3조. 낙(樂)조
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 세정 집진 장치를 활용한 환기형 공기청정기 설계
영문 : Design of Ventilation Air Purifiers using Scrubbing Dust Collector
과제 팀명
낙(樂)조
지도교수
000 교수님
개발기간
2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 환경공학부 20114300** 김**(팀장)
서울시립대학교 환경공학부 20114300** 김**
서울시립대학교 환경공학부 20114300** 김**
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
(1) 실내환경에서 나타나는 오염물질의 종류와 농도 수준은 실외환경과 비교해 볼 때 매우 다른 양상을 나타낼 수도 있으며, 실내공기질의 특성을 고려하지 않고 실외공기에만 치중한 대기질 관리정책은 실질적으로 일반 대중의 건강증진에 큰 효과를 가져오지 못할 수도 있다. 따라서 실내공기에 대한 소극적방안인 공기청정기를 실외환경이 아닌 실내환경에 초점을 맞추고 기존 미세먼지에 대한 집중적인 방지가 아닌 아황산가스, 일산화탄소, 이산화탄소, 이산화질소, 담배, PM10수준의 먼지, 포름알데히드, 라돈, 레지오넬라균등의 오염물질에 대해서 생각해보고 이를 제거하여 실내에서 만큼은 신뢰할 수 있는 수준의 공기질을 만드는데에 의의를 둔다. (2) 공기정화장치가 실내에 있는 경우 실내 가장자리가 아닌 중앙에 위치해야 가장 뛰어난 효율을 가지게 되고 공기청정기의 크기는 정화장치의 처리 용량과 직결되는데 정화장치가 크면 클수록 공간이 낭비된다. 따라서 공기청정기의 소형화에 대하여 생각해본다.
개발 과제의 배경 및 효과
◇ 배경 실내에서 머무는 시간이 증가 하는 추세에 있지만 대기질 관리정책은 실내공기질의 특성을 고려하지 않고 실외공기에만 치중해 있다. 크기가 클수록 처리 용량이 크고 중앙에 배치되어야 효율적인 기존의 공기청정기는 공간의 효율적 사용을 방해하고 있다
◇ 효과 실외기와 실내기를 분리한 방식으로 건물 내부의 공간을 적게 차지하여 효율적인 공간의 사용을 가능하게 한다. 세정습진장치와 필터를 동시에 적용하여 기존의 장치에 비해 다양한 오염물질을 처리하는 것이 가능하므로 실내의 공기질을 보다 청결하게 유지할 수 있다. 기존의 장치보다 필터의 교체주기가 길어서 이용자의 유지관리 편의성 향상에 기여할 것이다.
개발 과제의 목표와 내용
◇ 실내의 공기질 개선해 신뢰할 수 있는 실내 공기질을 만들기 위해 기존의 방식보다 더 다양한 오염물질을 제거할 수 있는 세정 집진 ◇ 장치를 소형화하여 공기청정기에 도입하였다. 실외기와 실내기를 구분한 환기형 공기청정기를 도입하여 공기청정기의 소형화를 이루어내서 공간사용의 효율성을 높인다.
관련 기술의 현황
State of art
1) 활성탄 활성탄은 목재, 갈탄, 무연탄 및 야자껍질 등을 원료로 제조되는 미세 세공이 잘 발달된 무정형 탄소의 집합체로서, 활성화 과정에서 분자 크기 정도의 미세 세공이 잘 형성되어 큰 내부 표면적을 가지게 되는 흡착제이다.
2) 활성탄소섬유(Activated Carbon Filter, ACF) 섬유 형태로 제조되어 활성탄보다 흡착성능이 개선된 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber, ACF)는 종전의 활성탄을 흡착제로 사용할 때보다 흡착능력이 월등히 뛰어난 것으로 알려져 있다. 미세입자 하전 및 전기집진 방식의 기술은 또 다른 공해물질인 오존을 발생시키 는 문제점이 있다. 탄소섬유 공기정화장치는 탄소섬유를 사용하여 먼지입자를 하전시키는 기술로서, 입자 집진 효율을 높이면서도 오존 발생을 거의 하지 않는 친환경적인 입자하전 방식이어서, 공기정화장치로의 새로운 적용이 시도되고 있다.
