Introduction
우리나라 양계 산업의 규모와 닭고기 소비량은 꾸준히 증가하고 있는 추세이므로 양계 농가의 증가 및 농가의 생산성 확대가 필요한 상황이다. 효과적인 양계 관리 방법으로 강조되고 있는 것이 내부 환경 조절을 위한 환기이다. 외기를 이용한 환기는 많은 유량을 공급할 수 있는 터널 환기 방식이 주로 활용되고 있다(Wheeler et al., 2003). 계절에 따라 다양한 환기 방법이 있지만 최근 기후온난화로 인해 여름철 외기를 통한 냉방의 효과를 기대하기 어렵다. 30℃ 이상의 고온에서는 육계의 무게가 감소하고 폐사도 많이 발생하는 것으로 알려져 있다(Jeong, 2021). 환기는 온도뿐만 아니라 습도, 분진, 유해가스 등의 관점에서도 매우 중요하다(Lee, 2006). 높은 암모니아와 이산화탄소 발생량은 악취로 인한 주변의 민원을 초래하며 육계 및 노동자의 건강에 위협이 되기도 한다. 최근 양계 시설의 규모가 커지면서 노동력 감축을 위한 시설 자동화가 이루어지고 있으며 내부 환경 조절을 위해 무창계사 방식이 주로 적용되고 있기도 하다. 더 나아가 밀폐형으로 설계하고 미생물을 활용한 악취 저감장치를 활용하면 외부 환경 오염까지 방지할 수 있다. 무창계사의 사육밀도가 더 높은 것으로 알려져 있어 장점이 크지만 무창계사에서 내부 환기가 충분하지 않을 경우 닭고기의 심각한 품질 저하가 나타날 수도 있다(Chae et al., 2009).
양계사의 내부 환경을 분석하기 위해서 온도에 대한 분석 및 공기 유동 해석이 많이 이루어지고 있다. Osorio et al. (2011)은 외기 온도와 유량에 따른 계사 내부 온도를 계산하고 검증하였으며 126 m의 긴 계사 내에서 입구와 출구의 온도가 3℃나 차이가 난다는 결과를 얻었다. 양계사에 대해서 Compuational Fluid Dynamics (CFD)를 활용하여 내부 온도의 상세한 분포를 분석하였으며 유해가스의 불균일한 분포까지 확인하기도 했다(Küçüktopcu and Cemek, 2019; Cao et al., 2017). Tong et al. (2019)는 벨트로 구분된 2층 형태의 양계사에 대해 CFD 해석을 하였으며 공기가 정체된 구간에서 높은 온도와 암모니아 농도를 예상할 수 있었다. 복잡한 구조일수록 공기 순환이 어렵기 때문에 환기 효과를 향상시키고자 전향판, 슬랫 등을 적용하고 있다(Cheng et al., 2018; Lee, 2020).
본 연구에서는 양계사의 획기적인 생산성 향상을 기대할 수 있는 다층형 육계사의 구조를 제시하고 CFD를 이용한 공기 유동 해석을 수행하였다. 육계사의 각 층 사이에는 슬랫이 있어 해석을 간단히 하고자 작은 틈으로 대체할 수 있도록 분석하였다. 공기 유동 개선을 위한 전향판을 각 층에 설치했을 때 각각의 공기 유동과 온도 결과를 비교하여 최적의 조건도 선정했다. 그리고 유량 증가와 온도 감소에 따른 온도 변화를 확인하여 다층형 육계사의 열적 균일도 개선을 위한 방안을 살펴보았다.
