털어서 먼지 안 나오는 조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 도심 건설현장 비산먼지 저감을 위한 미분사식 순환형 시스템 개발

영문 : Development of Fine-spray Circulation System for reducing Fugitive Dust at Urban Construction Sites

과제 팀명

털어서 먼지 안 나오는 조

지도교수

000 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 박**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 윤*

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 정**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

 최근 국내의 미세먼지 농도가 강화되어 이에 대한 문제 인식이 확산되면서 미세먼지를 저감할 수 있는 방안이 많이 제시되고 있다. 기상현상에 의해 유입되는 미세먼지는 국내 해결이 어렵기 때문에 현재는 국내에서 발생하는 미세먼지를 저감하는 것이 주로 이루어지고 있다. 
미세먼지 발생원인 중 건설 및 철거 현장은 PM10 배출량의 약 22%로 많은 비중을 차지하고 있다. 이에, 본 과제에서는 “도심 속 건설현장에서 발생하는 집중형 및 분산형 비산먼지의 현장 제거 및 외부 확산∙이탈 방지 장치 개발”을 통해 건설 현장 근로자와 인근 주민들의 건강 및 민원 및 고려하는 해결방안을 모색하고자 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

◆ 인구와 산업, 교통량 등이 밀집한 도심지의 배출 오염원 특성 및 형상이 다원화되고 최근 “미세먼지”에 관련한 대국민 관심도가 높아지는 가운데 효과적인 정부 정책 및 대책 마련의 필요성이 커지고 있다. 2014년 대기환경보전법 개정으로 미세먼지로부터 국민 건강 보호를 위해 대대적 언론 보도가 시작되었고, 미세먼지에 대한 시민들의 관심도가 증가했다.

◆ 현행 ‘대기환경보전법’에서 미세먼지 중 일정한 배출구 없이 대기 중에 직접 배출되는 미세먼지를 ‘비산먼지’라고 총칭하고 있으며 도시에서 발생하는 비산먼지의 22%가 건설업에서 발생한다.

◆ ‘건설 현장(재개발과 재건축, 대형건물의 신축공사 등)’에서 발생하는 비산먼지에 대한 시민들의 피해 및 민원 발생이 증가하고 있으며 사업장마다 관리 강화를 통한 쾌적한 환경조성의 필요성이 대두되고 있다.

◆ 이에 본 연구의 선행조사로 건설사업장마다 방진벽, 방진 덮개, 살수 시설, 세륜 시설 등 비산먼지에 대한 지속적인 관리방안이 연구되고 있음을 확인하였으나 비산먼지를 원천적이고 장기적으로 관리하는 시설은 아니다.

◆ 건설현장의 비산먼지는 주로 1) 건설 장비의 이동 및 적재물의 상역과 하역 등 미세먼지의 발생 위치가 설비에 집중된 집중형 비산먼지 발생, 2) 공사 도중에 동시다발적이고 국소적으로 여러 곳에서 발생하는 분산형 비산먼지 발생으로 나누어질 수 있다.

개발 과제의 목표와 내용

본 설계의 목적은 “도심 속 건설현장에서 발생하는 집중형 및 분산형 비산먼지의 현장 제거 및 외부 확산∙이탈 방지 기술 연구 및 개발”이다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◆ 소형화

 본 설계에서는 장치의 소형화와 조립식화를 고려하고 있다. 소형화를 위해 흡입력과 내부 장치에 대한 더 세밀한 설계가 요구될 것으로 생각된다. 또한 건설 현장 규모에 맞는 설계가 필요할 것으로 보인다. 소형화를 통해 설치와 이동 편의성을 확보할 수 있을 것이고 기존 건설현장 대비 소형화된 설비 도입으로 경제성을 높이려고 한다.

◆ 고효율 달성

 단순 살수의 효율은 50%에 불과하지만 본 설계 장치에 사용될 미분사식 살수는 75%의 효율을 갖는다. 또 단순 먼지 침강에 그치지 않고 미세먼지를 함유한 물 입자를 흡수 후 집진 장치를 이용해 먼지를 분리하여 재비산을 방지할 것이다. 이에 우리는 90% 이상의 저감효율을 달성하는 것이 목표로 하고 있다.

◆ 부수적 효과

 살수와 흡입의 복합적인 방법을 동원한 비산먼지 장치에 대한 연구개발 참고자료로 쓰일 수 있을 것으로 기대된다. 또한 공사장 내의 공기 흐름을 파이썬을 이용해 가우시안 플룸 모델로 파악하는 것을 추가로 이용하면 건설 현장 내 설치 장소의 최적화도 진행 할 수 있을 것으로 생각된다.

