.2℃까지 개선할 수 있었다. 따라서, 동절기 환기 운영방식은 환기량을 상향조절하여, 중천장 천공 입기, 피트배기팬을 이용하되, 보온상자 및 보온등을 활용하여 보온효과를 높이는 것으로 제안하고자 한다. 하절기 국내 환기량 운영 기준은 해외 MWPS 환기량보다 높게 산정하여 운영하도록 고시되어 있다. 이를 CFD 모의한 결과 MWPS 환기량으로 충분히 온도, 습도, 암모니아 제어가 가능한 것으로 분석되었다. 또한 국내 기준 환기량을 적용할 경우, 농가에 설치된 환기팬의 최대 풍량보다 높게 운영되어 환기팬에 부하가 발생하여 팬의 노후화를 야기할 수 있다. 또한 환기량이 높을수록 외부로 배출되는 악취 및 가스의 양이 증가하게 되어, 인근 농가의 민원이 늘어나는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, MWPS 환기량 기준으로 운영할 필요가 있다. 한편 하절기 자돈 주변으로 열섬현상이 발생하여 고온스트레스 문제가 주로 발생한다. 이에 자돈 주변에 신선한 공기가 원활하게 제공되어야 하며, 체감온도를 낮추기 위해서 적정 유속을 유지해야 한다. 자돈을 구분하는 칸막이의 형태가 판넬일 경우 공기의 흐름을 차단하여 돈군 주변으로 온도가 올라가는 문제가 발생한 것으로 분석되었다. 파이프 형태를 이용할 경우, 공기의 흐름이 원활하여 열을 충분히 제거하고 자돈의 체감온도를 낮춰주는 효과가 있을 것으로 사료된다. 따라서, 하절기 최대환기량은 MWPS 기준으로 운영하며, 칸막이 형태는 울타리 형태가 적합할 것으로 판단하였다. 본 연구 결과, 동절기 저온 문제 해결을 위해서는 중천장 천공 입기 방식 및 피트배기 팬을 활용하는 것이 적합하다. 그러나 습도 및 암모니아 문제를 동시에 해결하기 위해서는 환기량을 상향조절할 필요가 있다. 이에 따른 온도는 보온장치를 활용하여 보충하는 것이 적합하다. 하절기 최대환기량 운영시 국내 기준의 상향조절된 환기량으로 운영할 시 과도한 풍량이 발생하여 팬에 부하가 발생할 수 있으며, MWPS 기준 환기량으로 충분히 환경제어가 가능하므로, MWPS 기준 환기량으로 운영하는 것이 적합하다. 또한 돈군 주변의 고온 문제를 해결하기 위해서는 자돈 칸막이의 형태를 파이프와 같은 공기 유동이 원활한 형상으로 설치하는 것이 적합하다. 본 연구의 결과를 바탕으로 국내 자돈사 환경조절을 위한 기초 자료로 활용이 가능할 것으로 기대된다.