축산업 전과정평가 (LCA)의 환경 평가 요소 중심의 분석과 한국 축산업에 대한 적용성 평가

정효혁,여욱현,이상연,박세준,김준규,데카노 크리스티나,최영배,조정화,김정환,이인복 (사)한국축산환경학회 2021 한국축산시설환경학회지 Vol.23 No.1

Life Cycle Assessment (LCA) has been used to assess the environmental impact of livestock industries since it was adopted as a standard method in 2006. However, many studies have simplified the environmental assessment factor for a simple assessment. Simplified LCA cannot be used in business/policy decisions because results can be overestimated and underestimated, ignoring interactions between environmental assessment elements. Therefore, it is necessary to review literatures that apply evaluation methods that take into account various environmental assessment factors. In this study, we selected and reviewed literatures on livestock-related LCA studies over the past five years. Environmental assessment factors by literature were considered and classified. Finally, we evaluated the applicability of comprehensive LCA research in the domestic livestock industry through a literature containing a number of factors.

전산유체역학을 이용한 육계사 내 계군의 다공성매체 적용에 따른 온도 분포 분석

정효혁,여육현,이상연,박세준,김준규,크리스티나,최영배,조정화,이인복 (사)한국축산환경학회 2021 한국축산시설환경학회지 Vol.23 No.3

This study was conducted to determine the significance of the computational results according to the application of the porous media in the occupied zone when analyzing air temperature distribution in the broiler house using computational fluid dynamics. For such experimental conditions, outside air temperature was controlled in two circumstances : 1) air temperature in summer and 2) air temperature in winter. Also, ventilation methods were controlled in two circumstances as well : 1) tunnel ventilation and 2) cross ventilation, differentiating the amount of ventilation. In these controlled settings, the analysis of one way classification model was adopted to investigate the possible effects on the result. As a result, the calculation results showed significant differences depending on the application of porous media in all cases except for cases that run maximum ventilation during winter.

양돈시설의 암모니아 배출 저감을 위한 습식 공기세정기 평가

정효혁 ( Hyo-hyeog Jeong ),이인복 ( In-bok Lee ),박세준 ( Se-jun Park ),김준규 ( Jun-gyu Kim ),강솔뫼 ( Sol-moe Kang ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-

현대의 양돈산업은 육류 소비량의 증가로 인하여 농장의 대형화 및 밀집사육화가 진행되었다. 이로 인하여 과다한 분뇨의 발생으로 축산 전염병, 사육환경 악화 및 악취배출 등의 다양한 사회적 문제가 발생하고 있다. 특히, 분뇨로 부터 발생한 암모니아는 배출됨으로써 토양 및 하천의 부영양화, 미세먼지 생성, 악취 등 추가적인 문제를 야기하고 있는 실정이다. 습식 공기세정기는 배출되는 암모니아 가스를 직접 제거함으로써 암모니아 배출 저감의 해결책으로 제시되었다. 이러한 습식 공기세정기의 세정성능은 다양한 환경인자에 따라 변화하기 때문에, 이에 대한 운영 알고리즘을 작성하기 위해서는 다양한 조건에 대한 세정성능 평가가 요구된다. 따라서, 본 연구에서는 습식 공기세정기의 설계 및 제어를 최적화하기 위해 세정기의 대표적인 환경인자인 환기량, 암모니아 농도 및 세정방식의 변화에 따른 세정효율을 평가하고자 하였다. 특히, 환기량 및 세정기 노즐의 분사 방향은 세정효율에 영향을 미치는 주요한 요인이다. 환기량이 작을수록 돈사로부터 배출되는 배기가스와 습식 세정기 내부 액체의 접촉시간이 늘어나 세정효율은 높아지는 것으로 나타났다. 습식 세정기 노즐의 분사 방향 및 노즐 개수는 배기팬의 압력강하에 의한 세정량과 관련성이 있는 것으로 나타났다. 즉, 환기량이 작게 유지될 경우, 노즐의 분사 방향은 배기팬의 압력강하를 최소화하기 위하여 세정기 내 공기 흐름과 같은 방향으로 설치하는 것이 유리하다고 판단되었다. 암모니아의 세정성능은 세정효율과 세정량을 통하여 통계적 방법을 이용하여 평가하였다. 본 연구의 결과는 습식 공기세정기의 최적 설계 및 제어가 암모니아 가스 배출을 효과적으로 완화할 수 있음을 나타낸다.

