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===개발 과제의 개요===
 
===개발 과제의 개요===
 
====개발 과제 요약====
 
====개발 과제 요약====
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◇ 본 프로젝트의 목적은 지하철 환기구에 적용되는 습식 세정장치 설계이다.
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◇ 본 프로젝트의 목적은 지하철 환기구에 적용되는 습식 세정장치 설계이다.
  
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◇ 프로젝트의 목표 장소는 사람들이 많이 지나다니지만, 처리가 되지 않은 지하철 선로 터널의 환기구에 설치가 이루어지며, 분무를 통한 세정 집진장치를 설계한다.  
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◇ 프로젝트의 목표 장소는 사람들이 많이 지나다니지만, 처리가 되지 않은 지하철 선로 터널의 환기구에 설치가 이루어지며, 분무를 통한 세정 집진장치를 설계한다.  
  
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◇ 설계한 세정장치가 실제로 유효한 데이터를 뽑아낼 수 있는지 확인하고 실효성을 검증한다.
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◇ 설계한 세정장치가 실제로 유효한 데이터를 뽑아낼 수 있는지 확인하고 실효성을 검증한다.
  
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◇ 시장에서 유사한 제품이나 경쟁 제품군을 살펴보고 설계물이 경쟁력을 가지기 위한 마케팅 전략을 세운다.
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◇ 시장에서 유사한 제품이나 경쟁 제품군을 살펴보고 설계물이 경쟁력을 가지기 위한 마케팅 전략을 세운다.
  
 
====개발 과제의 배경 및 효과====
 
====개발 과제의 배경 및 효과====
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◇ 서울시티의 기사의 내용을 인용하면, 제293회 임시회 교통위원회 서울교통공사에 대한 현안질의에서 정진철 시의원은 “설치기준 상 환기구는 사람 이 접근하기 어려운 곳에 설치해야 하나 시민 왕래가 잦은 지하철 출입구 앞과 보도 중앙에 설치되어 있다”라고 지적하며, “환기구에서 여과장치 없이 배출되는 미세먼지 바람으로 시민의 건강이 위협받고 불쾌감이 초래되고 있어 조속히 설치기준에 맞는 방식으로 개선해야 한다”라고 촉구한 바 있다. 이처럼, 현재 모든 본선터널 319개소와 지하역사 배기 환기구 대부분은 미세먼지 필터 등의 여과장치가 없는 실정이다.
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◇ 서울시티의 기사의 내용을 인용하면, 제293회 임시회 교통위원회 서울교통공사에 대한 현안질의에서 정진철 시의원은 “설치기준 상 환기구는 사람 이 접근하기 어려운 곳에 설치해야 하나 시민 왕래가 잦은 지하철 출입구 앞과 보도 중앙에 설치되어 있다”라고 지적하며, “환기구에서 여과장치 없이 배출되는 미세먼지 바람으로 시민의 건강이 위협받고 불쾌감이 초래되고 있어 조속히 설치기준에 맞는 방식으로 개선해야 한다”라고 촉구한 바 있다. 이처럼, 현재 모든 본선터널 319개소와 지하역사 배기 환기구 대부분은 미세먼지 필터 등의 여과장치가 없는 실정이다.
  
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◇ 이러한 상황 속에서, 서울교통공사는 2020년도, 지하철 터널의 본선 환기구에 약 60억원을 투자하여, 19개소에 전기 집진기(ESP)를 계획이라고 밝힌 바 있다. 더 나아가, 2022년까지 약 190개 소에 이와 같은 전기 집진기를 추가적으로 설치할 계획을 가지고 있다.
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◇ 이러한 상황에서 서울교통공사는 2020년도 지하철 터널의 본선 환기구에 약 60억원을 투자하여, 19개소에 전기 집진기(ESP)를 설치할 계획이라고 밝힌 바 있다. 더 나아가, 2022년까지 약 190개 소에 이와 같은 전기 집진기를 추가적으로 설치할 계획을 가지고 있다.
  
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◇ 이러한 배경 속에서, 약 1개소에 설치하는 비용이 3억원에 달한다. 이 중에서 전기 집진기의 원가는 대략 1억 정도이 비용이 든다. 이 보다, 비용이 저렴한 장치를 구상함으로써, 전체적인 비용의 절감을 도모한다. 또한, 유사한 효율을 가질 수 있는 장치를 설계함으로써, 도보 위를 통행하는 시민들에게 폭로되는 미세먼지의 양을 저감할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
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◇ 전기집진기를 약 1개소에 설치할때 대략 1억 정도이 비용이 든다. 이보다 비용이 저렴한 장치를 구상함으로써, 전체적인 비용의 절감을 도모한다. 또한 유사한 효율을 가질 수 있는 장치를 설계함으로써, 도보 위를 통행하는 시민들에게 폭로되는 미세먼지의 양을 저감할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
  
 
====개발 과제의 목표와 내용====
 
====개발 과제의 목표와 내용====
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◇ 본 개발과제의 목표는 전기 집진기에 대한 대안적인 설계를 모색한다. 5㎛~ 10㎛효율은 90% 이상이 되도록 설계하며, 전체적인 장치의 비용은 전기 집진기의 비용 이하가 될 수 있도록 설계한다.
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◇ 본 개발과제의 목표는 전기 집진기에 대한 대안적인 설계를 모색한다. 5㎛~ 10㎛효율은 90% 이상이 되도록 설계하며, 전체적인 장치의 비용은 전기 집진기의 비용 이하가 될 수 있도록 설계한다.
  
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◇ 별도의 동력장치 없이, 단순히 열차가 운전할 때 사용되는 열차풍으로만 장치가 운영될 수 있도록 유동하는 공기의 압력손실은 최소화가 될 수 있도록 하는 장치를 설계한다. 또한, 공기가 지하철 터널로 유입하는 경우와 지하철 터널에서 유출하는 경우, 양방향으로 운전이 이루어질 수 있도록 장치를 설계한다.
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◇ 별도의 동력장치 없이, 단순히 열차가 운전할 때 사용되는 열차풍으로만 장치가 운영될 수 있도록 유동하는 공기의 압력손실은 최소화가 될 수 있도록 하는 장치를 설계한다. 또한, 공기가 지하철 터널로 유입하는 경우와 지하철 터널에서 유출하는 경우, 양방향으로 운전이 이루어질 수 있도록 장치를 설계한다.
  
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◇ 장치를 운영 시, 발생할 수 있는 기타의 오염물질에 대한 처리는 가급적 확실히 이루어질 수 있도록 하는 장치를 설계한다. 또한, 가급적 자동적으로 운영이 이루어질 수 있도록 하는 장치를 설계하는 것을 목표로 한다.
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◇ 장치를 운영 시, 발생할 수 있는 기타의 오염물질에 대한 처리는 가급적 확실히 이루어질 수 있도록 하는 장치를 설계한다. 또한, 가급적 자동적으로 운영이 이루어질 수 있도록 하는 장치를 설계하는 것을 목표로 한다.
  
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◇ 장치의 설치 시, 예산적인 측면을 용이하게 고려할 수 있도록, 일차적인 설비와 이차적인 설비로 나누어 설치할 수 있도록 하는 장치를 목표로 설정한다.
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◇ 장치의 설치 시, 예산적인 측면을 용이하게 고려할 수 있도록, 일차적인 설비와 이차적인 설비로 나누어 설치할 수 있도록 하는 장치를 목표로 설정한다.
  
 
===관련 기술의 현황===
 
===관련 기술의 현황===
 
====State of art====
 
====State of art====
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◇ 본 항목에서는 공기질 정화를 위해 세계각지에서 도입되고 있는 첨단 미세먼지 제거기술에
 
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대해 다룬다.
 
  
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◇ 영국 런던 지하철 역에 도입된 첨단 미세먼지 정화기: 런던의 기차역 대기오염 수준은 차도의 30배에 육박한다. 오염된 공기를 정화하기 위해 메릴본 역에 도입된 첨단 미세먼지 정화기는 필터 없이 작동하며 고압 전자기장과 가스 여과기로 오염물질을 걸러낼 수 있다. 이는 손이 많이 가지도 않고 고장이 날 염려도 적어 주목받고 있다.
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◇ 영국 런던 지하철 역에 도입된 첨단 미세먼지 정화기: 런던의 기차역 대기오염 수준은 차도의 30배에 육박한다. 오염된 공기를 정화하기 위해 메릴본 역에 도입된 첨단 미세먼지 정화기는 필터 없이 작동하며 고압 전자기장과 가스 여과기로 오염물질을 걸러낼 수 있다. 이는 손이 많이 가지도 않고 고장이 날 염려도 적어 주목받고 있다.
  
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◇ 네덜란드 로테르담에 존재하는 미세먼지를 제거하는 스모그 프리 타워 : 약 7m 정도의 높이로 이뤄진 이 타워 아래에는 정전기장을 발생시키는 코일이 묻혀있는데 이 코일로 인해 극성을 가진 미세먼지가 탑 주위의 땅에 달라붙는 성질을 이용하여 미세먼지를 제거한다.
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◇ 네덜란드 로테르담에 존재하는 미세먼지를 제거하는 스모그 프리 타워 : 약 7m 정도의 높이로 이뤄진 이 타워 아래에는 정전기장을 발생시키는 코일이 묻혀있는데 이 코일로 인해 극성을 가진 미세먼지가 탑 주위의 땅에 달라붙는 성질을 이용하여 미세먼지를 제거한다.
  
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◇ 드론을 이용한 미세먼지 제거기술: 미세먼지 제거필터를 장착한 수백대의 드론을 띄워서 하늘에 존재하는 미세먼지를 걸러내는 방식. 상공에 드론 충전소를 띄우면 장시간 운행도 가능해 기대 이상의 효과를 얻을 수 있다. 중국에서는 이와 같은 방식 말고도 드론을 활용해 공기중에 미세먼지 응고제를 살포하고 비처럼 내리게 하여 미세먼지를 응고시켜 제거하는 기술을 도입하고 있다. 이는 응고방식을 사용한다는 점에서 인공강우와는 차이를 보인다.
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◇ 드론을 이용한 미세먼지 제거기술: 미세먼지 제거필터를 장착한 수백대의 드론을 띄워서 하늘에 존재하는 미세먼지를 걸러내는 방식. 상공에 드론 충전소를 띄우면 장시간 운행도 가능해 기대 이상의 효과를 얻을 수 있다. 중국에서는 이와 같은 방식 말고도 드론을 활용해 공기중에 미세먼지 응고제를 살포하고 비처럼 내리게 하여 미세먼지를 응고시켜 제거하는 기술을 도입하고 있다. 이는 응고방식을 사용한다는 점에서 인공강우와는 차이를 보인다.
  
