02분반 3조 이끼이끼yaya조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 지하유출수를 이용한 지하철 역사 내 대기오염물질 저감 이끼의자 설계

영문 : Design of Moss Chairs for Reducing Air Pollutants in Subway Stations Using Underground Effluent

과제 팀명

이끼이끼yaya

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20188900** 고*인 (팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20188900** 박*문

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 이*경

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 이*경

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 설계는 지하철 내의 대기질을 향상하고 친환경적인 휴게 공간을 제공하기 위해 개발하였다. 해당 설계는 지하 유출수의 재활용과 IoT 관수 시스템, 장기간 유지 및 효과적인 관리가 가능한 유지보수 시스템을 구축하는 것을 목표로 한다. 이끼는 PM 10, PM 2.5를 비롯하여 질산화물, 황질산화물, 오존 등의 대기오염물질을 정화할 수 있는 효과가 탁월하다. 이 효과를 이용해 이끼의 물질대사와 유지 기간을 최대화하기 위하여 적합한 이끼의 종류를 선정하고, 이끼의 생장 조건인 광원과 습도에 대한 연구가 포함돼 있다. 또한, 이끼의 기본적인 장치 구조와 프로그램 구상 내용이 서술돼 있으며, 궁극적으로는 환경친화적인 제품을 설계하고자 한다. 기업과의 제휴를 통해 지속해서 유치될 수 있게 하고, 시민들에게 휴게공간을 제공하고, 심미적인 디자인을 통해 편안함을 제공한다. 또한, 추후 전국적으로 확대할 수 있는 사용 확장성을 제시한다

개발 과제의 배경

▪ 최근 그린인프라에 대한 관심으로 식물을 이용한 환경 친화적인 구조물이 이용되는 추세이다.

▪ 이끼는 대기오염저감효과 및 쿨링 효과가 뛰어나 많은 친환경적 건축물의 자재로 이용된다.

▪ 국내에 설치된 구조물인 SH 공사의 이끼타워는 이끼의 실외공간 배치 문제 및 이끼 교체 문제로 이끼가 갈변,사멸되는 등 이끼 관리 및 보수의 미흡함이 드러났다.

개발 과제의 목표 및 내용

▪ 이끼 생장에 최적화된 광원/습도/온도 조성을 통해 이끼의 유지기간을 최대화하고, 이끼판을 매트 방식으로 하여 이끼의 교체를 편리하게 한다.

▪ 이끼매트의 교체가능한 특성을 이용해 기업과 제휴를 맺어 이끼판에 기업 광고를 제공하고, 이끼의자(MO:REST)의 유지비용을 충당한다.

=> 지하유출수 활용, 관수 후 버려지는 물 재활용, 이끼매트 사용기간 최대화를 통해 버려지는 자원을 최소화한 친환경적인 이끼의자(MO:REST)를 설계함을 목표로 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• State of art

현재 이끼 녹화 기술은 이끼의 재배와 증식, 이끼의 시공 및 설치 연구에 초점이 맞춰져 개발되고 있다. 다양한 종류의 이끼를 연구하고 개발해 증식하는 연구가 개발되며, 이끼를 벽이나 정원 구조물 탑 등에 결합하여 시공하고 설치하는 방법으로 다양화되고 있다. 하지만, 현재 이렇게 설계되고 실제 시공된 이끼 구조물은 유지와 관리의 연구는 미흡한 상황이다. 그 예시로 SH공사가 서울시 강서구 마곡나루에 설치한 이끼 타워는 이끼의 수명이 끝나 갈변현상이 일어났음에도 이끼의 교체가 이루어지지 않은 채 방치되고 있는 상황이다. 따라서, 이러한 이끼의 설치뿐 아닌 이끼의 유지/보수/관리에도 많은 관심을 두어 연구해야 할 필요성이 있다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

*경쟁제품 조사 비교

1.모스랩 이끼 프레임

- 탁월한 양이온 교환에 의해 대기 오염 물질을 결합하고 대사하여 바이오매스로 전환하며 미세먼지 절감

- 박테리아, 세균 증식을 억제하는 능력 및 향균 능력과 청정 가습 효과

- 광합성을 통한 이산화탄소 포획 저장

2. SH공사 스마트 모스월

- 연간 약 12kg의 미세먼지와 약 240t의 CO2를 저감

- 주변 미세먼지 오염을 최대 53% 감소시킬 수 있으며, 섭씨 2.5도의 냉각 효과

- 태양관 판넬과 배터리를 이용한 자체 전력 공급이 가능, 빗물을 저장해 활용하는 자동 급수 기능 보유

- 이끼의 생장을 위한 LED와 원활한 운영 상황을 위한 LTE 통신 장비 설비

*마케팅 전략 제시

본 설계 작품의 SWOT 분석을 통해 내·외부적 강점과 약점을 파악하고 마케팅 전략을 수립함

1. Strength

- 이끼 벽면과 지하유출수 활용으로 환경친화적이며, 대기오염물질 저감에 도움이 된다.