Materials and Methods
다층형 육계사 해석 모델
본 연구에서 분석하고자 하는 다층형 육계사는 Fig. 1과 같은 형태이며 길이 70 m, 폭 13.8 m, 높이 13.4 m로 설계되었다. 4층으로 이루어진 구조에서 약 75,000수에 달하는 대규모의 육계를 사육하고자 한다. 밀폐형 방식으로 내부 공기를 순환시키며 순환 공기에 외기를 혼합하고 일부는 배출하는 방식으로 환기가 이루어진다. 찬 공기와 더운 공기는 특성이 다르므로 냉난방이 다르게 이루어 질 수 있으며 여름철에는 Fig. 2와 같이 상부로 냉방을 하고자 한다. 하부에는 음압을 통한 공기 흡입이 이루어지며 상부의 찬 공기를 아래로 끌어 당겨 전체적으로 냉방이 이루어질 수 있도록 한다. 회수된 공기는 내부 혹은 외부에 설치될 공조기를 통해서 공기 혼합이 이루어지고 냉방기를 통해 정해진 온도로 냉각된 후 팬을 통해 다시 상부로 유입된다. 토출구와 유입구는 길이 방향으로 2.5 m마다 배치되어 균일한 공기 순환이 이루어지도록 하였다. CFD 해석에서는 대칭적인 구조 해석에 대한 낭비를 줄이고자 길이 방향으로 7.5 m에 대해서만 해석을 수행하였다. 연구에서 활용한 CFD 해석 프로그램은 Autodesk CFD 2019 (Autodesk Inc., USA)이다. 프로그램에서 제공하는 다양한 해석 방법 중 대류 모델로는 가장 발전된 Modified Petrov-Galerkin 모델을 적용하였으며 난류 해석을 위해서는 육계사에 가장 적합한 것으로 알려져 있는 RNG k-ε난류 모델을 적용하였다(Lee et al., 2007).
CFD에 적용된 다층형 육계사 구조물 모델을 구성하는 부품들은 Table 1에 정리된 재료로 각각 정의되었으며 물성은 소프트웨어에 내장된 수치가 활용되었다. 그 중 공기는 온도에 따라 물성이 달라지는 가변 공기로 적용하였으며 습도 변화로 인한 잠열을 반영할 수 있도록 비열을 수정하였다. 해석한 육계사 구조의 단면은 Fig. 3과 같으며 상부 덕트에서 25℃의 찬 공기가 길이 2.5 m 당 12,000 m3/h의 유량으로 공급되도록 하였다. 밀폐형 육계사의 특성에 따라 덕트 이외의 틈새를 통한 공기 유출은 없는 것으로 가정하며 유입구 개수와 토출구 개수가 동일하므로 하부 덕트로 유입량과 동일한 유량이 배출되도록 경계조건을 설정하였다. 육계에 의한 발열은 2 kg의 무게일 때 약 10 W의 열을 발산하는 것을 고려해 각 층 바닥에서 200 W/m2의 열이 발생하는 것으로 적용하였다. 그리고 햇빛이 강한 여름철 외부 벽면 온도를 50 ~ 60℃로 하고 바닥은 25℃로 열전달의 경계조건을 설정하였다. 내부 온도는 27℃로 유지하는 것을 목표로 하고 있으며 길이 2.5 m당 발열량은 23,400 W이고 12,000 m3/h의 유량을 25℃로 공급하는 경우에 비열을 고려하면 -24,000 W의 냉방 효과가 있어서 이론적으로 적절한 냉방 조건이 되도록 구성하였다.
슬랫 구조 유량 분석
다층형 육계사의 각 층은 Fig. 4와 같이 틈새와 슬랫이 존재한다. 각 층별 공기 순환이 틈새로 이루어지기 때문에 공기 유동 해석의 핵심 부분이다. 그러나 Fig. 5와 같이 세세한 구조의 슬랫은 CFD 모델을 복잡하게 하여 해석이 불가능하게 한다. 슬랫을 통한 공기 흐름의 차이를 확인하기 위해 Fig. 6과 같이 일부분에 대해서만 슬랫 구조를 적용하여 해석을 수행하였다. 슬랫이 있는 벽면 이외의 틈새들은 공기 흐름에 방해가 발생하므로 비슷한 영향을 주기 위해서 원래 300 mm인 간격을 130, 140, 150 mm로 줄여서 시뮬레이션 해석을 수행하였으며 각 틈새 별 유량을 비교하였다.