외부 풍환경 및 암모니아 발생 영향인자를 고려한 자연환기식 돈사의 암모니아 배출량 산정

정효혁 ( Hyo-hyeog Jeong ),김락우 ( Rack-woo Kim ),이인복 ( In-bok Lee ) 한국농공학회 2020 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2020 No.-

국내 양돈산업은 지속적인 수요와 발전을 통해 시설이 대형화, 현대화되어 무창식 돈사가 증가하고 있으나, 높은 시설 투자비용으로 자연환기식 돈사가 국내 돈사의 40% 이상을 차지하고 있는 실정이다. 한편, 축산시설에서 배출되는 암모니아양은 전체 암모니아 배출량 중 70% 이상의 가장 큰 비중을 차지한다 (국립환경과학원, 2016). 미국과 유럽 등 농업선진국들은 축산시설로부터 배출되는 암모니아 배출량에 대한 지속적인 측정 및 엄격한 환경 규제를 시행하고 있다. 자연환기식 축산시설로부터의 암모니아 배출량을 측정하기 위해서 국내에서는 플럭스법을 이용하라 명시되어 있으며 네덜란드 (VERA, 2018)에서는 환기량과 입기구, 배기구에서의 암모니아 농도차를 측정함으로써 배출량을 산정하라 명시되어 있다. 하지만, 산정방식에 있어서 환기량이 지대한 영향을 미치게 되며 외부 풍환경에 따라 입기구, 배기구가 실시간으로 변하는 자연환기식 돈사의 경우 실시간 환기량을 고려한 암모니아 배출량을 측정하는 것은 어려워 자연환기식 돈사에서 새로운 방식의 암모니아 배출량 산정방식이 필요한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 다양한 외부 풍환경에 따라 자연환기식 돈사의 환기량을 산정하고 암모니아 발생량 산정식을 통해 시간에 따른 암모니아 배출량을 산정하고자 한다. 대상 시설의 대표성을 위하여 2016 표준 축사설계도 (농림축산식품부, 2016)의 자돈/육성돈사와 비육돈사를 설계하였으며 자연환기식 돈사에 맞게 윈치커튼과 지붕창을 추가하였다. 암모니아 배출량을 모의하기 위하여 환기량과 암모니아 발생 영향인자 (슬러리 pH, 슬러리 온도, 분뇨 내 암모니아성 질소, 사육면적, 사육두수)를 고려한 암모니아 발생량 산정식 (Aarnink and Elzing, 1997)을 이용하였다. 환기량의 경우, 전산유체역학 기법을 통하여 풍향을 16방향으로 나누고 윈치커튼 개방비율과 지붕창 개방여부에 따라 자연환기식 돈사의 3가지 풍속 (0.5, 1.5, 2.5 m/s)에 대한 환기량을 산정하였다. 풍속이 증가함에 따라 환기량은 선형적으로 증가하는 것으로 모의되어 풍향별로 풍속에 대한 환기량 선형회귀식을 산정하여 시간에 따른 외부 풍환경 변화를 고려한 자연환기식 돈사의 환기량을 산정하였다. 암모니아 발생 영향인자와 관련하여 슬러리 온도 및 pH는 사육단계별 분뇨를 채취하여 측정한 값을 사용하였으며, 선행연구와 비교하여 측정값이 적절한지 판단하였다. 분뇨 내 암모니아성 질소량은 분뇨 샘플에 대한 총질소량을 측정하여 총 질소 대비 암모니아성 질소 비율 (Normtal, 2019)을 곱하여 산정하였다. 또한, 사육면적은 표준 축사설계도를 참고하였으며 국가법령정보센터에서 제시하는 사육밀도를 고려하여 사육두수를 산정하였다. 산정된 암모니아 발생 영향인자와 환기량을 토대로 사육단계별 시간에 따른 암모니아 배출량을 도출하였으며, 1년 동안의 배출량을 합산하여 사육단계별 자연환기식 돈사의 암모니아 배출계수를 산정하였다.

