Ⅰ. 서 론
농업 및 가축 사육에서 발생하는 암모니아 (NH3)는 악취의 주요 원인이며, 대기 중 질소산화물 (NOX) 및 황산화물 (SOX)과 반응하여 황산암모늄 ((NH4)2SO4) 및 질산암모늄 (NH4NO3)과 같은 2차 미세먼지를 생성하는 주요 전구물질이다 (Behera et al., 2010; Hristov, 2011). 이러한 2차 미세먼지는 국내 대기오염의 핵심 요소로 작용하며, 인체 건강과 기후 변화에 영향을 미친다. 국내 암모니아 배출량은 약 20만 톤으로 추정되며, 이 중 농업 부문이 전체 배출량의 76.5%를 차지한다 (CAPSS, 2024). 농업 부문 내에서는 비료 사용 농경지와 가축분뇨에서 주로 배출되며, 특히 가축분뇨에서의 배출량이 농업 부문 전체의 90.6%를 차지한다 (CAPSS, 2024). 현재 국내 암모니아 배출량 산정은 미국 EPA 및 유럽 CORINAIR 등의 배출계수를 참고하여 수행되고 있으나, 국내 농업 환경과의 차이를 고려한 자체적인 배출계수 개발이 필요하다. 특히 국내 농업 암모니아 배출의 약 30.5%를 차지하는 우사 (일반소 25.6%, 젖소 4.9% (KOSIS, 2021))에 대한 신뢰도 높은 배출계수의 재산정이 필수적이다.
국내 우사의 대부분은 개방형 축사로서 밀폐형 축사와 다른 배출 특성을 가지며, 이에 따른 배출계수 산정이 어렵다. 배출계수는 일반적으로 환기구에서의 오염물질 농도와 환기량을 곱하여 산정되는데, 개방형 축사의 경우 윈치커튼과 같은 넓은 면적의 환기구를 가지며, 외부 바람의 풍향과 풍속에 따라 공기의 유입 및 유출이 지속적으로 변화하기 때문에 환기량 측정이 복잡하다 (Edouard et al., 2016). 따라서 환기량을 정확하게 측정할 방법론이 필요하며, 현재까지 다양한 직접 및 간접 측정 방법이 연구되어 왔다 (Kiwan et al., 2012; Van Overbeke et al., 2016; König et al., 2018; Janke et al., 2020). 환기량을 산정하기 위해서는 환기구에서 풍향과 풍속을 동시에 측정해야 하며, 특히 환기구 면에 수직인 풍속 성분을 정확하게 측정하는 것이 중요하다. 외부 바람이 환기구에 수직으로 불어오는 경우에는 비교적 쉽게 측정할 수 있으나 (Janke et al., 2020), 바람의 방향이 변하면 공기 흐름이 복잡해지고 측정 지점도 많아져야 한다 (Van Overbeke et al., 2016). 이러한 이유로 기존 연구들에서는 주로 환기구에 수직으로 바람이 유입되는 조건에서 제한적으로 실험이 수행되었으며 (Kiwan et al., 2012; Schmithausen et al., 2018), 일부 연구에서는 고가의 3차원 초음파 풍속계를 활용하기도 하여 다측점 실측이 어려운 한계가 있었다 (Özcan et al., 2007; Ogink et al., 2013).
자연환기식 축사에서 환기량을 직접 측정하는 방법 외에도, 동물의 호흡으로 자연적으로 발생하는 이산화탄소를 추적가스로 활용하여 실내외 가스 농도 변화를 통해 환기량을 추정하는 CO2 밸런스법, 외부 바람에 의한 풍력 환기와 실내외 기온 차에 의한 부력 환기를 고려하여 시설의 환기량을 추정하는 WT (Wind pressure and Thermal buoyancy forces) 측정법, 열 방출량을 활용한 공기 교환율 추정, 그리고 추적가스법 등 다양한 간접적인 방법들이 사용되어 왔다 (Ngwabie et al., 2009; Ogink et al., 2013; König et al., 2018). Samer et al. (2011)에 따르면 CO2 밸런스 법과 추적 가스 기법은 높은 상관관계를 보였으나, 풍속을 이용한 WT 측정법과의 상관관계는 낮았다. 또한, 간접 측정법은 환기량이 너무 크거나 너무 작을 경우 정확도가 떨어질 수 있으며 (Hassouna et al., 2023), 실험 환경에 따라 변동성이 큰 경향이 있었다. 추적가스 방법의 경우 측정 지점의 위치에 따라 환기율이 최대 46%까지 변동될 수 있다 (König et al., 2018). Kiwan et al. (2012)에 따르면 WT 측정법, 입⋅배기구에서의 풍속 측정, 추적가스법을 활용하여 환기량을 추정한 결과 WT 측정법와 풍속 측정을 통한 환기량 간 높은 상관관계를 보였다고 보고되었다.
