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AlChem

2023-06-16T05:40:11Z

2023adenv1:

<div>__TOC__</div>

=='''프로젝트 개요'''==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 빅데이터 및 예측 모델기반 유해 화학물질 대체제 발굴
 
''' 영문 : ''' Discover alternatives to hazardous chemicals based on big data and prediction models
===과제 팀명===
AlChem

===지도교수===
박승부 교수님

===개발기간===
2023년 3월 ~ 2023년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 201989**** 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 201889**** 나**

서울시립대학교 환경공학부 201889**** 정**

=='''서론'''==
==='''개발 과제의 개요'''===
===='''개발 과제 요약'''====
:[[파일: 개발 과제 개요.PNG]]
*본 Safe-by-Design (SbD) 프레임워크는 빅데이터와 인공지능을 기반한 GenRA 와 EPA TEST 를 활용하여 비슷한 구조를 가진 화학물질들의 독성을 예측함. 현재 쥐 실험 기법과 같은 전통적인 실험의 한계로 높은 비용 및 소요 시간, 충분하지 못한 독성 데이터가 존재하는데 , 본 설계 프레임 워크를 사용시 대량의 화학물질을 빠르고 비용 효율적으로 물질의 유해성 평가를 수행 가능하며 독성 정보가 없는 기존 물질 및 신규 물질의 평가에 있어서 유용하게 활용 가능함. 

===='''개발 과제의 배경'''====

* 21세기에 들어서도 가습기 살균제 사고와 같은 화학물질 사고로 인해 전세계적으로 화학물질 안전관리 규제가 강화되었으며, 안전관리의 패러다임이 ‘사후처리’에서 ‘사전예방’으로 변화하게 되었음. 이에 따라, 화학물질을 취급하는 기업들은 더욱 안전하면서도 경제성이 있는 화학물질을 사용해야 하게 되었고, 비싸고 시간이 오래 걸리는 in vivo 동물실험 독성데이터보다 in silico, in vitro와 같은 동물대체시험 데이터에 대한 필요성이 증가하게 되었음. 따라서 본 개발에서도 AI 모델과 오픈소스 데이터베이스와 같은 in silico 방법을 이용하여 대상 물질들의 독성 데이터를 발굴하고자 함.
* 전세계 화학산업이 발전하면서 플라스틱의 생산량이 크게 늘어나게 되었다. 그 중에서도 특히 미세플라스틱은 광범위한 분포범위와 높은 노출량, 생체축적성 등으로 인해 전 세계적인 우려가 생기고 있음. 이러한 미세플라스틱은 입자 그 자체뿐만 아니라 미세플라스틱 내의 다양한 첨가제들 역시 환경에 유해한 영향을 끼치는 것으로 알려져 있음. 이 중 프탈레이트 및 브롬화 난연제와 같은 독성이 강한 첨가제는 신진대사, 골격 발달 등 유기체의 다양한 생물학적 과정을 방해하는 것으로 알려져 있음. 이에 따라 첨가제에 대한 독성 평가가 필요한 실정이지만, 여러 국가의 규제에 대한 연구에 의하면 플라스틱에 함유된 화학물질에서 잠재적 우려 물질로 판단되는 약 2400개 화학 물질 중 53%는 EU-REACH, K-REACH 등의 규정에 대해 어떠한 관리 조치도 적용되지 않음을 확인할 수 있음. 따라서 이러한 첨가제 물질들에 대한 독성 정보를 명확하게 파악하고, 대체할 수 있는 안전한 물질들을 찾는 노력이 필요함 

===='''개발 과제의 목표 및 내용'''====

* 본 Safe-by-Design (SbD) 프레임워크는 빅데이터와 인공지능을 기반한 GenRA 와 EPA TEST 를 활용하여 비슷한 구조를 가진 화학물질들의 독성을 예측함. 현재 쥐 실험 기법과 같은 전통적인 실험의 한계로 높은 비용 및 소요 시간, 충분하지 못한 독성 데이터가 존재하는데 , 본 설계 프레임 워크를 사용시 대량의 화학물질을 빠르고 비용 효율적으로 물질의 유해성 평가를 수행 가능하며 독성 정보가 없는 기존 물질 및 신규 물질의 평가에 있어서 유용하게 활용 가능함. 

==='''관련 기술의 현황'''===
===='''관련 기술의 현황 및 분석'''====
: 1) 관련 기술의 현황 및 분석 (State of Art)
: * SbD 관련 기술은 아직 상용화되지 않았기에, 독점적인 기술경쟁력을 가지고 산업에 활용될 수 있을 것으로 판단됨
:  유럽집행위원회 등 각국 기관 및 기업이 지속 가능성을 위해 SbD 프레임워크를 채택하고 있으며 많은 연구를 하고 있음.
:  연구 조사 결과, 유럽에서는 나노 물질의 안전을 확인하는 SbD를 주제로 많은 연구가 진행되었다는 것을 확인.
:  다음 표1에 나타난 유럽에서 진행된 SbD 프로젝트의 세부 정보를 살펴보았을 때, SbD 프로젝트는 아직 산업 및 규제 수준에서 활용되기 테스트 및 논의가 필요하고, 향후 진행될 연구를 바탕으로 2025년도에 SbD 물질에 대한 최종 기준을 발표할 예정이라 밝힘. 따라서 2025년도 이후에 본격적으로 상용화될 것으로 판단됨

:표1. Safe-by-Design에 대한 EU 프로젝트
:[[파일: Safe-by-Design에 대한 EU 프로젝트.JPG]]

:*급기의 경우 주방 집중 급기를 위한 특화 덕트를 사용하여 에어커튼 형성 보조.
:*에어모니터 시스템에서 측정한 정보를 앱을 통하여 제공하여 확인과 제어 가능.

 

===='''특허조사'''====
:● 조리장 내 조리흄 유해방지 안전 시스템 (이석훈, 2023)
:[[파일: 그림3 특허 “조리장 내 조리흄 유해방지 안전 시스템”.png]]
:*후드와 배기덕트, 강제 배기용 송풍기, 흡기용 송풍기, 유해물질 검출센서로 구성.
:*유해물질 검출센서로부터 검출된 유해물질의 각 농도와 자체적으로 입력된 유해물질 각각의 기준치를 비교하며, 이 결과로 제어부에서 배기용 송풍기의 회전수를 제어.
:*조리실 내의 공기질이 향상되어 실내 공기질을 쾌적하게 조성하고, 조리사가 기준치 이상의 조리흄을 지속적으로 흡입하는 것을 방지하여 폐암과 같은 산업재해 예방이 가능함.
 

====관련 시장에 대한 분석====
:[[파일: 표1 경쟁제품비교.png]]
 

===경제성 분석===
====편익비용비(B/C ratio)====
[[파일:수식1 BCratio.png]]
*총편익과 총비용의 할인된 금액 비율.
*B/C ratio가 1보다 크거나 같으면 경제성이 있다고 판단.
 

====편익-비용 분류====
*안소은 외(2017)와 송한솔(2022)을 참고하여 편익비용 분류체계도 구성.
:[[파일:표2 편익비용분류체계도.png]]

====편익 (Benefit)====
:'''1. 직접비'''
:● 의료비용
:*건강보험심사평가원에서 제시한 2018년 비용에서 연평균 증가율을 대입하여 2023년 기준으로 산정한 값임.
:*외래진료비 : 420,000원/일·인 × 11 일 = 4,620,000 원/인
:*입원비 : 527,000원/일·인 × 33.2 일 = 17,500,000 원/인
:*약제비 : 5,355억 원 / 10만명 = 5,350,000 원/인
 

:● 비의료비용
:*삼성서울병원 암교육센터에서 제공하는 폐암 치료 기간과 횟수를 사용.
:*교통비(2023년 기준): 1,200원/회·인 × 2회/일 × 5일/주 × 6주 = 72,000원/인
:*간병비(㈜코드블라썸): 150,000 원/일·인 × 33.2일 = 4,980,000원/인
 

:● 대상자 수 산정
:*학교급식종사자 중 폐암 확진자에 대해 모든 항목 적용.
:*학교급식종사자 중 폐암 이상 소견을 보인 노동자에 대해 외래진료비와 교통비만 적용.

:[[파일:표3 대상자별 직접비 산정.png]]

:'''2. 편익(총 재해비용)'''
:*총 재해비용 산출 시 하인리히 방식(최윤정, 2022)을 채택.
:[[파일:수식2 총재해비용.png]]
:*직접비와 간접비를 합산해 총 재해비용 312,460,192,000 원 도출.
 

====비용(Cost)====
:● 기기 설치비용
:*후드 및 덕트 설치 비용의 경우 나라장터의 “오산초 외 1교 조리실 후드교체 및 기타시설 기계설비공사 (2018)” 입찰결과의 추정금액 10,323,500 원을 차용.
:*에어커튼 설치 비용의 경우 나라장터의 “2017년도 신설학교 급식기구 구매(에어커튼외)”를 차용, 6대 설치비용 2,015,000 원을 계산.
 

:● 연간 유지관리비
:*급식시설 1 개소 당 필터 교체를 포함한 유지관리비용 4,508,800 원 (송한솔, 2022)을 차용.
 

:● 전체 소요비용 계산
:*각 비용에 물가상승률 5.5% (통계청, 2022)을 적용하여 2023년 기준 금액으로 계산.
:[[파일:표4 급식시설 1 개소 당 소요비용.png]]
:* 급식시설 개수 11,976 개 (교육부, 2021)를 곱하여 총비용 254,959,183,752 원을 도출.
 

====경제성 분석 결과====
*총편익 312,460,192,000 원, 총비용 254,959,183,752 원을 이용해 B/C ratio 계산.
[[파일:BCratio.png]]
*B/C ratio가 1 이상이므로 경제성이 있다고 판단.
 

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
:● 조리실 내 공기질 개선
:*조리과정에서의 일산화탄소(CO)의 순간 발생량은 최대 295 ppm으로 산업안전보건법상 단시간노출기준 (200 ppm)를 초과 (이유진 외, 2019).
:*미세먼지(PM10)의 순간발생량 또한 마찬가지로 학교보건법상 실내공기질 유지기준을 초과 (이유진 외, 2019).
:*”요리조리“ 시스템의 도입으로 일산화탄소 및 미세먼지의 농도를 저감해 조리실 내 공기질 개선 가능.
 

:● 조리실 내 환기 시스템 개선
:*현재 조리사의 폐암 발병 원인으로 부실한 환기 시스템이 거론됨.
:*개선된 후드와 정화된 외부공기를 급기하는 시스템이 탑재된 “요리조리” 시스템의 도입으로 조리실 내 환기시설 개선 가능.
 

====사회적 파급효과====
:● 조리사의 폐암 발병률 감소
:*우리나라 조리실의 경우 조리흄이 조리사 폐암의 주요 원인으로 작용함 (이유진 외, 2019).
:*”요리조리“ 시스템의 도입으로 일산화탄소와 미세먼지 노출량을 저감해 조리사의 폐암 발병률 감소 가능.
 

===추진체계===
[[파일:표5 추진체계.png]]

=='''설계'''==
==='''설계사양'''===
====제품 요구사항====
:● 현 급식실의 문제점
:* 환기의 경우 캐노피 후드에 의한 국소배기, 창문과 출입문을 통한 자연 환기, 벽면 환풍기에 의한 전체환기가 이루어지고 있음.
:* 국소배기 시 캐노피 후드가 작업자의 머리 위에 위치하여 오염물질이 작업자의 호흡영역을 거쳐 배기됨.
:* 캐노피 후드의 개구면과 작업대 사이의 거리가 충분히 가깝지 않으며 후드 유량 및 흡인 속도가 적절하지 않음.
:* 공조시설을 이용한 급기시설은 없었으며 자연 환기의 경우 외기가 유입되면 후드의 방해기류로 작용하여 배기효율을 저하함.
:* 선풍기나 에어컨 등의 냉방기구 사용 시 후드의 방해기류로 작용.
 

:● 요구사항
:[[파일:Table6_제품요구사항.PNG]]
 

:● 목적계통도
:[[파일:설계목적계통도_요리조리조.PNG]]
 

:● QFD(Quality Function Deployment)
:* 실제 변수들과 제품요구사항 간 상관관계를 나타냄.
:[[파일:QFD_요리조리조.PNG]]
 

===개념설계안===
====학교 조리실 현황====

: '''1. 학교 조리실 기본 현황'''

:* 경남 지역 공립학교 중 10 개교의 조리실을 대상으로 실태를 조사하였음.
:*보통의 조리실 크기는 가로 16 m, 세로 11 m, 높이 2.9 m이며, 조리 공간은 전처리실과 조리실, 식기세척실로 이루어짐.
 

: '''2. 조리 시 발생하는 오염물질'''

:* 조리실 내에서의 조리 형태는 주로 삶기, 볶기, 굽기, 튀기기 등에 의해 이루어짐.
:* 전(계란말이, 스크램블, 삼겹살), 튀김과 같은 기름을 사용하는 요리에서 일산화탄소 발생량이 높았으며 일산화탄소 단시간노출기준 200 ppm을 초과하였음.
:* 미세먼지의 발생량은 수증기가 동반된 볶음요리나 삶기에서 높게 나타났으며, 순간농도 200 μg/m3을 초과하였음.
 

====조리실 내 환기의 흐름====

:* 출입문과 창문을 통한 자연 환기량은 없다고 가정함.
:* 요리조리 시스템에서의 배기는 후드(Q1)와 전체환기시스템의 배기장치(Q2)에 의함.
:* 전체환기시스템의 급기장치(Q)로 배기량만큼 급기.

:[[파일:요리조리Image6.png]]
 

====후드====
:'''1. 설계 대상 후드의 종류'''

:* 조리실의 후드는 작업대가 조리실 가운데에 위치하여 모든 면에서 작업할 수 있는 조리대의 후드(그림 7)와 작업대가 벽면에 부착되어 한 면에서 작업할 수 있는 작업대의 후드(그림 8)로 나뉨.
:* 전자의 경우를 후드 A로, 후자의 경우를 후드 B로 명명함.
:[[파일:요리조리Image7and8.png]]
 
 

:'''2. 에어커튼'''

:* 오염물질의 순간 발생량을 차단함으로써 작업자의 호흡 영역을 확보함과 동시에 외부 방해기류를 차단하여 후드의 포집 효율 향상.
:* 하향 급기 형식의 에어커튼을 후드 아랫단에 부착하여 사용.

:[[파일:요리조리Image9.png]]

:* 후드 A의 경우 네 면에 에어커튼 적용(그림 7).
:* 후드 B의 경우 후드 좌·우측에는 가림판을 설치하고 전면에만 에어커튼 적용(그림 8).
 
 

:'''3. 가림판'''

:* 후드 B의 양 측면에 부착하여 후드에 유입되는 방해기류 차단.
:* 에어커튼 설치 시 전력 소모가 크므로 가림판을 설치하여 소요되는 전력 절감.
:* 후드 B의 경우 한 면에서만 작업하므로 가림판을 설치하여도 작업에 방해되지 않음.
:* 재질은 후드와 동일한 스테인리스강을 사용.
 
 

====전체환기시스템====
:* 조리실 내 전반적인 공기질 개선을 위해 전체환기시스템을 도입.
:* 학교 조리실은 운동장이나 주차장과 인접한 경우가 많으므로 주변에서 발생하는 오염물질이 조리실 내부로 유입될 수 있음.
:* 미세먼지의 제거 효과가 뛰어난 헤파(HEPA) 필터 (권우택 외, 2017)를 사용하여 외부 공기 정화 후 급기 및 배기가스 정화.
:* 한국여과기공업협동조합(2016)에서 제시하는 헤파 셀플리트 필터의 사양 차용.
:[[파일:요리조리Table8.png]]
 
 

====소요동력====
:* 요리조리 시스템을 운영하는 데 필요한 소요동력은 후드와 에어커튼에 필요한 전력과 전체환기시스템 운영에 필요한 전력을 합하여 계산.
::[[파일:요리조리Func3.png]]
:* 송풍기의 수는 후드 하나당 한 개로 고정.
:* 기존 조리실과 비교하였을 때 에어커튼 장착 및 전체환기시스템 가동으로 인해 소요동력 또한 증가.
 

====조리실 설계도====
:* 일반적인 학교 내 조리실의 구조(이유진 외, 2019)를 차용.
 

::조리실 평면도
:[[파일:요리조리Image10.png]]
 

::조리실 입체도
:[[파일:요리조리Image11.png]]
 

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====조리실 내 환기유량 계산====
:[[파일:이론적_계산의_흐름도.PNG]]
 
:'''1. 실내 오염 발생량(M)'''
:*실내 오염 발생량은 수식 4에 의해 계산.
:[[파일:실내오염발생량_계산식.PNG]]
 
:● 후드의 규격
:*후드의 폭, 길이는 나라장터 종합쇼핑몰에서 ㈜우일이앤지, ㈜화신테크이엔지의 후드 규격을 차용.
:*설계에 사용한 네 면이 개방된 후드 A는 ㈜화신테크이엔지, 한 면만 개방된 후드 B는 ㈜우일이앤지의 후드 규격을 차용.
:[[파일:후드흡입량계산에사용한후드의규격.PNG]]
 
:● 기존 후드의 흡입량
:[[파일:후드별_규격.PNG]]
:*상부형 후드의 흡입량은 수식 5에 의해 계산됨.
:[[파일:후드의_흡입량.PNG]]

:* 후드의 둘레(P)는 후드의 깊이(a)와 후드의 폭(b)을 더한 값을 두배하여 계산.
:* 조리실 내 후드의 흡입 속도(V)는 0.5 m/s로 측정됨 (이유진 외, 2019).
:* 작업대와 후드의 개구면 이격거리(D)는 약 1.2 m로 나타남 (이유진 외, 2019).
:* 수식 4를 이용, 기존 후드의 흡입량을 계산하여 아래 표에 나타냄.
:[[파일:후드의흡입량_표.PNG]]
 

:● 실내 오염 발생량(M) 계산
:* 조리 시 순간적으로 발생하는 일산화탄소(CO)와 미세먼지(PM10)의 농도는 이유진 외(2019)의 측정결과를 차용.
:* 오염물질 순간발생량의 최댓값과 기존 후드의 흡입량을 곱한 값을 더해 실내 오염 발생량을 계산 (아래 표).
:[[파일:후드별오염물질에따른실내오염발생량.PNG]]
 

:'''2. 개선된 후드의 흡입량(Q1)'''
:* 수식 6을 이용하여 개선된 후드의 흡입량을 계산.
:* 계산 시 사용한 오염물질별 단시간노출기준을 표에 나타냄.
:[[파일:개선된_후드의_흡입량_계산식.PNG]]
:[[파일:오염물질별_단시간노출기준.PNG]]
 
:* 각 오염물질별로 유량을 계산한 후 최댓값을 채택하여 최종적인 후드의 흡입량으로 선정 (아래 표).
:* 개선된 후드의 흡입량(Q1)은 후드 A의 경우 18.78 m3/s, 후드 B의 경우 27.38 m3/s임.
:* 기존 후드보다 개선된 후드의 흡입량이 후드 A와 후드 B에서 모두 366% 증가함.
:* 기존 후드의 흡입량인 4.03 m3/s(후드 A)와 5.88 m3/s(후드 B)에 비해 많은 유량이 요구됨.
:[[파일:후드별오염물질에따른개선된후드의흡입량.PNG]]
 

:'''3. 전체 급기량(Q)'''
:[[파일:필요급기량_산정식.PNG]]
:* 수식 7에 따라 목표 공기질을 유지하기 위한 전체 급기량(Q) 산정 후 최댓값을 채택.
:* 초기농도 Co는 정화된 급기를 사용하므로 0으로 계산.
:* 일산화탄소(CO)의 경우 실내공기질관리법 시행규칙 [별표 2]에 따라 10 ppm, 미세먼지(PM10)의 경우 학교보건법 시행규칙 [별표 4의2]에 따라 75 μg/m3을 기준농도로 사용.
:* 전체환기량은 292.80 m3/s임.
:[[파일:설계에사용한_오염물질별기준농도.PNG]]
 

:'''4. 전체환기시스템 배기유량(Q2)'''
:[[파일:환기량간관계식.PNG]]
:* 수식 8에 따라 전체 급기량(Q)에서 개선된 후드 흡입량(Q1)의 합계를 제하여 전체환기시스템의 배기유량(Q2) 산정.
:* 개선된 후드 A, B의 흡입량(Q1) 합계는 46.16 m3/s임.
:* 전체급기량(Q)이 292.80 m3/s이므로 전체환기시스템의 배기유량(Q2)은 246.64 m3/s임.
 

====에어커튼 및 가림판====
:● 에어커튼 규격
:* 사용하는 에어커튼은 하향 급기 형식이며 모두 동일한 규격의 에어커튼을 사용.
:* 에어커튼의 폭은 범용적인 것을 기준으로 하여 20 mm으로 적용.
 

:● 에어커튼 유속
:* 성순경(2014)에서 유추한 공동주택의 조리실 내 후드에 장착된 에어커튼의 토출속도는 2.1 m/s이며, 이를 차용.
 

:● 가림판 규격
:* 작업영역을 방해하지 않도록 삼각형 모양으로 제작.
:* 폭은 후드의 깊이와 동일하고 높이는 후드의 개구면부터 작업대의 상부까지의 길이와 동일.

::[[파일:가림판_규격.PNG]]
 

====요리조리 시스템의 운영====
:[[파일:요리조리시스템의운영도.PNG]]
 
* 조리 시 조리흄이 발생하면 후드 안의 농도 감지 센서에서 농도를 측정하고 벽면에 설치된 패널에 값이 나타남.
* 측정값이 존재하면 에어커튼과 후드가 작동.
* 위에서 계산한 논리에 따라 오염물질 농도를 반영한 후드의 필요 흡입량(Q1)을 산정.
* 계산된 전체 급기량(Q) 만큼을 벽면 송풍기로 급기.
* 계산된 전체환기시스템의 배기유량(Q2) 만큼을 벽면 송풍기로 배기.
* 유량 제어를 위해 송풍기 상사법칙에 따라 후드와 전체환기시스템 내 송풍기의 회전수 제어.
:[[파일:송풍기_상사법칙.PNG]]
 

===조립도===
*시연할 후드의 전반적인 모습.
*실제 설계사양의 1/10배 규격으로 제작.
[[파일:그림17_요리조리.png]]
 
*오염물질 농도 값을 입력하면 벽면의 패널(5)에 값이 나타남.
*입력된 농도 값을 반영하여 필요한 후드 유량을 계산하고 이를 토대로 송풍기(1)의 회전수를 조정하여 후드 가동.
*후드 가동 시 필터(2)를 거쳐 유증기 흡인.
*가림판(3)과 에어커튼(4)에서 방해기류를 차단하고 후드의 배기 효과를 높임.

 
===부품도===
====후드 요소====
[[파일:그림18192021_요리조리.png]]
 

====에어커튼====
[[파일:그림22_요리조리.png]]
 
===제어부 및 회로설계===
====후드 송풍기와 농도 표시 패널의 아두이노 회로도====
[[파일:그림23_요리조리.png]]
 
====에어커튼의 아두이노 회로도====
[[파일:그림24_요리조리.png]]
*위 회로도를 송풍기 3개에 적용하여 에어커튼 구성.
 
===소프트웨어 설계===
====후드 송풍기와 농도 표시 패널(LCD 패널)의 아두이노 코드====
[[파일:그림25_요리조리.png]]
 
====에어커튼의 아두이노 코드====
[[파일:그림26_2_요리조리.png]]
 

===자재소요서===
[[파일:표16_2_요리조리.png]]

=='''결과 및 평가'''==
=== 완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진====

:[[파일:요리조리Image27.png]]
 

====포스터====
:[[파일:요리조리Image28.png]]
 

====개발사업비 내역서====

::::::::::::::::::::::::::::::(단위: 원)
:[[파일:요리조리Table18_2.png]]

 

===완료작품의 평가===
:[[파일:표18 2 요리조리.png]]

 
 

===향후계획===
*본 설계에서 제거 대상 물질로 선정한 일산화탄소(CO)와 미세먼지(PM10) 외에 기름 연기(oil smoke)와 악취를 대상으로 연구 진행. 
*전체환기시스템을 통해 유입되는 공기가 조리실 내부에서 순환된 후 유출되도록 시스템 설계. 
*본 설계에서는 조리대가 2개인 조리실을 설계하였으나 더 많은 조리대를 사용하는 조리실도 있기 때문에 더 큰 규모의 조리실을 대상으로 설계. 
 

==='''참고문헌'''===
교육부. (2021). 2021학년도 학교급식 실시현황. 
권명희 외. (2013). 주거환경 중 주방에서 발생되는 실내 오염물질 관리방안 연구; 조리과정에서 발생되는 오염물질을 중심으로. 국립환경과학원. 
권우택 외. (2017). 유해오염물질 처리를 위한 흡연부스의 설계. 한국화재소방학회 논문지, 31(6), 107-111. 
산업안전보건법 시행규칙 [별표19]. 국가법령정보센터. 
성순경. (2014). 에어커튼형 주방 레인지후드의 배기 특성. 설비공학논문집 26.12: 594-599. 
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나라장터 종합쇼핑몰. 상업용주방후드, 화신테크이엔지, HSHS1212, 박스형, 1200×1200×600mm 
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파일:Safe-by-Design에 대한 EU 프로젝트.JPG

2023-06-16T05:39:07Z

2023adenv1:

AlChem

2023-06-16T05:35:03Z

2023adenv1:

<div>__TOC__</div>

=='''프로젝트 개요'''==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 빅데이터 및 예측 모델기반 유해 화학물질 대체제 발굴
 
''' 영문 : ''' Discover alternatives to hazardous chemicals based on big data and prediction models
===과제 팀명===
AlChem

===지도교수===
박승부 교수님

===개발기간===
2023년 3월 ~ 2023년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 201989**** 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 201889**** 나**

서울시립대학교 환경공학부 201889**** 정**

=='''서론'''==
==='''개발 과제의 개요'''===
===='''개발 과제 요약'''====
:[[파일: 개발 과제 개요.PNG]]
*본 Safe-by-Design (SbD) 프레임워크는 빅데이터와 인공지능을 기반한 GenRA 와 EPA TEST 를 활용하여 비슷한 구조를 가진 화학물질들의 독성을 예측함. 현재 쥐 실험 기법과 같은 전통적인 실험의 한계로 높은 비용 및 소요 시간, 충분하지 못한 독성 데이터가 존재하는데 , 본 설계 프레임 워크를 사용시 대량의 화학물질을 빠르고 비용 효율적으로 물질의 유해성 평가를 수행 가능하며 독성 정보가 없는 기존 물질 및 신규 물질의 평가에 있어서 유용하게 활용 가능함. 

===='''개발 과제의 배경'''====

* 21세기에 들어서도 가습기 살균제 사고와 같은 화학물질 사고로 인해 전세계적으로 화학물질 안전관리 규제가 강화되었으며, 안전관리의 패러다임이 ‘사후처리’에서 ‘사전예방’으로 변화하게 되었음. 이에 따라, 화학물질을 취급하는 기업들은 더욱 안전하면서도 경제성이 있는 화학물질을 사용해야 하게 되었고, 비싸고 시간이 오래 걸리는 in vivo 동물실험 독성데이터보다 in silico, in vitro와 같은 동물대체시험 데이터에 대한 필요성이 증가하게 되었음. 따라서 본 개발에서도 AI 모델과 오픈소스 데이터베이스와 같은 in silico 방법을 이용하여 대상 물질들의 독성 데이터를 발굴하고자 함.
* 전세계 화학산업이 발전하면서 플라스틱의 생산량이 크게 늘어나게 되었다. 그 중에서도 특히 미세플라스틱은 광범위한 분포범위와 높은 노출량, 생체축적성 등으로 인해 전 세계적인 우려가 생기고 있음. 이러한 미세플라스틱은 입자 그 자체뿐만 아니라 미세플라스틱 내의 다양한 첨가제들 역시 환경에 유해한 영향을 끼치는 것으로 알려져 있음. 이 중 프탈레이트 및 브롬화 난연제와 같은 독성이 강한 첨가제는 신진대사, 골격 발달 등 유기체의 다양한 생물학적 과정을 방해하는 것으로 알려져 있음. 이에 따라 첨가제에 대한 독성 평가가 필요한 실정이지만, 여러 국가의 규제에 대한 연구에 의하면 플라스틱에 함유된 화학물질에서 잠재적 우려 물질로 판단되는 약 2400개 화학 물질 중 53%는 EU-REACH, K-REACH 등의 규정에 대해 어떠한 관리 조치도 적용되지 않음을 확인할 수 있음. 따라서 이러한 첨가제 물질들에 대한 독성 정보를 명확하게 파악하고, 대체할 수 있는 안전한 물질들을 찾는 노력이 필요함 

===='''개발 과제의 목표 및 내용'''====

* 본 Safe-by-Design (SbD) 프레임워크는 빅데이터와 인공지능을 기반한 GenRA 와 EPA TEST 를 활용하여 비슷한 구조를 가진 화학물질들의 독성을 예측함. 현재 쥐 실험 기법과 같은 전통적인 실험의 한계로 높은 비용 및 소요 시간, 충분하지 못한 독성 데이터가 존재하는데 , 본 설계 프레임 워크를 사용시 대량의 화학물질을 빠르고 비용 효율적으로 물질의 유해성 평가를 수행 가능하며 독성 정보가 없는 기존 물질 및 신규 물질의 평가에 있어서 유용하게 활용 가능함. 

==='''관련 기술의 현황'''===
===='''관련 기술의 현황 및 분석'''====
: 1) 관련 기술의 현황 및 분석 (State of Art)
: * SbD 관련 기술은 아직 상용화되지 않았기에, 독점적인 기술경쟁력을 가지고 산업에 활용될 수 있을 것으로 판단됨
:  유럽집행위원회 등 각국 기관 및 기업이 지속 가능성을 위해 SbD 프레임워크를 채택하고 있으며 많은 연구를 하고 있음.
:  연구 조사 결과, 유럽에서는 나노 물질의 안전을 확인하는 SbD를 주제로 많은 연구가 진행되었다는 것을 확인.
:  다음 표1에 나타난 유럽에서 진행된 SbD 프로젝트의 세부 정보를 살펴보았을 때, SbD 프로젝트는 아직 산업 및 규제 수준에서 활용되기 테스트 및 논의가 필요하고, 향후 진행될 연구를 바탕으로 2025년도에 SbD 물질에 대한 최종 기준을 발표할 예정이라 밝힘. 따라서 2025년도 이후에 본격적으로 상용화될 것으로 판단됨

:표1. Safe-by-Design에 대한 EU 프로젝트
:[[파일: Safe-by-Design에 대한 EU 프로젝트.PNG]]

:*급기의 경우 주방 집중 급기를 위한 특화 덕트를 사용하여 에어커튼 형성 보조.
:*에어모니터 시스템에서 측정한 정보를 앱을 통하여 제공하여 확인과 제어 가능.

 

===='''특허조사'''====
:● 조리장 내 조리흄 유해방지 안전 시스템 (이석훈, 2023)
:[[파일: 그림3 특허 “조리장 내 조리흄 유해방지 안전 시스템”.png]]
:*후드와 배기덕트, 강제 배기용 송풍기, 흡기용 송풍기, 유해물질 검출센서로 구성.
:*유해물질 검출센서로부터 검출된 유해물질의 각 농도와 자체적으로 입력된 유해물질 각각의 기준치를 비교하며, 이 결과로 제어부에서 배기용 송풍기의 회전수를 제어.
:*조리실 내의 공기질이 향상되어 실내 공기질을 쾌적하게 조성하고, 조리사가 기준치 이상의 조리흄을 지속적으로 흡입하는 것을 방지하여 폐암과 같은 산업재해 예방이 가능함.
 

====관련 시장에 대한 분석====
:[[파일: 표1 경쟁제품비교.png]]
 

===경제성 분석===
====편익비용비(B/C ratio)====
[[파일:수식1 BCratio.png]]
*총편익과 총비용의 할인된 금액 비율.
*B/C ratio가 1보다 크거나 같으면 경제성이 있다고 판단.
 

====편익-비용 분류====
*안소은 외(2017)와 송한솔(2022)을 참고하여 편익비용 분류체계도 구성.
:[[파일:표2 편익비용분류체계도.png]]

====편익 (Benefit)====
:'''1. 직접비'''
:● 의료비용
:*건강보험심사평가원에서 제시한 2018년 비용에서 연평균 증가율을 대입하여 2023년 기준으로 산정한 값임.
:*외래진료비 : 420,000원/일·인 × 11 일 = 4,620,000 원/인
:*입원비 : 527,000원/일·인 × 33.2 일 = 17,500,000 원/인
:*약제비 : 5,355억 원 / 10만명 = 5,350,000 원/인
 

:● 비의료비용
:*삼성서울병원 암교육센터에서 제공하는 폐암 치료 기간과 횟수를 사용.
:*교통비(2023년 기준): 1,200원/회·인 × 2회/일 × 5일/주 × 6주 = 72,000원/인
:*간병비(㈜코드블라썸): 150,000 원/일·인 × 33.2일 = 4,980,000원/인
 

:● 대상자 수 산정
:*학교급식종사자 중 폐암 확진자에 대해 모든 항목 적용.
:*학교급식종사자 중 폐암 이상 소견을 보인 노동자에 대해 외래진료비와 교통비만 적용.

