02분반 4조
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 종이팩 재활용률 향상을 위한 종이팩 수거 시스템 구축
영문 : Establishing a Collection System to Enhance the Recycling Rate of Paper Cartons
과제 팀명
가온
지도교수
구자용 교수님
개발기간
2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 환경공학부·과 202189**** 노*철(팀장)
서울시립대학교 환경공학부·과 201889**** 권*중
서울시립대학교 환경공학부·과 201989**** 지*현
서울시립대학교 환경공학부·과 202189**** 지*현
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
- 종이팩 재활용률 향상을 위한 수거 시스템 구축
- 재활용 과정 최적화를 위한 전처리 및 자동화 기술 개발
- IoT 기반 스마트 관리 및 사용자 인센티브 시스템 도입
개발 과제의 배경
- 국내 종이팩 재활용률은 14% 불과하며, 멸균팩과 일반팩의 혼합 배출로 인해 재활용 체계가 비효율적으로 운영되고 있음
- 멸균팩의 사용 증가와 종이팩 전용 수거함 부족은 재활용률 감소의 주요 원인으로 지목됨
- 종이팩 재활용 인프라의 부재로 인한 재활용률 하락
개발 과제의 목표 및 내용
- 목표: 일반팩과 멸균팩을 효율적으로 분리배출하고, 재활용률을 향상시켜 자원 낭비와 환경 오염을 줄이는 시스템을 구축.
- QR코드를 활용한 종이팩 분츄 및 자동 개폐 시스템 개발
- 세척, 건조, 압축 공정을 포함한 통합 수거함 설계 및 제작
- IoT 기술을 기반으로 한 실시간 수거함 모니터링 및 데이터 분석 시스템 도입.
- 사용자의 분리배출을 유도하기 위한 인센티브 제도 개선
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
1. Clean Cube
- 자동 압축 기능: 내장된 센서가 쓰레기 양을 감지하면 압축기가 작동하여 부피를 줄임.
- 효율성 증가: 최대 8배까지 쓰레기 적재 용량을 늘릴 수 있음.
- 에너지 절약: 태양광 집광장치를 활용하여 별도의 전력이 필요하지 않음.
- 운영 효율성: 압축으로 쓰레기 수거 빈도를 줄여 관리 비용 감소.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
- 마케팅 전략 제시
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
1. 효과적인 분류체계 : QR코드를 활용한 분리 시스템으로 종이팩과 멸균팩을 효율적으로 분리하여 쓰레기 감소오 재활용 비용 효과를 달성
2. 잔여물 제거 및 재활용수 이용률 증가: 세척 및 압축 시스템을 통해 종이팩 잔여물을 제거하고 수거 효율성을 극대화
3. 사회적 기대효과 : 재활용률 향상과 인센티브 제공으로 환경 인식 개선과 국가적 재활용 체계 강화 기대
경제적 기대효과
◇ 편익(Benefit)
1. 종이팩 재활용 이익
- 펄프 가격: 705달러/톤 × 1,200원 = 846,000원/톤
- 서울시립대 종이팩 발생량: 7.453kg/일 = 2.72톤/년
- 재활용률: 90%
- 연간 재활용 이익: 2.72톤 × 90% × 846,000원/톤 = 2,071,296원
2. 감축된 폐기물 처리 비용
- 매립/소각 비용 : 111,200원/톤
- 연간 감축량: 2.72톤 × 90% = 2.45톤
- 감축 이익: 2.45톤 × 111,200원/톤 = 272,440원
3. 총 연간 편익
- 재활용 이익 + 감축 이익 = 2,071,296원 + 272,440원 = 2,343,736원
◇비용(Cost)
초기 설치비용 = Tank 제작(빗물 받이 용수) + 수도 설치 + 기타 장치 비용
(1) Tank 제작, 설치 비용(빗물 받이 용수)
2023. 서울시 빗물이용시설 보조금 지원 사업 관련문서, 물 재이용 법령 규칙 제 27조, 28조에 따르면 재정지원에 따라 설치비의 일부와 전액을 지원받을 수 있다.
1. 물탱크 : 110,000원
2. PIPE 배관 : 205,924원
3. 압력용기 명판 : 45,559원
4. PIPE 현장 배관 : 28,516원
5. 빗물필터(전처리시설) 비용 : 380,000원
6. 펌프 및 펌프설치 비용 : 403,455원
총 비용 : 1,173,454원으로 빗물 재이용시설의 최대 지원금 2,084,000원 안의 비용으로 전액 지원이 가능하므로 펌프 비용, 설치 유지비용을 계산한다.