경제적 및 사회적 파급효과

B/C 분석 결과 값이 3.5정도로 비용대비 편익이 클 것으로 예상되어 경제적인 효과가 있을 것으로 기대된다. 공사장 근로자 분들의 근무환경 개선 및 주변 시민들이 쾌적한 생활에 도움을 주며 이전에 비해 민원 발생률이 감소할 수 있을 것이다. 주변 거주민 및 시민들의 비산먼지 및 유해물질의 직접적인 호흡기 유입을 차단함으로써 시민의 건강을 유지하는데 기여할 수 있을 것이다.

구성원 및 추진체계

◆ 과제 업무 분장 계획

◆ 과제 수행 일정 계획

설계

설계사양

◆ 제품 요구사항

이번 설계를 통해 개발하고자 하는 제품의 요구사항을 정리했다. 반드시 만족시켜야 하는 사항은 D, 반드시 만족시켜야 하는 사항은 아니나 희망하는 사항은 W로 표기했다. <표 7>

관련 제품 요구사항에 관한 설명은 다음과 같다. <표 8>

◆ 목적 계통도

본 설계에서 필요한 제품 요구사항을 반영한 목적 계통도는 다음과 같이 나타낼 수 있다. <그림 14>

◆ 설계 모형

본 장치의 본체는 공기 흡입구와 배출구, 노즐이 달린 물 분사 관, 내부에 스크러버 폴링 도류벽이 있는 직육면체 모양이다.<표 9><그림 15>

개념설계안

건설현장의 비산먼지를 제거하기 위한 본 설계의 설계 장치의 구성은 살수를 통해 미세먼지를 흡수시키는 (1)살수부, 외부의 공기를 장치내로 흡입하는 (2)공기 흡입부와 수분을 포함한 공기의 수분을 선별 및 강하시키는 (3)도류부로 나누어진다. 본 장치에서의 작동 방식은 이 두 가지 구성의 조합에 의해 결정된다. 연결된 펌프를 이용하여 물을 상부로 끌어 올린 후, 상부에서 공기 중으로 작은 크기의 수분을 분사한다. 이를 미분사식 분사라고 하며, 분사하는 수분의 최적 직경은 0.5mm이다. 이 수분은 대기 중 비산먼지를 포집하고, 장치의 공기 흡입기에 의해 장치 내부로 이동한다. 도류부는 장치 내부에 존재하는 구조이며, 스크러버 폴링을 도류벽 구조로 설치하였다. 이는 외부에서 비산먼지가 포집된 수분을 효과적으로 선별 할 수 있는 효율을 증대시킬 수 있도록 했다. 장치 내부의 후단에 공기 배출부에는 백필터를 설치하여 먼지를 여과하여 배출되는 공기의 미세먼지를 최소화 하도록 했다. 설계 장치를 통해 건설현장에서 발생한 오염된 공기 중 비산먼지가 포집되어 제거되고 깨끗한 공기가 장치 우측 하단의 배출구를 통해 배출되고 비산먼지가 포집된 수분은 장치 하부로 떨어져 이후 건설 현장 폐수와 함께 일괄적으로 처리한다. 장치의 하단부에는 바퀴가 장착되어 있어 장치의 운반, 각 부분들이 조립형으로 되어 있어 장치의 소형화 또는 대형화가 용이하다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◆ 공기 흡입량 계산

공기흡입기가 공기를 흡수하는 원리는 기압차를 이용하는 것이다. 모터, 팬의 회전을 통해 공기를 외부로 방출시키면 상대적으로 내부의 기압이 낮아져 외부에서 내부로 공기가 들어온다. 이 원리를 이용하여 살수된 물과 그로 인해 포집된 비산 먼지를 공기로 흡입시키고자 한다. 이때 사용되는 식들은 다음과 같다. (식 1)(식 2)

위 표는 분진 종류에 따른 닥트 내부의 운송속도를 나타낸 표다. 우리가 다루는 분진은 건설 현장에서 발생하는 분진이므로, 주로 기타에 포함된 모래 또는 시멘트분진이다. 하지만 실제 팬에서의 토출 속도가 약 25m/s를 초과할 경우 팬의 날개가 고장의 우려가 있으므로 팬에서의 흡입속도는 20m/s로 산정하고 닥트에서의 직경을 줄여 내부에서 속도를 늘리고자 한다. 하지만 실제 운영 시 팬에서의 최적 흡입속도는 실험을 통해 정확한 값을 구해야 한다.
우리가 설계하고자 하는 장치의 토출구의 반지름은 15cm이다. 따라서 토출구의 면적은 176.71, 팬에서의 흡입속도를 20m/s로 산정할 시 토출구 풍량은 0.35이 된다. 흡입 풍량은 흡입 기체의 비중량에 따라 달라질 것이며 이는 즉 외부의 비산 먼지 농도에 따라 달라질 것이다.