3) 헤파필터(HEPA Filter) 0.3 µm 이상의 크기의 입자 중 99.97%를 제거할 수 있는 필터를 말한다.
4) NOx, SOx 제거 공정 가. 촉매를 이용한 처리 공정 나. 전기화학적 처리 공정 다. 자외선과 광촉매를 이용하는 처리 공정
5) VOCs 제거 공정
기술 로드맵
특허조사
특허전략
가) 실내에 존재하는 여러 가지 오염물질을 처리하는 공기청정기가 이미 있다. 나) 따라서 여러 오염물질을 처리한다는 것만으로는 특허권을 창출하기 어렵다(신규성, 진보성 결여). 다) 소형화와 필터의 차이점에 중점을 두어 장점(효과)을 어필하여 특허권을 설정등록 받는 것이 바람직하다. 라) 설계 특이상 디자인특허까지 같이 등록받는 것이 더욱 효과적인 보호를 도모할 수 있을 것이다.
관련 시장에 대한 분석
경쟁제품 조사 비교
아래와 같은 평가 기준을 적용하여 기존의 기술과 비교 평가해 보았다. 긍정적인 항목일수록 큰 숫자를 가지게 배치하였다. 10(매우그렇다) 7(그렇다) 5(보통이다) 3(그렇지않다) 1(매우 그렇지 않다)평가항목 1, 2, 3, 4의 가중치는 설계사항에서 정했던 비교가중치와 유사하게 설정해서 항목1은 50%, 항목2는 20%, 항목3과 항목4는 15%로 하였다. 각 가중치를 적용해서 합산한 점수는 다음과 같다.
습식/자외선 공기청정기가 가장 득점이 높음을 확인할 수 있으며 이는 습식/자외선 공기청정기가 기존의 공기청정시스템(전열교환기형) 및 공기청정기(실내배치형)에 비해 충분한 경쟁력을 가지고 있음을 의미한다.
마케팅 전략
◇ 국내 미세먼지 농도가 여러 원인에 의해 점점 높아지고 있는 추세이다. 미세먼지 속에 다양한 나노입자가 포함되어 물질끼리 화학적으로 반응하여 다른 오염물질로 변이한다. 미세먼지 뿐만 아니라 NOx, SOx, VOCs, 라돈 등과 같은 오염물질 또한 처리할 수 있는 공기청정기가 빠른 시일 내에 필요하게 될 것이다.
◇ 공간을 차지하지 않는 공기청정기, 관리하기가 용이한 공기정화장치.
◇ 기존에 건설된 아파트와 같은 집합건물 부분에 시공하는 것은 현실적인 어려움이 따를 것으로 보인다. 따라서 새로 지어지는 집합건물이나 상업지구의 건물이 지어질 때 함께 공기정화장치를 시공하는 것이 바람직하며, 프리미엄 아파트, 사무공간 등임을 어필하고 1차적으로는 여러 건설업체를 2차적으로는 아파트 수요자, 사무실 수요자들을 겨냥함이 바람직하다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 선행기술로서 선구자적인 위치를 점할 수 있다.
◇ NOx, SOx, VOCs 등 여러 오염물질의 동시제거 가능.
경제적 및 사회적 파급효과
◇ 더 청정한 실내환경을 조성할 수 있다.
◇ 하나의 건물이 큰 미세먼지 타워로 작동할 수 있다.
◇ 원천기술개발을 통한 국제표준기술 달성으로 국가 경쟁력과 경제적인 성장을 도모할 수 있다.
구성원 및 추진체계
설계
설계사양
(1) 제품 요구사항 실내 대기오염에 맞추어 제작하는 이번 스마트 공기청정기 설계에 있어서 어떤 것들이 필요한지에 대해서 제품의 요구사항을 정한다. 요구사항을 필요사항(D)과 희망사항(W)으로 나누어 반드시 이뤄야 할 목표와 더 발전시킬 목표를 구분한다. 이후 각 사항별로 가중치를 두어 이번 제품이 어느 측면에 집중하고 있는지에 대해서 판단한다.
