"1조 고깃집살려조"의 두 판 사이의 차이

2023년 6월 15일 (목) 18:16 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 빅데이터 및 예측 모델기반 유해 화학물질 대체제 발굴

영문 : Discover alternatives to hazardous chemicals based on big data and prediction models

과제 팀명

AlChem

지도교수

김주식 교수님

개발기간

2019년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20128900** 목**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 채**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 이**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

 지난겨울 미세먼지와 초미세먼지가 거듭 높은 수치를 기록하면서 미세먼지에 대한 문제 인식과 관심이 전국적으로 확산되면서 실내 대기질 문제도 대두되고 있다. 국내 고기 조리방식은 주로 구이 형태에 의해 소비가 이루어지며, 고기구이 음식점에서 직화구이로 조리가 이루어지고 있다. 고기구이 음식점의 배출 가스는 전체 미세먼지 농도에서 적은 비중을 차지하지만 발생원 가까이에서 노출되는 경우가 많기 때문에 인체에 미치는 영향이 더 커질 수 있다. 또한 고기구이 음식점의 대부분은 도심에 위치하고 있어 인근 주민들로부터 민원이 발생하는 경우도 증가하고 있다. 이에 따라 인근 주민들과 음식점 이용 고객들의 피해를 최소화할 수 있는 해결방안을 모색하는 것을 주된 과제로 본 설계를 진행하였다. 
 국내 고기구이 음식점의 현황을 고려하여 중형, 소형 고기구이 음식점을 설계 대상으로 선정하였고, 작은 점포에도 설치할 수 있는 배출가스 저감 장치를 설계하고 비전문 인력인 음식점주가 유지, 관리할 수 있는 설비를 구축하는 것을 목표로 하였다. 본 설계에서는 이와 같은 목표 달성을 위해 후드 내부 개량 및 유증기 포집을 위한 필터와 후단 배기구 근처에 카트리지 형식을 도입한 여과 집진장치를 설치하고자 한다. 이러한 장치를 설계함으로써 중·소형 고기구이 음식점에서 발생하는 배출가스 저감뿐만 아니라 고기구이 과정에서 발생하는 악취저감 성과를 도모한다.

개발 과제의 배경 및 효과

가. 개발 과제의 배경

 최근 고농도의 미세먼지와 초미세먼지로 인한 문제가 끊임없이 발생하고 있다. 일반적으로 이런 사례는 중국에서 오염 물질이 건너온 상태에서 대기가 정체하여 오염물질 농도가 높아지면서 발생하는 경우가 대부분으로 알려져 있다. 이렇듯 미세먼지 농도가 지속적으로 ‘나쁨’ 상태로 나타남에 따라 대기오염 문제에 관심이 집중되고 있지만 반드시 대기오염뿐만이 아닌 일상생활에서, 특히 고기구이 음식점에서 고농도의 미세 먼지에 노출될 수 있는 환경이 조성되어 주의가 필요하다는 주장이 제기되고 있다. 
 국내의 대기오염물질 배출량은 환경부 국립환경과학원(CAPSS)에서 매년 산정하고 있으며, 생물성연소는 2011년부터 산정하고 있다. 생물성연소는 농업잔재물 및 생활폐기물의 노천소각, 나무 등을 연료로 쓰는 아궁이, 화목난로와 보일러, 고기구이, 숯가마에서의 숯 굽기 등을 포함하는 배출원이다. 이와 같은 연소는 대부분 적절한 관리가 이루어지지 않기 때문에 불완전 연소가 수반되어 대기오염물질이 다량 배출된다.

 [표 1]의 생물성연소의 배출량을 살펴보면 CO, VOC, PM10, PM2.5, 배출량은 각각 232,457톤/년, 86,103톤/년, 14,554톤/년, 12,061톤/년으로 나타났다. 이 중 고기구이에 의한 배출량에 해당하는 CO, NOX, SOX 배출량은 매우 적은 것으로 나타났으며, PM10, PM2.5, 배출량은 각각 626톤/년, 574톤/년으로 이는 생물성연소 중 각각 4.30%, 4.76%를 차지하는 것으로 나타났다. 
 고기구이에서 발생하는 블랙카본을 포함한 미세먼지는 다환방향족 탄화수소류이나 중금속과 같은 발암물질도 포함하고 있어 배출 단계에서 제어가 필요하다. 아직 우리나라에는 법규뿐만 아니라 고기구기 음식점에서 환기구나 후드 사용 의무화에 대한 규정조차 없기 때문에 대부분의 음식점에서는 송풍기를 통한 단순 환기나 확산을 통해 실내에서 발생하는 물질들을 그대로 배출하고 있어 문제가 발생하고 있다. 
 국내 대형 고기구이 음식점에서는 미세먼지 저감장치로 대부분 전기집진장치를 설치해 사용하고 있다. 전기집진장치의 경우 미세입자를 제거하는 효율이 좋지만 장치 가격이 고가이고 장치가 커서 넓은 공간을 필요로 한다는 단점이 있다. 비용 상의 한계와 공간 부족으로 인해 소규모 음식점에서 미세먼지 저감장치를 설치하지 않는 것으로 판단하였다. 따라서 본 설계를 통해 고기구이 조리과정에서 발생하는 미세먼지를 보다 저렴한 가격에 사용하고 좁은 면적에도 설치할 수 있는 집진장치를 설계하고자 한다.