- QR 코드를 통해 대기질 정보 및 기업의 친환경정보를 승객에게 제공함으로써 가치를 더한다.

- 이끼 벽면과 이끼 생장 주기에 맞춘 램프는 심미적인 요소로 지하철 환경을 더욱 쾌적하게 만들 수 있다.

- 스마트팜을 통해 이끼를 관리하므로 이끼교체가 용이하다.

2. Weakness

- 이끼와 IoT 시스템에 대한 유지 보수가 필요하며, 이에 따른 시간과 비용이 들 수 있다.

- 지하철 환경은 규제(안전 규정, 소유 및 운영 규정 등)가 많기 때문에, 관련 규정을 준수해야 한다.

3. Opportunity

- 친환경적인 아이디어로서, 미래에 더 강화된 환경 규제에 부응할 수 있다.

- 기업의 로고를 이끼 벽면에 표시함으로써 브랜딩 및 마케팅 기회를 제공할 수 있다.

- 플랫폼 이용료나 광고 수익 등 다양한 수익원을 만들 수 있다.

- 스마트팜을 통한 이끼 문화를 확산할 수 있다

4. Threat

- 이끼 유지 관리 및 IoT 기술 고장으로 인한 시스템의 안정성에 영향을 미칠수 있다.

- 경제적 불안 요인이 투자와 수요에 부정적인 영향을 미칠 수 있다

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

▪ IoT 기술을 활용해 이끼의 최적 물질대사 환경을 조성하여, 이끼의 대기오염물질 최대 저감능 확보와 생장 조건 유지를 통한 유지·보수 및 교체 관리 용이

▪ 실내의 대기오염물질 저감 및 피톤치드와 같은 천연공기를 배출하여 실내 공기질 개선

▪ 도시 지하 공간을 심미적으로 조성함으로써 지하 환경을 미적으로 향상해 시민 스트레스 저감

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

▪ 이끼 의자를 통한 환경에 대한 공동체 의식 증가

▪ 기업 홍보 유치를 통한 경제성 제고 및 친환경 기업에 대한 홍보 가능

▪ 대기 저감 능력이 뛰어난 이끼 및 그린인프라, 지하유출수에 대한 홍보를 통한 관심 증가

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 공통 분담

- 개발 과제의 목표 배경, 목표, 내용 설정

- 관련 기술 및 시장에 대한 분석

- 설계 추가 기술 제안

- 시연품 제작 및 시연

◇ 개별 분담

고정인 - 아두이노를 이용한 소프트웨어 설계, 회로도 작성, RF 모듈 및 센서 운전

박기문 - 대상 지역 및 장소 선정, 선정한 장소에 따른 이끼 선정, 생장 조건 제시

이성경 - 이끼 부착 평면도 제작, 광원의 종류 및 배치 제시, 3D 모델링을 통한 조립도 및 부품도 작성

이은경 - 노즐 사양 계산, 펌프의 축동력 및 모터 동력 제시, 제품에 의한 대기질 개선 정도 파악

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

개념설계안

◇ 이끼 선정 이끼를 선정하기 위해 이끼별 공기정화 능력 평가에 대한 선행 논문을 참고하였다. 논문의 실험에 사용된 이끼들은 전국적으로 유통량이 많은 우산 이끼, 쥐꼬리 이끼, 깃털 이끼 그리고 비단 이끼이다. 실험 결과에 따르면 충분한 시간이 주어졌을 때, 미세먼지, 혼합 가스, 〖CO〗_2, 그리고 O_2 에 대한 감소량은 이끼 종류 필터 간 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 따라서, 이끼의 종류는 공기 정화의 성능에 미치는 영향이 없음을 확인하였다. 그러나, 쥐꼬리 이끼는 다른 이끼 종과 비교했을 때 미세먼지 감소량과 미세먼지 감소율에서 가장 높은 저감 수치를 기록하였다. 또한, 쥐꼬리이끼는 옆으로 뻗는 가지를 많이 발생하는 특성 때문에 매트 형성에 용이하여 포장용을 비롯한 다양한 용도로 사용이 가능하다. 따라서 본 설계에 사용된 이끼의 종류로써 미세먼지 감소에 효율적이고 상품성이 뛰어난 쥐꼬리 이끼를 선정하였다.