:[[파일:표3 대상자별 직접비 산정.png]]

:'''2. 편익(총 재해비용)'''
:*총 재해비용 산출 시 하인리히 방식(최윤정, 2022)을 채택.
:[[파일:수식2 총재해비용.png]]
:*직접비와 간접비를 합산해 총 재해비용 312,460,192,000 원 도출.
 

====비용(Cost)====
:● 기기 설치비용
:*후드 및 덕트 설치 비용의 경우 나라장터의 “오산초 외 1교 조리실 후드교체 및 기타시설 기계설비공사 (2018)” 입찰결과의 추정금액 10,323,500 원을 차용.
:*에어커튼 설치 비용의 경우 나라장터의 “2017년도 신설학교 급식기구 구매(에어커튼외)”를 차용, 6대 설치비용 2,015,000 원을 계산.
 

:● 연간 유지관리비
:*급식시설 1 개소 당 필터 교체를 포함한 유지관리비용 4,508,800 원 (송한솔, 2022)을 차용.
 

:● 전체 소요비용 계산
:*각 비용에 물가상승률 5.5% (통계청, 2022)을 적용하여 2023년 기준 금액으로 계산.
:[[파일:표4 급식시설 1 개소 당 소요비용.png]]
:* 급식시설 개수 11,976 개 (교육부, 2021)를 곱하여 총비용 254,959,183,752 원을 도출.
 

====경제성 분석 결과====
*총편익 312,460,192,000 원, 총비용 254,959,183,752 원을 이용해 B/C ratio 계산.
[[파일:BCratio.png]]
*B/C ratio가 1 이상이므로 경제성이 있다고 판단.
 

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
:● 조리실 내 공기질 개선
:*조리과정에서의 일산화탄소(CO)의 순간 발생량은 최대 295 ppm으로 산업안전보건법상 단시간노출기준 (200 ppm)를 초과 (이유진 외, 2019).
:*미세먼지(PM10)의 순간발생량 또한 마찬가지로 학교보건법상 실내공기질 유지기준을 초과 (이유진 외, 2019).
:*”요리조리“ 시스템의 도입으로 일산화탄소 및 미세먼지의 농도를 저감해 조리실 내 공기질 개선 가능.
 

:● 조리실 내 환기 시스템 개선
:*현재 조리사의 폐암 발병 원인으로 부실한 환기 시스템이 거론됨.
:*개선된 후드와 정화된 외부공기를 급기하는 시스템이 탑재된 “요리조리” 시스템의 도입으로 조리실 내 환기시설 개선 가능.
 

====사회적 파급효과====
:● 조리사의 폐암 발병률 감소
:*우리나라 조리실의 경우 조리흄이 조리사 폐암의 주요 원인으로 작용함 (이유진 외, 2019).
:*”요리조리“ 시스템의 도입으로 일산화탄소와 미세먼지 노출량을 저감해 조리사의 폐암 발병률 감소 가능.
 

===추진체계===
[[파일:표5 추진체계.png]]

=='''설계'''==
==='''설계사양'''===
====제품 요구사항====
:● 현 급식실의 문제점
:* 환기의 경우 캐노피 후드에 의한 국소배기, 창문과 출입문을 통한 자연 환기, 벽면 환풍기에 의한 전체환기가 이루어지고 있음.
:* 국소배기 시 캐노피 후드가 작업자의 머리 위에 위치하여 오염물질이 작업자의 호흡영역을 거쳐 배기됨.
:* 캐노피 후드의 개구면과 작업대 사이의 거리가 충분히 가깝지 않으며 후드 유량 및 흡인 속도가 적절하지 않음.
:* 공조시설을 이용한 급기시설은 없었으며 자연 환기의 경우 외기가 유입되면 후드의 방해기류로 작용하여 배기효율을 저하함.
:* 선풍기나 에어컨 등의 냉방기구 사용 시 후드의 방해기류로 작용.
 

:● 요구사항
:[[파일:Table6_제품요구사항.PNG]]
 

:● 목적계통도
:[[파일:설계목적계통도_요리조리조.PNG]]
 

:● QFD(Quality Function Deployment)
:* 실제 변수들과 제품요구사항 간 상관관계를 나타냄.
:[[파일:QFD_요리조리조.PNG]]
 

===개념설계안===
====학교 조리실 현황====

: '''1. 학교 조리실 기본 현황'''

:* 경남 지역 공립학교 중 10 개교의 조리실을 대상으로 실태를 조사하였음.
:*보통의 조리실 크기는 가로 16 m, 세로 11 m, 높이 2.9 m이며, 조리 공간은 전처리실과 조리실, 식기세척실로 이루어짐.
 

: '''2. 조리 시 발생하는 오염물질'''

:* 조리실 내에서의 조리 형태는 주로 삶기, 볶기, 굽기, 튀기기 등에 의해 이루어짐.
:* 전(계란말이, 스크램블, 삼겹살), 튀김과 같은 기름을 사용하는 요리에서 일산화탄소 발생량이 높았으며 일산화탄소 단시간노출기준 200 ppm을 초과하였음.
:* 미세먼지의 발생량은 수증기가 동반된 볶음요리나 삶기에서 높게 나타났으며, 순간농도 200 μg/m3을 초과하였음.
 

====조리실 내 환기의 흐름====

:* 출입문과 창문을 통한 자연 환기량은 없다고 가정함.
:* 요리조리 시스템에서의 배기는 후드(Q1)와 전체환기시스템의 배기장치(Q2)에 의함.
:* 전체환기시스템의 급기장치(Q)로 배기량만큼 급기.

:[[파일:요리조리Image6.png]]
 

====후드====
:'''1. 설계 대상 후드의 종류'''

:* 조리실의 후드는 작업대가 조리실 가운데에 위치하여 모든 면에서 작업할 수 있는 조리대의 후드(그림 7)와 작업대가 벽면에 부착되어 한 면에서 작업할 수 있는 작업대의 후드(그림 8)로 나뉨.
:* 전자의 경우를 후드 A로, 후자의 경우를 후드 B로 명명함.
:[[파일:요리조리Image7and8.png]]
 
 

:'''2. 에어커튼'''

:* 오염물질의 순간 발생량을 차단함으로써 작업자의 호흡 영역을 확보함과 동시에 외부 방해기류를 차단하여 후드의 포집 효율 향상.
:* 하향 급기 형식의 에어커튼을 후드 아랫단에 부착하여 사용.

:[[파일:요리조리Image9.png]]

:* 후드 A의 경우 네 면에 에어커튼 적용(그림 7).
:* 후드 B의 경우 후드 좌·우측에는 가림판을 설치하고 전면에만 에어커튼 적용(그림 8).
 
 

:'''3. 가림판'''

:* 후드 B의 양 측면에 부착하여 후드에 유입되는 방해기류 차단.
:* 에어커튼 설치 시 전력 소모가 크므로 가림판을 설치하여 소요되는 전력 절감.
:* 후드 B의 경우 한 면에서만 작업하므로 가림판을 설치하여도 작업에 방해되지 않음.
:* 재질은 후드와 동일한 스테인리스강을 사용.
 
 

====전체환기시스템====
:* 조리실 내 전반적인 공기질 개선을 위해 전체환기시스템을 도입.
:* 학교 조리실은 운동장이나 주차장과 인접한 경우가 많으므로 주변에서 발생하는 오염물질이 조리실 내부로 유입될 수 있음.
:* 미세먼지의 제거 효과가 뛰어난 헤파(HEPA) 필터 (권우택 외, 2017)를 사용하여 외부 공기 정화 후 급기 및 배기가스 정화.
:* 한국여과기공업협동조합(2016)에서 제시하는 헤파 셀플리트 필터의 사양 차용.
:[[파일:요리조리Table8.png]]
 
 

====소요동력====
:* 요리조리 시스템을 운영하는 데 필요한 소요동력은 후드와 에어커튼에 필요한 전력과 전체환기시스템 운영에 필요한 전력을 합하여 계산.
::[[파일:요리조리Func3.png]]
:* 송풍기의 수는 후드 하나당 한 개로 고정.
:* 기존 조리실과 비교하였을 때 에어커튼 장착 및 전체환기시스템 가동으로 인해 소요동력 또한 증가.
 

====조리실 설계도====
:* 일반적인 학교 내 조리실의 구조(이유진 외, 2019)를 차용.
 

::조리실 평면도
:[[파일:요리조리Image10.png]]
 

::조리실 입체도
:[[파일:요리조리Image11.png]]
 

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====조리실 내 환기유량 계산====
:[[파일:이론적_계산의_흐름도.PNG]]
 
:'''1. 실내 오염 발생량(M)'''
:*실내 오염 발생량은 수식 4에 의해 계산.
:[[파일:실내오염발생량_계산식.PNG]]
 
:● 후드의 규격
:*후드의 폭, 길이는 나라장터 종합쇼핑몰에서 ㈜우일이앤지, ㈜화신테크이엔지의 후드 규격을 차용.
:*설계에 사용한 네 면이 개방된 후드 A는 ㈜화신테크이엔지, 한 면만 개방된 후드 B는 ㈜우일이앤지의 후드 규격을 차용.
:[[파일:후드흡입량계산에사용한후드의규격.PNG]]
 
:● 기존 후드의 흡입량
:[[파일:후드별_규격.PNG]]
:*상부형 후드의 흡입량은 수식 5에 의해 계산됨.
:[[파일:후드의_흡입량.PNG]]

:* 후드의 둘레(P)는 후드의 깊이(a)와 후드의 폭(b)을 더한 값을 두배하여 계산.
:* 조리실 내 후드의 흡입 속도(V)는 0.5 m/s로 측정됨 (이유진 외, 2019).
:* 작업대와 후드의 개구면 이격거리(D)는 약 1.2 m로 나타남 (이유진 외, 2019).
:* 수식 4를 이용, 기존 후드의 흡입량을 계산하여 아래 표에 나타냄.
:[[파일:후드의흡입량_표.PNG]]
 

:● 실내 오염 발생량(M) 계산
:* 조리 시 순간적으로 발생하는 일산화탄소(CO)와 미세먼지(PM10)의 농도는 이유진 외(2019)의 측정결과를 차용.
:* 오염물질 순간발생량의 최댓값과 기존 후드의 흡입량을 곱한 값을 더해 실내 오염 발생량을 계산 (아래 표).
:[[파일:후드별오염물질에따른실내오염발생량.PNG]]
 

:'''2. 개선된 후드의 흡입량(Q1)'''
:* 수식 6을 이용하여 개선된 후드의 흡입량을 계산.
:* 계산 시 사용한 오염물질별 단시간노출기준을 표에 나타냄.
:[[파일:개선된_후드의_흡입량_계산식.PNG]]
:[[파일:오염물질별_단시간노출기준.PNG]]
 
:* 각 오염물질별로 유량을 계산한 후 최댓값을 채택하여 최종적인 후드의 흡입량으로 선정 (아래 표).
:* 개선된 후드의 흡입량(Q1)은 후드 A의 경우 18.78 m3/s, 후드 B의 경우 27.38 m3/s임.
:* 기존 후드보다 개선된 후드의 흡입량이 후드 A와 후드 B에서 모두 366% 증가함.
:* 기존 후드의 흡입량인 4.03 m3/s(후드 A)와 5.88 m3/s(후드 B)에 비해 많은 유량이 요구됨.
:[[파일:후드별오염물질에따른개선된후드의흡입량.PNG]]
 

:'''3. 전체 급기량(Q)'''
:[[파일:필요급기량_산정식.PNG]]
:* 수식 7에 따라 목표 공기질을 유지하기 위한 전체 급기량(Q) 산정 후 최댓값을 채택.
:* 초기농도 Co는 정화된 급기를 사용하므로 0으로 계산.
:* 일산화탄소(CO)의 경우 실내공기질관리법 시행규칙 [별표 2]에 따라 10 ppm, 미세먼지(PM10)의 경우 학교보건법 시행규칙 [별표 4의2]에 따라 75 μg/m3을 기준농도로 사용.
:* 전체환기량은 292.80 m3/s임.
:[[파일:설계에사용한_오염물질별기준농도.PNG]]
 

:'''4. 전체환기시스템 배기유량(Q2)'''
:[[파일:환기량간관계식.PNG]]
:* 수식 8에 따라 전체 급기량(Q)에서 개선된 후드 흡입량(Q1)의 합계를 제하여 전체환기시스템의 배기유량(Q2) 산정.
:* 개선된 후드 A, B의 흡입량(Q1) 합계는 46.16 m3/s임.
:* 전체급기량(Q)이 292.80 m3/s이므로 전체환기시스템의 배기유량(Q2)은 246.64 m3/s임.
 

====에어커튼 및 가림판====
:● 에어커튼 규격
:* 사용하는 에어커튼은 하향 급기 형식이며 모두 동일한 규격의 에어커튼을 사용.
:* 에어커튼의 폭은 범용적인 것을 기준으로 하여 20 mm으로 적용.
 

:● 에어커튼 유속
:* 성순경(2014)에서 유추한 공동주택의 조리실 내 후드에 장착된 에어커튼의 토출속도는 2.1 m/s이며, 이를 차용.
 

:● 가림판 규격
:* 작업영역을 방해하지 않도록 삼각형 모양으로 제작.
:* 폭은 후드의 깊이와 동일하고 높이는 후드의 개구면부터 작업대의 상부까지의 길이와 동일.

::[[파일:가림판_규격.PNG]]
 

====요리조리 시스템의 운영====
:[[파일:요리조리시스템의운영도.PNG]]
 
* 조리 시 조리흄이 발생하면 후드 안의 농도 감지 센서에서 농도를 측정하고 벽면에 설치된 패널에 값이 나타남.
* 측정값이 존재하면 에어커튼과 후드가 작동.
* 위에서 계산한 논리에 따라 오염물질 농도를 반영한 후드의 필요 흡입량(Q1)을 산정.
* 계산된 전체 급기량(Q) 만큼을 벽면 송풍기로 급기.
* 계산된 전체환기시스템의 배기유량(Q2) 만큼을 벽면 송풍기로 배기.
* 유량 제어를 위해 송풍기 상사법칙에 따라 후드와 전체환기시스템 내 송풍기의 회전수 제어.
:[[파일:송풍기_상사법칙.PNG]]
 

===조립도===
*시연할 후드의 전반적인 모습.
*실제 설계사양의 1/10배 규격으로 제작.
[[파일:그림17_요리조리.png]]
 
*오염물질 농도 값을 입력하면 벽면의 패널(5)에 값이 나타남.
*입력된 농도 값을 반영하여 필요한 후드 유량을 계산하고 이를 토대로 송풍기(1)의 회전수를 조정하여 후드 가동.
*후드 가동 시 필터(2)를 거쳐 유증기 흡인.
*가림판(3)과 에어커튼(4)에서 방해기류를 차단하고 후드의 배기 효과를 높임.

 
===부품도===
====후드 요소====
[[파일:그림18192021_요리조리.png]]
 

====에어커튼====
[[파일:그림22_요리조리.png]]
 
===제어부 및 회로설계===
====후드 송풍기와 농도 표시 패널의 아두이노 회로도====
[[파일:그림23_요리조리.png]]
 
====에어커튼의 아두이노 회로도====
[[파일:그림24_요리조리.png]]
*위 회로도를 송풍기 3개에 적용하여 에어커튼 구성.
 
===소프트웨어 설계===
====후드 송풍기와 농도 표시 패널(LCD 패널)의 아두이노 코드====
[[파일:그림25_요리조리.png]]
 
====에어커튼의 아두이노 코드====
[[파일:그림26_2_요리조리.png]]
 

===자재소요서===
[[파일:표16_2_요리조리.png]]

=='''결과 및 평가'''==
=== 완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진====

:[[파일:요리조리Image27.png]]
 

====포스터====
:[[파일:요리조리Image28.png]]
 

====개발사업비 내역서====

::::::::::::::::::::::::::::::(단위: 원)
:[[파일:요리조리Table18_2.png]]

 

===완료작품의 평가===
:[[파일:표18 2 요리조리.png]]

 
 

===향후계획===
*본 설계에서 제거 대상 물질로 선정한 일산화탄소(CO)와 미세먼지(PM10) 외에 기름 연기(oil smoke)와 악취를 대상으로 연구 진행. 
*전체환기시스템을 통해 유입되는 공기가 조리실 내부에서 순환된 후 유출되도록 시스템 설계. 
*본 설계에서는 조리대가 2개인 조리실을 설계하였으나 더 많은 조리대를 사용하는 조리실도 있기 때문에 더 큰 규모의 조리실을 대상으로 설계. 
 

==='''참고문헌'''===
교육부. (2021). 2021학년도 학교급식 실시현황. 
권명희 외. (2013). 주거환경 중 주방에서 발생되는 실내 오염물질 관리방안 연구; 조리과정에서 발생되는 오염물질을 중심으로. 국립환경과학원. 
권우택 외. (2017). 유해오염물질 처리를 위한 흡연부스의 설계. 한국화재소방학회 논문지, 31(6), 107-111. 
산업안전보건법 시행규칙 [별표19]. 국가법령정보센터. 
성순경. (2014). 에어커튼형 주방 레인지후드의 배기 특성. 설비공학논문집 26.12: 594-599. 
성순경. (2015). 에어커튼형 레인지후드의 슬롯 토출 각도 변화와 배기 효율. 설비공학논문집 27.9: 468-474. 
송한솔. (2022). 학교교실 실내공기질 향상을 위한 건강영향 비용-효과 Model 개발에 관한 연구. 금오공과대학교 대학원. 국내석사학위논문. 
신은상 외. (2001). 산업환기기술: 국소배기를 중심으로. 서울: 동화기술. 
안소은 외. (2017). "빅데이터를 이용한 대기오염의 건강영향 평가 및 피해비용 추정(Ⅲ)." 사업보고서 2017. 한국환경정책평가연구원. 
이석훈. (2023). 조리장 내 조리흄 유해방지 안전 시스템. 특허 출원번호 10-2022-0093677. 출원일 2022년 7월 28일. 등록일 2023년 1월 10일. 
이유진 외. (2019). 조리 시 발생하는 공기 중 유해물질과 호흡기 건강영향; 학교 급식 종사자를 중심으로. 한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원. 
최윤정. (2022). 2022 산업안전기사. 구민사 
통계청. (2022). 「소비자물가조사」 
하현철. (2021). 학교 조리실 환기장치 실태조사 및 표준 환기방안 마련 연구. 한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원. 
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LV, Lipeng, et al (2021). The application of an air curtain range hood in reducing human exposure to cooking pollutants. Building and Environment. 205: 108204. 
나라장터 종합쇼핑몰. 상업용주방후드, 우일이앤지, WOW-2000ST, 이중박스형/필터/방습등, 2000×1500×600mm 
나라장터 종합쇼핑몰. 상업용주방후드, 화신테크이엔지, HSHS1212, 박스형, 1200×1200×600mm 
나라장터. 입찰공고번호 20161134052-00. 2017년도 신설학교 급식기구 구매(에어커튼외) 
나라장터. 입찰공고번호 20180632780–00. 오산초 외 1교 조리실 후드교체 및 기타시설 기계설비공사. 
건강보험심사평가원. <https://www.hira.or.kr/bbsDummy.do?pgmid=HIRAA020041000100&brdScnBltNo=4&brdBltNo=9936> 
경동나비엔, “키친플러스” <https://www.kdnavien.co.kr/product/detail/3207?pdLgMuSeq=881&pdSmMuSeq=883> 
삼성서울병원 암교육센터.
<http://www.samsunghospital.com/dept/medical/checkupSub02View.do?content_id=1273&cPage=2&DP_CODE=CIC&MENU_ID=004027018&ds_code=D0003490&main_content_id=1776> 
서지영, 선예랑. 확인된 ‘조리흄’ 위협…급식조리실 등장한 필터마스크. 국민일보. 2023.03.19. <https://news.kmib.co.kr/article/view.asp?arcid=0018067031&code=61121411&cp=nv> 
㈜코드블라썸. <https://www.careday.me/>

파일:개발 과제 개요.PNG

2023-06-16T05:32:37Z

2023adenv1:

AlChem

2023-06-16T05:31:52Z

2023adenv1:

<div>__TOC__</div>

=='''프로젝트 개요'''==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 빅데이터 및 예측 모델기반 유해 화학물질 대체제 발굴
 
''' 영문 : ''' Discover alternatives to hazardous chemicals based on big data and prediction models
===과제 팀명===
AlChem

===지도교수===
박승부 교수님

===개발기간===
2023년 3월 ~ 2023년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 201989**** 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 201889**** 나**

서울시립대학교 환경공학부 201889**** 정**

=='''서론'''==
==='''개발 과제의 개요'''===
===='''개발 과제 요약'''====
:[[파일: 개발 과제 개요.PNG]]
*본 Safe-by-Design (SbD) 프레임워크는 빅데이터와 인공지능을 기반한 GenRA 와 EPA TEST 를 활용하여 비슷한 구조를 가진 화학물질들의 독성을 예측함. 현재 쥐 실험 기법과 같은 전통적인 실험의 한계로 높은 비용 및 소요 시간, 충분하지 못한 독성 데이터가 존재하는데 , 본 설계 프레임 워크를 사용시 대량의 화학물질을 빠르고 비용 효율적으로 물질의 유해성 평가를 수행 가능하며 독성 정보가 없는 기존 물질 및 신규 물질의 평가에 있어서 유용하게 활용 가능함. 

===='''개발 과제의 배경'''====

* 21세기에 들어서도 가습기 살균제 사고와 같은 화학물질 사고로 인해 전세계적으로 화학물질 안전관리 규제가 강화되었으며, 안전관리의 패러다임이 ‘사후처리’에서 ‘사전예방’으로 변화하게 되었음. 이에 따라, 화학물질을 취급하는 기업들은 더욱 안전하면서도 경제성이 있는 화학물질을 사용해야 하게 되었고, 비싸고 시간이 오래 걸리는 in vivo 동물실험 독성데이터보다 in silico, in vitro와 같은 동물대체시험 데이터에 대한 필요성이 증가하게 되었음. 따라서 본 개발에서도 AI 모델과 오픈소스 데이터베이스와 같은 in silico 방법을 이용하여 대상 물질들의 독성 데이터를 발굴하고자 함.
* 전세계 화학산업이 발전하면서 플라스틱의 생산량이 크게 늘어나게 되었다. 그 중에서도 특히 미세플라스틱은 광범위한 분포범위와 높은 노출량, 생체축적성 등으로 인해 전 세계적인 우려가 생기고 있음. 이러한 미세플라스틱은 입자 그 자체뿐만 아니라 미세플라스틱 내의 다양한 첨가제들 역시 환경에 유해한 영향을 끼치는 것으로 알려져 있음. 이 중 프탈레이트 및 브롬화 난연제와 같은 독성이 강한 첨가제는 신진대사, 골격 발달 등 유기체의 다양한 생물학적 과정을 방해하는 것으로 알려져 있음. 이에 따라 첨가제에 대한 독성 평가가 필요한 실정이지만, 여러 국가의 규제에 대한 연구에 의하면 플라스틱에 함유된 화학물질에서 잠재적 우려 물질로 판단되는 약 2400개 화학 물질 중 53%는 EU-REACH, K-REACH 등의 규정에 대해 어떠한 관리 조치도 적용되지 않음을 확인할 수 있음. 따라서 이러한 첨가제 물질들에 대한 독성 정보를 명확하게 파악하고, 대체할 수 있는 안전한 물질들을 찾는 노력이 필요함 

===='''개발 과제의 목표 및 내용'''====

* 본 Safe-by-Design (SbD) 프레임워크는 빅데이터와 인공지능을 기반한 GenRA 와 EPA TEST 를 활용하여 비슷한 구조를 가진 화학물질들의 독성을 예측함. 현재 쥐 실험 기법과 같은 전통적인 실험의 한계로 높은 비용 및 소요 시간, 충분하지 못한 독성 데이터가 존재하는데 , 본 설계 프레임 워크를 사용시 대량의 화학물질을 빠르고 비용 효율적으로 물질의 유해성 평가를 수행 가능하며 독성 정보가 없는 기존 물질 및 신규 물질의 평가에 있어서 유용하게 활용 가능함. 

==='''관련 기술의 현황'''===
===='''관련 기술의 현황 및 분석'''====
: 1) 관련 기술의 현황 및 분석 (State of Art)
: * SbD 관련 기술은 아직 상용화되지 않았기에, 독점적인 기술경쟁력을 가지고 산업에 활용될 수 있을 것으로 판단됨
:  유럽집행위원회 등 각국 기관 및 기업이 지속 가능성을 위해 SbD 프레임워크를 채택하고 있으며 많은 연구를 하고 있음.
:  연구 조사 결과, 유럽에서는 나노 물질의 안전을 확인하는 SbD를 주제로 많은 연구가 진행되었다는 것을 확인.
:  다음 표1에 나타난 유럽에서 진행된 SbD 프로젝트의 세부 정보를 살펴보았을 때, SbD 프로젝트는 아직 산업 및 규제 수준에서 활용되기 테스트 및 논의가 필요하고, 향후 진행될 연구를 바탕으로 2025년도에 SbD 물질에 대한 최종 기준을 발표할 예정이라 밝힘. 따라서 2025년도 이후에 본격적으로 상용화될 것으로 판단됨

:표1. Safe-by-Design에 대한 EU 프로젝트

:[[파일: 요리조리조후드.PNG]]
:[[파일:경동나비엔 “키친플러스”의 주방집중급기 특화 덕트.png]]

:*급기의 경우 주방 집중 급기를 위한 특화 덕트를 사용하여 에어커튼 형성 보조.
:*에어모니터 시스템에서 측정한 정보를 앱을 통하여 제공하여 확인과 제어 가능.

 

===='''특허조사'''====
:● 조리장 내 조리흄 유해방지 안전 시스템 (이석훈, 2023)
:[[파일: 그림3 특허 “조리장 내 조리흄 유해방지 안전 시스템”.png]]
:*후드와 배기덕트, 강제 배기용 송풍기, 흡기용 송풍기, 유해물질 검출센서로 구성.
:*유해물질 검출센서로부터 검출된 유해물질의 각 농도와 자체적으로 입력된 유해물질 각각의 기준치를 비교하며, 이 결과로 제어부에서 배기용 송풍기의 회전수를 제어.
:*조리실 내의 공기질이 향상되어 실내 공기질을 쾌적하게 조성하고, 조리사가 기준치 이상의 조리흄을 지속적으로 흡입하는 것을 방지하여 폐암과 같은 산업재해 예방이 가능함.
 

====관련 시장에 대한 분석====
:[[파일: 표1 경쟁제품비교.png]]
 

===경제성 분석===
====편익비용비(B/C ratio)====
[[파일:수식1 BCratio.png]]
*총편익과 총비용의 할인된 금액 비율.
*B/C ratio가 1보다 크거나 같으면 경제성이 있다고 판단.
 

====편익-비용 분류====
*안소은 외(2017)와 송한솔(2022)을 참고하여 편익비용 분류체계도 구성.
:[[파일:표2 편익비용분류체계도.png]]

====편익 (Benefit)====
:'''1. 직접비'''
:● 의료비용
:*건강보험심사평가원에서 제시한 2018년 비용에서 연평균 증가율을 대입하여 2023년 기준으로 산정한 값임.
:*외래진료비 : 420,000원/일·인 × 11 일 = 4,620,000 원/인
:*입원비 : 527,000원/일·인 × 33.2 일 = 17,500,000 원/인
:*약제비 : 5,355억 원 / 10만명 = 5,350,000 원/인
 

:● 비의료비용
:*삼성서울병원 암교육센터에서 제공하는 폐암 치료 기간과 횟수를 사용.
:*교통비(2023년 기준): 1,200원/회·인 × 2회/일 × 5일/주 × 6주 = 72,000원/인
:*간병비(㈜코드블라썸): 150,000 원/일·인 × 33.2일 = 4,980,000원/인
 

:● 대상자 수 산정
:*학교급식종사자 중 폐암 확진자에 대해 모든 항목 적용.
:*학교급식종사자 중 폐암 이상 소견을 보인 노동자에 대해 외래진료비와 교통비만 적용.

:[[파일:표3 대상자별 직접비 산정.png]]

:'''2. 편익(총 재해비용)'''
:*총 재해비용 산출 시 하인리히 방식(최윤정, 2022)을 채택.
:[[파일:수식2 총재해비용.png]]
:*직접비와 간접비를 합산해 총 재해비용 312,460,192,000 원 도출.
 

====비용(Cost)====
:● 기기 설치비용
:*후드 및 덕트 설치 비용의 경우 나라장터의 “오산초 외 1교 조리실 후드교체 및 기타시설 기계설비공사 (2018)” 입찰결과의 추정금액 10,323,500 원을 차용.
:*에어커튼 설치 비용의 경우 나라장터의 “2017년도 신설학교 급식기구 구매(에어커튼외)”를 차용, 6대 설치비용 2,015,000 원을 계산.
 

:● 연간 유지관리비
:*급식시설 1 개소 당 필터 교체를 포함한 유지관리비용 4,508,800 원 (송한솔, 2022)을 차용.
 

:● 전체 소요비용 계산
:*각 비용에 물가상승률 5.5% (통계청, 2022)을 적용하여 2023년 기준 금액으로 계산.
:[[파일:표4 급식시설 1 개소 당 소요비용.png]]
:* 급식시설 개수 11,976 개 (교육부, 2021)를 곱하여 총비용 254,959,183,752 원을 도출.
 

====경제성 분석 결과====
*총편익 312,460,192,000 원, 총비용 254,959,183,752 원을 이용해 B/C ratio 계산.
[[파일:BCratio.png]]
*B/C ratio가 1 이상이므로 경제성이 있다고 판단.
 

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
:● 조리실 내 공기질 개선
:*조리과정에서의 일산화탄소(CO)의 순간 발생량은 최대 295 ppm으로 산업안전보건법상 단시간노출기준 (200 ppm)를 초과 (이유진 외, 2019).
:*미세먼지(PM10)의 순간발생량 또한 마찬가지로 학교보건법상 실내공기질 유지기준을 초과 (이유진 외, 2019).
:*”요리조리“ 시스템의 도입으로 일산화탄소 및 미세먼지의 농도를 저감해 조리실 내 공기질 개선 가능.
 

:● 조리실 내 환기 시스템 개선
:*현재 조리사의 폐암 발병 원인으로 부실한 환기 시스템이 거론됨.
:*개선된 후드와 정화된 외부공기를 급기하는 시스템이 탑재된 “요리조리” 시스템의 도입으로 조리실 내 환기시설 개선 가능.
 

====사회적 파급효과====
:● 조리사의 폐암 발병률 감소
:*우리나라 조리실의 경우 조리흄이 조리사 폐암의 주요 원인으로 작용함 (이유진 외, 2019).
:*”요리조리“ 시스템의 도입으로 일산화탄소와 미세먼지 노출량을 저감해 조리사의 폐암 발병률 감소 가능.
 

===추진체계===
[[파일:표5 추진체계.png]]

=='''설계'''==
==='''설계사양'''===
====제품 요구사항====
:● 현 급식실의 문제점
:* 환기의 경우 캐노피 후드에 의한 국소배기, 창문과 출입문을 통한 자연 환기, 벽면 환풍기에 의한 전체환기가 이루어지고 있음.
:* 국소배기 시 캐노피 후드가 작업자의 머리 위에 위치하여 오염물질이 작업자의 호흡영역을 거쳐 배기됨.
:* 캐노피 후드의 개구면과 작업대 사이의 거리가 충분히 가깝지 않으며 후드 유량 및 흡인 속도가 적절하지 않음.
:* 공조시설을 이용한 급기시설은 없었으며 자연 환기의 경우 외기가 유입되면 후드의 방해기류로 작용하여 배기효율을 저하함.
:* 선풍기나 에어컨 등의 냉방기구 사용 시 후드의 방해기류로 작용.
 

:● 요구사항
:[[파일:Table6_제품요구사항.PNG]]
 

:● 목적계통도
:[[파일:설계목적계통도_요리조리조.PNG]]
 

:● QFD(Quality Function Deployment)
:* 실제 변수들과 제품요구사항 간 상관관계를 나타냄.
:[[파일:QFD_요리조리조.PNG]]
 

===개념설계안===
====학교 조리실 현황====

: '''1. 학교 조리실 기본 현황'''

:* 경남 지역 공립학교 중 10 개교의 조리실을 대상으로 실태를 조사하였음.
:*보통의 조리실 크기는 가로 16 m, 세로 11 m, 높이 2.9 m이며, 조리 공간은 전처리실과 조리실, 식기세척실로 이루어짐.
 

: '''2. 조리 시 발생하는 오염물질'''

:* 조리실 내에서의 조리 형태는 주로 삶기, 볶기, 굽기, 튀기기 등에 의해 이루어짐.
:* 전(계란말이, 스크램블, 삼겹살), 튀김과 같은 기름을 사용하는 요리에서 일산화탄소 발생량이 높았으며 일산화탄소 단시간노출기준 200 ppm을 초과하였음.
:* 미세먼지의 발생량은 수증기가 동반된 볶음요리나 삶기에서 높게 나타났으며, 순간농도 200 μg/m3을 초과하였음.
 

====조리실 내 환기의 흐름====

:* 출입문과 창문을 통한 자연 환기량은 없다고 가정함.
:* 요리조리 시스템에서의 배기는 후드(Q1)와 전체환기시스템의 배기장치(Q2)에 의함.
:* 전체환기시스템의 급기장치(Q)로 배기량만큼 급기.