나. 개발 과제의 효과

 본 설계를 통해 소규모 고기구이 음식점에서 발생하는 미세먼지를 제거할 때 전기집진장치의 효율을 유지하면서 상대적으로 저가이고 소규모인 장치를 개발할 수 있을 것으로 기대한다. 장기적으로는 소규모 사업자의 경제적 부담을 덜어주고 미세먼지에 장기간 노출된 사람들의 급성 및 만성 조기사망, 구체적으로는 심장혈관 및 호흡기 질환으로 인한 사망률을 낮추는데 기여할 것으로 예상한다. 이후 고기구이 음식점의 환기구나 후드 사용에 관한 규제가 신설되면 소규모 음식점에서 사용할 수 있는 기술로 관련 시장에서 경제성을 가질 수 있을 것으로 기대한다.

개발 과제의 목표와 내용

가. 개발 과제의 목표

본 설계를 통해 미세먼지를 포함하여 직화구이에서 발생하는 유증기 및 유해가스, 그리고 생활에 전반적으로 크게 영향을 미치는 악취의 제거가 주목표이다.

나. 개발 과제의 내용

 국내에서 사용되고 있는 집진장치로는 ‘원심력집진장치, 여과 집진장치, 전기집진장치’가 있으며, 악취저감 방법으로 ‘활성탄 및 오존 사용’이 있다. 본 설계의 목표에 부합하는 배출가스 처리방법을 도입하기 위한 조합형 저감 장치의 특징은 다음 [표 2]와 같다.

 저감장치의 선정에 있어 본 설계는 중소형 음식점을 설계대상으로 진행하여 초기 설치비가 비싼 전기집진기를 도입하는 것은 무리가 있다. 고기구이 음식점의 특성상, 고기구이 과정에서 발생하는 유증기에 의해 기름이 활성탄에 유입될 시 악취저감 효과가 낮아질 우려가 있다.
 전처리 시설을 포함한 여과 집진장치의 경우 필터의 주기적인 교체가 필요하다는 단점이 있지만, 전기집진기 대비 비교적 저렴하게 도입할 수 있다는 점과  유증기의 포집을 통해 여과 집진장치의 효율 저감을 방지할 수 있다는 장점이 있어 기름받이후드와 여과집진장치를 결합한 설비를 도입하고자 한다.

관련 기술의 현황

State of art

기술 로드맵

 환경부에서 2017년 발간한 「음식점 대기시설 개선 시범사업」 최종보고서에 따르면 국내 고기구이 음식점에서 발생하는 미세먼지와 악취에 대한 민원이 증가면서 생물성 연소 배출원의 필요성이 대두되고 있다. 하지만 대부분의 음식점은 도심에 위치하고 있고 건물주와 음식점주가 임대계약을 통해 운영되기 때문에 저감시설 설치와 원활한 관리를 위해서는 충분한 설치 장소를 건물주 등과 합의하에 진행하여야 한다. 또한 음식점 미세먼지·악취 저감시설 선정 및 설치 시 저감시설의 운영의 편리성, 음식점과 주거지와의 인접성, 고기 사용량, 설치 가능한 공간, 전기용량 등의 여건이 고려되어야 하며, 음식점의 경제적 여건, 설치 공간 확보여부, 건물주와의 계약관계 등을 감안하여 단계적인 접근이 필요할 것이라는 연구결과가 제시되었다.
 배출가스 저감 장치 유지관리가 비전문 인력인 자영업자에 의해 이루어진다는 점을 고려하여 해당 과제의 핵심기술로 ‘직화구이 배출가스 유해물질 저감기술’, ‘저감장치의 소형화 기술’ 그리고 ‘유지관리 매뉴얼’을 제시하였다. 연구 기간의 경우 우선적으로 수도권에 해당 장치를 설치하는 것을 목표로 하여 ‘2차 수도권 대기환경관리 기본계획[2015-2024]’이 종료되는 시점 전까지 해당 기술을 개발하도록 기간을 설정하고 새로운 대기환경 관리 기본계획에 따른 규제 대응을 반영할 수 있도록 하였다.

