1. 서 론

국내 육류 소비량은 `21년 기준 54.3 kg/인으로 지속 적으로 증가하고 있으며, 가축 사육두수도 이에 따라 지속적으로 증가하고 있다. 국내 축산농가의 구조 변 화에 따라 소규모 축산농가 수는 감소하고 있으며, 대 규모 축산농가의 비중이 늘어나는 등 축산업의 규모 가 대형화·밀집화 되어 축산악취의 관리 필요성이 높 아지고 있다. 또한 귀농·귀촌 인구의 증가로 쾌적한 농 촌생활과 삶의 질 향상에 대한 요구가 증가하고 있다. 하지만, 과거에 비하여 축산시설과 주거지역 간의 거 리가 감소하고, 축산악취에 대한 민감도가 높아지면 서, 축산시설에서 발생하는 악취민원 건수가 지속적 으로 증가하고 있다. 그 중 축산악취와 관련된 민원 은 `15년 4,323 건에서 `20년 14,345 건으로 약 3.32 배 증가하였다. 따라서 축산시설에서 배출되는 악취관 리 방안에 대한 중요성이 높아지고 있다.

축산악취의 저감방안으로는 시설 내부 청소, 생물 탈취법, 슬러리 내 활성탄 살포 등의 방법이 있다. 시 설 내부 청소방법은 물이나 세정제를 축산시설 내부 에 분무하여 분진 및 분뇨를 제거하는 방법으로 계절 에 따른 온도와 습도의 영향을 고려해야 한다(Keener et al., 1999;Estelles et al., 2011;Moore et al., 2018). 생물 탈취법은 냄새유발 물질이 흡착 또는 흡수된 후 미생물 활동에 의해 분해 및 제거 시키는 방법이다 (Schiffman et al., 2000;Shinabe et al., 2000;Liang and Liang, 2015;Yoo et al., 2010;Barbusinski et al., 2021). 하지만 분해 가능한 냄새물질에 제한적이며, 제 거과정에 충분한 시간이 필요하다. 슬러리 내 활성탄 살포 방법은 슬러리 피트 내 활성탄 살포를 통해 냄 새가 발생하기 유리한 혐기성 환경을 호기성 환경으 로 전환시켜 저감하는 방법이다. 타 방법에 비해 간 접적인 효과를 가지고, 높은 유지비용을 가진다는 단 점이 있다(Bottcher et al., 2000;Sun et al., 2000;Rahman and Borhan, 2012).

축산악취가 축사 밖으로 확산되는 것을 방지하기 위한 악취방지시설은 바이오커튼, 바이오필터, 안개 분무, 방풍림 및 방풍벽 등이 있다. 바이오필터는 충 전물질에 축산악취를 통과시켜 냄새유발물질을 저감 하는 방법이다. 지속적인 충전재 교환으로 인한 높은 유지비용을 가지며, 환기팬에 부착하기 때문에 환기 팬의 부하가 발생하거나 환기량이 감소하는 문제가 발생할 수 있다(Bottcher et al., 2000;Sun et al., 2000;Rahman et al., 2012). 안개분무 방식은 스프레이 방식 으로 미세한 물방울을 분사시켜 냄새유발물질을 물 방울에 흡착시켜 물리적으로 저감하는 방법이다. 습 도 및 환경조절에 큰 영향을 미치고, 24시간 가동할 수 없다는 단점이 있다(Watkins et al., 1997;Bottcher et al., 1998;Keener et al., 1999). 방풍림 및 방풍벽은 축사 외부로 배출되는 냄새물질을 대기의 상부로 확산시 켜 강도를 저감시키는 방법이다. 인근 주민들의 시야 에서 축산시설을 은폐할 수 있는 미적인 장점을 가지 지만, 간접적인 축산악취 저감방법으로 타 방법에 비 해 저감 효과가 낮다(Lemay et al., 2000;Bottcher et al., 2000;Nicoali et al., 2005). 바이오커튼은 배기팬 측 벽에 설치하여 축사내부에서 배출되는 공기오염물질 을 여과하여 배출되도록 하는 장치이다. 바이오커튼 은 설치가 용이하고 유지비용이 저렴하기 때문에 많 은 농가들이 사용하고 있다. 비용대비 효과가 우수한 것으로 알려져 있으나, 설치 및 운영에 대한 기준이 부족한 실정이다. 특히 바이오커튼으로 설치되는 공 기 차단막의 두께 및 겹수에 따라서 내부 유속, 축산 악취 저감효과, 환기팬의 부하 등이 달라지기 때문에 중요하게 고려해야 하지만, 관련된 기초데이터 및 기 준이 없는 실정이다.