DEM 기법을 이용한 온실의 적설 분포 모의

정효혁 ( Hyo-hyeog Jeong ),이상연 ( Sang-yeon Lee ),이인복 ( In-bok Lee ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.1

최근 10년간 기상이변에 따라 폭설의 빈도가 높아지면서 원예시설에 880억 원에 달하는 피해를 입혔고 이러한 원예시설의 피해는 작물생산 중단 등 농민에게 2차적인 피해를 입힌다. 폭설에 의한 원예시설 피해를 방지하기 위해서는 예·경보시스템의 구축이 필수적이다. 이러한 예·경보시스템은 최근 경제, 사회, 산업 분야에 걸쳐 지대한 영향을 주고 있는 ICT 기술을 이용하여 구축할 수 있다. 원예시설이 폭설에 의해 변형되는 현상은 설계기준 하중을 초과한 과대 적설 및 국부적으로 적설된 눈에 의한 편심하중에 의하여 발생한다. 편심하중은 풍환경 및 지붕형태에 따라 적설분포가 지점마다 상이하게 작용하기 때문에 발생한다. 하지만, 현재 국내의 원예시설에 대한 기준서 및 기존 연구들은 적설하중을 등분포 하중으로 가정하고 있기 때문에 이러한 편심하중의 발생에 대비하기 힘들다. 따라서, 본 연구의 목적은 폭설에 의한 원예시설의 피해를 줄이기 위해 적설되는 눈의 분포 특성을 파악하여 적설분포를 고려한 ICT 기반 폭설에 의한 원예시설 파괴의 예·경보시스템의 초석을 마련하는 것이다. 적설분포를 모의하는 방법으로는 현장실험, 모형실험 및 수치해석이 있으나, 현장실험의 경우 실험환경 조건을 제어할 수 없으며 동시 다점의 측정이 불가능하고 실험 가능한 시기가 제한적이기 때문에 모형실험과 수치해석기법을 이용하였다. 경사판 (15°, 45°)과 축소된 온실모형 (양지붕형, 복숭아형)을 통하여 모형실험을 진행하였으며 개별입자해석기법을 기반으로 한 수치해석 모델을 개발하였다. 모형실험은 농촌진흥청 농업공학부에 위치한 적설 모의실험 시설에서 눈의 밀도 및 모형에 적설되는 눈의 분포 특성을 파악하였고, 획득한 데이터를 통해 개발된 수치해석모델을 검증하였다. 검증 결과, 15° 경사판은 5.7%, 45° 경사판은 7.4%, 양지붕형 온실모형은 5.2%, 복숭아형 온실모형은 4.9%의 오차를 나타내어 설계한 DEM 모델을 통해 적설 분포 예측이 가능할 것으로 판단되어, 풍환경 및 지붕 경사각, 연동 수를 고려하여 실제 온실사이즈에 대한 수치해석을 진행 중에 있다. 결과를 바탕으로 온실에 작용하는 적설 하중의 분포 특성을 파악하고 적설분포를 고려한 온실의 구조안정성을 평가하여 ICT 기반의 원예시설의 피해에 대한 예·경보시스템의 초석이 될 수 있다.

