서 론
재료 및 방법
1. 대상 지역 및 시설
2. 차열 페인트 및 히트펌프
3. 계사 외부 및 내부 온도 측정
4. 실험 방법
결과 및 고찰
1. 차열 페인트 적용에 따른 내부 기온 변화 비교
2. 히트펌프 가동 및 환기율에 따른 내부 기온 변화
3. 환기방법에 따른 내부 기온 변화
4. 시간별 환기율 차이에 따른 내부 기온 변화
서 론
최근 기후변화로 인해 전 세계적으로 폭염의 빈도와 강도가 증가하고 있다(KEI, 2020). 국내의 경우 지난 46년간(1973－2019년), 일 최고기온 극값이 1.5°C 상승하였으며 평균 폭염일수는 7.4일이 증가하였다(KMA, 2022). 한편, 축산 분야에서 폭염은 가축에게 고온 스트레스를 유발하며 면역력 감소와 질병 발생을 초래하여 폐사율을 증가시키고 생산성을 저해시킨다(Park 등, 2019). 기상 관측 이래 최다 폭염일이 발생한 2018년에는 약 9,078,000마리의 가축이 고온피해를 입었으며, 약 2,440억 원의 가축재해보험 손해액이 발생하였다(MAFRA, 2019; KIDI, 2019). 2021년 기준, 고온피해로 인한 축종별 폐사량은 닭 704,006수수, 돼지 50,264두수, 오리 12,574수수, 기타 축중 69,232마리로, 타 축종 대비 닭이 가장 높은 폐사수수를 기록하였다(MAFRA, 2021). 닭은 높은 대사율을 가지고 있으며 체온이 40°C를 넘는 온혈동물로 온몸이 깃털로 덮여 있고 땀샘이 발달하지 않아 타 축종에 비해 고온에 매우 취약하다(Lee, 2013). 이에 현재 육계사에는 육계의 고온 피해 예방을 위한 대책이 반드시 필요한 상황이다.
현재 국내 육계사에서는 고온 스트레스 해소를 위해 팬을 이용한 강제환기방식을 대부분 사용하고 있으며 쿨링패드, 안개분무 장치, 지하수 지붕 살수 등의 관행의 방법은 습도 등 외부 환경에 영향을 많이 받아 이용에 한계가 존재한다(Kwon, 2020). 닭의 고온피해 예방을 위해서 사육 환경 및 구조 개선(Na 등, 2012; Oloyo 등, 2018; Mesa 등, 2017), 사료 및 영양 개선(Daghir, 2009; Jahromi 등, 2016), 환기방식 개선(Zajicek과 Kic, 2012; Bustamante 등, 2015) 등 다양한 연구가 수행되었다. Çaylı 등(2021)은 지중해 지역 육계사에 물 분부 방식의 증발 냉각 시스템을 설치한 후 효율성을 평가하였으며 Liang 등(2020)은 스프링클러 기술을 육계사에 적용하면 육계의 고온 스트레스 저감과 물 사용을 절약할 수 있다고 하였다. Paek 등(2016)은 하절기 닭의 고온 스트레스 경감과 동절기 사료 효율 증대를 위해 히트펌프를 이용한 계사 냉난방 및 냉온음용수 급수 병행 시스템을 개발한 바 있다. 현재까지 진행된 연구는 사육 환경, 계사 구조, 사료, 환기, 냉방 시설 등 기존 방식의 개선에 관한 연구가 대부분이다. 증가하고 있는 폭염 및 관행 냉방 시설의 고질적 문제로 기존 방식의 개선만으로는 고온 스트레스 예방 및 대응에 한계가 있다.
본 연구에서는 고온 스트레스 해소 방안 제안을 위해 육계사에 차열 페인트와 히트펌프를 설치한 후 내부 기온 변화를 분석하였다. 실제 농가에서는 분진, 이물질, 암모니아 배출 등의 이유로 환기를 반드시 진행해야 한다는 점을 고려하여 히트펌프 실험은 환기율 변화에 따른 냉방 효과를 평가하였다. 이를 위하여 실험 계사 3동을 선정하였으며 온도 센서를 설치하여 외부, 내부 기온을 모니터링 하였다. 각 동마다 실험군, 대조군을 지정하여 차열 페인트 적용 유무, 히트펌트 가동 후 환기율, 환기 방법, 시간별 환기율 차이에 따른 내부 기온 변화를 비교하였다.
