"실내쾌적하조"의 두 판 사이의 차이

2020년 12월 14일 (월) 05:55 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 1인가구를 위한 Built-in 환기시스템

영문 : Built-in Ventilation System for Single Household

과제 팀명

실내쾌적하조

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 민**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 박**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 배**

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 이**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

최근 실외뿐만 아니라 실내공기질의 중요성이 대두되면서 실내공기질을 관리하기 위한 여러 기술과 장치가 많이 출시되고 있으며 대표적으로 실내 공기청정기를 예로 들 수 있다. 허나 기존 출시된 실내 공기질을 관 리하는 대부분의 제품들은 외기의 도입으로 실내외의 공기를 순환시키는 것이 아니라 단지 실내의 공기를 순환시키며 공기질을 관리하기 때문에 실질적인 재실자의 쾌적성을 보장해주지 못하고 있는 현실이다. 이러 한 문제를 해결하기 위해 본 과제에서는 “소형가구를 위한 Built-in 자동환기시스템”을 설계하여 전열교환 기를 이용한 환기장치를 구축하고 이를 통해 외부에서 내부로 유입되는 공기의 온습도를 제어함은 물론 미 세먼지 등 대기오염물질을 집진하여 자동으로 실내 공기를 환기시킬 수 있는 장치를 설계하였다. 이번 프로 젝트를 통해 본 설계제품의 전반적인 설계과정을 설명하고, 설계제품을 구성하고 있는 장치들의 원리와 역 할에 대해 자세하게 설명하겠다. 아울러 이 장치가 시장에 출시되었을 때의 가능성에 대해 분석해봄으로써 설계 완료된 제품의 시장 가치를 객관적으로 판단하여 최종적으로 올바른 설계가 진행되었는지 판단해보도 록 하겠다.

개발 과제의 배경 및 효과

(1) 실내공기질의 중요성

◇ 도시의 생활양식과 직장인의 근무양식의 큰 변화로 인해 현대인은 약 80~90% 이상의 시간을 실내에서 영위한다. 또한 실내에서 발생하는 다양한 오염물질 때문에 “빌딩증후군(Sick Building Syndrome)” 및 “화 학물질과 민증(Multi-Chemical Sensitivity)” 등에 대한 질환을 호소하게 됨으로써 실내공기 환경에 대한 인식이 새로운 사회적 관심사로 부각되었다.

◇ 도시화는 가장 큰 세계적 동향으로 앞으로도 꾸준히 실내공기 환경이 중요한 이슈가 될 것이다.

◇ 2020년 1월부터 발생한 ‘코로나-19 바이러스’로 인해 외부 활동이 제한됨에 따라 재택근무, 재택수업 등으 로 실내공기질이 더욱 중요하게 되었다.

(2) 국내 1인 가구의 비중과 실내공기질

◇ 2019년 총 가구는 2,089만 가구로 2018년에 비해 39만 가구(1.9%)가 증가했다. 총 가구에서 1인 가구의 비율은 30.2%로 가장 높은 비율을 차지했으며, 2인 가구가 27.8%로 그 뒤를 기록했다. 1인 가구의 활용공 간이 비교적 협소하여 실내공기질을 제어해줄 수 있는 제품을 들이는 것이 어렵다.

◇ 한 기사에 따르면 전국 1만 6220가구를 대상으로 실내공기질을 조사한 결과 1인 가구가 47.7㎍/m3로 미 세먼지 농도가 가장 높았으며 그 뒤를 노인가구 37.7㎍/m3가 차지했다. 이는 세계보건기구(WHO)의 미세먼 지 연간 권고 기준 20㎍/m3의 2배 정도이다. 이는 환기를 지속적으로 하지 못함으로 인한 실내공기질 오염 이라 볼 수 있다.

(3) 환기 필요성과 쾌적성

◇ 경기도 파주에 위치한 유명 커피 브랜드 S사 가게 내부에서 확진자의 비말이 에어컨을 통해 실내공간을 순환하게 되면서 다수의 확진자가 발생하였고, 이로 인해 환기의 중요성이 강조되었다.

◇ 1인 가구 환기의 경우 날씨가 추운 겨울철 환기를 통해서 실내 열부하를 떨어뜨리기 때문에 환기를 잘 하 지 않아 심각하다.

