01분반 1조 시켜조명예소방관
목차
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 소방청사 레드존 내 공기질 개선을 위한 유해물질 통합관리 시스템 구축
영문 : Development of an integrated management system for hazardous substances to improve air quality in the fire station
과제 팀명
시켜조명예소방관
지도교수
서명원 교수님
개발기간
2024년 3월 ~ 2024년 6월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 환경공학부 202189**** 노**(팀장)
서울시립대학교 환경공학부 202089**** 권**
서울시립대학교 환경공학부 202189**** 방**
서울시립대학교 환경공학부 202189**** 안**
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
소방청사 내 공기질 개선을 위한 유해물질 통합관리 시스템을 구축한다.
- 소방청사 내에 발생 및 잔존하는 특정 유해물질만을 감지 및 모니터링
- 특정 유해물질을 제거하는 필터를 설계
- 단계별 환기시스템 설계
개발 과제의 배경 및 효과
◇ 과제의 배경
- 국제암연구소(IARC)에서 소방관의 발암 위험성을 1급 발암물질(1A)로 규정함에 따라, 소방관들에게 노출되는 유해물질에 대한 관심이 증대됨.
- 화재 진압 후 소방장비 등에 잔류하는 유해물질은 소방청사 내에서 2차 노출로 이어질 수 있음.
- 소방청사에서의 시동점검 시, 다량의 디젤 배기가스가 소방관에게 쉽게 노출됨.
- 많은 소방청사에서 Red Zone의 환기시스템을 자연환기에 의존하고 있음.
◇ 과제의 효과
- 소방청사 내 유해물질의 만성 노출을 방지함.
- 모니터링 시스템, 단계별 환기시스템 등과 같은 자동화된 시스템을 통해 시설 유지 및 관리 효율이 증대됨.
- 소방관의 직업 환경 개선을 도모하고자 함.
개발 과제의 목표와 내용
◇ 과제의 목표
- 소방청사 내 공기질 개선을 위한 유해물질 통합관리 시스템을 구축함.
◇ 과제의 내용
1) 소방청사 내부 유해물질 종류 및 특성 분석
2) 소방청사 Red Zone 내 유해물질 모니터링 시스템 개발
안성소방서 소속의 원곡 119안전센터의 평면도를 기준으로, 소방청사 내 Red Zone을 파악하고 구조를 분석함.
3) 유해물질 저감 필터 설계
미세먼지와 같은 입자상 물질은 헤파필터를 통해 제거하고, 다환방향족탄화수소, VOCs와 같은 유해가스는 제올라이트 필터를 통해 제거하고자 함.
4) 단계별 환기시스템 구축
시동점검 및 소방관 복귀와 같은 상황에 특이적으로 강한 환기가 가동될 수 있도록 단계별 환기시스템을 구축함. 상시 환기인 1단계 환기와 유해물질 고농도 감지 시 가동되는 2단계 환기로 구분함.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
◇ 설계 추진체계
◇ 공통 분담
1) 모든 발표를 위한 자료조사 및 ppt 제작
2 과제 주제 선정 및 자료 조사
3) 관련 기술 및 제품 조사/분석
4) 개념설계 및 상세설계
5) 프로토타입 제작
◇ 개별 분담
권혜린: 개념설계 발표, 상세설계 발표, 최종설계 발표, 단계별 환기시스템 설계
노예영: 경쟁력분석 발표, 최종설계 발표, 시연물 전기회로 및 아두이노 코드
방민혜: 과제제안서 발표, 포스터 제작, 단계별 환기시스템 설계
안시열: 개념설계 발표, 상세설계 발표, 포스터 발표, 시연물 전기회로 및 아두이노 코드
관련 기술의 현황
관련기술 현황 및 분석(State of art)
기술 현황
특허 조사 및 특허 전략 분석
1) 실내 공기질 관리를 위한 지능형 환기 시스템 및 그 실내 공기질 관리방법(10-2022-0169890)
