돈사에서 열에너지의 이동원리

돈사에서 열에너지의 이동원리

 

앞에서 이미 설명한 바와 같이 돈사에서 열이동은 모두 4가지의 방법으로 이루어지지만 이러한 열전달방식이 모두 4계절에 따라 약간씩 차이를 가진다. 예를 들어 겨울에는 열손실이 주로 일어나 실제로 돼지들이 추위로 고통을 받지만 여름에는 열취득이 주로 일어나 반대로 열부하로 고생을 하게 된다. 이런 의미에서 돼지의 몸에서 일어나는 계절별 열이동을 우리는 잘 인식할 필요가 있다.

 

1. 계절별 열이동의 원리

 

다음의 그림과 같이 돼지와 환경과의 열역학적인 관계를 정확하게 이해할 필요가 있다. 예를 들어 봄에는 다음의 좌측그림과 같이 계절이 최적의 환경을 제공하고 있기 때문에 실제로 돼지의 조직에서 일어나는 열저항과 환경에 의해서 일어나는 열손실이 균형을 이루어 안정되기 때문에 문제가 없다. 이것은 다시 말해서 돼지들이 생산한 열량과 환경에 의한 열손실량이 동등하게 균형을 이룬다는 것을 의미한다.

 

Figure 1-3-1 봄과 여름철의 열에너지의 이동

 

그러나 여름에는 환경에 의해서 열손실이 일어나는 것이 아니라 환경온도가 높아 결과적으로 열취득이 일어나 환경열은 돼지의 체내로 침윤되어 돼지의 체온이 상승하게 된다. 그러면 돼지들은 당연히 사료섭취량을 줄이는 것으로 반응하게 되고 그 결과 성장이 지연된다.

그러나 다음의 좌측의 그림과 같이 가을에 환경이 좋을 때는 환경에 의한 열손실량과 돼지들의 조직에서 일어나는 열저항과의 사이에 균형이 이루어진다. 그러면 결과적으로 돼지들이 생산한 열량과 환경에 의해서 열손실이 일어나는 양이 동등해질 때 가장 최적의 환경을 제공하는 것이 된다.

 

Figure 1-3-2 가을과 겨울의 열손실에 따른 돼지의 열저항과의 관계

 

그러나 위의 우측의 그림과 같이 환경에 의한 열손실이 돼지의 조직에서 일어나는 열저항보다 클 때는 난방을 해주지 않으면 환경에 의한 열손실이 너무 커 돼지들은 위축이 일어나거나 또는 폐사로 이어진다. 이것은 결과적으로 위의 그림과 같이 환경에 의해서 발생하는 열손실이 너무 커서 돼지가 생산하는 열로는 감당하지 못하기 때문에 일어나는 현상이다.

이렇게 환경열과 돼지의 생산열 사이에는 항상 평형을 이루기 위한 열흐름이 일어나지만 문제는 돼지의 체온과 돈사의 환경열 사이의 온도차이가 크면 이 열흐름의 속도가 빠르게 일어나 돼지는 열손실이나 또는 열취득 현상을 견딜 수 없게 된다. 이것은 결과적으로 환경온도의 변화가 심하게 빨리 변화하는 것을 의미한다. 그리고 물론 환경온도와 돼지들이 요구하는 온도의 차이가 크다는 것을 의미하는 것이기도 하다.

 

Figure 1-3-3 돈사환경의 변화

 

그러나 열손실이 주류를 이루는 환절기와 겨울에 최고조직저항에 따라서 열손실저항과 동등해지는 점(온도)이 바로 최저임계온도(LCT: Low Critical Temperature)가 된다. 즉 열을 빼앗기지 않고 더 보존하려고 버티다 마지막 순간에 주변환경에 의한 열량의 손실이 체내로부터 지속적으로 보충되는 열량의 한계를 넘는 점이 바로 최저임계온도가 된다. 즉 열손실량이 체내로부터 보충되는 열량보다 크다는 것을 의미한다. 그 결과 최저임계온도 이하의 낮은 온도에서 총생산열량은 동물이 체열을 유지할 수 있도록 증가하게 된다.