◇ 기존 공기청정기의 경우, 실내공기에 있는 공기를 순환시켜주며 실내공기의 미세먼지를 제거해주고 있지만, 외부공기의 도입이 없어 재실자의 호흡으로 인해 발생하는 CO2는 실내공간 안에 계속 축적된다.

◇ ‘건축물의 설비기준 등에 관한 규칙’에서 100세대 이상의 공동주택의 경우 시간당 0.5회의 환기가 이루어질 수 있도록 자연환기 설비 또는 기계환기 설비를 설치하도록 규정했다. 하지만 대부분의 1인 가구가 거주하는 곳은 원룸, 단독주택 등의 100세대 미만의 주택이 대부분이다. 따라서 법령을 지킬 필요가 없어 건축물을 설치할 때 환기설비를 갖출 필요가 없다. 이로 인해서 1인 가구의 실내공기질 개선 방안이 필요하다.

(4) 소형 가구를 위한 Built-in Air-condition System 제품 개발 효과

◇ 실내공기질 제어를 실내공기 순환이 아닌 외부공기를 도입함으로써 기존 난방장치 및 실내 공기청정기가 해결하지 못한 재실자의 쾌적함을 유지한다.

◇ 난방기능의 탑재를 통해 겨울철에도 환기를 통해 실내공간을 쾌적하게 유지시켜줄 수 있다.

◇ 공기질 제어기기를 건물 안에 내장시킴으로써 재실자의 생활 활용공간을 넓힐 수 있다.

◇ 1인 가구에서의 실내공기질을 개선함으로써 1년 365일 안전하고 쾌적한 실내 활동이 가능하다.

개발 과제의 목표와 내용

◇ 1인 가구 기준 계절별 적정 온도, 습도, 미세먼지 등 기준의 선정

◇ 해당 기준에 따른 통한 실내공기질의 올바른 평가

◇ 난방 및 정화장치의 소형화

◇ 기준에 따른 제품의 설계 및 평가

◇ 선정 기준 달성 유무 및 필요 동력 산출

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

(1) 환기를 통한 실내쾌적성 보장

기존 장치들과 같이 실내공기를 순환시키는 것이 아니라 외부공기를 도입하면서 동시에 온도 및 습도 제 어를 통해 재실자의 쾌적성을 보장한다. 또한 난방기능을 이 장치에 탑재하여 환기가 어려운 동절기에 실내 공간을 환기할 수 있도록 한다.

(2) 난방 시 보일러 배관 열회수 가능

동절기 때 가구별 보일러를 가동할 때 배관에 흐르는 온수의 열을 회수하여 이를 system 전열교환기에 전달하도록 해서 급기된 외기의 온도를 높여 실내공간으로 유입되는 공기의 온도를 높여줄 수 있다.

(3) 좁은 1인 가구의 생활공간 창출

난방이 가능한 환기장치를 건물 외벽에 내장하기 때문에 좁은 1인 가구 내에서 에어컨, 공기청정기 등 기 존 장치들이 실내에서 차지하고 있던 공간을 창출하여 재실자의 활용공간을 넓혀줄 수 있다.

경제적 및 사회적 파급효과

(1) 경제적 효과

경제성 분석을 위한 B/C 분석에서 위에서 산정한 편익(Benefits)과 비용(Costs)을 통해 비율을 계산해 보 았을 때, 이 장치를 도입한 초기에는 1년 동안 운영했을 때는 초기 개발비 및 설치비가 높기에 B/C ratio = 0.61 이 나오지만, 4년 동안 운영했을 때는 편익이 비용을 넘기며 기대수명을 10년으로 가정하였을 때 B/C ratio = 1.71 이 나오며 경제적으로 효과가 있다는 결론이 도출되었다.

(2) 사회적 파급효과

2019년 통계청 자료에 의하면, 현재 우리나라 1인 가구의 비율은 30.2%, 2인 가구의 비율은 27.8%로 소 형 가구가 전체의 60%를 차지하고 있고, 이 수치는 계속해서 증가할 것으로 예상된다. 현재 1인 가구에서 환기를 하게 될 경우, 기존 난방장치로 유지하려고 하는 온도 및 습도 제어가 어려워 환기를 하지 않는 경 향이 있다. 이 부분을 해결하여 늘어나고 있는 1인 가구의 쾌적도 개선에 큰 역할을 할 수 있다.

