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2020년 6월 23일 (화) 04:15 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 안개형 분무식 장치(Fog Cannon)과 IOT기술을 접목한 스마트 비산먼지 발생저감 기술

영문 : Smart scattering dust reduction technology combined Fog cannon and IOT

과제 팀명

2조

지도교수

문영일 교수님

개발기간

2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 김*현(팀장)

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 정*은

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 조*민

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 이*수

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 남*송

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

비산먼지 발생저감을 위해 행하는 수많은 방법 중에 우리는 ‘안개형 분무식 장치(Fog Cannon)’를 ‘사물인터넷(IOT:Internet of Things)’과 결합하여 적절한 시간과 장소에서 자동으로 기계를 운용할 수 있도록 한다.

개발 과제의 배경

많은 건설현장에서는 환경문제, 민원과 관련하여 비산먼지 저감 조치를 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 이를 위해 ‘비산먼지 발생사업 신고’ 를 기점으로, 세륜기 운영, 방진벽 설치, 살수차 운영, 야적물질의 방진덮개 설치, 건설장비의 자동덮개 활성화 등 다양한 저감장치들이 운영되고 계획되어지고 있다. 이 때 비산먼지 저감을 위해 ‘안개형 분무식 장치(Fog Cannon)’가 현재 상용되어 지고 있으며 지속 개발 중에 있다. 최근에는 간이식, 이동식 저감장치라 하여 고정된 곳에서만의 살수가 아닌, 비산먼지가 많이 있는 장소를 선택해 저감을 시키는 방법 또한 상용되어 지는 중이다. 하지만 이는, 사용자가 직접 설치 및 작동을 해야한다는 점에서 효율성에 관한 문제가 제고될 수 있다. 또한 건설현장에서 이 저감장치의 원활한 작동을 위해 인원을 따로 고용 및 배치함에도 비용과 효율에 관하여 문제가 될 수도 있음이 분명하다.

개발 과제의 목표 및 내용

우리 2조는 ‘안개형 분무식 장치(Fog Cannon)’에 대기중 비산먼지 측정센서를 결합하여 일정수치 이상으로 올라가면 자동으로 기계가 운용하게 되도록 계획하고 있다. 더 나아가 센서를 스마트폰과 연결하여 직접 사용자가 어느 곳에서든 기계를 운용할 수 있도록 계획하고 있다. 이에 따른 우리 조의 목표룰 정리해보면 아래와 같다. 
 1. Iot기술을 접목하기 위한, 저감장치(Fog cannon)과 비산먼지 측정센서의 연결
 2. 사용자가 대기의 상황을 알아 볼 수 있도록, 스마트폰과 센서를 연결함
 3. 사용자가 기계를 어느곳에서는 운용할 수 있도록, 스마트폰과 기계를 연결함

IOT(Internet of Things)란? 사물에 센서를 부착해 실시간으로 데이터를 인터넷으로 주고받는 기술이나 환경을 일컫는다. 4차산업기술의 발달이 급증하는 요즘, 토목공사에서도 사물인터넷(IOT:Internet of Things)를 이용한 여러 가지 개발할 수 있는 기술이 존재한다. 우리 2조는 토목공사에 발생되는 비산먼지에 관한 문제를 해결하기위해 먼지 저감장치와 센서 그리고 현대의 스마트폰을 이용하여 언제 어디서든 공사현장의 비산먼지 현황데이터를 실시간으로 받아 자동으로 그리고 원격으로 저감장치를 운용할 수 있도록 하는 방향으로 비산먼지 문제를 해결하려고 한다. 여기서 사용할 비산먼지 저감장치로는 Fog cannon이 있다. Fog cannon 또는 Cooling Fog라고도 불리는 이 장치는 미세먼지 크기와 비슷한 물방울들을 만들어 낼 수가 있는데, 일반적으로 내리는 빗방울들의 크기는 약 2000~6000로 슬립 스트림 효과로 인해 미세먼지를 흡수하지 못하고 오히려 땅에 가라 앉아있는 먼지를 건드려 더 많은 비산 먼지를 발생 시킬 수 있습니다. 하지만 Fog cannon이 발생시킨 미세먼지 크기의 물방울은 슬립 스트림 효과가 거의 발생하지 않으므로 대기중의 미세먼지를 달라붙게하고 미세먼지가 붙은 물방울은 대기중에서 땅으로 떨어지며 대기에 있는 미세먼지를 제거하는 방법이다. 이 장치의 저감 적용 범위는 기계마다 다르지만 최대 200m로 보고 생성된 물방울의 크기가 매우 작음으로 인해 대기중에서 오랫동안 멀리 날아갈 수 있기 때문에 적용범위는 이것보다 더 넓을것으로 판단된다.