기존의 간접 측정법들은 비교적 신뢰성이 높고 실험 과정이 간편하다는 장점이 있지만, 실시간 측정이 어렵고 기상 조건 변화에 따라 불확도가 증가할 수 있는 한계가 있다 (Kiwan et al., 2012). 또한, 자연환기식 우사의 경우 개방된 구조적 특성으로 인해 공기 흐름이 복잡하게 형성되며, 환기량을 간접적으로 추정하는 방식만으로는 배출량 산정의 정확도를 확보하는 데 한계가 존재한다. 한편 현대의 개방형 축사에서는 외부 환경 변화에 따른 환기량의 실시간 변동을 고려해야 하므로, 지속적인 모니터링이 가능한 측정법이 요구된다. 정밀 환경 관리 및 스마트팜 기술이 발전함에 따라 실시간 환기량 데이터의 활용이 점점 더 중요해지고 있으며, 이는 축사 내 적정 환경 유지뿐만 아니라 암모니아 배출량 산정의 신뢰도 향상을 위해서도 필수적인 요소이다. 특히, 지속적인 센서 기술의 발전으로 인해 저가의 풍속계들이 개발되면서 직접적인 환기량 측정의 가능성이 높아지고 있다.
본 연구에서는 기존의 고가 장비 대신 개발한 초음파 풍속기기를 활용하여 환기량을 직접 측정하고, 이를 CO2 밸런스법 및 WT 측정법을 통해 산정된 값과 비교하고자 한다. 이를 통해 향후 암모니아 배출계수 산정의 신뢰도를 높이고, 국내 농업 환경에 적합한 환기량 산정 방법론을 마련하는 데 기초 자료를 제공하고자 한다.
Ⅱ. 재료 및 방법
1. 대상 우사의 위치 및 구조적 특징
본 연구는 전북특별자치도 장수군에 위치한 100 두 규모의 자연환기식 우사를 대상으로 진행되었다 (Fig. 1). 대상 우사의 시설 면적은 길이 66 m, 폭 23 m로, 총 1,518 m2 규모를 가지며, 측고는 4.7 m, 동고는 7.0 m 이다. 축사는 길이방향이 동‒서 방향으로 배치되어 있으며, 측창은 남-북 방향으로 배치되어 있다. 주변은 논으로 둘러싸여 있어 바람에 방해가 될 만한 장애물이 없는 평탄한 지형으로 형성되어 있다. 축사의 서쪽 끝에는 퇴비장이 함께 있는 구조이다.
환기 방식은 윈치커튼을 활용한 자연환기로 설계되어 있다. 축사의 남쪽 측창에는 3단으로 구성된 윈치커튼이 설치되어 있으며, 북쪽 측창에는 2단 윈치커튼이 설치되어 있다. 축사 전면은 입구와 양쪽에 위치한 두 개의 개폐식 창으로 구성되어 있으며, 후면에는 1단 윈치커튼이 설치되어 있다. 내부에는 송풍팬이 설치되어 있으며, 지붕에는 무동력 지붕팬이 설치되어 있다. 이 지붕팬은 외부 풍속에 의해 작동하도록 설계되어 있으나, 사전 측정 결과 전체 환기량의 약 0.29%만을 차지하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 지붕팬이 전체 환기량에 미치는 영향이 미미하다고 판단하고, 지붕팬에 의한 영향은 분석에서 제외하였다.