구성원 및 추진체계

가. 개발 일정

종합설계 단계별 세부개발 내용 및 개발기간

나. 구성원 및 추진체계

◇ 민경호 : 팀장, 아두이노 프로그램 코딩, 설계 운영비 관리

◇ 박우성 : 사전 기술 현황 조사, 경제성 분석

◇ 배정현 : 3D CAD, 기기 프로토타입 제작

◇ 이재신 : 설문조사, 특허출원, 설계 자문

설계

설계사양

가. 제품 요구사항

제품요구사항

제품 요구사항에 대한 설명

우리가 설계하려는 장치의 궁극적인 목적은 환기를 하는 동시에 온·습도를 제어하는 것이다. 따라서 장치가 실내공간을 환기할 수 있는 능력과 온도 및 습도를 제어할 수 있는 능력을 기술적 항목에서 가장 중요한 요 구사항으로 설정하였다. 또한 장치에 미세먼지 필터를 도입하여 외부에서 내부로 유입될 때 미세먼지를 집진 하여 깨끗한 공기를 실내공간에 급기하는 것을 요구사항으로 설정하였다. 이번 장치에서 사용하려는 전열교 환소자(펄프)의 전열교환 능력에 따라 경제성 및 효율성 부분에 영향을 미치기 때문에 이 또한 중요한 요구사 항으로 고려하였다. 이 외 관련된 유사 제품들과의 경쟁력을 위해 장치의 경제성 및 효율성이 보장되어야 하 고 제품을 사용하려는 고객이 이해하고 이를 운전하는데 어려움이 없어야 하기에 두 가지 사항 모두 제품의 요구사항으로 추가하였다.

나. 목적계통도

“1인 가구를 위한 Built-in Air Control System” 목적계통도

일반적인 장치의 목적을 고객의 입장에서 고려할 때, 장치에 대해 크게 3가지 항목(기능성, 경제성, 안정성)으 로 목적을 나눌 수 있다. 기능성 부분에서는 우리가 설계하려는 장치가 어떠한 기술을 이용하여 고객에게 어 떤 것을 제공하려고 하는지, 경제성 부분에서는 고객이 이 장치를 구매하고 운전하는데 부담이 없는지, 안정성 부분에서는 장치의 내구성 및 안정성을 확보하여 고객이 장치의 고장이나 파손으로 인해 물질적, 정신적으로 피해를 입지 않는지에 대해서이다. 따라서 우리는 위와 같이 장치의 목적별 고려해야 할 사항에 대해 작성하 였다.

다. QFD(Quality Function Deployment)

“1인 가구를 위한 Built-in 환기시스템” QFD

(1) QFD 도식과정

Step 1. 고객의 요구사항

- 주 고객은 1인 가구 건물주이지만 실질적인 사용자는 1인 가구에서 거주하는 재실자이다. 해당 고객 층에 적합한 요구사항에 대해 고려해보았다.

Step 2. 중요도

- 각 요구사항 별 중요도를 1부터 3까지로 설정하여 점수가 클수록 중요도가 높다고 나타낸다. 앞서 제 시한 제품 요구사항이 고객의 요구사항과 부합하는 부분에서는 높게 산정하였고 이외의 고객의 편의 적인 부분에 대해서는 임의로 산정하여 중요도를 표시하였다.

Step 3. 설계변수 설정

- 설계하려는 장치를 위해 설정해야 할 설계변수를 작성한다.

Step 4. 고객의 요구사항과 설계변수와의 관계

- 앞서 고려한 고객의 요구사항에 대해 설계변수와의 관계를 나타낸다.

Step 5. 설계변수 간의 관계

- 장치 설계에 있어 필요한 인자들 간에 관계에 대해 고려하여 이를 나타낸다.

(2) QFD 상관관계

1) [제품 요구사항-설계변수] 간 상관관계

① 환기 수행능력 : 환기 수행 능력에서 가장 중요한 것은 팬을 통해서 얼마나 많은 양의 외기가 내부로 도 입되는지의 양이다. 따라서 이와 가장 연관성이 많은 송풍량을 가장 높다고 표시하였고, 송풍량의 인자들 로 사용되는 팬의 동력과 직경을 그 다음으로 높다고 나타내었다.

