"청소차"의 두 판 사이의 차이

2019년 12월 16일 (월) 20:06 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 버스 부착 집진기를 통한 대기정화

영문 : Air purification through the dust collector attached to the bus

과제 팀명

청소차

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20128900** 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 조**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 김**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

● 본 과제는 점점 심각해지는 국내 미세먼지, 그 중에서도 서울시의 미세먼지의 처리에 관한 과제다.

● 본 과제의 처리대상은 차량 내부의 공기가 아닌 외부(대기)의 공기이며, 대상 물질은 PM10 및 PM2.5 등의 미세먼지와 초미세먼지이다.

● 기본적으로는 하루 운행시간이 길고 출퇴근 시간에도 활용가능한 버스에 적용하는 것으로 설계하고, 궁극적으로는 민간 승용차에 적용하는 것을 목표로 한다. 따라서 소형화(규격) 설계를 다른 설계기준보다 우선순위를 높게 설정하였다.

● 추가적인 고려사항으로는 첫 째 설치 및 정비가 쉽도록 하기 위해 탈부착이 가능한 형태여야 한다. 두번째로 효율적인 여과를 위해 일정한 풍속을 확보해야 한다. 일정한 풍속을 얻기 위해서 자연바람이 아닌 동력원을 설치하여 흡입동력을 따로 두어야 하며 이를 위해 안정적으로 전력을 공급해줄 수단이 필요하다. 마지막으로 수분과 큰 이물질이 유입될 경우 집진기가 파손될 수 있으므로 이를 차단해주어야 한다.

● 최종목표는 미세먼지가 가장 심한 시간대에 운용하기 힘든 청소차와 예산 문제로 적용하기 힘든 발전소 shutdown, 사업장 규제, 전기버스 도입 및 공원조성 등의 정책들을 효과적으로 대체하는 것이다.

개발 과제의 배경 및 효과

현재 실생활에서 가장 심각한 문제 중 하나로 미세먼지가 대두되고 있다. 먼지라 하면 대기 중 떠다니는 입장상의 물질을 일컫는데 미세먼지는 입자의 크기가 매우 작은 먼지이다. 미세먼지의 지름 10µm보다 작은 미세먼지를 PM10이라 하고 지름이 2.5µm 보다 작은 미세먼지를 PM2.5라고 한다. 이러한 작은 입자들은 인간의 기관지에 피해를 주거나 식물의 생장을 방해하는데 최근 들어 미세먼지의 수치가 매우 높은 값을 보인다. 아래는 국립환경과학원의 자료로 1999년부터 2016년까지 연도별 미세먼지 배출량이 점점 증가하고 확인할 수 있다.

또, 환경공단의 자료에 의하면 초미세먼지(PM 2.5)주의보 발령 건수는 2016년에 비해 2018년에 4배 이상 증가하였는데 이는 미세먼지 대책 효과가 없거나 예산이 효율적으로 사용되고 있지 않는 우려의 목소리로 이어졌다. 환경부에 미세먼지 연구용역 및 대책 등에 쓰인 예산 규모에 대한 정보공개 청구 결과 미세먼지저감대책 예산은 2016년 4,391억원에서 2018년엔 8,185억원으로 86.4%가량 올랐다. 수도권 대기개선추진대책 예산도 1,140억1,000만원에서 2,143억1000만원으로 88.0%나 급등했다. 

그럼에도 미세먼지주의보·경보 발령 건수는 되레 급증하는 추세다. 한국환경공단의 대기질 경보자료를 전수 조사한 결과를 살펴보면 수도권 미세먼지경보·주의보 발령 건수는 2016년 68건에서 2018년 129건(12월17일 기준)으로 89.7% 늘었다. 같은 기간 수도권의 초미세먼지주의보 발령 건수는 14건에서 67건으로 증가했다. 전국으로 범위를 넓혀도 미세먼지 주의보·경보 발령 건수는 2016년 300건에서 2018년 679건으로 늘어남을 확인할 수 있었다.

미세먼지(PM10)의 경우 비산먼지에서 많이 발생하므로 도로의 비산먼지를 처리를 고려한 설계가 필요하다. 기존의 도로 청소 방법으로는 청소차를 통해 물청소를 하는데 이는 계절의 영향을 많이 받는 방법이므로 계절과 같은 환경에 영향을 받지 않도록 설계하기로 하였다. 그리하여 생각한 것은 서울 시내에 있는 버스에 소형화된 집진기를 설치하여 도로의 비산먼지를 처리하기로 하였다.