재료 및 방법
1. 대상 지역 및 시설
본 연구의 대상 지역은 경기도 포천시 신북면(37°56′37.04″N, 127°11′28.02″E) 에 위치한 무창 형식의 육계사로 총 3동으로 구성되어 있었다(Fig. 1). 육계사1(House 1)은 폭 16m, 측고 5.0m, 동고 7.5m, 길이 66.9m, 육계사2(House 2)는 폭 16m, 측고 5.0m, 동고 7.5m, 길이 59.8m, 육계사3(House 3)는 폭 11m, 측고 3.5m, 동고 5.0m, 길이 49.5m의 규격을 가지고 있었다. House 1과 House 2는 양 측벽에 1.09m×1.09m의 크기의 331m3·min-1 용량을 가진 환기팬(Euroemme EM36; Munters, Sweden) 2개, 입구 반대편 끝부분에 1.38m×1.38m의 크기의 702m3·min-1 용량을 가진 환기팬(Euroemme EM50; Munters, Sweden) 14개가 설치되어 있었다. House 3는 입구 반대편 끝부분에 1.38m×1.38m의 크기의 환기팬(Euroemme EM50; Munters, Sweden) 8개가 설치되어 있었다. 모든 계사는 후면의 대형 팬을 이용하여 내부의 고온 공기를 배출하는 동시에 계사 측면으로부터 외기를 유입하는 강제환기방식을 사용하고 있었다.
실험 진행을 위해 House 1을 히트펌프 실험군, House 2를 히트펌프 대조군으로 지정하였고 House 2를 차열 페인트 실험군, House 3를 차열 페인트 대조군으로 지정하였다. 각 동별로 지정된 조건에 맞게 차열 페인트 도포와 히트펌프를 설치하였다(Table 1). 대상 육계사는 ‘아바이카’ 품종의 육계를 약 42,000수 사육하고 있으며 입사부터 출하까지 사육기간은 약 35일 내외였다.
Table 1.
Insulation paint and heat pump installation for each broiler house.
| Treatment | House 1 | House 2 | House 3 |
| Thermal insulation paint | o | o | x |
| Heat pump | o | x | x |
대상 계사에는 내외부의 온도가 육계의 주령에 따라 설정한 온도 이상이 되면 계사 측면의 중형 환기팬이 우선 작동하고, 온도가 그 이상으로 상승하면 계사 끝벽의 대형 환기팬이 작동하고 측면 입기구가 개방되도록 작동하는 제어 시스템이 적용되어 있었다.
2. 차열 페인트 및 히트펌프
2.1 차열 페인트(쿨루프 열차단)
쿨루프는 건물 지붕면으로 유입되는 태양 복사에너지에 대한 반사율(reflectivity)을 높이고, 흡수된 복사열(radiant heat)을 빠르게 외부로 방출될 수 있도록 방사율(emissivity)을 높인 지붕을 의미한다(Song 등, 2016). 일반 지붕에 페인트칠을 함으로써 시설 내부 온도가 감소하는 효과를 기대할 수 있으며, 특히 흰색 페인트를 도포하는 것이 쿨루프 성능이 가장 뛰어나다(Lee 등, 2019). 또한 Saeed 등(2019)에 따르면 계사 지붕에 페인트를 도포하면 계사 내부 온도를 감소시키고 닭의 열 스트레스를 완화할 수 있다. 본 연구에서는 대상 계사에 흰색 차열 페인트를 도포한 후 실증 효과를 평가하기 위해 온도 감소 효과를 분석하였다.