결과적으로 외부의 자연환경과 그리고 돈사의 환경 및 돼지들이 요구하는 온도변화는 위의 표에서 알 수 있듯이 외부의 온도변화는 진폭이 커 낮에는 덥고 새벽에는 추운 현상이 반복하는 하나의 파동과정이다. 그러나 돈사 벽체의 온도변화는 외부의 자연환경보다는 파동의 크기는 줄어들지만 돈사의 내부의 진폭보다는 크다는 것을 알 수 있다. 하지만 돈사 내부의 온도는 돈사벽체의 온도보다는 더 진폭이 작아진다. 그러나 실제로 돼지들이 요구하는 온도는 돈사 내부의 온도보다 훨씬 더 정밀한 진폭을 요구하고 있다. 바로 이점 때문에 우리는 돼지들을 위해서 어떠한 환경을 제공하여야 하는지에 대해서 다시 한번 생각해보아야 한다.

 

Figure 1-3-4 건축부위 별 열손실비율

 

특히 돈사의 경우 에너지가 이동을 하는데 있어서 위의 그래프와 같이 지붕과 벽 그리고 바닥을 통해서 일어난다. 위의 그래프에서 지붕의 경우에는 여름에 일어나는 취득열이 방사열로 전달되는 것이 93%가 일어나지만 전도열은 5~7% 정도 발생한다. 그러나 대류현상은 유도하지 않는 것이 지붕의 특징이다.

하지만 바닥의 경우에는 방사가 45~50% 정도 일어나고 이 방사열에 의한 대류가 45% 정도 일어나고 전도는 단지 5~7%만이 일어나는 것이 특징이다. 그러나 벽의 경우에는 위의 그래프에서 알 수 있듯이 방사가 65~80% 그리고 전도가 5~7% 그리고 대류가 15~28% 정도의 열손실이 발생한다. 이와 같이 돈사에서 일어나는 열손실에 대한 정확한 이해가 없이는 결국 돈사에서의 에너지관리에 대한 어떤 대책도 세울 수 없다.

Figure 1-3-5 돈사에서 틈새의 영향과 대류현상

 

즉 대류에 의한 열손실은 돼지의 몸에서 일어나는 열손실의 약 35% 정도를 차지한다. 그러나 여름철에는 호흡에 의한 증발로 일어나는 열손실에 비하여 작은 양이기는 하지만 그 외에 방사나 전도에 비하여 가장 많은 열손실이 발생하기 때문에 이 대류에 의한 열손실을 잘 이해할 필요가 있다. 이와 같이 대류에 의한 열손실은 환기에 의해서 가장 많은 영향을 받는다. 그래서 사실 양돈장에서 환기는 대단히 중요하다.

특히 대류에 의한 열손실의 영향을 줄이기 위해서는 반드시 겨울 철 돈사의 실내공기의 유속은 돼지의 높이에서 15cm/sec를 넘기지 않도록 1차적으로 조절되어야 한다. 또한 이유자돈과 같은 어린 돼지에 있어서는 10.5cm/sec 이하의 공기의 유속을 지켜야 하지만 실제로는 거의 풍속이 일어나서는 안 된다. 이것은 물론 대류에 의한 열손실을 최소화하기 위해서이다. 특히 이렇게 돼지의 높이에서 공기의 유속을 지켜야 하는 돈사가 바로 이유자돈사이다. 물론 그 이유는 이유자돈들이 어려 공기의 유속에 따른 열손실에 민감하기 때문이다.

그러나 반대로 여름 철에는 75cm/sec 정도의 풍속이 일어날 때 돼지는 가장 안락한 시간을 보낼 수 있다. 물론 이렇게 75cm/sec의 공기의 유속을 요구하는 돈사는 비육사와 번식사라고 할 수 있다. 특히 파이프가 아닌 플라스틱이나 또는 다른 칸막이는 결과적으로 이러한 대류에 의한 열손실을 방해시키는 원인이 된다. 즉 이러한 칸막이는 겨울에는 유리하지만 반대로 여름에는 열손실을 방해하기 때문에 체감온도를 낮추기 어렵다는 것이 문제라고 할 수 있다.