<그림 1>. 물방울 크기에 따른 슬립스트림 효과 및 먼지 흡입력

하지만 이 장치는 현재 사람이 수동으로 조종해야하는 한계점이 있다. 이 문제를 해결하기 위해 공사현장 주변에 비산먼지 센서를 설치하고 이 센서로부터 각 지점의 대기 현황 데이터를 실시간으로 받으며 해당센서의 결과로 일정 먼지농도 이상으로 올라갈 경우 Fog cannon이 해당 센서가 있는 곳을 향해 먼지 저감을 자동으로 수행하도록 할 생각이다. 위의 목표가 성공하면 더 나아가 토목공사 현장뿐 아니라 현재에 문제가 되고 있는 것 중 하나인 미세먼지를 줄이는데 이용할 수 있다고 생각하여, 저감장치와 기상정보 데이터를 이용하여 대기의 문제를 해결할 수 있다고 생각한다.

관련 기술의 현황

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

현재 비산먼지 관리 매뉴얼(2017.10.12 기준)에서는 수송, 조쇄 및 분쇄, 채광, 공사현장 등 모든 곳에 비산먼지 확산을 막기위한 살수시설을 설치하고 관리하도록 되어 있다. 기존의 비산먼지를 막기위해서 회사들은 자체적으로 살수차량을 제작하거나 또는 스프링클러와 유사한 시설을 만들어 사용하고 있다. 살수차와 스프링클러를 이용한 살수방법은 진짜 비산먼지의 확산을 막을 수 있을까? 어느정도 막을 수 있다고 실험은 말하지만 슬립 스트림 효과에 의해서 보다 효과적으로 막을 수는 없고 임시방편이라고 할 수 있다.

기본적으로 살수차와 스프링클러에 의해 나오는 물방울의 크기는 약 2000µm 또는 그 이상인데, 비산먼지의 크기는 약 1~10µm정도 이다. 이렇게 두 물질의 크기차이가 날 경우 위의 그림처럼 슬립 스트립 효과가 발생하게 되는데, 이는 물방울에 의해 미세먼지가 달라붙어 떨어지는 것이 아닌 물 입자 주위의 공기를 타고 흐르게 되어, 먼지를 잘 포착하지 못하게 될 뿐만 아니라, 오히려 땅에 있는 먼지를 건드려 더 많은 비산먼지를 발생 시킬 수 있다. 이에 반해 Fog cannon에서 만들어지는 물 입자는 약 20~200µm로 비산 먼지를 포착하기에 이상적인 물의 크기 입자이다. 보다 작은 물 입자의 크기 때문에 비산먼지와 물방울 사이에서 슬립 스트립효과가 일어나지 않고 물방울에 의해 확산이 효과적으로 억제 될 수 있다. 그리고 이 기술은 미국 EPA(40 CFR Part 60)에서 입증된 최고 저감기술(Best Demonstrated Technology)이라고 평가했다. 이 뿐만 아니라 Fog cannon을 이용할 경우 기존의 살수차와 스프링 클러의 물 사용량의 1/10을 사용하게 되어 훨씬 경제적이라고 볼 수 있다.