◆ 전력 소모량 계산

송풍기의 소비 전력을 구하기 위해서 먼저 송풍기의 압력을 구해야 한다. 송풍기의 압력은 동압과 정압으로 나뉘며, 이를 합한 것을 전압이라고 한다. 정압은 기체 흐름에 평행인 물체의 표면에 기체가 수직으로 미는 압력이고 그 표면에 수직 hole을 통해 측정할 수 있다. 동압은 속도에너지를 압력에너지로 환산한 값으로, 송풍기의 동압은 50mmAq(약 30m/s)를 넘지 않는 것이 바람직하다. 동압과 전압을 수식으로 나타내면 다음과 같다. (식 3)(식 4)

이와 같이 구한 압력을 통해 송풍기의 전력을 산출할 수 있다. 송풍기 풍압 단위 [mmAq] = [kg/m^2] 사용 시,

위 식을 통해 송풍기의 전력을 구해 우리가 사용할 장치에서 공기 흡입을 위해 사용할 전력을 계산할 수 있다. 하지만 실제 사용 시, 장치 내부에서 압력 손실이 발생할 수 있고 주변 환경의 비산 먼지 농도에 따라서 풍량이 달라질 수 있으므로 이에 따른 소비 전력 대비 효율이 변할 수 있다.

◆ 살수량 산정

물은 대기 조건에 따라 하루에 최소 3회 이상 살수해야 한다. 또한, 가해진 물의 양이 과대하면 침식 문제를 일으킬 수 있으므로 살수하는 물의 양을 적절하게 설정해야 한다.

서울시는 먼지 억제시설의 운영 여부를 확인하기 위해 단위 면적당 살수량으로 기준을 설정했다. 이에 따라, 단위 면적당 살수량을 산정하였다. 발진개시 한계풍속이 높으면 재비산량이 작으며, 저감 효과가 크다고 할 수 있다. 특히 일정 살수량(0.5ℓ/㎡) 이상부터는 살수량이 증가해도 저감 효과가 크게 증가하지 않아, 양보다는 살수횟수를 늘리는 것이 더 효과적이다. <그림 16>

「비산먼지 관리 매뉴얼」에 따르면, 평방미터() 당 0.6ℓ이상을 공급할 때 비산먼지 발진개시 풍속이 7m/s로 증가하기 때문에 저감 효과가 큰 것으로 알려져 있다. 따라서 살수량을 0.6ℓ/로 설정하였다.

◆ 노즐 크기'

Tawatchi Charinpanitkul(2011)의 결정적 모델에 따르면, 크기가 4mm보다 작은 먼지 입자의 경우, 먼지 입자 크기와 물 입자 크기가 증가할 때 이 점차적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 먼지 입자의 크기가 5m 이상이 되면, 먼지 입자의 크기와 움직임에 따라 제거 효율이 일정 수준으로 포화되는 것을 알 수 있다. 위 그래프에서 물방울 입자크기 가 100m 일 때, 포집효율이 최대가 되므로 노즐 직경을 0.1mm로 설정하였다.

◆ 펌프 소요동력 계산

펌프의 소요동력(P)은 총 양정(TDH)의 유량(Q)을 양수하는 데 소요되는 동력으로 다음의 관계식으로 산정된다. (식 5)

여기서 전양정(H)는 다음과 같다.(식 6)

여기서 토출구의 속도수두는 소요수량을 토출관 말단에서 토출시키는데 필요한 에너지로서, 극히 값이 작기 때문에 일반 설비에서는 생략해도 큰 차이가 없다. 따라서 펌프의 전양정을 아래의 식으로 구하는 것으로 한다.(식 7)

본 장치에서 실양정은 3m 이고, 마찰손실수두는 0.75m 로 가정하면 전양정 H = 3.75(m) 이다. 하지만 실제 사용 시 펌프에 따라 손실수두 값에 차이가 나타낼 수 있으므로 개념적인 전력소비량을 구하기 위함임을 고려해야한다.

