"01분반 방울이득조"의 두 판 사이의 차이

2025년 12월 22일 (월) 07:02 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 재생 에너지 기반 응축수 재이용 쿨링 포그 시스템 설계

영문 : Renewable Energy-Based Condensate Reuse Cooling Fog System

과제 팀명

방울이득

지도교수

박승부 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 2022890034 신연우(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 2020890021 김현우

서울시립대학교 환경공학부·과 2020890050 이민재

서울시립대학교 환경공학부·과 2022890053 이윤서

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 에어컨 응축수를 집수하여 서울시립대학교 시대융합관에서 버려지는 수자원 재이용

◇ 응축수를 집수 및 저수하여 활성탄 필터를 통한 냉각 미스트로 활용

◇ 수위 센서와 온습도 센서를 통해 효율적인 재생에너지 자동 쿨링 시스템 개발

◇ 친환경 쿨링 시스템을 통한 효과적인 교내 환경 개선 시스템 구축

개발 과제의 배경

1. 최근 10년간 폭염과 열대야 일수 증가로 인한 전력피크 폭발

기상청에 따르면 2015~2024년 사이 폭염과 열대야의 빈도가 늘어 근 10년간 여름철 최대전력 수요가 약 20GW 증가하였다고 분석하였다. 이러한 추세는 단순한 계절적 요인에 따른 전력 사용 증가가 아니라 국가 전력망의 안정성과 부하 관리에 큰 부담을 주고 있음을 보여준다. 특히 대학교 등과 같은 대형 건물이 많은 곳에서는 냉방을 위해 에어컨을 지속적으로 가동해야 하므로, 에너지 비용 상승과 함께 전력 수급 불안정에 직접적인 원인이 될 수 있다. 따라서 늘어나는 전력 소비량을 줄이기 위해 무전력 또는 전력을 최소화하는 방식으로 학생들의 무더위를 해소할 방안이 필요하다.

2. 선행 연구를 통한 에어컨 응축수의 활용 방안

일반적으로 냉방기를 사용하는 대부분의 시설에서는 에어컨 가동 등으로 발생하는 응축수를 배수관을 통해 바로 하수도로 흘려보내고 있는 실정이다. 이는 단순한 물 자원의 낭비일 뿐 아니라, 저온의 응축수를 활용할 수 있는 잠재적 기회를 놓치는 것이라 볼 수 있다. 이렇게 버려지고 있는 응축수는 상대적으로 오염도가 적어 활용할 수 있는 방안이 많아, 이에 대한 연구 및 개발이 국내외에서 활발히 진행되어왔다.

「응축수를 이용한 이동식 에어컨의 성능특성에 관한 연구(2012)」에서는 응축수를 버리는 대신 이를 응축기에 재분사하여 응축기의 열부하를 저감할 수 있는 연구를 진행하였다. 그 결과, 장치의 냉동능력과 성능계수의 향상과 압축기의 소비전력 감소 등의 유의미한 성능 개선을 확인할 수 있었다. 또한, 「Air-conditioning condensate recovery and applications—Current developments and challenges ahead(2018)」에서는 응축수를 활용한다면 물 절약이나 환경부담 완화 등에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 보고하였다.이렇게 응축수를 단순 배출하지 않고 다양한 방식으로 재이용하는 기술 개발은 에너지 절감과 자원 활용 측면에서 중요한 과제가 된다는 것을 시사한다.

개발 과제의 목표 및 내용

여름철 캠퍼스는 일사와 인공열로 열섬현상이 두드러져 보행·학습 공간의 쾌적성이 저하된다. 한편 건물 냉방 과정에서 다량의 응축수가 발생하지만 대부분 하수로 버려져 수자원이 낭비되고, 냉방 전력 수요가 피크 시간대에 집중되어 에너지 부담과 탄소배출을 증가시킨다. 이에 재생에너지(태양광)와 자원순환(응축수 재이용), 실시간 센서 기반 자동제어를 결합한 재생에너지 기반 응축수 재이용 쿨링 포그 시스템을 도입하여 물과 에너지 사용을 줄이면서 캠퍼스 열환경을 개선하고자 한다.

◇ 학술적 가치

응축수-태양광-센서 통합 시스템을 실증하고 물순환 캠퍼스 모델의 개발 및 데이터를 축적한다.

◇ 비재무적 편익

열섬현상 완화와 쾌적도 개선의 효과를 보이며, 미세먼지 저감과 경관 개선으로 캠퍼스의 가치가 향상된다.

경제성 분석 및 경제적 기대효과

● 비용

비용은 시설에 소요되는 비용으로 저장탱크, 태양광 펌프와 패널, 활성탄 필터 및 각종 센서 모듈 등의 시설 설치비용과 시설 유지에 관련된 유지관리 비용으로 구성하였다.