2.2 히트펌프
실험에 사용된 히트펌프는 30HP 용량의 가스 히트펌프 1대, 20HP 용량의 전기 히트펌프 2대로 구성되었다(Fig. 2). 히트펌프는 실험군으로 지정한 House 1에만 설치하였다. 실험 시 두 히트펌프를 병행하여 가동하였으며 대용량의 풍량 공급을 위해 공조기도 추가로 설치하여 히트펌프에 연결하였다. 히트펌프와 공조기는 계사 외부에 설치하였으며 공조기에서 발생하는 냉풍은 공급 덕트를 통해 계사 내부에 전달하였다. 내부 덕트는 계사 위쪽에 종방향으로 길게 설치하였으며 온도 유지를 위한 보온재를 추가하였다. 내부 덕트로부터 냉풍 출구는 28개의 PK 디퓨저(punker-nozzle diffuser)로 이루어져 있으며 각각의 디퓨저는 하방향으로부터 65°C로 번갈아가면서 반대 방향으로 배치되어 좌우로 균일하게 냉풍을 공급하도록 구성하였다. 공조기로부터 공급되는 냉풍의 풍량은 335m3·min-1이며 디퓨저 출구 유속은 약 2.5－3m·s-1로 형성하였다.
3. 계사 외부 및 내부 온도 측정
차열 페인트 및 히트펌프 성능 분석을 위해 계사 외부 및 내부 온도를 측정하였다. 계사 외부 온도 측정은 간이기상대(WatchDog Weather Station 2000 Series, Spectrum Technologies Inc., USA)를 사용하였으며 정확한 데이터 측정을 위해 House 3에서 15m 떨어진 위치에 설치하였다. 계사 내부 온도 측정은 소형 온·습도센서(HOBO Pro v2 U23-001, Onset Computer Corp., USA)를 이용하여 측정하였다(Fig. 3). House 1과 House 2에는 온습도 센서를 0.5m 높이에 20m 간격으로 9개, p-2, p-5, p-8 지점에 1.5m 높이로 센서 3개를 추가로 설치하였다(Fig. 4). House 3에는 온습도 센서를 0.5m 높이에 15m 간격으로 3개, p-2 지점에 1.5m 높이로 센서 1개를 추가로 설치하였다(Fig. 4). 데이터는 1분 간격으로 설정하여 측정하였다.
4. 실험 방법
4.1 차열 페인트 도포에 따른 내부 기온 변화 분석
차열 페인트 효과 분석 실험은 2022년 06월 02일 12시－15시까지 총 3시간 동안 육계가 없는 상태에서 수행하였다. 실험 진행 시간 동안 차열 페인트를 도포한 House 2와 차열 페인트를 도포하지 않은 House 3의 온도 차이를 비교하였다. 두 계사 모두 열풍기를 이용하여 내부 온도를 동일하게 설정한 후 모든 측창, 출입문을 닫아 밀폐 상태로 실험을 진행하였다.
4.2 히트펌프 가동에 따른 내부 기온 변화 분석
실제 농가에서는 히트펌프를 가동하더라도 분진, 이물질 등을 고려하여 최소 환기율 이상의 환기를 반드시 진행해야 한다. 이에 본 연구에서는 3가지 실험 case를 설정하여 히트펌프를 가동한 후 환기율, 환기방법, 시간별 환기율 차이에 따른 온도 감소 효과를 분석하였다(Table 3). 실험은 2022년 6월 3일 House 1과 House 2를 대상으로 진행하였으며 육계에 스트레스를 줄 수 있다는 것을 고려하여 계사 내부에 닭이 없는 상태에서 수행하였다. 두 계사 모두 차열 페인트가 도포되어 있으며 내부 온도를 동일하게 설정하기 위해 열풍기를 사용하였다.
환기율에 따른 히트펌프 효과 분석 실험은 두 계사 모두 측창, 출입문을 닫아 밀폐 상태에서 입구 반대편 환기팬만 가동하여 진행하였다. 환기팬의 환기율을 0%, 10%, 50%, 100%로 설정하여 각각 30분 동안 온도 차이를 비교하였다. 설정 환기율에 따른 환기팬 가동 개수 및 환기량은 Table 2에 나타내었다.
Table 2.