② 온·습도 제어능력 : 장치의 온·습도 제어능력에 가장 큰 연관이 있는 변수는 장치의 전열교환효율이다. 전열교환효율이 높을수록 온·습도 제어능력이 높기에 가장 높은 상관관계에 있다고 표시하였고, 외기의 도 입량이 많을수록 온·습도 제어능력이 떨어지고 펄프가 위치하는 장치의 길이가 길수록 긴 시간동안 전열 교환이 이루어지기에 이 두 항목도 상관관계가 있다고 말할 수 있다.

③ 미세먼지 집진능력 : 같은 부피에 포함된 미세먼지의 양이 같다고 가정하였을 때, 외기가 도입되는 송풍 량이 많을수록 장치를 통해 집진되는 미세먼지의 양이 많아지게 된다. 그리고 미세먼지의 집진량이 많아 질수록 여과속도가 빨라져 필터 교체주기에도 영향을 미친다.

④ 가격 및 유지비용의 적절성 : 장치의 대표적인 비용으로는 초기시공비용과 유지비(전력비 및 필터 교체 비)가 있다. 팬의 직경과 장치 길이가 커질수록 초기시공비가 많이 들어가고, 팬의 동력은 소요되는 전력, 여과속도는 필터 교체비용과 상관관계가 있다.

⑤ 내구성 및 안정성 : 팬의 동력, 송풍량이 커지게 되면 장치의 안정성을 떨어뜨릴 수 있다. 그리고 직경과 길이가 커지게 될 경우, 장치의 크기가 확장되어 이에 대한 내구성도 고려해야 한다.

⑥ 장치 크기의 적절성 : 장치 크기에는 팬의 직경과 장치의 길이가 큰 상관관계를 가지게 된다. 두 항목 모 두 장치의 크기와 정비례 관계를 가지고 있다.

⑦ 운전 조작의 용이성 : 우리가 지정한 설계변수와 뚜렷한 상관관계가 없다고 판단하였다.

2) [설계변수-설계변수] 간 상관관계

① 팬의 동력 : 팬의 동력은 송풍량과 큰 상관관계를 가지고 있고, 동력을 통해 산정되는 송풍량을 통해 미 세먼지의 여과속도와 도입되는 외기와 내부공간의 내기와의 전열교환이 이루어지기에 두 가지 항목이 동 력과 상관관계에 있다.

② 팬의 직경 : 팬의 동력이 같을 때, 직경이 커질수록 송풍량이 많아지기에 큰 상관관계를 가지고 있다. 팬 의 동력과 마찬가지로 송풍량의 변수로 쓰이기에 팬의 동력과 같이 여과속도와 전열교환 효율과 상관관계 를 가지게 된다.

③ 송풍량 : 팬의 동력이 클수록, 직경이 클수록 송풍량이 커지게 된다. 송풍량이 커질수록 집진되는 미세먼 지의 양이 많아지고 외기와 내기의 전열교환 효율도 영향을 주기에 여과속도와 전열교환 효율과 상관관게 를 가진다.

④ 여과 속도 : 여과속도는 전열교환 효율과 장치의 길이와는 뚜렷한 상관관계를 가지지 않는다.

⑤ 전열교환 효율 : 전열교환이 이루어지는 전열교환 펄프의 길이가 길어질수록 외기와 내기가 접촉하는 길 이가 길어지게 되어 그만큼 전열교환 효율이 늘어나게 된다. 따라서 전열교환 효율은 장치의 길이와 상관 관계에 있다.

개념설계안

◇ 1인 가구에 거주하는 신축 원룸 혹은 기 건축된 건물을 제품의 주요 고객으로 잡은 상황에서 제품의 기능적 인 요소 뿐만 아니라 상업성도 고려한 결과 냉방장치를 최종적으로 전체 설계품목에서 제거하게 되었다. 기 건축된 건물에는 에어컨 등의 냉방장치가 이미 설치된 곳이 많아 본 설계 제품을 구매 시 냉방기능이 투자되 는 비용에 비해 생산해내는 이익이 없어 상업성이 없다고 판단하였으며, 신축 건물에 경우 건설업자 혹은 건 물주가 에어컨을 포함한 실내장치를 설치하기 위한 장치 구매 시 브랜드가치가 더 높은 기성 제품보다 본 설 계제품의 경쟁력이 떨어진다고 판단하여 냉방기능 없이 난방과 자동적인 환기 기능에 중점을 두어 장치를 설 계하게 되었다.