그러나 오늘 날 만연하고 있는 4P와 같은 소모성질환 때문에 실제로 파이프칸막이 보다는 완전히 칸이 막히는 것을 외국에서는 선호하고 있는 실정이다. 또한 부분 슬랏을 한 돈사의 경우 대류에 의한 열손실은 전면 슬랏 돈사보다 단지 약간 높은 정도이다. 추운 겨울에 돼지들은 피부의 표면을 보호하고 보온하기 위하여 길고 거센 털이 많이 나거나 또는 돈방의 칸막이 부분이나 또는 사료통과 같은 곳에 함께 모여 떨고 있다면 이것은 대류에 의한 열손실이 심하게 일어나고 있다는 것을 의미한다.

Figure 1-3-6 쏟아져 들어오는 찬 바람

 

위의 그림과 같이 창문과 창틀의 틈새를 통해서 들어오는 찬 바람은 돈사 내부의 압력을 방해하는 하나의 요인으로 작용하면서 들어오는 찬 바람은 돈사 아래의 바닥을 휩쓸고 지나가며 돼지들의 체열을 빼앗는 역할을 한다. 그리고 돼지들의 체열 때문에 더워진 공기는 위로 상승하여 돈사의 배기구나 틈새를 통해서 외부로 빠져나간다.

결과적으로 위의 그림과 같이 찬 바람은 돼지들을 덮치기 때문에 돼지들은 어쩔 수 없이 추운 환경에 노출되어 저체온증으로 성장이 지연되거나 또는 폐사가 일어나게 되어 많은 손실을 보는 것이다. 즉 위의 그림과 같이 온도층리현상이 나타나면서 아래는 찬 공기가 차지하고 더운 공기는 지붕아래로 모이게 된다. 이러한 현상이 바로 대류현상이다.

동물들이 생산하는 열량은 체중에 따라서 차이가 나지만 또한 체중에 따라서 생산하는 열량과 그 돈사의 환경이 가지는 열량의 차이가 나면 돼지들이 요구하는 온도를 맞추어주기 위해서 냉방과 난방을 하게 된다. 그 결과 최적의 온도가 체중에 따라서 달리 요구되는 것이다. 그래서 우리는 돈사를 운영함에 있어서 가장 먼저 열원인 돼지가 생산하는 열량부터 체크하고 준비하여야 한다.

그러나 물론 이것은 돈사를 운영할 때 필요로 하는 것은 아니고 돈사를 초기에 디자인할 때 요구되는 것으로 우리가 생산성을 높이기 위해서는 반드시 돼지의 생산열량을 기준으로 돈사를 디자인하여야 한다. 물론 지금까지 돈사를 디자인함에 있어서 아무도 이와 같은 돼지들의 열생산량이 왜 요구되는지도 모르고 디자인하였다. 그 결과 양돈농가에서는 전혀 열에너지의 균형이 이루어지지 않는 돈사를 디자인해 온 것이다.

농가에서 가축을 기르는 것은 모두 고기를 생산하던 아니면 달걀을 생산하던 어떤 먹거리를 얻기 위해서 하는 행위라고 할 수 있다. 즉 동물이 가지고 있는 체온은 동물이 자신의 생명유지를 위해서 기본적으로 생산하는 열에너지라고 한다면 반대로 생산열은 완전히 돼지 자신이 돈육을 생산하는데 들어가는 에너지라고 할 수 있다.

결과적으로 동물이 생명현상을 유지하기 위해서는 반드시 자신의 생명을 유지하기 위한 열에너지와 그리고 더 성장하여 생산물을 만들기 위한 에너지를 요구한다는 것을 알 수 있다. 더구나 동물이 어떤 생산을 이룩하기 위해서는 반드시 활동을 하게 되는데 그 활동이 바로 생산과 직결되어 있어 이러한 활동 또한 하나의 생산과정으로 보어야 한다. 이렇게 동물이 움직인다는 것은 바로 에너지의 사용이고 그 결과 열의 발생이 일어난다.