육계사 내부 열적 균일도 분석
공기 흐름을 바꾸기 위해 설치하는 디플렉터는 Fig. 3과 같이 1, 2, 3층 각 벽면의 중간 높이에 빔 프레임을 활용하여 설치하는 것을 고려하였다. 해석 조건에 따라 디플렉터 구조물을 강 소재의 고체로 설정하여 공기 흐름에 영향을 주기도 하고 유체인 가변 공기로 설정하여 디플렉터에서 제외시키기도 하였다. 디플렉터가 없는 조건과 1, 2, 3층 모두 있는 조건, 1층, 2층, 3층 각각 있는 조건 그리고 1, 2층에 있는 조건에 대해 시뮬레이션을 하여 온도 분포를 확인하였다. 육계의 높이를 고려해 각 층의 지면 150 mm의 온도 값을 결과로 얻었으며 평균값과 표준편차를 이용해 열적 균일도를 확인하였다.
공기 순환 장치에서 조절할 수 있는 냉방 급기의 유량과 온도 변화에 따른 효과도 열적 균일도 개선을 위하여 확인하였다. 온도 편차가 적을 것으로 예상된 2층에 디플렉터를 설치한 조건에서 유량을 120%로 증가시킨 조건과 온도를 1℃ 낮춘 조건으로 시뮬레이션을 수행하여 동일하게 열적 균일도를 층별로 구하고 비교하여 각각의 효과를 파악했다.
Results and Discussion
슬랫 구조 유량 분석
다층형 육계사의 각 층 바닥에 있는 300 mm 틈새들을 통한 유량을 분석하기 위한 CFD 시뮬레이션을 수행하였다. 슬랫이 없는 조건과 슬랫 구조를 적용한 조건, 그리고 슬랫을 대체하기 위해 틈새 간격을 줄였을 때의 유량을 비교하고자 Fig. 7과 같이 그래프로 결과를 나타내었다. 슬랫이 없는 조건과 슬랫이 있는 조건의 유량 분포를 비교해보면 슬랫이 있는 경우 틈새를 통한 공기 유동에 저항이 발생하여 슬랫이 없는 벽면 틈새로 많은 유량이 흐르는 것을 확인할 수 있다. 슬랫이 없는 경우 각 틈새 별로 120 m3/h 내외의 비슷한 유량이 흐르는 것으로 보였으나 슬랫이 있는 경우 벽면 틈새로 약 1.5배의 유량인 180 m3/h이 집중되어 흐르는 것으로 나타났다. 슬랫이 있는 틈새를 130, 140, 150 mm의 좁은 틈새로 대체하면 공기 흐름에 방해를 주고 벽면 틈새로 공기가 몰리는 현상이 유사하게 나타났다. 틈새 간격의 크기에 따라서는 슬랫을 대체한 틈새로 흐르는 유량이 비례하여 증가하는 추세가 확인되었으며 틈새가 140 mm일 때 틈새 별 유량이 슬랫 구조를 적용한 해석 결과와 가장 가까웠다. 슬랫을 다층형 육계사 전체 영역에 적용하면 과도한 메쉬 설정으로 인해 시뮬레이션 해석이 불가능하였다. 다층형 육계사의 일부분에 대한 시뮬레이션 해석에서도 슬랫 형상을 적용한 조건에서는 252,641개의 노드와 1,000,202개의 요소가 생성되어 해석에 1,069초가 걸렸다. 140 mm의 틈새를 적용한 시뮬레이션에서는 44,696개의 노드, 186,519개의 요소가 생성되었으며 658초가 걸려 상대적으로 빠르게 해석되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 디플렉터를 적용한 다층형 육계사 전체에 대한 분석 연구에서도 틈새를 140 mm로 대체하여 시뮬레이션을 수행하도록 하였다. 전체 영역에 대해서는 대략 60만개의 노드와 240만개의 요소가 생성되는 것으로 파악되었다.