1. 시설 설치비용

시설 설치비용은 배관 설치비용과 기타 부품 요소(저장탱크, 수위 및 온습도 센서, 태양광 펌프 등)의 설치비용으로 구분하여 산정하였다. 부품 요소의 단가는 네이버 쇼핑 등 주요 온라인 유통 플랫폼에서 제시한 판매가를 기준으로 하였으며, 배관 설치비용은 현장 여건을 고려한 합리적인 가정값을 적용하여 추정하였다.

1.1. 배관 설치비용

시대융합관은 에어컨 응축수를 하나의 PVC 배관으로 모아 자연배수하고 있으므로 이 배관 말단부에서부터 저장탱크까지 집수배관을 설치한다. 집수배관에 필요한 자재와 금액은 다음과 같다. 배관 자재에 대한 가격은 ㈜ 명인코리아에서 제공하고 있는 값을 참고하였다.

배관 자재 가격 외에 시공 및 예비 비용은 300,000원으로 산정하여 총 배관 설치비용은 570,430원으로 산정하였다.

1.2. 기타 부품 요소 설치비용

- 저수조 수위 센서(원) : 6,160

- 플로트 스위치(원) : 3,960

> 플로트 스위치는 저장탱크 상부, 하부 각 하나씩 2개(1,980 * 2)를 설치한다.

- 온습도 센서(원) : 2,200

- 저장탱크(원) : 310,310

- 태양광 펌프 및 패널(원) : 1,028,610

- 활성탄 필터(원) : 86,240

- 쿨링 포그 노즐(원) : 14,500

> 쿨링 포그 노즐은 5개(2,900 * 5)를 설치한다.

- 기타 부품 요소 설치 비용 : 1,451,980원

- 시설 설치비용 합계 : 2,022,410원

2. 유지관리 비용

유지관리 비용은 활성탄 필터의 교체 비용, 노즐의 세척 및 교체 비용, 센서의 점검 및 교체 비용, 펌프와 배관의 점검 비용으로 구성하였다.

- 활성탄 필터 교체 비용(원/year) : 344,960

> 활성탄 필터 교체 비용은 교체 주기를 3개월로 하여 연 4회 교체하는 것(86,240 * 5)으로 하였다.

- 노즐 세척 및 교체 비용(원/year) : 14,500

> 노즐은 연 1회 교체하는 것으로 하였다.

- 센서 점검 및 교체 비용(원/year) : 8,360

> 수위 센서와 온습도 센서는 연 1회 교체하는 것(6,160 + 2,200)으로 하였다.

- 펌프 점검 비용(원/year) : 30,000

> 펌프는 연 1회 점검하는 것으로 하였다.

- 배관 점검 비용(원/year) : 30,000

> 배관 점검 및 청소 등의 유지관리비는 설치비의 약 2~5% 수준으로 산정하였다. 본 설계에서는 총 설치비 57만 원을 기준으로 연간 점검비 약 3만 원으로 추정하였다. 점검 항목에는 배관 누수 및 막힘 확인, 트랩 및 연결부 보수, 라이저 내부 청소, 저수탱크 유입부 및 밸브 점검을 포함하여, 연 1회 점검하는 것으로 하였다.

- 유지관리 비용 합계 : 427,820원

● 편익

편익은 본 설계를 이행함에 따라 절약할 수 있는 상하수도 비용에 대한 연간 편익과 온도 절감에 따른 연간 편익으로 구분하였다.

1. 상하수도

시대융합관 내 에어컨 201대를 기준으로 하였고, 각 에어컨마다 나오는 응축수 유량(L/day)을 53으로 설정하여 상하수도 비용에 따른 연간 편익을 계산하였다.

- 총 유량(L/day) : 10,653

- 하수처리비용(원/L) : 0.664

- 상수도요금(원/L) : 0.58

- 총 하수처리비용(원/day) : 7,073.592

- 총 상수도요금(원/day) : 6,178.74

- 편익(원/year) : 662,616.6

> 2023년 기상청 보도자료에 따라 여름철 평균 강수일수를 약 40일로 설정하여 연간 50일 사용함(6,178.74 * 50)을 가정하였다.

2. 온도 절감

온도 저감에 따른 비용은 열저감을 연간 10도를 가정하고, COP=3을 기준으로 하여 산정하였다. (김재경 외, 2020 참고)

- ρ(공기밀도,30도씨 기준)(kg/m^3) : 1.2

- Cp(kJ/kg·°C) : 1.005

- V(20m*7m*2.5m) : 350

- Q=ρCpΔTV(kWh) : 1.1725

- 절감전력(Q/COP)(kWh) : 0.3908

- 전력 판매단가(원/kWH) : 143

> 2024년 교육용 전력 판매단가를 적용하였다.

- 편익(원/year) : 22,353.76

> 연간 50일, 낮 8시간 기준(0.3908 * 143 * 50 * 8)으로 하여 온도 절감의 연당 편익을 설정하였다.