(2) 목적계통도
개념설계안
1) 습식세정장치와 UV로 라돈, NOX, SOX, 포름알데히드, 일산화/이산화탄소, 각종 TVOC등, 기존 필터형 공기청정기로는 쉽게 처리하지 못하는 오염물질을 제거할 수 있다.
세정액을 분사해서 이때 생성된 액적, 액막, 기포 등으로 미립자를 분리 포집하는 세정집진 장치의 세정원리는 크게 4가지로 나뉜다. ①직접차단 분진입자의 크기에 따라 좌우되는데 분진입자가 기류를 따라서 액적 주위를 흘러갈 때 액적의표면과 분진입자 사이의 거리가 분진입자 직경의 절반 정도가 되면 직접 차단이 일어난다. ②관성충돌 분진입자가 액적과 직접적으로 충돌하는 경우를 말한다 먼지입경이 1㎛이상인 경우에는 관성충돌이 가장 지배적인 집진작용이다. ③확산작용 함진 가스중의 먼지입자 농도의 차이가 있는 경우에 입자는 고농도 영역에서 저농도 영역으로 확산 이동하여 입자농도를 균일화하려고 하는 성질이 있다. 입자가 브라운운동을 하는 정도가 아주 작은 경우에는 입자는 물방울표면에 부착하면서 분리된다. 0.1㎛이하의 미세먼지 입자 분리시에 주로 이 작용에 의해서 분리된다. ④응집작용 함진가스를 물로 세정하면 함진가스의 습도가 상승하므로 응집이 활발하게 이루어진다.
2) 기존의 공간 내부에 설치하는 기존 공기청정기와는 다르게 실외기와 실내기로 구분하여 공간을 창출고 환기를 이용해 더 효율적으로 오염물질을 제거
기존의 공기청정기는 청정능력이 좋을수록 크기가 커져서 공간을 많이 차지하였다. 또한 공기 청정의 효율의 문제로 청정이 필요한 곳으로 이동시키면서 사용하거나 방마다 따로 공기청정기를 설치해야 하는 문제가 있었다. 위와 같은 문제는 실외기와 실내기로 나누어진 공기청정시스템을 구축함으로서 해결할 수 있다. 실외기에서 들여온 공기를 따로 구성한 정화장치를 거쳐서 실내기로 보내는 시스템을 사용하고 정화장치를 보일러실이나 가벽의 내부같이 직접적으로 이용할 일이 없는 곳에 배치시키면 공간을 차지하는 문제를 개선 할 수 있다. 또한 건물 내부에서 발생한 다양한 오염물질을 무리하게 제거하는 것이 아닌 비교적 오염물질이 덜 다양한 외부의 공기를 정화시켜서 실내의 공기를 대체하는 방법은 기존의 방식보다 더욱 효율적으로 오염물질을 제거 할 수 있다.
3) 상수와 하수를 연결해 습식세정장치사용시 유출되는 폐수를 쉽고 간단하게 처리 습식세정장치의 가장 큰 문제점은 물의 지속적인 관리가 필요하다는 점이다. 이를 상수도와 직접 연결해서 급수하며 공기 정화 후 발생하는 하수를 하수도로 배출함으로서 해결한다.
