"01분반 4조"의 두 판 사이의 차이

2024년 12월 19일 (목) 06:36 기준 최신판

1 프로젝트 개요
2 개발 과제의 개요
3 관련 기술의 현황
- 3.1 관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 3.2 시장상황에 대한 분석
4 개발과제의 기대 효과
- 4.1 기술적 및 사회적 기대효과
- 4.2 경제적 기대효과
5 설계
6 개념설계안
- 6.1 평면 모식도 및 3D 모식도
7 이론적 계산
8 제어부 및 회로설계
- 8.1 (1) 공기정화부
- 8.2 (2) 출입감지부
9 상세설계 내용
- 9.1 조립도 및 조립 순서
  - 9.1.1 조립도
  - 9.1.2 조립 순서
10 완료 작품의 소개

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 완전폐쇄형 흡연부스 최적화 및 모니터링 도입을 통한 All-in-One 시스템 구축

영문 : All-in-One System through the Optimization of Fully Enclosed Smoking Booths and the Introduction of Monitoring

과제 팀명

담배 냄새 싫조?

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2021890015 김예진(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2021890012 김서현

서울시립대학교 환경공학부 2021890019 김지우

서울시립대학교 환경공학부 2021890068 정채인

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

- 서울시의 흡연시설 중 개방형 흡연부스의 비중이 높아 대기오염 및 간접흡연 피해가 발생하고 있으며, 일부 설치된 폐쇄형 흡연부스는 사후 관리의 부족으로 흡연자의 이용률이 낮은 실정이다.

- 본 과제는 이러한 문제를 해결하기 위해 완전폐쇄형 흡연실의 최적화 및 모니터링 기술을 도입한 All-in-One 시스템을 구축하고, 기존 흡연부스의 낮은 공기 정화율과 높은 비용 문제를 개선하고자 하였다.

개발 과제의 배경

- 국내 흡연율은 감소 추세에 있으나, 여전히 남성 30.0%, 여성 5.0%로 적지 않은 비율을 차지하고 있다.

- 흡연 시 1인당 발생하는 미세먼지(PM10)량은 10~10.7 µg/m³에 달하며, 담배 연기에는 미세먼지와 더불어 69종의 1군 발암물질과 7,000여 종의 유해물질이 포함되어 있다.

- 간접흡연 역시 폐암과 심장병 등 심각한 건강 문제에 노출될 위험이 크며, 만 19세 이상 비흡연자의 공공장소 실내 간접흡연 노출률은 21.1%에 이른다.

- 따라서 흡연자들이 실제로 이용할 수 있는 흡연구역을 조성하는 동시에, 흡연율을 점진적으로 낮추기 위한 방안이 필요하다.

개발 과제의 목표 및 내용

“완전폐쇄형 흡연부스 최적화 및 모니터링 도입을 통한 All-in-One 시스템 구축”

1. 흡연부스 내 유해물질 정화 필터의 효율을 높여, 유해물질 저감 수준을 향상시키고 경제성을 극대화한다.

2. 흡연부스 내에 모니터링 시스템을 도입해 내부 공기질 관리를 쉽게 할 수 있도록 한다.

3. 흡연부스의 에너지 효율을 높여, 환경적 및 경제적 측면에서 우수한 성과를 낼 수 있도록 한다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

공통 분담

1) 발표를 위한 자료조사 및 ppt 제작

2) 과제 주제 선정 및 자료 조사

3) 관련 기술 및 제품 조사/분석

4) 개념설계 및 상세설계

5) 프로토타입 제작

개별 분담

김예진: 경쟁력분석 발표, 최종설계 발표, 3D 흡연부스 제작, 흡연부스 시연물 제작, 비용 분석

김서현: 개념설계 발표, 시연물 발표, 3D 필터 설계, 흡연부스 시연물 제작, 비용 분석

김지우: 상세설계 발표, 최종설계 발표, 3D 부품 제작, 흡연부스 시연물 제작

정채인: 과제제안서 발표, 포스터 제작, 포스터 발표, 시연물 아두이노 코드

- 어플리케이션 연동으로 시민에게 흡연 부스 관련 정보를 편리하게 공개함.