◇ 냉방장치의 제거 이외에는 구조 및 기능이 기존과 동일하며 내부 전열교환기로 유입되는 외기의 온도와 습 도를 제어하고, 중간에 설치된 필터로 미세먼지 등의 대기오염물질을 집진하는 역할을 수행하게 한다. 설계품 중간체에 전열교환기 부분은 반대로 교차되는 다수의 관을 원통형으로 합쳐 급기와 배기가 동시에 이뤄지는 구조로 설계하였으며, 원통형 양 끝에는 송풍장치를 설치해 실내 환기에 필요한 송풍량을 얻어낼 수 있도록 하였다.

◇ 겨울철 환기 시 흡기되는 공기의 온도 조절을 위해 보일러관의 난방수를 사용하며 벽으로 연장하여 설치된 보일러 관을 환기장치 주변을 감싸게 설계해 관을 흐르는 난방수의 열로 흡기되는 외기의 온도를 높이는 역 할을 수행하게 한다.

가. 설계 변수 설정

(1) 송풍량 산정

◇ 본 프로젝트에서 우리가 목표로 하는 소형 환기 시스템의 가장 중요한 부분은 송풍량이다. 내부 환기를 원 활히 진행할 수 있는 유량과 유속을 가진 팬을 기기에 장착함으로서 1인 가구 내 공기 순환 효율을 높일 수 있다. 해당 과정에서 우리는 기존에 존재하는 팬이 우리가 필요로 하는 조건들을 충족시키는지 알아보기 위 해 다음과 같은 계산을 진행할 것이다.

◇ [송풍량 산정 계산 과정]

1인 가구의 면적 산출 : (대학가 원룸 가구의 평균 평수 산출) - (화장실 및 가구 부피 제외)

1인 가구의 높이 산출 : 대학가 원룸 가구의 평균 실내 층고 적용

= 해당 과정을 통해 1인 가구 면적 계산

필요 환기 횟수 : 0.5회/hr (공동 주택 및 다중 이용시설의 환기설비 기준)

1인 가구의 경우 별도의 기준이 마련되어 있지 않기 때문에

공동주택 및 다중이용 시설의 환기설비 기준을 따르기로 함. 필터 설치로 인한 환기량 효율 저하 : 65% (H13 필터 기준)

=> 이를 통한 하루 환기 유량 계산 (m3/day)

◇ 해당 과정에서 산출된 환기 유량은 팬의 선정 기준에서 CMH의 단위로 활용 가능하다. 이를 통해 적합한 팬 의 날개 수, 각도를 산정하여 적절 송풍량을 도출할 수 있다.

(2) 전열교환기의 열효율 산정

◇ 전열교환기는 기계 내부에 전열막을 통하여 열을 전도 형태로 통과시켜 교환한다. 전열교환기의 열교환효율 은 내부에 사용되는 펄프 소재에 따라 값이 변하게 되며, 전열교환기의 열효율을 정량적으로 판단하기 위해 서는 전열교환기 내부에 펄프소재를 분석하여야 한다.

◇ 전열교환기의 열교환 효율을 측정하기 위해서는 온도교환효율과 습도교환효율, 엔탈피 교환효율을 포함한 전열교환효율을 계산하여야 한다. 각 효율은 외기, 급기, 환기 시에 온도와 습도, 엔탈피 등의 요소들로부터 계산 값을 구할 수 있으며 그 식은 아래와 같다.

◇ 위 식으로부터 전열교환기의 열교환 효율을 측정하기 위한 실험에서의 실내외 온습도는 “고효율 기자재 보 급촉진에 관한 규정의 폐열회수형 환기장치의 인증기술 기준 및 측정방법”의 시험조건을 인용하여 설계모델 에 사용되는 펄프 특성에 따른 전열교환기의 열교환 효율을 알 수 있다. 이를 통해 냉난방조건에서의 열회수 효율과 엔탈피 효율을 정량적으로 분석해 설계모델의 온습도 제어능력을 판단하고 냉방장치 혹은 난방장치 가동 시 필요한 전력량을 분석하여 설계제품의 요구 동력을 산정할 수 있다.