시장성 분석

 비산먼지 측정을 위한 대표적인 기술로는 중량법, 광산란법, 베타선법, 디지털 영상정보 분석법이 있다. 먼저 중량법은 일반적으로 가장 많이 사용되는 방법으로, 비산먼지 발생장소에 채집장치를 설치하고 일정시간동안 대상대기를 채집한 후, 실험실로 이동해 채집된 대기에 포함된 비산먼지 및 유해물질의 종류와 양을 분석하는 방법으로, 측정결과는 다른 기술들에 비해 매우 정확한 편이나, 채집과 분석과정에서 각각 비용이 발생하고, 측정자가 오염이 예측되는 측정 장소에 직접 노출된다는 단점이 있다. 베타선법은 시간에 따라 감기는 포집 테이프에 베타선을 조여 포집 전후의 농도를 측정하는 방법으로 자동 측정이 가능하고, 측정 시 간편하고 편리하다는 장점이 있지만, 기기의 한계로 연속적인 측정이 어렵다는 단점이 있다. 광산란법은 산란광의 양을 측정하고, 그 값으로부터 입자상 물질의 농도를 구하는 방법으로, 실시간 측정이 가능하고 휴대가 용이하지만, 입자의 개수농도를 측정하여 질량농도로 전환하는 과정에서 오차가 발생할 수 있다는 단점이 있다. 마지막으로 디지털 영상정보 분석법은 카메라를 통해 수집한 디지털 영상정보를 분석하여 가시성을 판단하는 방법으로, 수집된 측정값과 디지털 영상정보를 기본 데이터로 활용하여 측정 장비가 없는 곳에서도 유사한 대기상태에 대한 비산먼지량 측정이 가능하지만, 넓은 범위의 가시성을 판단하는데 적합한 기술이다. 비산먼지 측정을 위한 기술을 건설현장에서 활용하기 위해서는 건설현장 특성에 따른 몇 가지 요구사항을 만족해야 한다. 먼저, 건설현장에서는 공정별로 발생되는 비산먼지의 종류와 양이 다르기 때문에 정확한 측정을 위해서는 측정도구 사용위치의 변경이 용이해야한다. 두 번째, 파손의 위험이 높고 주기적인 측정이 필요하기 때문에 측정 장비의 구입비용과 측정 시 발생하는 비용이 경제적이어야 한다. 세 번째, 건설현장은 비산먼지가 발생하면서 즉시, 대처해야하므로 즉시적인 판단이 가능해야한다. 마지막으로, 환경적인 요인과 관계없이 측정되는 비산먼지량이 정확해야한다. 이에 따라 비산먼지 측정기술의 적합성을 확인해본 결과, 광산란법과 디지털 영상정보 분석법이 요구사항에 적합함이 확인되었다.

◇ 비산먼지 측정 방식과 기존방식의 비교

   아래는 국립 환경과학원에서 발표한 자료로 ‘전국 먼지 발상량 현황(’09)과 TSP, PM10 중에 비산먼지의 발생량(‘09)을 보여주는 표이다. 비산먼지 발생량을 살펴보면 전국 총먼지(TSP) 배출량 중 비산먼지 발생량이 82.4%, 인체에 영향을 미치는 미세먼지(PM10) 배출량 중 비산먼지 발생량은 57.5%로 먼지관리를 위해서는 비산먼지의 관리는 필수적으로 볼 수 있다.

비산먼지 관리와 확산억제 필요성을 좀 더 확인하기 위해 우리가 살고있는 수도권 지역의 비산먼지 배출현황과 배출 전망을 살펴보자. 수도권 지역의 비산먼지 배출량 현황과 전망을 살펴보면, 24년 까지 비산먼지 배출량 중 PM10 배출량은 꾸준히 증가할 것으로 보이고, PM 2.5 현재와 비슷한 상태를 유지하는 것으로 전망된다.