:[[파일:요리조리Image6.png]]
 

====후드====
:'''1. 설계 대상 후드의 종류'''

:* 조리실의 후드는 작업대가 조리실 가운데에 위치하여 모든 면에서 작업할 수 있는 조리대의 후드(그림 7)와 작업대가 벽면에 부착되어 한 면에서 작업할 수 있는 작업대의 후드(그림 8)로 나뉨.
:* 전자의 경우를 후드 A로, 후자의 경우를 후드 B로 명명함.
:[[파일:요리조리Image7and8.png]]
 
 

:'''2. 에어커튼'''

:* 오염물질의 순간 발생량을 차단함으로써 작업자의 호흡 영역을 확보함과 동시에 외부 방해기류를 차단하여 후드의 포집 효율 향상.
:* 하향 급기 형식의 에어커튼을 후드 아랫단에 부착하여 사용.

:[[파일:요리조리Image9.png]]

:* 후드 A의 경우 네 면에 에어커튼 적용(그림 7).
:* 후드 B의 경우 후드 좌·우측에는 가림판을 설치하고 전면에만 에어커튼 적용(그림 8).
 
 

:'''3. 가림판'''

:* 후드 B의 양 측면에 부착하여 후드에 유입되는 방해기류 차단.
:* 에어커튼 설치 시 전력 소모가 크므로 가림판을 설치하여 소요되는 전력 절감.
:* 후드 B의 경우 한 면에서만 작업하므로 가림판을 설치하여도 작업에 방해되지 않음.
:* 재질은 후드와 동일한 스테인리스강을 사용.
 
 

====전체환기시스템====
:* 조리실 내 전반적인 공기질 개선을 위해 전체환기시스템을 도입.
:* 학교 조리실은 운동장이나 주차장과 인접한 경우가 많으므로 주변에서 발생하는 오염물질이 조리실 내부로 유입될 수 있음.
:* 미세먼지의 제거 효과가 뛰어난 헤파(HEPA) 필터 (권우택 외, 2017)를 사용하여 외부 공기 정화 후 급기 및 배기가스 정화.
:* 한국여과기공업협동조합(2016)에서 제시하는 헤파 셀플리트 필터의 사양 차용.
:[[파일:요리조리Table8.png]]
 
 

====소요동력====
:* 요리조리 시스템을 운영하는 데 필요한 소요동력은 후드와 에어커튼에 필요한 전력과 전체환기시스템 운영에 필요한 전력을 합하여 계산.
::[[파일:요리조리Func3.png]]
:* 송풍기의 수는 후드 하나당 한 개로 고정.
:* 기존 조리실과 비교하였을 때 에어커튼 장착 및 전체환기시스템 가동으로 인해 소요동력 또한 증가.
 

====조리실 설계도====
:* 일반적인 학교 내 조리실의 구조(이유진 외, 2019)를 차용.
 

::조리실 평면도
:[[파일:요리조리Image10.png]]
 

::조리실 입체도
:[[파일:요리조리Image11.png]]
 

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====조리실 내 환기유량 계산====
:[[파일:이론적_계산의_흐름도.PNG]]
 
:'''1. 실내 오염 발생량(M)'''
:*실내 오염 발생량은 수식 4에 의해 계산.
:[[파일:실내오염발생량_계산식.PNG]]
 
:● 후드의 규격
:*후드의 폭, 길이는 나라장터 종합쇼핑몰에서 ㈜우일이앤지, ㈜화신테크이엔지의 후드 규격을 차용.
:*설계에 사용한 네 면이 개방된 후드 A는 ㈜화신테크이엔지, 한 면만 개방된 후드 B는 ㈜우일이앤지의 후드 규격을 차용.
:[[파일:후드흡입량계산에사용한후드의규격.PNG]]
 
:● 기존 후드의 흡입량
:[[파일:후드별_규격.PNG]]
:*상부형 후드의 흡입량은 수식 5에 의해 계산됨.
:[[파일:후드의_흡입량.PNG]]

:* 후드의 둘레(P)는 후드의 깊이(a)와 후드의 폭(b)을 더한 값을 두배하여 계산.
:* 조리실 내 후드의 흡입 속도(V)는 0.5 m/s로 측정됨 (이유진 외, 2019).
:* 작업대와 후드의 개구면 이격거리(D)는 약 1.2 m로 나타남 (이유진 외, 2019).
:* 수식 4를 이용, 기존 후드의 흡입량을 계산하여 아래 표에 나타냄.
:[[파일:후드의흡입량_표.PNG]]
 

:● 실내 오염 발생량(M) 계산
:* 조리 시 순간적으로 발생하는 일산화탄소(CO)와 미세먼지(PM10)의 농도는 이유진 외(2019)의 측정결과를 차용.
:* 오염물질 순간발생량의 최댓값과 기존 후드의 흡입량을 곱한 값을 더해 실내 오염 발생량을 계산 (아래 표).
:[[파일:후드별오염물질에따른실내오염발생량.PNG]]
 

:'''2. 개선된 후드의 흡입량(Q1)'''
:* 수식 6을 이용하여 개선된 후드의 흡입량을 계산.
:* 계산 시 사용한 오염물질별 단시간노출기준을 표에 나타냄.
:[[파일:개선된_후드의_흡입량_계산식.PNG]]
:[[파일:오염물질별_단시간노출기준.PNG]]
 
:* 각 오염물질별로 유량을 계산한 후 최댓값을 채택하여 최종적인 후드의 흡입량으로 선정 (아래 표).
:* 개선된 후드의 흡입량(Q1)은 후드 A의 경우 18.78 m3/s, 후드 B의 경우 27.38 m3/s임.
:* 기존 후드보다 개선된 후드의 흡입량이 후드 A와 후드 B에서 모두 366% 증가함.
:* 기존 후드의 흡입량인 4.03 m3/s(후드 A)와 5.88 m3/s(후드 B)에 비해 많은 유량이 요구됨.
:[[파일:후드별오염물질에따른개선된후드의흡입량.PNG]]
 

:'''3. 전체 급기량(Q)'''
:[[파일:필요급기량_산정식.PNG]]
:* 수식 7에 따라 목표 공기질을 유지하기 위한 전체 급기량(Q) 산정 후 최댓값을 채택.
:* 초기농도 Co는 정화된 급기를 사용하므로 0으로 계산.
:* 일산화탄소(CO)의 경우 실내공기질관리법 시행규칙 [별표 2]에 따라 10 ppm, 미세먼지(PM10)의 경우 학교보건법 시행규칙 [별표 4의2]에 따라 75 μg/m3을 기준농도로 사용.
:* 전체환기량은 292.80 m3/s임.
:[[파일:설계에사용한_오염물질별기준농도.PNG]]
 

:'''4. 전체환기시스템 배기유량(Q2)'''
:[[파일:환기량간관계식.PNG]]
:* 수식 8에 따라 전체 급기량(Q)에서 개선된 후드 흡입량(Q1)의 합계를 제하여 전체환기시스템의 배기유량(Q2) 산정.
:* 개선된 후드 A, B의 흡입량(Q1) 합계는 46.16 m3/s임.
:* 전체급기량(Q)이 292.80 m3/s이므로 전체환기시스템의 배기유량(Q2)은 246.64 m3/s임.
 

====에어커튼 및 가림판====
:● 에어커튼 규격
:* 사용하는 에어커튼은 하향 급기 형식이며 모두 동일한 규격의 에어커튼을 사용.
:* 에어커튼의 폭은 범용적인 것을 기준으로 하여 20 mm으로 적용.
 

:● 에어커튼 유속
:* 성순경(2014)에서 유추한 공동주택의 조리실 내 후드에 장착된 에어커튼의 토출속도는 2.1 m/s이며, 이를 차용.
 

:● 가림판 규격
:* 작업영역을 방해하지 않도록 삼각형 모양으로 제작.
:* 폭은 후드의 깊이와 동일하고 높이는 후드의 개구면부터 작업대의 상부까지의 길이와 동일.

::[[파일:가림판_규격.PNG]]
 

====요리조리 시스템의 운영====
:[[파일:요리조리시스템의운영도.PNG]]
 
* 조리 시 조리흄이 발생하면 후드 안의 농도 감지 센서에서 농도를 측정하고 벽면에 설치된 패널에 값이 나타남.
* 측정값이 존재하면 에어커튼과 후드가 작동.
* 위에서 계산한 논리에 따라 오염물질 농도를 반영한 후드의 필요 흡입량(Q1)을 산정.
* 계산된 전체 급기량(Q) 만큼을 벽면 송풍기로 급기.
* 계산된 전체환기시스템의 배기유량(Q2) 만큼을 벽면 송풍기로 배기.
* 유량 제어를 위해 송풍기 상사법칙에 따라 후드와 전체환기시스템 내 송풍기의 회전수 제어.
:[[파일:송풍기_상사법칙.PNG]]
 

===조립도===
*시연할 후드의 전반적인 모습.
*실제 설계사양의 1/10배 규격으로 제작.
[[파일:그림17_요리조리.png]]
 
*오염물질 농도 값을 입력하면 벽면의 패널(5)에 값이 나타남.
*입력된 농도 값을 반영하여 필요한 후드 유량을 계산하고 이를 토대로 송풍기(1)의 회전수를 조정하여 후드 가동.
*후드 가동 시 필터(2)를 거쳐 유증기 흡인.
*가림판(3)과 에어커튼(4)에서 방해기류를 차단하고 후드의 배기 효과를 높임.

 
===부품도===
====후드 요소====
[[파일:그림18192021_요리조리.png]]
 

====에어커튼====
[[파일:그림22_요리조리.png]]
 
===제어부 및 회로설계===
====후드 송풍기와 농도 표시 패널의 아두이노 회로도====
[[파일:그림23_요리조리.png]]
 
====에어커튼의 아두이노 회로도====
[[파일:그림24_요리조리.png]]
*위 회로도를 송풍기 3개에 적용하여 에어커튼 구성.
 
===소프트웨어 설계===
====후드 송풍기와 농도 표시 패널(LCD 패널)의 아두이노 코드====
[[파일:그림25_요리조리.png]]
 
====에어커튼의 아두이노 코드====
[[파일:그림26_2_요리조리.png]]
 

===자재소요서===
[[파일:표16_2_요리조리.png]]

=='''결과 및 평가'''==
=== 완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진====

:[[파일:요리조리Image27.png]]
 

====포스터====
:[[파일:요리조리Image28.png]]
 

====개발사업비 내역서====

::::::::::::::::::::::::::::::(단위: 원)
:[[파일:요리조리Table18_2.png]]

 

===완료작품의 평가===
:[[파일:표18 2 요리조리.png]]

 
 

===향후계획===
*본 설계에서 제거 대상 물질로 선정한 일산화탄소(CO)와 미세먼지(PM10) 외에 기름 연기(oil smoke)와 악취를 대상으로 연구 진행. 
*전체환기시스템을 통해 유입되는 공기가 조리실 내부에서 순환된 후 유출되도록 시스템 설계. 
*본 설계에서는 조리대가 2개인 조리실을 설계하였으나 더 많은 조리대를 사용하는 조리실도 있기 때문에 더 큰 규모의 조리실을 대상으로 설계. 
 

==='''참고문헌'''===
교육부. (2021). 2021학년도 학교급식 실시현황. 
권명희 외. (2013). 주거환경 중 주방에서 발생되는 실내 오염물질 관리방안 연구; 조리과정에서 발생되는 오염물질을 중심으로. 국립환경과학원. 
권우택 외. (2017). 유해오염물질 처리를 위한 흡연부스의 설계. 한국화재소방학회 논문지, 31(6), 107-111. 
산업안전보건법 시행규칙 [별표19]. 국가법령정보센터. 
성순경. (2014). 에어커튼형 주방 레인지후드의 배기 특성. 설비공학논문집 26.12: 594-599. 
성순경. (2015). 에어커튼형 레인지후드의 슬롯 토출 각도 변화와 배기 효율. 설비공학논문집 27.9: 468-474. 
송한솔. (2022). 학교교실 실내공기질 향상을 위한 건강영향 비용-효과 Model 개발에 관한 연구. 금오공과대학교 대학원. 국내석사학위논문. 
신은상 외. (2001). 산업환기기술: 국소배기를 중심으로. 서울: 동화기술. 
안소은 외. (2017). "빅데이터를 이용한 대기오염의 건강영향 평가 및 피해비용 추정(Ⅲ)." 사업보고서 2017. 한국환경정책평가연구원. 
이석훈. (2023). 조리장 내 조리흄 유해방지 안전 시스템. 특허 출원번호 10-2022-0093677. 출원일 2022년 7월 28일. 등록일 2023년 1월 10일. 
이유진 외. (2019). 조리 시 발생하는 공기 중 유해물질과 호흡기 건강영향; 학교 급식 종사자를 중심으로. 한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원. 
최윤정. (2022). 2022 산업안전기사. 구민사 
통계청. (2022). 「소비자물가조사」 
하현철. (2021). 학교 조리실 환기장치 실태조사 및 표준 환기방안 마련 연구. 한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원. 
한국여과기공업협동조합. (2016). 공조용 에어필터; SPS KFIC 0004. 
International Agency for Research on Cancer. (2010). Household use of solid fuels and high-temperature frying (Vol. 95). IARC Press, International Agency for Research on Cancer. 
LV, Lipeng, et al (2021). The application of an air curtain range hood in reducing human exposure to cooking pollutants. Building and Environment. 205: 108204. 
나라장터 종합쇼핑몰. 상업용주방후드, 우일이앤지, WOW-2000ST, 이중박스형/필터/방습등, 2000×1500×600mm 
나라장터 종합쇼핑몰. 상업용주방후드, 화신테크이엔지, HSHS1212, 박스형, 1200×1200×600mm 
나라장터. 입찰공고번호 20161134052-00. 2017년도 신설학교 급식기구 구매(에어커튼외) 
나라장터. 입찰공고번호 20180632780–00. 오산초 외 1교 조리실 후드교체 및 기타시설 기계설비공사. 
건강보험심사평가원. <https://www.hira.or.kr/bbsDummy.do?pgmid=HIRAA020041000100&brdScnBltNo=4&brdBltNo=9936> 
경동나비엔, “키친플러스” <https://www.kdnavien.co.kr/product/detail/3207?pdLgMuSeq=881&pdSmMuSeq=883> 
삼성서울병원 암교육센터.
<http://www.samsunghospital.com/dept/medical/checkupSub02View.do?content_id=1273&cPage=2&DP_CODE=CIC&MENU_ID=004027018&ds_code=D0003490&main_content_id=1776> 
서지영, 선예랑. 확인된 ‘조리흄’ 위협…급식조리실 등장한 필터마스크. 국민일보. 2023.03.19. <https://news.kmib.co.kr/article/view.asp?arcid=0018067031&code=61121411&cp=nv> 
㈜코드블라썸. <https://www.careday.me/>

AlChem

2023-06-16T05:29:35Z

2023adenv1:

<div>__TOC__</div>

=='''프로젝트 개요'''==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 빅데이터 및 예측 모델기반 유해 화학물질 대체제 발굴
 
''' 영문 : ''' Discover alternatives to hazardous chemicals based on big data and prediction models
===과제 팀명===
AlChem

===지도교수===
박승부 교수님

===개발기간===
2023년 3월 ~ 2023년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 201989**** 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 201889**** 나**

서울시립대학교 환경공학부 201889**** 정**

=='''서론'''==
==='''개발 과제의 개요'''===
===='''개발 과제 요약'''====
*본 Safe-by-Design (SbD) 프레임워크는 빅데이터와 인공지능을 기반한 GenRA 와 EPA TEST 를 활용하여 비슷한 구조를 가진 화학물질들의 독성을 예측함. 현재 쥐 실험 기법과 같은 전통적인 실험의 한계로 높은 비용 및 소요 시간, 충분하지 못한 독성 데이터가 존재하는데 , 본 설계 프레임 워크를 사용시 대량의 화학물질을 빠르고 비용 효율적으로 물질의 유해성 평가를 수행 가능하며 독성 정보가 없는 기존 물질 및 신규 물질의 평가에 있어서 유용하게 활용 가능함. 

===='''개발 과제의 배경'''====

* 21세기에 들어서도 가습기 살균제 사고와 같은 화학물질 사고로 인해 전세계적으로 화학물질 안전관리 규제가 강화되었으며, 안전관리의 패러다임이 ‘사후처리’에서 ‘사전예방’으로 변화하게 되었음. 이에 따라, 화학물질을 취급하는 기업들은 더욱 안전하면서도 경제성이 있는 화학물질을 사용해야 하게 되었고, 비싸고 시간이 오래 걸리는 in vivo 동물실험 독성데이터보다 in silico, in vitro와 같은 동물대체시험 데이터에 대한 필요성이 증가하게 되었음. 따라서 본 개발에서도 AI 모델과 오픈소스 데이터베이스와 같은 in silico 방법을 이용하여 대상 물질들의 독성 데이터를 발굴하고자 함.
* 전세계 화학산업이 발전하면서 플라스틱의 생산량이 크게 늘어나게 되었다. 그 중에서도 특히 미세플라스틱은 광범위한 분포범위와 높은 노출량, 생체축적성 등으로 인해 전 세계적인 우려가 생기고 있음. 이러한 미세플라스틱은 입자 그 자체뿐만 아니라 미세플라스틱 내의 다양한 첨가제들 역시 환경에 유해한 영향을 끼치는 것으로 알려져 있음. 이 중 프탈레이트 및 브롬화 난연제와 같은 독성이 강한 첨가제는 신진대사, 골격 발달 등 유기체의 다양한 생물학적 과정을 방해하는 것으로 알려져 있음. 이에 따라 첨가제에 대한 독성 평가가 필요한 실정이지만, 여러 국가의 규제에 대한 연구에 의하면 플라스틱에 함유된 화학물질에서 잠재적 우려 물질로 판단되는 약 2400개 화학 물질 중 53%는 EU-REACH, K-REACH 등의 규정에 대해 어떠한 관리 조치도 적용되지 않음을 확인할 수 있음. 따라서 이러한 첨가제 물질들에 대한 독성 정보를 명확하게 파악하고, 대체할 수 있는 안전한 물질들을 찾는 노력이 필요함 

===='''개발 과제의 목표 및 내용'''====

* 본 Safe-by-Design (SbD) 프레임워크는 빅데이터와 인공지능을 기반한 GenRA 와 EPA TEST 를 활용하여 비슷한 구조를 가진 화학물질들의 독성을 예측함. 현재 쥐 실험 기법과 같은 전통적인 실험의 한계로 높은 비용 및 소요 시간, 충분하지 못한 독성 데이터가 존재하는데 , 본 설계 프레임 워크를 사용시 대량의 화학물질을 빠르고 비용 효율적으로 물질의 유해성 평가를 수행 가능하며 독성 정보가 없는 기존 물질 및 신규 물질의 평가에 있어서 유용하게 활용 가능함. 

==='''관련 기술의 현황'''===
===='''관련 기술의 현황 및 분석'''====
: 1) 관련 기술의 현황 및 분석 (State of Art)
: * SbD 관련 기술은 아직 상용화되지 않았기에, 독점적인 기술경쟁력을 가지고 산업에 활용될 수 있을 것으로 판단됨
:  유럽집행위원회 등 각국 기관 및 기업이 지속 가능성을 위해 SbD 프레임워크를 채택하고 있으며 많은 연구를 하고 있음.
:  연구 조사 결과, 유럽에서는 나노 물질의 안전을 확인하는 SbD를 주제로 많은 연구가 진행되었다는 것을 확인.
:  다음 표1에 나타난 유럽에서 진행된 SbD 프로젝트의 세부 정보를 살펴보았을 때, SbD 프로젝트는 아직 산업 및 규제 수준에서 활용되기 테스트 및 논의가 필요하고, 향후 진행될 연구를 바탕으로 2025년도에 SbD 물질에 대한 최종 기준을 발표할 예정이라 밝힘. 따라서 2025년도 이후에 본격적으로 상용화될 것으로 판단됨

:표1. Safe-by-Design에 대한 EU 프로젝트

:[[파일: 요리조리조후드.PNG]]
:[[파일:경동나비엔 “키친플러스”의 주방집중급기 특화 덕트.png]]

:*급기의 경우 주방 집중 급기를 위한 특화 덕트를 사용하여 에어커튼 형성 보조.
:*에어모니터 시스템에서 측정한 정보를 앱을 통하여 제공하여 확인과 제어 가능.

 

===='''특허조사'''====
:● 조리장 내 조리흄 유해방지 안전 시스템 (이석훈, 2023)
:[[파일: 그림3 특허 “조리장 내 조리흄 유해방지 안전 시스템”.png]]
:*후드와 배기덕트, 강제 배기용 송풍기, 흡기용 송풍기, 유해물질 검출센서로 구성.
:*유해물질 검출센서로부터 검출된 유해물질의 각 농도와 자체적으로 입력된 유해물질 각각의 기준치를 비교하며, 이 결과로 제어부에서 배기용 송풍기의 회전수를 제어.
:*조리실 내의 공기질이 향상되어 실내 공기질을 쾌적하게 조성하고, 조리사가 기준치 이상의 조리흄을 지속적으로 흡입하는 것을 방지하여 폐암과 같은 산업재해 예방이 가능함.
 

====관련 시장에 대한 분석====
:[[파일: 표1 경쟁제품비교.png]]
 

===경제성 분석===
====편익비용비(B/C ratio)====
[[파일:수식1 BCratio.png]]
*총편익과 총비용의 할인된 금액 비율.
*B/C ratio가 1보다 크거나 같으면 경제성이 있다고 판단.
 

====편익-비용 분류====
*안소은 외(2017)와 송한솔(2022)을 참고하여 편익비용 분류체계도 구성.
:[[파일:표2 편익비용분류체계도.png]]

====편익 (Benefit)====
:'''1. 직접비'''
:● 의료비용
:*건강보험심사평가원에서 제시한 2018년 비용에서 연평균 증가율을 대입하여 2023년 기준으로 산정한 값임.
:*외래진료비 : 420,000원/일·인 × 11 일 = 4,620,000 원/인
:*입원비 : 527,000원/일·인 × 33.2 일 = 17,500,000 원/인
:*약제비 : 5,355억 원 / 10만명 = 5,350,000 원/인
 

:● 비의료비용
:*삼성서울병원 암교육센터에서 제공하는 폐암 치료 기간과 횟수를 사용.
:*교통비(2023년 기준): 1,200원/회·인 × 2회/일 × 5일/주 × 6주 = 72,000원/인
:*간병비(㈜코드블라썸): 150,000 원/일·인 × 33.2일 = 4,980,000원/인
 

:● 대상자 수 산정
:*학교급식종사자 중 폐암 확진자에 대해 모든 항목 적용.
:*학교급식종사자 중 폐암 이상 소견을 보인 노동자에 대해 외래진료비와 교통비만 적용.

:[[파일:표3 대상자별 직접비 산정.png]]

:'''2. 편익(총 재해비용)'''
:*총 재해비용 산출 시 하인리히 방식(최윤정, 2022)을 채택.
:[[파일:수식2 총재해비용.png]]
:*직접비와 간접비를 합산해 총 재해비용 312,460,192,000 원 도출.
 

====비용(Cost)====
:● 기기 설치비용
:*후드 및 덕트 설치 비용의 경우 나라장터의 “오산초 외 1교 조리실 후드교체 및 기타시설 기계설비공사 (2018)” 입찰결과의 추정금액 10,323,500 원을 차용.
:*에어커튼 설치 비용의 경우 나라장터의 “2017년도 신설학교 급식기구 구매(에어커튼외)”를 차용, 6대 설치비용 2,015,000 원을 계산.
 

:● 연간 유지관리비
:*급식시설 1 개소 당 필터 교체를 포함한 유지관리비용 4,508,800 원 (송한솔, 2022)을 차용.
 

:● 전체 소요비용 계산
:*각 비용에 물가상승률 5.5% (통계청, 2022)을 적용하여 2023년 기준 금액으로 계산.
:[[파일:표4 급식시설 1 개소 당 소요비용.png]]
:* 급식시설 개수 11,976 개 (교육부, 2021)를 곱하여 총비용 254,959,183,752 원을 도출.
 

====경제성 분석 결과====
*총편익 312,460,192,000 원, 총비용 254,959,183,752 원을 이용해 B/C ratio 계산.
[[파일:BCratio.png]]
*B/C ratio가 1 이상이므로 경제성이 있다고 판단.
 

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
:● 조리실 내 공기질 개선
:*조리과정에서의 일산화탄소(CO)의 순간 발생량은 최대 295 ppm으로 산업안전보건법상 단시간노출기준 (200 ppm)를 초과 (이유진 외, 2019).
:*미세먼지(PM10)의 순간발생량 또한 마찬가지로 학교보건법상 실내공기질 유지기준을 초과 (이유진 외, 2019).
:*”요리조리“ 시스템의 도입으로 일산화탄소 및 미세먼지의 농도를 저감해 조리실 내 공기질 개선 가능.
 

:● 조리실 내 환기 시스템 개선
:*현재 조리사의 폐암 발병 원인으로 부실한 환기 시스템이 거론됨.
:*개선된 후드와 정화된 외부공기를 급기하는 시스템이 탑재된 “요리조리” 시스템의 도입으로 조리실 내 환기시설 개선 가능.
 

====사회적 파급효과====
:● 조리사의 폐암 발병률 감소
:*우리나라 조리실의 경우 조리흄이 조리사 폐암의 주요 원인으로 작용함 (이유진 외, 2019).
:*”요리조리“ 시스템의 도입으로 일산화탄소와 미세먼지 노출량을 저감해 조리사의 폐암 발병률 감소 가능.
 

===추진체계===
[[파일:표5 추진체계.png]]

=='''설계'''==
==='''설계사양'''===
====제품 요구사항====
:● 현 급식실의 문제점
:* 환기의 경우 캐노피 후드에 의한 국소배기, 창문과 출입문을 통한 자연 환기, 벽면 환풍기에 의한 전체환기가 이루어지고 있음.
:* 국소배기 시 캐노피 후드가 작업자의 머리 위에 위치하여 오염물질이 작업자의 호흡영역을 거쳐 배기됨.
:* 캐노피 후드의 개구면과 작업대 사이의 거리가 충분히 가깝지 않으며 후드 유량 및 흡인 속도가 적절하지 않음.
:* 공조시설을 이용한 급기시설은 없었으며 자연 환기의 경우 외기가 유입되면 후드의 방해기류로 작용하여 배기효율을 저하함.
:* 선풍기나 에어컨 등의 냉방기구 사용 시 후드의 방해기류로 작용.
 

:● 요구사항
:[[파일:Table6_제품요구사항.PNG]]
 

:● 목적계통도
:[[파일:설계목적계통도_요리조리조.PNG]]
 

:● QFD(Quality Function Deployment)
:* 실제 변수들과 제품요구사항 간 상관관계를 나타냄.
:[[파일:QFD_요리조리조.PNG]]
 

===개념설계안===
====학교 조리실 현황====

: '''1. 학교 조리실 기본 현황'''

:* 경남 지역 공립학교 중 10 개교의 조리실을 대상으로 실태를 조사하였음.
:*보통의 조리실 크기는 가로 16 m, 세로 11 m, 높이 2.9 m이며, 조리 공간은 전처리실과 조리실, 식기세척실로 이루어짐.
 

: '''2. 조리 시 발생하는 오염물질'''

:* 조리실 내에서의 조리 형태는 주로 삶기, 볶기, 굽기, 튀기기 등에 의해 이루어짐.
:* 전(계란말이, 스크램블, 삼겹살), 튀김과 같은 기름을 사용하는 요리에서 일산화탄소 발생량이 높았으며 일산화탄소 단시간노출기준 200 ppm을 초과하였음.
:* 미세먼지의 발생량은 수증기가 동반된 볶음요리나 삶기에서 높게 나타났으며, 순간농도 200 μg/m3을 초과하였음.
 

====조리실 내 환기의 흐름====

:* 출입문과 창문을 통한 자연 환기량은 없다고 가정함.
:* 요리조리 시스템에서의 배기는 후드(Q1)와 전체환기시스템의 배기장치(Q2)에 의함.
:* 전체환기시스템의 급기장치(Q)로 배기량만큼 급기.

:[[파일:요리조리Image6.png]]
 

====후드====
:'''1. 설계 대상 후드의 종류'''

:* 조리실의 후드는 작업대가 조리실 가운데에 위치하여 모든 면에서 작업할 수 있는 조리대의 후드(그림 7)와 작업대가 벽면에 부착되어 한 면에서 작업할 수 있는 작업대의 후드(그림 8)로 나뉨.
:* 전자의 경우를 후드 A로, 후자의 경우를 후드 B로 명명함.
:[[파일:요리조리Image7and8.png]]
 
 

:'''2. 에어커튼'''

:* 오염물질의 순간 발생량을 차단함으로써 작업자의 호흡 영역을 확보함과 동시에 외부 방해기류를 차단하여 후드의 포집 효율 향상.
:* 하향 급기 형식의 에어커튼을 후드 아랫단에 부착하여 사용.

:[[파일:요리조리Image9.png]]

:* 후드 A의 경우 네 면에 에어커튼 적용(그림 7).
:* 후드 B의 경우 후드 좌·우측에는 가림판을 설치하고 전면에만 에어커튼 적용(그림 8).
 
 

:'''3. 가림판'''

:* 후드 B의 양 측면에 부착하여 후드에 유입되는 방해기류 차단.
:* 에어커튼 설치 시 전력 소모가 크므로 가림판을 설치하여 소요되는 전력 절감.
:* 후드 B의 경우 한 면에서만 작업하므로 가림판을 설치하여도 작업에 방해되지 않음.
:* 재질은 후드와 동일한 스테인리스강을 사용.
 
 

====전체환기시스템====
:* 조리실 내 전반적인 공기질 개선을 위해 전체환기시스템을 도입.
:* 학교 조리실은 운동장이나 주차장과 인접한 경우가 많으므로 주변에서 발생하는 오염물질이 조리실 내부로 유입될 수 있음.
:* 미세먼지의 제거 효과가 뛰어난 헤파(HEPA) 필터 (권우택 외, 2017)를 사용하여 외부 공기 정화 후 급기 및 배기가스 정화.
:* 한국여과기공업협동조합(2016)에서 제시하는 헤파 셀플리트 필터의 사양 차용.
:[[파일:요리조리Table8.png]]
 
 

====소요동력====
:* 요리조리 시스템을 운영하는 데 필요한 소요동력은 후드와 에어커튼에 필요한 전력과 전체환기시스템 운영에 필요한 전력을 합하여 계산.
::[[파일:요리조리Func3.png]]
:* 송풍기의 수는 후드 하나당 한 개로 고정.
:* 기존 조리실과 비교하였을 때 에어커튼 장착 및 전체환기시스템 가동으로 인해 소요동력 또한 증가.
 

====조리실 설계도====
:* 일반적인 학교 내 조리실의 구조(이유진 외, 2019)를 차용.
 

::조리실 평면도
:[[파일:요리조리Image10.png]]
 

::조리실 입체도
:[[파일:요리조리Image11.png]]
 

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====조리실 내 환기유량 계산====
:[[파일:이론적_계산의_흐름도.PNG]]
 
:'''1. 실내 오염 발생량(M)'''
:*실내 오염 발생량은 수식 4에 의해 계산.
:[[파일:실내오염발생량_계산식.PNG]]
 
:● 후드의 규격
:*후드의 폭, 길이는 나라장터 종합쇼핑몰에서 ㈜우일이앤지, ㈜화신테크이엔지의 후드 규격을 차용.
:*설계에 사용한 네 면이 개방된 후드 A는 ㈜화신테크이엔지, 한 면만 개방된 후드 B는 ㈜우일이앤지의 후드 규격을 차용.
:[[파일:후드흡입량계산에사용한후드의규격.PNG]]
 
:● 기존 후드의 흡입량
:[[파일:후드별_규격.PNG]]
:*상부형 후드의 흡입량은 수식 5에 의해 계산됨.
:[[파일:후드의_흡입량.PNG]]

:* 후드의 둘레(P)는 후드의 깊이(a)와 후드의 폭(b)을 더한 값을 두배하여 계산.
:* 조리실 내 후드의 흡입 속도(V)는 0.5 m/s로 측정됨 (이유진 외, 2019).
:* 작업대와 후드의 개구면 이격거리(D)는 약 1.2 m로 나타남 (이유진 외, 2019).
:* 수식 4를 이용, 기존 후드의 흡입량을 계산하여 아래 표에 나타냄.
:[[파일:후드의흡입량_표.PNG]]
 

:● 실내 오염 발생량(M) 계산
:* 조리 시 순간적으로 발생하는 일산화탄소(CO)와 미세먼지(PM10)의 농도는 이유진 외(2019)의 측정결과를 차용.
:* 오염물질 순간발생량의 최댓값과 기존 후드의 흡입량을 곱한 값을 더해 실내 오염 발생량을 계산 (아래 표).
:[[파일:후드별오염물질에따른실내오염발생량.PNG]]
 

:'''2. 개선된 후드의 흡입량(Q1)'''
:* 수식 6을 이용하여 개선된 후드의 흡입량을 계산.
:* 계산 시 사용한 오염물질별 단시간노출기준을 표에 나타냄.
:[[파일:개선된_후드의_흡입량_계산식.PNG]]
:[[파일:오염물질별_단시간노출기준.PNG]]
 
:* 각 오염물질별로 유량을 계산한 후 최댓값을 채택하여 최종적인 후드의 흡입량으로 선정 (아래 표).
:* 개선된 후드의 흡입량(Q1)은 후드 A의 경우 18.78 m3/s, 후드 B의 경우 27.38 m3/s임.
:* 기존 후드보다 개선된 후드의 흡입량이 후드 A와 후드 B에서 모두 366% 증가함.
:* 기존 후드의 흡입량인 4.03 m3/s(후드 A)와 5.88 m3/s(후드 B)에 비해 많은 유량이 요구됨.
:[[파일:후드별오염물질에따른개선된후드의흡입량.PNG]]
 

:'''3. 전체 급기량(Q)'''
:[[파일:필요급기량_산정식.PNG]]
:* 수식 7에 따라 목표 공기질을 유지하기 위한 전체 급기량(Q) 산정 후 최댓값을 채택.
:* 초기농도 Co는 정화된 급기를 사용하므로 0으로 계산.
:* 일산화탄소(CO)의 경우 실내공기질관리법 시행규칙 [별표 2]에 따라 10 ppm, 미세먼지(PM10)의 경우 학교보건법 시행규칙 [별표 4의2]에 따라 75 μg/m3을 기준농도로 사용.
:* 전체환기량은 292.80 m3/s임.
:[[파일:설계에사용한_오염물질별기준농도.PNG]]
 

:'''4. 전체환기시스템 배기유량(Q2)'''
:[[파일:환기량간관계식.PNG]]
:* 수식 8에 따라 전체 급기량(Q)에서 개선된 후드 흡입량(Q1)의 합계를 제하여 전체환기시스템의 배기유량(Q2) 산정.
:* 개선된 후드 A, B의 흡입량(Q1) 합계는 46.16 m3/s임.
:* 전체급기량(Q)이 292.80 m3/s이므로 전체환기시스템의 배기유량(Q2)은 246.64 m3/s임.
 