목적에 따른 버스의 현황을 살펴보니 시내버스 7,405대, 마을버스 1,582대, 공항버스 466대, 전세버스 3,245대, 특수여객 595대 그리고 시티투어 21대로 총 13,314대임을 확인하였다. 그 중 버스 약 10,000대에 설계집진기를 설치할 계획이다.

개발 과제의 목표와 내용

● 현재 버스 적용 가능한 집진기를 설계하는 것 현재 운영되고 있는 도로청소차의 비해 우리가 적용할 집진기의 규모는 작은 편이다. 그러기에 버스의 사양을 고려하면서 소형화된 집진기를 적용하여야 한다. 또한 집진기의 경우 동력원이 필요하므로 버스 내의 전기를 사용할 수 있도록 설계하여야 한다. 그리고 외부의 환경에 노출되기에 집진기를 보호할 수단과 유지 및 관리를 어떻게 할 것인지 고려해야 한다.

● 현재 운영하는 청소차와 비교하여 비슷한 효과를 달성할 것 우리가 설계하는 청소차는 현재 기존의 도로청소차와는 성격이 많이 다르다. 전문화된 청소차의 역할이 아닌 부수적으로 공기의 정화를 노릴 수 있도록 기존의 차에 집진기를 적용하는 것이기 때문이다. 그렇기에 현존하는 도로청소차와 비슷한 효과를 누릴 수 있도록 설계용량과 설계규모를 적정하게 산정하는 것이 중요하다.

● 부수적인 효과 부수적인 효과로는 설계할 집진버스는 기존의 도로청소차의 역할을 대신할 수 있다. 2019년 3월 서울시 기후환경본부 생활환경과에 따르면 서울시는 도로의 미세먼지를 제거하기 위한 도로청소차를 123대를 보유하고 있다고 한다. 또 도로청소차를 비상조치저감단계에서 6일간 운영을 하였다. 도로청소차의 경우 약 1억 5천~2억원 상당의 특수차량이며, 이를 운영함에 따라 인건비와 차량관리비가 주기적으로 들게된다. 우리가 설계하는 버스 집진기는 기존에 있는 버스에 집진기를 설치하는 것이므로 집진기의 원활한 공급과 사후관리 부분에서만 신경을 쓴다면 경제적인 이익을 불러올 것이라고 판단된다.

관련 기술의 현황

State of art

(1) 과거부터 현재까지 시행중인 기술

    - 청소차를 이용한 미세먼지 집진

 서울시는 예전부터 도로 청소에 물청소 및 진공청소를 도입하고 있다. 그러나 2000년대에 이르러서 대기오염문제가 더 심각해지자 보다 정량적이고 효과적인 미세먼지 저감대책의 필요성을 느끼게 되었다. 이에 서울시는 2006년에 이뤄진 도로청소 효과분석 실험을 통해 실제로 청소방법들의 비율이나 횟수에 의해 저감효과가 어떻게 달라지는지 수치적으로 분석하였고, 이를 토대로 2007년부터 물청소와 진공청소(분진흡입청소)의 비율을 재조정하여 도로청소를 실시하였다. 그 결과 이전보다 미세먼지 제거량이 430 톤/year 증가하였다.

    - 청소차를 이용한 도로분진청소의 개선

 기존의 도로 청소방식으로도 연간 540톤 (재비산먼지의 2.85%) 정도의 저감효과를 얻을 수 있었지만 2015년 즈음부터 국외/국내요인에 의한 미세먼지 문제가 이전과는 비교할 수 없을 정도로 심각해지자 더 개선된 청소방법이 절실해졌다. 이에 국내에서는 단순히 물과 진공을 이용한 흡입청소가 아니라 청소차에 개선된 여과집진기를 설치 및 청소거리를 늘리는 방식을 취하고 있다. 뿐만 아니라 싸이클론이나 복합재생 백필터를 적용한 청소차도 연구 중에 있다.

(2) 이미 연구가 완료되었으나 아직 적용되지 않은 기술

    - 자동차 장착 미세먼지 저감장치

세종시 전의면 소재 기업 에스에프코리아에서 자동차에 장착하는 미세먼지 저감장치를 개발했다. 이 저감장치는 자동차 외부 천정에 장착된다. 주행 시 발생하는 맞바람 원리를 이용한 무동력 장치이다. 주행 시 필터가 장착된 공기정화기에 저절로 공기가 흡입돼 정화와 주행이 동시에 이뤄진다.
설명에 따르면 자동차 한 대가 평균 30~40km 주행한다고 할 때 5000L/min 가량의 공기 정화가 가능하다. 여기에 자동차 한 대가 하루 운행 시 미세먼지를 최소 1g 포집한다고 가장하면, 300만대의 차량이 등록된 서울시에서만 하루 최소 3톤 가량의 미세먼지를 감소시킬 수 있다.

