This study was conducted to identify and assess key parameters affecting greenhouse gas emissions and odor intensity at a naturally ventilated dairy farm. Measurement data of greenhouse gases (CO2, CH4, N2O), odorants (NH3 and H2S), and meteorological data (wind speed, temperature, relative humidity, and solar radiation) were posited as the parameters influencing those emissions. Carbon dioxide and methane emissions correlated well to CO2-equivalent emissions and the contribution of carbon dioxide emissions (R2=0.9181) was greater than that of methane emissions (R2=0.8854). Hydrogen sulfide emissions were highly correlated with odor intensity (R2=0.9989), but the contribution of ammonia emissions to odor intensity was not significant (R2=0.0081). No correlation among CO2-equivalent and odor intensity emissions and meteorological parameters was observed. In this study, the relationship between emissions of greenhouse gases and odor intensity in a naturally ventilated dairy barn mainly depended upon carbon dioxide and hydrogen sulfide emissions. The results in this study will be helpful in the mitigation planning of greenhouse gases and odor in animal feeding operations (CFOs).

본 연구에서는 간척지 풍 환경 특성에 따른 온실의 환 기효율 분석 연구에 대한 기초연구로서 단동 양지붕형온실을 대상으로 간척지 풍 환경을 적용한 풍동실험 및 PIV 실험을 수행하여 풍속, 환기방식에 다른 온실 내부 공기유동 분석을 수행하였다. 실질적인 간척지 풍환경 적용을 위하여 ESDU 프로그램을 활용하여 풍속 및 난류 프로파일을 설계하여 풍동실험에 적용하였으며 구현 결과 ESDU 대비 5%의 오차 및 상관계수 0.96이 도출 되었으며 적절한 오차범위라 판단하여 이를 기준으로 실험을 진행하였다. 벡터장, 컨투어장을 통한 분석 결과, 풍상측에서 유입 되는 공기가 온실 하부로 주기류층을 형성하고 온실 상부로는 주풍방향과 반대방향으로 다소 약한 기류를 형성 하는 것으로 측정되었다. 이는 환기 시, 온실 하부영역 이 가장 환기가 원활한 위치이며 후류가 형성되는 상부 영역은 저속의 순환구역으로 온실 내부에 있어 환기에 가장 취약한 위치임을 알 수 있었다. 또한 외부풍속 대비 온실 유입구 유속의 경우 상이하게 나타난 바, 이는 차후 환기량이나 환기효율의 산정에 있어 보다 실질적인 수치가 될 것으로 사료된다. 온실 내부 중앙부 기준 수직 높이에 대한 높이별 유속 수치 도출 및 분석결과, 풍속의 증가율에 비례하여 내부 유속 분포 수치 또한 비례해서 증가하는 것을 알 수 있었다. 환기방식에 따른 내부 유속 저감 비율은 측창 환기, 측창-천창 환기의 경우 각각 약 40%, 30%로 나타났으며 측창-천창 환기조건에서는 천창을 추가적으로 개방 함으로써 공기의 유입되는 면적이 증감함에 따라 온실을 기준으로 발생되는 부압이 감소하여 오히려 측창 환기조 건보다 더 큰 유속 수치가 도출된 것으로 사료된다. 이는 차후 질량교체 환기량, 추적가스 감쇠법 등의 방법을 통한 환기량 산정에 있어 환기방식에 따른 환기량의 변화양상에 대한 분석을 추가적으로 수행할 필요성을 지니는 자료로 판단된다. 본 연구를 통하여 도출된 결과를 바탕으로 전산유체 역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 시뮬레이션에 접목하여 앞서 도출된 정량적인 높이별 유속 수치 및 정성적 유동분포를 기준으로 검증 및 정확도 향상을 통한 환기분석 모델을 설계하고자 하였다. 온실 내부의 공기유동에 따른 보다 실질적인 환기 척도를 도출하여 다양한 온실형태별, 환경조건별, 환기방식별 환기경향 분석 및 예측이 가능할 것으로 전망되며 시뮬레이션을 활용한 온실 체적 전체 및 구역별 환기량을 예측하여 환기 취약 구역을 파악, 보완할 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구에서는 모델 기반의 온실 환경 제어에 활용될 수 있는 미기상 환경 예측 모형을 개발하고자 하였다. 전산유체역학 시뮬레이션을 활용하여 다양한 기상 조건과 온실의 환기 구조에 따른 온실 내부의 미기상 변화와 환기창에서의 환기량 변화를 모의하고, 다중회귀분석을 통해 수치 모형을 제시하였다. 비정상상태의 환기 작용을 모의한 결과, 환기창 개방 후 환기 효과가 완전히 나타나기까지는 3분 ~ 20분 정도의 시간이 소요될 수 있는 것으로 나타났다. 기존의 센서 실측에 기반을 둔 대부분의 환경 조절 제어 시스템의 경우에는 측정값에 따른 피드백에 의해 환경 제어가 동작하므로 온실 내부의 기온이 상승한 이후에 환경 제어를 시작하게 되지만, 모델 기반의 환경 조절 제어 시스템을 도입하면 이러한 3분~20분 정도의 시간을 사전에 고려하여 적정 환경을 제어할 수 있도록 미리 환기창의 조작이 이루어지게 된다. 작은 규모의 온실에서 는 이러한 영향이 미비할 수 있지만, 근래에 증가하고 있는 대규모 온실들에 대해서는 온실 내부 작물 재배 환경의 균일성과 적정성, 안정성을 확보하고 환경 조절의 경제성을 추구할 수 있는 모델 기반의 환경 조절 시스템이 필수적이다. 본 연구에서 제시된 수치 모형들은 외부의 기온과 풍속, 지면 온도, 일사량 등의 기상 환경과 온실의 천창 개폐율에 따라 유도되는 자연 환기의 성능을 온실 내 미기상 변화와 환기창을 통한 환기량 값으로 제시하고 있으며, 전산유체역학 시뮬레이션 결과와 비교하여 각각 58% ~ 92%, 76% ~ 93%의 예측력을 보였다. 미기상의 변화는 온실을 9개의 세부 영역으로 구분하여 각 영역 에서의 기온 하락 정도로 나타내며, 환기량은 지붕에 형성된 6개의 천창에서의 공기 유출입량을 각각 제시하여 준다. 환기 작용에 의한 미기상의 변화는 반드시 환기창에서의 환기량에 의해 예측되지는 않으므로 환기량과 환기의 효과를 구분하여 적용하는 것이 중요할 것이다. 이러한 수치 모형들은 모델 기반 환경 제어 시스템에서 가상의 환기창 동작에 따른 환기 성능을 예측하는데 활용될 수 있으며, 전산유체역학 시뮬레이션과 같은 매우 복잡한 예측 모델이 비해 상당히 간단한 형태로 이루어져 있어 빠른 계산 시간을 보장한다. 이는 실시간 제어의 관점에서는 복잡한 예측 모델들에 비해 실시간 예측 과 제어가 가능하다는 큰 장점을 가져다준다. 본 연구를 통해 개발되고 시도된 결과들은 모델 기반의 온실 복합 환경 제어 시스템을 위한 알고리즘을 개발하는데 활용될 것이다. 또한 이러한 활용은 농업에 IT 기술을 접목하여 농가의 노동력 부족을 극복하고 생산성 향상과 경쟁력 확보를 도모하는 농업 선진화에 기여할 것으로 기대된다.