- 총 편익 합계 : 684,970원

● 편익비용비(B/C ratio)

(Bt : t시점의 편익, Ct : t시점의 비용, r : 할인율, n : 분석기간)

본 설계 프로젝트의 경제성 분석을 위해 편익비용비(B/C ratio)를 기반으로 진행하였다. 우선 편익비용비를 계산하기 위해 할인율은 5.5%, 분석기간은 10년을 적용하였다. 또한, 초기 비용은 초기 설치비용인 2,022,410원, 이후 비용은 유지관리 비용은 427,820원으로 설정하였고, 편익은 684,970원으로 설정하였다.

2025년에 설치한다고 가정하였을 때, 1-7년 차까지는 편익비용비가 1을 넘지 못하지만 년도별로 누적편익이 증가함에 따라 2032년부터는 1을 초과하는 것을 확인하였다. 최종적으로 2034년에는 편익비용비가 1.09로 도출되어, 본 시스템이 장기적인 관점에서 경제적 타당성을 확보할 수 있다. 따라서 본 설계는 초기 투자비 회수 기간 이후 지속적인 편익 창출이 가능한 경제적으로 효율적인 대안으로 판단된다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 전원 분담

- 주제 선정 및 선정된 주제 관련 자료 조사

- 경쟁업체 및 특허 조사, 기술의 경쟁력 분석

- 제안 시스템 초기 개념 설계

- 설계인자 결합 및 프로토타입 제작

- 최종보고서, 포스터 제작 및 최종 점검

- 발표 및 평가 준비

◇ 김현우 : 과제제안서 발표, 전력공급 방식 설계 및 제어 시스템 설계

◇ 이민재 : 상세설계보고서 발표, 전력공급 방식 설계 및 제어 시스템 설계

◇ 신연우 : 경쟁력보고서 발표, 응축수 필터 설계 및 프로토타입 제작 , 전체 총괄

◇ 이윤서 : 개념설계보고서 발표, 응축수 필터 설계 및 프로토타입 제작

설계

설계사양

제품의 요구사항

요구사항

목적계통도

QFE(품질기능전개)

개념설계안

본 과제는 재생에너지 기반 응축수 재이용 쿨링 미스트 시스템을 구축하여 여름철 캠퍼스 내 열환경을 개선하고, 에너지 효율적이고 지속 가능한 냉방 대안을 제시하는 것을 목표로 한다. 건물의 냉방 과정에서 발생하는 응축수를 집수하여 코코넛 쉘 활성탄 필터를 이용해 정수 처리한 뒤, 저수조에 저장한다. 이후 수위 센서와 온‧습도 센서를 통해 주변 기온이 높거나 수위가 일정 기준 이상일 때, 태양광 발전으로 구동되는 펌프가 자동으로 작동하여 미스트 노즐을 통해 냉각수를 분사한다. 이 시스템은 응축수의 재이용을 통해 물 자원을 절약하고, 태양광 에너지 활용으로 전력 소비를 최소화하며, 캠퍼스 내 열섬현상 완화와 쾌적한 환경 조성에 기여한다. 또한, 실시간 센서 데이터에 기반한 자동 제어 시스템을 구현함으로써 효율적이고 친환경적인 냉각 설비 운영이 가능하다. 본 과제를 통해 재생에너지와 자원순환 개념을 결합한 스마트 환경기술 모델을 제시하고, 향후 도시 및 산업 단지 내 냉방 효율 개선과 물 순환 관리 기술로 확장할 수 있는 가능성을 탐색하고자 한다.

시스템 모식도

본 시스템은 시대융합관 내 총 201대의 에어컨 실외기에서 배출되는 응축수를 효율적으로 집수 및 재활용하기 위한 설비 구성을 목표로 한다. 각 실외기에서 발생하는 응축수는 전용 배관을 통해 하나의 공통 집수라인으로 연결되며, 최종적으로 시대융합관 지하주차장에 설치된 저장탱크로 이송 및 저장된다. 저장탱크에 집수된 응축수는 배관을 통해 중앙로 쿨링 분사 시스템으로 공급되어, 여름철 도심 온도 저감 및 열섬 완화에 활용된다.

시스템 설계

1) 응축수는 지하주차장 물탱크로 꾸준히 집수되며, 수위 센서를 통해 탱크 용량의 40%(수위 0.8m) 이상이 저수된다면 밸브가 열리고 펌프가 작동되도록 한다.