경제적 기대효과

(1)편익

보건 피해 저감 비용

보건 피해 저감 비용 = ① 길거리 간접흡연 노출인구 산정 x ② PAF x ③ 질병별 사회적 비용/인

환경 피해 저감 비용

환경 피해 저감 비용 = 감소된 오염물질 배출량(kg/년) x 피해 단가(원/kg)

(2)비용

- 비용은 초기 비용과 유지관리 비용으로 구분하였다.

- 초기 비용에 포함되는 제품 자재 비용과 제품 설치 비용의 총 합계는 30,006,993원으로 산정하였다.

- 유지관리 비용은 1,317,081원/년으로 산정하였다. 서울시 내 흡연부스를 300대 설치한다고 가정할 경우, 총 비용은 9,397,220,400원으로 산정되었다.

초기 비용

초기 비용 = 제품 자재 비용 + 제품 설치 비용

유지관리 비용

유지관리 비용 = 전력 비용 + 청소 비용 + 소모품 교체 비용

(1) 전력 비용

- 흡연부스에 필요한 전력량 및 그 비용은 냉난방 가동과 조명 기구에 의한 전력으로 산출하였다.

- 냉난방 및 조명 가동 시간 산출

Ø 점심시간(11:30-14:30) 및 저녁 시간(17:30-20:30)은 지속 가동 
Ø 새벽 시간(00:00-06:00)은 가동 X 
Ø 나머지 12시간: 시간당 평균 10.1명 x 12시간 x 5(분/명) = 2.02 시간 가동 
⇒ 하루 총 8.02시간 냉난방 및 조명 가동 필요

- 냉난방 전력 소비량 계산

Ø ASHRAE 산업 표준: 소형 공간 냉난방 전력 소비량 50W/m3  
Ø 흡연부스 부피: 4m x 2.5m x 2.7m = 2.7m3 
Ø 환기 팬 소비 전력 0.5kW/hr 
⇒ 시간당 1.85kW 필요

- 조명기구 전력 소비량 게산

Ø 흡연부스 필요 밝기: 400lux 
Ø 필요 총 밝기: 면적 x 조도= 10m2 x 400lux = 4000lm 
Ø 필요 소비 전력(kW)= 필요밝기(lm)/LED효율(lm/W) = 4000lm/100(lm/W) = 40W/hr
⇒ 시간당 40W 필요

- 1년 전력 요금

*봄, 가을(3-5월, 9-10월): 91.9(원/kW) / 여름(6-8월): 132.4(원/kW) / 겨울(11-2월): 119(원/kW) (한국전력공사)
봄, 가을 = 하루당 1,393.20원⇒ 213,160.21원 
여름 = 하루당 2,007.18원⇒ 184,660.93원 
겨울 = 하루당 1,804.04원⇒ 216,484.80원
⇒ 총 617,305.94원

(2) 청소 비용

- 내부 청소:200,000원/회 (주기: 6개월)

- 총 계: 400,000원/년

(3) 소모품 교체 비용

- 배관 교체: 207,000원, 인건비:10,000원 (교체 주기: 12.5년)

- 필터 교체(PRE + Carbon): 82,778원

- 총 계: 299,775원/년

(3)B/C Ratio

상단 편익 및 비용 산정을 통해 계산한 B/C Ratio는 다음과 같다.

설계

제품의 요구사항

(D: 필요사항, W: 희망사항)

목적 계통도

QFD (Quality Function Deployment)

개념설계안

평면 모식도 및 3D 모식도

이론적 계산

흡연부스 환기량 및 오염물질 발생량 계산

(1) 환기량 계산

- 환기량 계산을 위해 시간당 환기횟수(ACH)를 이용함.

- 일본과 미국의 ACH 권고 기준을 참고하여, 본 설계의 환기 횟수를 70ACH로 설정함.

- 이에 따른 필요 환기량은 다음과 같음.