◇ 이끼의자 규격 및 구조

이끼의자는 크게 벽면부(이끼부착부), 내부(노즐 및 동력부), 의자로 구성되며 벽면부는 이끼 모듈, 타공판으로 구성되어 있으며 이끼 생장 광원이 위치한다. 내부엔 스텐리스강 수조가 위치하며, 아두이노를 통해 온도와 습도를 감지하고 특정 조건에서 워터펌프를 작동시킬 수 있다. 이끼의자의 규격은 다음과 같고 벽면부와 내부 그리고 QR코드를 그림으로 나타내었다. 상세 규격은 부품도에서 제시하였다. 이끼의자의 전반적인 외부는 투명 아크릴판으로 구현할 예정이다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 노즐 사양 계산 실제 설치될 이끼판의 규격은 가로 4m, 세로 2m로 정한다. 폭 30cm에서 분사 직경이 60cm가 되는 저압 포그 분사 노즐을 사용할 때, 분무 노즐 설치 계획은 다음의 그림 1과 같다. 배치는 분사 직경의 중복 면적 최소화 및 설치 노즐 개수의 최소화를 목적으로 두고 기하학적으로 구하였다.

즉, 총 면적 8m^2의 이끼판에 대하여 45개의 분무 노즐이 필요하다. 시중 저압 포그 분무 사양은 다음과 같다. 분사거리가 2~3m 일 때, 사용 압력은 1.5~3.0 bar이고 분사 직경은 0.7~0.9m 그리고 사용유량은 7.5 ~ 10 L/h이다. 즉, 평균치 계산법을 사용하였을 때 이끼판에 부딪히는 저압 포그 분무의 유속은 다음과 같다.

Q=V×A (Q = 사용 유량, V= 유속, A = 단면적)

Q = (7.5 + 10)/2 = 8.75 L/h, A=π/4×(〖0.08m)〗^2 = 〖0.50m〗^2

8.75L/h =8.75×10^(-3) m^3/h= V× 〖0.50m〗^2

→ v = 2.43×10^(-6)m/s

따라서, 노즐 분사 시작점과의 30cm 거리를 지니고 위와 같은 분사 속도를 지니며 분사 직경은 60cm인 노즐을 외주 맡기어 설계한다

◇ 펌프동력

1) 수동력 이끼판 세로의 길이는 2m, 의자 높이는 50cm로 총 헤드는 2.5m이다.

수동력 = 1000 kg/m^3×2.5m ×9.8m^2/s×2.43×10^(-6) m/s×45= 2.68W

2) 축동력

대체적으로 시중의 펌프는 60~70 % 이상의 효율을 지닌다. 본 설계에서 펌프 효율을 70%라 가정하고 축동력을 구하도록 하겠다.

축동력 = 수동력/(펌프 효율) =2.68W/0.7 = 3.83W

3) 소요 모터 동력 API610 펌프에 대한 국제 표준 규격에 따르면 동력이 19kW 이하일 경우, 여유율은 0.25로 설정한다.

소요 동력 = 축동력 × (1+0.25) = 3.83 W × 1.25 = 4.79 W

따라서, 5W 이상의 정격 모터를 선정하여 설계에 사용한다.

상세설계 내용

조립도

조립순서

(1) 이끼매트와 타공판의 옆면을 의자틀 옆면과 부착한다.

(2) 스프링클러 노즐을 호스에 연결해 뒷판에 부착한다.

(3) 수조의 물을 끌어올리기 위한 워터펌프를 수조 내부에 부착한다.

(4) 이끼의 생장을 최적화할 수 있는 식물생장 LED를 아크릴 판 위에 부착한다.

(5) Dht22 센서를 이끼매트에 고정하고 연결된 아두이노는 물에 닿지 않게 의자 옆면 케이스에 보관한다.

부품도

제어부 및 회로 설계

제어부 및 회로 설계는 다음 그림과 같다.

온습도 dht 22센서를 아두이노에 연결하고 Rf 모듈을 장착시킨다. Rf 통신 모듈을 이용해 다른 아두이노 판에서 측정된 습도값을 받고, 릴레이를 제어하여 펌프를 작동시키는 원리이다.

소프트웨어 설계

다음 코드를 통해 상대 습도 조건 미충족시 릴레이 모듈을 활성화하도록 설정한다.