====에어커튼 및 가림판====
:● 에어커튼 규격
:* 사용하는 에어커튼은 하향 급기 형식이며 모두 동일한 규격의 에어커튼을 사용.
:* 에어커튼의 폭은 범용적인 것을 기준으로 하여 20 mm으로 적용.
 

:● 에어커튼 유속
:* 성순경(2014)에서 유추한 공동주택의 조리실 내 후드에 장착된 에어커튼의 토출속도는 2.1 m/s이며, 이를 차용.
 

:● 가림판 규격
:* 작업영역을 방해하지 않도록 삼각형 모양으로 제작.
:* 폭은 후드의 깊이와 동일하고 높이는 후드의 개구면부터 작업대의 상부까지의 길이와 동일.

::[[파일:가림판_규격.PNG]]
 

====요리조리 시스템의 운영====
:[[파일:요리조리시스템의운영도.PNG]]
 
* 조리 시 조리흄이 발생하면 후드 안의 농도 감지 센서에서 농도를 측정하고 벽면에 설치된 패널에 값이 나타남.
* 측정값이 존재하면 에어커튼과 후드가 작동.
* 위에서 계산한 논리에 따라 오염물질 농도를 반영한 후드의 필요 흡입량(Q1)을 산정.
* 계산된 전체 급기량(Q) 만큼을 벽면 송풍기로 급기.
* 계산된 전체환기시스템의 배기유량(Q2) 만큼을 벽면 송풍기로 배기.
* 유량 제어를 위해 송풍기 상사법칙에 따라 후드와 전체환기시스템 내 송풍기의 회전수 제어.
:[[파일:송풍기_상사법칙.PNG]]
 

===조립도===
*시연할 후드의 전반적인 모습.
*실제 설계사양의 1/10배 규격으로 제작.
[[파일:그림17_요리조리.png]]
 
*오염물질 농도 값을 입력하면 벽면의 패널(5)에 값이 나타남.
*입력된 농도 값을 반영하여 필요한 후드 유량을 계산하고 이를 토대로 송풍기(1)의 회전수를 조정하여 후드 가동.
*후드 가동 시 필터(2)를 거쳐 유증기 흡인.
*가림판(3)과 에어커튼(4)에서 방해기류를 차단하고 후드의 배기 효과를 높임.

 
===부품도===
====후드 요소====
[[파일:그림18192021_요리조리.png]]
 

====에어커튼====
[[파일:그림22_요리조리.png]]
 
===제어부 및 회로설계===
====후드 송풍기와 농도 표시 패널의 아두이노 회로도====
[[파일:그림23_요리조리.png]]
 
====에어커튼의 아두이노 회로도====
[[파일:그림24_요리조리.png]]
*위 회로도를 송풍기 3개에 적용하여 에어커튼 구성.
 
===소프트웨어 설계===
====후드 송풍기와 농도 표시 패널(LCD 패널)의 아두이노 코드====
[[파일:그림25_요리조리.png]]
 
====에어커튼의 아두이노 코드====
[[파일:그림26_2_요리조리.png]]
 

===자재소요서===
[[파일:표16_2_요리조리.png]]

=='''결과 및 평가'''==
=== 완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진====

:[[파일:요리조리Image27.png]]
 

====포스터====
:[[파일:요리조리Image28.png]]
 

====개발사업비 내역서====

::::::::::::::::::::::::::::::(단위: 원)
:[[파일:요리조리Table18_2.png]]

 

===완료작품의 평가===
:[[파일:표18 2 요리조리.png]]

 
 

===향후계획===
*본 설계에서 제거 대상 물질로 선정한 일산화탄소(CO)와 미세먼지(PM10) 외에 기름 연기(oil smoke)와 악취를 대상으로 연구 진행. 
*전체환기시스템을 통해 유입되는 공기가 조리실 내부에서 순환된 후 유출되도록 시스템 설계. 
*본 설계에서는 조리대가 2개인 조리실을 설계하였으나 더 많은 조리대를 사용하는 조리실도 있기 때문에 더 큰 규모의 조리실을 대상으로 설계. 
 

==='''참고문헌'''===
교육부. (2021). 2021학년도 학교급식 실시현황. 
권명희 외. (2013). 주거환경 중 주방에서 발생되는 실내 오염물질 관리방안 연구; 조리과정에서 발생되는 오염물질을 중심으로. 국립환경과학원. 
권우택 외. (2017). 유해오염물질 처리를 위한 흡연부스의 설계. 한국화재소방학회 논문지, 31(6), 107-111. 
산업안전보건법 시행규칙 [별표19]. 국가법령정보센터. 
성순경. (2014). 에어커튼형 주방 레인지후드의 배기 특성. 설비공학논문집 26.12: 594-599. 
성순경. (2015). 에어커튼형 레인지후드의 슬롯 토출 각도 변화와 배기 효율. 설비공학논문집 27.9: 468-474. 
송한솔. (2022). 학교교실 실내공기질 향상을 위한 건강영향 비용-효과 Model 개발에 관한 연구. 금오공과대학교 대학원. 국내석사학위논문. 
신은상 외. (2001). 산업환기기술: 국소배기를 중심으로. 서울: 동화기술. 
안소은 외. (2017). "빅데이터를 이용한 대기오염의 건강영향 평가 및 피해비용 추정(Ⅲ)." 사업보고서 2017. 한국환경정책평가연구원. 
이석훈. (2023). 조리장 내 조리흄 유해방지 안전 시스템. 특허 출원번호 10-2022-0093677. 출원일 2022년 7월 28일. 등록일 2023년 1월 10일. 
이유진 외. (2019). 조리 시 발생하는 공기 중 유해물질과 호흡기 건강영향; 학교 급식 종사자를 중심으로. 한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원. 
최윤정. (2022). 2022 산업안전기사. 구민사 
통계청. (2022). 「소비자물가조사」 
하현철. (2021). 학교 조리실 환기장치 실태조사 및 표준 환기방안 마련 연구. 한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원. 
한국여과기공업협동조합. (2016). 공조용 에어필터; SPS KFIC 0004. 
International Agency for Research on Cancer. (2010). Household use of solid fuels and high-temperature frying (Vol. 95). IARC Press, International Agency for Research on Cancer. 
LV, Lipeng, et al (2021). The application of an air curtain range hood in reducing human exposure to cooking pollutants. Building and Environment. 205: 108204. 
나라장터 종합쇼핑몰. 상업용주방후드, 우일이앤지, WOW-2000ST, 이중박스형/필터/방습등, 2000×1500×600mm 
나라장터 종합쇼핑몰. 상업용주방후드, 화신테크이엔지, HSHS1212, 박스형, 1200×1200×600mm 
나라장터. 입찰공고번호 20161134052-00. 2017년도 신설학교 급식기구 구매(에어커튼외) 
나라장터. 입찰공고번호 20180632780–00. 오산초 외 1교 조리실 후드교체 및 기타시설 기계설비공사. 
건강보험심사평가원. <https://www.hira.or.kr/bbsDummy.do?pgmid=HIRAA020041000100&brdScnBltNo=4&brdBltNo=9936> 
경동나비엔, “키친플러스” <https://www.kdnavien.co.kr/product/detail/3207?pdLgMuSeq=881&pdSmMuSeq=883> 
삼성서울병원 암교육센터.
<http://www.samsunghospital.com/dept/medical/checkupSub02View.do?content_id=1273&cPage=2&DP_CODE=CIC&MENU_ID=004027018&ds_code=D0003490&main_content_id=1776> 
서지영, 선예랑. 확인된 ‘조리흄’ 위협…급식조리실 등장한 필터마스크. 국민일보. 2023.03.19. <https://news.kmib.co.kr/article/view.asp?arcid=0018067031&code=61121411&cp=nv> 
㈜코드블라썸. <https://www.careday.me/>

AlChem

2023-06-16T02:53:17Z

2023adenv1:

<div>__TOC__</div>

=='''프로젝트 개요'''==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 빅데이터 및 예측 모델기반 유해 화학물질 대체제 발굴
 
''' 영문 : ''' Discover alternatives to hazardous chemicals based on big data and prediction models
===과제 팀명===
AlChem

===지도교수===
박승부 교수님

===개발기간===
2023년 3월 ~ 2023년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 201989**** 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 201889**** 나**

서울시립대학교 환경공학부 201889**** 정**

=='''서론'''==
==='''개발 과제의 개요'''===
===='''개발 과제 요약'''====
*본 Safe-by-Design (SbD) 프레임워크는 빅데이터와 인공지능을 기반한 GenRA 와 EPA TEST 를 활용하여 비슷한 구조를 가진 화학물질들의 독성을 예측함. 현재 쥐 실험 기법과 같은 전통적인 실험의 한계로 높은 비용 및 소요 시간, 충분하지 못한 독성 데이터가 존재하는데 , 본 설계 프레임 워크를 사용시 대량의 화학물질을 빠르고 비용 효율적으로 물질의 유해성 평가를 수행 가능하며 독성 정보가 없는 기존 물질 및 신규 물질의 평가에 있어서 유용하게 활용 가능함. 

===='''개발 과제의 배경'''====

* 21세기에 들어서도 가습기 살균제 사고와 같은 화학물질 사고로 인해 전세계적으로 화학물질 안전관리 규제가 강화되었으며, 안전관리의 패러다임이 ‘사후처리’에서 ‘사전예방’으로 변화하게 되었음. 이에 따라, 화학물질을 취급하는 기업들은 더욱 안전하면서도 경제성이 있는 화학물질을 사용해야 하게 되었고, 비싸고 시간이 오래 걸리는 in vivo 동물실험 독성데이터보다 in silico, in vitro와 같은 동물대체시험 데이터에 대한 필요성이 증가하게 되었음. 따라서 본 개발에서도 AI 모델과 오픈소스 데이터베이스와 같은 in silico 방법을 이용하여 대상 물질들의 독성 데이터를 발굴하고자 함.
* 전세계 화학산업이 발전하면서 플라스틱의 생산량이 크게 늘어나게 되었다. 그 중에서도 특히 미세플라스틱은 광범위한 분포범위와 높은 노출량, 생체축적성 등으로 인해 전 세계적인 우려가 생기고 있음. 이러한 미세플라스틱은 입자 그 자체뿐만 아니라 미세플라스틱 내의 다양한 첨가제들 역시 환경에 유해한 영향을 끼치는 것으로 알려져 있음. 이 중 프탈레이트 및 브롬화 난연제와 같은 독성이 강한 첨가제는 신진대사, 골격 발달 등 유기체의 다양한 생물학적 과정을 방해하는 것으로 알려져 있음. 이에 따라 첨가제에 대한 독성 평가가 필요한 실정이지만, 여러 국가의 규제에 대한 연구에 의하면 플라스틱에 함유된 화학물질에서 잠재적 우려 물질로 판단되는 약 2400개 화학 물질 중 53%는 EU-REACH, K-REACH 등의 규정에 대해 어떠한 관리 조치도 적용되지 않음을 확인할 수 있음. 따라서 이러한 첨가제 물질들에 대한 독성 정보를 명확하게 파악하고, 대체할 수 있는 안전한 물질들을 찾는 노력이 필요함 

===='''개발 과제의 목표 및 내용'''====

* 본 Safe-by-Design (SbD) 프레임워크는 빅데이터와 인공지능을 기반한 GenRA 와 EPA TEST 를 활용하여 비슷한 구조를 가진 화학물질들의 독성을 예측함. 현재 쥐 실험 기법과 같은 전통적인 실험의 한계로 높은 비용 및 소요 시간, 충분하지 못한 독성 데이터가 존재하는데 , 본 설계 프레임 워크를 사용시 대량의 화학물질을 빠르고 비용 효율적으로 물질의 유해성 평가를 수행 가능하며 독성 정보가 없는 기존 물질 및 신규 물질의 평가에 있어서 유용하게 활용 가능함. 

==='''관련 기술의 현황'''===
===='''관련 기술의 현황 및 분석'''====
: 1) 관련 기술의 현황 및 분석 (State of Art)
: * SbD 관련 기술은 아직 상용화되지 않았기에, 독점적인 기술경쟁력을 가지고 산업에 활용될 수 있을 것으로 판단됨
:  유럽집행위원회 등 각국 기관 및 기업이 지속 가능성을 위해 SbD 프레임워크를 채택하고 있으며 많은 연구를 하고 있음.
:  연구 조사 결과, 유럽에서는 나노 물질의 안전을 확인하는 SbD를 주제로 많은 연구가 진행되었다는 것을 확인.
:  다음 표1에 나타난 유럽에서 진행된 SbD 프로젝트의 세부 정보를 살펴보았을 때, SbD 프로젝트는 아직 산업 및 규제 수준에서 활용되기 테스트 및 논의가 필요하고, 향후 진행될 연구를 바탕으로 2025년도에 SbD 물질에 대한 최종 기준을 발표할 예정이라 밝힘. 따라서 2025년도 이후에 본격적으로 상용화될 것으로 판단됨

:* 후드의 경우 일반 후드와 달리 세 방향에서 에어커튼을 형성하여 요리 시 발생하는 오염물질의 확산을 방지함(가스쿡탑용(가스레인지) 후드의 경우를 참고함).
:[[파일: 요리조리조후드.PNG]]
:[[파일:경동나비엔 “키친플러스”의 주방집중급기 특화 덕트.png]]

:*급기의 경우 주방 집중 급기를 위한 특화 덕트를 사용하여 에어커튼 형성 보조.
:*에어모니터 시스템에서 측정한 정보를 앱을 통하여 제공하여 확인과 제어 가능.

 

===='''특허조사'''====
:● 조리장 내 조리흄 유해방지 안전 시스템 (이석훈, 2023)
:[[파일: 그림3 특허 “조리장 내 조리흄 유해방지 안전 시스템”.png]]
:*후드와 배기덕트, 강제 배기용 송풍기, 흡기용 송풍기, 유해물질 검출센서로 구성.
:*유해물질 검출센서로부터 검출된 유해물질의 각 농도와 자체적으로 입력된 유해물질 각각의 기준치를 비교하며, 이 결과로 제어부에서 배기용 송풍기의 회전수를 제어.
:*조리실 내의 공기질이 향상되어 실내 공기질을 쾌적하게 조성하고, 조리사가 기준치 이상의 조리흄을 지속적으로 흡입하는 것을 방지하여 폐암과 같은 산업재해 예방이 가능함.
 

====관련 시장에 대한 분석====
:[[파일: 표1 경쟁제품비교.png]]
 

===경제성 분석===
====편익비용비(B/C ratio)====
[[파일:수식1 BCratio.png]]
*총편익과 총비용의 할인된 금액 비율.
*B/C ratio가 1보다 크거나 같으면 경제성이 있다고 판단.
 

====편익-비용 분류====
*안소은 외(2017)와 송한솔(2022)을 참고하여 편익비용 분류체계도 구성.
:[[파일:표2 편익비용분류체계도.png]]

====편익 (Benefit)====
:'''1. 직접비'''
:● 의료비용
:*건강보험심사평가원에서 제시한 2018년 비용에서 연평균 증가율을 대입하여 2023년 기준으로 산정한 값임.
:*외래진료비 : 420,000원/일·인 × 11 일 = 4,620,000 원/인
:*입원비 : 527,000원/일·인 × 33.2 일 = 17,500,000 원/인
:*약제비 : 5,355억 원 / 10만명 = 5,350,000 원/인
 

:● 비의료비용
:*삼성서울병원 암교육센터에서 제공하는 폐암 치료 기간과 횟수를 사용.
:*교통비(2023년 기준): 1,200원/회·인 × 2회/일 × 5일/주 × 6주 = 72,000원/인
:*간병비(㈜코드블라썸): 150,000 원/일·인 × 33.2일 = 4,980,000원/인
 

:● 대상자 수 산정
:*학교급식종사자 중 폐암 확진자에 대해 모든 항목 적용.
:*학교급식종사자 중 폐암 이상 소견을 보인 노동자에 대해 외래진료비와 교통비만 적용.

:[[파일:표3 대상자별 직접비 산정.png]]

:'''2. 편익(총 재해비용)'''
:*총 재해비용 산출 시 하인리히 방식(최윤정, 2022)을 채택.
:[[파일:수식2 총재해비용.png]]
:*직접비와 간접비를 합산해 총 재해비용 312,460,192,000 원 도출.
 

====비용(Cost)====
:● 기기 설치비용
:*후드 및 덕트 설치 비용의 경우 나라장터의 “오산초 외 1교 조리실 후드교체 및 기타시설 기계설비공사 (2018)” 입찰결과의 추정금액 10,323,500 원을 차용.
:*에어커튼 설치 비용의 경우 나라장터의 “2017년도 신설학교 급식기구 구매(에어커튼외)”를 차용, 6대 설치비용 2,015,000 원을 계산.
 

:● 연간 유지관리비
:*급식시설 1 개소 당 필터 교체를 포함한 유지관리비용 4,508,800 원 (송한솔, 2022)을 차용.
 

:● 전체 소요비용 계산
:*각 비용에 물가상승률 5.5% (통계청, 2022)을 적용하여 2023년 기준 금액으로 계산.
:[[파일:표4 급식시설 1 개소 당 소요비용.png]]
:* 급식시설 개수 11,976 개 (교육부, 2021)를 곱하여 총비용 254,959,183,752 원을 도출.
 

====경제성 분석 결과====
*총편익 312,460,192,000 원, 총비용 254,959,183,752 원을 이용해 B/C ratio 계산.
[[파일:BCratio.png]]
*B/C ratio가 1 이상이므로 경제성이 있다고 판단.
 

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
:● 조리실 내 공기질 개선
:*조리과정에서의 일산화탄소(CO)의 순간 발생량은 최대 295 ppm으로 산업안전보건법상 단시간노출기준 (200 ppm)를 초과 (이유진 외, 2019).
:*미세먼지(PM10)의 순간발생량 또한 마찬가지로 학교보건법상 실내공기질 유지기준을 초과 (이유진 외, 2019).
:*”요리조리“ 시스템의 도입으로 일산화탄소 및 미세먼지의 농도를 저감해 조리실 내 공기질 개선 가능.
 

:● 조리실 내 환기 시스템 개선
:*현재 조리사의 폐암 발병 원인으로 부실한 환기 시스템이 거론됨.
:*개선된 후드와 정화된 외부공기를 급기하는 시스템이 탑재된 “요리조리” 시스템의 도입으로 조리실 내 환기시설 개선 가능.
 

====사회적 파급효과====
:● 조리사의 폐암 발병률 감소
:*우리나라 조리실의 경우 조리흄이 조리사 폐암의 주요 원인으로 작용함 (이유진 외, 2019).
:*”요리조리“ 시스템의 도입으로 일산화탄소와 미세먼지 노출량을 저감해 조리사의 폐암 발병률 감소 가능.
 

===추진체계===
[[파일:표5 추진체계.png]]

=='''설계'''==
==='''설계사양'''===
====제품 요구사항====
:● 현 급식실의 문제점
:* 환기의 경우 캐노피 후드에 의한 국소배기, 창문과 출입문을 통한 자연 환기, 벽면 환풍기에 의한 전체환기가 이루어지고 있음.
:* 국소배기 시 캐노피 후드가 작업자의 머리 위에 위치하여 오염물질이 작업자의 호흡영역을 거쳐 배기됨.
:* 캐노피 후드의 개구면과 작업대 사이의 거리가 충분히 가깝지 않으며 후드 유량 및 흡인 속도가 적절하지 않음.
:* 공조시설을 이용한 급기시설은 없었으며 자연 환기의 경우 외기가 유입되면 후드의 방해기류로 작용하여 배기효율을 저하함.
:* 선풍기나 에어컨 등의 냉방기구 사용 시 후드의 방해기류로 작용.
 

:● 요구사항
:[[파일:Table6_제품요구사항.PNG]]
 

:● 목적계통도
:[[파일:설계목적계통도_요리조리조.PNG]]
 

:● QFD(Quality Function Deployment)
:* 실제 변수들과 제품요구사항 간 상관관계를 나타냄.
:[[파일:QFD_요리조리조.PNG]]
 

===개념설계안===
====학교 조리실 현황====

: '''1. 학교 조리실 기본 현황'''

:* 경남 지역 공립학교 중 10 개교의 조리실을 대상으로 실태를 조사하였음.
:*보통의 조리실 크기는 가로 16 m, 세로 11 m, 높이 2.9 m이며, 조리 공간은 전처리실과 조리실, 식기세척실로 이루어짐.
 

: '''2. 조리 시 발생하는 오염물질'''

:* 조리실 내에서의 조리 형태는 주로 삶기, 볶기, 굽기, 튀기기 등에 의해 이루어짐.
:* 전(계란말이, 스크램블, 삼겹살), 튀김과 같은 기름을 사용하는 요리에서 일산화탄소 발생량이 높았으며 일산화탄소 단시간노출기준 200 ppm을 초과하였음.
:* 미세먼지의 발생량은 수증기가 동반된 볶음요리나 삶기에서 높게 나타났으며, 순간농도 200 μg/m3을 초과하였음.
 

====조리실 내 환기의 흐름====

:* 출입문과 창문을 통한 자연 환기량은 없다고 가정함.
:* 요리조리 시스템에서의 배기는 후드(Q1)와 전체환기시스템의 배기장치(Q2)에 의함.
:* 전체환기시스템의 급기장치(Q)로 배기량만큼 급기.

:[[파일:요리조리Image6.png]]
 

====후드====
:'''1. 설계 대상 후드의 종류'''

:* 조리실의 후드는 작업대가 조리실 가운데에 위치하여 모든 면에서 작업할 수 있는 조리대의 후드(그림 7)와 작업대가 벽면에 부착되어 한 면에서 작업할 수 있는 작업대의 후드(그림 8)로 나뉨.
:* 전자의 경우를 후드 A로, 후자의 경우를 후드 B로 명명함.
:[[파일:요리조리Image7and8.png]]
 
 

:'''2. 에어커튼'''

:* 오염물질의 순간 발생량을 차단함으로써 작업자의 호흡 영역을 확보함과 동시에 외부 방해기류를 차단하여 후드의 포집 효율 향상.
:* 하향 급기 형식의 에어커튼을 후드 아랫단에 부착하여 사용.

:[[파일:요리조리Image9.png]]

:* 후드 A의 경우 네 면에 에어커튼 적용(그림 7).
:* 후드 B의 경우 후드 좌·우측에는 가림판을 설치하고 전면에만 에어커튼 적용(그림 8).
 
 

:'''3. 가림판'''

:* 후드 B의 양 측면에 부착하여 후드에 유입되는 방해기류 차단.
:* 에어커튼 설치 시 전력 소모가 크므로 가림판을 설치하여 소요되는 전력 절감.
:* 후드 B의 경우 한 면에서만 작업하므로 가림판을 설치하여도 작업에 방해되지 않음.
:* 재질은 후드와 동일한 스테인리스강을 사용.
 
 

====전체환기시스템====
:* 조리실 내 전반적인 공기질 개선을 위해 전체환기시스템을 도입.
:* 학교 조리실은 운동장이나 주차장과 인접한 경우가 많으므로 주변에서 발생하는 오염물질이 조리실 내부로 유입될 수 있음.
:* 미세먼지의 제거 효과가 뛰어난 헤파(HEPA) 필터 (권우택 외, 2017)를 사용하여 외부 공기 정화 후 급기 및 배기가스 정화.
:* 한국여과기공업협동조합(2016)에서 제시하는 헤파 셀플리트 필터의 사양 차용.
:[[파일:요리조리Table8.png]]
 
 

====소요동력====
:* 요리조리 시스템을 운영하는 데 필요한 소요동력은 후드와 에어커튼에 필요한 전력과 전체환기시스템 운영에 필요한 전력을 합하여 계산.
::[[파일:요리조리Func3.png]]
:* 송풍기의 수는 후드 하나당 한 개로 고정.
:* 기존 조리실과 비교하였을 때 에어커튼 장착 및 전체환기시스템 가동으로 인해 소요동력 또한 증가.
 

====조리실 설계도====
:* 일반적인 학교 내 조리실의 구조(이유진 외, 2019)를 차용.
 

::조리실 평면도
:[[파일:요리조리Image10.png]]
 

::조리실 입체도
:[[파일:요리조리Image11.png]]
 

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====조리실 내 환기유량 계산====
:[[파일:이론적_계산의_흐름도.PNG]]
 
:'''1. 실내 오염 발생량(M)'''
:*실내 오염 발생량은 수식 4에 의해 계산.
:[[파일:실내오염발생량_계산식.PNG]]
 
:● 후드의 규격
:*후드의 폭, 길이는 나라장터 종합쇼핑몰에서 ㈜우일이앤지, ㈜화신테크이엔지의 후드 규격을 차용.
:*설계에 사용한 네 면이 개방된 후드 A는 ㈜화신테크이엔지, 한 면만 개방된 후드 B는 ㈜우일이앤지의 후드 규격을 차용.
:[[파일:후드흡입량계산에사용한후드의규격.PNG]]
 
:● 기존 후드의 흡입량
:[[파일:후드별_규격.PNG]]
:*상부형 후드의 흡입량은 수식 5에 의해 계산됨.
:[[파일:후드의_흡입량.PNG]]

:* 후드의 둘레(P)는 후드의 깊이(a)와 후드의 폭(b)을 더한 값을 두배하여 계산.
:* 조리실 내 후드의 흡입 속도(V)는 0.5 m/s로 측정됨 (이유진 외, 2019).
:* 작업대와 후드의 개구면 이격거리(D)는 약 1.2 m로 나타남 (이유진 외, 2019).
:* 수식 4를 이용, 기존 후드의 흡입량을 계산하여 아래 표에 나타냄.
:[[파일:후드의흡입량_표.PNG]]
 

:● 실내 오염 발생량(M) 계산
:* 조리 시 순간적으로 발생하는 일산화탄소(CO)와 미세먼지(PM10)의 농도는 이유진 외(2019)의 측정결과를 차용.
:* 오염물질 순간발생량의 최댓값과 기존 후드의 흡입량을 곱한 값을 더해 실내 오염 발생량을 계산 (아래 표).
:[[파일:후드별오염물질에따른실내오염발생량.PNG]]
 

:'''2. 개선된 후드의 흡입량(Q1)'''
:* 수식 6을 이용하여 개선된 후드의 흡입량을 계산.
:* 계산 시 사용한 오염물질별 단시간노출기준을 표에 나타냄.
:[[파일:개선된_후드의_흡입량_계산식.PNG]]
:[[파일:오염물질별_단시간노출기준.PNG]]
 
:* 각 오염물질별로 유량을 계산한 후 최댓값을 채택하여 최종적인 후드의 흡입량으로 선정 (아래 표).
:* 개선된 후드의 흡입량(Q1)은 후드 A의 경우 18.78 m3/s, 후드 B의 경우 27.38 m3/s임.
:* 기존 후드보다 개선된 후드의 흡입량이 후드 A와 후드 B에서 모두 366% 증가함.
:* 기존 후드의 흡입량인 4.03 m3/s(후드 A)와 5.88 m3/s(후드 B)에 비해 많은 유량이 요구됨.
:[[파일:후드별오염물질에따른개선된후드의흡입량.PNG]]
 

:'''3. 전체 급기량(Q)'''
:[[파일:필요급기량_산정식.PNG]]
:* 수식 7에 따라 목표 공기질을 유지하기 위한 전체 급기량(Q) 산정 후 최댓값을 채택.
:* 초기농도 Co는 정화된 급기를 사용하므로 0으로 계산.
:* 일산화탄소(CO)의 경우 실내공기질관리법 시행규칙 [별표 2]에 따라 10 ppm, 미세먼지(PM10)의 경우 학교보건법 시행규칙 [별표 4의2]에 따라 75 μg/m3을 기준농도로 사용.
:* 전체환기량은 292.80 m3/s임.
:[[파일:설계에사용한_오염물질별기준농도.PNG]]
 

:'''4. 전체환기시스템 배기유량(Q2)'''
:[[파일:환기량간관계식.PNG]]
:* 수식 8에 따라 전체 급기량(Q)에서 개선된 후드 흡입량(Q1)의 합계를 제하여 전체환기시스템의 배기유량(Q2) 산정.
:* 개선된 후드 A, B의 흡입량(Q1) 합계는 46.16 m3/s임.
:* 전체급기량(Q)이 292.80 m3/s이므로 전체환기시스템의 배기유량(Q2)은 246.64 m3/s임.
 

====에어커튼 및 가림판====
:● 에어커튼 규격
:* 사용하는 에어커튼은 하향 급기 형식이며 모두 동일한 규격의 에어커튼을 사용.
:* 에어커튼의 폭은 범용적인 것을 기준으로 하여 20 mm으로 적용.
 

:● 에어커튼 유속
:* 성순경(2014)에서 유추한 공동주택의 조리실 내 후드에 장착된 에어커튼의 토출속도는 2.1 m/s이며, 이를 차용.
 

:● 가림판 규격
:* 작업영역을 방해하지 않도록 삼각형 모양으로 제작.
:* 폭은 후드의 깊이와 동일하고 높이는 후드의 개구면부터 작업대의 상부까지의 길이와 동일.

::[[파일:가림판_규격.PNG]]
 

====요리조리 시스템의 운영====
:[[파일:요리조리시스템의운영도.PNG]]
 
* 조리 시 조리흄이 발생하면 후드 안의 농도 감지 센서에서 농도를 측정하고 벽면에 설치된 패널에 값이 나타남.
* 측정값이 존재하면 에어커튼과 후드가 작동.
* 위에서 계산한 논리에 따라 오염물질 농도를 반영한 후드의 필요 흡입량(Q1)을 산정.
* 계산된 전체 급기량(Q) 만큼을 벽면 송풍기로 급기.
* 계산된 전체환기시스템의 배기유량(Q2) 만큼을 벽면 송풍기로 배기.
* 유량 제어를 위해 송풍기 상사법칙에 따라 후드와 전체환기시스템 내 송풍기의 회전수 제어.
:[[파일:송풍기_상사법칙.PNG]]
 

===조립도===
*시연할 후드의 전반적인 모습.
*실제 설계사양의 1/10배 규격으로 제작.
[[파일:그림17_요리조리.png]]
 
*오염물질 농도 값을 입력하면 벽면의 패널(5)에 값이 나타남.
*입력된 농도 값을 반영하여 필요한 후드 유량을 계산하고 이를 토대로 송풍기(1)의 회전수를 조정하여 후드 가동.
*후드 가동 시 필터(2)를 거쳐 유증기 흡인.
*가림판(3)과 에어커튼(4)에서 방해기류를 차단하고 후드의 배기 효과를 높임.

 
===부품도===
====후드 요소====
[[파일:그림18192021_요리조리.png]]
 

====에어커튼====
[[파일:그림22_요리조리.png]]
 
===제어부 및 회로설계===
====후드 송풍기와 농도 표시 패널의 아두이노 회로도====
[[파일:그림23_요리조리.png]]
 
====에어커튼의 아두이노 회로도====
[[파일:그림24_요리조리.png]]
*위 회로도를 송풍기 3개에 적용하여 에어커튼 구성.
 
===소프트웨어 설계===
====후드 송풍기와 농도 표시 패널(LCD 패널)의 아두이노 코드====
[[파일:그림25_요리조리.png]]
 
====에어커튼의 아두이노 코드====
[[파일:그림26_2_요리조리.png]]
 

===자재소요서===
[[파일:표16_2_요리조리.png]]

=='''결과 및 평가'''==
=== 완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진====

:[[파일:요리조리Image27.png]]
 

====포스터====
:[[파일:요리조리Image28.png]]
 

====개발사업비 내역서====

::::::::::::::::::::::::::::::(단위: 원)
:[[파일:요리조리Table18_2.png]]

 

===완료작품의 평가===
:[[파일:표18 2 요리조리.png]]

 
 

===향후계획===
*본 설계에서 제거 대상 물질로 선정한 일산화탄소(CO)와 미세먼지(PM10) 외에 기름 연기(oil smoke)와 악취를 대상으로 연구 진행. 
*전체환기시스템을 통해 유입되는 공기가 조리실 내부에서 순환된 후 유출되도록 시스템 설계. 
*본 설계에서는 조리대가 2개인 조리실을 설계하였으나 더 많은 조리대를 사용하는 조리실도 있기 때문에 더 큰 규모의 조리실을 대상으로 설계. 
 