Ventilation fan operation number and amount of ventilation according to ventilation rate.
| Ventilation rate (%) | Number of operation ventilation fans | Amount of ventilation (m3·min-1) |
| 0 | 0 | 0 |
| 10 | 2 | 1,404 |
| 50 | 6 | 4,212 |
| 100 | 14 | 9,828 |
Table 3.
Target, ventilation method, ventilation rate by the experiment cases.
환기방법에 따른 히트펌프 효과 분석 실험은 냉방 시설이 없다고 가정한 농가에서 육계사 내부의 기온을 낮추기 위해 진행할 수 있는 유일한 방법인 강제환기방식과 최소 환기량만을 유지한 채 히트펌프를 가동하였을 때의 실내 기온 변화를 비교하기 위해 진행하였다. House 1에는 히트펌프를 가동하고 입구 반대편 환기팬의 환기량을 10%로 설정하였으며 House 2에는 입구 반대편 환기팬의 환기량을 100%, 측면 입기구를 최대 개방한 상태에서 실험을 수행하였다.
시간별 환기량 차이에 대한 히트펌프 효과 분석 실험은 히트펌프를 지속적으로 가동한 상태에서 시간에 따라 환기량을 변화시켰을 때 온도감소 폭을 비교하여 냉방 효율을 분석하기 위해 진행하였다. 20분 간격으로 설정 환기량을 0%, 10%, 50%, 100%, 10%, 0%로 변경하여 실험을 진행하였다.
결과 및 고찰
1. 차열 페인트 적용에 따른 내부 기온 변화 비교
차열 페인트 적용에 따른 내부 기온 변화를 비교하기 위해 House 2와 House 3의 기온을 분석하였다. 실험은 외기 온도가 25°C인 12:00부터 시작하였고 외기 온도가 26°C인 15:00에 종료되었다. 두 계사 모두 열풍기를 이용하여 내부 온도를 동일하게 설정 후 모든 측창과, 출입문을 닫아 밀폐 상태로 실험을 진행하였다. 실험 결과, 12:00부터 12:20 까지는 외기 온도가 25°C에서 24°C로 감소함에 따라 House 2의 내부 온도는 약 1°C, House 3의 내부 온도는 0.5°C 감소하였다(Fig. 5). House 3의 내부 온도의 경우 동일한 온도에서 실험을 진행하기 위해 열풍기로 임의로 온도를 올렸기 때문에 열기가 빠르게 식는 과정에서 온도가 소폭 감소하게 된 것으로 판단된다. 외기 온도가 높아지기 시작한 시점인 12:20에는 House 2와 House 3의 내부 온도 차이가 약 0.5°C 이상 나타났다.
시간이 경과함에 따라 두 계사의 내부 온도 차이는 점차 증가하는 경향을 보였다. House 2의 내부 온도는 22.5°C로 점차 유지되는 반면, House 3의 내부 온도는 지속적으로 증가하여 24.2°C로 측정되었다. 실험 종료 시간인 15:00에는 House 2와 House 3의 온도 차이가 약 1.5°C로 나타났다. 이는 차열 페인트가 외기온도의 영향으로부터 계사 내부의 온도 상승을 억제하는 효과가 있는 것으로 판단된다. 실험시간이 3시간 동안 진행되었다는 점을 감안하였을 때 향후 시간이 더 경과하거나 외기 온도가 증가하게 될 경우 차열 페인트가 더욱 효과적일 것으로 사료된다.
2. 히트펌프 가동 및 환기율에 따른 내부 기온 변화
히트펌프 가동 및 환기량에 따른 내부 기온 변화 실험은 히트펌프를 가동한 House 1과 히트펌프를 가동하지 않은 House 2를 평가하였다. 두 계사 모두 동일 온도에서 실험을 진행하기 위해 열풍기를 이용하여 내부 온도를 31°C－32°C로 설정 후 모든 측창, 출입문을 닫아 밀폐 상태로 실험을 진행하였다. 환기팬의 환기율을 0%, 10%, 50%, 100%로 설정하여 30분 동안 온도 차이를 비교하였다(Fig. 6).