특허조사

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

가. 전기집진기(모델명 : TS-213, 제조사 : 엔아이티 코리아)

 작은 공간에 설치가 용이하며 공간대비 높은 효율의 집진효율을 자랑한다. 국내 유일한 원통형 구조의 집진 셀 구조를 이용하여 안정성을 확보하였고, MPS 고전압 컨트롤 시스템을 통한 고효율의 전기 집진기 이다. 플라즈마 반응을 이용하여 입자상 유해물질을 제거하는 만큼 고효율의 성능을 자랑하지만, 그만큼 필요한 전력은 1,523W에 달하는 고전압의 설비가 필요하다. 모델의 대상도 중소형 사업장이나 대형 식당인 만큼 일반적인 사업장에서 사용하기에는 경제적으로 부담이 되는 모델이다. 

나. 전기집진기(모델명 : web series, 제조사 : 우양이엔지)

 전처리 과정에서 필터를 이용하여 입경이 비교적 큰 입자를 포집하고, 미세한 입자는 Ionizer에서 대전시켜 미분자가 정전필터에서 포집되는 원리를 이용한 전기 집진기 이다. 기존의 집진기와는 전처리 필터를 통해 입경이 큰 입자를 먼저 처리 하여 대상의 범위를 축소 시켜 포집 시켰다는 점에서 다른 경쟁 제품들과 차별 점을 두었다. 플라즈마 코어를 사용하지 않아도 0.01㎛입자를 처리하는데 98%의 처리 효율을 나타내어, 비교적 큰 전압이 필요한 것은 동일하나 앞서 제시한 TS-213모델보다는 전압에 대한 부담이 적을 것으로 판단된다. 

다. 여과 및 전기집진기(숯불구이 연기 및 냄새제거기(Zero Star-시리즈), 제조사 : 우양이엔지)

 숯불구이에서 발생하는 연기 및 악취를 특수 여과재를 이용하여 필터에 분사, 흡착시킴으로서 여과효율을 높인 제품이다. 전기를 통해 작동하기는 하지만 주요 기능은 어디까지나 필터표면에 특수한 여과재를 자동으로 적층시키는 것으로서 운전이 정지하고 나면 자동으로 탈진 운전을 시행하도록 시스템 되어 있어, 여과 필터를 장기간 사용할 수 있도록 한 제품이다. 주로 음식점에서 사용되는 제품이다. 여과 집진기로서 비교적 높은 효율을 가지고 있으나, 여과재를 주기적으로 교체해야 한다는 점, 그리고 기기 자체의 크기가 너무 크기 때문에 소형 음식점에서 사용하기에는 적합하지 않다는 단점이 있다.

라. 전기집진기(모델명 : YEC-series, 제조사 : YHB에코사)

 소형 전기 집진기로 공장과 작업장을 대상으로 판매되는 제품이며, 소형화를 통해 기존의 전기집진기보다 공간의 확보가 용이하고 처리해야할 유량에 따라 사이즈 별로 제공하고 있다. 필요한 소비 전류와 전력량을 살펴보면, 기존의 대형화된 전기집진기보다 필요한 전력량이 감소한 것을 알 수 있다. 그럼에도 불구하고 최대 450W가 필요한 모델의 경우 경제적으로 따지게 되면 대상으로 삼은 중, 소형 직화구이 점포에서 사용하기에는 여전히 부담스러운 전력량일 뿐만 아니라, 안전성의 문제도 간과할 수 없다.

마케팅 전략

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1. 소형화

 집진기의 크기를 결정하는 요소는 배출가스의 종류와 시설의 규모에 따른 풍량이 대표적이다. 그 중에서 본 설계의 핵심적 고려사항은 시설 규모에 맞춘 집진기 크기를 결정하는 것이다. 이에 따라 설계계획 시 해당 음식점 규모 및 설치공간의 여유에 따른 맞춤설계가 필요할 것으로 보이며, 기존 산업용 여과 집진기 대비 소형화된 설비를 도입함으로써 경제성을 확보할 수 있을 것으로 보인다.

2. 고효율 달성

 여과 집진기는 전기집진기와 함께 집진설비 중에서도 고효율을 자랑하고 있다. 그러나 설비를 도입하고자 하는 시설이 유증기가 많이 발생하는 생물성연소를 포함한 직화구이 음식점인 만큼 여과재에 많은 부담이 가게 되고 이는 필터의 잦은 교체로 인한 비용 상승이나 집진효율의 하락으로 이어진다. 이를 해결하기 위해 후드개량 및 유증기 전처리를 통해 90%이상의 집진효율을 달성하는 것이 목표이다.

3. 안전성

 기존에 많이 사용되고 있는 장비인 전기집진장치는 코로나 방전을 이용한 것으로 고전압과 함께 간헐적으로 오존이 발생하는 등의 문제로 안전설비가 요구된다. 반면 본 설계에서 도입하고자 하는 여과 집진장치는 기존 대비 안전성이 우수하며, 추가적으로 후드개량 및 필터를 통한 유증기의 저감을 통한 화재예방의 효과도 기대할 수 있다.