 
====기술 로드맵====
 
====기술 로드맵====
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◇ 지하철의 경우 다양한 다중이용시설에서도 밀폐된 공간 및 내부 입자상 물질배출원을 가지고 있다는 특징이 존재하며, 지하철에서 생성된 입자상 물질은 열차와 승객의 이동중에 체내 축적된다. 현재 세계 대부분의 지하철 실내공기는 심각하게 오염되어 있으며, 이러한 현상은 이용승객 및 열차의 운행 빈도증가, 환기시설의 노후화 등으로 갈수록 심해지고 있다.
 
  
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◇ 과거에는 지하철에서 실내공기질을 개선하기 위해서 단순한 환기시설만이 사용되었다면, 최근 들어서는 이러한 문제점을 개선하기 위한 다양한 방식의 기술들이 도입되고 있다.
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[[파일:정화조기술로드맵.JPG|600픽셀]]
  
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◇ 근래에는 지하철 미세먼지를 해결하기 위한 다양한 기술들 중에서 높은 운영비와 낮은 제거효율을 가진 기술들을 걸러내고 환기팬과 스크린도어방식을 사용한 기술을 도입중이다. 이 중 스크린 도어는 승객의 안전 및 역사 내의 실내공기질을 향상시키기 위해 설치하였고 승강장내의 공기질을 개선시키는데 사용된다. 다만 이러한 스크린 도어의 사용은 지하철 칸 내부의 공기질을 개선하는 대신 미세먼지들이 지하철 터널 내에 남아 해당 공간의 공기질을 오히려 더 안좋게 만든다는 단점이 있고, 환기팬의 경우 강제로 지하철 내부 공기를 환기하는 과정에서 환기구 주변의 보행자와 지하철 역 거주자들에게 부정적인 영향을 미치므로 추가적인 개선이 필요한 실정이었다.
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◇ 지하철의 경우 다양한 다중이용시설에서도 밀폐된 공간 및 내부 입자상 물질배출원을 가지고 있다는 특징이 존재하며, 지하철에서 생성된 입자상 물질은 열차와 승객의 이동중에 체내 축적된다. 현재 세계 대부분의 지하철 실내공기는 심각하게 오염되어 있으며, 이러한 현상은 이용승객 및 열차의 운행 빈도증가, 환기시설의 노후화 등으로 갈수록 심해지고 있다.
  
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◇ 최근 들어서는 이러한 문제점을 해결하기 위해서 입자분리, 이온교환, 효모필터와 같은 다양한 신기술이 개발되고 실제로 도입과정에 있으며, 본 프로젝트에서 설계하는 에어로졸 분무필터 역시 이러한 지하철 공간 실내오염물질 저감 신기술의 일환으로서 연구되는 하이브리드 형 집진장치를 응용한 설계방식이라 할 수 있다. 실제로 이러한 에어로졸 분무 방식 이외에도 전자석 및 영구자석을 이용한 이중 자석필터를 통한 미세먼지 저감 기술 등이 실제로 국내에서 사용이 고려되고 있다.
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◇ 과거에는 지하철에서 실내공기질을 개선하기 위해서 단순한 환기시설만이 사용되었다면, 최근 들어서는 이러한 문제점을 개선하기 위한 다양한 방식의 기술들이 도입되고 있다.
  
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◇ 앞으로의 기술 개발은, 인공지능(AI)를 활용하여 최적화를 진행하여 비용을 최소로 하면서도 미세먼지의 제어효율을 최적화하는 방향으로 기술의 발전이 진행될 것이다. 이를 적용한 기술인 지하철 공기질의 제어를 위한 공기 유동제어 시스템, 모니터링 시스템이 더하여 지고 있다. 이에 더해서, HEPA필터등의 수명을 연장하거나, 세척가능한 형태로의 필터의 전환이 이루어질 것이다.
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◇ 근래에는 지하철 미세먼지를 해결하기 위한 다양한 기술들 중에서 높은 운영비와 낮은 제거효율을 가진 기술들을 걸러내고 환기팬과 스크린도어방식을 사용한 기술을 도입중이다. 이 중 스크린 도어는 승객의 안전 및 역사 내의 실내공기질을 향상시키기 위해 설치하였고 승강장내의 공기질을 개선시키는데 사용된다. 다만 이러한 스크린 도어의 사용은 지하철 칸 내부의 공기질을 개선하는 대신 미세먼지들이 지하철 터널 내에 남아 해당 공간의 공기질을 오히려 더 안좋게 만든다는 단점이 있고, 환기팬의 경우 강제로 지하철 내부 공기를 환기하는 과정에서 환기구 주변의 보행자와 지하철 역 거주자들에게 부정적인 영향을 미치므로 추가적인 개선이 필요한 실정이었다.
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◇ 최근 들어서는 이러한 문제점을 해결하기 위해서 입자분리, 이온교환, 효모필터와 같은 다양한 신기술이 개발되고 실제로 도입과정에 있으며, 본 프로젝트에서 설계하는 에어로졸 분무필터 역시 이러한 지하철 공간 실내오염물질 저감 신기술의 일환으로서 연구되는 하이브리드 형 집진장치를 응용한 설계방식이라 할 수 있다. 실제로 이러한 에어로졸 분무 방식 이외에도 전자석 및 영구자석을 이용한 이중 자석필터를 통한 미세먼지 저감 기술 등이 실제로 국내에서 사용이 고려되고 있다.
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◇ 앞으로의 기술 개발은, 인공지능(AI)를 활용하여 최적화를 진행하여 비용을 최소로 하면서도 미세먼지의 제어효율을 최적화하는 방향으로 기술의 발전이 진행될 것이다. 이를 적용한 기술인 지하철 공기질의 제어를 위한 공기 유동제어 시스템, 모니터링 시스템이 더하여 지고 있다. 이에 더해서, HEPA필터등의 수명을 연장하거나, 세척가능한 형태로의 필터의 전환이 이루어질 것이다.
  
 
====특허조사====
 
====특허조사====
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◇도시철도 본선환기구 미세먼지 제거시스템 (Particulate Matter removal system of subway vent)
 
  
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본 발명은 도시철도 본선환기구 미세먼지 제거시스템은 도시철도의 본선환기구에 설치되고 강제 송풍과 양방향집진기를 이용하여 자연 환기방식과 기계 환기방식을 융합한 본선환기구 미세먼지 제거시스템에 관한 것으로, 지상과 지하철 본선터널을 연결하는 환기용 구조물로써 상기 지상측과 연결되는 출입구가 형성된 소정의 공간을 갖는 급배기실; 상기 급배기실에 접하되 공간적으로 구분되어 형성되며 상기 지하철 본선터널과 연결되는 출입구가 형성된 소정의 공간을 갖는 집진실; 상기 급배기실과 상기 집진실 사이에 설치되는 자동댐퍼; 상기 급배기실과 상기 집진실 사이에 설치되는 강제송풍기; 미세먼지를 집진하는 양방향전기집진기; 및 상기 자동댐퍼, 상기 강제송풍기 및 상기 양방향전기집진기의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 기술적 특징으로 하여, 지하철 본선터널에서 발생하는 미세먼지를 효과적으로 제거하는 효과, 열차에 의하여 변경되는 풍향에 관계없이 효과적으로 미세먼지를 제거하는 효과, 자연 환기와 기계 환기가 선택적으로 이루어지면서 미세먼지를 집진하여 상대적으로 낮은 유지비용으로 상대적으로 높은 미세먼지 집진효과를 발휘하는 효과 및 세정을 통해 집진된 미세먼지의 재비산을 방지하고 집진효율을 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.
 
  
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(1) 도시철도 본선환기구 미세먼지 제거시스템 (Particulate Matter removal system of subway vent)
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[[파일:본선환기구 제거시스템.jpg|150픽셀]]
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본 발명은 도시철도 본선환기구 미세먼지 제거시스템은 도시철도의 본선환기구에 설치되고 강제 송풍과 양방향집진기를 이용하여 자연 환기방식과 기계 환기방식을 융합한 본선환기구 미세먼지 제거시스템에 관한 것으로, 지상과 지하철 본선터널을 연결하는 환기용 구조물로써 상기 지상측과 연결되는 출입구가 형성된 소정의 공간을 갖는 급배기실; 상기 급배기실에 접하되 공간적으로 구분되어 형성되며 상기 지하철 본선터널과 연결되는 출입구가 형성된 소정의 공간을 갖는 집진실; 상기 급배기실과 상기 집진실 사이에 설치되는 자동댐퍼; 상기 급배기실과 상기 집진실 사이에 설치되는 강제송풍기; 미세먼지를 집진하는 양방향전기집진기; 및 상기 자동댐퍼, 상기 강제송풍기 및 상기 양방향전기집진기의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 기술적 특징으로 하여, 지하철 본선터널에서 발생하는 미세먼지를 효과적으로 제거하는 효과, 열차에 의하여 변경되는 풍향에 관계없이 효과적으로 미세먼지를 제거하는 효과, 자연 환기와 기계 환기가 선택적으로 이루어지면서 미세먼지를 집진하여 상대적으로 낮은 유지비용으로 상대적으로 높은 미세먼지 집진효과를 발휘하는 효과 및 세정을 통해 집진된 미세먼지의 재비산을 방지하고 집진효율을 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.
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(2) 정전분무 집진장치
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[[파일:정전분무 집진장치.jpg|200픽셀]]
  
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◇ 정전분무 집진장치
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본 발명은 정전분무 집진장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일측에는 오염된 가스가 도입되는 가스 유입구가 구비되고, 상기 가스 유입구 타측에는 정화된 가스가 방출되는 가스 배출구가 구비되며, 내부에는 '+' 하전으로 인가되는 1개 이상의 집진판이 수직으로 배치되고, 상기 집진판 측면 부근에는 가스에 포함되어 있는 오염물질을 제거하기 위하여 '-'하전으로 인가되는 1개 이상의 분출공이 구비된 제1 유체 공급 보조분기관이 내장된 케이싱을 포함하는 몸체부; 상기 제1 유체 공급 보조분기관으로 유체를 공급하기 위한 유체 공급조; 및 상기 유체 공급조에 유체를 공급하거나 유체 공급조로부터 배출되는 유체를 저장하기 위한 유체 저류탱크를 포함하는 정전분무 집진장치에 관한 것이다.
  