2) 응축수는 대기 중 수증기가 냉각 코일 표면에서 응축되어 형성되므로, 일반적으로 염분이나 유기물 농도가 매우 낮은 비교적 깨끗한 물에 해당한다. 그러나 실제 운전 환경에서는 실외기 흡입부를 통한 먼지, 미세입자, 금속산화물, 곰팡이 포자 등의 비가용성 입자성 물질이 혼입될 가능성이 존재한다. 또한, 장시간 저장 과정에서 배관 내벽이나 탱크 내에서 세균성 바이오필름, 녹, 오염성 미립자가 생성될 수 있어, 단순히 응축수라는 이유만으로 완전한 청정수를 가정하기는 어렵다. 활성탄 필터를 여과 단계로 도입하였다. 활성탄 여과 단계를 통과한 응축수는 부유물질과 미량의 유기물질이 제거되어, 분무 노즐의 막힘을 방지하고 장기 운전 시 위생적 안정성을 확보할 수 있다.

3) 스프링클러에 온습도 센서를 설치하여, 기상 조건에 따라 자동으로 분무 운전 여부를 제어하는 환경 피드백 시스템을 구성하였다. 이는 불필요한 물 낭비를 방지하고, 기온 및 습도 변화에 따른 증발 냉각 효율을 최적화하기 위한 것이다. 외기 온도가 낮거나 강수 중에는 분무가 오히려 불필요하거나 노즐 막힘, 과습 현상을 유발할 수 있다. 따라서 외기 온도 27°C 이상이면서 상대습도 40% 이하일 때만 분무 운전 조건을 설정한다. 또한, 야간에도 운전을 정지하여 불필요한 응축수 및 에너지 소비를 절감한다.

4) 펌프 구동에는 일정 수준의 전력이 소모되므로, 시스템의 에너지 효율 향상과 탄소 배출 저감을 위해 자체 재생에너지 기반 전력공급 구조를 도입하였다. 이를 위해 스프링클러 주변부 공간에 태양광 발전 패널을 설치하여, 펌프 및 제어장치의 전력 수요를 전량 자가 충당하도록 설계하였다.

센서 모듈

수위 센서

1) 왼쪽 그림은 DeviceMart 제품의 아두이노 수위 센서 모듈[KS0048]로서, 국내에서 쉽게 구할 수 있고 아두이노와의 연동 가능성이 높다. 다만 실제 시스템 적용을 위해서는 출력 방식(0–5V 또는 4– 20mA), 방수 성능(IP 등급), 측정 범위나 전력 요구 조건 등의 세부 사양을 상세히 검토해야 한다. 본 설계에서는 시연물 제작을 통해 이 제품의 성능 및 신뢰성 테스트를 진행한다. 이후 안정성이 확보된다면 동일 계열의 산업용 수압 트랜스듀서로 적용하여 설치를 진행할 예정이다.

2) 오른쪽 그림인 플로트 스위치는 액체의 부력을 이용하여 수위를 감지하는 장치로, 저수조 내 수위가 일정 높이에 도달하면 내부 스위치가 작동하여 전기적 신호를 발생시키는 원리이다. 일반적으로 상단과 하단 두 지점에 설치하여 저수위 시 펌프를 정지시키거나, 고수위 시 오버플로우를 방지하는 역할을 수행한다. 구조가 단순하고 기계식 원리로 동작하기 때문에 장기간 사용에도 안정적이며 유지보수가 용이하다. 본 설계에서는 아두이노 기반의 아날로그 수위 센서 모듈과 병행하여, 플로트 스위치를 안전 보조장치로 구성함으로써 시스템의 안정성을 높이고 예기치 못한 제어 오류나 센서 오작동에 대비하도록 할 예정이다. 플로트 스위치의 신호는 디지털식으로 처리되어, 일정 수위를 초과할 경우 경고 표시와 펌프 자동 차단 기능이 작동할 수 있도록 설계한다.

온습도 센서

중앙로 부근의 온도와 습도를 감지하기 위해 DHT20 디지털 온습도 센서를 사용한다. 이 센서는 I²C 통신 방식을 통해 아두이노 등과 같은 제어 보드와 연동이 좋고, 소형이면서도 고정밀 측정이 가능하다. 온도 측정 범위는 –40~85°C, 습도 측정 범위는 0~100%로 측정 범위가 굉장히 넓다. 또한, 온도 오차 ±0.3°C, 습도 오차 ±2%의 높은 정확도를 갖추고 있어, 미세한 환경 변화에도 민감하게 반응할 수 있다. 본 설계에서는 DHT20을 통해 실시간으로 외부 정보를 수집하고, 온도가 27°C 이상이거나 습도가 40% 이하일 경우 자동적으로 저수조 내 응축수를 냉각 미스트 형태로 분사할 수 있는 시스템을 구동할 수 있도록 제어 로직을 구성할 예정이다.

