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2024년 12월 9일 (월) 08:55 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 기후 적응형 버스 정류장 설계 : 우수 재활용 냉난방 시스템

영문 : Design of Climate-Adaptive Bus Stop

과제 팀명

엉차!엉차!

지도교수

구자용 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 20188900** 신*승(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 20208900** 김*연

서울시립대학교 환경공학부·과 20208900** 정*규

서울시립대학교 환경공학부·과 20218900** 박*현

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 설계는 기후적응형 버스정류장으로, 최근 지구온난화로 인한 지속적인 폭염을 대비하여 우리나라의 기후적 특성인 여름철 집중호우를 활용한다.

개발 과제의 배경

설치가 확대되고 있지만 높은 설치 비용과 공간 제약으로 설치율이 낮다.
우리나라 여름철 강수가 집중되어 빗물이 대부분 유실되고 있다.
현재 버스정류장 의자는 난방 기능은 효율적이지만 냉방 기능은 부재하다.

개발 과제의 목표 및 내용

의자 내부에 우수 집수 탱크를 마련하여 강우 시 유출수를 모아 재이용할 수 있는 버스 정류장을 설계한다.
태양광 발전을 활용해 우수 이송 및 냉난방 에너지를 효율적으로 사용하여 에너지 절약과 지속 가능성을 실현한다.
적절한 냉온 기능을 통해 사용자에게 편의를 제공한다.

3. 설계 아이디어 도출(9월 3주차~ 9월 4주차)

시스템 설계 아이디어 구체화

4. 과제 제안서 작성 및 발표(9월 5주차)

과제 제안서 작성 및 PPT 준비

2. 개념설계(10월 2주차~ 10월 5주차)

1. 시스템 구성요소 정리(10월 2주차)

냉수쿨러, 태양광 패널 등 구성요소 개념화

2. 디자인 설계(10월 3주차)

편의성 및 안전성, 버스정류장 설치 규제를 고려한 디자인 설계

3. 기초 공정 설계(10월 4주차~ 10월 5주차)

빗물의 집배수부터 냉온수 쿨러 운영까지의 공정 설계

4. 개념설계 보고서 작성 및 발표(10월 5주차)

개념설계 보고서 작성 및 PPT 준비

3. 상세설계(11월 1주차~ 11월 3주차)

1. 시스템 구성요소 세부화 및 선정(11월 1주차)

시설 및 공정에 알맞은 재료 선정
냉수쿨러, 태양광 패널 등 구성요소 세부화

2. 공정 설계 구체화(11월 2주차~ 11월 3주차)

전력량, 빗물 저장 탱크 용량 등 상세 제원 계산 및 가정

3. 상세설계 보고서 작성 및 발표(11월 3주차)

상세설계 보고서 작성 및 PPT 준비

4. 경쟁력 분석(11월 3주차~ 11월 4주차)

1. 경쟁력 분석(11월 3주차~ 11월 4주차)

전력비용, 상수도 이용 요금 등과의 비교를 통한 경쟁력 분석
기존 스마트 쉘터과의 비교를 통한 경쟁력 분석

2. 경쟁력 분석 보고서 작성 및 발표(11월 4주차)

경쟁력 분석 보고서 작성 및 PPT 준비

5. 시연물 제작 및 평가(12월 1주차~ 12월 2주차)

1. 포스터 제작(12월 1주차)

발표 포스터 제작

2. 시연물 제작(12월 1주차~ 12월 2주차)

시연물 제작
아두이노 설계 및 작동

구성원 및 추진체계

공통
- 개발 과제의 목표, 배경, 내용 설정
- 시연품 제작 및 시연

개별
- 신민승: 시연품 제작, 상세 설계 제원 구체화, 2D& 3D 캐드 구현
- 김소연: 시연품 제작, 특허 조사 및 관련 기술 시장 분석, 3D 캐드 구현, 보고서 작성
- 정종규: 아두이노 회로 설계, 특허 조사 및 관련 기술 시장 분석, 경쟁력 분석
- 박소현: 아두이노 코드 구상, 특허 조사 및 관련 기술 시장 분석, 구성요소 구체화

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

평가기준
- 성능 : 제품의 설치 및 운영을 통해 기대 효과를 만족시킬 수 있는가?
- 경제성 : 제품의 설치 및 운영에 있어 기존 시장의 제품과 비교하였을 때 경쟁력이 있는가?
- 유지관리의 용이성 : 제품의 설비들이 안전하게 운용되고 유지관리가 용이하게 이루어질 수 있는가?
- 실현 가능성 : 설계된 제품과 설비들이 실제로 구현될 수 있는가?
평가내용

개념설계안

버스승차대 지침에 따라, 최소 1.5m*7.0m의 공간 및 교통약자를 위한 무장애 공간을 2.0m*2.0m 확보 必. 이에 따라, 승차대의 지붕 면적을 2.5m*7.0m로 설정하였다.