경제적 및 사회적 파급효과

1. 국비지원(직화구이 음식점 방지시설 설치 지원 제도)

 10개 시,군, 각 2개소로 부천 안산, 평택, 화성, 군포, 오산, 하남, 남양주, 포천, 연천 등을 대상으로 200㎡, 약 60평 이상의 직화구이 음식점 또는 200㎡ 미만이더라도 연기 악취 등 민원사례가 발생한 곳이라면 지원 가능한 제도로, 미세먼지 90%이상, 악취 70%이상의 저감 효율을 보이는 업체를 대상으로 도, 시, 군에서 보조금을 지원받아 설치할 수 있다. 

2. 민원해결 및 주민복지향상

 Jtbc 뉴스에 따르면 음식점 관련 생활악취 환경부 민원 건수는 2년 만에 3배 넘게 증가하였다. 앞에서 언급한 지원 제도의 대상자가 되더라도 대다수의 설치비용은 1,000만 원 이상인 것으로 나타났고, 영세한 상인들이 부담하기에는 여전히 큰 금액이기 때문에 효율과 경제성의 최적의 수치를 구현할 수 있다면 영세 상인들과 주변주민들 간의 문제도 해결될 가능성이 높다고 판단된다. 

3. 인체노출 감소

 생물성 연소의 PM10, PM2.5, 배출량은 각각 626톤/년, 574톤/년으로 이는 생물성 연소 중 각각 4.30%, 4.76%를 차지한다. 생물성 연소로 인해 배출되는 미세먼지 농도는 전체 미세먼지 농도에서 큰 비중을 차지하지는 않지만 고기구이 음식점의 경우 발생원 가까이에 노출되는 특성이 있으므로 이에 대한 처리가 가능할 경우 직접적으로 배출되는 미세먼지와 악취에 의한 피해를 경감시킬 수 있을 것으로 판단된다.

구성원 및 추진체계

◇ 목승균 – 자료수집 및 총괄 담당
◇ 채병권 – 자료수집 및 보고서 제작 담당
◇ 이용민 – 자료수집 및 기술개발 담당
◇ 이지원 – 자료수집 및 경제성 분석 담당

설계

설계사양

제품 요구사항

 본 설계를 통해 제안하는 제품에서 기대하는 요구사항을 다음 [표 3]과 같이 정리하였다. 항목에 따라 반드시 고려할 사항은 D, 상황에 맞게 고려할 사항은 W로 표기하였다. 각 요구사항에 대한 설명은 아래의 [표 4]에 기재하였다.

개념설계안

‘후드 개량 및 집진기를 이용한 고기구이 음식점의 배출가스 저감’ 과제의 해결을 위한 개념설계안은 다음과 같다.

(1) 배출가스 저감을 도모하고자 하는 공간에 적합한 환기방식 및 최소환기량을 산정한다.
(2) 배출가스 저감 시설 도입 공간의 급기구와 배기구의 위치를 결정에 따라 덕트의 경로가 결정된다. 이때 실내 구조에 따라 결정된 덕트 경로에서 덕트의 크기 및 덕트의 연결을 위한 부속기구에 
    따라 덕트 내 저항을 산출할 수 있다.
(3) 배출가스 저감 방식으로는 사전에 진행된 개념설계 과정에서 채택된 후드 개량을 통한 기름받이 후드와 여과 집진 시설을 도입한다.
(4) 배출가스 저감을 위한 시설에서의 총 손실압력을 산출하여 최종적으로 환기에 필요한 송풍기 사양을 결정한다.

이론적 계산

최소 필요환기량 계산

 환기 방식은 공기를 움직이게 하는 구동력인 압력의 차를 일으킬 때 기계력에 의존하는지의 여부에 따라 기계력에 의존 여부에 따라 기계 환기, 자연 환기로 분류한다. 자연 환기의 경우 기계동력을 필요로 하지 않기 때문에 에너지 절약의 관점에서 유리하지만 환기량이 불안정하고 제어하기 곤란하다는 단점이 있다. 따라서 본 설계에서는 기계 환기를 이용하여 고기구이 음식점 내부의 공기를 환기하도록 설계한다.
 제 3종 기계 환기는 배풍기만을 써서 실내로부터 공기를 빼내고, 급기는 자연에 맡기는 방법으로 실내로부터 공기를 빼내 실내의 압력은 외부보다 작아진다. 따라서 배기구 외에는 공기가 외부로 유출되지 않는다. 이에 본 과제에서는 효율적인 배출가스 포집을 위해 제 3종 기계 환기를 채택하였다.
 제 3종 기계 환기의 필요환기량을 계산하는 기준으로는 오염물의 허용농도를 많이 이용하고 있다. 실내의 어떤 오염물의 허용농도를 Pa[%]로 하고, 외기의 오염물 농도를 P0[%]로 한다. 또 실내에서 발생하는 오염물이 차지하는 양을 K[m3/h], 환기량 Q[m3/h]로 한다. 