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본 발명은 정전분무 집진장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일측에는 오염된 가스가 도입되는 가스 유입구가 구비되고, 상기 가스 유입구 타측에는 정화된 가스가 방출되는 가스 배출구가 구비되며, 내부에는 '+' 하전으로 인가되는 1개 이상의 집진판이 수직으로 배치되고, 상기 집진판 측면 부근에는 가스에 포함되어 있는 오염물질을 제거하기 위하여 '-'하전으로 인가되는 1개 이상의 분출공이 구비된 제1 유체 공급 보조분기관이 내장된 케이싱을 포함하는 몸체부; 상기 제1 유체 공급 보조분기관으로 유체를 공급하기 위한 유체 공급조; 및 상기 유체 공급조에 유체를 공급하거나 유체 공급조로부터 배출되는 유체를 저장하기 위한 유체 저류탱크를 포함하는 정전분무 집진장치에 관한 것이다.
 
  
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◇ 열차풍에 의한 미세 부유 분진 발생 저감 방법 및 그 장치(Minuteness Floating Particles Appearance Reducing Method and Apparatus Thereof by Train Wind)
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(3) 열차풍에 의한 미세 부유 분진 발생 저감 방법 및 그 장치(Minuteness Floating Particles Appearance Reducing Method and Apparatus Thereof by Train Wind)
  
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본 발명은 지하철에서 플랫폼에 열차가 진입할 때 불가피 하게 발생하는 열차풍에 의한 미세 부유 분진을 입자가 커지도록 하여 포집 되도록 한 열차풍에 의한 미세 부유 분진 발생 저감 방법 및 그 장치를 개시한다.
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본 발명은 지하철에서 플랫폼에 열차가 진입할 때 불가피 하게 발생하는 열차풍에 의한 미세 부유 분진을 입자가 커지도록 하여 포집 되도록 한 열차풍에 의한 미세 부유 분진 발생 저감 방법 및 그 장치를 개시한다. 열차가 플랫폼으로 진입하기 전부터 열차의 양측에서 무화(霧化)된 미세 물입자를 분무하기 시작하고, 열차가 플랫폼을 떠난 후 일정 시간까지 분무 상태를 유지시켜 줌으로써, 열차가 플랫폼으로 진입하고, 출발하는 과정에서 발생하는 열차풍으로 인하여 급증하는 다량의 부유 미세 분진 입자를 저감시킬 수 있도록 하기 위하여 플랫폼 내 열차가 정차하는 구간과 양측 터널방향으로 복수개의 분무 노즐을 설정된 높이와 간격에 따라 복수개 설치하여 차량의 진입 전 설정 시간 전부터 차량의 출발 후 설정시간 까지의 기간 동안 물을 무화시켜 분무하도록 한다. 이에 따라 본 발명은 열차풍으로 인하여 순간적으로 급증하는 미세 부유 분진을 환경 기준치 이하로 저감시켜 승객을 보호할 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.
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본 발명은 열차가 플랫폼으로 진입하기 전부터 열차의 양측에서 무화(霧化)된 미세 물입자를 분무하기 시작하고, 열차가 플랫폼을 떠난 후 일정 시간까지 분무 상태를 유지시켜 줌으로써, 열차가 플랫폼으로 진입하고, 출발하는 과정에서 발생하는 열차풍으로 인하여 급증하는 다량의 부유 미세 분진 입자를 저감시킬 수 있도록 하기 위하여 플랫폼 내 열차가 정차하는 구간과 양측 터널방향으로 복수개의 분무 노즐을 설정된 높이와 간격에 따라 복수개 설치하여 차량의 진입 전 설정 시간 전부터 차량의 출발 후 설정시간 까지의 기간 동안 물을 무화시켜 분무하도록 한다.
 
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이에 따라 본 발명은 열차풍으로 인하여 순간적으로 급증하는 미세 부유 분진을 환경 기준치 이하로 저감시켜 승객을 보호할 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.
 
  
 
====특허전략====
 
====특허전략====
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◇ 도시철도 본선환기구 미세먼지 제거시스템(Particulate Matter removal system of subway vent)의 장치처럼, 지하철 터널의 본선의 환기구에서 양방향으로 미세먼지를 집진 가능한 장치를 설계한다. 열차풍에 의한 미세 부유 분진 발생 저감 방법 및 그 장치와 유사하게 공기를 공급하는 공급 동력원으로서, 열차풍을 이용하는 세정 집진 장치로서 설계를 진행한다.
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◇ 도시철도 본선환기구 미세먼지 제거시스템(Particulate Matter removal system of subway vent)의 장치처럼, 지하철 터널의 본선의 환기구에서 양방향으로 미세먼지를 집진 가능한 장치를 설계한다. 열차풍에 의한 미세 부유 분진 발생 저감 방법 및 그 장치와 유사하게 공기를 공급하는 공급 동력원으로서, 열차풍을 이용하는 세정 집진 장치로서 설계를 진행한다.
  
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◇ 또한, 지하철 터널에서 배기 후, 환기를 위한 급기를 진행하는 동안은 가스가 하방으로 진행하는 것을 최대한 이용할 수 있도록 한다. 이때, 물을 하부에서 상부로 분사를 할 수 있도록 장치를 설계한다. 이를 통해서, 같은 수량을 분무하더라도, 접촉 시간을 공기와 물의 접촉시간을 증가시켜, 장치의 효율을 극대화한다.
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◇ 또한, 지하철 터널에서 배기 후, 환기를 위한 급기를 진행하는 동안은 가스가 하방으로 진행하는 것을 최대한 이용할 수 있도록 한다. 이때, 물을 하부에서 상부로 분사를 할 수 있도록 장치를 설계한다. 이를 통해서, 같은 수량을 분무하더라도, 접촉 시간을 공기와 물의 접촉시간을 증가시켜, 장치의 효율을 극대화한다.
  
 
===관련 시장에 대한 분석===
 
===관련 시장에 대한 분석===
 
====경쟁제품 조사 비교====
 
====경쟁제품 조사 비교====
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◇ 주식회사 리트코 (지하철 본선 터널 환기구에 설치되는 전기 집진기)라는 장치이다. 이 장치는 2020년 서울 지하철 본선 터널 환기구의 입찰을 받은 업체이다. 이 업체의 전기 집진기의 가장 큰 제품 사양은 성능시험평가에 따라 다음과 같다. 미세입자 크기 0.25㎛ ~ 5㎛의 영역에서 제거효율 95% 전후의 제거효율을 가지며, 입자의 크기 5㎛ ~ 10㎛의 영역에서 제거효율 약 99%를 가진다. 또한, 이 업체의 전체적인 단가의 경우, 설치를 하는 단위 면적 당 비용은 21,622,516원이다. 단일 셀에서 사용하는 전압은12kvDC의 전력을 148mA를 사용한다. 장치 운영 초기의 압력손실은 9.8 Pa로 측정이 이루어진 바 있으며, 장치 운용 시 1~3 mm의 압력손실이 이루어진다. 정격 처리 풍량은 1개 셀 당 4CMS이다. 이전에 리트코에서 설치한 시공자료에 따르면, 대구의 지하철 1개의 환기구 당 20개의 셀이 설치되었다. 이 때의 설치비용은 약 이 때 설치되는 전기 집진기의 비용은 약 직접재료비 84,192,241 + 직접노무비 40,516,144 = 124,708,385원 (제작 셀 갯수 20개) 소요된다.
+
◇ 주식회사 리트코 (지하철 본선 터널 환기구에 설치되는 전기 집진기)라는 장치이다. 이 장치는 2020년 서울 지하철 본선 터널 환기구의 입찰을 받은 업체이다. 이 업체의 전기 집진기의 가장 큰 제품 사양은 성능시험평가에 따라 다음과 같다. 미세입자 크기 0.25㎛ ~ 5㎛의 영역에서 제거효율 95% 전후의 제거효율을 가지며, 입자의 크기 5㎛ ~ 10㎛의 영역에서 제거효율 약 99%를 가진다. 또한, 이 업체의 전체적인 단가의 경우, 설치를 하는 단위 면적 당 비용은 21,622,516원이다. 단일 셀에서 사용하는 전압은12kvDC의 전력을 148mA를 사용한다. 장치 운영 초기의 압력손실은 9.8 Pa로 측정이 이루어진 바 있으며, 장치 운용 시 1~3 mm의 압력손실이 이루어진다. 정격 처리 풍량은 1개 셀 당 4CMS이다. 이전에 리트코에서 설치한 시공자료에 따르면, 대구의 지하철 1개의 환기구 당 20개의 셀이 설치되었다. 이 때의 설치비용은 약 이 때 설치되는 전기 집진기의 비용은 약 직접재료비 84,192,241 + 직접노무비 40,516,144 = 124,708,385원 (제작 셀 갯수 20개) 소요된다.
  
−
◇ 반면, 본 설계에서 설계하고자 하는 세정탑의 경우 5㎛의 영역 에서 집진 효율 약 90% 이상을 기대할 수 있다. 장치의 비용은 중국의 Ailexpress(알리바바)의 자료를 참고하였을 때, 중국의 SUNSUNG이라는 업체의 경우는, 약 2000CMH을 처리하는 단일 세정탑의 경우, 2000$의 비용이 드는 것으로 조사되었다. 다른 세정탑의 제품인 TIANYI의 제품의 경우, 4000CMH을 처리하는 5000$의 비용이 드는 것으로 나타났다. Qingda사의 제품의 경우, 2000CMH를 처리하는 세정탑의 비용은 약 2000$의 비용이 드는 것으로 조사되었다. 본 설계에서 설계하고자 하는 세정탑의 경우도 이와 유사한 비용을 가질 것으로 예상하면, 처리 풍량에 따른 세정탑의 비용은 약 35000$ 전후가 될 것으로 예상할 수 있다. 한화로 약 4000만원 전후의 비용으로 설치가 가능할 것으로 예상할 수 있다.
+
◇ 반면, 본 설계에서 설계하고자 하는 세정탑의 경우 5㎛의 영역 에서 집진 효율 약 90% 이상을 기대할 수 있다. 장치의 비용은 중국의 Ailexpress(알리바바)의 자료를 참고하였을 때, 중국의 SUNSUNG이라는 업체의 경우는, 약 2000CMH을 처리하는 단일 세정탑의 경우, 2000$의 비용이 드는 것으로 조사되었다. 다른 세정탑의 제품인 TIANYI의 제품의 경우, 4000CMH을 처리하는 5000$의 비용이 드는 것으로 나타났다. Qingda사의 제품의 경우, 2000CMH를 처리하는 세정탑의 비용은 약 2000$의 비용이 드는 것으로 조사되었다. 본 설계에서 설계하고자 하는 세정탑의 경우도 이와 유사한 비용을 가질 것으로 예상하면, 처리 풍량에 따른 세정탑의 비용은 약 35000$ 전후가 될 것으로 예상할 수 있다. 한화로 약 4000만원 전후의 비용으로 설치가 가능할 것으로 예상할 수 있다.
  
