01분반 6조 떡잎방범대조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 침수방지 스마트 빗물받이 시스템

영문 : Smart Rain Gutter System for Flood Prevention

과제 팀명

떡잎방범대

지도교수

오*경 교수님

개발기간

2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 고*림(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 임*현

서울시립대학교 환경공학부 20188900** 김*현

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 전*정

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

폭우나 호우에 의한 침수를 예방할 수 있고 관리성이 개선된 스마트 빗물받이 시스템

개발 과제의 배경

• 사회기반시설의 건설로 인한 도심지역의 녹지공간 감소와 건물, 도로의 증가로 인한 불투수면적의 증가.

• 불투수면적이 상대적으로 적은 농촌지역과 비교했을 때, 농촌지역은 강수량의 약 45%가 지하로 침수하지만, 도시지역은 강수량의 25% 이내만 침투.

• 불투수면적의 증가로 인한 도시침수 문제를 해결하기 위해 서울시 기준 약 55만 개의 빗물받이가 설치되어 있음.

• 하지만 담배꽁초를 비롯한 각종 쓰레기로 인해 빗물받이에 이물질이 쌓이면 강우시 제역할을 하지 못함.

• 이를 해결하기 위해 각종 시나 구에서 청소 인력을 동원하는데 이 과정에서 막대한 예산이 투입됨 (23년 4, 5월 기준 서울시 예산 약 900억 원).

• 성동구에서는 스마트 빗물받이를 개발하여 설치하였지만, 침수시 제 작동을 하지 못하고 이 또한 설치비가 많이 들어 경제적인 문제도 함께 발생.

• 본설계를 통해 적용하고자 하는 기술은 이물질을 걸러내 빗물받이의 막힘 현상을 최소화하고 관리를 용이하게 함으로써 긍정적인 영향을 줄 것이라 판단됨.

개발 과제의 목표 및 내용

• 본 과제는 기존의 빗물받이를 개선하여 호우 및 태풍으로 인한 침수 피해를 예방하고 관리성을 개선하는 것을 목표로 함.

• 목표 1. 거름망을 사용하여 이물질과 토사 분리

• 목표 2. 담배꽁초를 포함한 이물질을 걸러 비점오염원 저감

• 목표 3. IoT 기술을 이용한 수위 감지 및 이물질 양 모니터링 시스템 설계

기술개발 일정 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

현 빗물받이의 문제점

 이물질이 빗물받이 배관으로 들어가서 관을 막히게 하고, 역류를 발생시킴.

 관리자가 이물질이 얼마나 쌓였는지 알 수 없어 주기적인 청소가 이루어지지 않고, 민원이 접수되는 경우에 한하여 비정기적으로 청소가 이루어짐.

 빗물받이 청소는 기계를 사용하므로 비용이 많이 들고, 제때 청소가 이루어지지 않을 경우, 호우 시 이물질에 의해 역류가 발생하여 도시침수가 발생함.

요구사항

설계 사양

목적계통도

QFD

개념설계안

빗물받이 설계 기준 및 규격

빗물받이의 설치

 빗물받이는 도로 옆의 물이 모이기 쉬운 장소나 L형 측구의 유하방향 하단부에 반드시 설치한다. 단, 횡단보도, 버스정류장 및 가옥의 출입구 앞에는 가급적 설치하지 않는다.

 빗물받이의 설치위치는 보∙차도 구분이 있는 경우에는 그 경계로 하고, 보∙차도 구분이 없는 경우에는 도로와 사유지의 경계에 설치한다.

 노면배수용 빗물받이 간격은 대략 10~30 m 정도로 하나 되도록 도로폭 및 경사별 설치기준을 고려하여 적당한 간격으로 설치하되, 상습침수지역에 대해서는 이보다 좁은 간격으로 설치할 수 있다.

 빗물받이는 이물질 및 토사의 유입을 저감할 수 있는 방안을 고려한다.

 빗물받이에 악취발산을 방지하는 방안을 적극적으로 고려한다.

형상 및 구조

 형상 및 재질은 원형 및 각형의 콘크리트 또는 철근콘크리트제, 플라스틱제로서 표를 표준으로 하되 설치 위치, 설치장소, 제조사 등에 따라서 다양한 조건들이 있을 수 있음에 유의하여 필요에 따라 변경 적용한다.

 빗물받이의 규격은 내폭 30~50 cm, 깊이 80~100 cm 정도로 한다.

 빗물받이 저부에는 깊이 15 cm 이상의 이토실을 반드시 설치한다. 다만 악취 및 해충 발생으로 위생안전에 위해를 줄 우려가 있는 지역에 한하여 제한적으로 설치하지 않을 수 있다.