단면도

구상도

이론적 계산 및 시뮬레이션

우수집수시설 저장량

의자 한 개 당 저장 가능한 빗물의 양 = 2.5𝑚∗0.5𝑚∗0.8𝑚=1𝑚^3=1000𝑙/개

승차대 당 저장 가능한 빗물의 양 = 1000𝑙/개∗2개/승차대=2000𝑙/승차대

강수량

집수량 = 지붕면적 × 강수량 × (1 – 유실율) 에서,

버스정류장 지붕 면적 : 2.5m × 7m = 17.5㎡

유실율: 10% (가정: 우수집수시설에서 자주 사용하는 유실율)

초기 우수 배제량: 평시 1mm, 여름철(6월~9월) 2mm

① 평균 강수량 : 1.9mm/day

∴ 집수량 = 17.5𝑚^2∗0.0019𝑚/𝑑𝑎𝑦∗0.9=0.029925𝑚^3=29.925𝑙/𝑑𝑎𝑦

② 여름철 평균 강수량(6~9월) : 21.82mm/day

∴ 여름철 집수량 = 17.5𝑚^2∗0.01982𝑚/𝑑𝑎𝑦∗0.9=0.31222𝑚^3=312.22𝑙/𝑑𝑎𝑦

③ 200년 빈도 강수량 기준(116mm/hr)

∴ 집수량 = 17.5𝑚^2∗0.114𝑚/𝑑𝑎𝑦∗0.9=1.7955𝑚^3

의자가 가득 차기까지 걸리는 시간 = (2.028𝑚^3)/(1.7955𝑚^3/ℎ𝑟)=1.13ℎ𝑟

기록적인 폭우에도 1시간 분량의 비를 저장 가능

온냉 의자에 사용되는 물의 양

지름을 4cm인 파이프를 횡방향으로 3회 왕복하도록 설정

파이프 내부의 물이 가득 찼다고 가정한다면,

- 1회당 의자 내부 수관에 소모되는 물의 양

=(0.02𝑚)^2∗𝜋∗2.36𝑚∗6+(0.02𝑚)^2∗𝜋∗0.08𝑚∗5=18.297𝑙/회

- 집수량(평균 강수량 기준) = 〖17.8𝑚〗^2∗0.0029𝑚/𝑑𝑎𝑦∗0.9=45.675𝑙/𝑑𝑎𝑦

∴ 하루 강수량 기준 냉난방 사용 가능 횟수 = (45.675𝑙/강수일)/(18.287회/회)=2.496회/강수일

강수일 하루 강수량 기준, 냉난방 의자를 2.5회정도 충전 가능

쿨링포그에 사용되는 물의 양

- 오전 10시부터 오후 6시까지 30분간 작동하고 10분간 휴식하는 4개 노즐의 쿨링포그 사용

- 온도 및 습도 등 기상상태를 감지해 특정조건에서만 가동하며 하루에 21.6L 물 사용

소요전력량

① 여름철 기준(6~9월) : 소독 + 수냉쿨러 + 쿨링포그 + 버스 전광판

237kWh + 24.8kWh + 118.8kWh + 72kWh = 452.6kWh

② 겨울철 기준(12~2월) : 소독 + 보일러 + 태양광 열선 + 버스 전광판

237kWh + 720kWh + 420kWh + 72kWh = 1,449kWh

③ 평월 기준(그 외 5개월) : 소독 + 버스 전광판

237kWh + 72kWh = 309kWh

상세설계 내용

1. 승차대

2. 의자

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

완료작품의 평가

성능(4점/5점)

우수 집수 및 우수를 활용한 설비 운용이 효과적으로 이루어질 수 있는가?

- 기존 버스정류장 의자의 단점인 여름철 냉방 효과를 우수를 활용해 얻을 수 있다.

- 여름철 기록적인 폭우에도 1시간이 넘는 용량의 우수를 저장할 수 있다.

- 1차 스크린과 2차 UV소독을 통한 수질 관리를 통해 쿨링포그로 재사용 가능하다.

경제성(5점/5점)

설치 및 유지곤리 비용 측면에서 기존 정류장과 비교하였을 때 경제적 이점을 나타내는가?