또한 본 설계에서 미분사로 살수량을 0.6ℓ/로 산정하였으므로 1초당 0.6ℓ분사로 가정할 때 36 을 토출해야한다. 따라서 유량은 다음과 같다.(식 8)

[[파일:털먼식8.png]|가운데]

여유율은 1.1, 전달효율은 1 로 하고 물의 비중을 고려하여 계산하면 다음과 같다.

따라서, 미분사식 살수를 위해 필요한 펌프의 소요동력은 0.024 가 산정된다.

◆ 설비의 최적 가동 장소 결정

건설현장에서 발생하는 비산먼지는 야적 및 적재 등의 특정 과정에서 집중적으로 발생하는 경향이 있다. 이때, 비산먼지는 집중적으로 발생하여 본 과제에서 비산먼지의 발생 과정을 ‘점오염원’이라고 가정하였다. 점오염원의 거동을 파악하기 위해 ‘가우시안 플룸(Gaussian Plume)모델’을 사용하였으며 이는 점 오염원의 농도 확산 및 분포의 형태가 가우스 확률 분포의 모형을 형성한다는 가정을 토대로 만들어졌으며 정상상태(Steady State)를 가정한다.
가우시안 플룸 모델에서 모델의 정확도를 좌우하는 중요한 요소는 플룸의 수평확산폭 및 연직확산폭이며, 보통 대기의 안정도와 풍하거리의 함수로부터 구하는 Pasquill-Gifford방법을 이용한다. (식 9)(식 10)

Pasquill-Gifford은 대기의 안정도를 A~F까지 6등급으로 구분하였으며, A : 매우 불안정, B : 불안정, C : 다소 불안정, D : 중립, E : 다소 안정, F : 매우 안정으로 구분가능하다. 각각의 등급에 따라 수평확산폭 및 연직확산폭을 구하기 위한 계수는 다음과 같다.

건설현장의 비산먼지의 거동에 적용한 ‘가우시안 플룸’ 모델은 가우시안 분포(정규 분포)를 기저로 하여, 배출되는 입자(Q), 풍속(U), 유효높이(H), 수평확산폭, 연직확산폭을 통해 점오염원의 거동을 파악할 수 있다. 가우시안 플룸 모델을 통한 좌표 x, y, z에서의 점오염원 농도는 다음과 같은 식으로 표현된다.(식 11)

이를 통해, 본 과제에서 만들어진 제작품이 공사현장에서 발생하는 비산먼지를 가장 효과적으로 저감할 수 있는 최적의 위치를 찾는 방법에 대하 고안하였다. 건설현장의 비산먼지의 발생량은 30g/s/m2[비산먼지 관리 선진화 방안 연구 참고]로 하였고, 건설현장에서의 풍속(u)을 2m/s, 유효 높이를 1m, 장치의 설계 높이가 3m이기 때문에 3m보다 낮은 경우의 먼지를 저감한다고 가정하였으며 이를 통해, 대기의 불안정 정도 및 다수의 작업이 함께 진행될 경우, 설계로부터 만들어진 제작품이 공사현장에서 설치 및 가동될 최적의 위치를 찾아보았다.

건설현장의 오염원이 각각 두 군데에 위치한다고 가정하고 설비 1기를 기용한다고 하였을 때 대기의 상태 6개의 등급으로 구분하여 그림으로 나타낸 결과 최적의 가동 장소는 다음과 같이 표현될 수 있다<그림 19>.

대기가 매우불안정한 A등급에서 시뮬레이션 결과, 점오염원 배출부보다 조금 떨어진 두 지점의 중간 지점에서의 오염원 농도가 가장 높은 것을 알 수 있다. 따라서 한 대만 공사장에서 비산먼지의 제거를 위해 운용을 할 때, 저 장소에 설비를 놓고 가동시킬 때 비산먼지의 저감효과가 가장 좋을 것이다. 반면, 대기가 불안정한 B등급에서의 시뮬레이션 결과 1개의 장비로 한 곳의 오염원만을 집중적으로 관리하는 것이 효율적이라는 결과가 나오게 되었다. 만약 장비가 두 개라면 각각의 오염원을 따로 관리할 경우 그 효율이 클 것으로 보인다.

위에서 모사한 시뮬레이션을 1) 장비의 저감 가능한 영역에 대한 반영 2) 설비가 다수일 경우의 최적 위치 선정에 대한 고려가 추가적으로 고려될 경우, 합리적이고 효과적으로 공사장에서의 설비 설치 소요에 대해 계산이 가능하며 비산먼지의 제거 효율 정도에 대해서 보다 객관적인 계산을 할 수 있을 것으로 보인다.