 빗물받이의 뚜껑은 강제, 주철제(덕타일 포함), 철근콘크리트제 및 그 외의 견고하고 내구성이 있는 재질로 한다.

빗물받이 규격 설계

 설계하고자 하는 빗물받이의 규격은 보편적으로 사용되는 규격에서 약간 축소된 형태로, 내부치수 300mm*400mm 와 깊이를 500mm로 설정.

 하수관으로 빗물을 보내기 위한 연결관의 직경은 100mm로 설정하였고, 이토실을 고려하여 연결관은 빗물받이의 하부로부터 100mm 위에 위치하도록 함.

빗물받이 내 거름망 설계

 빗물받이 중단부에 이물질 거름망을 설치하여 이물질이 빗물받이 하단에 쌓이거나 하수관로에 들어가 발생하는 역류 현상을 억제

 이물질이 한 곳으로 잘 모일 수 있도록 거름망을 ‘V’자 형태로 설치하고, 이때의 각도는 45°가 되도록 설계

 거름망의 양 끝에 고리를 만들어 빗물받이 내부에 걸고 빼기 용이하도록 설계

 빗물받이에 버려지는 이물질 중 70%에 해당하는 담배꽁초를 제거하는 것을 목표로 하여 거름망의 구멍 크기를 설계

 버려지는 담배는 종이 부분은 물에 닿으면 쉽게 분해되고, 내부의 필터 부분만 남으므로, 보통 담배필터는 직경 8mm이지만, 보수적으로 직경 4.5mm의 원기둥 형태의 슬림담배필터를 효과적으로 거르기 위해 그물망의 구멍 크기를 4mm로 설계

초음파센서

 빗물받이에 유입되는 대부분의 이물질은 무게가 가볍고 쉽게 분해되지 않기에 무게로 이물질의 양을 측정하기 위해서는 보다 정교한 센서가 필요하며, 강우 시 센서에 가해지는 압력으로 인해 정확한 측정이 불가능할 것으로 판단됨

 빗물받이 내에 쌓인 이물질의 부피를 측정할 수 있는 다양한 센서 중에서도 초음파센서는 측정각이 상대적으로 넓기 때문에 이물질의 부피 측정에 유리할 것으로 판단됨

 따라서, 그레이팅 하부에 초음파센서를 장착하여 거름망에 걸러져서 쌓인 이물질의 양을 측정

 본 설계에서 활용한 초음파 센서는 측정범위가 20~5000 mm인 제품 사용

수위감지센서

• 수위감지센서는 거름망 밑 빗물받이의 벽면에 설치하여 실시간으로 수위를 측정

• 강우로 인해 작동되지 않도록 밑부분만 뚫려 있는 덮개 설치

• 빗물받이 내의 수위가 일정 기준을 넘기면 관리자에게 알람을 보냄

그레이팅

 빗물받이를 덮을 수 있도록 310*410 mm 로 설계

 하중을 견디기 위해 두께를 20 mm 로 설계

 중앙부에는 길이 100 mm 의 판을 설치해 하부에 센서와 배터리를 부착할 수 있도록 함

이론적 계산 및 시뮬레이션

빗물받이로 유입되는 이물질의 양 계산

• 국내 하루 평균 담배 판매량은 1억 7,200만 개비. 이 중 7.25%인 12,466,968개의 담배 꽁초가 매일 길거리에 무단투기 되는 것으로 추정.

• 2020년 기준, 대한민국 총 인구수는 51,836,239명으로 집계.

• 대한민국 2020년 흡연율은 20.6%로 집계되었으므로, 대한민국의 흡연자 수는 약 10,678,265명으로 추정.

• 2020년 기준 서울특별시의 총 인구수는 9,617,795명, 흡연율은 15.5%로 집계됨.

• 따라서, 서울특별시의 흡연자 수는 약 1,596,554명으로 추정.

• 즉, 대한민국 흡연자에 대한 서울특별시의 흡연자 비율은 약 14.95%이고, 서울특별시 에서 무단투기 되는 담배꽁초는 전체 담배꽁초의 15%정도를 차지할 것으로 예측.

• 이를 바탕으로 서울특별시에서 하루에 버려지는 담배꽁초는 약 1,870,045개로 추정.

• 서울특별시의 빗물받이는 총 557,553개로 빗물받이 한 곳에 버려지는 담배꽁초는 하루 에 약 3.35개.

• 번화가의 경우 빗물받이에 버려지는 담배꽁초의 수는 3.35보다 훨씬 많을 것이기에, 본 설계에서는 여유율을 고려하여 하루 평균 빗물받이에 버려지는 담배꽁초의 수의 약 10배에 해당하는 30개를 기준으로 계산

빗물받이에 유입되는 이물질의 부피 계산

• 담배꽁초는 종이와 담뱃잎을 제외한 필터가 대부분이기에 담배필터의 부피를 통 해 담배꽁초 부피 계산.