환기율을 0%로 설정하였을 때, House 1의 경우 실험 시작 1분 후 계사 내부 온도가 감소하기 시작하였으며 시간이 지남에 따라 온도 감소폭 또한 높아졌다. House 1의 경우 내부 온도는 31°C에서 22.5°C로 8.5°C 감소하였으며, House 2의 경우 31°C에서 29°C로 2°C 감소하였고 온도 감소폭은 House 1보다 낮았다. 실험 종료 시 House 1과 House 2의 온도 차이는 6.5°C로 나타났으며 이는 환기율 0%로 설정하였을 때는 외기 온도의 영향이 상대적으로 적어 히트펌프를 가동한 House 1이 온도 감소폭이 큰 것으로 판단된다.
환기율 10% 일 때, House 1은 실험 시작 4분 후부터 온도가 감소하기 시작하였으며, 내부 온도는 32°C에서 23.5°C로 8.5°C 감소하였다. House 2의 경우 실험 시작 5분 후부터 온도가 감소하기 시작하였으며, 내부 온도는 32°C에서 28°C로 4°C 감소하였다. House 1과 House 2의 최종 온도 차이는 4.5°C로 나타났다. 환기율 10% 실험에서 House 1의 경우 온도가 낮아지는 데 걸린 시간은 환기율 0% 실험에 비해 증가하였지만 최종 온도와 온도 감소 폭의 차이는 미비한 것으로 나타났다. House 2의 경우 계사 내부 온도보다 낮은 외부 공기의 유입으로 온도 감소 폭이 더 크게 증가하였다.
환기율 50%일 때, House 1과 House 2의 내부 온도가 외기 온도보다 높아 House 1과 House 2 모두 외기 온도의 영향을 직접적으로 받아 감소하는 경향을 보였다. 외기 온도가 점점 증가함에 따라 House 2는 30°C를 유지하였으나 House 1은 온도가 점차 감소하여 최종적으로 약 27°C에 도달하였다. 환기율 100%일 때, 외기 온도의 영향이 제일 크기 때문에 두 계사 모두 일정 온도 이하로 감소한 후 유지하는 경향이 나타났으며 온도 감소 폭은 가장 낮았다.
외기 온도의 영향이 제일 적은 환기율 0%일 때 House 1의 온도 감소 폭이 제일 크게 일어났으며 외기 온도의 영향이 큰 환기율 50%, 100%일 때는 특정 온도까지만 감소하고 일정하게 유지하는 것으로 나타났다. House 2의 경우 외기 온도의 영향이 적은 환기율 0%, 10%보다 외기 온도의 영향을 많이 받는 환기율 50%, 100%에서 외기 온도와 비슷하게 온도가 유지되는 것으로 확인되었다. 따라서, 히트펌프 가동 시 외기 온도의 영향이 적은 환기율을 0%로 설정하였을 때 온도가 가장 큰 폭으로 감소하였으나 실제 계사에서는 분진, 이물질, 암모니아 등을 고려하여 히트펌프 가동 시 환기율을 10%로 설정하여야 한다고 판단된다. 실제 계사에서는 최소 환기를 통하여 암모니아 가스, 이산화탄소, 먼지, 분진 등의 제어하고 닭들의 호흡기 질병 및 미생물에 의한 감염 등을 예방하기 때문에 최소 환기율을 유지하는 수준에서 히트펌프를 운영하는 것이 적정하다고 판단된다.
3. 환기방법에 따른 내부 기온 변화
환기방법에 따른 내부 기온 변화 실험은 House 1에는 히트펌프를 가동하고 입구 반대편 환기팬의 환기율을 10%로 설정, House 2에는 입구 반대편 환기팬의 환기율을 100%, 측면 슬롯을 최대 개방한 상태에서 실험을 수행하였다. 실험은 15:24－15:54까지 30분간 진행되었으며, 실험 전 두 계사 모두 열풍기를 이용하여 내부 온도를 34°C로 통일하여 실험을 시작하였다. 실험 초기에는 낮은 외기 온도로 인해 히트펌프를 가동하지 않은 House 2에서 내부 온도가 더 빠른 속도로 감소하였다(Fig. 7). 그러나 일정 시간이 지나 외기 온도가 증가함에 따라 House 2의 내부 온도는 30°C에 도달 후 일정하게 유지되었다. 반면, House 1은 실험 초기에는 House 2에 비해 온도가 느리게 감소하였으나, 일정 시간 경과 후 점차 큰 폭으로 내부 온도가 감소하였으며 외기 온도가 증가하여도 지속적으로 온도가 감소하여 최종적으로 26°C에 도달하였다.