2) IoT 기반의 유해화학물질 누출 모니터링 시스템(10-2021-0004037)
3) 유해화학물질 누설통보장치(10-1993467)
기술로드맵
시장 상황에 대한 분석
경쟁제품 조사 비교
(1) 포스코E&C 및 경동나비 - 각 실 제어 청정환기 시스템 [1]
(2) 자이 S&D 및 GS 건설 - SYSCLEIN (시스클라인) [2]
마케팅 전략 제시
Strength
- 소방관들의 소방청사 내 유해물질 2차 노출 최소화
- 소방청사 내 발생 유해물질 데이터베이스 구축
- 유해물질 농도에 따른 환기 단계 자동 제어로 전력 소비량 절약
Weakness
- 기존 청사에 설치 시 청사 전체의 대대적인 공사 필요로 인한 초기 비용 발생
- 각 소방청사의 구조에 따라 다른 설계 요구
Opportunity
- 소방청사 Red Zone 환기시스템 설치 의무화로 수요 확대 가능
- 소방관들의 유해물질 노출 위험 이슈화로 소방청사 내 환기 시스템 필요 인식 확대
- 소방청사 내 환기를 목표로 하는 유사 제품 없어 시장 경쟁력 확보 용이
Threat
- 소방청사 예산 확보의 불안정성
- 환기 시스템에 대한 소방관들의 신뢰도 불분명
- 소방청사 Red Zone 내 유해물질에 관한 연구 부족으로 인한 설계의 불확실성
S/O 전략(강점을 살려 기회를 최대화하는 전략):
Red Zone 환기 시스템 설치 의무를 만족하며 소방관들의 작업 환경을 개선할 수 있음.
S/T 전략(강점을 이용한 위협을 극복하는 전략):
소방청사 Red Zone 내 주요 발생 유해물질 데이터베이스를 구축하여 해당 DB를 이용한 연구를 증진하며, 소방청사 내 주로 노출되는 유해물질 특이적인 환기 시스템을 개발해 예산 절감에 효과를 가져올 수 있음
W/O 전략(약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략):
소방청사 내 유해물질 2차 노출을 최소화하여 소방관의 처우 개선에 앞장 섬.
W/T 전략(약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략):
최소한의 공사로도 기존 구조에 쉽게 적용할 수 있는 환기 시스템 구축으로 소방청사 내 환기 시스템 설치에 대한 거리감을 좁힐 수 있음.
개발과제의 기대 효과
기술적 및 사회적 기대효과
소방관: 소방청사 내 VOCs, CO, PAHs와 같은 주요 발생 유해물질을 효과적으로 저감하여 소방관의 작업 환경 및 보건 복지 개선을 야기할 수 있음.
소방청사: 다양한 유해물질의 농도를 모니터링하여 선제적으로 소방청사 내 유해물질로 인한 오염을 파악할 수 있음. 단계별 환기 시스템을 도입하여 소방청사 내 유해물질 농도를 줄일 수 있음.
ESG: 환기 시스템을 작동하는 전열교환기 또한 다른 환기 시스템 제어부에 비하여 열 손실 낭비가 적으므로 유지관리 또한 편리함. 유해물질을 소방청사 내에서 흡수 및 배출시 유해물질 저감 필터를 거치므로 환경 친화적인 지속 가능한 운영이 가능함.
경제적 기대효과
◇ 편익(Benefit)
- 보건 피해 저감 비용
보건 피해 저감 비용 = 소방관의 직업적 환경으로 인해 발생 위험 가능성이 있는 암(위암, 폐암, 신장암, 방광암, 비호지킨 림프종, 백혈병)을 표적 질환으로 한 의료비
의료비는 특정질병관리된 진료비(외래비 + 약품비 + 입원비)의 총액으로 산출함.
- A - 소방관 1인당 의료비: 18,015,139원
- B - 소방청사별 상주 인원: 4.67명
- C - 소방관 업무 시간 대비 평균 소방청사 상주 비율: 67%
보건 피해 저감 비용 = A X B X C = 56,367,568원
- 자연환기 대비 냉난방 전기요금 감축 비용
환기 시스템 제어부인 전열교환기를 활용해 단계별 환기를 진행할 시 절약되는 냉난방 에너지를 자연환기 대비 10년간 감축 가능한 전기 요금을 편익으로 산출함.
