"01분반 숨통트여조"의 두 판 사이의 차이

2025년 12월 21일 (일) 21:35 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 근접 포집을 활용한 지하주차장 공기질 개선 시스템 구축

영문 : Air Quality Improvement System in Basement Parking Lot Using Source Capture

과제 팀명

숨통트여조

지도교수

박승부 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20208900** 김*홍(조장)

서울시립대학교 환경공학부 20208900** 김*혁

서울시립대학교 환경공학부 20208900** 백*수

서울시립대학교 환경공학부 20208900** 정*호

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제는 지하주차장 내 근접 포집 장치를 도입하여 실내공기질을 개선하는 것을 목표로 한다. 후면 주차를 가정한 상황에서 차량이 주차구획에 진입할 때, 포집 장치가 배기가스 오염물질(PM-10, CO, VOCs)을 실시간으로 포집하여 농도를 제어한다. CO 센서로 농도를 감지하고 초음파 센서로 차량을 감지하여 실내공기질을 개선하고자 한다.

개발 과제의 배경

실내공간으로서 지하주차장의 공기질 문제

지하주차장은 자동차가 한정된 밀폐공간에서 움직이면서 발생하는 배기가스로 인해 주요 실내공기 오염 공간이 되고 있다. 2004년 5월 국민의 건강증진과 더 쾌적한 실내 공기질을 확보하기 위해 다중이용시설 등의 실내공기질 관리법이 제정, 시행되고 있으며, 해당 법안에서 관리하는 일정 규모 이상의 다중이용시설에는 지하주차장도 포함된다. 2016년 12월 22일 다중이용시설 실내공기질 오염 기준 개정안에 따라 실내 공기질 유지를 위한 오염물질로는 미세먼지(PM10), 초미세먼지(PM2.5), 폼알데하이드, 일산화탄소, 이산화질소 등이 있다.

지하주차장 공기오염과 건강 피해

지하주차장의 오염된 실내 공기에 장시간 노출될 경우 사망으로 이어질 수도 있는데, 7년 4개월간 지하주차장에서 일한 근로자가 폐암으로 사망한 사건이 대표적이다. 이에 대해 법원은 장기간 환기 상태가 불량한 지하주차장에서 근무하며 발암물질에 노출된 점과 폐암 발병 사이의 인과성이 충분하다고 인정하였다(2011구합8642).

개발 과제의 목표 및 내용

전체급기, 전체배기에 의한 희석 환기를 골자로 하는 기존 환기 방식은 환기량 조절과 환기의 연속성 확보 측면에서 장점이 있으나, 공간 내부의 오염물질 평균 농도를 낮추는 데 긴 시간이 소요된다는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해, 오염물질을 오염원 근처에서 확산 전에 포집하는 부분적 국소 포집 시스템을 설계해 환기 효율을 높이는 것을 목표로 한다. 구체적인 설계 목표는 다음과 같다.

1. 제거 대상 오염물질 선정

2. 포집 장치 설계 배풍량 산정

3. 자동제어를 위한 작동 기준 선정

4. 배출원 근접 포집 시스템 설계

편익

편익은 이노텍 TIV-250D 팬 사용을 가정한 기존 환기 방식의 연간 소모 전력량과 본 과제의 근접 포집 장치의 연간 소모 전력량을 비교하여 계산하였다.

경제성 분석 결과

비용, 편익 분석을 근거로 8년차까지의 B/C ratio를 계산하였다. 본 시스템은 10년 이상의 장기간 사용을 전제하는 장치로, 시공 후 8년차에 B/C ratio가 1 이상을 보이며 장기간 유지할수록 경제적 기대효과는 더욱 증대될 것으로 기대된다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1) 오염물질이 공간 전체로 확산하기 이전, 배출원 인근에서 직접 포집하는 구조를 통해 동일한 제거 효과를 얻기 위해 요구되는 배풍량 및 시간을 줄일 수 있다.

2) 오염 농도의 단시간 피크에 즉각 대응할 수 있다.

3) 초음파 센서와 농도 센서를 연동한 자동 제어로 오염도가 높은 구역만 선택적으로 가동할 수 있어 불필요한 운전을 줄이고 전력을 절감할 수 있다.

사회적 기대효과

1) 시민의 오염물질 노출을 근원적으로 차단하여 호흡기 질환 예방에 기여할 수 있다.

2) 사후가 아닌 사전에 고농도 노출 상황을 방지하는 방향의 설계로 기존 환기 방식의 한계를 보완하고 오염물질 집중 배출 기간에 효과적으로 대응하여 지하주차장 환경을 개선할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

QFD

QFD(Quality Function Deployment) 분석에서 고객 요구 품질과 기술 특성을 매핑한 결과, '포집 성능'이 최우선 과제로 도출되었다.