==='''참고문헌'''===
교육부. (2021). 2021학년도 학교급식 실시현황. 
권명희 외. (2013). 주거환경 중 주방에서 발생되는 실내 오염물질 관리방안 연구; 조리과정에서 발생되는 오염물질을 중심으로. 국립환경과학원. 
권우택 외. (2017). 유해오염물질 처리를 위한 흡연부스의 설계. 한국화재소방학회 논문지, 31(6), 107-111. 
산업안전보건법 시행규칙 [별표19]. 국가법령정보센터. 
성순경. (2014). 에어커튼형 주방 레인지후드의 배기 특성. 설비공학논문집 26.12: 594-599. 
성순경. (2015). 에어커튼형 레인지후드의 슬롯 토출 각도 변화와 배기 효율. 설비공학논문집 27.9: 468-474. 
송한솔. (2022). 학교교실 실내공기질 향상을 위한 건강영향 비용-효과 Model 개발에 관한 연구. 금오공과대학교 대학원. 국내석사학위논문. 
신은상 외. (2001). 산업환기기술: 국소배기를 중심으로. 서울: 동화기술. 
안소은 외. (2017). "빅데이터를 이용한 대기오염의 건강영향 평가 및 피해비용 추정(Ⅲ)." 사업보고서 2017. 한국환경정책평가연구원. 
이석훈. (2023). 조리장 내 조리흄 유해방지 안전 시스템. 특허 출원번호 10-2022-0093677. 출원일 2022년 7월 28일. 등록일 2023년 1월 10일. 
이유진 외. (2019). 조리 시 발생하는 공기 중 유해물질과 호흡기 건강영향; 학교 급식 종사자를 중심으로. 한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원. 
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통계청. (2022). 「소비자물가조사」 
하현철. (2021). 학교 조리실 환기장치 실태조사 및 표준 환기방안 마련 연구. 한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원. 
한국여과기공업협동조합. (2016). 공조용 에어필터; SPS KFIC 0004. 
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LV, Lipeng, et al (2021). The application of an air curtain range hood in reducing human exposure to cooking pollutants. Building and Environment. 205: 108204. 
나라장터 종합쇼핑몰. 상업용주방후드, 우일이앤지, WOW-2000ST, 이중박스형/필터/방습등, 2000×1500×600mm 
나라장터 종합쇼핑몰. 상업용주방후드, 화신테크이엔지, HSHS1212, 박스형, 1200×1200×600mm 
나라장터. 입찰공고번호 20161134052-00. 2017년도 신설학교 급식기구 구매(에어커튼외) 
나라장터. 입찰공고번호 20180632780–00. 오산초 외 1교 조리실 후드교체 및 기타시설 기계설비공사. 
건강보험심사평가원. <https://www.hira.or.kr/bbsDummy.do?pgmid=HIRAA020041000100&brdScnBltNo=4&brdBltNo=9936> 
경동나비엔, “키친플러스” <https://www.kdnavien.co.kr/product/detail/3207?pdLgMuSeq=881&pdSmMuSeq=883> 
삼성서울병원 암교육센터.
<http://www.samsunghospital.com/dept/medical/checkupSub02View.do?content_id=1273&cPage=2&DP_CODE=CIC&MENU_ID=004027018&ds_code=D0003490&main_content_id=1776> 
서지영, 선예랑. 확인된 ‘조리흄’ 위협…급식조리실 등장한 필터마스크. 국민일보. 2023.03.19. <https://news.kmib.co.kr/article/view.asp?arcid=0018067031&code=61121411&cp=nv> 
㈜코드블라썸. <https://www.careday.me/>

AlChem

2023-06-16T02:33:15Z

2023adenv1: 새 문서: <div>__TOC__</div> =='''프로젝트 개요'''== === 기술개발 과제 === ''' 국문 : ''' 조리사의 폐암 발병률 저하를 위한 조리실 내 조리흄 저감 시스템...

<div>__TOC__</div>

=='''프로젝트 개요'''==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 조리사의 폐암 발병률 저하를 위한 조리실 내 조리흄 저감 시스템 설계 
''' 영문 : ''' Design of Cooking Fume Reduction System in the Kitchen to Reduce the Morbidity of Lung Cancer of Cooks

===과제 팀명===
요리조리

===지도교수===
박승부 교수님

===개발기간===
2023년 3월 ~ 2023년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 201989**** 임**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 201989**** 류**

서울시립대학교 환경공학부 201989**** 박**

=='''서론'''==
==='''개발 과제의 개요'''===
===='''개발 과제 요약'''====
* 조리사의 폐암 발병률 저하를 위한 조리실 내 조리흄 저감 시스템 설계.
 

===='''개발 과제의 배경 및 효과'''====

*2021년 2월 폐암으로 사망한 급식노동자의 조리흄 장기 노출로 인한 산재 인정.
*조리흄이란 기름을 사용한 요리 시 배출되는 물질로, 미세입자, 이산화탄소, 일산화탄소, 다환방향족탄화수소(PAHs), 벤젠, 알데하이드류 등의 발암물질로 구성.
*세계보건기구(WHO) 산하 국제암연구소(IARC)에 따라 조리흄은 Group 2A(인체 발암 추정물질)로 분류.
*교육부 조사 결과 2만 4,065명의 학교 급식종사자 중 폐암 의심 소견은 139명(0.58%)이었으며 이 중 31명이 폐암 확진 판정됨.
*이에 따라 조리사에 대한 조리흄 노출을 저감하는 시스템의 고안 필요.
 

===='''개발 과제의 목표 및 내용'''====

* 일시적으로 고농도에 노출될 수 있는 위험요소를 파악하여 이를 방지하기 위한 시스템 도입과 조리실의 공기질을 학교보건법에서 제시하는 실내공기질 유지기준을 만족하도록 조리실 내 요소들을 설계.
 

==='''관련 기술의 현황'''===
===='''국내 기술 현황'''====
:● 경동나비엔 “키친플러스”
:*가정 내 주방용 청정환기시스템(본체)과 3D 에어후드, 덕트를 ;연동하여 실내 전체 공기질을 관리.
:*후드의 경우 일반 후드와 달리 세 방향에서 에어커튼을 형성하여 요리 시 발생하는 오염물질의 확산을 방지함(가스쿡탑용(가스레인지) 후드의 경우를 참고함).
:[[파일: 요리조리조후드.PNG]]
:[[파일:경동나비엔 “키친플러스”의 주방집중급기 특화 덕트.png]]

:*급기의 경우 주방 집중 급기를 위한 특화 덕트를 사용하여 에어커튼 형성 보조.
:*에어모니터 시스템에서 측정한 정보를 앱을 통하여 제공하여 확인과 제어 가능.

 

===='''특허조사'''====
:● 조리장 내 조리흄 유해방지 안전 시스템 (이석훈, 2023)
:[[파일: 그림3 특허 “조리장 내 조리흄 유해방지 안전 시스템”.png]]
:*후드와 배기덕트, 강제 배기용 송풍기, 흡기용 송풍기, 유해물질 검출센서로 구성.
:*유해물질 검출센서로부터 검출된 유해물질의 각 농도와 자체적으로 입력된 유해물질 각각의 기준치를 비교하며, 이 결과로 제어부에서 배기용 송풍기의 회전수를 제어.
:*조리실 내의 공기질이 향상되어 실내 공기질을 쾌적하게 조성하고, 조리사가 기준치 이상의 조리흄을 지속적으로 흡입하는 것을 방지하여 폐암과 같은 산업재해 예방이 가능함.
 

====관련 시장에 대한 분석====
:[[파일: 표1 경쟁제품비교.png]]
 

===경제성 분석===
====편익비용비(B/C ratio)====
[[파일:수식1 BCratio.png]]
*총편익과 총비용의 할인된 금액 비율.
*B/C ratio가 1보다 크거나 같으면 경제성이 있다고 판단.
 

====편익-비용 분류====
*안소은 외(2017)와 송한솔(2022)을 참고하여 편익비용 분류체계도 구성.
:[[파일:표2 편익비용분류체계도.png]]

====편익 (Benefit)====
:'''1. 직접비'''
:● 의료비용
:*건강보험심사평가원에서 제시한 2018년 비용에서 연평균 증가율을 대입하여 2023년 기준으로 산정한 값임.
:*외래진료비 : 420,000원/일·인 × 11 일 = 4,620,000 원/인
:*입원비 : 527,000원/일·인 × 33.2 일 = 17,500,000 원/인
:*약제비 : 5,355억 원 / 10만명 = 5,350,000 원/인
 

:● 비의료비용
:*삼성서울병원 암교육센터에서 제공하는 폐암 치료 기간과 횟수를 사용.
:*교통비(2023년 기준): 1,200원/회·인 × 2회/일 × 5일/주 × 6주 = 72,000원/인
:*간병비(㈜코드블라썸): 150,000 원/일·인 × 33.2일 = 4,980,000원/인
 

:● 대상자 수 산정
:*학교급식종사자 중 폐암 확진자에 대해 모든 항목 적용.
:*학교급식종사자 중 폐암 이상 소견을 보인 노동자에 대해 외래진료비와 교통비만 적용.

:[[파일:표3 대상자별 직접비 산정.png]]

:'''2. 편익(총 재해비용)'''
:*총 재해비용 산출 시 하인리히 방식(최윤정, 2022)을 채택.
:[[파일:수식2 총재해비용.png]]
:*직접비와 간접비를 합산해 총 재해비용 312,460,192,000 원 도출.
 

====비용(Cost)====
:● 기기 설치비용
:*후드 및 덕트 설치 비용의 경우 나라장터의 “오산초 외 1교 조리실 후드교체 및 기타시설 기계설비공사 (2018)” 입찰결과의 추정금액 10,323,500 원을 차용.
:*에어커튼 설치 비용의 경우 나라장터의 “2017년도 신설학교 급식기구 구매(에어커튼외)”를 차용, 6대 설치비용 2,015,000 원을 계산.
 

:● 연간 유지관리비
:*급식시설 1 개소 당 필터 교체를 포함한 유지관리비용 4,508,800 원 (송한솔, 2022)을 차용.
 

:● 전체 소요비용 계산
:*각 비용에 물가상승률 5.5% (통계청, 2022)을 적용하여 2023년 기준 금액으로 계산.
:[[파일:표4 급식시설 1 개소 당 소요비용.png]]
:* 급식시설 개수 11,976 개 (교육부, 2021)를 곱하여 총비용 254,959,183,752 원을 도출.
 

====경제성 분석 결과====
*총편익 312,460,192,000 원, 총비용 254,959,183,752 원을 이용해 B/C ratio 계산.
[[파일:BCratio.png]]
*B/C ratio가 1 이상이므로 경제성이 있다고 판단.
 

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
:● 조리실 내 공기질 개선
:*조리과정에서의 일산화탄소(CO)의 순간 발생량은 최대 295 ppm으로 산업안전보건법상 단시간노출기준 (200 ppm)를 초과 (이유진 외, 2019).
:*미세먼지(PM10)의 순간발생량 또한 마찬가지로 학교보건법상 실내공기질 유지기준을 초과 (이유진 외, 2019).
:*”요리조리“ 시스템의 도입으로 일산화탄소 및 미세먼지의 농도를 저감해 조리실 내 공기질 개선 가능.
 

:● 조리실 내 환기 시스템 개선
:*현재 조리사의 폐암 발병 원인으로 부실한 환기 시스템이 거론됨.
:*개선된 후드와 정화된 외부공기를 급기하는 시스템이 탑재된 “요리조리” 시스템의 도입으로 조리실 내 환기시설 개선 가능.
 

====사회적 파급효과====
:● 조리사의 폐암 발병률 감소
:*우리나라 조리실의 경우 조리흄이 조리사 폐암의 주요 원인으로 작용함 (이유진 외, 2019).
:*”요리조리“ 시스템의 도입으로 일산화탄소와 미세먼지 노출량을 저감해 조리사의 폐암 발병률 감소 가능.
 

===추진체계===
[[파일:표5 추진체계.png]]

=='''설계'''==
==='''설계사양'''===
====제품 요구사항====
:● 현 급식실의 문제점
:* 환기의 경우 캐노피 후드에 의한 국소배기, 창문과 출입문을 통한 자연 환기, 벽면 환풍기에 의한 전체환기가 이루어지고 있음.
:* 국소배기 시 캐노피 후드가 작업자의 머리 위에 위치하여 오염물질이 작업자의 호흡영역을 거쳐 배기됨.
:* 캐노피 후드의 개구면과 작업대 사이의 거리가 충분히 가깝지 않으며 후드 유량 및 흡인 속도가 적절하지 않음.
:* 공조시설을 이용한 급기시설은 없었으며 자연 환기의 경우 외기가 유입되면 후드의 방해기류로 작용하여 배기효율을 저하함.
:* 선풍기나 에어컨 등의 냉방기구 사용 시 후드의 방해기류로 작용.
 

:● 요구사항
:[[파일:Table6_제품요구사항.PNG]]
 

:● 목적계통도
:[[파일:설계목적계통도_요리조리조.PNG]]
 

:● QFD(Quality Function Deployment)
:* 실제 변수들과 제품요구사항 간 상관관계를 나타냄.
:[[파일:QFD_요리조리조.PNG]]
 

===개념설계안===
====학교 조리실 현황====

: '''1. 학교 조리실 기본 현황'''

:* 경남 지역 공립학교 중 10 개교의 조리실을 대상으로 실태를 조사하였음.
:*보통의 조리실 크기는 가로 16 m, 세로 11 m, 높이 2.9 m이며, 조리 공간은 전처리실과 조리실, 식기세척실로 이루어짐.
 

: '''2. 조리 시 발생하는 오염물질'''

:* 조리실 내에서의 조리 형태는 주로 삶기, 볶기, 굽기, 튀기기 등에 의해 이루어짐.
:* 전(계란말이, 스크램블, 삼겹살), 튀김과 같은 기름을 사용하는 요리에서 일산화탄소 발생량이 높았으며 일산화탄소 단시간노출기준 200 ppm을 초과하였음.
:* 미세먼지의 발생량은 수증기가 동반된 볶음요리나 삶기에서 높게 나타났으며, 순간농도 200 μg/m3을 초과하였음.
 

====조리실 내 환기의 흐름====

:* 출입문과 창문을 통한 자연 환기량은 없다고 가정함.
:* 요리조리 시스템에서의 배기는 후드(Q1)와 전체환기시스템의 배기장치(Q2)에 의함.
:* 전체환기시스템의 급기장치(Q)로 배기량만큼 급기.

:[[파일:요리조리Image6.png]]
 

====후드====
:'''1. 설계 대상 후드의 종류'''

:* 조리실의 후드는 작업대가 조리실 가운데에 위치하여 모든 면에서 작업할 수 있는 조리대의 후드(그림 7)와 작업대가 벽면에 부착되어 한 면에서 작업할 수 있는 작업대의 후드(그림 8)로 나뉨.
:* 전자의 경우를 후드 A로, 후자의 경우를 후드 B로 명명함.
:[[파일:요리조리Image7and8.png]]
 
 

:'''2. 에어커튼'''

:* 오염물질의 순간 발생량을 차단함으로써 작업자의 호흡 영역을 확보함과 동시에 외부 방해기류를 차단하여 후드의 포집 효율 향상.
:* 하향 급기 형식의 에어커튼을 후드 아랫단에 부착하여 사용.

:[[파일:요리조리Image9.png]]

:* 후드 A의 경우 네 면에 에어커튼 적용(그림 7).
:* 후드 B의 경우 후드 좌·우측에는 가림판을 설치하고 전면에만 에어커튼 적용(그림 8).
 
 

:'''3. 가림판'''

:* 후드 B의 양 측면에 부착하여 후드에 유입되는 방해기류 차단.
:* 에어커튼 설치 시 전력 소모가 크므로 가림판을 설치하여 소요되는 전력 절감.
:* 후드 B의 경우 한 면에서만 작업하므로 가림판을 설치하여도 작업에 방해되지 않음.
:* 재질은 후드와 동일한 스테인리스강을 사용.
 
 

====전체환기시스템====
:* 조리실 내 전반적인 공기질 개선을 위해 전체환기시스템을 도입.
:* 학교 조리실은 운동장이나 주차장과 인접한 경우가 많으므로 주변에서 발생하는 오염물질이 조리실 내부로 유입될 수 있음.
:* 미세먼지의 제거 효과가 뛰어난 헤파(HEPA) 필터 (권우택 외, 2017)를 사용하여 외부 공기 정화 후 급기 및 배기가스 정화.
:* 한국여과기공업협동조합(2016)에서 제시하는 헤파 셀플리트 필터의 사양 차용.
:[[파일:요리조리Table8.png]]
 
 

====소요동력====
:* 요리조리 시스템을 운영하는 데 필요한 소요동력은 후드와 에어커튼에 필요한 전력과 전체환기시스템 운영에 필요한 전력을 합하여 계산.
::[[파일:요리조리Func3.png]]
:* 송풍기의 수는 후드 하나당 한 개로 고정.
:* 기존 조리실과 비교하였을 때 에어커튼 장착 및 전체환기시스템 가동으로 인해 소요동력 또한 증가.
 

====조리실 설계도====
:* 일반적인 학교 내 조리실의 구조(이유진 외, 2019)를 차용.
 

::조리실 평면도
:[[파일:요리조리Image10.png]]
 

::조리실 입체도
:[[파일:요리조리Image11.png]]
 

===이론적 계산 및 시뮬레이션===
====조리실 내 환기유량 계산====
:[[파일:이론적_계산의_흐름도.PNG]]
 
:'''1. 실내 오염 발생량(M)'''
:*실내 오염 발생량은 수식 4에 의해 계산.
:[[파일:실내오염발생량_계산식.PNG]]
 
:● 후드의 규격
:*후드의 폭, 길이는 나라장터 종합쇼핑몰에서 ㈜우일이앤지, ㈜화신테크이엔지의 후드 규격을 차용.
:*설계에 사용한 네 면이 개방된 후드 A는 ㈜화신테크이엔지, 한 면만 개방된 후드 B는 ㈜우일이앤지의 후드 규격을 차용.
:[[파일:후드흡입량계산에사용한후드의규격.PNG]]
 
:● 기존 후드의 흡입량
:[[파일:후드별_규격.PNG]]
:*상부형 후드의 흡입량은 수식 5에 의해 계산됨.
:[[파일:후드의_흡입량.PNG]]

:* 후드의 둘레(P)는 후드의 깊이(a)와 후드의 폭(b)을 더한 값을 두배하여 계산.
:* 조리실 내 후드의 흡입 속도(V)는 0.5 m/s로 측정됨 (이유진 외, 2019).
:* 작업대와 후드의 개구면 이격거리(D)는 약 1.2 m로 나타남 (이유진 외, 2019).
:* 수식 4를 이용, 기존 후드의 흡입량을 계산하여 아래 표에 나타냄.
:[[파일:후드의흡입량_표.PNG]]
 

:● 실내 오염 발생량(M) 계산
:* 조리 시 순간적으로 발생하는 일산화탄소(CO)와 미세먼지(PM10)의 농도는 이유진 외(2019)의 측정결과를 차용.
:* 오염물질 순간발생량의 최댓값과 기존 후드의 흡입량을 곱한 값을 더해 실내 오염 발생량을 계산 (아래 표).
:[[파일:후드별오염물질에따른실내오염발생량.PNG]]
 

:'''2. 개선된 후드의 흡입량(Q1)'''
:* 수식 6을 이용하여 개선된 후드의 흡입량을 계산.
:* 계산 시 사용한 오염물질별 단시간노출기준을 표에 나타냄.
:[[파일:개선된_후드의_흡입량_계산식.PNG]]
:[[파일:오염물질별_단시간노출기준.PNG]]
 
:* 각 오염물질별로 유량을 계산한 후 최댓값을 채택하여 최종적인 후드의 흡입량으로 선정 (아래 표).
:* 개선된 후드의 흡입량(Q1)은 후드 A의 경우 18.78 m3/s, 후드 B의 경우 27.38 m3/s임.
:* 기존 후드보다 개선된 후드의 흡입량이 후드 A와 후드 B에서 모두 366% 증가함.
:* 기존 후드의 흡입량인 4.03 m3/s(후드 A)와 5.88 m3/s(후드 B)에 비해 많은 유량이 요구됨.
:[[파일:후드별오염물질에따른개선된후드의흡입량.PNG]]
 

:'''3. 전체 급기량(Q)'''
:[[파일:필요급기량_산정식.PNG]]
:* 수식 7에 따라 목표 공기질을 유지하기 위한 전체 급기량(Q) 산정 후 최댓값을 채택.
:* 초기농도 Co는 정화된 급기를 사용하므로 0으로 계산.
:* 일산화탄소(CO)의 경우 실내공기질관리법 시행규칙 [별표 2]에 따라 10 ppm, 미세먼지(PM10)의 경우 학교보건법 시행규칙 [별표 4의2]에 따라 75 μg/m3을 기준농도로 사용.
:* 전체환기량은 292.80 m3/s임.
:[[파일:설계에사용한_오염물질별기준농도.PNG]]
 

:'''4. 전체환기시스템 배기유량(Q2)'''
:[[파일:환기량간관계식.PNG]]
:* 수식 8에 따라 전체 급기량(Q)에서 개선된 후드 흡입량(Q1)의 합계를 제하여 전체환기시스템의 배기유량(Q2) 산정.
:* 개선된 후드 A, B의 흡입량(Q1) 합계는 46.16 m3/s임.
:* 전체급기량(Q)이 292.80 m3/s이므로 전체환기시스템의 배기유량(Q2)은 246.64 m3/s임.
 

====에어커튼 및 가림판====
:● 에어커튼 규격
:* 사용하는 에어커튼은 하향 급기 형식이며 모두 동일한 규격의 에어커튼을 사용.
:* 에어커튼의 폭은 범용적인 것을 기준으로 하여 20 mm으로 적용.
 

:● 에어커튼 유속
:* 성순경(2014)에서 유추한 공동주택의 조리실 내 후드에 장착된 에어커튼의 토출속도는 2.1 m/s이며, 이를 차용.
 

:● 가림판 규격
:* 작업영역을 방해하지 않도록 삼각형 모양으로 제작.
:* 폭은 후드의 깊이와 동일하고 높이는 후드의 개구면부터 작업대의 상부까지의 길이와 동일.

::[[파일:가림판_규격.PNG]]
 

====요리조리 시스템의 운영====
:[[파일:요리조리시스템의운영도.PNG]]
 
* 조리 시 조리흄이 발생하면 후드 안의 농도 감지 센서에서 농도를 측정하고 벽면에 설치된 패널에 값이 나타남.
* 측정값이 존재하면 에어커튼과 후드가 작동.
* 위에서 계산한 논리에 따라 오염물질 농도를 반영한 후드의 필요 흡입량(Q1)을 산정.
* 계산된 전체 급기량(Q) 만큼을 벽면 송풍기로 급기.
* 계산된 전체환기시스템의 배기유량(Q2) 만큼을 벽면 송풍기로 배기.
* 유량 제어를 위해 송풍기 상사법칙에 따라 후드와 전체환기시스템 내 송풍기의 회전수 제어.
:[[파일:송풍기_상사법칙.PNG]]
 

===조립도===
*시연할 후드의 전반적인 모습.
*실제 설계사양의 1/10배 규격으로 제작.
[[파일:그림17_요리조리.png]]
 
*오염물질 농도 값을 입력하면 벽면의 패널(5)에 값이 나타남.
*입력된 농도 값을 반영하여 필요한 후드 유량을 계산하고 이를 토대로 송풍기(1)의 회전수를 조정하여 후드 가동.
*후드 가동 시 필터(2)를 거쳐 유증기 흡인.
*가림판(3)과 에어커튼(4)에서 방해기류를 차단하고 후드의 배기 효과를 높임.

 
===부품도===
====후드 요소====
[[파일:그림18192021_요리조리.png]]
 

====에어커튼====
[[파일:그림22_요리조리.png]]
 
===제어부 및 회로설계===
====후드 송풍기와 농도 표시 패널의 아두이노 회로도====
[[파일:그림23_요리조리.png]]
 
====에어커튼의 아두이노 회로도====
[[파일:그림24_요리조리.png]]
*위 회로도를 송풍기 3개에 적용하여 에어커튼 구성.
 
===소프트웨어 설계===
====후드 송풍기와 농도 표시 패널(LCD 패널)의 아두이노 코드====
[[파일:그림25_요리조리.png]]
 
====에어커튼의 아두이노 코드====
[[파일:그림26_2_요리조리.png]]
 

===자재소요서===
[[파일:표16_2_요리조리.png]]

=='''결과 및 평가'''==
=== 완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진====

:[[파일:요리조리Image27.png]]
 

====포스터====
:[[파일:요리조리Image28.png]]
 

====개발사업비 내역서====

::::::::::::::::::::::::::::::(단위: 원)
:[[파일:요리조리Table18_2.png]]

 

===완료작품의 평가===
:[[파일:표18 2 요리조리.png]]

 
 

===향후계획===
*본 설계에서 제거 대상 물질로 선정한 일산화탄소(CO)와 미세먼지(PM10) 외에 기름 연기(oil smoke)와 악취를 대상으로 연구 진행. 
*전체환기시스템을 통해 유입되는 공기가 조리실 내부에서 순환된 후 유출되도록 시스템 설계. 
*본 설계에서는 조리대가 2개인 조리실을 설계하였으나 더 많은 조리대를 사용하는 조리실도 있기 때문에 더 큰 규모의 조리실을 대상으로 설계. 
 

==='''참고문헌'''===
교육부. (2021). 2021학년도 학교급식 실시현황. 
권명희 외. (2013). 주거환경 중 주방에서 발생되는 실내 오염물질 관리방안 연구; 조리과정에서 발생되는 오염물질을 중심으로. 국립환경과학원. 
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산업안전보건법 시행규칙 [별표19]. 국가법령정보센터. 
성순경. (2014). 에어커튼형 주방 레인지후드의 배기 특성. 설비공학논문집 26.12: 594-599. 
성순경. (2015). 에어커튼형 레인지후드의 슬롯 토출 각도 변화와 배기 효율. 설비공학논문집 27.9: 468-474. 
송한솔. (2022). 학교교실 실내공기질 향상을 위한 건강영향 비용-효과 Model 개발에 관한 연구. 금오공과대학교 대학원. 국내석사학위논문. 
신은상 외. (2001). 산업환기기술: 국소배기를 중심으로. 서울: 동화기술. 
안소은 외. (2017). "빅데이터를 이용한 대기오염의 건강영향 평가 및 피해비용 추정(Ⅲ)." 사업보고서 2017. 한국환경정책평가연구원. 
이석훈. (2023). 조리장 내 조리흄 유해방지 안전 시스템. 특허 출원번호 10-2022-0093677. 출원일 2022년 7월 28일. 등록일 2023년 1월 10일. 
이유진 외. (2019). 조리 시 발생하는 공기 중 유해물질과 호흡기 건강영향; 학교 급식 종사자를 중심으로. 한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원. 
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하현철. (2021). 학교 조리실 환기장치 실태조사 및 표준 환기방안 마련 연구. 한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원. 
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LV, Lipeng, et al (2021). The application of an air curtain range hood in reducing human exposure to cooking pollutants. Building and Environment. 205: 108204. 
나라장터 종합쇼핑몰. 상업용주방후드, 우일이앤지, WOW-2000ST, 이중박스형/필터/방습등, 2000×1500×600mm 
나라장터 종합쇼핑몰. 상업용주방후드, 화신테크이엔지, HSHS1212, 박스형, 1200×1200×600mm 
나라장터. 입찰공고번호 20161134052-00. 2017년도 신설학교 급식기구 구매(에어커튼외) 
나라장터. 입찰공고번호 20180632780–00. 오산초 외 1교 조리실 후드교체 및 기타시설 기계설비공사. 
건강보험심사평가원. <https://www.hira.or.kr/bbsDummy.do?pgmid=HIRAA020041000100&brdScnBltNo=4&brdBltNo=9936> 
경동나비엔, “키친플러스” <https://www.kdnavien.co.kr/product/detail/3207?pdLgMuSeq=881&pdSmMuSeq=883> 
삼성서울병원 암교육센터.
<http://www.samsunghospital.com/dept/medical/checkupSub02View.do?content_id=1273&cPage=2&DP_CODE=CIC&MENU_ID=004027018&ds_code=D0003490&main_content_id=1776> 
서지영, 선예랑. 확인된 ‘조리흄’ 위협…급식조리실 등장한 필터마스크. 국민일보. 2023.03.19. <https://news.kmib.co.kr/article/view.asp?arcid=0018067031&code=61121411&cp=nv> 
㈜코드블라썸. <https://www.careday.me/>

1조 고깃집살려조

2023-06-16T02:16:52Z

2023adenv1: /* 과제 팀명 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 빅데이터 및 예측 모델기반 유해 화학물질 대체제 발굴

''' 영문 : ''' Discover alternatives to hazardous chemicals based on big data and prediction models

===과제 팀명===
AlChem

===지도교수===
김주식 교수님

===개발기간===
2019년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 20128900** 목**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 채**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 이**

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====

지난겨울 미세먼지와 초미세먼지가 거듭 높은 수치를 기록하면서 미세먼지에 대한 문제 인식과 관심이 전국적으로 확산되면서 실내 대기질 문제도 대두되고 있다. 국내 고기 조리방식은 주로 구이 형태에 의해 소비가 이루어지며, 고기구이 음식점에서 직화구이로 조리가 이루어지고 있다. 고기구이 음식점의 배출 가스는 전체 미세먼지 농도에서 적은 비중을 차지하지만 발생원 가까이에서 노출되는 경우가 많기 때문에 인체에 미치는 영향이 더 커질 수 있다. 또한 고기구이 음식점의 대부분은 도심에 위치하고 있어 인근 주민들로부터 민원이 발생하는 경우도 증가하고 있다. 이에 따라 인근 주민들과 음식점 이용 고객들의 피해를 최소화할 수 있는 해결방안을 모색하는 것을 주된 과제로 본 설계를 진행하였다.
국내 고기구이 음식점의 현황을 고려하여 중형, 소형 고기구이 음식점을 설계 대상으로 선정하였고, 작은 점포에도 설치할 수 있는 배출가스 저감 장치를 설계하고 비전문 인력인 음식점주가 유지, 관리할 수 있는 설비를 구축하는 것을 목표로 하였다. 본 설계에서는 이와 같은 목표 달성을 위해 후드 내부 개량 및 유증기 포집을 위한 필터와 후단 배기구 근처에 카트리지 형식을 도입한 여과 집진장치를 설치하고자 한다. 이러한 장치를 설계함으로써 중·소형 고기구이 음식점에서 발생하는 배출가스 저감뿐만 아니라 고기구이 과정에서 발생하는 악취저감 성과를 도모한다.

====개발 과제의 배경 및 효과====
가. 개발 과제의 배경

최근 고농도의 미세먼지와 초미세먼지로 인한 문제가 끊임없이 발생하고 있다. 일반적으로 이런 사례는 중국에서 오염 물질이 건너온 상태에서 대기가 정체하여 오염물질 농도가 높아지면서 발생하는 경우가 대부분으로 알려져 있다. 이렇듯 미세먼지 농도가 지속적으로 ‘나쁨’ 상태로 나타남에 따라 대기오염 문제에 관심이 집중되고 있지만 반드시 대기오염뿐만이 아닌 일상생활에서, 특히 고기구이 음식점에서 고농도의 미세 먼지에 노출될 수 있는 환경이 조성되어 주의가 필요하다는 주장이 제기되고 있다.
국내의 대기오염물질 배출량은 환경부 국립환경과학원(CAPSS)에서 매년 산정하고 있으며, 생물성연소는 2011년부터 산정하고 있다. 생물성연소는 농업잔재물 및 생활폐기물의 노천소각, 나무 등을 연료로 쓰는 아궁이, 화목난로와 보일러, 고기구이, 숯가마에서의 숯 굽기 등을 포함하는 배출원이다. 이와 같은 연소는 대부분 적절한 관리가 이루어지지 않기 때문에 불완전 연소가 수반되어 대기오염물질이 다량 배출된다.
[[파일:생물성연소 배출원별 대기오염물질 배출량.JPG]]
[표 1]의 생물성연소의 배출량을 살펴보면 CO, VOC, PM10, PM2.5, 배출량은 각각 232,457톤/년, 86,103톤/년, 14,554톤/년, 12,061톤/년으로 나타났다. 이 중 고기구이에 의한 배출량에 해당하는 CO, NOX, SOX 배출량은 매우 적은 것으로 나타났으며, PM10, PM2.5, 배출량은 각각 626톤/년, 574톤/년으로 이는 생물성연소 중 각각 4.30%, 4.76%를 차지하는 것으로 나타났다.
고기구이에서 발생하는 블랙카본을 포함한 미세먼지는 다환방향족 탄화수소류이나 중금속과 같은 발암물질도 포함하고 있어 배출 단계에서 제어가 필요하다. 아직 우리나라에는 법규뿐만 아니라 고기구기 음식점에서 환기구나 후드 사용 의무화에 대한 규정조차 없기 때문에 대부분의 음식점에서는 송풍기를 통한 단순 환기나 확산을 통해 실내에서 발생하는 물질들을 그대로 배출하고 있어 문제가 발생하고 있다.
국내 대형 고기구이 음식점에서는 미세먼지 저감장치로 대부분 전기집진장치를 설치해 사용하고 있다. 전기집진장치의 경우 미세입자를 제거하는 효율이 좋지만 장치 가격이 고가이고 장치가 커서 넓은 공간을 필요로 한다는 단점이 있다. 비용 상의 한계와 공간 부족으로 인해 소규모 음식점에서 미세먼지 저감장치를 설치하지 않는 것으로 판단하였다. 따라서 본 설계를 통해 고기구이 조리과정에서 발생하는 미세먼지를 보다 저렴한 가격에 사용하고 좁은 면적에도 설치할 수 있는 집진장치를 설계하고자 한다.