2. 환기량 측정을 위한 기기 개발
환기량 측정을 위해서는 환기창에 수직 방향으로의 풍속 성분을 정확히 측정하는 것이 매우 중요하다. 연속적인 환기량 측정을 위해 3차원 초음파 풍속계를 활용하는 것이 가장 이상적이지만, 상용 초음파 풍속계는 고가의 장비이므로 다중 측정을 위해 대체 장비를 사용하였다. 개발된 2차원 초음파 풍속계는 아두이노 나노 (Arduino nano)를 기반으로 2차원 초음파 풍속 센서 (RS-CFSFX-N01-2, Renke, China), 데이터 변환 모듈 (MAX485 module), 시간 동기화 모듈 (DS3231 RTC module), 저장 장치 모듈 (SDCard reader module)을 통합하여 구성되었다 (Fig. 2). 이 기기는 2차원 풍속과 풍향을 실시간으로 측정하고 데이터를 로깅할 수 있도록 설계되었다.
초음파 풍속계의 신뢰도를 검증하기 위해 Fig. 3과 같이 풍동 실험을 수행하였다. 실험은 농촌진흥청 농업과학원의 농업용 대형 풍동에서 진행되었으며, 제작된 초음파 풍속계를 두 종류의 상용 풍속계 및 연구용 풍속계와 비교하였다. 비교 대상 풍속계로는 열선 풍속계 (Testo 405i, Testo SE, Germany), 베인 풍속계 (Testo 410i, Testo SE, Germany), 전방위 풍속계 (Model 6243, Kanomax, Japan)가 사용되었으며, 이 중 전방위 풍속계는 기준 풍속을 측정하기 위해 사용하였다. 실험은 4가지 풍속 조건 (0.5 m s-1, 2 m s-1, 4 m s-1,6 m s-1)과 5가지 풍향 조건 (0°, 45°, 90°, 135°, 180°)에서 수행되었다. 풍속은 풍동의 바람 속도를 조정하여 설정하였고, 풍향은 풍동 측정부의 턴테이블을 회전 (턴테이블 회전 각도: α)시켜 제어하였다. 모든 풍속계는 순서대로 턴테이블의 중앙에 동일한 위치에 놓고 실험을 수행하였다. 제작된 초음파 풍속계는 휴대용 열선 풍속계 및 베인 풍속계와 측정 결과를 비교하여 성능을 평가하였으며, 기준 풍속은 전방위 풍속계로 측정하여 비교 검증하였다.
3. 자연환기식 우사의 환기량 측정 방법
가. 입⋅배기구 풍속 측정을 통한 환기량 측정 (Direct Method)
환기량은 환기구를 통해 이동하는 공기 유⋅출입량을 측정하여 산정한다. 이를 위해 환기가 되는 면적을 균등하게 분할하고, 분할된 면의 중앙에 풍속계를 설치하여 풍속을 측정하였다. 각 분할면의 유량은 측정된 풍속과 분할면의 면적을 곱해 계산하였고, 이를 합산하여 전체 환기량을 산정하였다. 이때, 풍속은 분할면에 수직인 성분만을 사용하며, 내부로 유입되는 공기는 ‘+’로, 외부로 유출되는 공기는 ‘-’로 구분하여 분석하였다. 최종적으로 우사의 환기량은 유입량의 총합 또는 유출량의 총합으로 정의할 수 있다. 환기량 계산식은 아래와 같다.
여기서, 
은 환기량 (CMH), 
는 분할된 면 (m2), 
는 분할된 면 
에서의 수직 풍속 (m s-1), 
는 분할된 면의 면적 (m2)을 의미하며, inflow와 outflow는 각각 유입과 유출 방향을 나타낸다.
