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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.51 No.2 pp.155-164
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2017.51.2.155

Analysis of the Internal Environment in an Enclosed Pig House as According to the Height of Duct Applied with Energy Recovery Ventilator

Ho Jun Jung1 , Byeong Eun Moon1, Kyu Dong Nah2, Jin Hyun Kim3, Yong Cheol Yoon4, Hyeon Tae Kim1*
1Department of Bio-Industrial Machinery Engineering, College of Agriculture and Life Science, Gyeongsang National University(Institute of Agriculture & Life Science), Jinju, 52828, Korea
2HNL co., Ltd., Daegu, 42920, Korea
3Department of Precision Mechanical Engineering, College of Science and Technology, Kyungpook National University, Sangju, 37224, Korea
4Department of Agriculture Engineering, College of Agriculture and Life Science, Gyeongsang National University(Institute of Agriculture & Life Science), Jinju, 52828, Korea
Corresponding author : Hyeon Tae Kim +82-55-772-1896+82-55-772-1899bioani@gnu.ac.kr
May 9, 2016 December 21, 2016 January 9, 2017

Abstract

In this study, a energy recovery ventilation system was applied to the pig model, intake and exhaust duct were installed at a height of top(2.1 m), middle(1.25 m) and bottom(0.4 m). In each of the 9 test sites, one test was performed from 10:00 to 18:00, optimal temperature exchange efficiency and temperature distribution were analyzed. In order to analyze the effect of the energy recovery ventilation system, the temperature of 31 points(4 points of the ventilation system and 27 points in the pig house model) was measured from 10:00 to 18:00. The test that showed the highest heat exchange efficiency was the configuration of middle intake duct and top exhaust duct, which was 75.44%. The test that showed the most uniform distribution was the configuration of middle intake duct and bottom exhaust duct. These results will be utilized to optimally design feeding environment of actual pig houses and to reduce fuel cost.


무창 돈사 내 열 회수형 환기장치 가동시 덕트 높이에 따른 내부 환경 분석

정 호준1 , 문 병은1, 나 규동2, 김 진현3, 윤 용철4, 김 현태1*
1경상대학교 농업생명과학대학 생물산업기계공학과(농업생명과학연구원)
2㈜에이치엔엘
3경북대학교 과학기술대학 정밀기계공학과
4경상대학교 농업생명과학대학 지역환경기반공학과(농업생명과학연구원)

초록

본 연구에서는 열 회수형 환기 시스템을 돈사 모델에 적용하고, 입기 덕트와 배기 덕트는 상(2.1m), 중(1.25m), 하(0.4m)의 높이로 설치하였다. 총 9개 시험구에서 하루에 10:00부터 18:00까지 한 시험 구씩 실험을 진행하여 최적의 온도 교환효율 및 온도분포 등을 분석하였다. 온도 측정 지점은 각 평면 당 9지점, 3높이, 총 27지점을 측정하였으며, 열 회수형 환기장치 가동에 따른 온도변화 및 온도 교환 효율을 측정하기 위하여 급기(Supply Air), 외기(Outdoor Air), 배기(Exhaust Air), 환기(Returen Air) 입구에 온도센서를 설치하여 측정하였다. 또한, 유체가 유입되고 배출되는 중간면의 온도 분포를 분석 하였다. 온도는 모든 시험구에서 RA, EA, SA, OA순으로 측정되었고, 온도 교환효율은 Test-2에서 75.44%로 가장 높게 측정되었다. 온도는 배기구보다는 입기구가, 하층부보다는 상층부가 높게 측정되 었고, Test-8에서 가장 균등한 온도 분포가 측정되었다.


    Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs

    서론

    현재 국내 육류 소비량은 꾸준히 증가하고 있는 가운데 양돈 생산량은 양계 생산량 다음으로 가장 높은 비중을 차지하고 있다. 돈사의 시설 규모는 점 차 대형화 되어가고 있으며, 농가 수는 줄어드는 데 반해 가축 수는 점차 증가하고 있는 고밀도의 집약 형 밀집 사육을 실시하여 축산물의 생산력증대를 도 모하고 있다(KOSIS, 2015). 고밀도 집약형 사육으 로 인하여 사료, 동물의 피부 박편, 분변 등으로 인 한 각종 미세 먼지나 미생물, 유해가스 등이 시설 내부에 과도하게 집적되는 상황이 야기될 수 있다. 이러한 경우, 일반적으로 환기를 통하여 신선한 외 부 공기를 주입하고 시설 내부에 발생 및 집적되어 있는 각종 오염 물질 및 유해가스를 제거함으로써 내부 환경의 개선을 도모하고 있다. 동물군의 최적 환경 조성의 중요성이 대두되면서 적합한 시설 환경 마련이 더욱 요구되고 있으나 적정 환기 및 내부 환 경 요소의 유지가 쉽지 않아 생산성 향상에 많은 어 려움이 산재하고 있다(Han et al., 2012). 또한, 국 내 기후는 가축의 적정 사육온도에 비해 여름철에는 돈사내에 온도가 너무 높고, 겨울철에는 너무 낮기 때문에 냉난방을 위한 축산 농가의 경제적 부담이 가중되고 있다(Yoo, 1997). 환기량 부족으로 인한 실내오염 공기를 개선하기 위한 도구로 일반적으로 환기를 이용하고 있으나 환기 시 발생하는 냉난방 에너지의 손실이 크며, 이에 대한 대안으로 환기 에 너지 손실분의 활용을 위한 열회수 환기 연구의 필 요성이 높아지고 있다(Kang & Koh, 2006).

    최근 국내에서도 열 회수형 환기장치를 생산하는 제조사가 급격히 증가하고 있고(Jang & Hong, 2008), 공동주택, 아파트, 병원, 공장, 호텔, 백화점 등의 공간에서도 많이 활용되고 있으며(Lim & Cho, 2005), 실제로도 신축 공동주택에서는 환기설비 설 치를 의무화하고 있는 실정이다(Zhou et al., 2007). 열 회수형 환기장치란 시설로부터 배출되는 고온의 배기류를 이용하여 시설내부 환기를 위하여 투입되 는 차가운 외기를 가온시키는 폐열회수 환기장치로 서 시설 난방을 위해 투입되는 에너지의 절약을 도 모하고, 차가운 외기의 유입으로 인한 열적 균일성 감소 및 그에 기인한 호흡기성 질병 발생을 미연에 방지하고자 하는 효과를 기대할 수 있다(Han et al., 2012). 또한, 에너지 절감을 위한 열 회수형 환 기시스템은 급기와 배기간의 엔탈피회수를 통해 에 너지절약을 이룰 수 있는 효과적인 에너지 절약 기 술 중에 하나로 꼽히고 있다(Chung & Oh, 2012).

    본 연구에서는, 열회수 환기 시스템을 돈사 모델 에 적용하고, 입기 덕트와 배기 덕트의 높이를 각각 상, 중, 하로 나누어 설치하여 실험을 진행하였다. 열 회수형 환기시스템의 온도교환 효율은 실내 온도 조건의 영향을 받으므로(Kim et al., 2008) 온도분 포 등을 분석하였다. 실제 돈사 연료비용 절감 및 돼지 사육환경 최적설계를 위한 기초 데이터로 활용 하고자 한다.

    재료 및 방법

    1.실험돈사 설계 및 제작

    실험돈사는 Fig. 1과 같이 대한한돈협회 표준 돈 사 설계도(Korea Pork Producers Association, 2009)를 기준으로 상사법칙을 적용, 축소하여 샌드 위치 패널(EPS Panel) 두께 50mm, 가로 3,300mm, 세로 5,400mm, 높이 2,200mm로 설계하여 제작하 였다. 대한한돈협회 표준 자돈사 설계도면은 15평 규모로 모형 돈사의 축소 설계를 위해 Table 1과 같 이 기하학적 상사법칙을 적용하여 5.4평 규모 모형 돈사 설계하였다.

    2.측정 장비 구축 및 측정 방법

    돈사의 내부 온도는 데이터 로거(midi LOGGER GL 820, GRAPHTEC, Japan)와 K-type 온도센서(K-type thermocouple)를 이용하여 측정하였다. 온도 측정 지점은 Fig. 2와 같이 돈사 내부 상(2.0m), 중 (1.1m), 하(0.2m) 각 평면당 9지점, 총 27지점을 측 정하였으며, 바닥 및 벽으로부터 0.2m의 간격을 띄 워 측정하였고, 또한 열 회수형 환기장치 가동에 따 른 온도변화 및 효율을 측정하기 위하여 급기(SA), 외기(OA), 배기(EA), 환기(RA) 입구에 온도센서를 설치하여 측정하였다.