자재 소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

프로토타입 예시 1

프로토타입 예시 2

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

본 설계에서 고안한 MO:REST(이하 이끼 의자)는 지하유출수를 이용하며 지하철 역사 내 대기오염물질 저감을 목표로 한다. 수분 공급은 실시간으로 이루어지고 아두이노와 연결된 센서 데이터를 이용해서 상대습도가 계산된다. 이를 바탕으로 물은 자동으로 분무 된다. 이에 대해서 고려해야 할 점은 센서의 위치 및 개수, 미세먼지 저감능 초과 유입 시 방안 그리고 온/습도 센서 및 노즐의 오류나 오작동으로 인해 상대습도가 80%가 됐을 때도 계속해서 물이 나오는 상황을 방지하기 위한 설비나 조치 방안이다. 먼저 센서의 위치 및 개수의 경우에는 측정되는 미세먼지, VOC, 이산화탄소, 음이온, 산소와 같은 측정데이터를 나타내는 환경 상황을 가로 1m당 통솔하게 하고 최상단에 설치하여 습도가 제일 낮은 부분을 고려하도록 한다. 미세먼지가 저감능을 초과하여 유입 시에는 자동 관수 시스템의 조절로 상대 습도를 더 높임으로써 바닥에 가라앉힐 수 있기 때문에 이끼 의자 내 이끼에 직접적인 영향을 줄일 수 있다. 습도 관리만으로 효과가 부족하다 판단되는 장소에는 에어커튼을 활용한다. 미세먼지 센서를 부착하여 일정 농도 이상의 미세먼지 유입 시 에어커튼을 활성화하여 조치를 취할 수 있을 것이다. 마지막으로 온/습도 센서, 노즐(스프링클러)의 오류 또는 오작동으로 인해 상대습도가 80%가 됐을 때도 계속해서 물이 나오는 상황에는 초기 시범운행 동안 일정 기간 상대습도 및 스프링클러의 동작 log를 기록, 분석해 패턴을 파악해서 해결한다. 예를 들어 1달간 파악했을 때의 노즐 작동시간의 최대치를 훨씬 웃도는 작동시간이 감지될 경우 관수를 중단하는 시스템 도입한다. 또한 디지털 수도 계량기의 원리를 이용해 노즐(스프링클러)의 폐색을 방지할 수 있을 것이다. 이러한 부분들에 대한 실제적인 평가나 실험 및 구현이 진행된다면 자원 친화적인 홍보성 제고 및 역사 내 대기오염 저감을 현실적으로 기대할 수 있을 것이다.

참고 문헌

[1] 김세용, 스마트그린 이끼타워 미세먼지 저감 시스템 및 그 방법, 10-2222701, (2020.06.19), (2021.02.25)

[2] 박현숙. "식물생장을 위한 LED LAMP 설계에 관한 연구." 국내석사학위논문 남부대학교 대학원, 2012. 광주

[3] 버려지던 '유출지하수', 탄소중립 핵심 수자원으로 재탄생, 대한민국 정책브리핑, 2022년 7월 5일 수정, 2023년 12월 10일 접속, https://buly.kr/A42OEMX

[4] 서울특별시 물순환정보 공개시스템, 서울특별시, 2023년 12월 10일 접속, https://swo.seoul.go.kr/

[5] 안교명. "식물성장에 적합한 LED조명 시스템 설계에 관한 연구." 국내석사학위논문 원광대학교 일반대학원, 2015. 전라북도

[6] 안도현, 최현우, 이종민, 허성필. (2022). 이끼를 활용한 공기정화 시스템 개발 및 이끼별 공기정화 능력 평가. 한국산업정 보학회논문지, 27(3), 21-28.

[7] 이재영, 「연 1억4천만t 발생하지만 90% 버려지는 유출지하수, 활용 늘린다」, 『연합뉴스』, 2022/07/05,https://www.yna.co.kr/view/AKR20220705066100530, (2023/12/10)

[8] 전중규, 안영섭, 김은진. (2014). 이끼를 이용한 벽면 녹화 시스템의 성능, Magazine of the Korea Concrete Institute, v.26 no.3, 2014년, pp.36 - 40

[9] 추진호, 「지하철 내 버려진 지하수 이용한다」, 『환경데일리』, 2020/08/28, http://ecoday.kr/news/newsview.php?ncode=1065601120925684, (2023/12/10)

[10] Cho, Ju Sung, & Lee, Cheol Hee. (2013). Effect of Several Cultivation Condition on Growth of Brachythecium rivulare and Myuroclada maximoviczii.Korean Journal of Plant Resources,26(1), 52–59. https://doi.org/10.7732/KJPR.2013.26.1.052

[11] Sherpa Space, 쉐르파 스페이스, 2023년 12월 10일 접속, https://www.sherpaspace.co.kr/

[12] STARTSEITE-Green City Solution, 2023년 12월 10일 접속, https://greencitysolutions.de/en