−
◇ 또한, 5㎛ 이하의 영역을 제거 하기 위한, 정전 분무를 위한 고전압 발생 장치(40kv)의 경우에는, 또한, 5㎛ 이하의 영역을 제거 하기 위한, 정전 분무를 위한 고전압 발생 장치(220v – DC 40kv)는, JET SPIN Company 사의 제품이 약 2700$(한화 약 300만 원)정도에 판매가 이루어지고 있으며, Ujwal Electronics 사의 제품이 약 4070$(한화 약 400만 원) 정도가 판매가 이루어진다. 대략 3500$ (한화 약 350만원) 정도로 추산할 수 있다.
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◇ 또한, 5㎛ 이하의 영역을 제거 하기 위한, 정전 분무를 위한 고전압 발생 장치(40kv)의 경우에는, 또한, 5㎛ 이하의 영역을 제거 하기 위한, 정전 분무를 위한 고전압 발생 장치(220v – DC 40kv)는, JET SPIN Company 사의 제품이 약 2700$(한화 약 300만 원)정도에 판매가 이루어지고 있으며, Ujwal Electronics 사의 제품이 약 4070$(한화 약 400만 원) 정도가 판매가 이루어진다. 대략 3500$ (한화 약 350만원) 정도로 추산할 수 있다.
  
 
====마케팅 전략====
 
====마케팅 전략====
−
내용
+
[[파일:마케팅전략(정화조2020).png|500픽셀]]
−
[[파일:마케팅전략(정화조2020).png]]
 
  
 
===개발과제의 기대효과===
 
===개발과제의 기대효과===
 
====기술적 기대효과====
 
====기술적 기대효과====
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◇ Counter-current 운영 시 입경 10㎛입자 제거 시 운영효율 97.67%, 입경 5㎛입자 제거 시 운영효율 88.83%로 추정할 수 있다. ◇ Co-current 운영 시 입경 10㎛입자 제거 시 운영효율 96.32%, 입경 5㎛입자 제거 시 운영효율 93.46%로 추정할 수 있다.
+
◇ Co-current 운영 시 입경 10㎛입자 제거 시 운영효율 97.67%, 입경 5㎛입자 제거 시 운영효율 88.83%로 추정할 수 있다.  
  
−
◇ 공기가 하방으로 유입될 때, 미세입자의 입경을 줄여서 분무할 수 있다. 이로인한 물방울이 비산할 확률이 적은 문제가 없는 세정 집진 장치에 대한 설계가 가능하다.
+
◇ Counter-current 운영 시 입경 10㎛입자 제거 시 운영효율 96.32%, 입경 5㎛입자 제거 시 운영효율 93.46%로 추정할 수 있다.
  
−
◇ 정전 분무 방식을 통해서, 초미세먼지의 영역의 제거 가능성을 극대화 시킬 수 있다.
+
◇ 공기가 하방으로 유입될 때, 미세입자의 입경을 줄여서 분무할 수 있다. 이로인한 물방울이 비산할 확률이 적은 문제가 없는 세정 집진 장치에 대한 설계가 가능하다.
 +
 
 +
◇ 정전 분무 방식을 통해서, 초미세먼지의 영역의 제거 가능성을 극대화 시킬 수 있다.
  
 
====경제적 및 사회적 파급효과====
 
====경제적 및 사회적 파급효과====
−
◇ 집진시설이 미비했던 기존의 지하철 환풍구에 집진장치를 설치함으로써 시민들의 건강증진에
+
◇ 집진시설이 미비했던 기존의 지하철 환풍구에 집진장치를 설치함으로써 시민들의 건강증진에 기여할 수 있다.
−
기여할 수 있다.
 
  
−
◇ 도시의 미관을 해치는 기존의 환기장치에 집진능력을 갖추게 할 뿐만 아니라 심미적 효과를
+
◇ 도시의 미관을 해치는 기존의 환기장치에 집진능력을 갖추게 할 뿐만 아니라 심미적 효과를 부여한다  
−
부여한다  
 
  
−
◇ 지하철 환기구 집진장치로서의 경쟁제품이라고 볼 수 있는 전기집진장치와 비교하였을 때, 설치에 소요되는 비용이 낮은 것으로 조사되었다. 본 세정 집진 장치를 사용하면 이러한 경제적인 부분에서 가시적인 개선이 가능해진다고 할 수 있다.
+
◇ 지하철 환기구 집진장치로서의 경쟁제품이라고 볼 수 있는 전기집진장치와 비교하였을 때, 설치에 소요되는 비용이 낮은 것으로 조사되었다. 본 세정 집진 장치를 사용하면 이러한 경제적인 부분에서 가시적인 개선이 가능해진다고 할 수 있다.
  
 
===구성원 및 추진체계===
 
===구성원 및 추진체계===
−
◇ 박경수: 장치효율계산, 기술조사, 특허조사, 보고서 작성, 프로토타입 제작, 기술로드맵 작성
+
◇ 박경수: 장치효율계산, 기술조사, 특허조사, 보고서 작성, 프로토타입 제작, 기술로드맵 작성
  
−
◇ 박지우: 기술조사, 논문조사, 보고서 작성, 발표자료 제작, 비용관리, 프로토타입 제작  
+
◇ 박지우: 기술조사, 논문조사, 보고서 작성, 발표자료 제작, 비용관리, 프로토타입 제작  
  
−
◇ 손대양: 경제성 분석, 보고서 작성, 기술조사, 특허조사, 발표자료제작
+
◇ 손대양: 경제성 분석, 보고서 작성, 기술조사, 특허조사, 발표자료제작
  
−
◇ 이창연: 설계도면 작성, 기술조사, 자재 구매, 보고서 작성, 발표자료 제작, 프로토타입 제작
+
◇ 이창연: 설계도면 작성, 기술조사, 자재 구매, 보고서 작성, 발표자료 제작, 프로토타입 제작
  
 
==설계==
 
==설계==
138번째 줄: 143번째 줄:
  
 
===개념설계안===
 
===개념설계안===
−
◇ 지하철 노선 환기구는 열차가 주기적으로 오고 가면서 발생하는 열차풍이 환기구를 통해 배출/유입되면서 환기가 이루어진다.
+
[[파일:개념설계도면(2020정화조).png]]
−
 
 
−
◇ 기존 환기구 위에 물 분무를 통해 공기를 세척하는 별도의 공간을 설치하여 양방향의 공기를 정화한다.
 
−
 
 
−
◇ 물 소요량에 대한 비용을 절감하기 위해 분사된 물을 환기구 하단에서 받아 재사용하도록 하고, 재사용을 위한 저류조와 펌프를 설계한다.
 
  
−
◇ 저류조 등에는 사용하는 물이 오염 되는 것을 방지하기 위해서, UV램프 등을 설치한다.
+
◇ 지하철 노선 환기구는 열차가 주기적으로 오고 가면서 발생하는 열차풍이 환기구를 통해 배출/유입되면서 환기가 이루어진다.
−
 
+
◇ 기존 환기구 위에 물 분무를 통해 공기를 세척하는 별도의 공간을 설치하여 양방향의 공기를 정화한다.
−
◇ 겨울철에도 무리 없이 동작이 가능하도록, 동파방지 열선등을 활용한다.
+
◇ 물 소요량에 대한 비용을 절감하기 위해 분사된 물을 환기구 하단에서 받아 재사용하도록 하고, 재사용을 위한 저류조와 펌프를 설계한다.
 +
◇ 저류조 등에는 사용하는 물이 오염 되는 것을 방지하기 위해서, UV램프 등을 설치한다.
 +
◇ 겨울철에도 무리 없이 동작이 가능하도록, 동파방지 열선등을 활용한다.
  
 
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
 
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
155번째 줄: 158번째 줄:
 
'''가. Couter-current 운영 시 Calvert 집진효율 계산
 
'''가. Couter-current 운영 시 Calvert 집진효율 계산
 
'''
 
'''
−
이때 설계에 사용되는 제원은 다음과 같다.
 
−
 
−
 
−
Z 기체, 액체 간 접촉면적의 길이
 
−
C 커닝햄 보정계수
 
−
𝑽𝒑,𝒅 액적과의 상대속도
 
−
𝑽𝒕𝒅 액적의 종말속도
 
−
𝝆𝒑 입자의 밀도
 
−
𝝁𝒈 공기의 점도
 
−
𝑽𝒈 표면 가스속도
 
−
𝒅𝒅(𝒓𝒅) 액적의 직경(반경)
 
−
𝑸𝑳/𝑸𝑮 액가스비
 
−
 
−
1. 𝑃𝑡𝑑=exp(−3𝑄𝐿𝑉𝑡𝑑𝑧𝜂𝑑/4𝑄𝐺𝑟𝑑(𝑉𝑡𝑑−𝑉𝐺))=exp(−𝐴𝑑𝑉𝑡𝑑𝜂𝑑/𝑄𝐺)
 
−
 
−
2. 𝑃𝑡𝑑=exp(−0.2𝐴𝑑𝑉𝑡𝑑𝜂𝑑/𝑄𝐺) (wall effect 고려)
 
−
 
−
3. 𝐴𝑑= 3𝑄𝐿𝑉𝑡𝑑𝑧/4𝑟𝑑(𝑣𝑡𝑑−𝑣𝐺)
 
  
−
4. 𝜂𝑑= (𝐾𝑝/𝐾𝑝+0.7)^2 , 𝐾𝑝= 𝐶𝜌𝑝𝑑𝑝2𝑉𝑝,𝑑/9𝜇𝑔𝑑𝑑= 𝑉𝑝,𝑑/9𝜇𝑔𝑑𝑑
+
[[파일:Calvert(정화조).jpg]][[파일:Calvert제원(정화조).jpg]]
  
−
Z는 200cm, 𝜌𝑝는 2.5 g/cm3,  𝜇𝑔는 0.00018 g/cm*s, vg는 2m/s , Dd는 600 ㎛로 운영,
+
  각 입자의 크기에 따른 제거효율은 다음과 같다.
−
𝑸𝑳/𝑸𝑮 는1.5L/ m3 으로 운영시 제거효율은 다음과 같다.
+
10㎛: 99.77%  
−
 
+
9㎛: 99.7%  
−
10㎛: 99.77%  
+
8㎛: 99.57%  
−
9㎛: 99.7%  
+
7㎛: 99.32%  
−
8㎛: 99.57%  
+
6㎛: 98.78%  
−
7㎛: 99.32%  
+
5㎛: 97.35%
−
6㎛: 98.78%  
 
−
5㎛: 97.35%
 
  
  
190번째 줄: 173번째 줄:
 
'''
 
'''
  
−
𝜂p.d=1 - exp(−0.025𝑑^(0.574)𝑉^(0.69)/dp^(1.60)((𝑸𝑳*L)/𝑸𝑮)) (wall effect 고려)
+
[[파일:Halvert(정화조).png]][[파일:Harvert제원(정화조).jpg]]
−
 
 
−
각 입자의 크기에 따른 제거효율은 다음과 같다.
 