(3) 현재 개발계획이 발표되어 개발 중인 기술

    - 차량 부착형 건식 집진시스템/ 유전영동 집진 기술

 환경부 산하 한국환경산업기술원은 미세먼지 문제를 효율적으로 해결하기 위해 2018년 7월 25일에 새로 개발에 착수할 다섯 가지의 기술을 발표하였는데 그 중 차량에 부착하여 미세먼지를 저감하는 기술이 두 가지 포함되어있다. 이 두 가지가 바로 차량 부착형 건식 집진시스템과 차량 부착형 유전영동 집진기술인데, 여기서 유전영동 기술이란 입자의 지름이 2.5㎛ 이하인 미세먼지를 전자기장 방식으로 필터에 모아 저감하는 기술이다. 이 기술은 사설 연구기관에 수주하여 2019년 말까지 완료될 계획에 있다.

기술 로드맵

특허조사

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

(1) 도로분진노면청소차 ((주)신정개발특장차) 도로 틈새에 산재 되어 있는 분진, 미세먼지, 모래 등을 수거하고 비중 있는 이물질은 적재함에 수거하는 청소목적차량이다. 고진공 블로워를 사용하여 미세먼지 및 큰 입자를 가진 물질 또한 수거가능하다. 건식진공흡입장치를 장착하여 사계절 운영이 가능함. 적재함 후면에 배출먼지저감장치를 구현하여 배출시 발생되는 비산먼지를 억제하였다.

(2) 도로미세먼지흡입차 (이텍산업) 도로분진을 흡입/여과하여 깨끗한 공기를 대기로 방출하는 청소목적차량이다. 기존의 노면청소차보다 개선된 흡입력을 갖추고 있으며 용수, 브러시 미사용으로 유지관리비용 절감하였다. 측면 흡입장치를 이용해 도로 가장자리 분진 흡입이 가능하다. 사계절 운용 또한 가능하다.

(3) 습식필터 도로분진제거 노면청소차 ((주)신정개발특장차) 습식필터장치를 장착하여 미세먼지 여과효율을 높였으며 유지관리비용 또한 절감하였다. 노면의 분진, 미세먼지를 진공흡입식으로 수거한다. 보조엔진 구동시 배출 매연 또한 습식필터장치로 여과하여 대기로 배출되는 미세먼지를 최소화하였다.

(4) NEXO (현대자동차) 수소-산소 반응으로 발생한 전기에너지를 사용하여 모터를 구동 시키는 수소전기차이다. 수소-산소 반응을 위해 필요한 고순도 산소를 생산하기 위해 3단계 공기정화시스템을 갖추어 초미세먼지를 99.9% 제거한다. NEXO 1대 당 디젤차량 2대 분의 미세먼지를 정화 가능하다. 현재 본 과제에서 개발하고자 하는 제품과 가장 유사한 제품이다.

개발과제의 기대효과

가. 기술적 기대효과

(1) 넓은 활용성

본 설계에서 수행될 결과물은 다른 분야에도 적용이 가능하다. 좀 더 소형화가 된다면 택시와 같이 승용차를 사용하는 대중교통에도 적용이 가능하며 최근 부상하고 있는 시장인 모빌리티 플랫폼에 등록된 차량에도 적용을 할 수 있을 것이다. 또한 지하철과 같이 미세먼지가 심각한 환경과 대규모의 대중교통에도 적용한다면 좀 더 효과적인 성과를 이룰 수 있을 것이다.

(2) 에너지 소비량 저감

본 설계에서 목표로 하는 저감시설은 따로 동력원을 두지 않으므로 서울시에서 도입 계획 중인 전기 버스나 청소차보다 에너지 측면에서 효율적이며 에너지를 생산하기 위한 시설에서 나오는 미세먼지가 줄어드는 효과도 있을 것이다.