◆ 이론적 효율 계산

일반적인 살수 효율이 80%인 점을 고려할 때, 농도가 C인 비산먼지 중 살수에 의해 0.8C만큼 물-비산먼지 응집체를 형성한다. 
형성된 0.8C 물-비산먼지 응집체와 살수에 의해 포집되지 못한 0.2C 비산먼지는 송풍기로 흡입된다. 장치 내부에 흡입 되고나서 물-비산먼지 응집체는 도류벽에 의해 100%(=0.8C) 제거된다. 단일 비산먼지는 도류벽에 의해 20% 제거된다고 가정할 때, 0.04C 만큼의 비산먼지는 도류벽에 갇힌다. 도류벽에 갇히지 못하고 장치내부에 부유하고 있는 0.16C의 비산먼지는 효율이 95%인 백필터에서 걸러져 최종적으로는 약 0.008C만큼의 비산먼지가 배출된다. 즉 장치 한 대의 효율은 0.992%이다.
위의 계산을 통해, 시간에 따른 비산먼지 농도 C(t)를 구하는 과정은 다음과 같다. (식 12) 비산먼지 제거율이 1차 반응을 따른다고 가정할 때,

위의 식에서 비산먼지 측정 센서로 얻은 초기 비산먼지 농도 측정값 을 대입하면, 약 95%의 비산먼지를 제거하기 위한 이론적인 가동 시간 t를 구할 수 있다. 비산먼지 배출량 산정방법 개선 및 도로 재비산먼지 실시간 측정방법 개발 보고서(2008)에 따르면 서울, 인천, 수원의 평균 나대지 및 야적더미에서 비산먼지 배출계수 값은 0.150 kg//year이다. 이를 통해 95%의 비산먼지를 제거하기 위한 하루 동안의 이론적인 장치 가동시간을 구해보고자 한다. 이때, 가정하는 부피는 24m^3으로, 이는 실험 공간과 같은 부피이고 송풍량은 Q =2.4m^3/min 이다.

따라서 서울, 인천, 수원과 같은 도심지역에서 () 부피의 나대지 및 야적더미 비산먼지를 95% 저감하기 위해서는 대략 15분 동안 장치를 가동해야하는 것을 이론적으로 계산할 수 있다.

◆ Pilot-Scale Prototype을 이용한 성능 실험 계획

비산먼지를 제거하기 위한 Pilot-Scale Prototype은 살수 기능, 공기 분진 흡입 기능을 포함하고 있다. 이는 살수의 장점과 공기 분진 흡입의 각 장점을 모두 활용한 것으로 실험을 통해 성능을 평가하고자 한다. 실험은 총 3개의 조건 (1) 살수 기능만을 이용한 미세먼지 제거, (2) 살수 기능 및 공기 분집 흡입 기능을 이용한 미세먼지 제거, (3) 살수 기능 및 공기 분진 흡입 기능과 후단부에 백필터를 설치한 경우 미세먼지의 제거에 의해 진행된다.

본 실험은 준비물은 다음과 같다. 
비닐하우스(2m(W)*3m(L)*2m(H), 삼각대, 향, 방수 비닐(5m(W)*6m(L))), 미세먼지 센서

실험 계획은 다음과 같은 순서대로 진행된다.<표 13>
1. 방수 비닐을 바닥에 깔고 비닐하우스를 설치하고 안에 실제 미세먼지의 역할을 하는 향을 피워 연기를 채운다.
2. 장치를 3개의 조건에 따라 가동시켜 연기를 제거한다. 이때, 장치의 가동시간은 흡입유량이 2.5m3/min인 송풍기에 의해 1회 비닐하우스의 부피인 12m3만큼의 공기가 순환되는 시간으로 여유율을 고려하여 5분을 기준으로 한다.
3. 실험의 각 회차마다 시간에 따른 미세먼지 농도의 변화 정도와 장치에 의해 포집되는 액체의 부피를 산정한다.

본 실험을 통해 비닐하우스 내부의 미세먼지의 농도의 변화 정도를 미세먼지의 센서를 통해 측정하며 시간에 따른 미세먼지 변화 정도를 기록하고 분석함으로써 장치의 실제적인 미세먼지 저감 효율을 파악하고 실제 건설현장에서 효과적인 미세먼지의 저감에 도움이 되는지 판단한다.

조립도

본 설계 장치의 완성된 모형의 CAD 설계도와 Pilot-Scale Prototype을 제작하였다.