Figure 1-3-8 단열재의 능력

 

그 결과 위의 그림과 같이 돈사의 내외부에서 열의 이동이 일어나는 것은 필연적으로 다만 여름에는 돼지들의 몸에서 열취득이 일어나게 되고 겨울에는 돼지들의 몸에서 열손실이 일어난다. 그러면 결과적으로 돼지의 몸에서 열손실과 열취득이 균형을 이루면 돼지들이 아무런 문제 없이 잘 성장하고 또한 고기를 생산한다는 것을 의미하는 것이다. 결과적으로 양돈을 한다는 것은 이러한 환경을 만들어 제공하는 것이 절대적으로 필요하고도 중요하다는 것을 알 수 있다. 하지만 이러한 돈사를 만든다는 것은 정밀한 계산 없이는 불가능하다.

 

2. 돈사에서 열이동 원리

Figure 2-0-1 온도센서의 위치

 

그러나 지금의 양돈농가에서는 센서의 위치도 잘못 놓고 온도를 측정하고 있는 것이 현실이다. 즉 위의 그림과 같이 ①, ②, ③, ④의 위치에 센서가 있을 경우 조절기의 작동명령은 순전히 센서가 자신의 위치에서 제공하는 온도정보에 의해서 이루어지고 그 결과에 따라서 팬은 무조건 작동을 하게 된다. 즉 조절기의 세팅온도를 28℃라고 한다면 조절기는 온도센서가 보내오는 정보가 28℃일 때부터 작동을 하게 되는데 예를 들어 위의 그림에서 ①번의 위치에 설치한 센서가 28℃의 온도에서 작동을 하도록 한다면 공기의 움직임이 돼지의 높이에서는 20~22℃일 때 작동을 하게 된다. 그러면 공기의 유속에 의해서 실제로 돼지들이 느끼는 체감온도는 20℃이하의 온도를 느끼게 되는 것이다.

그러나 이번에는 위의 그림에서 ④번 위치에 센서가 설치되어 있다면 센서는 단지 그 위치의 정보를 조절기로 제공하기 때문에 조절기는 그 위치의 온도가 28℃에 이를 때까지 작동을 하지 않게 된다. 그 결과 돼지들은 자신들이 요구하는 온도에서 조절기가 작동함으로써 어떠한 피해도 입지 않게 되는 것이다. 그러나 우리 나라의 대부분의 농장에서는 이러한 센서의 위치를 간단하게 생각하는 경우가 많다. 그래서 센서의 위치가 중요한 것이다. 그러나 대부분의 농장에서는 이러한 돼지의 입장에서 생각을 하지 않고 모두 관리자의 입장에서 생각을 하기 때문에 센서의 위치가 모두 ①, ②번에 위치하는 경우가 많다. 이것은 잘못된 방법이다. 특히 최소한도 ③번의 위치에 센서를 놓아야 센서는 비로소 돼지들의 높이에서의 온도정보를 조절기로 보내주게 되고 그 결과 정밀한 환경을 조절할 수 있다.

그러나 외국의 축사에서는 다음의 그림과 같이 기계식환기를 할 때 이미 이러한 Air shooting이라는 개념을 도입하여 축사의 아래와 위의 공기가 잘 혼합할 수 있도록 축사 전체의 공기에 회전력을 부가해준다. 즉 위의 그림에서 C와 같이 축사에서는 이미 Air shooting라는 개념의 입기방식을 이용해서 입기되는 공기를 축사의 천정을 향해서 쏘면 공기는 우측의 화살표와 같이 진행하며 Air mixing이 일어나 축사 내부의 공기는 고르게 혼합되어 거의 모든 공간이 같은 온도를 유지하게 된다.

Figure 2-0-2 돈사의 Air shooting과 Air mixing

 

즉 축사전체의 공간에 존재하는 공기의 유동을 일으킬 수 있는 힘을 가하지 않는 한 절대 전체적인 공기의 회전은 일어나지 못하고 일부분만 공기의 회전이 일어난다. 그 결과 돈사 전체의 공기를 회전하지 못할 경우 오히려 공간에서 온도의 분포차이가 심하게 일어날 수 밖에 없다. 결과적으로 환기용 팬은 환기만을 위한 목적이 아니라 바로 돈사의 전체부피가 가지는 공기를 혼합하는 역할을 하여 돈사 내부의 환경을 일정하게 만든다. 이 기술이 오늘 날 축사에서 최고의 기술이다. 하지만 우리나라의 돈사에서는 이러한 환기를 근본적으로 할 수 없다. 그 이유는 물론 습기장벽과 틈막음을 하지 않고 있기 때문이다.