본 연구는 7월부터 9월까지 3개월간 진행되었으며, 실험 기간 동안 소는 89~95두가 사육되었다. 각 풍속계는 2~3초 간격으로 풍속 및 풍향 데이터를 수집하였으나, 풍속계 간의 자료 동기화를 위해 1초 간격으로 선형보간하였다. 풍속계는 남쪽과 북쪽 측창, 입구 및 출구, 외부 기상 데이터를 측정하기 위해 총 30개를 설치하였다 (Fig. 1). 남쪽 측창은 3단 윈치커튼 구조로 되어 있으며, 길이 방향으로 4개 구역으로 균등하게 분할하고, 각 구역의 중앙에 풍속계를 설치하였다. 높이별 3단 윈치커튼에 동일한 방식으로 설치하여 총 12개의 풍속계를 배치하였다. 북쪽 측창은 2단 윈치커튼 구조로 되어 있으며, 남쪽 측창과 동일하게 길이 방향으로 4개 구역으로 분할하고, 각 구역의 중앙에 총 8개 풍속계를 배치하였다. 남쪽 측창 끝에는 축사로 들어가는 입구가 있어, 입구 내부에 풍속계를 추가로 설치하였다. 또한, 축사 서쪽 끝은 퇴비장과 연결된 구조이나, 퇴비장을 축사 외부로 가정하여 퇴비장과의 결합부에 풍속계를 설치하였다. 외부 풍속과 풍향 데이터를 측정하기 위해 동일한 초음파 풍속계를 축사 주변 구조물의 간섭을 피할 수 있는 주변 전신주의 약 5 m 높이에 설치하였다. 모든 2차원 풍속계는 연직 방향의 바람 성분이 비교적 작을 것이라는 가정 하에 수평 방향의 바람 성분만 측정하였다. 외부 온습도 데이터는 축사 내외부에 온습도 측정 센서 (HOBO MX2301A, Onset, US)를 설치하여 10분 간격으로 수집하였으며, 환기량 변화와 비교 분석을 수행하였다.
나. 추적가스법을 이용한 환기량 측정 (CO2 Method)
자연환기식 축사에서 환기량을 측정하기 위해 간접적인 방법인 CO2 밸런스 법을 활용하였다. 이 방법은 동물의 호흡에 의해 자연적으로 발생하는 CO2를 추적가스로 사용하여 환기량을 산정하며, 직접 측정 방식과 달리 추가적인 가스를 실내에 살포하지 않아도 되는 장점이 있다. 환기량 산정은 CIGR (2002) 및 VERA Test Protocol (2018)에서 제시된 계산법에 따라 수행되었다. 기본적으로 축사 내부와 외부의 CO2 농도 차이 및 동물의 호흡에 의한 CO2 배출량을 바탕으로 환기량을 계산한다. 환기량은 다음 식에 따라 계산된다.
여기서, 
는 CO2 발생량 (m3 h-1 hpu-1), 
는 Heat product unit (W), 
는 각각 실내와 실외에서 측정된 이산화탄소의 농도 (ppm)를 의미한다. 
를 산정하는 식은 아래와 같다.
여기서, 
(kg)은 가축 평균 체중, 
(kg d-1)는 일증체량, 
(MJ kg-1 drymatter-1)는 사료 영양가를 말한다. 본 연구에서는 실험 당시 사육 중이던 30~33개월 된 소 91마리를 기준으로 가축 평균 체중 (𝑚)는 NIAS (2014)에 따라 800 kg으로 설정하였으며, 일체증량 (𝑌2)과 사료 영양가 (𝑀)는 CIGR 및 VERA에서 제시된 표준값인 0.6 kg d-1, 10 MJ kg-1 drymatter-1을 적용하였다.
본 연구에서는 두 차례 실험을 진행하였으며, CO2 농도 측정을 위해 OP-TDL (GasFinder3-OP, Boreal, Canada) 기기를 사용하였다. OP-TDL은 송신기, 반사판, 수신기로 구성되어 있으며, 송신기에서 측정 대상 물질의 특정 파장을 갖는 적외선 (IR)을 방출한 후, 축사 내부 공기를 통과하여 반사판에 도달하고 다시 수신기로 전달되는 경로를 기반으로 평균 물질 농도를 정량적으로 산출한다. 본 기기의 송신기, 반사판, 수신기는 VERA Test Protocol (2018)에서 제시하는 기준인 측벽으로부터 2 m 이상 이격, 내부 유동에 영향을 받지 않는 높이 및 위치를 고려하여 중앙 복도의 양 끝 지점에 각각 설치하여 축사 내부 평균 농도를 대표할 수 있도록 구성하였다 (Fig. 1). 외부 농도는 축사에서 약 10 m 떨어진 지점에서 배경 농도를 측정하여 내부 농도와의 차이를 산정하였다. 외부 농도는 내부 농도의 측정 전과 후에 각각 측정하여 평균값을 사용하였다.