펌프 시스템

본 시스템에서는 시대융합관 지하 5m 저수조로부터 지상까지의 양수를 수행하기 위해 펌프를 설치하였다. 기본적인 양수에 필요한 정수두는 약 5m이며, 여기에 포그 분무 시스템 형성을 위한 분무 노즐에서 요구되는 최소 수압 5 bar(약 50m 수두)를 추가로 고려해야 한다. 따라서 펌프가 확보해야 할 총양정은 약 55m로 산정된다. 본 시스템의 목표 유량은 2L/min(0.12 m³/h)으로 비교적 작기 때문에, 펌프의 양정–유량 특성곡선 상에서 최대 양정 영역을 효과적으로 활용할 수 있다. 이러한 조건을 만족하기 위 해, HZUSUN사의 4SD16-60-150-1300A/D 모델을 선정하였다. 해당 펌프는 정격 양정 약 60m으로, 본 시스템의 요구 조건인 지하 저수조 흡수 및 고압 분무 운전을 모두 충족시킬 수 있다.

쿨링 포그 시스템

본 시스템의 최종 분사 장치로는 분사 구경이 0.2mm 인 쿨링 포그 저압 미스트 노즐을 사용한다. 이 노즐은 스테인리스 재질로 되어 있어 부식에 강하고, 미세한 분사구를 통해 고르게 안개 형태의 미스트를 형성한다는 장점이 있다. 낮은 압력에서도 미세입자를 생성할 수 있으며, 응축수를 활용한 자연 증발 냉각에 효과적이다. 노즐은 배관 라인에 간편히 결합할 수 있는 구조이고 다수의 노즐을 일정 간격으로 배열이 가능하여 냉각 범위가 넓은 편이다. 특히 저압으로도 구동이 가능하여 에너지 소비가 적으며 분사 시 증발 잠열 효과를 통해 주변 기온을 낮춘다. 다만 장기간 사용 시 노즐 내부에 석회질이나 미세 이물질이 침적될 수 있으므로, 정기적인 세척을 병행하여 분사 성능을 유지할 예정이다.

태양광 패널

본 시스템에서 사용되는 태양광 전력 공급부는 펌프와 함께 구성된 태양광 패널 시스템을 활용할 예정이다. 태양광 패널의 정격 사양은 전압(Voltage) 36V, 출력(Power) 340w이며, 총 5장의 패널을 직렬 연결하여 사용할 계획이다. 직렬 연결을 통해 전체 시스템 전압은 약 180 V(=36V×5) 수준으로 상승하게 되며, 이는 펌프의 구동 전압 요구 사양을 충족시켜 고압·고양정 운전이 가능하도록 설계된 구성이다. 이러한 방식은 동일 전류 조건에서 전력 손실을 최소화하고, 긴 전송 거리에서도 효율적인 전력 공급이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 태양광 패널은 펌프 동작 특성에 맞추어 직류(DC) 전원을 직접 공급하는 구조로, 에너지 저장 장치를 별도로 두지 않는 직결형 형태이다. 따라서 일사량이 충분한 주간에는 안정 적인 펌프 구동이 가능하며 이는 본 시스템의 운전주기와 일치하여 안정적인 운전이 가능하다. 이와 같은 태양광–펌프 통합 시스템은 전력 자립형 고압 펌핑 시스템으로서, 외부 전원 없이 지속적인 물 공급과 분무 작동을 실현할 수 있다는 점에서 효율이고 친환경적인 시스템이다.

활성탄 필터

냉각 미스트 분사 전 유입 단계에서 응축수의 수질을 개선하기 위해 활성탄 필터 모듈을 적용한다. 본 필터는 다공성 탄소 입자를 이용하여 응축수 내에 잔류할 수 있는 냄새 유발 물질, 유기화합물, 잔류 염소 및 색도 등을 흡착하여 제거한다. 필터는 저수조로 유입되기 전, 배관 구간에 인라인 형태로 삽입하여 분사 전에 물리화학적 정화를 수행함으로써 미세한 입자나 불쾌한 냄새로 인한 분무 장애를 예방할 것이다. 또한 활성탄 층을 통과하는 과정에서 미세 부유물의 일부도 함께 제거되어 노즐 막힘을 줄이는 효과가 있다. 다만 활성탄 층은 일정 시간이 지나면 흡착능이 포화되어 미생물 증식 가능성이 있어 약 1~3개월 주기로 교체를 할 예정이다. 본 설계에서의 응축수는 비교적 깨끗하여 장기 재이용 과정에서 활성탄 필터를 1차적인 정화 단계로써 사용한다. 다만, 필요 시 UV 살균 또는 미세여과 공정을 병행하여 시스템의 신뢰성을 강화할 계획이다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

저수조

여름철 하루에 시대융합관 내 에어컨 201대에서 배출되는 응축수를 기준으로 설계를 진행하였다. 하루에 에어컨 1대에서 배출되는 응축수 유량은 53 L이므로, 시대융합관 전체 응축수 발생량은 아래와 같이 산정할 수 있다.

응축수 발생량의 일 변동과 강우일과 같은 피크 대응을 고려하여 저수조 용량은 여유율 10%를 두고 24시간 저장하는 것으로 설정하였다. 이에 따라 필요용량은 약 12 m^3임을 알 수 있었다.