    실험에 사용된 환기팬 및 열 회수형 환기장치의 구체적인 사양은 Table 2와 같으며, 환기팬(EU- 350S-4-6, Euro-Housing, Seoul, Korea)의 경 우, 날개직경 350mm, 풍량 3,300m³/h, 회전수 1,650rpm이고, 열 회수형 환기장치는 회전형 전열 교환방식으로 제품크기 570mm×590mm×300mm, 풍량 150m³/h, 온도효율 77%, 엔탈피교환효율 난 방 시 69%, 냉방 시 62%, 연결 덕트 구경 Φ100 및 소비전력 65W로 제작하여 실험하였다.

    3.실험 방법

    3.1.덕트 높이에 따른 온도 교환효율 분석

    덕트는 입기구와 배기구를 상(2.1m), 중(1.25m), 하(0.4m)로 나누어 설치하여 Table 3, Fig. 3과 같 이 총 9개 시험구에서 실험을 진행하였다. 2015년 10월 4일부터 27일까지 하루에 한 시험구씩 10:00 부터 18:00까지 가동하여 내부 환경을 측정하였다.

    또한, 열 회수형 환기장치의 열 회수율을 측정하 기 위해, EA, RA, SA 및 OA점에서 온도를 측정하 여, Eq. 1과 같이 온도 교환효율을 계산하였다.

    Temperature exchange efficiency:(1)

    η T = ( t O A t S A ) ( t O A t R A ) × 100
    (1)

    where,

    • ηT =  Temperature efficiency (%)

    • tOA =  Outdoor air dry bulbtemperature (℃)

    • tSA =  Supply air dry bulbtemperature (℃)

    • tRA =  Return air dry bulbtemperature (℃)

    3.2.열 회수형 환기장치 가동 시 각 층별, 중간면 온도 분석

    Figure 4와 같이 유체가 유입되고 배출되는 중간 면의 온도 분포를 분석하기 위해 온도를 측정하였 다. 온도는 상(2m), 중(1.1m), 하(0.2m) 3지점씩 총 9개 지점에서 측정하였다.

    결과 및 고찰

    1.덕트 높이에 따른 열 회수형 환기장치 가동실험

    1.1.Test-1의 분석 결과

    Figure 5는 Test-1의 시간에 따른 4개의 덕트의 온도와 온도 교환효율을 그래프로 나타낸 것이다. 온도는 RA, EA, SA, OA순으로 측정되었고, 각 덕 트의 평균 온도 및 평균 효율은 10.7℃, 10.2℃, 9.5℃, 7.2℃, 66.95%로 측정되었다. 온도 교환효율 은 대개 60-70%의 범위를 나타내었으며, 15:00 이 전까지는 일정한 기울기로 계속되다가 그 후로 조금 더 높은 기울기로 증가하는 것을 알 수 있었다.

    1.2.Test-2의 분석 결과

    Figure 6은 Test-2의 시간에 따른 4개의 덕트의 온도와 온도 교환효율을 그래프로 나타낸 것이다. 온도는 RA, EA, SA, OA순으로 측정되었고, 각 덕 트의 평균 온도 및 평균 효율은 28.03℃, 27.61℃, 26.93℃, 24.43℃, 75.44%로 측정되었다.

    온도 교환효율은 가동 시작 시간인 10:00부터 14:00까지 꾸준히 증가하는 경향을 보였고, 그 후 1 시간가량 감소하다가 다시 증가하는 경향을 보였다. 15:30부터 16:30까지 효율이 100%가 넘는 구간이 있는데, 이는 계측상의 오류로 판단된다.

    1.3.Test-3의 분석 결과

    Figure 7은 Test-3의 시간에 따른 4개의 덕트의 온도와 온도 교환효율을 그래프로 나타낸 것이다. 온도는 RA, EA, SA, OA순으로 측정되었고, 15:30 까지 계속적으로 증가하다가, 서서히 감소하는 형 태를 보였다. 온도 교환효율은 대체적으로 60-80% 범위 안에서 분포를 띄었고, 16:00부터는 약 60% 로 일정하게 측정되었다. 온도의 평균은 26.29℃, 25.71℃, 24.95℃, 22.32℃순으로 측정되었고, 온도 교환효율의 평균은 67.71%이다.