축산악취 저감을 위한 다상연계 악취정화시스템의 개발 및 성능 평가

정효혁 ( Hyo-hyeog Jeong ),이인복 ( In-bok Lee ),조정화 ( Jeong-hwa Cho ),최영배 ( Young-bae Choi ),강솔뫼 ( Sol-moe Kang ),김다인 ( Da-in Kim ),조윤우 ( Yun-woo Cho ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

최근 축산시설의 대형화, 밀집화에 따른 악취강도 증가와 신도시 개발 및 귀농·귀촌 인구의 증가로 인한 주거시설과의 거리 감소, 쾌적한 농촌 생활에 대한 요구 등으로 인하여 축산악취 민원이 급증하고 있다. 이에 따라 정부와 지자체에서는 축산악취 개선사업이 진행되고 있으며 많은 농가가 축산악취 개선을 위하여 악취 저감시설을 설치·운영하고 있다. 하지만, 실제 농가에 설치된 악취 저감시설을 측정한 결과 다양한 요인에 따라 평균 악취 저감효율이 65 % 이하로 낮게 나타났다. 특히, 악취 저감시설의 관리 상태에 따라 농가별로 악취 저감효율의 큰 차이를 보였다. 최소 환기를 실시하는 동절기에는 악취 농도가 높아져 저감 효율이 높더라도 배출 농도가 높을 뿐만 아니라, 저감시설 통과 후 배기되는 공기의 유속이 매우 낮아 악취 공기가 대기 중으로 확산되지 못하고 지면으로 가라앉게 되는 문제점이 확인되었다. 또한, 악취 저감시설은 축산시설 설계 시 고려하지 않은 추가적인 압력손실로, 환기팬 유량을 감소시켜 축사 내부의 환경조절에 영향을 줄 수 있다. 따라서 본 연구에서는 기존 악취 저감시설의 문제점을 개선하여 효율성 증대시킬 수 있는 다상연계 악취정화시스템을 개발하여 성능을 평가하였다. 본 시스템은 시스템의 관리 상태를 유지할 수 있도록 자동화 시스템을 적용하였으며 화학적, 물리적, 공기역학적 세정의 단계적 세정시스템을 구축하여 저감 효율을 증대시켰다. 또한, 시스템 설치에 따른 축사 환기 팬의 압력손실을 보상하기 위하여 시스템에 배출 팬을 추가하였으며 축사 환기 팬과의 통신을 통해 배출 팬을 제어하였다. 개발된 시스템을 실제 양돈 농가에 적용하였으며, 시스템에 의한 단일가스와 복합악취의 저감효율을 측정하여 시스템의 성능을 평가하였다.

양돈시설에서 순환수 처리제에 따른 습식공기세정기의 복합악취 저감 성능 평가

최영배 ( Young Bae Choi ),정효혁 ( Hyo Hyeog Jeong ),강솔뫼 ( Sol Moe Kang ),김다인 ( Da In Kim ),이인복 ( In Bok Lee ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

전 세계적으로 돼지고기에 대한 수요 증가에 따라 현대의 양돈산업은 점차 집약적으로 변화하고 있다. 이러한 집약적인 양돈 생산으로 인하여 다량의 분뇨가 발생하게 되고, 이로 인해 악취, 암모니아 가스 및 지구온난화 가스가 인근 지역으로 배출된다. 특히, 축산시설에 대한 악취민원은 전체 악취민원 중 가장 큰 부분을 차지하고 있으며 꾸준히 증가하는 추세이다. 악취 확산은 인근 주민의 삶의 질 저하와 건강문제 등의 부정적인 문제를 발생시키기 때문에 악취를 저감 하는 방안이 양돈산업에서 필수적으로 고려되어야 한다. 양돈시설에서 발생하는 악취를 저감 하기 위한 방법으로 사료 급이 변경, 돈사 구조 조정, 분뇨처리 시스템 개선 및 악취저감 장치 설치 등의 방법을 사용할 수 있다. 특히, 악치저감 장치 설치는 양돈시설에 널리 이용되는 장치로 복합악취를 효과적으로 제거할 수 있는 이점이 있다. 그러나 기존의 연구는 대부분 암모니아 가스만을 대상으로 저감효과를 평가하였으며, 순환수 처리에 따른 복합악취 저감에 대한 연구는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구는 다양한 순환수 처리제에 따른 습식공기세정기의 복합악취 저감 성능을 평가하고자 하였다. 이를 위하여, 선행연구를 바탕으로 선정된 2가지 유형의 순환수 처리제를 선정하였다. 주로 암모니아 저감을 위해 사용되는 pH 조절제인 NaHSO4와 강한 산화 효과로 복합악취 저감 성능이 알려진 전해수를 처리구로 하였으며, 단순 지하수를 이용한 경우를 대조구로 설정하였다. 실험 결과, 돈사에서 발생되는 복합악취에 대한 저감성능은 평균 71%로 대조구인 지하수와 비교하여 전해수가 p<0.05에서 통계적으로 유의하게 높았다. 반면, NaHSO4의 경우 암모니아 저감 성능면에서 가장 우수하였으나 복합악취 저감효과는 대조구와 비교하여 유의한 차이는 없었다. 이는 양돈시설에서 발생하는 강한 악취물질이 주로 산성가스이기 때문에 악취 성분의 용해가 어려웠던 것으로 판단된다. 본 연구의 결과를 통해 순환수 처리제에 따른 복합악취 및 암모니아 저감성능을 평가하였으며, 향후 운영비용 분석 및 적정 농도 설계를 통해 효율적인 복합악취 저감 장치 개발이 가능할 것으로 사료된다.