개념설계안

설계 흐름도

본 개념 설계는 차량 감지, 오염물질 포집, 자동 제어, 환기 효율 평가 체계로 구축하였다. 따라서 작동 기준을 설정하고 포집 속도를 충족하는 흡기 장치를 설계하였다. 
또한 차량을 인식하면 즉시 시스템을 작동시켜 오염물질 저감에 따른 환기 효율을 평가하였다.

포집 장치 배치

자동차의 배기가스는 엔진의 압축과 폭발, 배기 과정에서 생성되며, 머플러에서 배출된다. 머플러의 위치는 자동차 종류마다 상이하다. 
기아 자동차 K5의 머플러는 차량의 우측 하단이나 양쪽 하단에 위치하며 현대 자동차 벨로스터의 머플러는 중앙에 위치한다. 
따라서 후면 주차를 가정한 상황에서 배기가스의 포집 장치는 주차라인과 주차블록 사이 양쪽 하단에 배치하도록 한다.

CO 배출 매커니즘 탐구 및 작동 시간 산출

자동차에서의 HC 및 CO 발생 매커니즘은 상단 그림과 같다. 지하주차장에서 자동차는 일반 주행, 주차를 하는 단계인 후면 주행, 그리고 주차했던 자동차에 시동을 거는 단계로서 주행한다. 그 중 주차한 자동차에 시동을 거는 단계에서 타 단계에 비해 더 많은 양의 일산화탄소를 비롯한 오염물질을 배출하게 된다. 그 이유는 자동차에 설치된 촉매 변환기가 불완전 연소에서 발생하는 일산화탄소와 탄화수소, 질소산화물을 변환시키는데 필요한 온도에 달성하는데 시간이 소모되기 때문이다. 특히 여름과 겨울의 온도차가 큰 환경의 경우 계절에 따라 냉간 시동으로 발생하는 오염물질 양의 변화의 폭이 크다. 2013년 캐나다 환경부의 조사 결과 22도에서 영하 18도로 변할 경우 CO를 비롯한 일부 배출가스가 10배 가량 늘어난다는 사실을 발견했다.

2017년 5월 유타 주립 대학교에서는 자동차의 시동 단계를 냉간 시동, 열간 시동, 공회전으로 나누어 CO의 방출 패턴과 그 양에 대해서 보고서를 작성하였다. 이에 따르면 상단 그림과 같이 냉간 시동시 열간 시동에 비해 89%에서 98% 더 많은 CO가 배출되었으며 자동차의 세대에 따라 43초에서 179초까지 다양하게 나타났다. 따라서 환기 장치를 냉간 시동시 일산화탄소가 집중적으로 방출되는 1분~2분 내외에 일산화탄소의 80%를 넘는 농도 변화를 감지하여 작동하게 하는 것이 적절할 것이다.

이론적 계산

포집 속도(V)

포집 속도(V)는 한국산업안전보건공단 산업환기설비 지침에서 제시하는 외부식 하방 흡인형 가스상 물질 제거 속도(0.5m/s)를 적용하였다.

제어 거리(X)

제어 거리(X)는 국내 최대 점유 차량 아반떼의 최저 지상고(0.14m)에 보정계수(1.1, 1.3)를 곱하여 계산하였다.

흡기구 면적(A)

후드 제어거리 이론에서 오염원에서 후드까지 거리가 덕트 직경(상당 직경)의 1.5배 이내일 때 유효한 흡입이 가능하다. 제어 거리가 0.2002m이므로 후드(포집 장치) 직경은 0.2002m ÷ 1.5 = 0.13m 이상이어야 한다. 
따라서 포집 장치 형태를 한 변의 길이가 0.2m인 정사각형으로 가정하여 흡기구 면적(A)을 계산하였다.

포집 배풍량(Q)

한국산업안전보건공단 산업환기설비 지침에서 제시하는 배풍량 식을 적용하였다. 포집 속도, 제어 거리, 흡기구 면적을 대입하여 배풍량을 산정하였다.

설계 제원

상세설계 내용

모식도

화살표 부근 수치는 길이를 나타내는 것으로서 단위는 mm이다.
한 변의 길이가 200mm인 정사각형 포집 장치를 좌우 주차라인에서는 325mm, 후방 주차라인에서는 300mm 거리를 두고자 한다. 
좌우 주차라인에서 325mm 거리를 두는 이유는 포집 장치의 중심을 주차블록 중앙에 맞추기 위함이다. 
후방 주차라인에서 300mm 거리를 두는 이유는 포집 장치 배치 거리에 제시하였다.

포집 장치 배치 거리

주차블록에서 포집 장치까지 배치 거리는 다음과 같이 계산하였다. 
주차블록에서 포집 장치까지 배치 거리 = 1,000mm(차량 뒷바퀴 중심에서 머플러까지 거리) - 320mm(타이어 외경 절반) - 150mm(주차블록 길이) + 70mm(주차블록 상단과 타이어가 겹치는 길이) = 600mm
주차블록 높이 120mm를 고려하면 타이어 반지름 321mm에서 가감된 값은 약 201mm가 된다. 타이어 반지름 321mm를 빗변으로 하는 직각 삼각형에서 피타고라스 정리를 적용하면 밑변은 250.3mm이다. 
타이어 반지름 321mm에서 이 값(250.3mm)을 가감하면 주차블록 상단과 타이어가 겹치는 길이는 약 70mm로 계산된다. 
따라서 후방 주차라인에서 주차블록까지 거리가 900mm이므로 후방 주차라인에서 포집 장치까지 배치 거리는 900mm - 600mm = 300mm이다.