조립순서

본 장치의 설계에 있어 조립순서는 다음과 같다. 

① 배출구 부분에 백필터를 설치하고 하단에 장치가 이동할 수 있도록 바퀴를 설치한다.

② 제품 내부에 1인치 폴링을 도류벽 구조가 되도록 넣는다.

③ 제품 상단으로 호스를 스탠드 거치대에 연결하고 호스 끝부분에 0.5mm 분사 노즐을 부착한다.

④ 흡입구 부분에 송풍기를 설치한다.

⑤ 아두이노 펌프를 호스에 연결하여 물이 상부로 이동할 수 있도록 한다.

부품도

장치의 아크릴 몸통부의 규격은 총 30cm*50cm*50cm이다. 전면에는 경첩을 설치하여 여닫을 수 있도록 하여 장치 내부에 추가적인 조립체를 설치할 수 있도록 했다. 다음은 몸통부의 각 면에 대한 설명이다. <표 15>

소프트웨어 및 회로 설계

[PM 2.5, PM 10] 측정, 측정된 값 화면표시, 펌프 및 송풍기 제어를 위해 아두이노를 사용하였다. 현재 미세먼지 센서로 PM 2.5와 PM 10을 1초 간격으로 측정하고 측정된 값을 LCD 화면에 표시하는 것이 완료된 상태이다. 소프트웨어 코드는 다음과 같다. <그림 5><그림 6>

자재소요서

<표 16> 자재 소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

Pilot-Scale Prototype 사진

포스터

특허출원번호 통지서

특허출원번호 10-2019-0161205

성능 실험 결과

부피가 12m3인 비닐하우스 내부에서 실험을 진행하였고 조건은 다음과 같다.
초기 PM10 농도 : 800
이 초기농도(800)는 실제 공사장 근처에서는 평범한 상황보다 비정상적으로 많은 미세먼지가 발생한다는 사례를 보고 설정하였다. 또한 PM 2008센서의 측정 최대치인 1000에서 여유를 두어 정확한 측정이 이루어 질 것으로 예상되는 값으로 정한 것이다.

근거1] 대규모 업무주택지구 개발이 진행중인 서울 강서구의 마곡중앙로 가로공원로 양천로 허준로는 도로미세먼지가 ‘매우 나쁨’(150 이상)보다 훨씬 높은 500 이상인 것으로 측정되었다. 이 중 마곡 중앙로는 최대 측정치가 1169까지 올라가기도 했다.

근거2] 농지개량사업별 이격거리별 비산먼지 증가량 (PM-10, ) 비산먼지관리 선진화 방안 연구

근처 비산먼지가 실험 초기농도로 설정한 800 보다 훨씬 높음을 알 수 있다. 이는 실험 초기농도 800이 충분히 나타날 수 있는 타당한 값임을 의미한다.

작동시간 15분 : 이론적 계산 결과에 따라 15분을 작동시켰다.
실험은 3가지 장치 작동 조건에서 2번 반복으로 진행되었다.
조건1) 장치의 살수부만 가동
조건2) 살수부와 공기흡입부를 가동 (폴링 도류부의 제거 효율 측정)
조건3) 살수부와 공기흡입부를 가동하고 장치 배출구에 필터를 장착

15분 동안 장치를 가동한 미세먼지 저감 실험 결과는 아래의 그래프로 정리된다.

15분 동안 얻을 수 있는 효율은 살수 14.1%, 살수 후 흡입 38.4%,이다. 24.3%는 폴링 도류부의 순수제거 효율을 의미한다. 추가적으로 필터를 통한 효율 상승은 13.8%로 장치의 모든 부분을 가동하였을 때 15분 만에 12 부피의 미세먼지를 52.2% 저감할 수 있다.

사용 후 필터의 모습

배출구에 닿은 필터의 색이 위와 같이 변하였다. 우리가 설계한 장치 내부로 미분사 후 포집된 비산먼지가 실제로 들어가서 통과하였음을 확인할 수 있었다.

