"01분반 방울이득조"의 두 판 사이의 차이
(→구성원 소개) |
(→개발 과제의 배경) |
||
| 45번째 줄: | 45번째 줄: | ||
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. | 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. | ||
| + | |||
[[파일:전력피크.png]] | [[파일:전력피크.png]] | ||
| + | |||
2. 선행 연구를 통한 에어컨 응축수의 활용 방안 | 2. 선행 연구를 통한 에어컨 응축수의 활용 방안 | ||
| 53번째 줄: | 55번째 줄: | ||
「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. | 「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==== | ====개발 과제의 목표 및 내용==== | ||
2025년 12월 22일 (월) 05:02 판
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.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
◇ 관련 기술 현황
1. 응축수 재이용 시스템
2. 재생에너지 + 펌프 시스템
3. 센서 기반 모니터링 시스템
4. 쿨링 포그 시스템
◇ 특허조사 및 특허 전략 분석
1. 응축수 재이용 시스템 관련 특허
2. 재생에너지 + 펌프 시스템 관련 특허
◇ 기술 로드맵
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.
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
◇ SWOT 분석
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 자원 효율화
냉방 응축수 재활용으로 상수 사용량을 절감하며 태양광 에너지로 기기를 구동함으로써 전력 소비 및 탄소배출을 최소화한다.
◇ 모듈화 및 확장 가능성
표준 모듈형 설계로 다양한 캠퍼스에 확장할 수 있으며, 유연성을 통해 다양한 규모와 환경에 맞춤형 적용이 가능하다.
◇ 스마트 운영
수위·온습도 센서 기반 자동제어로 필요 시에만 가동하여 운영 효율을 극대화한다.
사회적 기대 및 파급효과
◇ 정책 연계 효과
정부 보조금과 친환경 시범사업에 참여 가능성이 있으며, ESG 지표와 녹색건축 인증 획득에 기여한다.
◇ 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
내용
설계 사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
내용
향후계획
내용
특허 출원 내용
내용