  
−
10㎛: 96.32%  
+
각 입자의 크기에 따른 제거효율은 다음과 같다.
−
9㎛: 95.64%  
+
10㎛: 96.32%  
−
8㎛: 94.74%  
+
9㎛: 95.64%  
−
7㎛: 93.49%  
+
8㎛: 94.74%  
−
6㎛: 91.67%  
+
7㎛: 93.49%  
−
5㎛: 98.83%
+
6㎛: 91.67%  
 +
5㎛: 98.83%
  
  
205번째 줄: 187번째 줄:
 
'''
 
'''
  
−
가정 1) 살수탑 운영 시 유입되는 공기가 포화상태가 된다고 가정
+
가정 1) 살수탑 운영 시 유입되는 공기가 포화상태가 된다고 가정
−
 
 
−
가정 2) 열차가 5분 당 한번 지나간다고 가정.
 
−
 
 
−
 
 
−
'''1. 공기 배출 시'''
 
−
 
 
−
시간 당 유출 유량: 32256𝑚3 (지하철 자연환기구 공기 이동량 조사, 배성준)
 
  
−
유출되는 공기의 온도: 20℃ (터널 환경측정 시스템 개발 및 측정 I, 박원희)
+
가정 2) 열차가 5분 당 한번 지나간다고 가정.
  
−
상대습도: 45% (터널 환경측정 시스템 개발 및 측정 I, 박원희)
 
  
−
수증기의 분율: 0.010
+
'''(1) 공기 배출 시'''
  
−
건조공기 질량: 38265.62 kg/hr
+
시간 당 유출 유량: 32256𝑚3 (지하철 자연환기구 공기 이동량 조사, 배성준)
 +
유출되는 공기의 온도: 20℃ (터널 환경측정 시스템 개발 및 측정 I, 박원희)
 +
상대습도: 45% (터널 환경측정 시스템 개발 및 측정 I, 박원희)
 +
수증기의 분율: 0.010
 +
건조공기 질량: 38265.62 kg/hr
 +
증발손실로 대체되는 물의 양: 120.26 kg/hr
  
−
증발손실로 대체되는 물의 양: 120.26 kg/hr
 
  
−
 
+
'''(2) 공기 유입 시
−
'''2. 공기 유입 시
 
 
'''
 
'''
  
−
시간 당 유출 유량: 24144𝑚3 (지하철 자연환기구 공기 이동량 조사, 배성준)
+
시간 당 유출 유량: 24144𝑚3 (지하철 자연환기구 공기 이동량 조사, 배성준)
−
 
+
유출되는 공기의 온도: 12.5℃ (서울시 연평균 기온)
−
유출되는 공기의 온도: 12.5℃ (서울시 연평균 기온)
+
상대습도: 64% (서울시 연평균 습도)
−
 
+
수증기의 분율: 0.010
−
상대습도: 64% (서울시 연평균 습도)
+
건조공기 질량: 28483.18 kg/hr
−
 
+
증발손실로 대체되는 물의 양: 69.64 kg/hr
−
수증기의 분율: 0.010
 
−
 
 
−
건조공기 질량: 28483.18 kg/hr
 
−
 
 
−
증발손실로 대체되는 물의 양: 69.64 kg/hr
 
  
  
 
'''라. 장치 운영 시 가스 압력손실
 
'''라. 장치 운영 시 가스 압력손실
 
'''
 
'''
−
살수탑(spray tower)의 경우 낮은 압력 손실: 2.54cm H2O ~ 10.14cm H2O를 가진다.
+
살수탑(spray tower)의 경우 낮은 압력 손실: 2.54cm H2O ~ 10.14cm H2O를 가진다.
−
 
+
액적 동반 비산 방지 장치에서 0.5cm H2O ~ 1.5cm H2O를 가진다.
−
액적 동반 비산 방지 장치에서 0.5cm H2O ~ 1.5cm H2O를 가진다.
+
따라서 최종 압력 손실은 11.64cm H2O 가 발생할 것으로 추정할 수 있다.
−
 
 
−
따라서 최종 압력 손실은 11.64cm H2O 가 발생할 것으로 추정할 수 있다.
 
  
  
253번째 줄: 223번째 줄:
 
'''
 
'''
  
−
• P = 0.163 ×𝑄 ×𝐻=0.163 ×1.92 𝑚^3/𝑚𝑖𝑛 × 9 ×1.3 = 3.6617 𝑘𝑊
+
• P = 0.163 ×𝑄 ×𝐻=0.163 ×1.92 𝑚^3/𝑚𝑖𝑛 × 9 ×1.3 = 3.6617 𝑘𝑊
 +
• 𝐿𝑤=1.2 × 3.6617 𝑘𝑊 = 4.3940 𝑘𝑊 (여유율 반영한 펌프 동력)
 +
• 분무에 의해 소요되는 동력: 1.411𝑘W
 +
• 열차가 5분에 1대씩 들어 오고, 열차가 정 방향으로 진입 시 1분 30초, 역방향으로 진입시 1분 30초 동안, 운전된다고 가정할때 5분당 장치의 운전시간은 약 3분으로 가정한다.
 +
• 1일 소요 에너지 량 = (4.3940𝑘𝑊+1.411𝑘𝑊) × 9.6 ℎ= 55.728 𝑘𝑊ℎ
 +
• 추가 장치인 정전 분무 장치 운영 시 소요동력: 40kv × 0.01 mA × 9.6 h= 3.84𝑊h
  
−
• 𝐿𝑤=1.2 × 3.6617 𝑘𝑊 = 4.3940 𝑘𝑊 (여유율 반영한 펌프 동력)
 
  
−
• 분무에 의해 소요되는 동력: 1.411𝑘W
+
'''바. 장치 운영 비용 산정
 +
'''
  
−
• 열차가 5분에 1대씩 들어 오고, 열차가 정 방향으로 진입 시 1분 30초, 역방향으로 진입시 1
+
• 계약전력 6kW 로 운영, 한전의 요금제 기준 산업용 I형 요금제 사용시 월간 사용되는 전력요금은 약 19만원 정도의 비용이 소모된다.
−
분 30초 동안, 운전된다고 가정할때 5분당 장치의 운전시간은 약 3분으로 가정한다.
+
• 4500L에 물을 받아 하루동안 사용한다고 가정. 수도요금은 서울시 아리수 공공용 상수도 요금(m3 당 830원)을 반영했을 때 월간 약 11만원 정도의 비용이 소모된다.
 +
• 3.0384 m3 의 유량이 하루 운영시 손실되므로, 이를 보완하기 위한 유량은 30일 기준, 91.152 m3 이다. 이를 반영하면, 추가로 요구되는 월간 소요비용은 약 75000원 정도이다.
  
−
• 1일 소요 에너지 량 = (4.3940𝑘𝑊+1.411𝑘𝑊) × 9.6 ℎ= 55.728 𝑘𝑊ℎ
 
  
−
• 추가 장치인 정전 분무 장치 운영 시 소요동력: 40kv × 0.01 mA × 9.6 h= 3.84𝑊h
+
'''사. 정전분무 시 제거 효율
−
 
 
−
 
 
−
'''바. 장치 운영 비용 산정
 
 
'''
 
'''
  
−
• 계약전력 6kW 로 운영, 한전의 요금제 기준 산업용 I형 요금제 사용시 월간 사용되는 전력요금은 약 19만원 정도의 비용이 소모된다.
+
분무탑식 스크러버에서 이류체 정전분무에 의한 집진효율의 향상(황유성, 2010) 등에 따르면, 액기비 0.34 L/m3 조건에서, 이류체 분무노즐에 각각의 40kV 고전압을 인가하였을때, 각 미세입자의 90%이상인 것으로 나타났다. (자세한 효율 그래프는 논문을 참조)
  
−
• 4500L에 물을 받아 하루동안 사용한다고 가정. 수도요금은 서울시 아리수 공공용 상수도 요금(m3 당 830원)을 반영했을 때 월간 약 11만원 정도의 비용이 소모된다.
+
===조립도===
  
−
• 3.0384 m3 의 유량이 하루 운영시 손실되므로, 이를 보완하기 위한 유량은 30일 기준, 91.152 m3 이다. 이를 반영하면, 추가로 요구되는 월간 소요비용은 약 75000원 정도이다.
+
(1) 정면도
  
 +
[[파일:정면도(2020정화조.png]]
 +
[[파일:정면도2(2020정화조.png]]
 +
[[파일:부분명칭(2020정화조).png]]
  
−
'''사. 정전분무 시 제거 효율
+
(2) 축측투상도
−
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분무탑식 스크러버에서 이류체 정전분무에 의한 집진효율의 향상(황유성, 2010) 등에 따르면, 액기비 0.34 L/m3 조건에서, 이류체 분무노즐에 각각의 40kV 고전압을 인가하였을때, 각 미세입자의 90%이상인 것으로 나타났다. (자세한 효율 그래프는 논문을 참조)
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===조립도===
 
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===제어부 및 회로설계===
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===소프트웨어 설계===
 
===소프트웨어 설계===
 
[[파일:알고리즘.png]]
 
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◇ 서울시 공공 데이터 셋의 서울시 지하철 실시간 열차 위치정보 자료를 이용.
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◇ 서울시 공공 데이터 셋의 서울시 지하철 실시간 열차 위치정보 자료를 이용.
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◇ 장치가 [a]역 에서 [t1]초의 거리 만큼 떨어져 있고, 열차풍으로 인해서 t2초 동안 공기가 유입 및 유출 된다고 할 경우의 알고리즘
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◇ 장치가 [a]역 에서 [t1]초의 거리 만큼 떨어져 있고, 열차풍으로 인해서 t2초 동안 공기가 유입 및 유출 된다고 할 경우의 알고리즘
 
  
 
===자재소요서===
 
===자재소요서===
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==결과 및 평가==
 
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===완료작품 소개===
 
===완료작품 소개===
 
====프로토타입 사진====
 
====프로토타입 사진====
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====포스터====
 
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====특허출원번호 통지서====
 
====특허출원번호 통지서====
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===개발사업비 내역서===
 
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===완료 작품의 평가===
 
===완료 작품의 평가===
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===향후평가===
 
===향후평가===
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◇ 추후 정전분무 방식을 통한 초미세 물방울 분사 기술을 접목시킨다면 초 미세먼지와 기타 유해물질, 부유세균, 바이러스 또한 제거할 수 있는 공기정화기로 도약할 잠재력이 있다.
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◇ 추후 정전분무 방식을 통한 초미세 물방울 분사 기술을 접목시킨다면 초 미세먼지와 기타 유해물질, 부유세균, 바이러스 또한 제거할 수 있는 공기정화기로 도약할 잠재력이 있다.
  