아래는 비산먼지 발생 사업장 및 민원 발생현황(’09~‘11)을 나타낸 표이다. 표를 보면 비산먼지 발생사업장 수는 크게 증가하지 않는 반면, 연도별 민원발생 건수는 지속적으로 증가하고 있는 추세이다. 2011년 기준으로 건설공사장 민원이 대부분인 92%를 차지하고 있으나, 비금속물질 채취 가공 및 시멘트 토사 운송업 등의 민원도 꾸준히 증가하는 추세이다. 서울, 인천, 경기지역의 비산먼지 발생사업장 수는 전체의 35.4%이지만, 민원은 전체 발생건수의 62.7%로 대부분의 비산먼지관련 민원은 도심지역에서 발생하며, 이를 중점관리하고 민원을 예방할 대책이 필요하다.

총 먼지 배출량 중 비산먼지가 차지하는 비중은 57.5%로 절반이 넘는 수치이다. 따라서 대기질 개선에 기여함을 위하여 비산먼지를 발생하는 공사장, 사업장 관리는 필수적이며, 제도적으로도 강화되고 있는 상황이다. 이에 따라 공사 진행 중인 현장에서도 비산먼지 저감에 대한 의무가 막중해지고 있는 상황이다. 우리의 기술을 필요로 하는 곳이 많은 것이라 예상된다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

Fog cannon과 IOT의 접목은 불필요한 인력배치를 줄이고 보다 효율적인 비산먼지 발생저감을 기대할 수 있다. 그리고 Fog cannon은 비산먼지 뿐만 아니라 악취냄새 제거에도 뛰어난 성능을 보이고 물안개 발생으로 인한 여름건설 현장에서의 현장온도저하 효과를 기대할 수 있다. 더 나아가 공사현장뿐만 아니라 미세먼지의 저감을 위해서도 운용계획을 세울 수도 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

만약 해당 장치가 미세먼지 저감장치로 활성화 또는 보편화가 이루어진다면 점점 주목받고 있는 스마트 시티 아파트단지에서 활용하여 해당 아파트 단지에서는 다른 아파트 단지에서 보다 쾌적한 환경을 만들 수 있을 것이라 생각된다.

또한 현재는 해당기기를 직접 사람이 작동시키므로 이 프로젝트가 완성된다면 인건비의 감소와 건설현장의 온도 감소효과와 같은 쾌적한 환경에서 오는 건설현장의 작업성 향상 등이 예상된다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

◇ 저희 팀은 개인이 할당량의 의견을 필수적으로 개진하여 다양한 방안을 고려하도록 하였습니다. 의견 개진 후 자료의 조사는 모든 조원이 동등하게 나누어 진행하고 수렴된 의견은 각 프로젝트의 대표를 통해서 취합되어 제출 자료에 기재토록 약속하였습니다.  
◇ 각 개인의 역량과 자신의 특기를 고려하여 코딩부분과 제어의 또는 연동에 대한 부분으로 각 역할을 나누었고, 주요한 비산저감장치의 모델링은 공통으로 수행하기로 하였습니다. 추진계획은 위의 표에서 보여준바와 같고 시행착오를 고려하여 일정은 제출기한보다 1~2주 정도 빠르게 완성하려고 계획하고 있습니다.

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 내용
 ====구성원 및 추진체계====
-내용
+ ◇ 저희 팀은 개인이 할당량의 의견을 필수적으로 개진하여 다양한 방안을 고려하도록 하였습니다. 의견 개진 후 자료의 조사는 모든 조원이 동등하게 나누어 진행하고 수렴된 의견은 각 프로젝트의 대표를 통해서 취합되어 제출 자료에 기재토록 약속하였습니다.
+ ◇ 각 개인의 역량과 자신의 특기를 고려하여 코딩부분과 제어의 또는 연동에 대한 부분으로 각 역할을 나누었고, 주요한 비산저감장치의 모델링은 공통으로 수행하기로 하였습니다. 추진계획은 위의 표에서 보여준바와 같고 시행착오를 고려하여 일정은 제출기한보다 1~2주 정도 빠르게 완성하려고 계획하고 있습니다.
 ==설계==