(1) 10년간 환기 시스템으로 발생하는 전기 비용
- 2단계 환기 시스템 작동시간: (소방관 복귀 시, 소방차 차량 점검 시) 3.64시간
단계별 환기 시스템 작동 시 전기 요금: 6,204,000원/10년
(2) 10년간 자연환기 시 전기 요금
전열교환기를 사용하면 자연환기에 비해 냉난방 비용이 약 25% 감소하므로 자연환기를 통한 냉난방 비용은 상시 2단계를 가동하였을 때의 130%가 증가한 비용으로 산출함.
자연환기를 통한 냉난방 전기 비용: 15,123,200원/10년
(3) 자연환기 대비 냉난방 전기 요금 감축 비용
자연환기 대비 냉난방 전기요금 감축 비용: 15,123,200 - 6,204,000 = 8,919,200(원)
◇ 비용(Cost)
- 초기 비용
초기 비용으로 = 제품 구매 비용 + 제품 설치 비용
(1) 제품 구매 비용
제품 구매 비용은 유해물질 감지부, 전열교환기, 배관 구매 비용을 계산함.
제품 구매 비용: 3,067,960원
(2) 제품 설치 비용
초기 설치 비용은 소방공사 입찰 비용을 참고하여 산출하였음.
제품 설치 비용: 38,801,329원
원곡 119안전센터 기준 초기 설치 비용: 3,067,960 + 38,801,329 = 38,801,329원
- 유지관리 비용
유지관리 비용 = 소모품 교체 비용 + 전기 요금
(1) 전기 요금
전기 요금은 10년간 전력교환기 사용시 전력을 계산함.
전기 요금: 10,724,000원
(2) 소모품 교체 비용
소모품 교체 비용은 10년간 필터, 센서, 열교환소자 교환 비용을 계산함.
소모품 교체 비용: 4,520,000원
유지관리 비용: 6,204,000 + 4,520,000 = 10,724,000원
◇ B/C Ratio (BCR)
B/C = (56,367,568 + 8,919,200) / (41,869,289 + 10,724,000) = 1.24
BCR이 1.24로 산출되었으로 긍정적인 경제적 효과를 기대할 수 있음.
설계사양
제품의 요구사항
목적 계통도
QFD (Quality Function Deployment)
각 기술 특성 항목의 내용
- 환기 성능: 환기를 통해 유해물질이 제거됨.
- 통합성: 소방청사 내 Red Zone의 발생 유해물질을 통합적으로 관리하고 제거함.
- 에너지효율: 작동 시 에너지 사용량이 효율적임.
- 유지관리: 소모품 교체 비용 등 유지관리에 드는 비용이 합리적임.
- 설치비용: 시스템 설치 비용이 합리적임.
- 데이터 관리: 데이터 관리가 신속하며 편리함.
- 정확성: 수집 데이터가 실제 농도와 일치함.
개념설계안
모식도
평면 모식도 및 3D 모식도
RED Zone 규격 : 23m*16m*4m (원곡119안전센터 Red Zone 규격을 차용함.)
개념설계 내용
환기 배관 배치
- 환기를 위한 소방청사 Red Zone 구역에 배기 및 흡기 배관을 설치한 후, 배기구 및 급기구를 연결함.
- 배기구는 오염물질이 많이 발생하는 구역에, 급기구는 Red Zone 출입문과 장비 보관실 문 앞에 에어커튼 형태로서 설치함.
- 차량 배기가스는 천장흡입호스식 배기구를 이용하여 제거함.
유해물질 감지 및 제거
- 배기관 내의 전열교환기 앞단에 유해물질(CO, CO2, PM, PAHs) 감지센서를 설치함.
- 이후 전열교환기에 헤파 필터, 제올라이트 필터로 구성된 유해물질 처리 필터를 설치하여 배기관 내의 유해물질을 감지하고 자동적으로 제거되도록 함.
단계별 환기시스템 구축
- 전열교환기와 배관을 연결하여 단계별 특성에 따라 두 단계로 나누어 환기시스템이 작동하도록 함.
- 실내 유해물질 농도가 기준치 이하인 1단계 상황에서는 실내 공기를 전열교환기에 설치된 유해물질 처리 필터에 통과시켜 다시 실내로 유입되도록 하는 내부 순환을 사용함.
- 유해 물질 농도가 기준치 이상인 2단계에서는 전열교환기를 작동시켜 필터 및 열교환소자를 거친 외기를 실내로 급기할 수 있도록 함.