4) 환기시스템과 IOT기술을 도입하여 적정한 습도와 쾌적한 공기질 구축 습식세정장치가 포함된 환기시스템은 가습의 기능도 할 수 있다. 실내 곳곳에 설치된 측정장치와 IOT기술로 연결해서 실내가 항상 최적의 상태로 유지 되게 할 수 있다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
1) 필요 풍량 산정
시간당 필요 환기 횟수를 기준으로 해서 구한 필요환기량
100㎡집을 기준으로 공용면적 25㎡은 제외하고 거실 20㎡, 부엌10㎡, 침실30㎡ 화장실 7㎡, 기타8㎡로 가정하여 계산하였다. 천장높이는 건축법상 아파트 천장 높이 기준에 맞추어 2.3m로 가정하였다. 침실의 시간당 필요 환기 횟수는 객실과 사무실 거실의 값을 고려해서 4회로 가정하였다. 각 공간에 상주하는 시간을 고려해서 보정을 진행해서 계산한 계산값은 다음과 같다
필요환기량 Q = (20*3*(4/24) + 10*10*(4/24) + 30*4*(9/24) + 7*10*(0.5/24))*2.3 = 168.1875㎥/h = 약 170CMH
기존 환기 시설의 풍량(150~300CMH)과 비교했을 때 실현 가능한 수준으로 보인다.
2) 팬의 크기산정
팬을 산정하기 위해서 덕트와 기타 파트에서의 마찰손실을 구해야할 필요가 있다. 계산된 필요환기량은 약 170CMH으로 나타났는데 이는 일반적인 가정용 에어컨의 실외기의 풍량인 30~60CMM (1800~3600CMH)를 크게 밑도는 수치로 일반적인 실외기 크기의 팬을 사용한다면 마찰손실을 감안해도 충분한 풍량이 나올것으로 예상된다.
3) 각 구성 부분
①세정부 습식세정장치로 제거하기 할 수 있는 오염물질은 미세먼지, NOx, SOx가 있는데 습식세정장치의 장방을 결정하는데 필요한 것은 기체의 체류시간이다. 미세먼지, SOx는 대략 1초 가량의 시간으로 충분한 제거가 가능하나 NOx를 제거하는데 있어서 4초 이상의 시간이 필요하다. NO의 NO2로 변환되는 시간에 있어서 여유율을 고려하면 대략 8초의 체류시간이 필요하다.
직사각 장방형의 공기청정기기를 생각했을 때 단면적은 1m^2 로 놓고 계산하면
Q = Av 0.167㎥/s의 공기가 유입됨으로
0.167㎥/s = 1㎡ * v
v = 0.167m/s로 공기가 움직인다.
8초의 체류시간을 고려하면
0.167m/s * 8s = 1.336
약 1.4m 의 세정부가 필요하다.
②필터부
필요한 필터는 HEPA, 광촉매, 활성탄 필터이다. 풍량을 고려한 자체로 제작한 필터의 크기는 단면적에 맞게 1m^2의 크기를 가진다. 두께는 HEPA 0.1M, 광촉매 0.2M, 활성탄 0.1M 이다. 따라서 필터부의 장방은 0.4M 이다.
조립도
조립도
◇전체 외부파트 설계도(단면도)
풍량을 고려해서 적절한 팬의 크기를 산정하였고 이에 맞추어서 외부파트를 설계하였다.
필터부는 세정부를 거치고 나서 공기가 유입되게 설계하여 필터를 교체하지 않고도 오래 사용할 수 있게 하였다.
물의 흐름은 중력을 거스르지 않게 설계하여 에너지의 손실을 적게 하였다.
◇팬부 설계도(단면도)
◇세정부 설계도
세정부는 외부에서 들어온 공기를 1차적으로 거르는 역할을 수행한다.
기존에 존재하던 미세먼지 포집용 스크러버 장치를 크기에 맞게 재설계 하였다.
세정부는 크게 3곳의 분사구와 데미스터로 구성되어있다.
1번 분사구에서 분사된 액체에 의해 대기 중 오염물질 일부를 액화하여 제거하고 미세입자와 오염물질이 출돌하여 입자의 크기가 커지도록 한다. 1번 분사구에서 2번 분사구에서 분사된 액체에 의해 오염물질이 포집되고 3번 분사구에서 분사된 액체는 데미스터에 달라붙은 물과 먼지 혼합입자를 제거하는 역할을 한다.
데미스터는 분무(Mist)가 외부로 방출되지 않게 하는 역할을 한다. 분리판을 설치하여 세정을 거치지 않은 외부공기가 유입되는 것을 방지하였다.
세정에 사용되는 용액은 상수도를 그대로 사용하며 사용후에는 하수도로 흘려보내는 구조이다.