이때 저수조가 설치되는 시대융합관 지하주차장의 높이를 고려하여 높이를 2 m로 가정하고, 원형 탱크로 설계할 경우 바닥면적과 지름은 아래와 같다.

따라서 최종 저수조의 크기는 지름 3 m, 높이 2 m가 적합하다.

센서

저수조 수위 감지 센서

저수조의 실시간 수위를 계측하기 위해 아날로그 수위 센서 모듈[KS0048]을 사용할 예정이며, 본 센서는 저수조 내 높이 0.8 m 벽면에 수직 방향으로 부착한다. 센서의 전극이 물과 접촉함에 따라 수위에 비례한 저항 변화를 아두이노에 아날로그 전압으로 전달하며, 이를 통해 아두이노에 입력되어 펌프의 작동 여부를 자동적으로 제어하는 데 활용한다.

플로트 스위치

저수조의 상한 및 하한 수위를 감지하기 위한 안전 보조장치로서 플로트 스위치를 사용할 예정이며, 상한 스위치는 저수조 내 높이 0.2 m, 하한 스위치는 저수조 내 높이 1.8 m 벽면에 부착한다. 저수위에서 스위치가 열리면 펌프 정지 신호를, 고수위에서는 닫힘 신호를 발생시켜 오버플로우를 방지한다. 본 설계에서는 주 센서의 측정값이 비정상적일 경우를 대비하기 위하여 이러한 이중 안전 제어 시스템을 구현하였다.

온습도 센서

냉각 미스트의 자동 제어 조건으로 외부의 온도와 상대습도를 감지하기 위해 디지털 온습도 센서[DHT20]을 사용할 예정이며, 중앙로 부근 통풍이 잘되고 볕이 잘 드는 바닥 인근 벽면에 부착한다. 온도 27°C 초과 습도 75% 미만의 조건이 충족되면 미스트 분사를 자동으로 개시하고, 충족되지 않을 시 정지하는 방향으로 구현한다.

펌프 및 태양광 패널

본 설계에서 냉각 미스트 분사를 위해 요구되는 펌프의 양정은 시대융합관 지하 1층에서 지상 1층까지의 수직 상승 높이 5 m, 배관 내 마찰손실 6 m, 노즐분사압 45 m를 합하여 총 61 m로 산정하였다. 펌프는 저수조 옆에 배치할 예정이며, PVC 배관을 통해 저수조와 연결된다. 또한, 배관 내 마찰 손실수두를 계산할 때는 Darcy-Weisbach 식을 적용하였다.

이때 마찰계수(f)는 PVC 배관을 사용할 예정이므로 0.025, 배관 길이(L)는 중앙로까지의 거리를 생각하여 40 m, 직경(D)은 펌프 직경에 맞는 0.025 m, 중력가속도(g)는 9.81 m/s^2으로 설정하였고, 유속(v)은 1.5 m/s로 가정하였다. 계산 결과, 마찰 손실수두는 약 4.59 m가 나왔으며, 국부손실 등을 추가로 고려하여 약 20% 여유율을 두어 총 손실수두를 6 m로 산정하였다. 이를 통해 앞서 개념설계 과정에서 선정한 HZUSUN사의 4SD16-60-150-1300-A/D가 적합함을 확인하였다.

또한, 태양광 패널은 시대융합관 외부 1층에 5장의 패널을 직렬 배치할 예정이다. 태양광 패널의 전체 시스템 전압은 180 V(36 V * 5), 출력은 1700 W(340 W * 5)이다.

쿨링 포그 분무 노즐

쿨링 포그 시스템은 배관을 통해 펌프와 연결하여 시대융합관과 중앙로 사이에 배치할 예정이며, 분무 노즐은 5개를 직렬 배치한다. 각 분무 노즐은 저수조에서 PVC 배관을 통해 펌프와 연결된다. 앞서 계산에 사용된 노즐분사압의 경우는 포그 분무 시스템 형성을 위한 분무 노즐에서 요구되는 최소 수압인 4.5 bar를 고려하여 계산하였다.

압력(P)는 450000 Pa, 물의 비중()은 1000 kg/m^3, 중력가속도(g)는 9.81 m/^s을 통해 계산 결과, 노즐분사압은 약 45 m임이 도출되었다.

활성탄 필터

활성탄 필터는 저수조로 들어가는 배관 구간에 인라인 형태로 삽입될 예정이며, 저수조로 유입되기 전 응축수의 물리화학적 정화를 실시한다. 본 설계에서 적용할 활성탄은 코코넛 쉘(Coconut Shell) 기반 활성탄으로, 높은 비표면적과 발달한 미세기공 구조를 가지며 염소 성분, VOCs(휘발성 유기화합물), 냄새 유발 물질 및 미세 부유 입자 제거에 효과적이다. 여과 메커니즘은 주로 표면 흡착(Surface Adsorption)과 미세공 물리적 포획을 기반으로 하며, 이는 노즐 막힘을 방지하고 장기적으로 분무 시스템의 내구성과 위생 안전성을 확보하는 역할을 수행한다.