(2) 초기 설치 비용
1. 수도 설치 : 238,000원
2. 기타 장치 (터치 스크린, 압축기 ,환풍기 등) : 404,000원
총 초기 설치비용 : 642,000원
(3) 운영비용
1. 수도 사용 요금
- 1일 수도 사용량 : 약 134원
- 연간 수도 요금 : 134원 × 365일 = 48,910원
2. 전력 비용
- 하루 전력 사용량 : 2kWh × 160원 = 320원
- 연간 전력 비용: 320원 × 365일 = 116,800원
3. 노동 비용
- 시설청소원 월급여 시급 : 13,323원
- 월 작업 시간: 10시간 (가정)
- 연간 노동비용: 13,323원 × 10시간 × 12개월 = 1,598,850원
4. 총 연간 운영비용: 48,910 + 116,800 + 1,598,850 = 1,764,560원
◇B/C Ratio
1. 총비용
총 비용 = 초기 설치비용 + (연간 운영비용 × 운영 기간)
총 비용 = 642,000 + (1,764,560 × 운영 기간)
2. 총 편익
총 편익 = 연간 편익 × 운영 기간
총 편익 = 2,343,523 × 운영 기간
3. B/C Ratio 계산
- B/C = 총 편익 ÷ 총 비용
- B/C = (2,343,523 × 운영기간) ÷ (642,000 + 1,764,560 × 운영기간)
- B/C > 1이 되는 최소 기간을 찾기 위해 반복 계산
- 결론 : 운영 기간이 2년일 때 B/C > 1을 만족한다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
설계
설계사양
제품의 요구사항
개념설계안
세척부
- 수거함 상단에 위치하며, 사용자 입력 후 세척 노즐에서 물이 나와 종이팩 내부를 세척
- 세척된 물은 하수관을 통해 배출
QR코드 인식부
- 세척된 종이팩을 QR코드 스캐너로 스캔하여 일반팩과 멸균팩을 자동으로 구별
- 구별된 종이팩은 해당하는 투입구로 자동 개폐 후 분류
건조 및 압축수거부
- 자연 통풍과 환풍기를 퉁해 세척 후 종이팩을 건조
- 초음파 센서를 이용해 적재량을 감지하고, 부피가 일정 수준을 초과하면 압축기로 부피를 줄여 수거 공간 최적화
설치 장소와 시스템 설계
- 세척수 잔여물이 고이지 않도록 바닥과 이격된 수거통 설계
- 효율적인 분리배출과 수거를 위해 QR코드 기반의 자동화 시스템과 환기 장치 적용
인센티브 제도 개선 및 제안
'
학생들이 종이팩 수거 활동에 참여할 수 있는 실질적인 인센티브 설계
- 기존 종이팩 수거의 인센티브는 화장지 2롤로 학생들에게 실질적인 보상으로 느껴지지 않음
- 부평구의 사례를 통해 자원봉사 시간 제공으로 재활용 참여율 상승효과
- 대학 내 종이팩 전용 수거함 설치후 자원봉사 시간 인정과 같은 실질적인 보상 제공
- 타 기관에서 채택 가능한 모범 사례 모델 구축
이론적 계산 및 시뮬레이션
CO2 감축효과
상세설계 내용
설계 사양
- 수거함 규격 : 가로 1.2m, 세로 0.6m, 높이 1.1m로 최대 수거 용량 고려
- 투입구 크기 : QR코드 인식 후 자동 개폐되는 구조로, 최대 1L 팩 크기를 수용할 수 있도록 설계
시스템 작동 절차
1. 사용자가 QR코드를 스캔하여 종이팩 종류를 인식.
2. 스크린 안내에 따라 세척 노즐에서 10~20초 동안 물을 분사해 내부를 세척
3. 일반팩과 멸균팩으로 분류된 팩은 각각의 투입구로 이동
4. 수거함이 2/3 이상 차면 압축기가 작동하여 부피를 줄임
5. 환풍기를 통해 잔여 수분 제거 및 악취 방지
장치 설치 계획
(1) 설치 위치
- 100주년 기념관, 학생회관, 중앙도서관
- 접근성과 사용자 이용 편의를 고려한 위치 선정
(2) 환경 관리
- 바닥과의 간격을 두어 물 고임 방지 및 내부 환기
운영 및 유지 관리
(1) 운영 주기 : 3일마다 수거 및 점검
(2) 유지 비용
- 수도 요금 : 하루 약 134원
- 전력 요금 : 하루 약 15Wh 소비
- 인건비 : 월 133,230원 (연간 약 1,598,850원)
제어부 및 회로설계
프로토타입 제작을 위한 아두이노 회로도
설계내용
- 종이팩의 QR코드 인식 후 종류(일반팩, 멸균팩)에 따라 각각의 투입구 자동 개폐
- 종이팩이 투입도니 후 적외선 센서와 모터를 이용한 압축기 작동
- 압축된 종이팩들이 수거통에 2/3 이상 쌓이게 되면 초음파 센서와 LED를 활용한 알림 시스템 작동
소프트웨어 설계
아두이노 QR 코드 스캐너 및 LCD 패널 코드
아두이노 적외선 센서 및 모터 코드
아두이노 초음파 센서 및 LED 코드
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
포스터
관련사업비 내역서
완료작품의 평가
향후계획
- 시범 운영 데이터를 분석항 사용자 이용률과 재활용 효과 최적화
- 지역사회 및 공공기관과 협력해 시스템을 전국적으로 확산하고 지속 가능한 운영 체계 구축
- 수거함에 IOT 통신 센서를 추가하여 적재함 용량 한계 시 자동 알람을 통한 수거 업체와의 수거 계획 최적화
- 수거함에서 발생되는 종이팩의 데이터들을 활용하여 향후 다량 수거되는 종이팩의 종류 확인을 통한 제조사 펄프 비용 조정 가능성
- 시연물에서 구현되지 못한 종이팩 분류 적재함 자동 개폐 시스템 추가적인 설계
- 인센티브 제공을 위한 전용 어플리케이션 도입
- 종이팩 수거율 낮은 지방 자치단체 (대전광역시, 세종특별자치시, 전라북도등)에 설치비 지원을 통한 수거율 향상 방안