나. 개발 과제의 효과

본 설계를 통해 소규모 고기구이 음식점에서 발생하는 미세먼지를 제거할 때 전기집진장치의 효율을 유지하면서 상대적으로 저가이고 소규모인 장치를 개발할 수 있을 것으로 기대한다. 장기적으로는 소규모 사업자의 경제적 부담을 덜어주고 미세먼지에 장기간 노출된 사람들의 급성 및 만성 조기사망, 구체적으로는 심장혈관 및 호흡기 질환으로 인한 사망률을 낮추는데 기여할 것으로 예상한다. 이후 고기구이 음식점의 환기구나 후드 사용에 관한 규제가 신설되면 소규모 음식점에서 사용할 수 있는 기술로 관련 시장에서 경제성을 가질 수 있을 것으로 기대한다.

====개발 과제의 목표와 내용====
가. 개발 과제의 목표
본 설계를 통해 미세먼지를 포함하여 직화구이에서 발생하는 유증기 및 유해가스, 그리고 생활에 전반적으로 크게 영향을 미치는 악취의 제거가 주목표이다.

나. 개발 과제의 내용
국내에서 사용되고 있는 집진장치로는 ‘원심력집진장치, 여과 집진장치, 전기집진장치’가 있으며, 악취저감 방법으로 ‘활성탄 및 오존 사용’이 있다. 본 설계의 목표에 부합하는 배출가스 처리방법을 도입하기 위한 조합형 저감 장치의 특징은 다음 [표 2]와 같다.
[[파일:조합형 저감장치 장·단점.JPG]]
저감장치의 선정에 있어 본 설계는 중소형 음식점을 설계대상으로 진행하여 초기 설치비가 비싼 전기집진기를 도입하는 것은 무리가 있다. 고기구이 음식점의 특성상, 고기구이 과정에서 발생하는 유증기에 의해 기름이 활성탄에 유입될 시 악취저감 효과가 낮아질 우려가 있다.
전처리 시설을 포함한 여과 집진장치의 경우 필터의 주기적인 교체가 필요하다는 단점이 있지만, 전기집진기 대비 비교적 저렴하게 도입할 수 있다는 점과 유증기의 포집을 통해 여과 집진장치의 효율 저감을 방지할 수 있다는 장점이 있어 기름받이후드와 여과집진장치를 결합한 설비를 도입하고자 한다.

===관련 기술의 현황===
====State of art====
[[파일:State of art.JPG]]

====기술 로드맵====
[[파일:기술로드맵.JPG]]
환경부에서 2017년 발간한 「음식점 대기시설 개선 시범사업」 최종보고서에 따르면 국내 고기구이 음식점에서 발생하는 미세먼지와 악취에 대한 민원이 증가면서 생물성 연소 배출원의 필요성이 대두되고 있다. 하지만 대부분의 음식점은 도심에 위치하고 있고 건물주와 음식점주가 임대계약을 통해 운영되기 때문에 저감시설 설치와 원활한 관리를 위해서는 충분한 설치 장소를 건물주 등과 합의하에 진행하여야 한다. 또한 음식점 미세먼지·악취 저감시설 선정 및 설치 시 저감시설의 운영의 편리성, 음식점과 주거지와의 인접성, 고기 사용량, 설치 가능한 공간, 전기용량 등의 여건이 고려되어야 하며, 음식점의 경제적 여건, 설치 공간 확보여부, 건물주와의 계약관계 등을 감안하여 단계적인 접근이 필요할 것이라는 연구결과가 제시되었다.
배출가스 저감 장치 유지관리가 비전문 인력인 자영업자에 의해 이루어진다는 점을 고려하여 해당 과제의 핵심기술로 ‘직화구이 배출가스 유해물질 저감기술’, ‘저감장치의 소형화 기술’ 그리고 ‘유지관리 매뉴얼’을 제시하였다. 연구 기간의 경우 우선적으로 수도권에 해당 장치를 설치하는 것을 목표로 하여 ‘2차 수도권 대기환경관리 기본계획[2015-2024]’이 종료되는 시점 전까지 해당 기술을 개발하도록 기간을 설정하고 새로운 대기환경 관리 기본계획에 따른 규제 대응을 반영할 수 있도록 하였다.

====특허조사====
[[파일:저감장치 특허.JPG]]

[[파일:저감장치 특허2.JPG]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 비교====
가. 전기집진기(모델명 : TS-213, 제조사 : 엔아이티 코리아)

작은 공간에 설치가 용이하며 공간대비 높은 효율의 집진효율을 자랑한다. 국내 유일한 원통형 구조의 집진 셀 구조를 이용하여 안정성을 확보하였고, MPS 고전압 컨트롤 시스템을 통한 고효율의 전기 집진기 이다. 플라즈마 반응을 이용하여 입자상 유해물질을 제거하는 만큼 고효율의 성능을 자랑하지만, 그만큼 필요한 전력은 1,523W에 달하는 고전압의 설비가 필요하다. 모델의 대상도 중소형 사업장이나 대형 식당인 만큼 일반적인 사업장에서 사용하기에는 경제적으로 부담이 되는 모델이다.

나. 전기집진기(모델명 : web series, 제조사 : 우양이엔지)

전처리 과정에서 필터를 이용하여 입경이 비교적 큰 입자를 포집하고, 미세한 입자는 Ionizer에서 대전시켜 미분자가 정전필터에서 포집되는 원리를 이용한 전기 집진기 이다. 기존의 집진기와는 전처리 필터를 통해 입경이 큰 입자를 먼저 처리 하여 대상의 범위를 축소 시켜 포집 시켰다는 점에서 다른 경쟁 제품들과 차별 점을 두었다. 플라즈마 코어를 사용하지 않아도 0.01㎛입자를 처리하는데 98%의 처리 효율을 나타내어, 비교적 큰 전압이 필요한 것은 동일하나 앞서 제시한 TS-213모델보다는 전압에 대한 부담이 적을 것으로 판단된다.

다. 여과 및 전기집진기(숯불구이 연기 및 냄새제거기(Zero Star-시리즈), 제조사 : 우양이엔지)

숯불구이에서 발생하는 연기 및 악취를 특수 여과재를 이용하여 필터에 분사, 흡착시킴으로서 여과효율을 높인 제품이다. 전기를 통해 작동하기는 하지만 주요 기능은 어디까지나 필터표면에 특수한 여과재를 자동으로 적층시키는 것으로서 운전이 정지하고 나면 자동으로 탈진 운전을 시행하도록 시스템 되어 있어, 여과 필터를 장기간 사용할 수 있도록 한 제품이다. 주로 음식점에서 사용되는 제품이다. 여과 집진기로서 비교적 높은 효율을 가지고 있으나, 여과재를 주기적으로 교체해야 한다는 점, 그리고 기기 자체의 크기가 너무 크기 때문에 소형 음식점에서 사용하기에는 적합하지 않다는 단점이 있다.

라. 전기집진기(모델명 : YEC-series, 제조사 : YHB에코사)

소형 전기 집진기로 공장과 작업장을 대상으로 판매되는 제품이며, 소형화를 통해 기존의 전기집진기보다 공간의 확보가 용이하고 처리해야할 유량에 따라 사이즈 별로 제공하고 있다. 필요한 소비 전류와 전력량을 살펴보면, 기존의 대형화된 전기집진기보다 필요한 전력량이 감소한 것을 알 수 있다. 그럼에도 불구하고 최대 450W가 필요한 모델의 경우 경제적으로 따지게 되면 대상으로 삼은 중, 소형 직화구이 점포에서 사용하기에는 여전히 부담스러운 전력량일 뿐만 아니라, 안전성의 문제도 간과할 수 없다.

====마케팅 전략====
[[파일:SWOT 분석.JPG]]

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
1. 소형화

집진기의 크기를 결정하는 요소는 배출가스의 종류와 시설의 규모에 따른 풍량이 대표적이다. 그 중에서 본 설계의 핵심적 고려사항은 시설 규모에 맞춘 집진기 크기를 결정하는 것이다. 이에 따라 설계계획 시 해당 음식점 규모 및 설치공간의 여유에 따른 맞춤설계가 필요할 것으로 보이며, 기존 산업용 여과 집진기 대비 소형화된 설비를 도입함으로써 경제성을 확보할 수 있을 것으로 보인다.

2. 고효율 달성

여과 집진기는 전기집진기와 함께 집진설비 중에서도 고효율을 자랑하고 있다. 그러나 설비를 도입하고자 하는 시설이 유증기가 많이 발생하는 생물성연소를 포함한 직화구이 음식점인 만큼 여과재에 많은 부담이 가게 되고 이는 필터의 잦은 교체로 인한 비용 상승이나 집진효율의 하락으로 이어진다. 이를 해결하기 위해 후드개량 및 유증기 전처리를 통해 90%이상의 집진효율을 달성하는 것이 목표이다.

3. 안전성

기존에 많이 사용되고 있는 장비인 전기집진장치는 코로나 방전을 이용한 것으로 고전압과 함께 간헐적으로 오존이 발생하는 등의 문제로 안전설비가 요구된다. 반면 본 설계에서 도입하고자 하는 여과 집진장치는 기존 대비 안전성이 우수하며, 추가적으로 후드개량 및 필터를 통한 유증기의 저감을 통한 화재예방의 효과도 기대할 수 있다.

====경제적 및 사회적 파급효과====

1. 국비지원(직화구이 음식점 방지시설 설치 지원 제도)

10개 시,군, 각 2개소로 부천 안산, 평택, 화성, 군포, 오산, 하남, 남양주, 포천, 연천 등을 대상으로 200㎡, 약 60평 이상의 직화구이 음식점 또는 200㎡ 미만이더라도 연기 악취 등 민원사례가 발생한 곳이라면 지원 가능한 제도로, 미세먼지 90%이상, 악취 70%이상의 저감 효율을 보이는 업체를 대상으로 도, 시, 군에서 보조금을 지원받아 설치할 수 있다.

2. 민원해결 및 주민복지향상

Jtbc 뉴스에 따르면 음식점 관련 생활악취 환경부 민원 건수는 2년 만에 3배 넘게 증가하였다. 앞에서 언급한 지원 제도의 대상자가 되더라도 대다수의 설치비용은 1,000만 원 이상인 것으로 나타났고, 영세한 상인들이 부담하기에는 여전히 큰 금액이기 때문에 효율과 경제성의 최적의 수치를 구현할 수 있다면 영세 상인들과 주변주민들 간의 문제도 해결될 가능성이 높다고 판단된다.

3. 인체노출 감소

생물성 연소의 PM10, PM2.5, 배출량은 각각 626톤/년, 574톤/년으로 이는 생물성 연소 중 각각 4.30%, 4.76%를 차지한다. 생물성 연소로 인해 배출되는 미세먼지 농도는 전체 미세먼지 농도에서 큰 비중을 차지하지는 않지만 고기구이 음식점의 경우 발생원 가까이에 노출되는 특성이 있으므로 이에 대한 처리가 가능할 경우 직접적으로 배출되는 미세먼지와 악취에 의한 피해를 경감시킬 수 있을 것으로 판단된다.

===구성원 및 추진체계===

◇ 목승균 – 자료수집 및 총괄 담당
◇ 채병권 – 자료수집 및 보고서 제작 담당
◇ 이용민 – 자료수집 및 기술개발 담당
◇ 이지원 – 자료수집 및 경제성 분석 담당

==설계==
===설계사양===

====제품 요구사항====

본 설계를 통해 제안하는 제품에서 기대하는 요구사항을 다음 [표 3]과 같이 정리하였다. 항목에 따라 반드시 고려할 사항은 D, 상황에 맞게 고려할 사항은 W로 표기하였다. 각 요구사항에 대한 설명은 아래의 [표 4]에 기재하였다.

[[파일:요구사항.JPG]]

[[파일:제품 요구사항에 대한 설명.JPG]]

===개념설계안===
[[파일:개념설계안.JPG]]

‘후드 개량 및 집진기를 이용한 고기구이 음식점의 배출가스 저감’ 과제의 해결을 위한 개념설계안은 다음과 같다.

(1) 배출가스 저감을 도모하고자 하는 공간에 적합한 환기방식 및 최소환기량을 산정한다.
(2) 배출가스 저감 시설 도입 공간의 급기구와 배기구의 위치를 결정에 따라 덕트의 경로가 결정된다. 이때 실내 구조에 따라 결정된 덕트 경로에서 덕트의 크기 및 덕트의 연결을 위한 부속기구에
따라 덕트 내 저항을 산출할 수 있다.
(3) 배출가스 저감 방식으로는 사전에 진행된 개념설계 과정에서 채택된 후드 개량을 통한 기름받이 후드와 여과 집진 시설을 도입한다.
(4) 배출가스 저감을 위한 시설에서의 총 손실압력을 산출하여 최종적으로 환기에 필요한 송풍기 사양을 결정한다.

===이론적 계산===
====최소 필요환기량 계산====

환기 방식은 공기를 움직이게 하는 구동력인 압력의 차를 일으킬 때 기계력에 의존하는지의 여부에 따라 기계력에 의존 여부에 따라 기계 환기, 자연 환기로 분류한다. 자연 환기의 경우 기계동력을 필요로 하지 않기 때문에 에너지 절약의 관점에서 유리하지만 환기량이 불안정하고 제어하기 곤란하다는 단점이 있다. 따라서 본 설계에서는 기계 환기를 이용하여 고기구이 음식점 내부의 공기를 환기하도록 설계한다.
제 3종 기계 환기는 배풍기만을 써서 실내로부터 공기를 빼내고, 급기는 자연에 맡기는 방법으로 실내로부터 공기를 빼내 실내의 압력은 외부보다 작아진다. 따라서 배기구 외에는 공기가 외부로 유출되지 않는다. 이에 본 과제에서는 효율적인 배출가스 포집을 위해 제 3종 기계 환기를 채택하였다.
제 3종 기계 환기의 필요환기량을 계산하는 기준으로는 오염물의 허용농도를 많이 이용하고 있다. 실내의 어떤 오염물의 허용농도를 Pa[%]로 하고, 외기의 오염물 농도를 P0[%]로 한다. 또 실내에서 발생하는 오염물이 차지하는 양을 K[m3/h], 환기량 Q[m3/h]로 한다.

[[파일:실내의 오염물과 환기량의 관계.JPG]]

오염물농도의 물질수지에 의해 오염물을 허용농도 이하로 억제하기 위한 필요환기량은 다음과 같다.
[[파일:환기량 물질수지 식.JPG]]

[실내공기질 관리법 시행규칙-별표2]에 따라 이산화탄소 배출 허용 농도인 1000ppm을 공기오염물질 농도로 설정하였으며 오염 물질 발생량은 평상시 어른 1인당 이산화탄소 배출량인 0.021[m3/h]를 적용하였다. 외기오염물 농도인 실외 공간의 이산화탄소 농도는 기상청-종합 기후변화감시정보 시스템을 기반으로 400ppm으로 지정하였다.
이에 성인 1인당 필요환기량을 계산하는 과정은 다음과 같다.
[[파일:1인당 필요환기량 계산식.JPG]]

이때 가정한 음식점의 테이블 수는 10개이며, 4인 테이블을 기준으로 하고 음식점에서 일하는 종업원의 수를 고려할 경우 최대 50명의 인원이 동 시간대에 음식점에 체류한다고 가정할 경우 최소 필요환기량은 다음과 같다.
[[파일:최소 필요환기량 계산식.JPG]]

====덕트 구성====

가. 덕트 배치법
덕트 배치법은 간선 덕트 방식, 개별 덕트 방식, 환상 덕트 방식이 있다.

* 간선 덕트 방식은 1개의 주 덕트에 각 취출구가 직접 고정되는 방식으로, 시공이 용이하며 설비비가 싸고 덕트 스페이스가 비교적 적어 공조나 환기용에 가장 많이 사용된다.
*개별 덕트 방식은 각각의 취출구로 덕트를 통해 분산하여 송풍하는 방식으로, 각 실의 개별 제어성은 우수하나 덕트 스페이스를 많이 차지하고 공사비도 많이 소요되기 때문에 특별한 경우가 아니면 잘 사용하지는 않는다.
* 환상 덕트 방식은 2개의 주 덕트를 환(環)상으로 배치한 방식으로, 말단부에 위치한 취출구에서 송풍량이 불균형해지는 것을 방지할 수 있다.

본 설계에서는 환기시설에 가장 많이 사용되는 간선 덕트 방식을 채택하였다.

나. 덕트 치수 설계법
덕트 치수 설계 과정에서는 정압법을 사용한다. 정압법은 덕트의 단위길이 당 압력손실을 일정한 것으로 가정하여 덕트 치수를 결정하는 방법으로 덕트 내의 최대풍속을 정한다. 이 풍속에서 송풍기로부터 가장 멀리 떨어진 출구에서 필요한 풍량과 송풍할 때의 전체 저항손실을 산출한 뒤, 각 분기 덕트에 이르는 사이에 발생하는 저항이 앞에서 산출한 저항과 같도록 덕트의 치수를 결정한다.
주관인 장방형 덕트의 풍량은 1,800이므로 덕트의 치수는 530mm x 200mm나 340mm x 300mm 중에서 선택 가능하다. 덕트 설비의 설계기준에 따르면 장방형 덕트의 경우 가능하면 정방형이 되도록 하고, 덕트 단면의 종횡비(아스펙트비)는 4:1 이하로 제한하고 있다. 두 값은 모두 종횡비가 4:1 이하이기 때문에 정방형에 가까운 값인 340mm x 300mm를 채택하였다. 분기관인 원형 덕트의 풍량은 180이므로 100에서의 치수인 117mm과 200에서의 152mm 두 값을 비례식으로 계산한 결과 지름은 146mm이다.

====기름받이 후드====
가. 폴리에스터 점착제 부직포
직물의 공기투과도는 1cm의 수압에서 직물 1를 통하여 1초 동안에 통과하는 공기의 체적()을 의미한다. 이는 규정된 압력과 시간의 조건 하에서 시험편에 수직으로 통과하여 흐르는 공기 속도를 시험하는 것으로 초당 제곱센티미터 당 리터 또는 다른 동등한 단위로 나타낸다. 본 설계에서는 Fraizer법에 의해 측정된 통기성 값을 이용하여 선정 여과포의 적절성을 판단한다.
공기정화필터나 신발의 원자재 등의 산업자재로 사용되는 면직물들의 통기성에 대한 Frazier 실험결과폴리에스터 부직포의 경우 여타 산업용 면직물에 비해 월등히 높은 수치의 통기성을 지님을 알 수 있다.

나. 유증기 수집 방안

[[파일:포러스 코팅 후드 필터.JPG]]

제시하고자 하는 후드 필터는 핫멜트 점착제를 포러스 도포한 부직포를 필터로 사용하여 흡입된 가스로부터 유증기를 포함한 각종 오염물질을 제거한다. 전면 코팅이 아닌 포러스 코팅으로 하여 배기량에 영향을 최소화하며 폴리에스터 부직포를 소재로 하여 통기성을 확보한다. 부직포의 모양은 역원뿔 형태로 중력침강에 의해서 하부에 기름이 포집되도록 유도하였으며 지지대 역할의 구조체에 단순 탈착하는 방식을 사용한다.

====후단 여과 집진 시설====

여과 집진 장치에 사용되는 여과포의 재질에 따라 집진 효율이 달라진다. 필터의 장점과 단점을 고려하여 설계의 목적에 부합하는 Main-filter를 결정 후 Pre-filter의 후단에 설치하여 효율을 높이는 것을 목표로 한다.
[[파일:여과 필터의 장단점 비교.JPG]]

고기구이 음식점의 여과장치에 사용되어야 할 Main-filter는 경제성이 있어야 하고, PM2.5의 미세먼지에 대한 여과 효율이 높아야 하며, 제품을 교체하기 용이하여야 하며, 내화성과 내화학성이 뛰어나야 하고, 방향족 탄화수소 등의 물질에 대한 여과 효율도 어느 정도 나타나야 한다.
ULPA filter는 고효율의 저감 효율을 나타내기는 하지만 중소규모의 업소에 설치하기에는 경제성이 부족하고, POLYESTER filter와 POLYPROPYLENE filter는 내화학성과 내열성 둘 다 준수한 지표를 나타내지만, 특정한 산화 물질과 방향족탄화수소에 대한 효율이 비교적 떨어지는 것으로 나타났다. 그에 반해 HEPA filter는 쉽게 구할 수 있을 뿐만 아니라 경제성 또한 중소규모 점주들에게 부담스러운 가격이 아니고, 주로 저감하고자 하는 미세먼지의 저감 효율 또한 비교적 높은 것으로 나타났다. 따라서 이번 설계에서 사용하는 Main-filter로 HEPA filter로 선정한다.

가. HEPA filter

공기 중의 먼지 등을 제거하는 에어필터로 등급에 따라 0.3㎛의 입자에 대해 85%~99.975% 이상의 포집능력을 가지며 필터의 여과지는 주로 직경 1~10㎛ 이하의 유리섬유로 구성되어 있다. 입자의 크기에 따라 섬유조직에 의한 차단 및 충돌, 중력에 의한 입자침강, 입자의 브라운운동, 전기력에 의한 흡착 등을 이용하여 입자를 포집한다.

나. 활성탄소섬유필터

활성탄은 화학공업에 있어서 용제흡착, 회수와 탈색 분야에서 사용되었다. 종래에는 입상, 분말상이 중심이었지만 Cellulose계 원료를 탄화시킨 활성탄소섬유가 개발되어 여러 분야에 널리 사용되고 있다.
활성탄소섬유 필터의 특징은 다음과 같다.
* 흡착표면적이 입상 활성탄과 비교하여 크기 때문에 약 1.5~수배의 평균 흡착량을 가진다.
* 외표면적이 크고 실질적으로 흡착에 관여하는 세공이 섬유표면에 노출되어 흡착속도가 빠르다.
* 흡착과 탈착의 반복에 의한 성능열화가 적다.
* 섬유상이므로 가공(성형)성이 용이하다.

다. 필터배치방식

후단의 여과 집진 시설은 카트리지 형식으로 교체와 관리를 용이하게 하며, 3개의 여과지를 나열하여 효율을 극대화한다. 부직포 재질로 된 Pre-filter를 사용하여 전단의 후드에서 여과 되지 않은 입자상 물질들을 제거한 후에 높은 미세먼지 집진률을 보이는 HEPA필터를 이용하여 미세먼지를 저감한 후에 섬유상 활성탄으로 제작된 활성섬유 필터를 이용하여 악취의 저감을 도모한다.

====손실압력에 따른 송풍기 사양====

배출가스 저감을 위한 시설에서 발생하는 손실 압력은 크게 두 부분에서 일어난다.

* 관내 마찰 및 관로 구조에 의한 압력손실
* 여과포 통과에 의한 압력손실

가. 관내 마찰 및 관로 구조에 의한 압력손실

관내 마찰 및 관로 구조에 따른 압력손실의 경우 실제 설계 사양에 맞추어 계산을 진행하였다. 해당과정에 있어 사용된 식은 다음과 같다.

* 직관 덕트의 압력손실
[[파일:직관 덕트의 압력 손실.JPG]]
* 덕트의 국부압력손실
[[파일:덕트의 국부 압력 손실.JPG]]

해당 계산 과정에 있어, 직관 덕트의 압력손실 계산 과정에서의 마찰계수의 경우 덕트의 성분을 아연도 강판이라 가정에 따른 상대조도계수(Relative Pipe Roughness) 값을 구한다.
[[파일:상대조도계수 계산값.JPG]]

조도계수와 최소 필요환기량에 따른 각 관에서의 유량에 따른 레이놀즈수를 구한 후 무디 선도에 적용하여 각 관에서의 마찰계수를 구하였다.
[[파일:마찰계수 계산 결과.JPG]]

이를 이용하여 산출한 덕트 내부의 마찰과 구조에 의한 총 압력손실 값은 107.89mmAq이다.

나. 여과포에 의한 압력손실

여과포 압력손실의 경우 제조사에 따라 달라지므로 시장 조사를 통해 통상적으로 사용되는 값을 사용하였다
[[파일:여과포의 압력손실.JPG]]

다. 총 압력손실

덕트, 여과포에서의 발생한 손실 압력을 유속으로 변환 후, 송풍기와 연결된 관의 지름을 100mm로 가정할 경우 추가적으로 필요한 송풍량을 계산하였다.
덕트 구조에 의한 압력손실과 여과포에의 초기 압력손실에 따라 필요한 송풍량을 구하면 약 24CMM이며, 말기 압력손실에 따라 필요한 송풍량을 구하면 약 27CMM이다. 이를 앞서 구한 최소 환기량에 더해주면 설계에 필요한 송풍량은 약 60CMM으로 가정할 수 있다.
통상적으로 사용되는 환풍기 FAN으로는 설계에서 요구하는 만큼의 송풍량을 만족시키지 못한다. 따라서 시장 제품에서 점포용 환풍기 중 소형 고압팬을 설치하여 최소로 필요로 하는 송풍량을 만족시킨다.
소형 고압펜 적용에 앞서 전기 집진기와의 경제성 비교를 진행한다. 전기 집진기를 후단 여과 집진시설 대신에 사용하는 경우 초기 송풍량은 최소 필요 환기량에 따라 송풍량을 30CMM을 필요로 한다고 가정하였다. 이에 따른 경제성 비교는 다음의 [표 5]와 같다.
[[파일:환풍기 전력량 비교.png]]

본래 점포용의 환풍기가 아닌 소형고압팬은 기존에 사용되던 점포용 환풍기 보다는 많은 전력을 사용하지만 여과 집진시설 사용에 따른 압력 손실로 인해 손실된 풍량을 충분히 확보할 수 있고, 전력량 또한 기존 전기 집진 시설에 비해 효율적임을 볼 수 있다.
통상적으로 사용되는 HEPA filter를 장기간으로 사용하기 위해서 후드에서 전처리를 통해 유분을 제거하여 교체 주기를 증가시킴과 동시에 Main-Filter를 제외한 PRE-Filter와 활성 탄소 섬유 필터의 경우에도 재사용이 가능한 재질로 선정하였다. 전기 집진시설의 전력량과 초기 설치비와 비교하여서 경제성에서 우위를 점할 뿐만 아니라 다수의 여과 처리를 통한 효율성을 기대할 수 있다.

===조립도===
====예상 덕트 경로====
[[파일:예상덕트경로.JPG]]

덕트의 치수와 배치법을 고려하여 나타낸 예상 덕트 경로 도면이다. 설계 대상이 중소형 가게이기 때문에 가게 전체 면적을 150로 설정하였고, 계산 결과를 토대로 시판 중인 덕트 치수를 고려하여 주관인 장방형 덕트는 350mm x 300mm, 분기관인 원형 덕트의 지름은 150mm로 결정하였다. 마찰 손실을 최소화하기 위해 곡관을 최소화하였으며 분기관이 주관에 30 각도로 합류하도록 배치하였다.

====기름받이용 후드====
[[파일:기름받이용 후드.JPG]]

후드 도면은 후드 흡입경을 160mm, 내부관경을 100mm를 기준으로 하여 작성되었으며 필수구성요소를 제외한 일부 수치의 경우 적정 범위 내의 가정을 통해 산출하였다. 기름받이 필터의 직경은 유증기가 필터를 통과하지 못하고 사이로 빠져나가는 것을 방지하기 위해 내부관경과 동일한 수치로 설계하였으며 보조 기름받이 역시 필터에서 낙하하는 기름을 모두 담아내기 위해 같은 수치로 상정하였다. 또한 고무패킹으로부터 보조 기름받이까지의 높이차는 각각 10mm로 여유 공간을 두었고, 기름받이 미끄럼틀과 철 지지대의 경우 피타고라스의 정리에 따라 기하학적으로 타당한 수치를 확정하였다.

====카트리지형 여과 집진 설비====
[[파일:카트리지형 여과 집진 설비.JPG]]

본 과제의 목적은 중소 규모의 점포에서도 산업용으로 사용되는 여과 집진 시설의 과정을 사용하되, 공간을 최대한 효율적으로 사용하는 것을 목표로 한다. 위의 카트리지형 여과 집진 시설은 사용자가 손쉽게 충진재의 내용을 교체할 수 있으나, 위의 내용대로 설계를 실시한다면 차지하는 공간의 부피가 지나치게 커지게 된다. 따라서 카트리지 교체 형식의 방법은 따오되, 각각의 충진재를 송풍구로 향하는 파이프의 규격에 맞도록 여과 집진 시설에서 사용되는 filter를 사용하여 교체를 더욱 용이하게 하며, PRE filter의 경우 세척 후 건조를 통하여 재이용이 가능한 재질로 선정한다.

====최종 설계안====
[[파일:최종설계안.JPG]]

===자재소요서===
[[파일:자재 소요서.JPG]]

==결과 및 평가==
===완료작품 소개===
====프로토타입 사진====

가. 적용 모형도

[[파일:프로토 타입 적용 모형도1.JPG]]

[[파일:프로토 타입 적용 모형도2.JPG]]

나. 기름받이용 후드

[[파일:프로토 타입 기름받이용 후드.JPG]]

다. 카트리지형 여과 집진설비

[[파일:프로토 타입 카트리지형 여과 집진설비.JPG]]

====포스터====
[[파일:1조 포스터.jpg]]

===개발사업비 내역서===
[[파일:개발사업비 내역서.JPG]]

===완료 작품의 평가===
평가기준과 내용은 아래 표에 정리하였다. 이 때 각각의 평가 기준에 대한 평가를 등급별로 나누어 판단하였다. 등급은 조원들의 객관적인 평가를 합산하여 평균값으로 적용하였다. 평가 후 분석으로는 등급이 낮은 항목들에 대한 피드백을 진행하였다.
[[파일:완료작품의 평가.JPG]]

===향후평가===
# 설계 과정에 있어 적용하고 하는 설비의 규모 및 성능과 직결되는 것은 각 업장에서 발생하는 실제 배출 가스량으로 실제 설계 과정에서는 이를 고려하여 설계를 진행하여야 한다. 그러나 본 설계에서는 음식점 별 배출가스량 산정을 진행할 수 없어 음식점 시설 규모에 따른 최소 흡입량을 산정하였다. 음식점 시설 규모가 큼에 따라 수용가능한 인원이 증가하므로, 시설규모와 배출 가스량은 비례한다고 보았으나 보다 정확한 설계사양 산정을 위해서는 실 배출 가스량을 고려하는 것이 더 바람직할 것으로 고려된다.
# 환기량은 목적, 대상 및 환기방식에 따라 산정하여야 한다. 필요환기량의 경우 현재 국내에서는 「실내공기질 관리법」에 따라 규제 대상 시설의 경우 사용인원 당 필요환기량이 규제되어있다. 본 설계 과정에 있어서는 적용하고자 하는 시설인 고기구이 음식점의 경우 규제 대상이 아니므로 「실내공기질 관리법」에 따른 설계사양 산정에 적합하지 않아 대안적인 방법을 사용하였다. 주요 저감 목표로 하는 미세 먼지량을 기준으로 1인당 최소 필요 환기량 산정을 진행해야 했지만, 미세 먼지 배출허용기준 부재 및 실외 미세먼지 농도의 가변성 등으로 인해 적용에 한계가 있어 대안으로 이산화탄소 농도를 기준을 적용하였다. 이산화탄소의 경우, 미세먼지에 비해 인체에 미치는 영향이 비교적 많이 알려져 있으며, 실내 환기기준으로 사용하고 있어 이를 적용하였다. 이에 향후 과제 진행에 있어서는 미세먼지 발생량을 기준으로 하는 환기량 산정이 필요할 것이다.

==부록==
====참고문헌 및 참고사이트====

1) 국립환경과학원(2015) CAPSS 배출자료

2) 수도권대기환경청 안재현(2018) 수도권 대기오염 및 미세먼지로 인한 인체 위해성 저감방안 연구

3) 조선일보 윤수정(2019) “고기 구운 지 10분, 초미세먼지 농도 97→1013으로 뛰었다.”