(3) 미세먼지 집진능력 및 필터 교체주기

◇ 1인 가구를 위한 환기 시스템 운영 과정에서 가장 중요한 부분 중 하나는 미세먼지를 집진하는 필터의 역할 이다. 실외 공기의 실내 유입 과정에서 필터를 운용함으로서 전열 교환기 내부 효율을 증가시킬 수 있고, 기 기의 수명을 연장시킬 수 있다. 미세먼지의 집진 능력은 일반적인 가구에서 운용되는 공기청정기의 성능을 구사할 수 있는 것으로 선정하였다. 헤파필터는 PM 2.5의 초미세먼지도 걸러낼 수 있는 능력이 있으며 H10~14까지의 등급이 있다. 본 설계에서는 0.3㎛ 이상의 입자에 대해 99.75% 이상의 포집능력 효율을 띄는 H13 헤파필터를 미세먼지 집진을 위하여 사용할 계획이다. 미세먼지 집진을 위한 필터 설치 과정에서 장치 사이의 유격 등의 문제로 인해 필터효율이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 우리는 해당 과정에서 필터를 플라스틱 틀로 감싸 유격을 최소화하고 별도의 필터 효율 검사를 실시함으로써 효율을 최대화하기로 하였다.

◇ 미세먼지 필터의 교체주기는 실험값을 통하여 산출하는 것이 일반적이다. 필터 개발 과정에 있어 해당 필터 의 효율이 일정 수준이하로 떨어지는 시점을 기준으로 제조사별 교체 주기를 설정하는데, 이는 최단 6개월에 서 최장 2년까지 상황에 따라 다양하다. 해당 변수를 위하여 상황별 미세먼지 필터의 측정값을 알아보고자 하였지만 별도의 실험값을 찾지 못하여, 원룸의 환경을 가정하고 이릍 통해 미세먼지 교체주기를 산정하고자 한다. 미세먼지 필터 교체 주기의 가장 대표적인 영향 요인은 필터의 작동 환경이며 우리가 설계하고자 하는 제품은 외기를 계속해서 마주한다는 점에서 최단 권장기간인 6개월을 사용하는 것으로 결정하였다.

(3) 최적의 설치 위치

◇ 1인 가구에서 이루어지는 환기는 대부분이 창문을 통하여 이루어진다. 건물 내 낮은 층고로 인해 별도의 천 장 매립형 또는 바닥 매립형 환기장치의 설치가 어려우며, 비교적 크지 않은 방의 부피를 고려하기 때문이다. 우리가 목표로 하는 환기장치는 여름철과 겨울철에 각각 실내 대기와 비슷한 온도로 외부 대기를 갖고 와서순환시키는 것이다. 즉, 따뜻하거나 시원한 공기가 원룸 내에 고르게 퍼져나가야 하며 그렇기에 천장 또는 바 닥과 같이 어느 한 쪽에 가까운 것이 아닌 중간의 위치에서 설치를 진행하고자 한다.

◇ 현재 예상 중인 설치 위치는 성인이 쉽게 접근할 수 있는 높이이며, 리모컨 등 원격 조종장치의 작동이 원 활히 일어나는 곳이다. 이 과정에서 필터 및 내부 장치들의 교체를 위한 접근성도 고려하였다. 또, 외부 대기 를 원활히 공급 받을 수 있게 하기 위해 창문 옆에 타공을 실시하여 기기를 설비하는 것으로 설계하였다. 이 러한 요인들을 통하여 최적의 설치 위치를 결정할 것이다.

나. 제품 소재 선정

- 우리는 설계할 장치의 기본 소재로 플라스틱의 한 종류인 HDPE(고밀도 폴리에틸렌)를 선정하였다.

[HDPE의 특성]

① HDPE는 내열성, 내구성, 차음성이 매우 좋은 플라스틱의 한 소재이다.