탐지 항목

CO, PM-10, TVOC는 지하 주차장에서 차량 운행으로 발생하는 주 오염물질이다. 따라서 본 설계에서는 세 가지 오염물질을 탐지하여 작동 기준을 설정하였다. 
CO는 핵심 제어 대상 오염물질이며, PM-10과 TVOC는 공기질 평가 지표로도 활용하였다. 차량 유무도 작동 기준으로 설정하며 HC-SR04 센서로 파악하였다.

사용 센서 및 선정 근거

본 회로에서는 오염물질과 차량을 탐지하기 위해 MQ-7, AM1002, HC-SR04 센서를 사용하였다. MQ-7 센서는 시간 변화에 따른 CO 농도 기울기(CO Slope)를 출력한다. 
AM1002 센서는 PM-10 및 TVOC 농도와 온습도를 측정한다. HC-SR04(초음파) 센서는 천장에서 바닥까지 거리(차량 감지 거리)를 측정하여 차량 유무를 파악한다. 
따라서 작동 기준으로서 농도 기준(CO Slope, PM-10, TVOC) 및 차량 감지 거리 기준을 설정하여야 하며 이는 제어 메커니즘에 제시하였다.

제어 메커니즘

제어 메커니즘은 차량 입차 및 출차 상황에 따라 상이한 기준을 적용한다. 입차 시에는 HC-SR04 센서로 거리를 감지하여 차량 감지 거리가 25 cm 이하일 경우 포집 장치(FAN)를 가동한다. 
반면, 출차 시에는 MQ-7 및 AM1002 센서를 활용하여 차량 오염물질 배출에 따른 농도 기준을 적용한다. CO Slope가 6 이상 또는 PM-10 농도가 200 μg/m³이상 또는 TVOC 농도가 1,000 μg/m³이상 중 하나라도 충족할 경우 FAN이 작동한다. 
또한 FAN의 최소 작동 시간은 1분으로 설정하였는데, 이는 유타 주립 대학교의 공회전 배출 특성 연구(Martin, 2017)에서 냉간 시동(Cold Start) 직후 0~60초 사이에 CO가 고농도로 배출된다는 보고에 근거하였다. 
FAN이 1분간 가동된 이후에는 공기질 개선 여부를 판단하고, 농도 기준 이하이면 FAN 작동을 중단한다.

통합 회로

통합 회로는 설정된 기준에 따라 FAN이 1분 이상 작동하도록 구현하였다. 또한 Relay Module을 사용하여 가동부 FAN을 센서와 연결하였다.

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 ====CO 배출 매커니즘 탐구 및 작동 시간 산출====
+[[파일:MQ7 작동 매커니즘.png]]
+자동차에서의 HC 및 CO 발생 매커니즘은 상단 그림과 같다. 지하주차장에서 자동차는 일반 주행, 주차를 하는 단계인 후면 주행, 그리고 주차했던 자동차에 시동을 거는 단계로서 주행한다. 그 중 주차한 자동차에 시동을 거는 단계에서 타 단계에 비해 더 많은 양의 일산화탄소를 비롯한 오염물질을 배출하게 된다. 그 이유는 자동차에 설치된 촉매 변환기가 불완전 연소에서 발생하는 일산화탄소와 탄화수소, 질소산화물을 변환시키는데 필요한 온도에 달성하는데 시간이 소모되기 때문이다. 특히 여름과 겨울의 온도차가 큰 환경의 경우 계절에 따라 냉간 시동으로 발생하는 오염물질 양의 변화의 폭이 크다. 2013년 캐나다 환경부의 조사 결과 22도에서 영하 18도로 변할 경우 CO를 비롯한 일부 배출가스가 10배 가량 늘어난다는 사실을 발견했다.
+[[파일:유타주 CO.png]]
+년 5월 유타 주립 대학교에서는 자동차의 시동 단계를 냉간 시동, 열간 시동, 공회전으로 나누어 CO의 방출 패턴과 그 양에 대해서 보고서를 작성하였다. 이에 따르면 상단 그림과 같이 냉간 시동시 열간 시동에 비해 89%에서 98% 더 많은  CO가 배출되었으며 자동차의 세대에 따라 43초에서 179초까지 다양하게 나타났다. 따라서 환기 장치를 냉간 시동시 일산화탄소가 집중적으로 방출되는 1분~2분 내외에 일산화탄소의 80%를 넘는 농도 변화를 감지하여 작동하게 하는 것이 적절할 것이다.
 ===이론적 계산===