디플렉터에 따른 육계사 내부 온도 분포
디플렉터 설치 유무 및 층별 설치에 따른 다층형 육계사 내부 온도 분포는 Fig. 8와 같이 나타났다. 25 ~ 30℃의 온도를 파란색에서 빨간색으로 나타내는 색상 범례로 표시되었다. 상부 덕트에서는 25℃의 찬공기가 유입되어 파란색으로 나타나며 육계에 의한 층별 발열 및 벽면의 열전달로 인해 공기가 데워지며 점점 붉은 색으로 변하는 것도 파악할 수 있다. 디플렉터가 없는 경우 공기가 벽면을 따라 바로 하부 덕트로 회수되어 내부를 충분히 냉방시키지 못하는 것으로 보였다. 각 층에 디플렉터를 설치한 조건에서는 디플렉터에 의해 벽면의 공기 흐름이 중심부로 퍼지면서 공기 순환 및 냉방이 이루어지는 것으로 나타났다. 설치 위치에 따라 층별 냉방 효과는 다르게 나타났으며 일부 영역에서 냉방이 충분하지 못해 붉은 색으로 나타나는 곳이 있기도 했다.
냉방 효과를 분석하기 위해 열적 균일도를 Table 2와 같이 계산하여 수치로도 비교하였다. 내부 온도는 27℃를 목표로 하고 있으며 여러 경우에서 비슷한 평균값을 보였으며 냉방이 되지 않은 상황에서는 30℃를 넘어가는 결과도 보였다. 육계의 생장 조건을 고려하면 디플렉터를 설치하여 냉방이 충분히 고르게 되도록 해야할 것으로 예상되었다. 내부의 열적 균일도는 전체 온도의 표준편차를 통해서 비교할 수 있었다. 그 결과, 2층에만 디플렉터를 설치한 경우 온도 편차가 가장 적은 것으로 나타났다. 온도 분포 이미지에서는 2층에만 설치하는 경우에 1층의 공기 순환이 문제가 있을 것으로 예상되어 1, 2층에 디플렉터를 설치한 경우도 같이 시뮬레이션하여 비교하였지만 전체의 열적 균일도가 개선되지는 않았다. 디플렉터를 2층에 설치하는 것이 목표로 하는 27℃ 보다는 평균 온도가 0.6℃ 정도 높았지만 열적 균일도가 가장 좋은 것으로 나타났다. 그러나 여전히 1층과 3층의 온도가 상대적으로 높다는 것을 확인할 수 있어 개선할 방안을 찾도록 하였다.
열적 균일도 개선 방안 분석
디플렉터를 2층에 설치한 온도 분포 결과에서 1, 3층의 온도가 상대적으로 높아 이를 해결하기 위한 개선 방안으로 공조기와 냉방기에서 조절이 가능한 유량과 온도를 조절하여 시뮬레이션을 추가 해석하도록 하였다. 유량을 증가시키는 경우는 기존의 120%로 하여 2.5 m 당 14,400 m3/h의 유량을 공급하는 것으로 조절하며 온도를 감소시키는 것은 공기 유입 온도를 1℃ 낮춰 24℃로 제어하는 것이다. 이러한 조건으로 추가 해석을 진행한 결과는 Fig. 9와 같이 비교를 위한 온도 분포로 얻었다. 유량을 증가시킨 경우에는 붉은 부분이 줄어들어 냉방이 더욱 많이 된 것으로 볼 수 있다. 온도를 낮춘 경우에는 파란 부분이 늘어나 25℃에 가깝거나 더 낮은 부분이 많아져 냉방 효과가 큰 것으로 나타났다.