바이오커튼의 기초데이터 및 설계기준을 마련하기 위해서는 환기팬의 성능, 돈사 내외부 환경과 같이 눈 에 보이지 않는 축산악취와 공기를 대상으로 하기 때 문에 현장실험을 통한 데이터 수집이 어렵다. 다양한 환경조건에 따른 바이오커튼의 성능을 평가하는 기 초데이터를 확보하기 위하여, 현장실험의 한계를 극 복할 수 있는 전산유체역학(CFD, Computational fluid dynamics) 시뮬레이션을 활용한 연구가 적용될 수 있 다. 전산유체역학은 유체의 유동형상을 비선형 편미 분방정식인 Navier-Stokes 방정식을 수치해석하여 그 거동을 연구하는 학문으로, 악취 및 공기오염물질의 확산, 시설환경 조절 등 다양한 농업분야에서 활용되 고 있다(Seo et al., 2008;Park et al., 2018;Oh et al., 2019;Seo et al., 2021). 전산유체역학 내에서 복잡한 형 상과 수많은 공극을 가지는 바이오커튼을 구현하기 위해서는 다공성매체(Porous media)로 가정하여 적용 이 가능하며, 이를 위한 관성저항계수, 점성저항계수 등 바이오커튼의 특성을 고려할 수 있는 검증된 기초 데이터의 확보가 필요하다.

본 연구에서는 바이오커튼의 유동학적 특성을 나 타내는 관성저항 및 점성저항계수를 도출하기 위하 여 챔버를 기반으로 하는 유속압력 저항곡선을 도출 하기 위한 현장실험을 수행하였다. 챔버에는 바이오 커튼의 두께를 의미하는 겹수를 고려하여 공기의 통 과 전·후의 유속 및 압력의 변화량을 측정하고, 유속 에 따른 압력 저항곡선, 관성 및 점성 저항계수를 산 정하였다.