나. 경제적 및 사회적 파급효과
보통의 제품들은 경제적 효과를 계산할 때 제작 및 유통 등에 드는 비용과 판매하면서 얻는 이득만 고려하기 마련이다. 그러나 환경제품에 대해서 이렇게 B/C 분석만 했다가는 아무도 투자를 하지 않으려 할 것이고, 그렇게 되면 환경은 보호받지 못하고 무분별하게 파괴될 것이다. 따라서 환경제품은 기존의 시장경제원리가 아니라 공공재로서의 환경을 보호함으로써 얻는 공공의 이득을 고려해야 한다.
공공재란 배타성과 경합성이 없는 재화를 말한다. 환경은 내가 쓴다고 해서 다른사람이 쓸 수 없게 되지 않으므로 (ex. 공기) 비배타적이며, 사용 후에 없어지지 않으므로 비경합적이다. 따라서 환경은 공공재에 해당한다.
환경을 자신의 돈으로 개선하려는 사람은 많지 않다. 왜냐하면 공공재는 개인이 사용하는 것을 제한기도 힘들며, 특정인이 돈을 들여 개선해도 다른 사람한테 비용을 청구하기도 힘들기 때문이다. 그래서 보통 환경에 관련된 사업은 공공기관에서 주로 하는데, 이러한 환경사업을 추진할 때 가장 큰 어려움이 위의 이유로 이익을 창출하기 힘든데다가 예상되는 이익을 수치화하기도 힘들다는 점이다.
그러나 환경을 사유재가 아니라 공공재로 인식하여 계산해보면 환경을 개선함으로써 얻는 이익은 어마어마하다. 환경을 좋게 유지하면 (환경사업 시장이 활성화되면) 먼저 시민들의 건강이 좋아짐으로써 의료비 지출 및 정부의 의료보건예산이 더 절약된다. 다음으로 친환경적인 국가(혹은 기업)이미지가 확립되면 해외에서의 수요도 높아져 다른 사업의 수익으로도 연결될 수 있다.

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

개념설계안

(왼쪽부터 순서대로)

이론적 계산 및 시뮬레이션

가. 여과포의 개수

 (1) 유량 Q 

     - 적용하려는 흡입팬의 흡입유량 : 0.236 m3/s

     - 흡입팬의 총 수량 : 4개

     ∴ 총 유량 Q : 0.94 m3/s

 (2) 여과속도 v 

     : 설계하려는 집진장치의 유량과 적정 단수를 고려하여 가정

 (3) 단면적 A

     : 위에서 정한 유량 Q와 가정한 값인 여과속도 v를 이용하고, Q= A x v 식을 응용하여 계산 

     ∴ A = 9.4 m2

 (4) 단수 N

     - 설계하는 장치의 단면적 A’ 가 0.16 m2 이고, 필요 단면적 A가 9.34 m2 임을 이용하여 계산

     - A * v = A’ * v * N 의 식을 이용하면 필요한 단수 N = 약 60

다. 비교

     - 18년도 기준 청소차 184대의 미세먼지 제거량 : 94.5kg 
   
     - 설계) 버스집진기의 미세먼지 제거량 서울시내 버스 평균속력 = 19km/hr

     - 가정) 미세먼지 심한날 기준 미세먼지 농도 = 100 ug/m³

               Q = 0.94m³/s = 56.4m³/min = 3384m³/hr 

               3384m³/hr x 100𝝻g/m³ = 338400𝝻g/hr  

     - 우리 집진기의 효율이 90%이므로 제거량은 0.338g/hr*0.9 = 0.304g/hr이다.

     - 하루에 20시간씩 운행하고 서울시 버스 13000대 중 10000대를 운용한다고 가정.

0.304g/hr x 20hr x 10000대 = 60.8kg

     - 60.8kg / 94.5kg = 0.6434 

     ∴ 즉, 우리는 기존 청소차의 64.34%의 효율을 얻을 수 있다.

조립도

조립도

조립순서

1. 집진기 외장과 흡입 팬을 결합한다.

2. 스크린, 필터, 여과포를 순서대로 앞에서부터 결합한다.

3. 집진기 외장의 상단 개폐부를 닫는다.

4. 이후 여과포, 필터의 교환 시 상단 개폐부를 통해 교환한다.

부품도

본체 이외의 부가적인 부품 및 최종형태 설명

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

(1) 3D 사진

(2) 규격

(3) 모형 사진

포스터

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

향후평가

● 실제 운용 후에 운용인원들을 대상으로 설문조사를 실시하여 탈부착에 관한 평가를 수집하도록 한다. 여기서 도출된 결과를 통하여 탈부착방식의 개선을 추진하도록 한다.