오염물농도의 물질수지에 의해 오염물을 허용농도 이하로 억제하기 위한 필요환기량은 다음과 같다.

 [실내공기질 관리법 시행규칙-별표2]에 따라 이산화탄소 배출 허용 농도인 1000ppm을 공기오염물질 농도로 설정하였으며 오염 물질 발생량은 평상시 어른 1인당 이산화탄소 배출량인 0.021[m3/h]를 적용하였다. 외기오염물 농도인 실외 공간의 이산화탄소 농도는 기상청-종합 기후변화감시정보 시스템을 기반으로 400ppm으로 지정하였다.
 이에 성인 1인당 필요환기량을 계산하는 과정은 다음과 같다.

 이때 가정한 음식점의 테이블 수는 10개이며, 4인 테이블을 기준으로 하고 음식점에서 일하는 종업원의 수를 고려할 경우 최대 50명의 인원이 동 시간대에 음식점에 체류한다고 가정할 경우 최소 필요환기량은 다음과 같다.

덕트 구성

가. 덕트 배치법

 덕트 배치법은 간선 덕트 방식, 개별 덕트 방식, 환상 덕트 방식이 있다.

• 간선 덕트 방식은 1개의 주 덕트에 각 취출구가 직접 고정되는 방식으로, 시공이 용이하며 설비비가 싸고 덕트 스페이스가 비교적 적어 공조나 환기용에 가장 많이 사용된다.
• 개별 덕트 방식은 각각의 취출구로 덕트를 통해 분산하여 송풍하는 방식으로, 각 실의 개별 제어성은 우수하나 덕트 스페이스를 많이 차지하고 공사비도 많이 소요되기 때문에 특별한 경우가 아니면 잘 사용하지는 않는다.
• 환상 덕트 방식은 2개의 주 덕트를 환(環)상으로 배치한 방식으로, 말단부에 위치한 취출구에서 송풍량이 불균형해지는 것을 방지할 수 있다.

본 설계에서는 환기시설에 가장 많이 사용되는 간선 덕트 방식을 채택하였다. 

나. 덕트 치수 설계법

 덕트 치수 설계 과정에서는 정압법을 사용한다. 정압법은 덕트의 단위길이 당 압력손실을 일정한 것으로 가정하여 덕트 치수를 결정하는 방법으로 덕트 내의 최대풍속을 정한다. 이 풍속에서 송풍기로부터 가장 멀리 떨어진 출구에서 필요한 풍량과 송풍할 때의 전체 저항손실을 산출한 뒤, 각 분기 덕트에 이르는 사이에 발생하는 저항이 앞에서 산출한 저항과 같도록 덕트의 치수를 결정한다. 
 주관인 장방형 덕트의 풍량은 1,800이므로 덕트의 치수는 530mm x 200mm나 340mm x 300mm 중에서 선택 가능하다. 덕트 설비의 설계기준에 따르면 장방형 덕트의 경우 가능하면 정방형이 되도록 하고, 덕트 단면의 종횡비(아스펙트비)는 4:1 이하로 제한하고 있다. 두 값은 모두 종횡비가 4:1 이하이기 때문에 정방형에 가까운 값인 340mm x 300mm를 채택하였다. 분기관인 원형 덕트의 풍량은 180이므로 100에서의 치수인 117mm과 200에서의 152mm 두 값을 비례식으로 계산한 결과 지름은 146mm이다.

기름받이 후드

가. 폴리에스터 점착제 부직포

 직물의 공기투과도는 1cm의 수압에서 직물 1를 통하여 1초 동안에 통과하는 공기의 체적()을 의미한다. 이는 규정된 압력과 시간의 조건 하에서 시험편에 수직으로 통과하여 흐르는 공기 속도를 시험하는 것으로 초당 제곱센티미터 당 리터 또는 다른 동등한 단위로 나타낸다. 본 설계에서는 Fraizer법에 의해 측정된 통기성 값을 이용하여 선정 여과포의 적절성을 판단한다.
 공기정화필터나 신발의 원자재 등의 산업자재로 사용되는 면직물들의 통기성에 대한 Frazier 실험결과폴리에스터 부직포의 경우 여타 산업용 면직물에 비해 월등히 높은 수치의 통기성을 지님을 알 수 있다.