다. 풍력 및 실내외 기온 차에 의한 부력을 이용한 환기량 측정 (WT Method)
WT (Wind pressure and Thermal buoyancy forces) 방법은 개방형 축사에서 외부 바람에 의한 풍력과 실내외 기온 차에 의한 부력을 복합적으로 고려하여 시설의 환기량을 추정하는 고전적인 방식이다. 외부 바람의 풍속과 입기구의 유효도를 기반으로 한 풍력에 의한 환기량은 다음 식으로 계산된다 (ASHRAE, 1997).
여기서, 
는 풍력에 의한 환기량 (m3 h-1), 
는 입기구의 유효도, 
는 입기구의 면적 (m2), 
(m s-1)는 풍속이다. 입기구의 유효도 (
)는 바람의 방향에 따라 달라지며, ASHRAE (1997), Hellickson et al. (1983), Esmay and Dixon (1986), 및 Albright (1990)에 따르면, 수직 방향 바람의 경우 
= 0.50에서 0.60, 대각선 바람의 경우 
= 0.25에서 0.35를 권장한다.
축사 내부의 기온은 소의 현열 에너지 발생으로 인해 외부 기온보다 높게 형성되며, 이는 실내외 온도 차와 입⋅출기구 높이 차에 의해 부력 환기가 발생하게 한다. 부력에 의해 생성되는 배출 속도 (
)는 다음 식으로 계산된다 (Hellickson et al., 1983).
여기서, 
는 배출속도 (m s-1), 
는 공기 유동 경로 상 구조물 표면에 대한 공기의 마찰 손실에 의한 감소계수, 
는 중력 가속도 (m s-2), 
는 입구와 출구 사이의 높이 차 (m), 
는 내부온도 (K), 
는 외부 온도 (K)이다. 배출속도 (
)에 입구 면적 (
)을 곱하면 초당 환기량 (m3 s-1)이 계산되며, 이를 시간당 환기량 (m3 h-1)으로 환산하여 열 부력에 의한 환기량 (
)은 식 (6)과 같다.
풍력과 부력에 의한 환기량은 동시에 발생하며 상호작용하므로, 총 환기량 (
)은 다음과 같이 계산한다.
대상 축사는 지붕 틈새가 막혀 있어 부력 환기의 발생 조건이 제한적이며, 지붕팬에 의한 환기 기여율은 사전 실험을 통해 매우 미미한 것으로 평가되었다. 이에 따라 본 연구에서는 부력 환기의 영향을 배제하고, 외부 바람에 의한 풍력 환기만을 고려하여 환기량을 산정하였다. 또한, 본 연구는 CO2 밸런스 방법과 동일한 조건에서 두 차례 실험을 진행하였으며, 실험 기간 동안 외부 바람은 주로 남풍 및 북풍 계열로 입기구에 수직으로 불어왔다. 이에 따라 입기구의 유효도 (E)는 0.6을 적용하였으며, 풍향에 따른 입기구 면적 변화, 외부 풍속 값, 그리고 유효도를 반영하여 풍력에 의한 환기량을 계산하였다.
Ⅲ. 결과 및 고찰
1. 초음파 풍속계 검증 및 보정
초음파 풍속계의 성능을 평가하기 위해 풍동 실험을 수행하였으며, 그 결과는 Fig. 4에 제시하였다. 실험 결과, 초음파 풍속계는 0.46 m s-1 및 2.07 m s-1 구간에서 기준값 대비 약 7%의 오차를 보였으며, 4.19 m s-1 및 6.25 m s-1 구간에서는 각각 11.6%, 14.8%의 오차가 발생하였다. 전반적으로 모든 풍속 조건에서 기준값에 비해 측정값이 과소평가되는 경향을 나타내었다. 또한, 다양한 풍향 조건에서의 측정 결과를 분석한 결과, 초음파 풍속계는 풍향 변화에도 비교적 안정적인 측정값을 유지하였으며, 풍향에 따른 편차는 평균 대비 약 5%로 낮은 수준을 보였다.