② 겨울철 운전 시 보일러관이 장치를 감싸도록 하여 폐열을 이용하기에 열전도성이 있는 재질을 필요로 하 였는데, HDPE의 경우 현재 많은 난방기의 열전도성 물질로 사용되고 있는 알루미늄 열전도율의 절반 정 도의 열전도율을 가지고 있어 전열교환기에 열이 전달되는데 도움을 줄 것으로 판단하였다.

③ 환경호르몬이 검출되지 않는 무독성 친환경 플라스틱이기에 장치를 사용하는 고객들이 느낄 수 있는 불 안함을 해소할 수 있다고 판단하였다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

가. 전열교환기의 열효율 산정

◇ 전열교환기는 기계 내부에 전열막을 통하여 열을 전도 형태로 통과시켜 교환한다. 전열교환기의 열교환효율 은 내부에 사용되는 펄프 소재에 따라 값이 변하게 되며, 전열교환기의 열효율을 정량적으로 판단하기 위해 서는 전열교환기 내부에 펄프소재를 분석하여야 한다. 설계 모델에 사용되는 전열교환기 펄프 소재의 요소별 값은 아래와 같다.

◇ 전열막의 투과성능은 접시상부에 전열막을 설치해 일정 시간 후에 증가한 중량을 측정하는 중량법으로 알 수 있으며, 본 설계품에 사용되는 펄프의 투습도는 4046 으로 산정하였다. 이에 더해서 전열교환기 의 전열막은 급기와 배기의 혼합이 잘 이루어지지 않을 때 효율적인 전열교환이 이루어지게 되므로 펄프의 기체투과성을 측정하여 전열교환기의 열교환효율을 산정하였다. 펄프의 기체투과성은 일정 압력차에 일정 부 피의 공기가 단면적을 통과하는 시간을 측정하는 Gurley법을 사용해 측정할 수 있으며, 본 설계 모델에 사용 되는 펄프의 기체투과성은 106sec으로 산정하였다. 전열교환기의 열교환 효율을 측정하기 위해서는 온도교환효율과 습도교환효율, 엔탈피 교환효율을 포함한 전열교환효율을 계산하여야 한다. 각 효율은 외기, 급기, 환 기 시에 온도와 습도, 엔탈피 등의 요소들로부터 계산 값을 구할 수 있으며 그 식은 아래와 같다.

◇ 본 설계에 사용된 펄프 특성에 기반한 실험된 데이터를 이용하여 얻은 열회수효율 상관관계식과 엔탈피 효 율은 아래 표2와 같이 나타낼 수 있다. 이 실험에서의 실내외 온습도는 “고효율 기자재 보급촉진에 관한 규 정의 폐열회수형 환기장치의 인증기술 기준 및 측정방법”의 시험조건을 따랐으며 실험조건은 표1과 같다.

◇ 위의 상관관계식으로부터 얻은 열회수효율과 엔탈피효율을 토대로 겨울철 난방 효율을 계산하기 위해 서울 시의 최한월 평균기온인 -2.4도, 겨울철 평균습도 60%를 기준으로 하여 설계품을 통해 급기되는 공기의 온 습도 변화를 산정하였다. 산정한 급기 온도와 습도는 아래와 표와 같다.

◇ 난방조건에서 1회 환기 시(2hour, 0.5회/시간) 실내 급기온도는 12.88℃로 가정한 난방조건의 실외온도보다 약 15.28℃ 높게 급기되며, 습도는 실내습도보다 19.23% 높게 급기되는 것을 확인할 수 있다.

나. 난방 시 보일러 온수관을 이용한 난방효율 계산

◇ 보일러온수를 통해 공기의 가열을 계산하기 위해 보일러 온수를 통해 생산되는 열량을 먼저 계산했다. 보일 러온수에 사용되는 물의 온도와 중량값, 비열을 곱하여 산정하였으며, 중량값은 에너지 관리공단의 보일러 및 압력용기 기술규격을 참고하여 보일러관의 두께와 유속을 고려해 시간당 유량을 계산하였다. 또한, 보일러 관 내 온수의 온도는 겨울철 기준 평균 난방수 사용 온도인 80℃로 산정하여 계산하였다.