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◇ 경제성을 향상시키고 환경오염을 줄이기 위해 보다 적은 물의 양으로 높은 효율로 집진할 수 있는 방안에 대한 연구 및 장치를 실증한 후 운영을 최적화하는 연구가 진행될 필요성이 있다. 강우로 유입되는 물을 활용하는 방안도 고려할 수 있다.
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◇ 경제성을 향상시키고 환경오염을 줄이기 위해 보다 적은 물의 양으로 높은 효율로 집진할 수 있는 방안에 대한 연구 및 장치를 실증한 후 운영을 최적화하는 연구가 진행될 필요성이 있다. 강우로 유입되는 물을 활용하는 방안도 고려할 수 있다.
  
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◇ 현재는 분무장치에 의해 집진된 미세먼지를 하수처리시설로 그대로 방류하거나, 자연 방류하는 방식을 채택하고 있다. 만약, 자연방류로 진행시 필요에 따라서, 사용한 물을 방류하기 전에 처리하는 기술의 도입을 고려해야 한다.
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◇ 현재는 분무장치에 의해 집진된 미세먼지를 하수처리시설로 그대로 방류하거나, 자연 방류하는 방식을 채택하고 있다. 만약, 자연방류로 진행시 필요에 따라서, 사용한 물을 방류하기 전에 처리하는 기술의 도입을 고려해야 한다.
  
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◇ 물탱크와 펌프가 사용됨에 따라 장치의 대형화를 피할 수 없었는데, 구조의 개선 및 최적화 작업을 통해 소형화할 수 있는 방안의 연구가 요구된다.
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◇ 물탱크와 펌프가 사용됨에 따라 장치의 대형화를 피할 수 없었는데, 구조의 개선 및 최적화 작업을 통해 소형화할 수 있는 방안의 연구가 요구된다.
  
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◇ 세정수의 재사용을 위해 환기구의 하부의 물 회수조를 통해 물을 회수하고, 펌프를 통해 약 7m의 높이만큼 물을 끌어올려야함에 따라 동력의 소모가 상당하다. 경우에 따라서, 물 회수조를 지금보다 상단에 위치시키킴으로서, 사용되는 동력을 최소화하는 방안을 고려해야한다. 또한, 물의 낙차에서 나오는 에너지를 동력원으로 수급하는 방안을 고려할 수 있다
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◇ 세정수의 재사용을 위해 환기구의 하부의 물 회수조를 통해 물을 회수하고, 펌프를 통해 약 7m의 높이만큼 물을 끌어올려야함에 따라 동력의 소모가 상당하다. 경우에 따라서, 물 회수조를 지금보다 상단에 위치시키킴으로서, 사용되는 동력을 최소화하는 방안을 고려해야한다. 또한, 물의 낙차에서 나오는 에너지를 동력원으로 수급하는 방안을 고려할 수 있다
  
 
==부록==
 
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30. 황유성, 김종호, & 김종현. (2010). 분무탑식 스크러버에서 이류체 정전분무에 의한 집진효율의 향상. 한국대기환경학회지 (국문), 26(3), 339-345.
 
30. 황유성, 김종호, & 김종현. (2010). 분무탑식 스크러버에서 이류체 정전분무에 의한 집진효율의 향상. 한국대기환경학회지 (국문), 26(3), 339-345.
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31. "한국교통과학기술진흥원." 건설신기술. n.d. 수정, 2020년 12월 10일 접속, https://www.kaia.re.kr/portal/newtec/nView.do?menuNo=200076&newtecId=6421.
  
 
====관련특허====
 
====관련특허====
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3. 김진현, 열차풍에 의한 미세 부유 분진 발생 저감 방법 및 그 장치, 10-2006-0002871, 2006.01.10
 
3. 김진현, 열차풍에 의한 미세 부유 분진 발생 저감 방법 및 그 장치, 10-2006-0002871, 2006.01.10
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====소프트웨어 프로그램 소스====
 
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내용
 

2020년 12월 18일 (금) 04:53 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 양방향 지하철 환기구 분무집진 시스템

영문 : 2-way Spraying System for Purification of Subway Vent Air)

과제 팀명

정화조(2020)

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 이**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 박**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 박**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 손**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 본 프로젝트의 목적은 지하철 환기구에 적용되는 습식 세정장치 설계이다.

◇ 프로젝트의 목표 장소는 사람들이 많이 지나다니지만, 처리가 되지 않은 지하철 선로 터널의 환기구에 설치가 이루어지며, 분무를 통한 세정 집진장치를 설계한다. 

◇ 설계한 세정장치가 실제로 유효한 데이터를 뽑아낼 수 있는지 확인하고 실효성을 검증한다.

◇ 시장에서 유사한 제품이나 경쟁 제품군을 살펴보고 설계물이 경쟁력을 가지기 위한 마케팅 전략을 세운다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 서울시티의 기사의 내용을 인용하면, 제293회 임시회 교통위원회 서울교통공사에 대한 현안질의에서 정진철 시의원은 “설치기준 상 환기구는 사람 이 접근하기 어려운 곳에 설치해야 하나 시민 왕래가 잦은 지하철 출입구 앞과 보도 중앙에 설치되어 있다”라고 지적하며, “환기구에서 여과장치 없이 배출되는 미세먼지 바람으로 시민의 건강이 위협받고 불쾌감이 초래되고 있어 조속히 설치기준에 맞는 방식으로 개선해야 한다”라고 촉구한 바 있다. 이처럼, 현재 모든 본선터널 319개소와 지하역사 배기 환기구 대부분은 미세먼지 필터 등의 여과장치가 없는 실정이다.

◇ 이러한 상황에서 서울교통공사는 2020년도 지하철 터널의 본선 환기구에 약 60억원을 투자하여, 19개소에 전기 집진기(ESP)를 설치할 계획이라고 밝힌 바 있다. 더 나아가, 2022년까지 약 190개 소에 이와 같은 전기 집진기를 추가적으로 설치할 계획을 가지고 있다.

◇ 전기집진기를 약 1개소에 설치할때 대략 1억 정도이 비용이 든다. 이보다 비용이 저렴한 장치를 구상함으로써, 전체적인 비용의 절감을 도모한다. 또한 유사한 효율을 가질 수 있는 장치를 설계함으로써, 도보 위를 통행하는 시민들에게 폭로되는 미세먼지의 양을 저감할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

개발 과제의 목표와 내용

◇ 본 개발과제의 목표는 전기 집진기에 대한 대안적인 설계를 모색한다. 5㎛~ 10㎛효율은 90% 이상이 되도록 설계하며, 전체적인 장치의 비용은 전기 집진기의 비용 이하가 될 수 있도록 설계한다.

◇ 별도의 동력장치 없이, 단순히 열차가 운전할 때 사용되는 열차풍으로만 장치가 운영될 수 있도록 유동하는 공기의 압력손실은 최소화가 될 수 있도록 하는 장치를 설계한다. 또한, 공기가 지하철 터널로 유입하는 경우와 지하철 터널에서 유출하는 경우, 양방향으로 운전이 이루어질 수 있도록 장치를 설계한다.

◇ 장치를 운영 시, 발생할 수 있는 기타의 오염물질에 대한 처리는 가급적 확실히 이루어질 수 있도록 하는 장치를 설계한다. 또한, 가급적 자동적으로 운영이 이루어질 수 있도록 하는 장치를 설계하는 것을 목표로 한다.

◇ 장치의 설치 시, 예산적인 측면을 용이하게 고려할 수 있도록, 일차적인 설비와 이차적인 설비로 나누어 설치할 수 있도록 하는 장치를 목표로 설정한다.

관련 기술의 현황

State of art

◇ 영국 런던 지하철 역에 도입된 첨단 미세먼지 정화기: 런던의 기차역 대기오염 수준은 차도의 30배에 육박한다. 오염된 공기를 정화하기 위해 메릴본 역에 도입된 첨단 미세먼지 정화기는 필터 없이 작동하며 고압 전자기장과 가스 여과기로 오염물질을 걸러낼 수 있다. 이는 손이 많이 가지도 않고 고장이 날 염려도 적어 주목받고 있다.

◇ 네덜란드 로테르담에 존재하는 미세먼지를 제거하는 스모그 프리 타워 : 약 7m 정도의 높이로 이뤄진 이 타워 아래에는 정전기장을 발생시키는 코일이 묻혀있는데 이 코일로 인해 극성을 가진 미세먼지가 탑 주위의 땅에 달라붙는 성질을 이용하여 미세먼지를 제거한다.

◇ 드론을 이용한 미세먼지 제거기술: 미세먼지 제거필터를 장착한 수백대의 드론을 띄워서 하늘에 존재하는 미세먼지를 걸러내는 방식. 상공에 드론 충전소를 띄우면 장시간 운행도 가능해 기대 이상의 효과를 얻을 수 있다. 중국에서는 이와 같은 방식 말고도 드론을 활용해 공기중에 미세먼지 응고제를 살포하고 비처럼 내리게 하여 미세먼지를 응고시켜 제거하는 기술을 도입하고 있다. 이는 응고방식을 사용한다는 점에서 인공강우와는 차이를 보인다.

기술 로드맵

정화조기술로드맵.JPG 

◇ 지하철의 경우 다양한 다중이용시설에서도 밀폐된 공간 및 내부 입자상 물질배출원을 가지고 있다는 특징이 존재하며, 지하철에서 생성된 입자상 물질은 열차와 승객의 이동중에 체내 축적된다. 현재 세계 대부분의 지하철 실내공기는 심각하게 오염되어 있으며, 이러한 현상은 이용승객 및 열차의 운행 빈도증가, 환기시설의 노후화 등으로 갈수록 심해지고 있다.

◇ 과거에는 지하철에서 실내공기질을 개선하기 위해서 단순한 환기시설만이 사용되었다면, 최근 들어서는 이러한 문제점을 개선하기 위한 다양한 방식의 기술들이 도입되고 있다.