나. 유증기 수집 방안

 제시하고자 하는 후드 필터는 핫멜트 점착제를 포러스 도포한 부직포를 필터로 사용하여 흡입된 가스로부터 유증기를 포함한 각종 오염물질을 제거한다. 전면 코팅이 아닌 포러스 코팅으로 하여 배기량에 영향을 최소화하며 폴리에스터 부직포를 소재로 하여 통기성을 확보한다. 부직포의 모양은 역원뿔 형태로 중력침강에 의해서 하부에 기름이 포집되도록 유도하였으며 지지대 역할의 구조체에 단순 탈착하는 방식을 사용한다.

후단 여과 집진 시설

 여과 집진 장치에 사용되는 여과포의 재질에 따라 집진 효율이 달라진다. 필터의 장점과 단점을 고려하여 설계의 목적에 부합하는 Main-filter를 결정 후 Pre-filter의 후단에 설치하여 효율을 높이는 것을 목표로 한다. 

 고기구이 음식점의 여과장치에 사용되어야 할 Main-filter는 경제성이 있어야 하고, PM2.5의 미세먼지에 대한 여과 효율이 높아야 하며, 제품을 교체하기 용이하여야 하며, 내화성과 내화학성이 뛰어나야 하고, 방향족 탄화수소 등의 물질에 대한 여과 효율도 어느 정도 나타나야 한다. 
ULPA filter는 고효율의 저감 효율을 나타내기는 하지만 중소규모의 업소에 설치하기에는 경제성이 부족하고, POLYESTER filter와 POLYPROPYLENE filter는 내화학성과 내열성 둘 다 준수한 지표를 나타내지만, 특정한 산화 물질과 방향족탄화수소에 대한 효율이 비교적 떨어지는 것으로 나타났다. 그에 반해 HEPA filter는 쉽게 구할 수 있을 뿐만 아니라 경제성 또한 중소규모 점주들에게 부담스러운 가격이 아니고, 주로 저감하고자 하는 미세먼지의 저감 효율 또한 비교적 높은 것으로 나타났다. 따라서 이번 설계에서 사용하는 Main-filter로 HEPA filter로 선정한다.

가. HEPA filter

 공기 중의 먼지 등을 제거하는 에어필터로 등급에 따라 0.3㎛의 입자에 대해 85%~99.975% 이상의 포집능력을 가지며 필터의 여과지는 주로 직경 1~10㎛ 이하의 유리섬유로 구성되어 있다. 입자의 크기에 따라 섬유조직에 의한 차단 및 충돌, 중력에 의한 입자침강, 입자의 브라운운동, 전기력에 의한 흡착 등을 이용하여 입자를 포집한다.

나. 활성탄소섬유필터

 활성탄은 화학공업에 있어서 용제흡착, 회수와 탈색 분야에서 사용되었다. 종래에는 입상, 분말상이 중심이었지만 Cellulose계 원료를 탄화시킨 활성탄소섬유가 개발되어 여러 분야에 널리 사용되고 있다.
 활성탄소섬유 필터의 특징은 다음과 같다.

• 흡착표면적이 입상 활성탄과 비교하여 크기 때문에 약 1.5~수배의 평균 흡착량을 가진다.
• 외표면적이 크고 실질적으로 흡착에 관여하는 세공이 섬유표면에 노출되어 흡착속도가 빠르다.
• 흡착과 탈착의 반복에 의한 성능열화가 적다.
• 섬유상이므로 가공(성형)성이 용이하다.

다. 필터배치방식

 후단의 여과 집진 시설은 카트리지 형식으로 교체와 관리를 용이하게 하며, 3개의 여과지를 나열하여 효율을 극대화한다. 부직포 재질로 된 Pre-filter를 사용하여 전단의 후드에서 여과 되지 않은 입자상 물질들을 제거한 후에 높은 미세먼지 집진률을 보이는 HEPA필터를 이용하여 미세먼지를 저감한 후에 섬유상 활성탄으로 제작된 활성섬유 필터를 이용하여 악취의 저감을 도모한다.

손실압력에 따른 송풍기 사양

 배출가스 저감을 위한 시설에서 발생하는 손실 압력은 크게 두 부분에서 일어난다. 

• 관내 마찰 및 관로 구조에 의한 압력손실
• 여과포 통과에 의한 압력손실

가. 관내 마찰 및 관로 구조에 의한 압력손실

 관내 마찰 및 관로 구조에 따른 압력손실의 경우 실제 설계 사양에 맞추어 계산을 진행하였다. 해당과정에 있어 사용된 식은 다음과 같다. 

• 직관 덕트의 압력손실

• 덕트의 국부압력손실

 해당 계산 과정에 있어, 직관 덕트의 압력손실 계산 과정에서의 마찰계수의 경우 덕트의 성분을 아연도 강판이라 가정에 따른 상대조도계수(Relative Pipe Roughness) 값을 구한다.