Q = ACH x V = 70(/h) x 27(m3) = 1,890(m3/h)
(Q: 환기량(m3/h), V: 공간의 부피(m3)

(2) 오염물질 발생량 계산

- 타겟 오염물질은 흡연 시 대기오염 및 인체 피해에 기여도가 큰 PM10, VOCs, CO로 한정함.

- 다중이용시설 실내공기질 기준은 다음과 같음.

- 문헌을 참고해 계산한 내부공기질 평균은 다음과 같음.

- 총 발생량 산정을 위해, 성동구 흡연부스 이용인원(1일 평균 1,200~1,600명) 값을 이용함.

- 1인당 흡연 평균은 3.35개비로 가정함.

- 이에 따른 총 오염물질 발생량은 568.114.82 µg/m3임.

유해물질 저감 필터의 선정

- 흡연부스 공기 내부순환을 위한 필터부를 설계함.

- 설계한 필터부는 실내 공기 중 입자성 물질 포집을 위한 집진장치, 먼지 제거를 위한 Pre Filter, PM10 및 VOCs 제거를 위한 CCF, 냄새제거를 위한 Carbon Filter와 실내 공기 흡입을 위한 배기팬으로 구성됨.

CCF 필터 세척주기 산정

- 앞서 계산한 환기량 및 오염물질 발생량을 이용해 CCF 필터의 세척 주기를 산정함.

- CCF 필터 최대 부하량(250Pa, 21.6g/L)을 오염물질 발생량 단위에 맞게 변환한 값은 다음과 같다.

- 해당 값을 이용해 3개의 CCF 필터를 세척해야 하는 주기는 281.46 day로 산정됨.

흡연부스 시스템 설계

(1) 흡연부스 상단 필터 및 집진부 규격 설계

- 최종 환기량 1,890m3/hr 및 공기 흐름 속도 0.2m/s를 이용해 필요한 집진기의 필요 면적은 0.875m2이다.

- 따라서 흡연부스 집진부 규격 3D 도면은 다음과 같다.

(2) 댐퍼 설계

- 집진기 과부하 예방을 위해, 환기량 중 30%(567m3/h)는 댐퍼를 이용해 외부로 배출하고자 함.

- 이에 따라, 댐퍼의 각도를 17.5︒로 산정함.

- 댐퍼에서 30%의 공기가 배출된 후 남는 공기량은 1,323(m3/hr)며, 이때 공기 흐름 속도는 7m/s로 가정하였다.

(3) 흡연부스 측면 공기 유입 노즐 설계

- 흡연부스 벽면에서 정화된 공기가 유입되기 위해, 공기 유입 노즐이 필요함. - 공기 흐름 속도를 0.2m/s로 가정했을 때, 필요한 노즐의 면적은 1.84m2임.

Q = A x v
(Q: 공기 순환량(m3/hr), A: 총 노즐 면적(m2), v: 공기 흐름 속도(m/s))

- 노즐 하나당 직경을 5cm로 가정했을 때, 필요한 노즐의 개수는 937개(78 x 12)임.

제어부 및 회로설계

(1) 공기정화부

공기정화부의 아두이노 설계 도안은 다음과 같다.

- VOC, CO, 일산화탄소, 미세먼지에 대한 공기질 측정 센서를 활용해서 실시간으로 흡연부스 내 공기질을 파악함.

- 측정된 데이터는 공기정화장치와 연동되어 공기질 관리가 가능하도록 함.

- 측정된 유해인자의 위해 정도는 내부 경보등으로 표시됨.

이를 위해 작성한 아두이노 코드 일부는 다음과 같다.

(2) 출입감지부

출입감지부의 아두이노 설계 도안은 다음과 같다.

- 인체 감지 센서는 적외선 감지로 사용자의 움직임을 인식하며, 이를 아두이노 보드로 전송함.

- 내부 조명은 인체 감지 센서에서 신호가 감지될 경우 자동으로 켜지며, 사용자가 없을 때는 꺼짐.