상세설계 내용

시대융합관 배치도

(1) 저수조 시대융합관 내 설치된 201대의 에어컨에서 배출되는 응축수를 전용 배관망을 통해 지하 1층 복도 공간에 설치된 저수조로 집수한다. 해당 위치는 이동 동선 확보가 용이하면서도, 중앙로에 배치될 분무 노즐로 충분한 양정을 확보할 수 있어 저장 탱크 설치에 적합한 장소로 판단된다.

(2) 온습도 센서 분무 조건 판단을 위해 온습도 센서를 시대융합관 계단 측면 벽면에 부착한다. 본 위치는 외기 노출도가 높고 분무 구역과 근접하여, 냉각 효과의 제어 기준이 되는 실제 체감 환경 조건을 정확하게 측정할 수 있는 장점이 있다.

(3) 태양광 패널 펌프 및 제어장치 구동을 위한 전력 공급원으로 태양광 발전 패널을 건물 1층 외부 일조가 충분한 위치에 설치한다. 태양광 패널은 총 5장을 직렬 연결하여 발전 효율을 확보하며, 식생·구조물 등에 의해 발생할 수 있는 음영 영향을 최소화하도록 주변 장애물이 없는 공간에 위치한다.

(4) 분무 장치 냉각 미스트를 분사하는 쿨링 포그 시스템은 시대융합관 전면 중앙 보행로를 따라 총 5개를 직렬 배치한다. 이 구간은 학생 통행량이 많은 동선으로, 분사 운전 시 열환경 완화 및 미세먼지 저감에 따른 실질적인 체감 효과를 기대할 수 있다.

(5) 활성탄 필터 응축수 내 부유물 및 미량 오염성분 제거를 위해 코코넛 쉘 기반 활성탄 필터를 배관 인라인 구조로 적용한다. 이는 친환경적이면서도 여과 성능이 우수하여, 노즐 막힘 방지 및 위생적 수질 유지에 기여한다.

(6) 수위 센서 저수조의 저장량을 실시간 감지하고 자동 운전 조건을 제공하기 위해 수위 센서를 상부와 하부에 각각 1개씩 설치한다. 설정 수위 기준을 초과할 경우 펌프 구동 및 분사 시스템이 작동하도록 하며, 낮은 수위에서는 자동 정지하여 펌프 손상 및 공회전 발생을 방지한다.

제어부 및 회로 설계

센서 및 제어 시스템 구성

본 시스템의 자동 제어는 수위 센서와 온‧습도 센서로 구성된다. 수위 센서는 저수조 내부 수위를 지속적으로 측정하고 온‧습도 센서는 외기 온도와 상대습도 상태를 계측하여 냉각 미스트 분사의 필요성을 결정한다. 이를 통해 응축수의 가용성과 기상 여건을 동시에 고려한 효율적 운전이 가능하도록 설계하였다.

펌프 제어 및 작동 방식

펌프는 릴레이 모듈 및 건전지와 연결되어 있다. 이를 통해 수위 센서 및 온습도 센서를 통해 측정한 수위, 온도 및 습도를 조건으로 펌프를 자동으로 작동한다. 릴레이 모듈을 통하여 특정 조건에서만 전류를 흐르게 하여 펌프의 ON/OFF를 제어한다.

소프트웨어 설계

펌프의 구동 여부는 아래의 세 단계 조건 평가 과정을 통해 결정된다.

① 수위 확인 30초 단위로 수위를 측정하고 측정된 수치가 40% 초과이면 ②로 넘어간다. 측정된 수치가 40% 이하일 경우 계속 수위를 측정한다.

② 외기 조건 확인 온도 및 습도를 측정하고 온도가 27℃ 초과 그리고 습도가 75% 미만인 조건을 만족하면 ③으로 넘어간다. 온도가 27℃ 이하 또는 습도가 75% 이상일 경우 계속 온도 및 습도를 측정한다.

③ 펌프 동작 위의 조건들이 모두 만족되었을 경우 펌프에 전류가 흐르게 되며 펌프가 작동하게 된다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

완료작품의 평가

향후계획

특허 출원 내용

- 설계의 실현 가능성을 높이기 위해, 현재 제작된 프로토타입을 기반으로 실환경(시대융합관–중앙로) 파일럿 실증을 수행할 필요가 있다. 이때 단순 작동 여부를 넘어서 체감온도/열저감 효과, 수위·온습도 조건 기반 자동 제어의 안정성, 분사수 수질 안정성(활성탄·UV 포함)을 성능지표로 설정하여 정량 검증하고, 결과에 따라 운전 조건 및 설계를 반복 개선하는 방향이 적절하다.