국내 양돈시설의 공기재순환 환기시스템 개발 및 실증

김준규,이상연,박세준,최영배,조정화,크리스티나,정효혁,이민형,강솔뫼,김다인,이인복 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

양돈 전염병은 다양한 감염 경로를 통하여 확산될 수 있으며, 최근 심각한 피해가 자주 발생하고 있다. 이에 대하여 최근 공기 중 전염병 전파의 가능성이 높게 인지되고 있으며 기상환경요인에 의해 예상치 못한 경로로 전파될 가능성도 미리 대비할 필요성이 제기되고 있다. 또한 돈사 내부의 생육환경은 환기에 의하여 주로 관리되기 때문에, 충분한 환기량이 필요하나, 겨울철 저온의 외부 기상조건에 의하여 환기를 거의 시키지 못하고 악취 및 유해가스의 과다한 축적으로 인한 부적절한 생육환경을 극복하기 어려운 실정이다. 돈사 내부에는 돼지의 발열에 의하여 열에너지가 높기 때문에, 이러한 에너지를 재활용하고, 돈사 내외부 공기 교환을 최대한 줄여 질병예방이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 양돈 시설에 공기재순환 기술 (외부의 찬 공기 유입을 최소화하고 내부의 공기를 정화하여 재공급하는 기술)을 접목한 동물복지 스마트축사 시스템을 개발하고 자 한다. 공기재순환 시스템은 1) 공기세정기 모듈, 2) 외부 공기 혼합모듈, 3) UV 세정 모듈, 4) 태양열 온수보일러 모듈, 5) 입기 배분 모듈로 구성되어 있다. 전체 시스템 개발을 위하여, 먼저, 공기재순환 환기시스템을 설치할 현장 시설에 대한 내부 환경 분석 및 필요한 환기량을 파악하였다. 이를 바탕으로 돈사 환경 수치모델을 파이썬으로 개발하여 모듈의 순서도 및 용량을 선정하였다. 이후 각 개별 모듈에 대한 개발 및 성능 평가는 돼지가 없는 테스트베드에서 수행하였으며, 각 모듈의 데이터를 기반으로 수치모델에 입력하여 최적의 환기량 및 외부공기 혼합비를 결정하였다. 이는 추후 운영알고리즘에 사용될 예정이다. 선정된 환기량 및 외부공기 혼합비율로 환기팬을 가동하기 위하여 압력손실을 고려한 반폐회로 덕트 유량 산정실험을 수행하였다. 이를 바탕으로 실제 운영 기준을 결정하였다. 마지막으로 실증 농가에 공기재순환 환기시스템을 설치하고 운영하기 위하여 제어 알고리즘을 개발하였으며, 실험농장에서 본 시스템의 운영 평가 및 보완을 수행할 예정이다.