2. 연구방법

2.1 실험장비

실험용 챔버는 0.5 m × 1.0 m × 10 m의 크기로 제작 하였으며, 바이오커튼의 설치 및 해체가 용이하도록 분리가 가능한 구조로 제작하였다. 챔버의 재질은 매 끈한 합판으로 구성하였으며, 내부는 정전기방지 코 팅제를 도포하였다. 공기의 흐름을 유도하기 위하여 2개의 동일한 규격의 500 mm 가변식 팬을 음압식으 로 설치하였다. 챔버의 공기유입부는 유입되는 공기 가 안정적인 층류로 제공될 수 있도록 벌집모양 구조 물을 설치하였다. 구조물은 내부에 안정적인 기류가 흐를 수 있도록 충분한 길이로 설계되었다. 주요 측 정항목은 유속과 압력의 변화로, 유속은 다채널 풍속 계((MODEL 1560, Inc, KANOMAX, JAPAN)를 이용 하여 챔버내부로 유입되는 공기의 유속과 바이오커 튼에 도달하는 유속을 실시간으로 측정하였다. 측정 은 1초 간격으로 수행하였으며, 설치조건별로 각각 600 초 동안 실험을 진행하였다. 바이오커튼의 설치조건 에 따른 압력변화는 압력계측기(AMI 310, KIMO Inc, France)의 압력모듈(MPR-500)을 사용하여 측정하였 다. 측정 위치는 바이오커튼의 설치 전과 후이며, 측 정은 1초 간격으로 설치조건별로 각각 600초 동안 수 행하였다. 1초 간격의 데이터를 활용하는 경우 데이 터의 편차가 심하게 발생할 수 있으므로, 압력과 유 속의 측정데이터는 평균 데이터를 활용하였다. 챔버 내부는 층류로 가정하였으며, 각 벽체 인근에서는 마 찰에 의한 유속저하가 발생할 수 있기 때문에, 유속 과 압력은 챔버의 정중앙에서 측정하였다. 바이오커 튼은 현장에서 일반적으로 사용되는 폴리에틸렌 재 질의 제품을 사용하였다. 바이오커튼은 차광막과 유 사하게 반밀폐식으로 구멍이 있어 공기가 천천히 빠 져나갈 수 있는 구조로 되어 있으며, 일반적으로 현 장에서는 2 겹 또는 3 겹을 경험적으로 사용하고 있 다. 압력과 유속의 저항곡선을 도출하기 위하여 바이 오커튼은 1 겹부터 5 겹까지 5가지 설계조건을 고려 하였으며, Fig. 1 과 같이 바이오커튼은 챔버를 분리하 여 내부공간을 완전히 채울 수 있도록 부착하였다. 내 부의 유속은 가변식 환기팬을 사용하여 0~10 m/s까 지 30 초 마다 총 20 단계로 나누어 유속 변화에 따른 압력변화량을 연속으로 측정하였다.

2.2 바이오커튼의 저항계수 산정실험

바이오커튼과 같은 다공성매체는 표면 또는 내부 에 수많은 구멍들이 있어 복잡한 내부공간을 통과하 는 과정에서 공기 흐름에 저항이 발생한다. 이 저항 이 유동을 방해하여 유량에 따라 압력의 변화가 발생 하며 이때 다공성매체를 통과하는 공기에 대한 관성 저항과 점성저항이 발생한다. 관성저항은 정지 또는 운동하고 있는 물체가 계속해서 정지 또는 운동하고 자 저항하는 힘을 의미하며, 점성저항은 유체가 가지 는 특성 중 점성으로 인해 흐를 때 발생하는 마찰저 항을 의미한다. 전산유체역학 내에서 다공성매체를 구현하기 위해서는 관성 및 점성 저항계수가 필요하 며, 현장실험 데이터를 기반으로 유속 변화에 따른 압 력 저항곡선을 통해 산정할 수 있다.

바이오커튼의 저항계수를 도출하기 위하여 실험용 챔버에서 바이오커튼의 설치 전후의 유속과 압력을 측정하였다. 바이오커튼은 구멍의 방향을 고려하여 지그재그로 배치하여 설치겹수는 1, 2, 3, 4, 5 장을 각 각 설치하였으며, 유속은 최대 10 m/s 까지 단계적으 로 증가시키면서 바이오커튼 전후의 압력차와 유입 되는 유속에 대하여 실시간으로 측정하였다. 측정된 결과를 바탕으로 바이오커튼의 설치밀도에 따른 유 속에 따른 압력저항곡선을 작성한 후, 유속과 압력의 변화곡선의 2차항과 1차항의 계수를 사용하여 식 (1)~(3) 을 활용하여 관성 및 점성저항계수를 산정한다.