 조도계수와 최소 필요환기량에 따른 각 관에서의 유량에 따른 레이놀즈수를 구한 후 무디 선도에 적용하여 각 관에서의 마찰계수를 구하였다.

이를 이용하여 산출한 덕트 내부의 마찰과 구조에 의한 총 압력손실 값은 107.89mmAq이다.

나. 여과포에 의한 압력손실

 여과포 압력손실의 경우 제조사에 따라 달라지므로 시장 조사를 통해 통상적으로 사용되는 값을 사용하였다

다. 총 압력손실

 덕트, 여과포에서의 발생한 손실 압력을 유속으로 변환 후, 송풍기와 연결된 관의 지름을 100mm로 가정할 경우 추가적으로 필요한 송풍량을 계산하였다. 
 덕트 구조에 의한 압력손실과 여과포에의 초기 압력손실에 따라 필요한 송풍량을 구하면 약 24CMM이며, 말기 압력손실에 따라 필요한 송풍량을 구하면 약 27CMM이다. 이를 앞서 구한 최소 환기량에 더해주면 설계에 필요한 송풍량은 약 60CMM으로 가정할 수 있다. 
 통상적으로 사용되는 환풍기 FAN으로는 설계에서 요구하는 만큼의 송풍량을 만족시키지 못한다. 따라서 시장 제품에서 점포용 환풍기 중 소형 고압팬을 설치하여 최소로 필요로 하는 송풍량을 만족시킨다.
 소형 고압펜 적용에 앞서 전기 집진기와의 경제성 비교를 진행한다. 전기 집진기를 후단 여과 집진시설 대신에 사용하는 경우 초기 송풍량은 최소 필요 환기량에 따라 송풍량을 30CMM을 필요로 한다고 가정하였다. 이에 따른 경제성 비교는 다음의 [표 5]와 같다.

 본래 점포용의 환풍기가 아닌 소형고압팬은 기존에 사용되던 점포용 환풍기 보다는 많은 전력을 사용하지만 여과 집진시설 사용에 따른 압력 손실로 인해 손실된 풍량을 충분히 확보할 수 있고, 전력량 또한 기존 전기 집진 시설에 비해 효율적임을 볼 수 있다. 
 통상적으로 사용되는 HEPA filter를 장기간으로 사용하기 위해서 후드에서 전처리를 통해 유분을 제거하여 교체 주기를 증가시킴과 동시에 Main-Filter를 제외한 PRE-Filter와 활성 탄소 섬유 필터의 경우에도 재사용이 가능한 재질로 선정하였다. 전기 집진시설의 전력량과 초기 설치비와 비교하여서 경제성에서 우위를 점할 뿐만 아니라 다수의 여과 처리를 통한 효율성을 기대할 수 있다.

조립도

예상 덕트 경로

 덕트의 치수와 배치법을 고려하여 나타낸 예상 덕트 경로 도면이다. 설계 대상이 중소형 가게이기 때문에 가게 전체 면적을 150로 설정하였고, 계산 결과를 토대로 시판 중인 덕트 치수를 고려하여 주관인 장방형 덕트는 350mm x 300mm, 분기관인 원형 덕트의 지름은 150mm로 결정하였다. 마찰 손실을 최소화하기 위해 곡관을 최소화하였으며 분기관이 주관에 30 각도로 합류하도록 배치하였다.

기름받이용 후드

 후드 도면은 후드 흡입경을 160mm, 내부관경을 100mm를 기준으로 하여 작성되었으며 필수구성요소를 제외한 일부 수치의 경우 적정 범위 내의 가정을 통해 산출하였다. 기름받이 필터의 직경은 유증기가 필터를 통과하지 못하고 사이로 빠져나가는 것을 방지하기 위해 내부관경과 동일한 수치로 설계하였으며 보조 기름받이 역시 필터에서 낙하하는 기름을 모두 담아내기 위해 같은 수치로 상정하였다. 또한 고무패킹으로부터 보조 기름받이까지의 높이차는 각각 10mm로 여유 공간을 두었고, 기름받이 미끄럼틀과 철 지지대의 경우 피타고라스의 정리에 따라 기하학적으로 타당한 수치를 확정하였다.

카트리지형 여과 집진 설비

 본 과제의 목적은 중소 규모의 점포에서도 산업용으로 사용되는 여과 집진 시설의 과정을 사용하되, 공간을 최대한 효율적으로 사용하는 것을 목표로 한다. 위의 카트리지형 여과 집진 시설은 사용자가 손쉽게 충진재의 내용을 교체할 수 있으나, 위의 내용대로 설계를 실시한다면 차지하는 공간의 부피가 지나치게 커지게 된다. 따라서 카트리지 교체 형식의 방법은 따오되, 각각의 충진재를 송풍구로 향하는 파이프의 규격에 맞도록 여과 집진 시설에서 사용되는 filter를 사용하여 교체를 더욱 용이하게 하며, PRE filter의 경우 세척 후 건조를 통하여 재이용이 가능한 재질로 선정한다.