● 우천 시 운행 후 고장정도를 파악하여 캐노피가 수분을 효과적으로 막아주고 있는지 판단할 수 있다. 만약 고장정도가 심하다면 수분침투 경로 및 미관 등을 고려하여 캐노피의 형태를 변경하도록 한다.

● 현재 정부에서 추진하고 있는 미세먼지 저감 대책으로는 발전소 및 사업장의 미세먼지 배출량 규제, 도시 공원 등 녹지 조성, 현재 운행 중인 천연가스 버스를 전기버스로 대체 등이 있다. 이 중 서울시를 대상으로는 녹지 조성과 전기버스 도입 등이 시행 중인데 저희 팀에서 설계한 버스를 이용한 미세먼지 저감장치는 이 두가지를 효과적으로 대체할 수 있다.

● 먼저 도시공원의 경우에는 예산 부족 등의 이유로 전국적으로 축소하는 추세이고 이것을 막으려면 더 많은 예산을 투입해야 하는 실정이다. 그러나 미세먼지의 저감효과는 상당히 지역적이고 저감량도 크지 않다.

● 다음으로 전기버스의 경우 미세먼지 배출량이 현저히 줄어들지만, 잔고장이 많아 유지관리가 힘들며 도입비용도 기존 CNG 버스의 두배가 넘어간다. (대당 가격 5억 이상) 결정적으로 이미 CNG 버스에 대한 인프라가 상당히 구축되어있는데 이런 인프라를 다시 구축해야한다는 단점이 존재한다.

● 따라서 기존의 인프라와 대중교통을 이용한 저희의 저감장치는 이런 단점들을 보완하며 사람들이 가장 많은 시간대에 효과적으로 저감할 수 있다는 장점이 있다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

1. 서울연구원, "도로청소 효과분석 및 청소방법 정립", https://www.si.re.kr/node/23817

2. 서울시 정보소통광장, "청소차 가격", https://opengov.seoul.go.kr

3. 한지혜, "달리는 자동차,도시 미세먼지 잡는다", 세종포스트, 2018.03.06, http://www.sjpost.co.kr/news/articleView.html?idxno=28402

4. 오경진, "달리는 자동차에 집진기 부착해 미세먼지 막는다", 서울신문, 2018.07.24, https://www.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20180724500117#csidx36b9af3b3e6fec190ea92bbfaea5119

5. 의료비 절감 === 정현용, "미세먼지로 추가 의료비 연 451억", 서울신문 뉴스, 2018.11.06, https://www.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20181107012011

6. 흡입팬 , https://korean.alibaba.com/product-detail/high-quality-131w-industrial-small-size-air-centrifugal-suction-blower-fan-60571143427.html?spm=a2700.8699010.normalList.16.3e2f6ee3exFFKe

7. 알루미늄 지지대, http://assco.co.kr/metal/알루미늄-판재/

8. 캐노피, https://korean.alibaba.com/product-detail/diy-outdoor-window-awnings-clear-solid-polycarbonate-roof-sheet-canopy-awnings-60688338981.html?spm=a2700.8699010.normalList.1.1d19541aUPupLc&s=p

9. 부직포(필터), http://itempage3.auction.co.kr/DetailView.aspx?itemno=B490985804

10. 대기환경 기사/산업기사 책 (미교원 교재)

11. 대기공학(동종인, 신광출판사)

12. 시내버스 스펙 https://www-trucknbus.hyundai.com/kr/purchase-guid/catalog

13. 서울시내버스 평균속력, http://www.index.go.kr/main.do

14. 미세먼지 입자크기에 따른 급성사망 영향과 경제적 손실 비용, https://ir.ymlib.yonsei.ac.kr/bitstream/22282913/136081/1/TA01046.pdf

15. ㈜ 신정특장차, http://www.shinjeong.co.kr

16. 이텍산업, http://www.retech.kr/

17. 현대 NEXO, https://www.hyundai.com/kr/ko/vehicles/nexo/highlights.html

18. 서울시 기후환경본부 생활환경과, http://news.seoul.go.kr/env/archives/501111?tr_code=sweb

관련특허

1. 손동욱, 이동수단을 이용한 대기 미세먼지 포집장치, 10-2013-0071053 (2013.06.20.)

2. 한국기계연구원, 집진장치가 설치된 지하철용 집진차량, 10-2009-0023595 (2009.03.19.)

3. 주식회사 에어화인, 차량용 집진장치, 10-2006-0040491 (2006.05.04.)