고찰 및 결론
앞서 계산한 이론적 식 산정과 같은 Q, V 조건에서 실제 실험을 통해 초기농도 =802의 공간에서 장치를 15분 가동했을 때 비산먼지 농도는 =383로 약 52.24%만큼 감소했다. 이론적인 효율 95%와는 오차가 발생했다. 오차는 살수, 흡입, 도류벽, 백필터에서의 총체적인 반응이 이론식에서 가정한 1차반응 보다 복잡하며 가정한 흡입기 효율 등이 실제와는 차이가 있을 것이기 때문에 발생했다고 유추해 볼 수 있다.
처음에 실험을 진행하였을 때 폴링의 표면은 완전 건조된 상태였다. 실험이 진행되면서 폴링의 표면에 물방울이 잡혀 습기가 생겼고 그 뒤 실험에서의 효율이 증가하였다. 폴링에 초반부터 분무기 등으로 수분을 공급하였다면 더 높은 효율을 기대할 수 있었을 것이다. 이에 실제 사용 시에는 작동 전에 폴링에 물을 한번 공급하고 사용하라고 권고할 수 있을 것으로 생각된다.
실험을 통해 보정한 식으로 계산한 결과 장치가 감당할 수 있는 면적은 22 인 것으로 판단되었다. 이는 예상한 만큼의 흡입 세기가 나오지 않아 Q가 예상 값보다 작아서 생긴 결과로 송풍기의 성능을 향상시킨다면 더 넓은 부피를 1대의 장치가 감당 할 수 있을 것이다.
목표한 효율인 95% 이상에 도달하려면 이론적 계산시간보다 작동을 더 길게 하여야 할 것이다. 실험 시간의 한계 때문에 직접 오랜 시간을 가동하지 못하였지만, 35분을 가동시킨다면 목표한 효율에 도달할 수 있을 것으로 보인다.

완료 작품의 평가

완료 작품의 정량적인 평가

정량적인 평가 결과 가동시간을 늘리면 비산먼지 저감능력이 향상될 것으로 보인다. 그밖에 소음의 문제는 없었고 장치내구도도 우수하다고 판단된다.

1) 대기 중 비산먼지 저감 능력
건설현장에서 비산먼지를 저감시키기 위한 기존 살수장치의 저감능력은 80% 효율을 나타낸다. 그러므로 본 설계 장치의 비산먼지 저감 능력은 90% 이상을 목표로 한다. 이를 평가하기 위해 실험을 진행하였고, 가동시간 15분 동안 52%의 효율을 나타냈으므로 위와 같이 평가하였다.

2) 장치의 경제성
예상 운영비, 제작비, 인건비, 기타 비용 사회적 편익을 고려한 B/C 분석 값을 계산하였고 그 값이 경제적으로 타당성을 가지는 1을 넘으므로 위 표와 같은 결과를 나타낸다.

3) 장치의 소음
현행 소음관리법상 공사장의 소음 규제기준은 주거지역의 경우 주간(오전 7시~오후6시) 65dB, 야간(오후10시~오전5시) 50dB을 넘으면 안 된다. 상업지역의 경우 주간 70dB, 야간 50dB 이하이여야 한다. 따라서 주거지역 주간의 경우를 기준으로 하였고, 목표치는 60dB 이하로 설정하였다. 실험결과 장치 가동 시 약 20dB이 측정되었으므로 위와 같이 평가 하였다.

4) 장치의 최적 가동시간 
장치를 일정시간 이상 계속 가동할 경우 비산먼지는 목표 저감 농도에 도달한 후 그 농도를 유지할 것이다. 따라서 경제성을 고려했을 때 1회 가동 시 최적의 가동시간을 구하여 그 시간만큼 가동시키는 것이 효율적이므로, 이론적으로 구한 최적가동시간을 기준으로 하여 이 가동시간동안 목표효율을 내는지 실제 실험으로 확인 및 평가하였다. 같은 가동시간으로 실험결과 목표 저감 효율에 미달하였으므로 장치의 가동시간은 더 필요한 것으로 판단되어 위와 같이 평가하였다.

5) 장치 내구도 (살수/흡입/도류벽)
실험에서 구한 최적 가동시간 내에 장치가 제대로 작동하는지 내구도를 판단해야 하므로 평가항목으로 삼았다. 장치가 끊임없이 잘 분사/흡입 되면 5점 만점에 5점, 끊김이 존재할 때 마다 1점씩 감점으로 한다. 또한 공기가 도류벽을 통과할 때 수분이 잘 수거가 되는지 시각적으로 확인하여 물 수거 통으로 수거가 되는 그 정도에 따라 수거 전혀 안됨(1점), 물기가 모임(3점), 물기가 상당히 모임(5점) 으로 평가한다. 실험결과 위 표와 같은 결과를 나타낸다.