• 대부분의 담배 필터 크기는 길이 84mm, 직경 8mm로 되어 있고, 흔히 슬림담배 로 불리는 필터의 크기는 직경 4.5mm에 길이가 100mm.

• 2021년 기준 에쎄는 담배 시장 점유율 약 29.7%, 슬림 담배 시장 점유율 약 81% 를 차지. 따라서 2021년 기준 슬림 담배의 시장 점유율은 약 36.7%.

• 하루에 약 20개의 담배는 대표적인 필터의 크기, 10개는 슬림 필터의 크기로 계 산하게 되면, 일반적인 담배 필터의 부피는 약 4,200mm3이고, 슬림 담배 필터의 부피는 약 1,600mm3 로 구할 수 있음.

• 따라서 번화가에서 빗물받이 한 곳에 하루 최대 버려지는 담배꽁초의 총 부피는 100,000mm3로 약 0.1L이고, 평균적으로는 0.01L의 담배꽁초가 버려짐.

• 담배가 이물질의 70%를 차지하기에 하루 평균 빗물받이에 버려지는 이물질의 양 은 약 0.0143L.

이론적 계산을 통한 초음파센서 설계

• 빗물받이 내에 설치되는 거름망이 수용할 수 있는 이물질의 부피는 거름망의 부 피를 통해 구할 수 있음

• 거름망은 한 변의 길이가 15cm인 직각삼각형을 밑면으로 하는 높이 40cm의 삼 각기둥 형태를 취하고 있음

• 따라서, 거름망의 부피는 4500𝑐𝑚3 = 4.5L

• 초음파센서로 측정했을 때 거름망 부피의 약 50%가 이물질로 채워졌을 때 관리 자에게 알람을 보내는 시스템을 설계

• 이물질의 부피가 2.25L가 되었을 때 알람을 보내기 위해서 거름망의 밑면에서부 터 이물질이 약 10.6 cm 정도 쌓였을 때 알람을 보내도록 설계하는 것이 바람직 함

• 하지만 이물질의 유입이 일정하지 않고, 부피가 큰 이물질이 유입될 경우 강우 시 투수가 원활하지 않을 수 있음을 고려하여 거름망의 밑면에서부터 이물질이 10cm 높이로 쌓였을 때 알람이 울리도록 설계

이론적 계산을 통한 수위감지센서 설계

• 본 설계에서 빗물받이 내에서 투수되지 못하고 저장되는 빗물을 하수관으로 보내 기 위한 연결관은 하부로부터 100mm 위에 위치하고, 직경은 100mm로 설계함.

• 수위가 연결관보다 높은 경우에는 강우량이 많다고 판단할 수 있어 침수피해가 발생할 가능성이 있다고 판단됨.

• 이 경우에는 위험 수위에 대한 알람이 울리도록 설계하여 이물질을 사전에 청소 하는 등의 관리를 통해 빗물받이에서 역류현상을 방지하는 것이 바람직함.

• 따라서, 빗물받이의 하부로부터 15cm 이상으로 수위가 높아진 경우에는 알람이 울리도록 설계함.

상세설계 내용

침수방지 스마트 빗물받이 시스템의 운영

소프트웨어 설계

 초음파 센서와 수위감지 센서로 측정한 데이터를 와이파이를 통해 클라우드로 전송

블링크 설계

 초음파 센서로 측정된 데이터를 받아 일정 기준(본 설계에서는 초음파 센서와 이물질 거리 5cm)이하로 떨어지면 알림을 전송하고 알람이 작동하도록 설계

 이물질까지의 거리로 이물질의 양을 추정하고 데이터를 기록하여 차트로 나타내 보다 정확한 데이터와 변화 추이를 관찰할 수 있음

 해당 디바이스의 위치가 어딘지 지도를 통해 위치와 상태를 파악하여 대응할 수 있음

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

프로토타입

포스터

포스터

완료작품의 평가

평가

향후계획

시범 적용 후 자치구 특성에 따라 이물질 양 및 청소 주기를 조정하여 개선 적용

빗물받이에 설치된 디바이스를 토대로 빗물받이 상태와 위치가 기록된 빗물받이 지도를 보고 실시간으로 모니터링 가능하도록 함

스마트 빗물받이 시스템에서 나아가 스마트 시티로의 확장 가능함

현재는 와이파이를 통해 데이터를 전송하지만, 차후 유심을 장착해 LTE 방식으로 데이터를 전송하여 외부 통신 상태에 영향을 받지 않게 함

현재 센서에는 방수 방진 기술이 적용되어 있지 않지만, IP68을 적용해 방수 방진에서 최고 등급 적용