반면, 베인 풍속계는 전체 센서 중 가장 높은 풍속 값을 기록하였고, 열선 풍속계는 기준값보다 낮은 값을 나타냈다. 두 장비 모두 풍향 변화에 따른 편차가 각각 평균 대비 약 136%, 119%로 크게 나타났다. 특히 풍향이 90°일 때에는 측정값이 급격히 감소하였으며, 이는 두 센서 모두 유입 풍속 방향과 센서 측정 방향이 직각을 이루는 조건에서 정확한 측정이 어려운 구조적 특성에 기인하는 것으로 보인다.
초음파 풍속계는 풍속과 풍향을 동시에 측정할 수 있는 장비로, 방향 변화에 따른 민감도가 낮고 특정 풍향에서도 안정적인 측정값을 유지하였다. 이러한 특성으로 인해 풍향 변화에 따른 영향이 다른 센서에 비해 상대적으로 작게 나타났다. 그러나 초음파 풍속계와 기준 계측 장비 간에는 일정 수준의 측정값 차이가 존재하였기에, 상관분석을 기반으로 보정식을 도출하였으며, 해당 보정식은 다음과 같다.
해당 보정식을 적용하여 측정된 풍속 값 (
)을 실제 풍속 값 (
)으로 보정한 후, 이를 이용하여 환기량을 산출하였다.
2. 직접 측정 방식을 이용한 우사의 환기량 산정
하루 동안의 환기량 변화를 분석한 결과를 Fig. 5에 제시하였다. 본 그래프는 1초 간격으로 측정된 환기량 데이터를 나타내며, 외부 기상 조건(습도, 온도, 풍속)과 함께 비교 분석하였다. 환기량은 오전 6시경부터 증가하기 시작하여, 정오에서 오후 15시 사이에 최고치인 1,667,737 m3 h-1를 기록하였으며, 이후 점진적으로 감소하는 경향을 보였다.
분석 결과, 온도는 새벽 시간대에 최저점을 기록한 후 오전 6시부터 상승하는 경향을 보였으며, 상대습도는 반대로 감소하는 패턴을 나타났다. 또한, 외부 풍속과 환기량 변화를 비교한 결과, 두 변수 간 유사한 패턴을 보였다. 일출 이후 기온 상승과 함께 풍속이 증가하면서 환기량 또한 증가하는 경향이 나타났다.
7월부터 9월까지 강우와 같은 기상조건으로 인해 윈치커튼이 닫힌 날을 제외하고, 정상적으로 환기량이 측정된 데이터를 활용하여 일별 환기량을 산정하였다. 분석 결과, 전체 기간 동안의 평균 환기량은 338,718 m3 h-1로 나타났으며, 이는 축사 내 공기 교환량을 대표하는 값으로 해석될 수 있다. 축사의 부피가 약 9,639 m3임을 고려할 때, 공기교환율 (AER, Air Exchange Rate)을 계산하면 시간당 약 35회에 해당하며, 이는 분당 0.58회의 공기 교환이 발생하는 것을 의미한다.
7월과 8월 초⋅중순의 일 평균 환기량은 비교적 일정한 경향을 보였으나, 8월 하순부터 9월 기간에는 일 평균 환기량 간의 편차가 점차 확대되는 경향이 확인되었다. 이 기간 동안의 일별 환기량 분석 결과, 최대값은 542,425 m3 h-1, 최소값은 226,400 m3 h-1로 나타났으며, 8월 하순부터 9월에 걸쳐 일 별 환기량의 변동성이 뚜렷하게 증가하는 양상이 관찰되었다. 이러한 변동성 증가는 9월에 접어들며 기상 조건의 불안정성이 심화된 결과로 해석되며, 특히 풍속 및 기온의 변화가 환기량에 영향을 미친 주요 요인으로 판단된다.