완료 작품의 정성적인 평가

환경공학부 재학생을 대상으로 산업표준, 경제, 환경, 윤리, 안전, 사회, 정치 총 7개 항목을 기준으로 평가를 진행했다. 해당 항목에 대해 0점에서 5점의 점수를 매겨 평가하며 한 항목이라도 0점일 경우 과제가 성립되지 않는 것으로 판단했다. 종합 결과가 3.5 이상일 경우 과제 수행이 잘 된 것이며, 3.5 미만일 경우 결과물을 수정 또는 보완해야 한다. 과제 평가는 과제 수행자를 제외, 환경공학부 학생 24명을 대상으로 진행했으며 그 결과는 다음과 같다.

평가 결과 종합 점수가 4.19점으로 과제 수행이 잘 된 것으로 판단된다. 하지만 경제, 안전 부분에서 타 항목에 비해 점수가 낮게 나왔다. 경제 부분에서는 현재 비산먼지 저감을 위해 사용하고 있는 방식인 단순 살수 방식과 비교했을 때 이 장치를 사용하여 비산먼지를 저감하는 것이 더 비용이 많이 들기 때문에 낮은 점수를 받은 것으로 보인다.
안전 분야에서는 이 장치를 실제로 건설 현장에서 사용 시 살수부 기둥의 무게 과중으로 인한 안전사고의 우려 및 장치 손상 시 장치 내부의 폐수의 유출 우려 문제로 인해 낮은 점수를 받은 것으로 보인다. 충분히 고려할 만한 대상이므로, 이에 대해서 추가적으로 정밀한 분석이 요구된다.

향후평가

장치의 실내외 사용가능성에 대한 고찰

위 표1 에서 비산먼지 발생이 가장 큰 공정 순으로 보면 부지조성공사, 토공사, 마무리 조성공사임을 알 수 있다.

이에 따르면 건설현장에서 부지조성이나 토공사만큼 중요한 문제로 여겨지는 것이 마무리 조성공사이고, 이는 건물을 지을 때 실내작업이라고 볼 수 있다.

또한 그림1에서 보듯이 건설현장에서 작업자들의 생리적 피해정도가 매우 심함을 확인할 수 있다. 이러한 피해는 단연 실외공사 작업할 때뿐만 아니라 실내작업을 진행할 때도 심각한데, 이를 위한 해결책으로 현행 사용되고 있는 살수장치는 대체로 실외에서 사용되는 크기가 큰 장치들 뿐이고, 실내공사에 대한 비산먼지에 대해서는 마땅한 대책이 없는 실정이다. 이를 통해 실내작업 시 발생하는 비산먼지의 심각성을 확인할 수 있고 이에 대한 대책마련 및 주의가 필요하다.

본 설계 장치가 실내에서 이용되기 위해선 장치의 사이즈가 층고를 넘지 않고 들어갈 수 있는지가 중요하다. 여기서 층고는 1개 층의 높이로 건축법 시행령 제119조에 의하면 ‘방의 바닥 구조체 윗면으로부터 위층 바닥 구조체의 윗면까지의 높이’로 규정하고 있다.

일반적으로 아파트의 층고는 2.6미터(16층 이상일 경우는 2.8미터) 이상이 되어야 하고, 천정고는 일반적으로 2.3미터가 기본이다. 또한 병원이나 사무실 등의 건물은 천정 속에 공기조화 및 전등관련 설비의 매입을 위한 공간이 추가로 필요하기 때문에 층고가 대략 3.0미터이고 천정고는 2.4미터 정도이다. 여기서 본 설계 장치의 사이즈는 초기 3m로 했으나 제작 소요에 따라 변경 가능하므로 실내건설현장에서도 적용가능하다고 판단된다.

따라서 본 설계의 순환형 비산먼지 저감장치는 실외뿐만 아니라 실내에서도 적용할 수 있음으로 실내작업 시 발생하는 비산먼지를 위한 해결책이 될 것이다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

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20. Dariusz Prostański. “Use of Air-and-Water Spraying Systems for Improving Dust Control in Mines.” Journal of Sustainable Mining (2013).

털어서 먼지 안 나오는 조

목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

과제 팀명

지도교수

개발기간

구성원 소개

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

개발 과제의 배경 및 효과

개발 과제의 목표와 내용

관련 기술의 현황

State of art

기술 로드맵

특허조사

특허전략

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

마케팅 전략

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

경제적 및 사회적 파급효과

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

개념설계안

이론적 계산 및 시뮬레이션

조립도

조립도

조립순서

부품도

소프트웨어 및 회로 설계

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

포스터

특허출원번호 통지서

성능 실험 결과

완료 작품의 평가

향후평가

부록

참고문헌 및 참고사이트

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