최종 설계안

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

가. 적용 모형도

나. 기름받이용 후드

다. 카트리지형 여과 집진설비

포스터

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

 평가기준과 내용은 아래 표에 정리하였다. 이 때 각각의 평가 기준에 대한 평가를 등급별로 나누어 판단하였다. 등급은 조원들의 객관적인 평가를 합산하여 평균값으로 적용하였다. 평가 후 분석으로는 등급이 낮은 항목들에 대한 피드백을 진행하였다.

향후평가

1. 설계 과정에 있어 적용하고 하는 설비의 규모 및 성능과 직결되는 것은 각 업장에서 발생하는 실제 배출 가스량으로 실제 설계 과정에서는 이를 고려하여 설계를 진행하여야 한다. 그러나 본 설계에서는 음식점 별 배출가스량 산정을 진행할 수 없어 음식점 시설 규모에 따른 최소 흡입량을 산정하였다. 음식점 시설 규모가 큼에 따라 수용가능한 인원이 증가하므로, 시설규모와 배출 가스량은 비례한다고 보았으나 보다 정확한 설계사양 산정을 위해서는 실 배출 가스량을 고려하는 것이 더 바람직할 것으로 고려된다.
2. 환기량은 목적, 대상 및 환기방식에 따라 산정하여야 한다. 필요환기량의 경우 현재 국내에서는 「실내공기질 관리법」에 따라 규제 대상 시설의 경우 사용인원 당 필요환기량이 규제되어있다. 본 설계 과정에 있어서는 적용하고자 하는 시설인 고기구이 음식점의 경우 규제 대상이 아니므로 「실내공기질 관리법」에 따른 설계사양 산정에 적합하지 않아 대안적인 방법을 사용하였다. 주요 저감 목표로 하는 미세 먼지량을 기준으로 1인당 최소 필요 환기량 산정을 진행해야 했지만, 미세 먼지 배출허용기준 부재 및 실외 미세먼지 농도의 가변성 등으로 인해 적용에 한계가 있어 대안으로 이산화탄소 농도를 기준을 적용하였다. 이산화탄소의 경우, 미세먼지에 비해 인체에 미치는 영향이 비교적 많이 알려져 있으며, 실내 환기기준으로 사용하고 있어 이를 적용하였다. 이에 향후 과제 진행에 있어서는 미세먼지 발생량을 기준으로 하는 환기량 산정이 필요할 것이다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

1) 국립환경과학원(2015) CAPSS 배출자료

2) 수도권대기환경청 안재현(2018) 수도권 대기오염 및 미세먼지로 인한 인체 위해성 저감방안 연구

3) 조선일보 윤수정(2019) “고기 구운 지 10분, 초미세먼지 농도 97→1013으로 뛰었다.”

4) 조현지(2017), 육류 직화구이에서 발생하는 유증기 미세입자 및 악취제어를 위한 저온 플라즈마의 작용

5) 김동영(2010), 직화구이 음식점에 의한 대기환경문제 개선 방안, Policy Brief, 1-13

6) 정동균(2017), 사이클론의 vortex finder 구조에 따른 미세먼지 집진효율에 관한 연구

7) 이영식, 전형주, 한형균, 정정조(2013) 오존발생기와 저온 유전체장벽 플라즈마를 이용한 오존발생 및 살균력

8) 농림수산식품교육문화정보원 농식품백과사전 작물농업 > 농기자재/비료

9) 환경부(2017), 음식점 대기시설 개선 연구용역 최종보고서

10) 김영민 외 1(2016), 식품 조리로 인한 실내공기오염 현황과 과제

11) 환경부 수도권대기환경청(2017), 2차 수도권 대기환경관리 기본계획 변경계획

12) 공개특허공보 제10-2017-0140886호(2017.12.22.) “유증기의 유류 제거장치”

13) 공개특허공보 제10-2018-0045713호(2018.05.04.) “직화구이용 미세먼지 저감장치”

14) 등록특허공보 제10-0980419호(2010.08.31.) “악취제거장치”

15) 각 시 도청의 환경 관리 부처, 직화구이 음식점 방지시설 설치 지원 사업 공고

16) JTBC 임지수, “고깃집 연기·냄새에 칼부림까지…주민과의 갈등 ‘활활’”

17) (주)해영([1]), 활성탄 흡착기술

18) (주)삼천리카보텍 활성탄 흡착활용 및 용도[2]

관련특허

1) 공개특허공보 제10-2014-0082166호, “점착제를 이용한 배기후드용 위생필터” 2014.07.02.

2) 등록특허공보 제10-1787478호(2017.10.12.) "후드 기름받이용 필터“