3. 결과 및 고찰

3.1 바이오커튼 설치 밀도별 유입·유속 분석

바이오커튼을 여러장 겹쳐서 사용하는 경우 설치 밀도가 증가하며, 설치밀도에 따른 유입공기의 유속 을 분석한 결과, 밀도가 증가할수록 유입공기의 유속 은 감소하는 경향을 보였다(Fig. 3). 1장의 바이오커튼 을 사용할 경우 0.7 m/s, 2장의 경우 0.45 m/s, 3장의 경 우 0.31 m/s, 4장과 5장의 경우 0.21 m/s의 평균 유속을 나타냈다. 바이오커튼을 4장 이상 사용할 경우 평균 유입유속의 차이에는 큰 차이를 보이지 않았다. 바이 오커튼을 1장에서 2장으로 밀도를 높이는 경우 유입 유속은 평균 36%로 가장 큰 감소폭을 보였으며, 2장 에서 3장으로 늘리면 30%, 3장에서 4장 이상으로 늘 리면 34%의 감소폭을 보였다. 1장을 사용할 때와 비 교하였을 때, 4장이상 바이오커튼을 중첩하여 사용할 경우 유입유속은 약 49% 감소하였다. 바이오커튼의 밀도가 높을수록 유입공기의 유속이 감소하고 있으 며, 이는 바이오커튼을 공기가 쉽게 통과하지 못하는 것으로 악취를 막는 효과는 높아질 수 있으나, 공기 의 흐름을 방해하기 때문에 축사에 설치된 환기팬에 압력부하의 원인이 될 수 있다.

3.2 바이오커튼 설치밀도별 압력변화량 분석

바이오커튼의 설치밀도에 따른 압력변화량 분석 결 과, 유속이 증가함에 따라 선형적으로 압력부하량도 함께 증가하였다. 바이오커튼의 설치밀도에 따른 압 력변화량은 평균적으로 큰 차이를 보이지 않았다. 바 이오커튼의 설치밀도별 평균 압력변화량은 1장일 때 평균 20 Pa, 2장일 때 20.5 Pa, 3장일 때 21.3 Pa, 4장일 때 22.9 Pa, 5장일 때 25 Pa의 압력 부하량을 나타냈다. 1장에서 3장 사이에서는 6.5% 정도로 압력부하가 크 게 증가하지 않았으나, 1장과 비교하였을 때, 4장 설 치 시 14.5%, 5장 설치 시 25%로 증가하였다. 바이오 커튼의 설치밀도가 4장부터는 압력부하가 크게 증가 하는 것으로 나타나, 향후 환기팬에 압력부하 및 설 계환기량의 저하로 인한 환기효율성 문제가 발생할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서, 바이오커튼의 설치 밀도를 결정할 때 압력부하량을 함께 고려하여야 환 기팬에 가해지는 압력부하로 인한 환기량 저하, 환기 팬 고장 등의 문제를 예방할 수 있다.

3.3 바이오커튼의 설치밀도별 공기유동학적 계수 산정

챔버실험을 통해 도출한 바이오커튼의 설치밀도별 유속 및 압력변화 데이터를 활용하여 압력저항곡선 을 작성하였다(Fig. 5). 바이오커튼의 관성 및 점성저 항계수를 산정하기 위하여 이론식에 근거하여 압력 저항곡선에서 이차식 형태의 추세선을 도출하였다. 도출된 식의 이차항 계수는 관성저항계수의 산정에 사용되며, 일차항 계수는 점성저항계수의 산정에 사 용되었다. 압력저항곡선을 분석한 결과, 바이오커튼 의 밀도가 증가함에 따라서 유속에 따른 압력 변화폭 이 더욱 커짐을 알 수 있었다. 1장의 바이오커튼을 사 용할 때를 기준으로 2겹의 바이오커튼을 사용할 때 약 2.9 배의 더 큰 압력 부하폭이 나타났으며, 2겹에서 3겹을 사용할때는 약 1.4 배, 3겹에서 4겹을 사용할때 는 약 1.07 배의 압력 부하폭이 증가하였다(Fig. 5(f)). 즉, 동일한 유속조건에서 바이오커튼의 설치밀도가 증가함에 따라 내부 압력부하량은 증가하였다.

압력저항곡선에서부터 바이오커튼의 설치밀도에 따른 점성 및 관성 저항계수를 산정하였다. 바이오커 튼의 밀도가 증가함에 따라 관성저항계수와 점성저 항계수 모두 증가하였다. 하지만, 사용되는 바이오커 튼의 겹수에 따라 저항계수의 값과 증가폭이 다르게 나타났다.