이론적 계산 및 시뮬레이션
유해물질 분석 및 감지
(1) 환기 단계 가동을 위한 유해물질 농도 기준
환기 시스템 구축을 위해 각 오염물질별 기준 농도를 확인함. 미세먼지, 이산화탄소, 일산화탄소, 이산화질소, 휘발성유기화합물은 실내공기질관리법, 황산가스는 산업안전보건법, 다환방향족탄화수소는 관련 국내 기준이 없어 미국 직업 안전 건강 관리청(Occupational Safety and Health Administration, OSHA)의 기준을 활용함.
(2) 아두이노 설계
실시간으로 측정되는 유해물질의 농도에 따라 환기단계 자동제어시스템을 운영하기 위하여 아두이노를 이용함.
가. ZE15-CO
- 전기화학적 방법을 이용하여 공기 중의 일산화탄소를 측정하는 모듈
- 일산화탄소 농도 0-500ppm까지 측정 가능
- 수명: 3~5년
- CO에 대한 선택성과 안정성이 높음
- 저전력 필요
- 유지관리에 유리함
나. PMS7003M
- 레이저 산란 방식의 미세먼지 센서
- 대기 중 최소 0.3μm 크기 이상의 입자 검출
- 두 개의 레이저가 서로 번갈아 작동하여 서로의 정확성을 검사해 정확성이 높음
- 사각형 제품의 6면이 모두 차폐되어 간섭이 낮음
- PM2.5와 PM10을 0~999μg/m3까지의 농도 측정 가능
다. MH-Z19B
- 비분산 적외선 방식(NDIR)으로 대기 중의 이산화탄소를 측정
- 0-5000ppm 까지의 농도 범위에서 측정 가능
- PWM 출력, UART의 출력이 모두 가능
- 수명: 약 5년
라. MiCS-VZ-89T
- TVOC 감지 센서
- I2C 출력과 PWM 출력이 모두 가능
- TVOCs 0~1000ppb 감지 가능
- VOC 값은 iso-buthylene으로 교정됨
위 센서들은 아두이노 보드와 확장된 브레드 보드에 연결되어 아두이노의 기본 시스템을 구성. 시스템에 릴레이 모듈, LCD 패널, LED 등을 연결하여 팬의 작동, 단계의 표현 등의 기능을 추가할 수 있으며 다른 유해물질 농도 감지센서와 연결하여 더 정확한 환기 시스템을 구축할 수 있는 확장성이 있음.
(3) 아두이노 코드 작성
다음의 조건을 충족하도록 코드를 작성함.
- LCD: 측정 유해물질 농도, 환기 단계
- 시리얼 모니터: 초당 1회 측정 농도 수집
- 상시 1단계 시스템운영, 측정 농도가 기준 농도 초과 시 2단계 시스템 운영
유해물질 저감 필터의 선정
(1) 장치 구성 및 사양
실내 유해물질 농도 저감 및 배출 공기의 유해물질 농도 저감을 위해 유해물질 처리 필터를 설계함. 필터는 소방차 배기가스로 인한 유해물질과 소방관 개인 보호 장비에 잔류하는 유해물질을 동시에 처리할 수 있도록 HEPA 필터와 제올라이트 필터를 활용함.
가. HEPA 필터
- 용도: 입자상 유해물질 제거
- 크기: 가로 150mm., 길이 120mm
나. 제올라이트 필터
- 용도: 가스상 유해물질 제거
- 크기: 가로 250mm, 길이 520mm
(2) 처리 효율
선행논문을 시반으로 유량에 따른 유해물질 처리 효율을 분석함. 유량은 2단계 환기량은 26CMM을 기반으로 함. 물질별 처리효율은 다음과 같음.
- 일산화탄소: 약 80%
- PM10: 90%
- VOCs: 80% (벤젠에 대해서만 확인함.)
단계별 환기시스템 적용 기술 도출
(1) 환기량 계산
다음의 공식을 활용해 필요 환기량을 계산함.
가. 실내요구(허용) 농도
실내요구 농도는 아두이노 센서에서 2단계 작동 전환 기준과 같음.
나. 외기농도
문헌 값을 토대로 외기 농도를 설정하여 환기량을 계산함. 실제 설계에는 소방청사 외부에 외기농도 측정 센서를 추가로 설치함.