3. 직접 측정법, CO2 밸런스 방법, WT 방법 기반 환기량 비교
환기량 산정 방법 간 비교를 위해 직접 측정법, CO2 밸런스 방법, WT 방법을 활용하여 두 차례 실험을 진행하였으며, 실험 당시의 풍배도 (Wind Rose)는 Fig. 7에 제시하였다. 1차 실험 (Case Ⅰ)결과, 세 가지 방법 모두 환기량의 증감 경향은 유사하게 나타났으며, 특히 WT 방법은 직접 측정법과 매우 유사한 환기량 변동 패턴을 나타냈다. 다만 절대값에는 차이가 존재하여, 직접 측정법으로 산정된 평균 환기량은 271,996 m3 h-1인 반면, CO2 밸런스 방법과 WT 방법은 각각 129,295 m3 h-1, 125,307 m3 h-1로 상대적으로 낮게 나타났다.
2차 실험 (Case Ⅱ)에서는 평균 환기량이 직접 측정법은 835,311 m³ h-1, CO2 밸런스 방법은 800,884 m³ h-1, WT 방법은 394,492 m³ h-1로 분석되었다. CO2 밸런스 방법은 직접 측정법과의 차이가 약 4%에 불과하여 두 방법 간 높은 일치도를 나타낸 반면, WT 방법은 직접 측정법 대비 환기량 절대값이 현저히 낮게 나타나는 경향이 확인되었다. 이는 WT 방법이 외부 풍속만을 기반으로 환기량을 추정하는 방식에서 비롯된 한계로 사료된다.
세 방법 간의 상관관계를 분석한 결과 (Fig. 9), WT 방법과 직접 측정법 간의 결정계수 (R2)는 0.8693으로 높은 상관성을 나타냈으나, 절대 환기량 값의 차이는 존재하였다. CO2 밸런스 방법과 직접 측정법 간의 결정계수는 0.7008로 WT 방법에 비해 다소 낮았으며, 환기량이 작을수록 오차가 증가하였다. 따라서 낮은 풍속 조건에서는 WT 방법이, 높은 풍속 조건에서는 CO2 밸런스 방법이 직접 측정법과 더욱 유사한 결과를 도출할 수 있는 것으로 평가되었다. WT 방법과 CO2 밸런스 방법 간의 상관관계 (R2=0.5828)는 세 가지 방법 중 가장 낮게 나타났다. 간접 측정법인 CO2 밸런스 방법과 WT 방법은 기상 환경에 따라서는 직접 측정법의 보완적인 방법으로 적용될 가능성이 확인되었다. 특히 CO2 밸런스 방법은 풍속이 높고 풍향이 일정한 조건에서 직접 측정법의 대체 측정 방법으로 활용될 수 있으며, WT 방법은 유효도 (E) 보정을 통해 측정 신뢰도를 향상시킬 필요가 있다.
Ⅳ. 결 론
본 연구에서는 자연환기식 축사에서의 환기량을 정밀하게 측정하기 위해 저가의 초음파 풍속계를 개발하고, 30개의 초음파 풍속계를 활용하여 입⋅배기구 내 풍속을 직접 측정하여 환기량을 산정하였다. 또한, CO2 밸런스 방법 및 WT 방법과 비교 분석을 수행하여 각 방법의 신뢰성과 적용 가능성을 평가하였다. 연구 결과를 바탕으로 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다.
1. 아두이노 기반의 저가의 초음파 풍속계를 개발하고 풍동 실험을 수행하여 성능을 검증하였다. 풍속계는 보정식을 산출하여 풍속 측정의 정확도를 향상시켰으며, 다양한 풍향 조건에서 신뢰도있는 성능을 보였다.
2. 자연환기식 우사의 환기량은 일반적으로 오전 6시부터 증가하여 정오경 최고치를 기록한 후, 오후 15시까지 높은 수준을 유지하다가 점차 감소하는 경향을 보였다. 외부 풍속과 환기량 간 높은 상관관계가 확인되었으며, 풍속 증가가 환기량 증가에 직접적인 영향을 미쳤다. 일별 분석에서는 7월과 8월 초⋅중순의 일 평균 환기량은 비교적 일정한 경향을 보였으나, 8월 하순부터 9월 기간에는 일 평균 환기량 간의 편차가 점차 확대되는 경향이 보였다. 이는 기상 조건의 변화가 환기량에 영향을 미쳤음을 나타낸다.