4) 조현지(2017), 육류 직화구이에서 발생하는 유증기 미세입자 및 악취제어를 위한 저온 플라즈마의 작용

5) 김동영(2010), 직화구이 음식점에 의한 대기환경문제 개선 방안, Policy Brief, 1-13

6) 정동균(2017), 사이클론의 vortex finder 구조에 따른 미세먼지 집진효율에 관한 연구

7) 이영식, 전형주, 한형균, 정정조(2013) 오존발생기와 저온 유전체장벽 플라즈마를 이용한 오존발생 및 살균력

8) 농림수산식품교육문화정보원 농식품백과사전 작물농업 > 농기자재/비료

9) 환경부(2017), 음식점 대기시설 개선 연구용역 최종보고서

10) 김영민 외 1(2016), 식품 조리로 인한 실내공기오염 현황과 과제

11) 환경부 수도권대기환경청(2017), 2차 수도권 대기환경관리 기본계획 변경계획

12) 공개특허공보 제10-2017-0140886호(2017.12.22.) “유증기의 유류 제거장치”

13) 공개특허공보 제10-2018-0045713호(2018.05.04.) “직화구이용 미세먼지 저감장치”

14) 등록특허공보 제10-0980419호(2010.08.31.) “악취제거장치”

15) 각 시 도청의 환경 관리 부처, 직화구이 음식점 방지시설 설치 지원 사업 공고

16) JTBC 임지수, “고깃집 연기·냄새에 칼부림까지…주민과의 갈등 ‘활활’”

17) (주)해영([http://dreamforone.com/~hychem2r/bbs/content.php?co_id=carbon01]), 활성탄 흡착기술

18) (주)삼천리카보텍 활성탄 흡착활용 및 용도[http://www.activatedcarbon.co.kr/bin/minihome/neo_main758.htm?seq=9688&_aldo=152]

====관련특허====
1) 공개특허공보 제10-2014-0082166호, “점착제를 이용한 배기후드용 위생필터” 2014.07.02.

2) 등록특허공보 제10-1787478호(2017.10.12.) "후드 기름받이용 필터“

1조 고깃집살려조

2023-06-16T02:16:37Z

2023adenv1: /* 기술개발 과제 */

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 빅데이터 및 예측 모델기반 유해 화학물질 대체제 발굴

''' 영문 : ''' Discover alternatives to hazardous chemicals based on big data and prediction models

===과제 팀명===
고깃집살려조

===지도교수===
김주식 교수님

===개발기간===
2019년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 20128900** 목**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 채**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 이**

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====

지난겨울 미세먼지와 초미세먼지가 거듭 높은 수치를 기록하면서 미세먼지에 대한 문제 인식과 관심이 전국적으로 확산되면서 실내 대기질 문제도 대두되고 있다. 국내 고기 조리방식은 주로 구이 형태에 의해 소비가 이루어지며, 고기구이 음식점에서 직화구이로 조리가 이루어지고 있다. 고기구이 음식점의 배출 가스는 전체 미세먼지 농도에서 적은 비중을 차지하지만 발생원 가까이에서 노출되는 경우가 많기 때문에 인체에 미치는 영향이 더 커질 수 있다. 또한 고기구이 음식점의 대부분은 도심에 위치하고 있어 인근 주민들로부터 민원이 발생하는 경우도 증가하고 있다. 이에 따라 인근 주민들과 음식점 이용 고객들의 피해를 최소화할 수 있는 해결방안을 모색하는 것을 주된 과제로 본 설계를 진행하였다.
국내 고기구이 음식점의 현황을 고려하여 중형, 소형 고기구이 음식점을 설계 대상으로 선정하였고, 작은 점포에도 설치할 수 있는 배출가스 저감 장치를 설계하고 비전문 인력인 음식점주가 유지, 관리할 수 있는 설비를 구축하는 것을 목표로 하였다. 본 설계에서는 이와 같은 목표 달성을 위해 후드 내부 개량 및 유증기 포집을 위한 필터와 후단 배기구 근처에 카트리지 형식을 도입한 여과 집진장치를 설치하고자 한다. 이러한 장치를 설계함으로써 중·소형 고기구이 음식점에서 발생하는 배출가스 저감뿐만 아니라 고기구이 과정에서 발생하는 악취저감 성과를 도모한다.

====개발 과제의 배경 및 효과====
가. 개발 과제의 배경

최근 고농도의 미세먼지와 초미세먼지로 인한 문제가 끊임없이 발생하고 있다. 일반적으로 이런 사례는 중국에서 오염 물질이 건너온 상태에서 대기가 정체하여 오염물질 농도가 높아지면서 발생하는 경우가 대부분으로 알려져 있다. 이렇듯 미세먼지 농도가 지속적으로 ‘나쁨’ 상태로 나타남에 따라 대기오염 문제에 관심이 집중되고 있지만 반드시 대기오염뿐만이 아닌 일상생활에서, 특히 고기구이 음식점에서 고농도의 미세 먼지에 노출될 수 있는 환경이 조성되어 주의가 필요하다는 주장이 제기되고 있다.
국내의 대기오염물질 배출량은 환경부 국립환경과학원(CAPSS)에서 매년 산정하고 있으며, 생물성연소는 2011년부터 산정하고 있다. 생물성연소는 농업잔재물 및 생활폐기물의 노천소각, 나무 등을 연료로 쓰는 아궁이, 화목난로와 보일러, 고기구이, 숯가마에서의 숯 굽기 등을 포함하는 배출원이다. 이와 같은 연소는 대부분 적절한 관리가 이루어지지 않기 때문에 불완전 연소가 수반되어 대기오염물질이 다량 배출된다.
[[파일:생물성연소 배출원별 대기오염물질 배출량.JPG]]
[표 1]의 생물성연소의 배출량을 살펴보면 CO, VOC, PM10, PM2.5, 배출량은 각각 232,457톤/년, 86,103톤/년, 14,554톤/년, 12,061톤/년으로 나타났다. 이 중 고기구이에 의한 배출량에 해당하는 CO, NOX, SOX 배출량은 매우 적은 것으로 나타났으며, PM10, PM2.5, 배출량은 각각 626톤/년, 574톤/년으로 이는 생물성연소 중 각각 4.30%, 4.76%를 차지하는 것으로 나타났다.
고기구이에서 발생하는 블랙카본을 포함한 미세먼지는 다환방향족 탄화수소류이나 중금속과 같은 발암물질도 포함하고 있어 배출 단계에서 제어가 필요하다. 아직 우리나라에는 법규뿐만 아니라 고기구기 음식점에서 환기구나 후드 사용 의무화에 대한 규정조차 없기 때문에 대부분의 음식점에서는 송풍기를 통한 단순 환기나 확산을 통해 실내에서 발생하는 물질들을 그대로 배출하고 있어 문제가 발생하고 있다.
국내 대형 고기구이 음식점에서는 미세먼지 저감장치로 대부분 전기집진장치를 설치해 사용하고 있다. 전기집진장치의 경우 미세입자를 제거하는 효율이 좋지만 장치 가격이 고가이고 장치가 커서 넓은 공간을 필요로 한다는 단점이 있다. 비용 상의 한계와 공간 부족으로 인해 소규모 음식점에서 미세먼지 저감장치를 설치하지 않는 것으로 판단하였다. 따라서 본 설계를 통해 고기구이 조리과정에서 발생하는 미세먼지를 보다 저렴한 가격에 사용하고 좁은 면적에도 설치할 수 있는 집진장치를 설계하고자 한다.

나. 개발 과제의 효과

본 설계를 통해 소규모 고기구이 음식점에서 발생하는 미세먼지를 제거할 때 전기집진장치의 효율을 유지하면서 상대적으로 저가이고 소규모인 장치를 개발할 수 있을 것으로 기대한다. 장기적으로는 소규모 사업자의 경제적 부담을 덜어주고 미세먼지에 장기간 노출된 사람들의 급성 및 만성 조기사망, 구체적으로는 심장혈관 및 호흡기 질환으로 인한 사망률을 낮추는데 기여할 것으로 예상한다. 이후 고기구이 음식점의 환기구나 후드 사용에 관한 규제가 신설되면 소규모 음식점에서 사용할 수 있는 기술로 관련 시장에서 경제성을 가질 수 있을 것으로 기대한다.

====개발 과제의 목표와 내용====
가. 개발 과제의 목표
본 설계를 통해 미세먼지를 포함하여 직화구이에서 발생하는 유증기 및 유해가스, 그리고 생활에 전반적으로 크게 영향을 미치는 악취의 제거가 주목표이다.

나. 개발 과제의 내용
국내에서 사용되고 있는 집진장치로는 ‘원심력집진장치, 여과 집진장치, 전기집진장치’가 있으며, 악취저감 방법으로 ‘활성탄 및 오존 사용’이 있다. 본 설계의 목표에 부합하는 배출가스 처리방법을 도입하기 위한 조합형 저감 장치의 특징은 다음 [표 2]와 같다.
[[파일:조합형 저감장치 장·단점.JPG]]
저감장치의 선정에 있어 본 설계는 중소형 음식점을 설계대상으로 진행하여 초기 설치비가 비싼 전기집진기를 도입하는 것은 무리가 있다. 고기구이 음식점의 특성상, 고기구이 과정에서 발생하는 유증기에 의해 기름이 활성탄에 유입될 시 악취저감 효과가 낮아질 우려가 있다.
전처리 시설을 포함한 여과 집진장치의 경우 필터의 주기적인 교체가 필요하다는 단점이 있지만, 전기집진기 대비 비교적 저렴하게 도입할 수 있다는 점과 유증기의 포집을 통해 여과 집진장치의 효율 저감을 방지할 수 있다는 장점이 있어 기름받이후드와 여과집진장치를 결합한 설비를 도입하고자 한다.

===관련 기술의 현황===
====State of art====
[[파일:State of art.JPG]]

====기술 로드맵====
[[파일:기술로드맵.JPG]]
환경부에서 2017년 발간한 「음식점 대기시설 개선 시범사업」 최종보고서에 따르면 국내 고기구이 음식점에서 발생하는 미세먼지와 악취에 대한 민원이 증가면서 생물성 연소 배출원의 필요성이 대두되고 있다. 하지만 대부분의 음식점은 도심에 위치하고 있고 건물주와 음식점주가 임대계약을 통해 운영되기 때문에 저감시설 설치와 원활한 관리를 위해서는 충분한 설치 장소를 건물주 등과 합의하에 진행하여야 한다. 또한 음식점 미세먼지·악취 저감시설 선정 및 설치 시 저감시설의 운영의 편리성, 음식점과 주거지와의 인접성, 고기 사용량, 설치 가능한 공간, 전기용량 등의 여건이 고려되어야 하며, 음식점의 경제적 여건, 설치 공간 확보여부, 건물주와의 계약관계 등을 감안하여 단계적인 접근이 필요할 것이라는 연구결과가 제시되었다.
배출가스 저감 장치 유지관리가 비전문 인력인 자영업자에 의해 이루어진다는 점을 고려하여 해당 과제의 핵심기술로 ‘직화구이 배출가스 유해물질 저감기술’, ‘저감장치의 소형화 기술’ 그리고 ‘유지관리 매뉴얼’을 제시하였다. 연구 기간의 경우 우선적으로 수도권에 해당 장치를 설치하는 것을 목표로 하여 ‘2차 수도권 대기환경관리 기본계획[2015-2024]’이 종료되는 시점 전까지 해당 기술을 개발하도록 기간을 설정하고 새로운 대기환경 관리 기본계획에 따른 규제 대응을 반영할 수 있도록 하였다.

====특허조사====
[[파일:저감장치 특허.JPG]]

[[파일:저감장치 특허2.JPG]]

===관련 시장에 대한 분석===
====경쟁제품 조사 비교====
가. 전기집진기(모델명 : TS-213, 제조사 : 엔아이티 코리아)

작은 공간에 설치가 용이하며 공간대비 높은 효율의 집진효율을 자랑한다. 국내 유일한 원통형 구조의 집진 셀 구조를 이용하여 안정성을 확보하였고, MPS 고전압 컨트롤 시스템을 통한 고효율의 전기 집진기 이다. 플라즈마 반응을 이용하여 입자상 유해물질을 제거하는 만큼 고효율의 성능을 자랑하지만, 그만큼 필요한 전력은 1,523W에 달하는 고전압의 설비가 필요하다. 모델의 대상도 중소형 사업장이나 대형 식당인 만큼 일반적인 사업장에서 사용하기에는 경제적으로 부담이 되는 모델이다.

나. 전기집진기(모델명 : web series, 제조사 : 우양이엔지)

전처리 과정에서 필터를 이용하여 입경이 비교적 큰 입자를 포집하고, 미세한 입자는 Ionizer에서 대전시켜 미분자가 정전필터에서 포집되는 원리를 이용한 전기 집진기 이다. 기존의 집진기와는 전처리 필터를 통해 입경이 큰 입자를 먼저 처리 하여 대상의 범위를 축소 시켜 포집 시켰다는 점에서 다른 경쟁 제품들과 차별 점을 두었다. 플라즈마 코어를 사용하지 않아도 0.01㎛입자를 처리하는데 98%의 처리 효율을 나타내어, 비교적 큰 전압이 필요한 것은 동일하나 앞서 제시한 TS-213모델보다는 전압에 대한 부담이 적을 것으로 판단된다.

다. 여과 및 전기집진기(숯불구이 연기 및 냄새제거기(Zero Star-시리즈), 제조사 : 우양이엔지)

숯불구이에서 발생하는 연기 및 악취를 특수 여과재를 이용하여 필터에 분사, 흡착시킴으로서 여과효율을 높인 제품이다. 전기를 통해 작동하기는 하지만 주요 기능은 어디까지나 필터표면에 특수한 여과재를 자동으로 적층시키는 것으로서 운전이 정지하고 나면 자동으로 탈진 운전을 시행하도록 시스템 되어 있어, 여과 필터를 장기간 사용할 수 있도록 한 제품이다. 주로 음식점에서 사용되는 제품이다. 여과 집진기로서 비교적 높은 효율을 가지고 있으나, 여과재를 주기적으로 교체해야 한다는 점, 그리고 기기 자체의 크기가 너무 크기 때문에 소형 음식점에서 사용하기에는 적합하지 않다는 단점이 있다.

라. 전기집진기(모델명 : YEC-series, 제조사 : YHB에코사)

소형 전기 집진기로 공장과 작업장을 대상으로 판매되는 제품이며, 소형화를 통해 기존의 전기집진기보다 공간의 확보가 용이하고 처리해야할 유량에 따라 사이즈 별로 제공하고 있다. 필요한 소비 전류와 전력량을 살펴보면, 기존의 대형화된 전기집진기보다 필요한 전력량이 감소한 것을 알 수 있다. 그럼에도 불구하고 최대 450W가 필요한 모델의 경우 경제적으로 따지게 되면 대상으로 삼은 중, 소형 직화구이 점포에서 사용하기에는 여전히 부담스러운 전력량일 뿐만 아니라, 안전성의 문제도 간과할 수 없다.

====마케팅 전략====
[[파일:SWOT 분석.JPG]]

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====
1. 소형화

집진기의 크기를 결정하는 요소는 배출가스의 종류와 시설의 규모에 따른 풍량이 대표적이다. 그 중에서 본 설계의 핵심적 고려사항은 시설 규모에 맞춘 집진기 크기를 결정하는 것이다. 이에 따라 설계계획 시 해당 음식점 규모 및 설치공간의 여유에 따른 맞춤설계가 필요할 것으로 보이며, 기존 산업용 여과 집진기 대비 소형화된 설비를 도입함으로써 경제성을 확보할 수 있을 것으로 보인다.

2. 고효율 달성

여과 집진기는 전기집진기와 함께 집진설비 중에서도 고효율을 자랑하고 있다. 그러나 설비를 도입하고자 하는 시설이 유증기가 많이 발생하는 생물성연소를 포함한 직화구이 음식점인 만큼 여과재에 많은 부담이 가게 되고 이는 필터의 잦은 교체로 인한 비용 상승이나 집진효율의 하락으로 이어진다. 이를 해결하기 위해 후드개량 및 유증기 전처리를 통해 90%이상의 집진효율을 달성하는 것이 목표이다.

3. 안전성

기존에 많이 사용되고 있는 장비인 전기집진장치는 코로나 방전을 이용한 것으로 고전압과 함께 간헐적으로 오존이 발생하는 등의 문제로 안전설비가 요구된다. 반면 본 설계에서 도입하고자 하는 여과 집진장치는 기존 대비 안전성이 우수하며, 추가적으로 후드개량 및 필터를 통한 유증기의 저감을 통한 화재예방의 효과도 기대할 수 있다.

====경제적 및 사회적 파급효과====

1. 국비지원(직화구이 음식점 방지시설 설치 지원 제도)

10개 시,군, 각 2개소로 부천 안산, 평택, 화성, 군포, 오산, 하남, 남양주, 포천, 연천 등을 대상으로 200㎡, 약 60평 이상의 직화구이 음식점 또는 200㎡ 미만이더라도 연기 악취 등 민원사례가 발생한 곳이라면 지원 가능한 제도로, 미세먼지 90%이상, 악취 70%이상의 저감 효율을 보이는 업체를 대상으로 도, 시, 군에서 보조금을 지원받아 설치할 수 있다.

2. 민원해결 및 주민복지향상

Jtbc 뉴스에 따르면 음식점 관련 생활악취 환경부 민원 건수는 2년 만에 3배 넘게 증가하였다. 앞에서 언급한 지원 제도의 대상자가 되더라도 대다수의 설치비용은 1,000만 원 이상인 것으로 나타났고, 영세한 상인들이 부담하기에는 여전히 큰 금액이기 때문에 효율과 경제성의 최적의 수치를 구현할 수 있다면 영세 상인들과 주변주민들 간의 문제도 해결될 가능성이 높다고 판단된다.

3. 인체노출 감소

생물성 연소의 PM10, PM2.5, 배출량은 각각 626톤/년, 574톤/년으로 이는 생물성 연소 중 각각 4.30%, 4.76%를 차지한다. 생물성 연소로 인해 배출되는 미세먼지 농도는 전체 미세먼지 농도에서 큰 비중을 차지하지는 않지만 고기구이 음식점의 경우 발생원 가까이에 노출되는 특성이 있으므로 이에 대한 처리가 가능할 경우 직접적으로 배출되는 미세먼지와 악취에 의한 피해를 경감시킬 수 있을 것으로 판단된다.

===구성원 및 추진체계===

◇ 목승균 – 자료수집 및 총괄 담당
◇ 채병권 – 자료수집 및 보고서 제작 담당
◇ 이용민 – 자료수집 및 기술개발 담당
◇ 이지원 – 자료수집 및 경제성 분석 담당

==설계==
===설계사양===

====제품 요구사항====

본 설계를 통해 제안하는 제품에서 기대하는 요구사항을 다음 [표 3]과 같이 정리하였다. 항목에 따라 반드시 고려할 사항은 D, 상황에 맞게 고려할 사항은 W로 표기하였다. 각 요구사항에 대한 설명은 아래의 [표 4]에 기재하였다.

[[파일:요구사항.JPG]]

[[파일:제품 요구사항에 대한 설명.JPG]]

===개념설계안===
[[파일:개념설계안.JPG]]

‘후드 개량 및 집진기를 이용한 고기구이 음식점의 배출가스 저감’ 과제의 해결을 위한 개념설계안은 다음과 같다.

(1) 배출가스 저감을 도모하고자 하는 공간에 적합한 환기방식 및 최소환기량을 산정한다.
(2) 배출가스 저감 시설 도입 공간의 급기구와 배기구의 위치를 결정에 따라 덕트의 경로가 결정된다. 이때 실내 구조에 따라 결정된 덕트 경로에서 덕트의 크기 및 덕트의 연결을 위한 부속기구에
따라 덕트 내 저항을 산출할 수 있다.
(3) 배출가스 저감 방식으로는 사전에 진행된 개념설계 과정에서 채택된 후드 개량을 통한 기름받이 후드와 여과 집진 시설을 도입한다.
(4) 배출가스 저감을 위한 시설에서의 총 손실압력을 산출하여 최종적으로 환기에 필요한 송풍기 사양을 결정한다.

===이론적 계산===
====최소 필요환기량 계산====

환기 방식은 공기를 움직이게 하는 구동력인 압력의 차를 일으킬 때 기계력에 의존하는지의 여부에 따라 기계력에 의존 여부에 따라 기계 환기, 자연 환기로 분류한다. 자연 환기의 경우 기계동력을 필요로 하지 않기 때문에 에너지 절약의 관점에서 유리하지만 환기량이 불안정하고 제어하기 곤란하다는 단점이 있다. 따라서 본 설계에서는 기계 환기를 이용하여 고기구이 음식점 내부의 공기를 환기하도록 설계한다.
제 3종 기계 환기는 배풍기만을 써서 실내로부터 공기를 빼내고, 급기는 자연에 맡기는 방법으로 실내로부터 공기를 빼내 실내의 압력은 외부보다 작아진다. 따라서 배기구 외에는 공기가 외부로 유출되지 않는다. 이에 본 과제에서는 효율적인 배출가스 포집을 위해 제 3종 기계 환기를 채택하였다.
제 3종 기계 환기의 필요환기량을 계산하는 기준으로는 오염물의 허용농도를 많이 이용하고 있다. 실내의 어떤 오염물의 허용농도를 Pa[%]로 하고, 외기의 오염물 농도를 P0[%]로 한다. 또 실내에서 발생하는 오염물이 차지하는 양을 K[m3/h], 환기량 Q[m3/h]로 한다.

[[파일:실내의 오염물과 환기량의 관계.JPG]]

오염물농도의 물질수지에 의해 오염물을 허용농도 이하로 억제하기 위한 필요환기량은 다음과 같다.
[[파일:환기량 물질수지 식.JPG]]

[실내공기질 관리법 시행규칙-별표2]에 따라 이산화탄소 배출 허용 농도인 1000ppm을 공기오염물질 농도로 설정하였으며 오염 물질 발생량은 평상시 어른 1인당 이산화탄소 배출량인 0.021[m3/h]를 적용하였다. 외기오염물 농도인 실외 공간의 이산화탄소 농도는 기상청-종합 기후변화감시정보 시스템을 기반으로 400ppm으로 지정하였다.
이에 성인 1인당 필요환기량을 계산하는 과정은 다음과 같다.
[[파일:1인당 필요환기량 계산식.JPG]]

이때 가정한 음식점의 테이블 수는 10개이며, 4인 테이블을 기준으로 하고 음식점에서 일하는 종업원의 수를 고려할 경우 최대 50명의 인원이 동 시간대에 음식점에 체류한다고 가정할 경우 최소 필요환기량은 다음과 같다.
[[파일:최소 필요환기량 계산식.JPG]]

====덕트 구성====

가. 덕트 배치법
덕트 배치법은 간선 덕트 방식, 개별 덕트 방식, 환상 덕트 방식이 있다.

* 간선 덕트 방식은 1개의 주 덕트에 각 취출구가 직접 고정되는 방식으로, 시공이 용이하며 설비비가 싸고 덕트 스페이스가 비교적 적어 공조나 환기용에 가장 많이 사용된다.
*개별 덕트 방식은 각각의 취출구로 덕트를 통해 분산하여 송풍하는 방식으로, 각 실의 개별 제어성은 우수하나 덕트 스페이스를 많이 차지하고 공사비도 많이 소요되기 때문에 특별한 경우가 아니면 잘 사용하지는 않는다.
* 환상 덕트 방식은 2개의 주 덕트를 환(環)상으로 배치한 방식으로, 말단부에 위치한 취출구에서 송풍량이 불균형해지는 것을 방지할 수 있다.

본 설계에서는 환기시설에 가장 많이 사용되는 간선 덕트 방식을 채택하였다.

나. 덕트 치수 설계법
덕트 치수 설계 과정에서는 정압법을 사용한다. 정압법은 덕트의 단위길이 당 압력손실을 일정한 것으로 가정하여 덕트 치수를 결정하는 방법으로 덕트 내의 최대풍속을 정한다. 이 풍속에서 송풍기로부터 가장 멀리 떨어진 출구에서 필요한 풍량과 송풍할 때의 전체 저항손실을 산출한 뒤, 각 분기 덕트에 이르는 사이에 발생하는 저항이 앞에서 산출한 저항과 같도록 덕트의 치수를 결정한다.
주관인 장방형 덕트의 풍량은 1,800이므로 덕트의 치수는 530mm x 200mm나 340mm x 300mm 중에서 선택 가능하다. 덕트 설비의 설계기준에 따르면 장방형 덕트의 경우 가능하면 정방형이 되도록 하고, 덕트 단면의 종횡비(아스펙트비)는 4:1 이하로 제한하고 있다. 두 값은 모두 종횡비가 4:1 이하이기 때문에 정방형에 가까운 값인 340mm x 300mm를 채택하였다. 분기관인 원형 덕트의 풍량은 180이므로 100에서의 치수인 117mm과 200에서의 152mm 두 값을 비례식으로 계산한 결과 지름은 146mm이다.

====기름받이 후드====
가. 폴리에스터 점착제 부직포
직물의 공기투과도는 1cm의 수압에서 직물 1를 통하여 1초 동안에 통과하는 공기의 체적()을 의미한다. 이는 규정된 압력과 시간의 조건 하에서 시험편에 수직으로 통과하여 흐르는 공기 속도를 시험하는 것으로 초당 제곱센티미터 당 리터 또는 다른 동등한 단위로 나타낸다. 본 설계에서는 Fraizer법에 의해 측정된 통기성 값을 이용하여 선정 여과포의 적절성을 판단한다.
공기정화필터나 신발의 원자재 등의 산업자재로 사용되는 면직물들의 통기성에 대한 Frazier 실험결과폴리에스터 부직포의 경우 여타 산업용 면직물에 비해 월등히 높은 수치의 통기성을 지님을 알 수 있다.

나. 유증기 수집 방안

[[파일:포러스 코팅 후드 필터.JPG]]

제시하고자 하는 후드 필터는 핫멜트 점착제를 포러스 도포한 부직포를 필터로 사용하여 흡입된 가스로부터 유증기를 포함한 각종 오염물질을 제거한다. 전면 코팅이 아닌 포러스 코팅으로 하여 배기량에 영향을 최소화하며 폴리에스터 부직포를 소재로 하여 통기성을 확보한다. 부직포의 모양은 역원뿔 형태로 중력침강에 의해서 하부에 기름이 포집되도록 유도하였으며 지지대 역할의 구조체에 단순 탈착하는 방식을 사용한다.

====후단 여과 집진 시설====

여과 집진 장치에 사용되는 여과포의 재질에 따라 집진 효율이 달라진다. 필터의 장점과 단점을 고려하여 설계의 목적에 부합하는 Main-filter를 결정 후 Pre-filter의 후단에 설치하여 효율을 높이는 것을 목표로 한다.
[[파일:여과 필터의 장단점 비교.JPG]]

고기구이 음식점의 여과장치에 사용되어야 할 Main-filter는 경제성이 있어야 하고, PM2.5의 미세먼지에 대한 여과 효율이 높아야 하며, 제품을 교체하기 용이하여야 하며, 내화성과 내화학성이 뛰어나야 하고, 방향족 탄화수소 등의 물질에 대한 여과 효율도 어느 정도 나타나야 한다.
ULPA filter는 고효율의 저감 효율을 나타내기는 하지만 중소규모의 업소에 설치하기에는 경제성이 부족하고, POLYESTER filter와 POLYPROPYLENE filter는 내화학성과 내열성 둘 다 준수한 지표를 나타내지만, 특정한 산화 물질과 방향족탄화수소에 대한 효율이 비교적 떨어지는 것으로 나타났다. 그에 반해 HEPA filter는 쉽게 구할 수 있을 뿐만 아니라 경제성 또한 중소규모 점주들에게 부담스러운 가격이 아니고, 주로 저감하고자 하는 미세먼지의 저감 효율 또한 비교적 높은 것으로 나타났다. 따라서 이번 설계에서 사용하는 Main-filter로 HEPA filter로 선정한다.

가. HEPA filter

공기 중의 먼지 등을 제거하는 에어필터로 등급에 따라 0.3㎛의 입자에 대해 85%~99.975% 이상의 포집능력을 가지며 필터의 여과지는 주로 직경 1~10㎛ 이하의 유리섬유로 구성되어 있다. 입자의 크기에 따라 섬유조직에 의한 차단 및 충돌, 중력에 의한 입자침강, 입자의 브라운운동, 전기력에 의한 흡착 등을 이용하여 입자를 포집한다.

나. 활성탄소섬유필터

활성탄은 화학공업에 있어서 용제흡착, 회수와 탈색 분야에서 사용되었다. 종래에는 입상, 분말상이 중심이었지만 Cellulose계 원료를 탄화시킨 활성탄소섬유가 개발되어 여러 분야에 널리 사용되고 있다.
활성탄소섬유 필터의 특징은 다음과 같다.
* 흡착표면적이 입상 활성탄과 비교하여 크기 때문에 약 1.5~수배의 평균 흡착량을 가진다.
* 외표면적이 크고 실질적으로 흡착에 관여하는 세공이 섬유표면에 노출되어 흡착속도가 빠르다.
* 흡착과 탈착의 반복에 의한 성능열화가 적다.
* 섬유상이므로 가공(성형)성이 용이하다.

다. 필터배치방식

후단의 여과 집진 시설은 카트리지 형식으로 교체와 관리를 용이하게 하며, 3개의 여과지를 나열하여 효율을 극대화한다. 부직포 재질로 된 Pre-filter를 사용하여 전단의 후드에서 여과 되지 않은 입자상 물질들을 제거한 후에 높은 미세먼지 집진률을 보이는 HEPA필터를 이용하여 미세먼지를 저감한 후에 섬유상 활성탄으로 제작된 활성섬유 필터를 이용하여 악취의 저감을 도모한다.

====손실압력에 따른 송풍기 사양====

배출가스 저감을 위한 시설에서 발생하는 손실 압력은 크게 두 부분에서 일어난다.

* 관내 마찰 및 관로 구조에 의한 압력손실
* 여과포 통과에 의한 압력손실

가. 관내 마찰 및 관로 구조에 의한 압력손실

관내 마찰 및 관로 구조에 따른 압력손실의 경우 실제 설계 사양에 맞추어 계산을 진행하였다. 해당과정에 있어 사용된 식은 다음과 같다.

* 직관 덕트의 압력손실
[[파일:직관 덕트의 압력 손실.JPG]]
* 덕트의 국부압력손실
[[파일:덕트의 국부 압력 손실.JPG]]

해당 계산 과정에 있어, 직관 덕트의 압력손실 계산 과정에서의 마찰계수의 경우 덕트의 성분을 아연도 강판이라 가정에 따른 상대조도계수(Relative Pipe Roughness) 값을 구한다.
[[파일:상대조도계수 계산값.JPG]]

조도계수와 최소 필요환기량에 따른 각 관에서의 유량에 따른 레이놀즈수를 구한 후 무디 선도에 적용하여 각 관에서의 마찰계수를 구하였다.
[[파일:마찰계수 계산 결과.JPG]]

이를 이용하여 산출한 덕트 내부의 마찰과 구조에 의한 총 압력손실 값은 107.89mmAq이다.

나. 여과포에 의한 압력손실

여과포 압력손실의 경우 제조사에 따라 달라지므로 시장 조사를 통해 통상적으로 사용되는 값을 사용하였다
[[파일:여과포의 압력손실.JPG]]

다. 총 압력손실

덕트, 여과포에서의 발생한 손실 압력을 유속으로 변환 후, 송풍기와 연결된 관의 지름을 100mm로 가정할 경우 추가적으로 필요한 송풍량을 계산하였다.
덕트 구조에 의한 압력손실과 여과포에의 초기 압력손실에 따라 필요한 송풍량을 구하면 약 24CMM이며, 말기 압력손실에 따라 필요한 송풍량을 구하면 약 27CMM이다. 이를 앞서 구한 최소 환기량에 더해주면 설계에 필요한 송풍량은 약 60CMM으로 가정할 수 있다.
통상적으로 사용되는 환풍기 FAN으로는 설계에서 요구하는 만큼의 송풍량을 만족시키지 못한다. 따라서 시장 제품에서 점포용 환풍기 중 소형 고압팬을 설치하여 최소로 필요로 하는 송풍량을 만족시킨다.
소형 고압펜 적용에 앞서 전기 집진기와의 경제성 비교를 진행한다. 전기 집진기를 후단 여과 집진시설 대신에 사용하는 경우 초기 송풍량은 최소 필요 환기량에 따라 송풍량을 30CMM을 필요로 한다고 가정하였다. 이에 따른 경제성 비교는 다음의 [표 5]와 같다.
[[파일:환풍기 전력량 비교.png]]

본래 점포용의 환풍기가 아닌 소형고압팬은 기존에 사용되던 점포용 환풍기 보다는 많은 전력을 사용하지만 여과 집진시설 사용에 따른 압력 손실로 인해 손실된 풍량을 충분히 확보할 수 있고, 전력량 또한 기존 전기 집진 시설에 비해 효율적임을 볼 수 있다.
통상적으로 사용되는 HEPA filter를 장기간으로 사용하기 위해서 후드에서 전처리를 통해 유분을 제거하여 교체 주기를 증가시킴과 동시에 Main-Filter를 제외한 PRE-Filter와 활성 탄소 섬유 필터의 경우에도 재사용이 가능한 재질로 선정하였다. 전기 집진시설의 전력량과 초기 설치비와 비교하여서 경제성에서 우위를 점할 뿐만 아니라 다수의 여과 처리를 통한 효율성을 기대할 수 있다.

===조립도===
====예상 덕트 경로====
[[파일:예상덕트경로.JPG]]

덕트의 치수와 배치법을 고려하여 나타낸 예상 덕트 경로 도면이다. 설계 대상이 중소형 가게이기 때문에 가게 전체 면적을 150로 설정하였고, 계산 결과를 토대로 시판 중인 덕트 치수를 고려하여 주관인 장방형 덕트는 350mm x 300mm, 분기관인 원형 덕트의 지름은 150mm로 결정하였다. 마찰 손실을 최소화하기 위해 곡관을 최소화하였으며 분기관이 주관에 30 각도로 합류하도록 배치하였다.