◇ 근래에는 지하철 미세먼지를 해결하기 위한 다양한 기술들 중에서 높은 운영비와 낮은 제거효율을 가진 기술들을 걸러내고 환기팬과 스크린도어방식을 사용한 기술을 도입중이다. 이 중 스크린 도어는 승객의 안전 및 역사 내의 실내공기질을 향상시키기 위해 설치하였고 승강장내의 공기질을 개선시키는데 사용된다. 다만 이러한 스크린 도어의 사용은 지하철 칸 내부의 공기질을 개선하는 대신 미세먼지들이 지하철 터널 내에 남아 해당 공간의 공기질을 오히려 더 안좋게 만든다는 단점이 있고, 환기팬의 경우 강제로 지하철 내부 공기를 환기하는 과정에서 환기구 주변의 보행자와 지하철 역 거주자들에게 부정적인 영향을 미치므로 추가적인 개선이 필요한 실정이었다.

◇ 최근 들어서는 이러한 문제점을 해결하기 위해서 입자분리, 이온교환, 효모필터와 같은 다양한 신기술이 개발되고 실제로 도입과정에 있으며, 본 프로젝트에서 설계하는 에어로졸 분무필터 역시 이러한 지하철 공간 실내오염물질 저감 신기술의 일환으로서 연구되는 하이브리드 형 집진장치를 응용한 설계방식이라 할 수 있다. 실제로 이러한 에어로졸 분무 방식 이외에도 전자석 및 영구자석을 이용한 이중 자석필터를 통한 미세먼지 저감 기술 등이 실제로 국내에서 사용이 고려되고 있다.

◇ 앞으로의 기술 개발은, 인공지능(AI)를 활용하여 최적화를 진행하여 비용을 최소로 하면서도 미세먼지의 제어효율을 최적화하는 방향으로 기술의 발전이 진행될 것이다. 이를 적용한 기술인 지하철 공기질의 제어를 위한 공기 유동제어 시스템, 모니터링 시스템이 더하여 지고 있다. 이에 더해서, HEPA필터등의 수명을 연장하거나, 세척가능한 형태로의 필터의 전환이 이루어질 것이다.

특허조사

(1) 도시철도 본선환기구 미세먼지 제거시스템 (Particulate Matter removal system of subway vent)

본선환기구 제거시스템.jpg 

본 발명은 도시철도 본선환기구 미세먼지 제거시스템은 도시철도의 본선환기구에 설치되고 강제 송풍과 양방향집진기를 이용하여 자연 환기방식과 기계 환기방식을 융합한 본선환기구 미세먼지 제거시스템에 관한 것으로, 지상과 지하철 본선터널을 연결하는 환기용 구조물로써 상기 지상측과 연결되는 출입구가 형성된 소정의 공간을 갖는 급배기실; 상기 급배기실에 접하되 공간적으로 구분되어 형성되며 상기 지하철 본선터널과 연결되는 출입구가 형성된 소정의 공간을 갖는 집진실; 상기 급배기실과 상기 집진실 사이에 설치되는 자동댐퍼; 상기 급배기실과 상기 집진실 사이에 설치되는 강제송풍기; 미세먼지를 집진하는 양방향전기집진기; 및 상기 자동댐퍼, 상기 강제송풍기 및 상기 양방향전기집진기의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 기술적 특징으로 하여, 지하철 본선터널에서 발생하는 미세먼지를 효과적으로 제거하는 효과, 열차에 의하여 변경되는 풍향에 관계없이 효과적으로 미세먼지를 제거하는 효과, 자연 환기와 기계 환기가 선택적으로 이루어지면서 미세먼지를 집진하여 상대적으로 낮은 유지비용으로 상대적으로 높은 미세먼지 집진효과를 발휘하는 효과 및 세정을 통해 집진된 미세먼지의 재비산을 방지하고 집진효율을 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.


(2) 정전분무 집진장치

정전분무 집진장치.jpg 

본 발명은 정전분무 집진장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일측에는 오염된 가스가 도입되는 가스 유입구가 구비되고, 상기 가스 유입구 타측에는 정화된 가스가 방출되는 가스 배출구가 구비되며, 내부에는 '+' 하전으로 인가되는 1개 이상의 집진판이 수직으로 배치되고, 상기 집진판 측면 부근에는 가스에 포함되어 있는 오염물질을 제거하기 위하여 '-'하전으로 인가되는 1개 이상의 분출공이 구비된 제1 유체 공급 보조분기관이 내장된 케이싱을 포함하는 몸체부; 상기 제1 유체 공급 보조분기관으로 유체를 공급하기 위한 유체 공급조; 및 상기 유체 공급조에 유체를 공급하거나 유체 공급조로부터 배출되는 유체를 저장하기 위한 유체 저류탱크를 포함하는 정전분무 집진장치에 관한 것이다.


(3) 열차풍에 의한 미세 부유 분진 발생 저감 방법 및 그 장치(Minuteness Floating Particles Appearance Reducing Method and Apparatus Thereof by Train Wind) 

본 발명은 지하철에서 플랫폼에 열차가 진입할 때 불가피 하게 발생하는 열차풍에 의한 미세 부유 분진을 입자가 커지도록 하여 포집 되도록 한 열차풍에 의한 미세 부유 분진 발생 저감 방법 및 그 장치를 개시한다. 열차가 플랫폼으로 진입하기 전부터 열차의 양측에서 무화(霧化)된 미세 물입자를 분무하기 시작하고, 열차가 플랫폼을 떠난 후 일정 시간까지 분무 상태를 유지시켜 줌으로써, 열차가 플랫폼으로 진입하고, 출발하는 과정에서 발생하는 열차풍으로 인하여 급증하는 다량의 부유 미세 분진 입자를 저감시킬 수 있도록 하기 위하여 플랫폼 내 열차가 정차하는 구간과 양측 터널방향으로 복수개의 분무 노즐을 설정된 높이와 간격에 따라 복수개 설치하여 차량의 진입 전 설정 시간 전부터 차량의 출발 후 설정시간 까지의 기간 동안 물을 무화시켜 분무하도록 한다. 이에 따라 본 발명은 열차풍으로 인하여 순간적으로 급증하는 미세 부유 분진을 환경 기준치 이하로 저감시켜 승객을 보호할 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.

특허전략

◇ 도시철도 본선환기구 미세먼지 제거시스템(Particulate Matter removal system of subway vent)의 장치처럼, 지하철 터널의 본선의 환기구에서 양방향으로 미세먼지를 집진 가능한 장치를 설계한다. 열차풍에 의한 미세 부유 분진 발생 저감 방법 및 그 장치와 유사하게 공기를 공급하는 공급 동력원으로서, 열차풍을 이용하는 세정 집진 장치로서 설계를 진행한다.

◇ 또한, 지하철 터널에서 배기 후, 환기를 위한 급기를 진행하는 동안은 가스가 하방으로 진행하는 것을 최대한 이용할 수 있도록 한다. 이때, 물을 하부에서 상부로 분사를 할 수 있도록 장치를 설계한다. 이를 통해서, 같은 수량을 분무하더라도, 접촉 시간을 공기와 물의 접촉시간을 증가시켜, 장치의 효율을 극대화한다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

◇ 주식회사 리트코 (지하철 본선 터널 환기구에 설치되는 전기 집진기)라는 장치이다. 이 장치는 2020년 서울 지하철 본선 터널 환기구의 입찰을 받은 업체이다. 이 업체의 전기 집진기의 가장 큰 제품 사양은 성능시험평가에 따라 다음과 같다. 미세입자 크기 0.25㎛ ~ 5㎛의 영역에서 제거효율 95% 전후의 제거효율을 가지며, 입자의 크기 5㎛ ~ 10㎛의 영역에서 제거효율 약 99%를 가진다. 또한, 이 업체의 전체적인 단가의 경우, 설치를 하는 단위 면적 당 비용은 21,622,516원이다. 단일 셀에서 사용하는 전압은12kvDC의 전력을 148mA를 사용한다. 장치 운영 초기의 압력손실은 9.8 Pa로 측정이 이루어진 바 있으며, 장치 운용 시 1~3 mm의 압력손실이 이루어진다. 정격 처리 풍량은 1개 셀 당 4CMS이다. 이전에 리트코에서 설치한 시공자료에 따르면, 대구의 지하철 1개의 환기구 당 20개의 셀이 설치되었다. 이 때의 설치비용은 약 이 때 설치되는 전기 집진기의 비용은 약 직접재료비 84,192,241 + 직접노무비 40,516,144 = 124,708,385원 (제작 셀 갯수 20개) 소요된다.

◇ 반면, 본 설계에서 설계하고자 하는 세정탑의 경우 5㎛의 영역 에서 집진 효율 약 90% 이상을 기대할 수 있다. 장치의 비용은 중국의 Ailexpress(알리바바)의 자료를 참고하였을 때, 중국의 SUNSUNG이라는 업체의 경우는, 약 2000CMH을 처리하는 단일 세정탑의 경우, 2000$의 비용이 드는 것으로 조사되었다. 다른 세정탑의 제품인 TIANYI의 제품의 경우, 4000CMH을 처리하는 5000$의 비용이 드는 것으로 나타났다. Qingda사의 제품의 경우, 2000CMH를 처리하는 세정탑의 비용은 약 2000$의 비용이 드는 것으로 조사되었다. 본 설계에서 설계하고자 하는 세정탑의 경우도 이와 유사한 비용을 가질 것으로 예상하면, 처리 풍량에 따른 세정탑의 비용은 약 35000$ 전후가 될 것으로 예상할 수 있다. 한화로 약 4000만원 전후의 비용으로 설치가 가능할 것으로 예상할 수 있다.

◇ 또한, 5㎛ 이하의 영역을 제거 하기 위한, 정전 분무를 위한 고전압 발생 장치(40kv)의 경우에는, 또한, 5㎛ 이하의 영역을 제거 하기 위한, 정전 분무를 위한 고전압 발생 장치(220v – DC 40kv)는, JET SPIN Company 사의 제품이 약 2700$(한화 약 300만 원)정도에 판매가 이루어지고 있으며, Ujwal Electronics 사의 제품이 약 4070$(한화 약 400만 원) 정도가 판매가 이루어진다. 대략 3500$ (한화 약 350만원) 정도로 추산할 수 있다.

마케팅 전략

마케팅전략(정화조2020).png

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ Co-current 운영 시 입경 10㎛입자 제거 시 운영효율 97.67%, 입경 5㎛입자 제거 시 운영효율 88.83%로 추정할 수 있다. 

◇ Counter-current 운영 시 입경 10㎛입자 제거 시 운영효율 96.32%, 입경 5㎛입자 제거 시 운영효율 93.46%로 추정할 수 있다.

◇ 공기가 하방으로 유입될 때, 미세입자의 입경을 줄여서 분무할 수 있다. 이로인한 물방울이 비산할 확률이 적은 문제가 없는 세정 집진 장치에 대한 설계가 가능하다.