 

1) 열손실

 

우리가 실제로 겨울에 돼지들에게 난방을 해 주지 않으면 돼지들이 잘 자라지 않는다는 것을 잘 알고 있다. 이렇게 돼지들이 잘 자라지 않는 것은 바로 돼지의 몸에서 일어나는 열손실에 의한 에너지의 손실 때문이다. 즉 다음의 그림과 같이 냉은 외부에서 침윤하는 형태로 일어나면서 돼지를 공격하는 특성을 가지고 있다. 특히 이와 같은 에너지의 손실은 바로 사료의 손실로 이어지고 또한 더 나아가서 돈육 생산의 차질을 가져오기 때문에 아마도 양돈농가는 바로 손해를 본다고 해도 과언이 아니다.

하지만 중요한 것은 난방은 에너지를 가해주면 된다. 즉 최저임계온도 이하로 돈사 내부의 온도가 내려가면 간단하게 에너지를 공급해 주면 된다. 하지만 이렇게 난방을 할 경우에 우리에게 있어서 가장 큰 문제는 얼마의 에너지를 공급해주면 되는 것일까? 하는 것이다. 즉 양돈장에서 번식사에 종돈을 424두 수용하고 있다고 한다면 얼마의 열량을 언제 어떻게 공급할 것인가를 확인하고 난방기를 구입하거나 또는 열량의 크기를 결정할 수 있었는가를 묻고 싶은 것이다.

Figure 2-1-1 돈사에서 냉의 침투

 

우리나라의 양돈장에서 사실상 아직까지 어느 누구도 이러한 계산을 정확하게 해 보지도 않고 농장에 난방기를 설치하고 얼마의 에너지원을 공급했는지도 모르고 돼지가 추위를 느끼고 있으니까 난방기를 가동하였다. 그러나 오늘날의 돼지들은 이미 과거의 돼지가 아니다. 즉 우리나라의 소비자들의 요구에 맞추어 너무 많은 지방을 제거해 왔고 그 결과 돼지들은 이미 조그만 환경의 변화에도 견딜 수 없는 수준에 이르러 환경변화만 일어나면 바로 집단적인 폐사가 일어나고 있다.

 

Figure 2-1-2 돈사의 열손실

 

이것은 아마도 양돈관 관계되는 모든 사람들이 알고 있는 이야기라고 할 수 있다. 진정으로 돼지들을 사육하여 더 많은 돈을 벌기 위해서는 우리로서는 어쩔 수 없이 더 정밀한 환경을 돼지들에게 제공할 수 밖에 없다. 즉 돼지도 하나의 생명체라고 할 수 있다. 그 결과 우리가 추우면 연료를 연소시켜 난방을 해 주듯이 돼지들은 자신이 추위를 이길 수 없을 때 그들 스스로 사료라는 에너지를 연소하여 자신의 몸으로부터 많은 열을 발산하여 체온을 유지하며 추위를 견디려고 반응한다.

즉 위의 그림과 같이 우리는 돈사에서 많은 열이 손실되는 이러한 현상을 이해하고 그 내부에 내재되어 있는 열용량을 찾아서 난방기의 크기와 연소열의 양 및 에너지 공급방법을 계산에 의해서 확정하는 것이 바로 난방부하인 것이다. 이렇게 난방은 사실상 에너지를 공급하는 것이기 때문에 냉방보다 어려운 문제는 아니라고 할 수 있다.

 

2) 열취득

Figure 2-2-1 돈사의 열취득현상

 

위의 그림에서와 같이 외부의 열침윤으로 최고임계온도보다 돈사의 내부온도가 상승하면 돼지들은 견딜 수 없어 농가에서는 선풍기를 켜 주거나 아니면 냉방기를 가동하여야 한다. 물론 이 때 돼지들이 잘 자라지 않게 되는데, 이것은 겨울과는 반대로 돼지들이 사료를 거부하여 돼지들 자신이 발생하는 열량을 줄여서라도 자신들의 환경에 적응하려고 하는 하나의 반응 때문이다.