====기름받이용 후드====
[[파일:기름받이용 후드.JPG]]

후드 도면은 후드 흡입경을 160mm, 내부관경을 100mm를 기준으로 하여 작성되었으며 필수구성요소를 제외한 일부 수치의 경우 적정 범위 내의 가정을 통해 산출하였다. 기름받이 필터의 직경은 유증기가 필터를 통과하지 못하고 사이로 빠져나가는 것을 방지하기 위해 내부관경과 동일한 수치로 설계하였으며 보조 기름받이 역시 필터에서 낙하하는 기름을 모두 담아내기 위해 같은 수치로 상정하였다. 또한 고무패킹으로부터 보조 기름받이까지의 높이차는 각각 10mm로 여유 공간을 두었고, 기름받이 미끄럼틀과 철 지지대의 경우 피타고라스의 정리에 따라 기하학적으로 타당한 수치를 확정하였다.

====카트리지형 여과 집진 설비====
[[파일:카트리지형 여과 집진 설비.JPG]]

본 과제의 목적은 중소 규모의 점포에서도 산업용으로 사용되는 여과 집진 시설의 과정을 사용하되, 공간을 최대한 효율적으로 사용하는 것을 목표로 한다. 위의 카트리지형 여과 집진 시설은 사용자가 손쉽게 충진재의 내용을 교체할 수 있으나, 위의 내용대로 설계를 실시한다면 차지하는 공간의 부피가 지나치게 커지게 된다. 따라서 카트리지 교체 형식의 방법은 따오되, 각각의 충진재를 송풍구로 향하는 파이프의 규격에 맞도록 여과 집진 시설에서 사용되는 filter를 사용하여 교체를 더욱 용이하게 하며, PRE filter의 경우 세척 후 건조를 통하여 재이용이 가능한 재질로 선정한다.

====최종 설계안====
[[파일:최종설계안.JPG]]

===자재소요서===
[[파일:자재 소요서.JPG]]

==결과 및 평가==
===완료작품 소개===
====프로토타입 사진====

가. 적용 모형도

[[파일:프로토 타입 적용 모형도1.JPG]]

[[파일:프로토 타입 적용 모형도2.JPG]]

나. 기름받이용 후드

[[파일:프로토 타입 기름받이용 후드.JPG]]

다. 카트리지형 여과 집진설비

[[파일:프로토 타입 카트리지형 여과 집진설비.JPG]]

====포스터====
[[파일:1조 포스터.jpg]]

===개발사업비 내역서===
[[파일:개발사업비 내역서.JPG]]

===완료 작품의 평가===
평가기준과 내용은 아래 표에 정리하였다. 이 때 각각의 평가 기준에 대한 평가를 등급별로 나누어 판단하였다. 등급은 조원들의 객관적인 평가를 합산하여 평균값으로 적용하였다. 평가 후 분석으로는 등급이 낮은 항목들에 대한 피드백을 진행하였다.
[[파일:완료작품의 평가.JPG]]

===향후평가===
# 설계 과정에 있어 적용하고 하는 설비의 규모 및 성능과 직결되는 것은 각 업장에서 발생하는 실제 배출 가스량으로 실제 설계 과정에서는 이를 고려하여 설계를 진행하여야 한다. 그러나 본 설계에서는 음식점 별 배출가스량 산정을 진행할 수 없어 음식점 시설 규모에 따른 최소 흡입량을 산정하였다. 음식점 시설 규모가 큼에 따라 수용가능한 인원이 증가하므로, 시설규모와 배출 가스량은 비례한다고 보았으나 보다 정확한 설계사양 산정을 위해서는 실 배출 가스량을 고려하는 것이 더 바람직할 것으로 고려된다.
# 환기량은 목적, 대상 및 환기방식에 따라 산정하여야 한다. 필요환기량의 경우 현재 국내에서는 「실내공기질 관리법」에 따라 규제 대상 시설의 경우 사용인원 당 필요환기량이 규제되어있다. 본 설계 과정에 있어서는 적용하고자 하는 시설인 고기구이 음식점의 경우 규제 대상이 아니므로 「실내공기질 관리법」에 따른 설계사양 산정에 적합하지 않아 대안적인 방법을 사용하였다. 주요 저감 목표로 하는 미세 먼지량을 기준으로 1인당 최소 필요 환기량 산정을 진행해야 했지만, 미세 먼지 배출허용기준 부재 및 실외 미세먼지 농도의 가변성 등으로 인해 적용에 한계가 있어 대안으로 이산화탄소 농도를 기준을 적용하였다. 이산화탄소의 경우, 미세먼지에 비해 인체에 미치는 영향이 비교적 많이 알려져 있으며, 실내 환기기준으로 사용하고 있어 이를 적용하였다. 이에 향후 과제 진행에 있어서는 미세먼지 발생량을 기준으로 하는 환기량 산정이 필요할 것이다.

==부록==
====참고문헌 및 참고사이트====

1) 국립환경과학원(2015) CAPSS 배출자료

2) 수도권대기환경청 안재현(2018) 수도권 대기오염 및 미세먼지로 인한 인체 위해성 저감방안 연구

3) 조선일보 윤수정(2019) “고기 구운 지 10분, 초미세먼지 농도 97→1013으로 뛰었다.”

4) 조현지(2017), 육류 직화구이에서 발생하는 유증기 미세입자 및 악취제어를 위한 저온 플라즈마의 작용

5) 김동영(2010), 직화구이 음식점에 의한 대기환경문제 개선 방안, Policy Brief, 1-13

6) 정동균(2017), 사이클론의 vortex finder 구조에 따른 미세먼지 집진효율에 관한 연구

7) 이영식, 전형주, 한형균, 정정조(2013) 오존발생기와 저온 유전체장벽 플라즈마를 이용한 오존발생 및 살균력

8) 농림수산식품교육문화정보원 농식품백과사전 작물농업 > 농기자재/비료

9) 환경부(2017), 음식점 대기시설 개선 연구용역 최종보고서

10) 김영민 외 1(2016), 식품 조리로 인한 실내공기오염 현황과 과제

11) 환경부 수도권대기환경청(2017), 2차 수도권 대기환경관리 기본계획 변경계획

12) 공개특허공보 제10-2017-0140886호(2017.12.22.) “유증기의 유류 제거장치”

13) 공개특허공보 제10-2018-0045713호(2018.05.04.) “직화구이용 미세먼지 저감장치”

14) 등록특허공보 제10-0980419호(2010.08.31.) “악취제거장치”

15) 각 시 도청의 환경 관리 부처, 직화구이 음식점 방지시설 설치 지원 사업 공고

16) JTBC 임지수, “고깃집 연기·냄새에 칼부림까지…주민과의 갈등 ‘활활’”

17) (주)해영([http://dreamforone.com/~hychem2r/bbs/content.php?co_id=carbon01]), 활성탄 흡착기술

18) (주)삼천리카보텍 활성탄 흡착활용 및 용도[http://www.activatedcarbon.co.kr/bin/minihome/neo_main758.htm?seq=9688&_aldo=152]

====관련특허====
1) 공개특허공보 제10-2014-0082166호, “점착제를 이용한 배기후드용 위생필터” 2014.07.02.

2) 등록특허공보 제10-1787478호(2017.10.12.) "후드 기름받이용 필터“

2023학년도 1학기

2023-06-16T02:14:07Z

2023adenv1: /* 2023년 1학기 */

==Course Information==

과목명 : [2023.1학기] 환경종합설계

담당교수 : 박승부 교수님

==Course Description==
다양한 환경분야의 현장 설비 및 시설 등과 관련한 설계와 운전인자 등을 학습하고, 개별 설계 교과목과의 연계를 통한 종합적인 환경시설의 설계를 다룬다.

==Ongoing Project==
===2023년 1학기===

*'''[[AlChem]]''' - 김현우(팀장), 나기문, 정용민 

*'''[[노이제로]]''' - 김*종 (팀장), 김*민, 서*범 

*'''[[요리조리조]]''' - 임** (팀장), 박**, 류** 

*'''[[B2A4]]''' - 이승제 (팀장), 김**, 서**, 심** 

*'''[[Bi5조]]''' - 윤** (팀장), 김**, 문**, 김**, 김** 

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==공지사항==
* 개인정보를 기재하지 않도록 유의하시기 바랍니다.
* 조별 계정(ID, PW)를 조장에게 문자공지하였으니 확인하여 작성해주세요.
* 사용자 매뉴얼은 [[파일:수강생용매뉴얼.pdf]] 참조하십시오.

파일:개발 과제 개요.png

2023-06-16T02:10:44Z

2023adenv1: 개발 과제의 개요

개발 과제의 개요

파일:그림1.png

2023-06-16T02:07:27Z

2023adenv1: 2023adenv1님이 파일:그림1.png의 새 판을 올렸습니다

황의조

2023-06-16T02:00:51Z

2023adenv1:

<div>__TOC__</div>

==프로젝트 개요==
=== 기술개발 과제 ===
''' 국문 : ''' 빅데이터 및 예측 모델기반 유해 화학물질 대체제 발굴

===과제 팀명===
AlChem

===지도교수===
박승부 교수님

===개발기간===
2023년 3월 ~ 2023년 6월 (총 3개월)

===구성원 소개===
서울시립대학교 환경공학부 20198900** 김현우(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20188900** 나기문

서울시립대학교 환경공학부 20188900** 정용민

==서론==
===개발 과제의 개요===
====개발 과제 요약====

본 Safe-by-Design (SbD) 프레임워크는 빅데이터와 인공지능을 기반한 GenRA 와 EPA TEST 를 활용하여 비슷한 구조를 가진 화학물질들의 독성을 예측함. 현재 쥐 실험 기법과 같은 전통적인 실험의 한계로 높은 비용 및 소요 시간, 충분하지 못한 독성 데이터가 존재하는데 , 본 설계 프레임 워크를 사용시 대량의 화학물질을 빠르고 비용 효율적으로 물질의 유해성 평가를 수행 가능하며 독성 정보가 없는 기존 물질 및 신규 물질의 평가에 있어서 유용하게 활용 가능함.

====개발 과제의 배경 및 효과====
◇ 개발 과제의 배경
환경부와 한국환경산업기술원은 상·하수도 분야의 기술혁신을 위해 환경기술개발사업에 2019년부터 2025년까지 7년간 총 1,882억원(국고 1,357억원, 민간 525억원)을 투자할 방침입니다. 두 기관은 환경기술개발사업 추진을 통해 기후변화, 산업활동, 생활환경 변화 등으로 발생하는 물관리 쟁점에 대해 체계적으로 대응함으로써 국민 물복지 증진에 기여하고자 하고 있습니다. 위 사업의 핵심적인 분야는 세 가지입니다. 첫째 상·하수도 분야에서 글로벌 수준의 기술경쟁력을 확보하여 신종 및 미량오염물질 최적관리 기술 개발을 통해 먹는물 안전성을 강화시킬 예정입니다. 둘째 상·하수도 지능형 관리 기술을 개발하여 상·하수도 운영 효율을 향상시킬 전망입니다. 마지막으로 에너지 소비량이 많은 폭기장치, 에너지 절감형 하수찌꺼기(슬러지) 처리 시스템 등 핵심 기자재의 저에너지·고효율 국산제품을 개발해 에너지 절감 및 온실가스를 감축하려는 목적입니다.
저희는 특히 저에너지·고효율 설비 개발부분에 집중했습니다. 두 기관은 설비 개발을 통해 핵심기자재를 모두 국산화 하고 에너지 소비량 또한 20% 절감할 목표입니다. 이에 현 수처리 프로세스 중 급속 혼화지의 혼화장치에 사용되는 동력을 저감할 수 있을 것으로 보입니다. 이를 통해 수질의 안정성은 유지시키되 에너지를 줄여 고효율화 급속 혼화지를 개발하기 위해 노력할 것입니다.

◇ 개발 과제의 효과
현재 국내에서 보편화된 기계식 급속 혼화장치는 임펠러의 회전속도에 따라 응집제의 손실, 동력장치 사용 등으로 인한 에너지 소비 및 소음문제와 진동문제 등의 이유로서 유지관리 차원에서 문제가 있습니다. 또한 설계과정에서 발생할 수두 손실에 대한 계산을 정량화하기 또한 어렵기 때문에 합리적인 교반강도를 정하기 어렵다는 단점이 존재합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 저희는 무동력 급속 혼화조를 설계할 것입니다.
응집제의 반응 동력학을 이용한 순간 혼화방식으로 혼화효과를 보장하는 것은 혼화·응집 공정의 육안 관찰이 어려운 문제와 혼화강도의 정량화 문제를 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 통해 이뤄질 수 있습니다. 무동력 급속혼화조를 성공적으로 설계한다면 급속 혼화에 쓰이는 에너지 및 유지보수비 절감 차원에서 기존 기계식 급속 혼화장치의 단점을 개선할 수 있을 것입니다. 즉 궁극적으로 급속혼화지의 기자재에 국산제품을 사용할 수 있고 에너지 소비량을 감축할 수 있을 것입니다.

====개발 과제의 목표 및 내용====
◇ 개발 과제의 목표
정수처리장은 국민에게 깨끗한 물을 공급해야하는 장소이니만큼 양호한 수질을 유지하는 것을 기본으로 할 것이고 동시에 저희는 무동력 급속 혼화지를 설계하여 정수처리장의 저에너지·고효율화에 기여하고자 합니다.

◇ 개발 과제의 내용
기존 급속혼화지와 동일한 수질을 유지하면서 운영 가능한 무동력 급속혼화지를 설계한다.
설계한 무동력 급속혼화지를 통해 감축된 에너지를 정량적으로 계산하여 과제를 평가한다.

===관련 기술의 현황===
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
*전 세계적인 기술현황
◇ 혼화 메카니즘에 따른 혼화 방식의 분류

혼화 메카니즘에 따른 방식으로는 크게 교반강도는 강하게 하고 체류시간을 짧게 하여 흡착-비안정화를 유도하는 방식과 교반강도는 비교적 약하나 체류시간을 다소 연장시키는 sweep방식이 있으며 원수의 pH를 조정하여 용존유기물질 제거율을 향상시키는 enhanced coagulation방식이 있습니다. 일반적인 원수의 경우 흡착-비안정화를 유도하는 방식이 유리하나 우리나라의 경우 대부분 sweep방식에 의존하고 있습니다. 이러한 이유는 여러 가지가 있겠으나 상수도시설기준에서 교반강도에 대한 언급이 없고 혼화시간은 1~5분간을 제시하고 있는 이유가 첫 번째이며, 두 번째는 교반강도나 체류시간에 대한 그간의 연구가 있었으나 시설기준을 변경하고 실 정수장에 도입 가능한 정도의 연구는 없었기 때문입니다.

◇ 교반 방식에 따른 교반기별 특징

혼화지는 혼화지내에 교반기를 설치하여 응집제를 혼화시키는 방법인 Agitated Tank, 별도의 혼화지 없이 유입관 내에 응집제를 투입하여 혼화하는 관내 혼합방식, 낙차 또눈 도수에 의한 Hydraulic mixing방식, 공기혼합방식 등이 있습니다. 우리나라의 경우는 대부분 획일적으로 Agitated Tank 방식을 적용하고 있으나 Agitated Tank 방식은 단회로 발생 가능성이 높고 혼화효율이 낮은 단점을 갖고 있습니다. 최근에 선호되고 있는 방식은 관내혼합방식으로서 혼화효율이 높고 유지관리비가 적게 드는 장점을 갖고 있습니다.

*특허조사

◇ 무동력 관내 혼화기 (Non-powered in-line mixer)

[[파일:무동력관내혼화기.PNG]]

개요 : 본 발명(특허)은 원수가 유입되는 원수유입구, 약품이 투입되는 약품투입관, 상기 약품투입관을 통해 투입된 약품을 분사하는 약품분사관을 포함하는 액체유입관, 상기 액체유입관과 연통되게 일체로 형성되며, 액체유입관에서 유입된 원수와 약품을 혼합하는 혼합실이 복수개로 형성되고, 혼합액을 유입하는 혼합액유입구와 상기 혼합액을 배출하는 혼합액배출구를 포함하는 혼합관, 상기 혼합관과 연통 되게 일체로 형성되며, 상기 혼합된 원수와 약품을 배출하는 배출구를 포함하는 액체배출관을 포함합니다.

◇ 무동력 와류 장치 (Non-powered device for vortex)
[[파일:무동력와류장치.png]]
[[파일:무동력와류장치2.png]]

개요 : 이를 위한, 위한 본 발명의 무동력 와류 혼화장치는, 원수를 응집제와 혼화시켜 응집조로 공급하는 혼화 장치에 있어서, 본체의 하단에 원수와 응집제가 유입되는 원수 유입부가 형성되고, 상단에 혼화수 배출부가 형성되고, 본체의 내벽과 이격되어 본체 내벽과의 사이에 유로를 형성하도록 원수 유입부 상부에 수평 설치되며, 적어도 일단부에 외측으로 하향 절곡된 절곡부가 형성된 플레이트가 적어도 2개 이상 상하 이격되도록 설치되며, 본체 내벽에 단부가 밀착되도록 수평 설치되고, 중앙에 중공부가 형성되며 중공부 둘레의 적어도 일측이 내측으로 하향 절곡된 프레임이 플레이트 간에 수평 설치됩니다.

◇ 회전류를 이용한 무동력 혼화장치 (Mixing apparatus using a rotary flux) - 한국수자원공사 (2008.10.08.)
[[파일:회전류를이용한무동력혼화장치.png]]

개요 : 본 발명은 정수 장치나 폐수처리 장치 등의 수처리 장치에서 원수와 약품을 혼화시키는 경우 원수의 유입력에 의하여 혼화될 수 있는 회전류를 이용한 무동력 혼화장치에 관한 것으로, 상부에 원수 공급구 및 응집제 주입구가 형성된 원통형상부통과, 이 상부통에 연이어 형성되고, 경사면을 가지고 형성되어 있는 하부통과, 그리고 이 하부통의 중심에서 연이어 형성된 출구가 형성된 혼화장치에 있어서, 상기 혼화장치의 상부통에 형성된 원수 공급구 및 응집제 주입구는 콜리올리 효과를 얻도록 원수나 응집제가 투여되는 방향이 오른쪽으로 편향되게 구성되어 있는 것을 특징으로 하며, 또한 상기한 회전류를 이용한 무동력 혼화장치 내부에 방사형으로 형성된 배플이 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있습니다.

*특허전략

◇ 현재 특허 출원된 무동력 혼화장치를 살펴보면, 무동력을 달성하기 위한 원리와 목적은 대체로 비슷하나, 특허 별로 무동력 혼화장치의 설계도가 각기 다른 형태를 띠고 있습니다. 혼화장치별로 설계가 다른 만큼 물의 흐름 방향(벡터)와 유속이 다름을 확인했으며, 이런 설계별 유속 및 흐름 분포의 차이에 중점을 둠으로서 설계도면 제작 시 가장 효율이 높은 새로운 도면을 기획할 예정입니다.

*기술 로드맵

[[파일:기술로드매앱.png]]

====시장상황에 대한 분석====
*경쟁제품 조사 비교
◇ 수직축 임펠러를 이용한 기계식 혼화지
응집제의 순간혼화가 불가능해 30 ~ 40% 정도의 응집제를 과잉투입합니다. 임펠러의 회전속도에 따라 응집제의 손실과 동력 장치 사용으로 인한 진동 및 소음 문제, 전력소모 등의 유지관리 문제가 있고 또한 설계과정에서 발생할 손실 수두를 정량화할 수 있는 방법이 없어 정수장의 혼화효율을 정확하게 얻을 수 없는 단점이 있습니다. 안전한 수생산과 생산비용 측면에서 부족한 점이 있습니다.

◇ 무동력혼화지의 구조 1
응집제의 부분적 혼화로 인한 효율 저하를 방지하기 위해 플레이트와 프레임의 각 날개는 수평면을 기준으로 30°로하고 다수의 통공을 뚫어서 원수에 대한 저항을 최대화해 순간혼화를 가능하게 합니다. 유입구, 내부순환부, 배출구로 3부분이며 내부순환부는 총 3단으로 구성되었습니다. 1단에서는 통공 주변에서 와류가 형성되고 2단에서는 절곡부분을 부딪쳐 빠져나오면서 저항이 커져 와류가 형성되면서 유속이 증가하여 혼화가 잘 이루어집니다. 2단을 통과한 원수는 1단과 동일한 형상으로 제작된 3단을 통과하여 최종 혼화수가 중앙에 모여 배출되는 형태이고, 내부 구조물 때문에 발생하는 압력손실을 최소화하기 위해 출구 면적을 입구면적 대비 130% 크게 하는 구조입니다.

◇ 무동력혼화지의 구조 2
두개의 입구와 하나의 출구를 통하여서 다른 입구를 통해 들어온 두 유체가 관 내부에서 혼합되어 출구로 나가는 모습입니다. 관 안에 오리피스 3개가 들어 있는 구조로, 첫 번째 오리피스와 세 번째 오리피스는 같은 구조이며 가운데 오리피스만 가운데 구멍이 뚫린 구조로 되어 있습니다. 오리피스의 구멍을 통과하면서 흐름이 형성되어 혼화가 잘 이루어지게 됩니다.

*마케팅 전략 제시
◇ 정부의 개발목표에 포커스를 맞춘 설계인 만큼 정부기관에 적극적으로 접촉을 하고, 불발될 경우 하도급업체에 아이디어를 넘기는 식으로 마케팅을 할 수 있습니다.
◇ 기존 기계식혼화지 대비 응집제 저감 정도와 에너지 저감 정도를 중점으로 홍보합니다.
◇ 3C분석 : 고객, 자사, 경쟁사를 통해 분석, 즉 Customer(시장동향, 표적시장, 고객의 요구 등), Competition (상대적 경쟁력, 경쟁사, 강점과 약점), Company(자사의 현황, 자사의 강약점, 목표) 3가지로 분석하는 것 입니다.
Customer : ⦁현재 물 시장은 세계적으로 7,139억불(16년 기준)이며 연평균 3%정도의 성장세가 예상됩니다.
⦁한국의 경우 스마트 물관리 육성전략의 일환으로서 물 관련 부품에 대한 기술경쟁력 상승을 목표로 하고 있으며 정부 차원에서의 지원이 들어가고 있습니다. 실제로 우리 정부는 2018년부터 2024년까지 상수도 시스템 효율화 및 경쟁력 강화 차원에서 7년간 1,552억을 투자한다는 것을 알렸습니다.
⦁우리의 제품이 시장에 나왔을 때 주 고객은 기존의 혼화공정을 사용하고 있는 혹은 새롭게 상 하수 처리장을 운영하려는 사람으로서 국가 정책 및 기준에 따라서 맞는 수질의 물을 생산 및 방류하고 가격을 최소화 하는 것이 목표로 하고 있습니다.
Competition : ⦁경쟁 목표는 기존에 적용중인 혼화조 기술로 생각하고 있습니다.
⦁기존의 제품들은 방류수에 대하여 확실한 수질을 보장하게 해주는 장점이 있습니다.
⦁모터를 사용함으로서 소요되는 에너지 비용은 가격경쟁력 부분에 영향을 주며, 상하수도 요금 현실화율을 낮게 만드는 원인중 하나입니다.
Company : ⦁우리가 목표로 하고 있는 것은 기존 혼화지의 개선을 통해 저에너지 고효율을 보장하는 것을 목표로 하고 있습니다.
⦁기존 제품들의 도입을 보았을 때 자사가 가장 우선시하여야 하는 것은 혼화조에서의 확실한 교반을 통한 방류수의 안정적인 수질 공급이라고 볼 수 있습니다.
⦁고로 방류수 및 에너지 절감에 대한 정량적인 자료를 제시함이 분명하여야 하고 이것이 기존의 혼화조를 대체하는 데 드는 비용 및 기타사항을 고려하였을 때 충분한 가치가 있다는 것을 제시하여야 한다고 생각합니다.

===개발과제의 기대효과===
====기술적 기대효과====

◇ 기존의 급속혼화공정과 비교 시 동일한 수준의 수질을 보장하면서 에너지를 절감할 수 있습니다.

[[파일:비교 표.jpg]]

위 표는 동일한 호수를 취수원으로 사용하는 A정수장과 B정수장에 대한 수질 비교표입니다. 앞선 조사는 2014~1016년 동안 시행되었습니다. A정수장은 기존의 혼화장치를 전부 다 무동력 와류 혼화장치로 대체하여 운행을 실시하였고 B정수장은 급속혼화장치를 사용하고 있습니다. 위의 표에 나타나듯이 A, B 두 정수장의 배출수에 대해서 수질차이는 크게 존재하지 않으며, 방류수 수질 기준에 잘 들어맞고 있습니다. 또한 A는 동력을 소비하지 않는 과정으로 기존 급속혼화장치를 사용하기 위한 동력소비량 64,143~65,306 kWh/년 의 에너지(B정수장의 사용량)를 절감할 수 있다고 판단할 수 있습니다.
◇ 에너지 절감 및 이로 인한 예산 절감 효과
2011년 대전 월평 정수장은 하루 35만톤 정도의 물을 생산하는데 혼화지의 급속혼화기를 사용하지 않고 무동력 와류 혼화장치를 설치하여 연간 에너지 사용량 525.6MWh를 줄여 전력비로는 연간 4천 204만 8천원을 줄일 수 있었다는 조사결과도 있습니다. 또 여기에 급속혼화기를 유지관리 하는 비용도 연간 5천만 원 정도 줄일 수 있고 G값 상승효과에 따른 약품비 또한 절감되어 실제 저감되는 예산의 양은 연간 1억 원을 상회할 것 이라는 예측이 가능합니다.
이 외에도 소음발생을 저감시켜 근무환경이 개선되고 기후변화 협약, 고유가 등 에너지 환경 문제에도 적극 대응할 수 있을 것입니다. 이러한 혼화장치를 전국으로 확대시킨다면 실제 저감할 수 있는 에너지나 예산은 무궁무진할 것입니다.

====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====

◇ 정부의 개발목표에 부합하는 설계물로, 실효성이 입증된다면 정수장이나 폐수처리장에서의 무동력 혼화지 사용을 권장함으로서 국가적인 규모로 쓰일 가능성이 있으며, 사회적 파급효과가 클 것으로 예상됩니다.
◇ 응집제 투입량을 3~40% 줄이고 에너지 소비량을 기존의 20%가량 절감하게 되면 경제적으로 큰 경쟁력을 가지게 될 것입니다.

===기술개발 일정 및 추진체계===
====개발 일정====
[[파일:개발일정.jpg]]

====구성원 및 추진체계====
[[파일:구성원.JPG]]

==설계==
===설계사양===
====제품의 요구사항====
[[파일:제품 사양.JPG]]

====설계 사양====
[[파일:1234.JPG]]

===개념설계안===

아이디어 개념설계를 할 때 중점을 둔 것은
◇ 기존의 수직축 임펠러를 제거해 무동력을 달성한다.
◇ 30~40% 과다 투입되는 응집제의 양을 줄이며, 적당량의 응집제만으로 교반이 이루어져야 한다.
◇ 아이디어를 통해 교반의 효율을 높인다.
였으며, 위 내용을 바탕으로 팀원과 함께 해당 설계에 적용할만한 아이디어를 제시한 결과, 다음과 같은 안을 제시했습니다.

◇ 세탁에 사용되는 세탁 볼을 응용하여 혼화지 유입구 부분에 Mixing Ball을 설치하여 응집제 mixing
을 도움

[[파일:믹싱볼.JPG]]

- 평면도에서 볼 수 있는 것과 같이 많은 부분에 와류를 일으키는 물체를 위치시켜 여러 곳에서의 와
류를 도모합니다.
- 물체를 매다는 끈의 길이를 다양하게 하여 물의 진행방향 중 여러 곳에서 교반이 일어나게 합니다.
- 매단 물체에도 구멍을 여러 방향으로 뚫어 물이 물체를 통과하는 와중에도 와류가 생길 수 있도록
합니다.

===상세설계 내용===
내용
[[파일:조립도1.JPG]]

◇ 위 조립도는 ➁Mixing Ball을 이용한 무동력 혼화지의 정면도와 평면도이며 ➂줄과 Mixing Ball을 약품이 유입되기 시작하는 부분의 ➀아크릴 수조 내벽(너비 300mm × 길이 400mm × 높이 300mm)에 설치합니다. ➁Mixing Ball을 설치시에는 줄의 길이가 물의 흐름이 고루 섞일 수 있도록 다양한 길이(30mm ~ 150mm)로 설치합니다.
※ ➀아크릴 수조에 ➂줄을 먼저 설치한 후 줄과 ➁Mixing Ball(10mm or 20mm)을 연결함으로서 약품이 유입되었을 때 물의 흐름에 의한 ➁Mixing Ball의 교반이 일어나고 이로 인해 약품의 혼합이 이뤄집니다.

◇ 그 후 ➀아크릴 수조에 글루건을 이용해 ➃아크릴 판으로 지붕(너비 300mm × 길이 350mm)을 설치합니다. 이 지붕은 물이 ➀아크릴 수조 밖으로 범람하지 않고 유입된 물이 배출경로로 나갈 수 있도록 하기 위해서입니다.

◇ ➀아크릴 수조에 부착된 ➃천장 정가운데(350mm 천장에서 양쪽으로 175mm 위치)에 글루건을 이용하여 ➄아크릴 판을 설치해 유입되는 물의 흐름이 아래로 내려갔다가 다시 올라오며 반대쪽 유입구로 나오는 구조를 만듭니다.

◇ 유입구에서 물의 유속이 일정하게 유입되게 하며, 물의 흐름이 모든 면에서 균일하게 흐르게 하기 위해 ➅쓰레받기를 아크릴 수조의 유입구 부분에 경사가 30°가 되도록 글루건(혹은 끈)을 이용해 설치합니다. 유입 유량의 경우 유량 조절, 파이프의 수압 조절을 통해 조절할 수 있습니다.

==결과 및 평가==
===완료 작품의 소개===

가. 프로토타입 사진

◇ 프로토타입은 초기의 조립도와 달리 양 옆에 설치된 것을 제거하였습니다.
(실험 조건을 만족하기 위해 부득이하게 제거)
◇ 물의 균등한 분배를 위해 위에서 수도 등의 방법을 이용하여 물을 균등하게 넣기 위한 노력을 했습니다.
◇ 완성된 프로토타입 사진은 다음과 같습니다.

====포스터====

[[파일:포스터.JPG]]

===관련사업비 내역서===
[[파일:관련사업비.JPG]]

===완료작품의 평가===

[[파일:캡쳐1223.JPG]]

※개발과제 총평 : 현실적인 제한조건 때문에 정확한 실험과 측정을 할 수 없었지만 새로운 아이디어의 가능성을 확인할 수 있는 적절한 모의 실험을 고안했고, 유의미한 값을 얻었으므로 아이디어를 지속적으로 개발시킨다면 효과적인 결과물을 얻을 수 있을 것으로 사료된다.

===향후계획===
내용
모의실험을 수행한 결과, 실험의 최우선 목표인 시료의 교반 정도에서는 실질적인 차이로 보여 교반에 도움이 될 수 있음을 확인했습니다. 다만 고려할 사항으로

◇ 줄이 엉키는 부분에 대해서는 해결방안을 강구할 필요가 있었다.
◇ 교반에 대하여 공학적인 계산을 위한 프로그램 설계 및 유체의 흐름을 파악하기 위한 기술 연구의 필요성이 존재한다.
◇ 최적의 Mixing Ball의 크기와 형태에 대한 연구가 필요하다.

위의 개선사항들을 수정한다면 아이디어는 충분히 시장에서 사용 가능할 것으로 사료됩니다.

2023학년도 1학기

2023-06-16T01:33:42Z

2023adenv1: /* 2023년 1학기 */

==Course Information==

과목명 : [2023.1학기] 환경종합설계

담당교수 : 박승부 교수님

==Course Description==
다양한 환경분야의 현장 설비 및 시설 등과 관련한 설계와 운전인자 등을 학습하고, 개별 설계 교과목과의 연계를 통한 종합적인 환경시설의 설계를 다룬다.

==Ongoing Project==
===2023년 1학기===

*'''[[AlChem]]''' - 김현우(팀장), 나기문, 정용민 

*'''[[팀명]]''' - 팀장, 팀원1, 팀원2, 팀원3, 팀원4 

*'''[[노이제로]]''' - 김*종 (팀장), 김*민, 서*범 

*'''[[요리조리조]]''' - 임** (팀장), 박**, 류** 

*'''[[B2A4]]''' - 이승제 (팀장), 김**, 서**, 심** 

*'''[[Bi5조]]''' - 윤** (팀장), 김**, 문**, 김**, 김** 

: ※ 이 페이지에서 팀명을 먼저 수정한 후, 그 팀명을 클릭하여 문서작성을 시작하시기 바랍니다. (문서 본문 등 작성 후에는 팀명 수정이 안되는 것으로 보임)

==공지사항==
* 개인정보를 기재하지 않도록 유의하시기 바랍니다.
* 조별 계정(ID, PW)를 조장에게 문자공지하였으니 확인하여 작성해주세요.
* 사용자 매뉴얼은 [[파일:수강생용매뉴얼.pdf]] 참조하십시오.