- 초기 투자비용 및 유지관리 부담을 낮추기 위해 모듈형(표준화) 설계로 전환하고, 건물·구역별 설치 여건에 맞춘 “탱크–여과–펌프–노즐–태양광–제어” 패키지화를 추진할 필요가 있다. 보고서의 경제성 분석에서 장기적으로 B/C가 1을 상회하는 구조가 제시된 만큼, 설치 단가 절감(규격 통일, 시공 단순화)과 유지관리 최적화(교체 주기·부품 접근성 개선)를 결합해 회수기간 단축을 목표로 하는 것이 타당하다.

- IoT 기반 운영을 고도화하기 위해, 현재의 규칙기반 제어에서 한 단계 확장하여 AI 기반 예측·최적화 제어를 적용할 필요가 있다. 예를 들어, 장기 센서 데이터(수위, 온·습도, 가동 시간)를 누적하여 날씨 예보 연계 선제 운전, 노즐 막힘/펌프 이상 징후 탐지, 최소 전력·최대 열저감 조건의 자동 튜닝을 구현하는 방향이 현실적이다.

- 위생·안전 및 장기 운전 신뢰성을 강화하기 위해, 보고서에서 제시한 활성탄 여과 + UV 살균을 실증 단계에서 표준 공정으로 구체화할 필요가 있다. 응축수의 미생물 오염 가능성을 전제하고, 여과·살균 성능 검증과 함께 노즐 막힘 저감 및 위생 안전성 확보를 특허의 핵심 효과로 명확히 정리하는 전략이 유효하다.

- 적용 범위를 캠퍼스에 한정하지 않고, 대형 건물군 및 도시·산업단지 환경으로 확장 적용할 가능성이 크다. 모듈화 및 확장성과 태양광 기반 전력 자립, 응축수 재이용의 조합은 지역 단위의 물·에너지 절감 및 탄소배출 저감에 기여가 기대되므로, 향후에는 실증 데이터를 근거로 탄소중립 및 정책 연계까지 포함한 사업화 시나리오로 발전시키는 것이 적절하다.

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 ===완료작품의 평가===
-[[파일:방울이득완료평가]]
+[[파일:방울이득완료평가.png]]
 ===향후계획===
-내용
 ===특허 출원 내용===
-내용
+- 설계의 실현 가능성을 높이기 위해, 현재 제작된 프로토타입을 기반으로 실환경(시대융합관–중앙로) 파일럿 실증을 수행할 필요가 있다. 이때 단순 작동 여부를 넘어서 체감온도/열저감 효과, 수위·온습도 조건 기반 자동 제어의 안정성, 분사수 수질 안정성(활성탄·UV 포함)을 성능지표로 설정하여 정량 검증하고, 결과에 따라 운전 조건 및 설계를 반복 개선하는 방향이 적절하다.
+- 초기 투자비용 및 유지관리 부담을 낮추기 위해 모듈형(표준화) 설계로 전환하고, 건물·구역별 설치 여건에 맞춘 “탱크–여과–펌프–노즐–태양광–제어” 패키지화를 추진할 필요가 있다. 보고서의 경제성 분석에서 장기적으로 B/C가 1을 상회하는 구조가 제시된 만큼, 설치 단가 절감(규격 통일, 시공 단순화)과 유지관리 최적화(교체 주기·부품 접근성 개선)를 결합해 회수기간 단축을 목표로 하는 것이 타당하다.
+- IoT 기반 운영을 고도화하기 위해, 현재의 규칙기반 제어에서 한 단계 확장하여 AI 기반 예측·최적화 제어를 적용할 필요가 있다. 예를 들어, 장기 센서 데이터(수위, 온·습도, 가동 시간)를 누적하여 날씨 예보 연계 선제 운전, 노즐 막힘/펌프 이상 징후 탐지, 최소 전력·최대 열저감 조건의 자동 튜닝을 구현하는 방향이 현실적이다.
+- 위생·안전 및 장기 운전 신뢰성을 강화하기 위해, 보고서에서 제시한 활성탄 여과 + UV 살균을 실증 단계에서 표준 공정으로 구체화할 필요가 있다. 응축수의 미생물 오염 가능성을 전제하고, 여과·살균 성능 검증과 함께 노즐 막힘 저감 및 위생 안전성 확보를 특허의 핵심 효과로 명확히 정리하는 전략이 유효하다.
+- 적용 범위를 캠퍼스에 한정하지 않고, 대형 건물군 및 도시·산업단지 환경으로 확장 적용할 가능성이 크다. 모듈화 및 확장성과 태양광 기반 전력 자립, 응축수 재이용의 조합은 지역 단위의 물·에너지 절감 및 탄소배출 저감에 기여가 기대되므로, 향후에는 실증 데이터를 근거로 탄소중립 및 정책 연계까지 포함한 사업화 시나리오로 발전시키는 것이 적절하다.