이렇게 돼지들 스스로 반응을 하는 것은 바로 자신들의 몸에서 열을 제거할 수는 없지만 외부로부터 들어오는 취득열량만큼 자신의 몸에서 생산하는 열량을 줄여 균형을 맞추어 주면 더위를 어느 정도 견딜 수 있기 때문이다. 이것이 바로 돼지들 자신이 처한 환경에 적응하는 하나의 방법이고 과정이다. 그 결과 그들은 온도에 따라서 조금씩 사료를 먹지 않아 체중의 손실이 일어나고 종국에는 영양적인 균형이 깨져 문제가 되는 것이다.

그러나 실제로 난방과는 달리 냉방이 어려운 것은 바로 열을 어떻게 제거할 것이냐 하는 문제라고 할 수 있다. 즉 열을 가해주는 것은 쉽지만 열을 빼앗는 것은 실제로 계산하기도 어렵고 또한 제거하는 방법 자체도 어렵다. 예를 들어 위의 난방부하를 계산할 때는 돈사의 열손실량을 계산할 때 돼지의 열생산량을 빼 주면 난방부하량은 줄어들지만 반대로 냉방부하를 계산할 때는 돈사에서의 열취득량이 발생하면 이 값에 다시 돼지의 열생산량을 더해서 그 열량 전체를 제거해야 하기 때문에 더 어려운 것이다. 그래서 난방보다는 냉방이 더 어렵다.

즉 열량의 차이가 너무 많이 나는 것이다. 실제로 냉방부하가 난방부하보다 더 어렵다는 것을 알 수 있는데 이것은 바로 열을 가해주는 것은 대단히 쉽고 자연스러운 것이지만 열을 빼앗는다는 것은 실제로 우리가 생각하기 보다는 대단히 어렵기 때문이다. 그래서 냉방부하를 계산할 때마다 적절한 용량을 계산하여야 하기 때문에 고민을 하게 된다. 즉 냉방부하란 바로 돈사에서의 취득열량과 돼지의 생산열량을 계산하여 얼마의 열량을 제거해주어야 하는 문제로 이 문제가 결정될 때 비로소 냉방기의 크기와 방법을 결정할 수 있다.

즉 에너지를 주기는 쉬워도 빼앗기는 어렵다. 이것은 자연의 이치로 뜨거운 물질에서 찬 물질로 열은 쉽게 흐르지만 반대로 찬 물질에서 뜨거운 물질로 냉이 흐르게 할 수는 없기 때문이다. 이렇게 냉과 열은 서로 반대의 관계에 있기는 하지만 중요한 것은 냉은 빼앗기만 하지 주지 않고 또한 열은 주기만 하지 빼앗지 못한다는 것이다. 이것이 바로 열의 이동에 관한 원리라고 할 수 있다.

 

 

결국 돈사에서 에너지비용은 난방비와 냉방비이다. 하지만 중요한 것은 이와 같은 에너지의 비용을 우리가 절약하지 않고는 양돈을 해서 좋은 이윤을 바랄 수 없는 시절이 왔다는 사실이다. 왜냐하면 이미 세계는 에너지의 대란이 왔을 뿐만 아니라 미래에는 더 큰 에너지전쟁이 일어날 것이기 때문이다. 이러한 의미에서 본다면 위의 표와 같이 결국 우리는 겨울철 난방부하를 조절하여 어떻게 해서든 에너지의 비용을 줄여야 하고 또한 여름철 냉방부하를 조절하여 에너지비용을 줄일 때 비로소 우리는 전체적으로 전력부하를 줄여 원가절감을 위한 에너지비용을 절감을 이룩할 수 있다.

그러나 그 방법이 단순하고도 간단하다. 왜냐하면 습기장벽과 그리고 공기장벽 및 틈막음을 돈사의 신축 시 그리고 리모델링할 때 해주면 되기 때문이다. 하지만 우리는 지금까지 바로 이 부분을 놓치고 있었다. 그 결과가 너무도 참혹하다. 왜냐하면 이 간단한 시공을 하지 않고 돈사를 지었기 때문에 지금은 에너지가 줄줄 새고 있기 때문이다. 게다가 돈사의 수명은 짧아져 전혀 돈사의 국제경쟁력을 가질 수가 없다. 그래서 에너지의 절감을 위한 우리 스스로의 자구책이 절대 필요한 시점이다. (자료: 이재혁)