냉방 제어 방안에 따른 열적 균일도는 Fig. 10에 평균과 표준편차를 표시하여 비교하도록 하였다. 기존의 2층에만 디플렉터를 설치한 경우에는 1층과 3층 온도가 높은 것을 볼 수 있다. 이와 비교하면 각 방안에 따른 층별 온도 변화 효과를 확인할 수 있다. 유량을 증가시키면 1층의 온도가 상대적으로 많이 내려가고 3층의 온도는 비슷하나 편차가 다소 커지는 것으로 나타났다. 온도를 낮추는 경우에는 그래프 상으로도 전체적인 온도 하락을 확인할 수 있으며 특히 상부와 가까운 3층의 온도 감소 영향이 큰 것으로 볼 수 있다. 전체에 대한 열적 균일도는 유량 증가시 27.11 ± 1.055℃로 나타나며 온도 감소시 26.29 ± 1.405℃로 나타났다. 두 방안 모두 냉방 효과가 있었으며 온도 감소가 더 효과가 컸다. 다만, 온도 편차는 다소 증가하여 1, 3층의 온도는 낮추었지만 불균일하게 냉방이 이루어졌다. 실제로 냉방을 할 때에는 내부 환경 센서를 활용해 층별 실시간 온도 분포를 취득하고 이를 기반으로 유량과 온도를 복합적으로 제어하여 열적 균일도를 더욱 향상시킬 수 있을 것이다. Jeong et al. (2021)이 제시하는 농축산 분야의 디지털 트윈 기술로서 유체 및 열역학 시뮬레이션을 위해서는 CFD 해석이 필요하다. 다층형 육계사의 내부 환경 예측 및 최적화를 위한 방안으로서 유량 및 온도의 제어는 효과적일 것이라고 판단되며 내부 환경 조건을 적용한 실시간 시뮬레이션 해석에도 환경 제어 방식으로 적용되어 디지털 트윈 기술의 실현을 기대할 수 있을 것이다.
Conclusion
본 연구에서는 다층형 육계사에 대한 CFD 해석을 위하여 복잡한 형태의 슬랫을 좁은 틈새로 대체하고 내부의 열적 균일도를 향상시키기 위해 디플렉터를 설치하는 시뮬레이션을 수행하였다. 층별로 차이가 나는 온도를 개선하고자 유량 또는 온도를 변화시키는 방안에 대해서도 분석하였다.
각 층 바닥에 설치된 슬랫 중 벨트가 없는 곳에서는 상하층 간의 공기가 흐르는데 슬랫의 실제 형태를 시뮬레이션 모델링에 사용하는 경우 해석 모델의 크기가 커지고 결과가 불안정해지는 문제를 해결하므로 이를 해결하고자 구조를 간략화시키는 연구를 수행하였다. 그 결과, 상하층 공기 흐름이 발생하는 폭 300 mm의 슬랫을 140 mm의 틈새로 모델링하여 더욱 빠르면서도 유사한 결과를 얻을 수 있었다.
공기 흐름은 벽을 따라 흐르면서 중심부 냉방이 원활하지 않았으나 디플렉터를 벽면에 설치하여 공기 순환을 유도하였으며 2층에 설치하였을 때 열적 균일도가 가장 우수하였다. 상대적으로 온도가 높은 1, 3층은 유량을 증가시키거나 온도를 감소시키는 방법을 복합적으로 적용하여 해결할 수 있을 것으로 분석되었다.
양계사의 생산성 확대를 위해 대형화된 다층형 육계사를 구상하고 내부 공기 순환 및 환기에 대한 연구를 수행하였다. 앞으로 실제 시설을 구축한 후 내부 공기를 실시간으로 확인하기 위한 센서 모듈이 설치되어야 할 것이며 이와 연계한 실시간 환경 제어 시스템이 적용되어 스마트 축사로 발전할 수 있을 것이다. 아직 다층형 육계사의 제작 및 공기 유동 검증은 이루어지지 않았으나 내부 공기 순환 및 열적 균일성 확보의 가능성을 시뮬레이션을 활용해서 파악할 수 있었다. 추후에는 제안된 열적 균일도 개선 방안을 활용한 정밀 제어 알고리즘을 개발하고 내부 환경 계측을 기반으로 한 실시간 환경 관리가 가능한 다층형 육계사를 통해 양계 산업의 생산성 확대를 기대할 수 있을 것이다.