계사 내부 온도가 외기 온도보다 높을 경우에는 히트펌프를 가동하지 않고, 환기율을 높게 설정하는 것이 온도 감소에 더 효과적이나 환기만으로 외기 온도보다 낮게 온도를 유지하는 것은 한계가 있는 것으로 판단된다. 따라서 히트펌프의 효율적인 사용을 위해서는 계사 내부 온도가 외기 온도에 도달하기 전에는 환기팬을 사용하여 계사 내부 온도를 낮추고 외기 온도에 도달한 후에는 환기율을 최소로 하여 히트펌프를 가동하는 것이 제일 효과적이라고 판단된다.
4. 시간별 환기율 차이에 따른 내부 기온 변화
시간별 환기율 차이에 따른 내부 기온 변화 실험은 시간이 경과함에 따라 환기율에 변화를 주어 온도 감소 폭을 분석하기 위해 진행하였다(Fig. 8). House 1은 히트펌프를 지속적으로 가동하고 House 2는 히트펌프를 가동하지 않은 상태에서 두 계사 모두 20분 간격으로 설정 환기율을 0%, 10%, 50%, 100%, 10%, 0%로 변경하여 진행하였다. 16:22분－18:22까지 실험을 수행하였으며, 실험시작 전 House 1과 House 2, 모두 열풍기를 이용하여 내부 온도를 34°C로 설정 후 실험을 시작하였다. 히트펌프를 가동한 House 1의 경우 실험 초기 환기율을 0%로 설정했을 때 계사 내부 온도가 34°C에서 29°C로 약 5°C 낮아지며 매우 큰 폭으로 온도가 감소하였다. 반면 House 2는 외부로부터 유입되는 공기가 없기 때문에 내부 온도가 상대적으로 낮게 감소하였다. 실험 시작 20분 경과, 환기율을 0%에서 10%로 설정하였을 때, House 1은 내부 온도가 29°C에서 25°C로 지속적으로 온도가 감소하였으며 House 2에서도 외부 공기에 유입으로 계사 내부 온도가 2°C 낮아졌다. 환기율을 10%에서 50%로 변경하자 House 1은 외부 공기의 대량 유입으로 히트펌프 가동에도 불구하고 25°C까지 감소했던 계사 내부 온도가 오히려 증가하여 27°C로 형성되었다. 이와 달리, House 2에서는 외부 공기의 유입이 증가하여 외기 온도와 유사한 정도까지 온도가 감소하였다. 환기율 100%로 설정한 뒤, House 1은 지속적으로 내부 온도가 증가하였으며 20분 뒤에는 외기 온도에 근접한 27.5°C로 계사 내부 온도가 형성되었다. House 2는 지속적으로 외기 온도와 유사한 온도를 유지하였다. 환기율을 100%에서 10%, 0%로 설정하였을 때 House 1의 내부 온도는 급격하게 감소하여 실험 종료 시에는 최종 온도가 22°C에 도달하였다. 히트펌프를 가동한 House 1의 경우 외기 온도의 영향을 상대적으로 적게 받는 낮은 환기율에서 온도 감소 폭이 큰 것을 확인할 수 있으며 House 2의 경우 외기 온도의 영향을 상대적으로 많이 받는 높은 환기율로 설정할 경우 온도 감소에 더 효과적인 것으로 나타났다.
히트펌프를 가동하게 될 경우에는 환기를 진행하지 않거나 최소 환기율로만 설정하는 것이 냉방에 유리하며 히트펌프를 가동하지 않는 경우에는 최대 환기율로 환기하는 것이 가장 적합할 것으로 판단된다.