    1.4.Test-4의 분석 결과

    Figure 8은 Test-4의 시간에 따른 4개의 덕트의 온도와 온도 교환효율을 그래프로 나타낸 것이다. 온도는 RA, EA, SA, OA순으로 측정되었고, 14:30 까지 계속적으로 증가하다가, 서서히 감소하는 형태 를 보였다. 온도 교환효율은 대체적으로 15:30까지 미세하게 증가하다가, 그 후로 높은 기울기의 형태 로 증가하는 형태를 보였으며, 온도의 평균은 21.4 8℃, 20.94℃, 20.13℃, 17.54℃순으로 측정되었고, 온도 교환효율은 평균 68.39%로 측정되었다.

    1.5.Test-5의 분석 결과

    Figure 9는 Test-5의 시간에 따른 4개의 덕트의 온도와 온도 교환효율을 그래프로 나타낸 것이다. 온도는 RA, EA, SA, OA순으로 측정되었고, 12:00 까지 계속적으로 증가하다가, 15:30까지 거의 일정 한 형태를 보이며, 그 후부터는 급격히 감소하는 형 태를 보였다. 온도 교환효율은 대체적으로 15:00까 지 일정한 형태로 증가하고, 그 후로 약간 감소한 후, 일정한 형태를 보였으며, 온도의 평균은 24.8 2℃, 24.35℃, 23.63℃, 21.08℃순으로 측정되었고, 온도 교환효율은 70.64%로 측정되었다.

    1.6.Test-6의 분석 결과

    Figure 10은 Test-6의 시간에 따른 4개의 덕트 의 온도와 온도 교환효율을 그래프로 나타낸 것이 다. 온도는 RA, EA, SA, OA순으로 측정되었고, 14:00까지 미세하게 증가하다가, 그 후부터는 급격 히 감소하는 형태를 보였다. 온도 교환효율은 대체 적으로 증가, 감소를 반복하지만 전체적인 기울기로 보면 증가하는 경향을 보인다. 온도의 평균은 26.2 1℃, 25.54℃, 24.72℃, 21.98℃순으로 측정되었고, 온도 교환효율은 67.02%로 측정되었다.

    1.7.Test-7의 분석 결과

    Figure 11은 Test-7의 시간에 따른 4개의 덕트 의 온도와 온도 교환효율을 그래프로 나타낸 것이 다. 온도는 RA, EA, SA, OA순으로 측정되었고, 12:00까지 계속적으로 증가하다가, 15:30까지 거 의 일정한 형태를 보이며, 그 후부터는 서서히 감 소하는 형태를 보였다. 온도 교환효율은 대체적으 로 15:30까지 일정한 형태로 증가하고, 그 후로 약간 감소한 후, 일정한 형태를 보였으며, 온도의 평균은 23.66℃, 23.35℃, 22.71℃, 20.19℃순으 로 측정되었고, 온도 교환효율은 73.54%로 측정되 었다.

    1.8.Test-8의 분석 결과

    Figure 12는 Test-8의 시간에 따른 4개의 덕트의 온도와 온도 교환효율을 그래프로 나타낸 것이다. 온도는 RA, EA, SA, OA순으로 측정되었고, 온도는 시간에 따라 증가, 감소를 반복하고 있지만, 전체적 인 기울기로 보면 감소하는 경향을 보였다.

    온도 교환효율은 전체적인 기울기를 보면 증가하 는 것을 알 수 있고, 온도의 평균은 22.64℃, 21.7 1℃, 20.84℃, 18.08℃순으로 측정되었으며, 온도 교환효율은 66.64%로 측정되었다.

    1.9.Test-9의 분석 결과

    Figure 13은 Test-9의 시간에 따른 4개의 덕트의 온도와 온도 교환효율을 그래프로 나타낸 것이다. 온도는 RA, EA, SA, OA순으로 측정되었고, 11:30 까지 일정하게 증가하다가, OA를 제외한 나머지 3 개의 덕트에서는 약 4시간가량 온도가 일정한 분포 를 띄었다. 온도 교환효율은 증가, 감소를 반복하지 만 전체적인 기울기를 보았을 때, 일정하게 증가하 는 것을 알 수 있었다. 온도의 평균은 24.40℃, 23.90℃, 23.16℃, 20.58℃순으로 측정되었고, 온도 교환효율은 69.49%로 측정되었다.