강제 환기식 육계사 내부 열환경 균일성 평가

김다인,이인복,이상연,박세준,김준규,조정화,정효혁,강솔뫼,정득영 한국농공학회 2022 한국농공학회논문집 Vol.64 No.6

Livestock industry in Korea has been growing rapidly and has reached 23 trillion Korean won in 2021. This study focuses on broiler, which is oneof the largest sectors in livestock industry. As the effects of climate change get more serious, primary industry such as livestock industry is fragileto climate change since it directly interacts with nature. Therefore, maintaining suitable rearing environment is important. One of the most frequentlyused ventilation type for controlling the rearing environment of broiler house, tunnel ventilation, causes frequent air velocity fluctuation which makesmaintaining the rearing environment important. By measuring the air temperature, relative humidity and air velocity in various points inside the broilerhouse, the internal thermal environment uniformity was analyzed according to length, width and zone. The experimental house was found to have deadzone with high air temperature, relative humidity and low air velocity near the end of the inlet and at the end of the broiler house. By using heatstress index to analyze quantitatively, zone with highest heat stress index was found to increase by 7.55% compared to the lowest zone. As a result,to maintain uniform rearing environment inside the broiler house, different factors must be measured and analyzed and used to operate the environmentalcontrol facilities.

국내 양돈시설의 공기재순환 환기시스템 개발 및 동절기 기간 실증 분석

김준규 ( Kim Jun-gyu ),박세준 ( Park Sejun ),정효혁 ( Jeong Hyo-hyeog ),강솔뫼 ( Kang Solmoe ),이인복 ( Lee In-bok ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-

양돈 전염병은 다양한 감염 경로를 통하여 확산될 수 있으며, 최근 심각한 피해가 자주 발생하고 있다. 이에 대하여 최근 공기 중 전염병 전파의 가능성이 높게 인지되고 있으며, 이에 대비할 필요성이 제기되고 있다. 또한 돈사 내부의 생육환경은 환기에 의하여 주로 관리되기 때문에, 충분한 환기량이 필요하나, 겨울철 저온의 외부 기상조건에 의하여 환기를 거의 시키지 못하고 악취 및 유해가스의 과다한 축적으로 인한 부적절한 생육환경을 극복하기 어려운 실정이다. 돈사 내부에는 돼지의 발열에 의하여 열에너지가 높기 때문에, 이러한 에너지를 재활용하고, 돈사 내외부공기 교환을 최대한 줄여 질병예방이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 양돈 시설에 공기재순환 기술을 접목한 스마트축사 시스템을 개발하고자 한다. 공기재순환 시스템은 1) 공기세정기 모듈, 2) 외부 공기 혼합모듈, 3) UV 세정 모듈, 4) 태양열 온수보일러 모듈, 5) 입기 배분 모듈로 구성되어 있다. 전체 시스템 개발을 위하여, 먼저, 공기재순환 환기시스템을 설치할 현장 시설에 대한 내부 환경 분석을 수행하였다. 이를 바탕으로 돈사 환경 수치모델을 개발하여 모듈의 순서도 및 용량을 선정하였다. 이후 각 개별 모듈에 대한 개발 및 성능 평가는 돼지가 없는 테스트베드에서 수행하였으며, 각 모듈의 데이터를 기반으로 수치모델에 입력하여 최적의 환기량 및 외부공기 혼합비를 결정하였다. 이는 추후 운영알고리즘에 사용될 예정이다. 선정된 환기량 및 외부공기 혼합비율로 환기팬을 가동하기 위하여 압력손실을 고려한 반폐회로 덕트 유량 산정실험을 수행하였다. 이를 바탕으로 실제 운영 기준을 결정하였다. 마지막으로 실증 농가에 공기재순환 환기시스템을 설치하고 운영하기 위하여 제어 알고리즘을 개발하였으며, 실험농장에서 본 시스템의 운영 평가 및 보완을 수행하였다.