- 집수 우수를 활용한 시스템 운영 시 승차대 1개당 연간 약 18만원의 물 이용 부담금 감축된다.

- 집수 우수를 활용한 물 공급 체계 운영 시 승차대 1개당 연간 최대 약 109만원의 물탱크 충전 비용 감축된다.

- 여유 전력이 발생하는 여름철과 평월에 약 40만원의 전력 판매에 이익이 예상된다.

- 기존 스마트쉘터 1개소 설치 비용인 약 4억 9천만원보다 적은 1700만원 소요된다.

유지관리의 용이성(3점/5점)

정류장 설비의 내구성이 우수하고 유지관리가 용이하게 이루어질 수 있는가?

- 의자 내부의 설비가 부착되어 있어 고장시 수리에 어려움이 있을 수 있다.

- 버스정류장의 위치에 따라 유지관리에 어려움이 있을 수 있다.

실현 가능성(4점/5점)

설계된 정류장이 실제 도로변에 시공 및 운용될 수 있는가?

- 기존 스마트쉘터의 설치가 불가능한 지역에도 시공이 가능하다.

- 기존 스마트쉘터보다도 적은 비용으로 시공이 가능하다.

향후계획

버스정류장 의자에 저장된 우수를 물탱크 차량을 이용해 수거하며, 소방용수, 생활용수, 공업 및 농업 용수 등으로 사용한다.
버스정류장 의자에서 나아가, 공원의 벤치 등의 적용을 목표로 한다.

참고문헌

기상자료개방포털. 강남구 강수량 데이터. https://data.kma.go.kr/cmmn/main.do
서울연구원. 2022년 8월 집중호우, 서울시의 강우량과 피해특성은?, 서울인포그래픽스, 22.08.29. https://www.si.re.kr/node/66289
뉴스로드. 질병관리청, 온열환자 발생현황. 연합신문. 23.07.31. https://www.newsroad.co.kr/news/articleView.html?idxno=24426
버스 이용편의 제고 및 이용환경 개선을 위한 가로변 시내버스 정류소 설치 및 운영지침. 서울특별시 도시교통본부 버스정책과
김현일, 이재영, 한건연, 조재웅** (2020). 관측 강우와 심층신경망의 적용을 통한 도시홍수 분석. *한국방재학회논문집*, 20(1), 339-350.
김지수, 성효현, 최광용 (2013). 도시 홍수 취약성의 공간적 분포: 서울 지역을 중심으로. 한국지역지리학회지, 19(4), 615-626
이병주(2017). 강남지역 홍수 영향 예보를 위한 침수특성 분석. *대기*, 27(2), 189-197.
귀뚜라미. 소형 전기보일러(KIB 시리즈). https://krb.co.kr/index.php?mid=product6&category=17286&document_srl=22261
퓨어워터텍. UV이중관 자외선 정수기 필터. https://pwt.co.kr/goods/view?no=23061
ZDNET Korea. LG전자, 세계 최저 소비전력 냉온정수기 출시. 11.07.20. https://zdnet.co.kr/view/?no=20110720120140
ENERPIA 스노우멜팅시스템http://www.enerpia.co.kr/kr/road/index.htm
키그린 쿨링 포그 시스템
서울특별시 교통정책과 전광판 설치 지침서
LED 전광판 소비전력 측정보고서, 한국전자통신연구원(2021)
기상자료개방포털, 2023년 서울 월평균 하루 일조시간
하림TMS 눈비감지센서, https://hltms.co.kr/
상수도요금, https://i121.seoul.go.kr/cs/cyber/front/cgcalc/NR_chargeTypeTariffInfo.do?_m=m5_5
살수차규격, https://www.daejicar.com/product/03_2_2.php
태양광발전 연계유형에 따른 금액, https://www.kpx.or.kr/smpInland.es?mid=a10606080100&device=pc
전력구입계약, https://epsis.kpx.or.kr/epsisnew/selectEkmaSmpSmpChart.do?menuId=040201

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 ===구성원 소개===
-서울시립대학교 환경공학부·과 20188900** 신**(팀장)
+서울시립대학교 환경공학부·과 20188900** 신*승(팀장)
-서울시립대학교 환경공학부·과 20208900** 김**
+서울시립대학교 환경공학부·과 20208900** 김*연
-서울시립대학교 환경공학부·과 20208900** 정**
+서울시립대학교 환경공학부·과 20208900** 정*규
-서울시립대학교 환경공학부·과 20218900** 박**
+서울시립대학교 환경공학부·과 20218900** 박*현
 ==서론==