01분반 숨통트여조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 근접 포집을 활용한 지하주차장 공기질 개선 시스템 구축

영문 : Air Quality Improvement System in Basement Parking Lot Using Source Capture

과제 팀명

숨통트여조

지도교수

박승부 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20208900** 김*홍(조장)

서울시립대학교 환경공학부 20208900** 김*혁

서울시립대학교 환경공학부 20208900** 백*수

서울시립대학교 환경공학부 20208900** 정*호

서론

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

(1) 지하주차장 환기 팬

(2) CO 감지 센서 및 초음파 센서

SWOT 분석

기술개발 일정 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

QFD

QFD(Quality Function Deployment) 분석에서 고객 요구 품질과 기술 특성을 매핑한 결과, '포집 성능'이 최우선 과제로 도출되었다.

개념설계안

설계 흐름도

본 개념 설계는 차량 감지, 오염물질 포집, 자동 제어, 환기 효율 평가 체계로 구축하였다. 따라서 작동 기준을 설정하고 포집 속도를 충족하는 흡기 장치를 설계하였다. 
또한 차량을 인식하면 즉시 시스템을 작동시켜 오염물질 저감에 따른 환기 효율을 평가하였다.

포집 장치 배치

자동차의 배기가스는 엔진의 압축과 폭발, 배기 과정에서 생성되며, 머플러에서 배출된다. 머플러의 위치는 자동차 종류마다 상이하다. 
기아 자동차 K5의 머플러는 차량의 우측 하단이나 양쪽 하단에 위치하며 현대 자동차 벨로스터의 머플러는 중앙에 위치한다. 
따라서 후면 주차를 가정한 상황에서 배기가스의 포집 장치는 주차라인과 주차블록 사이 양쪽 하단에 배치하도록 한다.

이론적 계산

포집 속도(V)

포집 속도(V)는 한국산업안전보건공단 산업환기설비 지침에서 제시하는 외부식 하방 흡인형 가스상 물질 제거 속도(0.5m/s)를 적용하였다.

제어 거리(X)

제어 거리(X)는 국내 최대 점유 차량 아반떼의 최저 지상고(0.14m)에 보정계수(1.1, 1.3)를 곱하여 계산하였다.

흡기구 면적(A)

후드 제어거리 이론에서 오염원에서 후드까지 거리가 덕트 직경(상당 직경)의 1.5배 이내일 때 유효한 흡입이 가능하다. 제어 거리가 0.2002m이므로 후드(포집 장치) 직경은 0.2002m ÷ 1.5 = 0.13m 이상이어야 한다. 
따라서 포집 장치 형태를 한 변의 길이가 0.2m인 정사각형으로 가정하여 흡기구 면적(A)을 계산하였다.

포집 배풍량(Q)

한국산업안전보건공단 산업환기설비 지침에서 제시하는 배풍량 식을 적용하였다. 포집 속도, 제어 거리, 흡기구 면적을 대입하여 배풍량을 산정하였다.

설계 제원

상세설계 내용

모식도

화살표 부근 수치는 길이를 나타내는 것으로서 단위는 mm이다.
한 변의 길이가 200mm인 정사각형 포집 장치를 좌우 주차라인에서는 325mm, 후방 주차라인에서는 300mm 거리를 두고자 한다. 
좌우 주차라인에서 325mm 거리를 두는 이유는 포집 장치의 중심을 주차블록 중앙에 맞추기 위함이다. 
후방 주차라인에서 300mm 거리를 두는 이유는 포집 장치 배치 거리에 제시하였다.

포집 장치 배치 거리

주차블록에서 포집 장치까지 배치 거리는 다음과 같이 계산하였다. 
주차블록에서 포집 장치까지 배치 거리 = 1,000mm(차량 뒷바퀴 중심에서 머플러까지 거리) - 320mm(타이어 외경 절반) - 150mm(주차블록 길이) + 70mm(주차블록 상단과 타이어가 겹치는 길이) = 600mm
주차블록 높이 120mm를 고려하면 타이어 반지름 321mm에서 가감된 값은 약 201mm가 된다. 타이어 반지름 321mm를 빗변으로 하는 직각 삼각형에서 피타고라스 정리를 적용하면 밑변은 250.3mm이다. 
타이어 반지름 321mm에서 이 값(250.3mm)을 가감하면 주차블록 상단과 타이어가 겹치는 길이는 약 70mm로 계산된다. 
따라서 후방 주차라인에서 주차블록까지 거리가 900mm이므로 후방 주차라인에서 포집 장치까지 배치 거리는 900mm - 600mm = 300mm이다.

탐지 항목

CO, PM-10, TVOC는 지하 주차장에서 차량 운행으로 발생하는 주 오염물질이다. 따라서 본 설계에서는 세 가지 오염물질을 탐지하여 작동 기준을 설정하였다. 
CO는 핵심 제어 대상 오염물질이며, PM-10과 TVOC는 작동 전·후 공기질 평가 지표로도 활용하였다. 차량 유무도 작동 기준으로 설정하며 HC-SR04 센서로 파악한다.

사용 센서 및 선정 근거

본 회로에서는 오염물질과 차량을 탐지하기 위해 MQ-7, AM1002, HC-SR04 센서를 사용하였다. MQ-7 센서는 시간 변화에 따른 CO 농도 기울기(CO Slope)를 출력한다. 
AM1002 센서는 PM-10 및 TVOC 농도와 온습도를 측정한다. HC-SR04(초음파) 센서는 천장에서 바닥까지 거리(차량 감지 거리)를 측정하여 차량 유무를 파악한다. 
따라서 작동 기준으로서 농도 기준(CO Slope, PM-10, TVOC) 및 차량 감지 거리 기준을 설정하여야 하며 이는 제어 메커니즘에 제시하였다.

제어 메커니즘

제어 메커니즘은 차량 입차 및 출차 상황에 따라 상이한 기준을 적용한다. 입차 시에는 HC-SR04 센서로 거리를 감지하여 차량 감지 거리가 25 cm 이하일 경우 포집 장치(FAN)를 가동한다. 
반면, 출차 시에는 MQ-7 및 AM1002 센서를 활용하여 차량 오염물질 배출에 따른 농도 기준을 적용한다. CO Slope가 6 이상 또는 PM-10 농도가 200 μg/m³이상 또는 TVOC 농도가 1,000 μg/m³이상 중 하나라도 충족할 경우 FAN이 작동한다. 
또한 FAN의 최소 작동 시간은 1분으로 설정하였는데, 이는 유타 주립 대학교의 공회전 배출 특성 연구(Martin, 2017)에서 냉간 시동(Cold Start) 직후 0~60초 사이에 CO가 고농도로 배출된다는 보고에 근거하였다. 
FAN이 1분간 가동된 이후에는 공기질 개선 여부를 판단하고, 농도 기준 이하이면 FAN 작동을 중단한다.

통합 회로

통합 회로는 설정된 기준에 따라 FAN이 1분 이상 작동하도록 구현하였다. 또한 Relay Module을 사용하여 가동부 FAN을 센서와 연결하였다.