◇필터부 설계도
필터부는 순서대로 헤파필터부, 광촉매부, 활성탄부로 이루어져 있다. 광촉매부는 자외선을 방출하는 자외선을 방출하는 자외선방출부와 광촉매인 이산화티타늄도료로 이루어진 통로이다.
자재소요서
결과 및 평가
완료작품 소개
프로토타입 사진
포스터
특허출원번호 통지서
개발사업비 내역서
완료 작품의 평가
향후평가
개발도상국 등에서 산업화가 점점 가속됨에 따라 발생하는 미세먼지 등 오염물질이 대기대순환을 통해 여러 나라로 확산되어 대기오염으로 인한 조기 사망자가 약 450만명에 달한다. 여러 가지로 생각해 볼 점 중 하나는 오염물질의 발생을 원천 차단하는 것은 어려우므로 이미 발생한 오염물질을 제거하는 방법이 가장 현실적인 방법이라는 것이다. 현재는 대기오염으로 인한 사망에 가장 큰 축을 차지하는 것은 미세먼지와 초미세먼지이다. 가장 처리가 시급한 것은 미세먼지를 제거하는 것이지만 그 외 오염물질인 질산화물 황산화물 휘발성유기화합물 그 외 라돈 등 방사성물질 또한 간과하여서는 안된다. 과거에는 물을 재화를 지불하고 구매하게 될 것을 예상하지 못했듯, 대기 중 인체에 유해한 농도가 아니므로 신경쓰지 않고 있는 오염물질들이 향후 농도가 증가하고 그것이 어떤 영향을 미치게 될 것인지 모두 신경쓰지 않고 있다. 이번 설계는 기존 공기청정기가 염두에 두고 있지 않은 오염물질을 각 가정에서 모두 제거하기 위해 습식 스크러버 등을 이용하는, 미래지향적인 선행연구로서 가치를 발할 것이다.
부록
참고문헌 및 참고사이트
◇http://www3.konetic.or.kr/main/report/REPORT_VIEW.asp?PARENT_NUM=1170&MENU1=5921
◇환경부, 환경백서2015, 201
◇WHO, 2000, 9월호 관보.
◇WHO, 2000a, Geneva, World Health Organization http: //www3.who. int/whosis/menu.cfm?path=evidence,burden gbd2000docs&language=english, accessed 14 August2003).
◇WHO, 2001, Global burden of disease estimates 2001. Geneva, World Health Organization (http://www.who.int/whosis/menu.cfm?path=evidence,burden_estim ates, burden_estimates_2001&language=english, accessed 9 April 2004)
◇WHO, 2004, World Health Survey home page. Geneva, World Health Organizaion (http://www3.who.int/whs/,accessed 19 February 2004)
◇ https://1boon.kakao.com/NOSearch/aircleaner
◇E-특허나라, http://biz.kista.re.kr/patentmap/front/common.do?method=main
◇특허청, KiPris, http://www.kipris.or.kr/khome/main.jsp
◇박수형. 2018. 헤파필터보다 미세먼지 잘 잡는 나노섬유필터 개발, 지디넷. 3월 29일. http://www.zdnet.co.kr/ view/?no=20180329094407
◇김주연, 2013, 물 분사 방식을 도입한 다층 다단 다공성 플레이트 시스템의 집진 특성, 부경대학교
◇https://ko.wikipedia.org/wiki/HEPA
◇네이버 지식백과 공기청정기, https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1063141&cid=40942&categoryId=32351
◇한국에너지연구원 공식블로그 https://blog.naver.com/energium/221396853409
◇https://blog.naver.com/safehu01/220456656340
◇http://blog.daum.net/grace5163/186
◇http://leadgenex.com/technology/technology_01.php
◇http://kpat.kipris.or.kr/kpat/biblioa.do?method=biblioFrame
관련특허
대한민국 특허청
10-2013-0125223
10-2011-0023976
10-2020-0014494
10-2006-0102590
10-2019-0087709
10-2004-0086224