    각 시험구별로 4개 덕트의 평균온도와 온도 교환 효율을 Table 4와 같이 정리하였다. 모든 시험구에 서 RA, EA, SA, OA순으로 온도가 측정되었다. 이 는 고온의 환기(RA)가 배출될 때에 폐열을 시설내부 에 유입되는 차갑고 신선한 외기(OA)에 열을 전달함 으로써 가온되어 시설 내부에 공급(SA)되었다고 판 단된다. 온도 교환효율은 대개 65-75%로 분석되었 으며, 실험에 사용된 열 회수형 환기장치의 현열교 환효율인 77%에 비해 약간 낮게 측정되었다. 이는 배출되는 공기의 열을 회수하여, 외부에서 공급되는 공기에 열을 전달하는 열 회수형 환기 시스템의 특 성상 실험시기인 10월은 배기와 외기의 온도편차가 적기 때문에 실질적인 열 교환 효과를 기대하기는 어렵다고 판단된다(Kim et al., 2008). Test-2에서 75.44%로 가장 높은 효율을 보였고, 입기구의 높이 만을 보고 효율을 분석하였을 경우 상층부일 때, Test-1, 4, 7에서 가장 높은 효율을 보였고, 배기구 의 높이만을 보고 효율을 분석한 경우에도 상층부일 때, Test-1, 2, 3에서 가장 높은 효율을 보였다. 또한, Test-2, 3을 제외한 모든 시험구에서 15:00~16:00 이후로 외기온이 낮아짐에 따라 온도 교환효율이 증 가하는 반비례적 경향을 보였다.Table 5

    2.돈사 내 중간면의 온도 분포 분석

    덕트에서 유체가 유입되고 배출되는 돈사 중간면 에 대한 온도분포를 분석 하였다.우선 온도를 측정 한 후, Fig. 14와 같이 Sigma Plot(Sigma Plot 12.0, Systat Software, Inc., USA) 프로그램을 통해 중간면의 각 시험구별 온도 분포를 나타냈다. 그림은 각 시험구 순서대로 정리하였고, 왼쪽은 배기 구(Exhaust Duct; E. D), 오른쪽은 입기구(Intake Duct; I. D)이다. 당일 외기온에 따라 온도들은 각 각 다르지만, 모든 시험구에서 배기구 보다는 입기 구가, 하층부보다는 상층부의 온도가 미세하게 높은 것을 알 수 있었다. 이는 공기가 유입할 때, 돈사 내부에 열을 공급하면서 배출되는 공기의 온도가 낮 아지는 것으로 판단된다. 또한, 중간면의 온도 분포 는 각 시험구별로 표준편차를 정리한 결과 Test-8 에서 가장 균등한 온도 분포가 측정되었다.

    감사의 글

    본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림수산 식품기술기획평가원의 첨단생산기술지원사업의 지원 을 받아 연구되었음(312042-3).

    Figure

    JALS-51-155_F1.gif

    The diagram of model house for the experiment.

    JALS-51-155_F2.gif

    The measuring point of temperature in the pig house.

    JALS-51-155_F3.gif

    Photos of each section according to height the duct.

    JALS-51-155_F4.gif

    Diagram of experimental mid-plane in the pig house.

    JALS-51-155_F5.gif

    Four ducts temperatures and temperature exchange efficiency of Test-1.

    JALS-51-155_F6.gif

    Four ducts temperatures and temperature exchange efficiency of Test-2.

    JALS-51-155_F7.gif

    Four ducts temperatures and temperature exchange efficiency of Test-3.

    JALS-51-155_F8.gif

    Four ducts temperatures and temperature exchange efficiency of Test-4.

    JALS-51-155_F9.gif

    Four ducts temperatures and temperature exchange efficiency of Test-5.

    JALS-51-155_F10.gif

    Four ducts temperatures and temperature exchange efficiency of Test-6.

    JALS-51-155_F11.gif

    Four ducts temperatures and temperature exchange efficiency of Test-7.

    JALS-51-155_F12.gif

    Four ducts temperatures and temperature exchange efficiency of Test-8.

    JALS-51-155_F13.gif

    Four ducts temperatures and temperature exchange efficiency of Test-9.

    JALS-51-155_F14.gif

    Temperature distribution of the each section at the mid-plane.

    Table

    Geometry law of similarity

    m: model, p: prototype, n: scale factor

    Specifications of ventilation fan and Energy recovery ventilator(ERV)

    Heights of ducts of energy recovery ventilator in the pig house

    The results of average temperatures of ducts and temperature exchange efficiencies for tested cases

    Standard deviation of the each test at the mid-plane

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