이를 위해 작성한 아두이노 코드 일부는 다음과 같다.

상세설계 내용

조립도 및 조립 순서

조립도

조립 순서

(1) 완전폐쇄형 흡연부스 일부배기 환기시스템 조립

- 부스를 중형 규격(4x2.4x2.7) 비율에 맞춰 조립함.

- 천장에는 3개의 집진부를 설치함.

- 배관을 통해 집진부에서 나온 공기는 하나의 흐름으로 합쳐지도록 함.

- 합쳐진 배관은 부스 외벽으로 나와 측면에서 부스와 연결되도록 함.

(2) 인체감지기 설치

- 부스 내부에 인체감지기를 설치함.

- 인체감지기는 아두이노 및 LED 조명 등과 추가로 연결함,

(3) 공기질센서 설치

- 유해물질 감지기를 부스 내부에 설치하고, 타겟 오염물질의 기준치 준수 여부를 측정함.

- 해당 센서는 아두이노 및 환기팬 등과 추가로 연결함.

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

파일:종합설계 포스터.pdf

완료작품의 평가

향후계획

- 실제 부스를 구현하여 유해물 저감 성능(PM10, VOCs, CO 등), 공기 순환 및 정화 효율, 필터의 내구성과 유지관리 용이성, 에너지 소비량 및 비용 절감 효과, 사용자 만족도 등을 종합적으로 검증해볼 수 있음.

- 이를 통해 기술적·경제적·환경적 측면에서 본 설계의 실효성을 입증하고, 기존 개방형 흡연부스와의 비교 평가를 통해 완전폐쇄형 흡연부스의 우수성을 확인할 수 있을 것이라 기대됨.

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-====(2) 댐퍼 및 배관 설계====
+====(2) 댐퍼 설계====
 - 집진기 과부하 예방을 위해, 환기량 중 30%(567m3/h)는 댐퍼를 이용해 외부로 배출하고자 함.
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 - 댐퍼에서 30%의 공기가 배출된 후 남는 공기량은 1,323(m3/hr)며, 이때 공기 흐름 속도는 7m/s로 가정하였다.
 ====(3) 흡연부스 측면 공기 유입 노즐 설계====
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 이를 위해 작성한 아두이노 코드 일부는 다음과 같다.
 [[파일:4조코드1.png]]
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 출입감지부의 아두이노 설계 도안은 다음과 같다.
-[[파일:4조아두이노2.pg]]
+[[파일:4조아두이노2.png]]
 :- 인체 감지 센서는 적외선 감지로 사용자의 움직임을 인식하며, 이를 아두이노 보드로 전송함.
 :- 내부 조명은 인체 감지 센서에서 신호가 감지될 경우 자동으로 켜지며, 사용자가 없을 때는 꺼짐.
+이를 위해 작성한 아두이노 코드 일부는 다음과 같다.
+[[파일:4조코드2.png]]
 ==상세설계 내용==
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 ==완료 작품의 소개==
-====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
+===프로토타입 사진 혹은 작동 장면===
-내용
-====포스터====
+[[파일:4조시연물.png]]
+===포스터===
+[[파일:4조포스터.png]]
 [[파일:종합설계_포스터.pdf]]
 ===관련사업비 내역서===
-내용
+[[파일:4조사업비1.png]]
+[[파일:4조사업비2.png]]
 ===완료작품의 평가===
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 ===향후계획===
-내용
-===특허 출원 내용===
+:- 실제 부스를 구현하여 유해물 저감 성능(PM10, VOCs, CO 등), 공기 순환 및 정화 효율, 필터의 내구성과 유지관리 용이성, 에너지 소비량 및 비용 절감 효과, 사용자 만족도 등을 종합적으로 검증해볼 수 있음.
-내용
+:- 이를 통해 기술적·경제적·환경적 측면에서 본 설계의 실효성을 입증하고, 기존 개방형 흡연부스와의 비교 평가를 통해 완전폐쇄형 흡연부스의 우수성을 확인할 수 있을 것이라 기대됨.