작성된 압력저항곡선을 통해 바이오커튼의 설치 겹 수 별 추세식과 점성 및 관성 저항계수를 산정하였다 (Table 1). 관성저항계수와 점성저항계수 모두 바이오 커튼의 사용 겹수가 많아질수록 증가하였다. 바이오 커튼의 겹수에 따라 각 계수의 증가폭이 다르게 나타 났다. 관성저항계수의 경우 1겹을 기준으로 2겹으로 사용 겹수를 증가시킬 경우 1겹 대비 약 189%의 증가 량을 보였으며, 3겹을 사용할 경우 약 306%, 4겹을 사 용할 경우 약 336%, 5겹을 사용할 경우 약 399% 증가 하였다. 바이오커튼의 사용 겹수가 증가함에 따라 관 성 저항계수의 증가 폭은 점차적으로 증가하였으며, 2겹으로 증가 시킬 경우 가장 낮은 증가폭을 가졌다. 점성저항계수는 1겹을 기준으로 2겹으로 사용 겹 수 를 증가시킬 경우 1겹 대비 15% 증가하였으며, 3겹을 사용할 경우 약 385 %, 4겹을 사용할 경우 770%, 5겹 을 사용할 경우 903% 증가하였다. 관성 저항계수와 마 찬가지로 2겹으로 증가시킬 경우 약 15% 로 가장 낮 은 증가폭을 보였으나, 3겹 이상을 사용할 경우 저항 계수는 매우 큰 폭으로 증가하였다(Fig. 6). 바이오 커 튼의 설치밀도가 증가함에 따라 악취물질의 저감율 은 높아질 수 있으나, 저항계수들의 상승폭은 점차적 으로 크게 나타났다. 저항의 정도에 따라 내부와 환 기팬에 부하가 증가하여 환기량 감소, 환기팬 고장 및 내구성 저하 등이 발생할 수 있기 때문에 실제 농가 에서 바이오커튼 설치시 겹수에 대한 고려가 필요하 다. 챔버실험을 통해 산정된 바이오커튼의 점성 및 관 성 저항계수는 계수의 신뢰성 및 현장 적용성 확보를 위하여 향후 실제 농가에서 사용되는 바이오커튼을 통한 비교검증이 필요하다. 또한 산정된 바이오커튼 의 저항계수는 전산유체역학에 활용되어 바이오커튼 의 시뮬레이션 모델에 적용될 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 축산농가에서 악취저감시설로 많이 사용되고 있는 바이오커튼에 대한 다양한 환경조건 별 가동효율을 분석할 수 있는 기초자료로 활용하기 위한 공기유동학적 계수를 산정하였다. 바이오커튼 은 설치밀도에 따라서 환기팬의 부하량, 악취저감효 과, 압력에 의한 파손 등이 달라진다. 적정한 설계를 위해서는 다양한 환경조건에 따른 해석이 필요하며, 시뮬레이션 및 물리적 특성을 파악하기 위하여 바이 오커튼의 유속 변화에 따른 압력저항 곡선을 작성하 고, 이를 바탕으로 바이오커튼의 관성 및 점성 저항 계수를 산정하였다. 연구결과 바이오커튼의 밀도가 높을수록 커튼으로 유입되는 유속은 감소하고, 압력 은 전체적으로 유사한 경향을 보였다. 다만 1장에서 5장으로 증가할 경우 15% 이상의 압력부하가 증가하 였다. 본 연구결과는 향후 전산유체역학을 활용한 바 이오커튼의 시뮬레이션 모델에 적용하여 실제 농가 에 설치된 바이오커튼과 현장검증을 통하여 신뢰성 을확보할 예정이다. 개발된 시뮬레이션 모델은 다양 한 설치환경별 성능곡선은 물론 설치를 위한 설계기 준마련에 활용될 수 있다.