다. 오염물질 발생량
차량 공회전시 발생 물질과 소방청사 실내 공간에 잔존하는 오염물질을 합산하여 계산함.
a. 공회전에 따른 오염물질 농도
선행연구를 활용해 공회전 전후 오염물질 농도차를 확인해 오염물질 발생량 확인함.
b. 실내 공간에 잔존하는 오염물질 농도
선행연구를 활용해 실내 공간에 잔존하는 오염물질 농도를 확인함.
라. 환기량
- 1단계 환기량
산업안전보건법 사무실 공기관리 지침에 따라 최소 환기량 570CMM 산정. 여유율 등으로 고려하여 2단계 환기량의 50%인 788CMH를 1단계 환기량으로 설정함.
- 2단계 환기량
환기량 계산 공식에 따라 오염물질 발생량을 실내 및 외부 농도의 차로 나누어 계산함. 계산결과 약 1,432CMH로 나타났으며, 여유율 10%를 고려하여 1575CMM을 2단계 환기량으로 산정함.
(2) 단계별 환기시스템 적용
환기 시스템에는 전열교환기를 활용함. 전열교환기는 내부 공기를 외부로 배출하고 외부 공기가 실내로 유입되는 과정에서 열교환 소자를 거치고 열 교환이 진행되므로 환기에 따른 냉난방 에너지 손실을 줄일 수 있음.
- 단계별 환기 시스템
1단계:
측정 유해물질 농도가 기준 이하인 경우 작동. 실내 공기가 전열교환기 내 유해물질 처리 필터를 거쳐 실내로 유입됨.
2단계:
측정 유해물질 농도가 기준 초과인 경우 작동. 실내 공기가 전열교환기와 필터를 거쳐 외부로 배출되며 외부 공기 역시 전열교환기와 필터를 거쳐 실내로 유입됨.
상세설계 내용
조립도 및 조립 순서
전체 조립도
조립 순서
(1) 소방청사 Red Zone의 환기시스템 조립
- 설계할 소방청사 공간을 조립하고, 설계 공간의 구조를 바탕으로 배기구와 급기구의 위치를 설정하여 배기 및 흡기 배관을 설치함.
- 조립한 배관에 배기구와 에어커튼 형상의 급기구를 연결함. 오염물질이 많이 발생하는 곳에 배기구를, Red Zone 출입문과 장비보관함 문 앞에는 급기구를 설치함.
(2) 유해물질 감지기 설치
- 유해물질 감지 센서를 모든 물질이 모일 수 있는 메인배관에 설치함.
- 해당 감지기에 와이파이 모듈을 추가로 연결하여 데이터의 무선통신을 가능하게 함.
(3) 전열교환기 조립
- 전열교환기 조립에 필요한 frame과 fan, filter를 준비함. 이때, Filter는 HEPA 필터와 제올라이트 필터로 이루져 있음.
(4) 환기시스템의 배관과 전열교환기를 연결
- 조립된 전열교환기의 배관과 환기시스템 배관을 연결함.
제어부 및 회로설계
프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도
설계 내용
- 측정한 유해물질 농도를 기반으로 환기 단계가 자동으로 제어되며 환기 단계를 LCD패널에 표시되도록 설정함.
- 상시 1단계 환기 시스템을 운영하며, 농도 기준에 따라 표적 유해물질 농도가 기준을 초과하면 2단계 환기 시스템이 가동되도록 함.
- LED 등의 색깔을 단계별로 다르게 하여 쉽게 환기 단계를 확인할 수 있도록 함.
- 소방청사 내 유해물질의 실시간 농도를 1초에 한번씩 수집하여 각 소방청사별 유해물질 데이터베이스를 구축할 수 있도록 함.
소프트웨어 설계
아래 코드를 사용하여 유해물질 농도를 측정하고, 이를 기반으로 적절한 환기 단계를 자동으로 가동하도록 설정함.
완료 작품의 소개
프로토타입 사진
포스터
개발사업비 내역서
완료 작품의 평가
향후 계획
- 타겟 소방청사 내 유해물질 DB 구축을 통해 주요 발생 유해물질 제거를 위한 필터로 교체
- 소방청사 구조에 따라 재설계하여 유동적이고 보편적인 사용 가능