◇ 정전 분무 방식을 통해서, 초미세먼지의 영역의 제거 가능성을 극대화 시킬 수 있다.

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 집진시설이 미비했던 기존의 지하철 환풍구에 집진장치를 설치함으로써 시민들의 건강증진에 기여할 수 있다.

◇ 도시의 미관을 해치는 기존의 환기장치에 집진능력을 갖추게 할 뿐만 아니라 심미적 효과를 부여한다 

◇ 지하철 환기구 집진장치로서의 경쟁제품이라고 볼 수 있는 전기집진장치와 비교하였을 때, 설치에 소요되는 비용이 낮은 것으로 조사되었다. 본 세정 집진 장치를 사용하면 이러한 경제적인 부분에서 가시적인 개선이 가능해진다고 할 수 있다.

구성원 및 추진체계

◇ 박경수: 장치효율계산, 기술조사, 특허조사, 보고서 작성, 프로토타입 제작, 기술로드맵 작성

◇ 박지우: 기술조사, 논문조사, 보고서 작성, 발표자료 제작, 비용관리, 프로토타입 제작 

◇ 손대양: 경제성 분석, 보고서 작성, 기술조사, 특허조사, 발표자료제작

◇ 이창연: 설계도면 작성, 기술조사, 자재 구매, 보고서 작성, 발표자료 제작, 프로토타입 제작

설계

설계사양

설계사양(정화조(2020)).png

개념설계안

개념설계도면(2020정화조).png 

◇ 지하철 노선 환기구는 열차가 주기적으로 오고 가면서 발생하는 열차풍이 환기구를 통해 배출/유입되면서 환기가 이루어진다.
◇ 기존 환기구 위에 물 분무를 통해 공기를 세척하는 별도의 공간을 설치하여 양방향의 공기를 정화한다.
◇ 물 소요량에 대한 비용을 절감하기 위해 분사된 물을 환기구 하단에서 받아 재사용하도록 하고, 재사용을 위한 저류조와 펌프를 설계한다.
◇ 저류조 등에는 사용하는 물이 오염 되는 것을 방지하기 위해서, UV램프 등을 설치한다.
◇ 겨울철에도 무리 없이 동작이 가능하도록, 동파방지 열선등을 활용한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

가. Couter-current 운영 시 Calvert 집진효율 계산

Calvert(정화조).jpgCalvert제원(정화조).jpg 

각 입자의 크기에 따른 제거효율은 다음과 같다.
10㎛: 99.77% 
9㎛: 99.7% 
8㎛: 99.57% 
7㎛: 99.32% 
6㎛: 98.78% 
5㎛: 97.35%


나. Co-current 운영 시 Harvert의 이론적 집진효율 계산식

Halvert(정화조).pngHarvert제원(정화조).jpg 

각 입자의 크기에 따른 제거효율은 다음과 같다.
10㎛: 96.32% 
9㎛: 95.64% 
8㎛: 94.74% 
7㎛: 93.49% 
6㎛: 91.67% 
5㎛: 98.83%


다. 장치 운영 시 증발로 인한 손실 유량 

가정 1) 살수탑 운영 시 유입되는 공기가 포화상태가 된다고 가정

가정 2) 열차가 5분 당 한번 지나간다고 가정.


(1) 공기 배출 시 

시간 당 유출 유량: 32256𝑚3 (지하철 자연환기구 공기 이동량 조사, 배성준)
유출되는 공기의 온도: 20℃ (터널 환경측정 시스템 개발 및 측정 I, 박원희)
상대습도: 45% (터널 환경측정 시스템 개발 및 측정 I, 박원희)
수증기의 분율: 0.010
건조공기 질량: 38265.62 kg/hr
증발손실로 대체되는 물의 양: 120.26 kg/hr


(2) 공기 유입 시 

시간 당 유출 유량: 24144𝑚3 (지하철 자연환기구 공기 이동량 조사, 배성준)
유출되는 공기의 온도: 12.5℃ (서울시 연평균 기온)
상대습도: 64% (서울시 연평균 습도)
수증기의 분율: 0.010
건조공기 질량: 28483.18 kg/hr
증발손실로 대체되는 물의 양: 69.64 kg/hr


라. 장치 운영 시 가스 압력손실 

살수탑(spray tower)의 경우 낮은 압력 손실: 2.54cm H2O ~ 10.14cm H2O를 가진다.
액적 동반 비산 방지 장치에서 0.5cm H2O ~ 1.5cm H2O를 가진다.
따라서 최종 압력 손실은 11.64cm H2O 가 발생할 것으로 추정할 수 있다.


마. 장치 운영 시 소요 동력 

• P = 0.163 ×𝑄 ×𝐻=0.163 ×1.92 𝑚^3/𝑚𝑖𝑛 × 9 ×1.3 = 3.6617 𝑘𝑊
• 𝐿𝑤=1.2 × 3.6617 𝑘𝑊 = 4.3940 𝑘𝑊 (여유율 반영한 펌프 동력)
• 분무에 의해 소요되는 동력: 1.411𝑘W
• 열차가 5분에 1대씩 들어 오고, 열차가 정 방향으로 진입 시 1분 30초, 역방향으로 진입시 1분 30초 동안, 운전된다고 가정할때 5분당 장치의 운전시간은 약 3분으로 가정한다.
• 1일 소요 에너지 량 = (4.3940𝑘𝑊+1.411𝑘𝑊) × 9.6 ℎ= 55.728 𝑘𝑊ℎ
• 추가 장치인 정전 분무 장치 운영 시 소요동력: 40kv × 0.01 mA × 9.6 h= 3.84𝑊h


바. 장치 운영 비용 산정 

• 계약전력 6kW 로 운영, 한전의 요금제 기준 산업용 I형 요금제 사용시 월간 사용되는 전력요금은 약 19만원 정도의 비용이 소모된다.
• 4500L에 물을 받아 하루동안 사용한다고 가정. 수도요금은 서울시 아리수 공공용 상수도 요금(m3 당 830원)을 반영했을 때 월간 약 11만원 정도의 비용이 소모된다.
• 3.0384 m3 의 유량이 하루 운영시 손실되므로, 이를 보완하기 위한 유량은 30일 기준, 91.152 m3 이다. 이를 반영하면, 추가로 요구되는 월간 소요비용은 약 75000원 정도이다.


사. 정전분무 시 제거 효율 

분무탑식 스크러버에서 이류체 정전분무에 의한 집진효율의 향상(황유성, 2010) 등에 따르면, 액기비 0.34 L/m3 조건에서, 이류체 분무노즐에 각각의 40kV 고전압을 인가하였을때, 각 미세입자의 90%이상인 것으로 나타났다. (자세한 효율 그래프는 논문을 참조)

조립도

(1) 정면도

정면도(2020정화조.png 정면도2(2020정화조.png 부분명칭(2020정화조).png

(2) 축측투상도

축측투상도(2020정화조.png 부분명칭(2020정화조).png


(3) 평면도

평면도(2020정화조.png

소프트웨어 설계

알고리즘.png 

◇ 서울시 공공 데이터 셋의 서울시 지하철 실시간 열차 위치정보 자료를 이용.
◇ 장치가 [a]역 에서 [t1]초의 거리 만큼 떨어져 있고, 열차풍으로 인해서 t2초 동안 공기가 유입 및 유출 된다고 할 경우의 알고리즘

자재소요서

자재소요서(2020정화조).png

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

프로토타입1(정화조2020).png 프로토타입2(정화조2020).png

프로토타입3(정화조2020).png 프로토타입4(정화조2020).png

프로토타입5(정화조2020).png

포스터

포스터(2020정화조).jpg

특허출원번호 통지서

특허통지서정화조.JPG

개발사업비 내역서

개발사업비내역서2020(정화조).png

완료 작품의 평가

평가서(2020정화조).png

향후평가

◇ 추후 정전분무 방식을 통한 초미세 물방울 분사 기술을 접목시킨다면 초 미세먼지와 기타 유해물질, 부유세균, 바이러스 또한 제거할 수 있는 공기정화기로 도약할 잠재력이 있다.

◇ 경제성을 향상시키고 환경오염을 줄이기 위해 보다 적은 물의 양으로 높은 효율로 집진할 수 있는 방안에 대한 연구 및 장치를 실증한 후 운영을 최적화하는 연구가 진행될 필요성이 있다. 강우로 유입되는 물을 활용하는 방안도 고려할 수 있다.

◇ 현재는 분무장치에 의해 집진된 미세먼지를 하수처리시설로 그대로 방류하거나, 자연 방류하는 방식을 채택하고 있다. 만약, 자연방류로 진행시 필요에 따라서, 사용한 물을 방류하기 전에 처리하는 기술의 도입을 고려해야 한다.

◇ 물탱크와 펌프가 사용됨에 따라 장치의 대형화를 피할 수 없었는데, 구조의 개선 및 최적화 작업을 통해 소형화할 수 있는 방안의 연구가 요구된다.

◇ 세정수의 재사용을 위해 환기구의 하부의 물 회수조를 통해 물을 회수하고, 펌프를 통해 약 7m의 높이만큼 물을 끌어올려야함에 따라 동력의 소모가 상당하다. 경우에 따라서, 물 회수조를 지금보다 상단에 위치시키킴으로서, 사용되는 동력을 최소화하는 방안을 고려해야한다. 또한, 물의 낙차에서 나오는 에너지를 동력원으로 수급하는 방안을 고려할 수 있다

부록

참고문헌 및 참고사이트

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3. "신기술목록”, 신기술플랫폼, n.d. 수정, 2020년 12월 10일 접속, https://singisul.daegu.go.kr/index.do?menu_id=00000614&menu_link=/front/ntTech/ntTechDetail.do&new_year=2019&seq=12.

4. 물을 이용한 미세먼지 정화장치, 김정환 외, 2019

5. 서울시 지하철 미세먼지 특성분석 및 양방향전기집진기 성능평가, 이형돈 외, 2019

6. 양방향 전기집진기술을 지하철 본선환기구에 적용한 미세먼지 저감기술, 리트코, 2018

7. 스크러버에서 정전분무를 이용한 가스상물질의 처리효율 향상, 이성원, 2014

8. 제3차 지하역사 공기질 개선대책, 2018

9. 지하철 미세먼지 포집을 위한 기술적 진보, 손윤석 외, 2018

10. 지하철 자연환기구 공기 이동량 조사, 배성준 외, 2011

11. 지하철 환기 및 배연 설계를 위한 시뮬레이션, 이동호, 2001

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관련특허

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3. 김진현, 열차풍에 의한 미세 부유 분진 발생 저감 방법 및 그 장치, 10-2006-0002871, 2006.01.10

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