◇ 보일러 온수를 통해 생성된 열량은 보일러관을 거쳐 전열교환기로 이동되고 전열교환기를 통해 환기되는 공 기를 가열하게 된다. 여기서 보일러관의 열전도율과 전열교환기 소재(펄프)의 열전도율을 이용하여 공기에 가 해지는 열량을 계산해 볼 수 있다.

◇ 배관의 소재는 가정용 보일러로 많이 사용되는 XL배관 즉, PE-Xa PIPE을 가정하여 산정하였으며, 보일러 관이 전열교환기를 감싸는 면적은 설계모델의 규격으로부터 0.19m^2 으로 산정하였다. 해당 관의 열전도율은 0.325kcal/m hr℃ 이며, KSB-1322 기준에 의해 가정용xl배관의 기준 두께는 1.9mm이다. 또한, 전열교환 기 펄프 소재의 열전도율은 0.878kcal/m hr K 에 두께는 52mm이다. Q/t = kA(TH -TL)/L의 식을 이용해 배관과 전열교환기에 전달되는 열량을 아래와 같이 산정해보았다.

위와 같이 보일러 온수로부터 전열교환기 내로 전달되는 열량은 39.84kcal이다.

◇ 난방기준 급기되는 공기의 온도는 전열교환을 통해 12.88℃ 이다. 공기의 밀도는 해당 온도에서 1.228 이고 송풍량은 1인 가구 기준 1시간에 0.5회 환기 시 시간당 26.75m^3 이므로 시간 당 급기되는 공기의 양은 32.85kg이다. 공기의 비열은 이므로 전열교환기를 통과하는 공기의 온도변화 는 +5.05℃ 이 다.

◇ 따라서 겨울철 실외공기 -2.4℃ 기준 설계모델을 활용해 환기를 할 때 급기되는 공기의 온도는 전열교환기 를 통해 12.88℃ 로 올라가고 이에 더해 보일러 온수관을 통한 난방으로 17.93℃ 까지 온도를 올려 환기시킬 수 있다.

다. Fan 설계 및 송풍량 산정

(1) 송풍량 산정

◇ 시간 당 0.5회의 환기를 시키기 위해서는 원룸의 부피인 53.5m^3 의 1/2배에 해당하는 26.75 의 풍량을 1 시간에 송풍 해야한다. 하지만, 설계모델에는 미세먼지 등의 대기오염물질을 집진하는 필터가 설치되므로 이 로 인한 환기량 효율의 저하도 생각해야한다. 환기량 효율은 설계 제품에 사용되는 H13기준 65%로 효율이 저하된다. 따라서 기준을 충족하기 위해서는 시간당 41.15m^3 의 송풍량이 필요하다. 이러한 송풍량을 얻기 위 해서 필요한 팬의 속도는 아래 식으로 산정할 수 있다.

팬회전속도(v) = 송풍량(Q)/팬면적(A)

◇ 팬의 면적(A)은 설계제품의 직경 200mm으로 계산하면 0.0314m^2 이며, 위에서 계산한 필요송풍량 41.15m^3 을 이용해 분당 필요한 팬의 회전속도를 구할 수 있다.

팬회전속도(v) 41.15m^3/hr/0.0314m^2= 0.365m/sec

◇ 따라서 직경 200mm, 회전속도 0.365m/sec를 가지는 소형팬을 전열교환기 전면부와 후면부에 부착하여 53.5m^3 부피에 시간당 0.5회 환기를 시키는 기준에 적합하게 환기량을 얻어낼 수 있다.

(2) Fan 설계 및 동력 산정

◇ 위의 송풍량 산정에서 산출한 값에 따라 팬이 송출해야하는 풍량은 41.15m^3/hr이다. 이 값은 계절별 온도 와 무관하게 산출된 값(기준 상태의 유량)으로 기준 상태와 표준 상태의 흡입 풍량을 구하는 식에 따라 계산 시 다음과 같은 값이 나오게 된다. (아래 계산에서의 대입 온도는 여름철과 겨울철 실내 권장 온도로 각각 22℃, 24℃를 사용하였다.)

◇ 이를 유량-유속 관계식(Q=AV)에 넣어서 계산할 경우 다음과 같은 유속을 구할 수 있다.

- 22℃ 표준 상태 유속 ≒ 0.369m/s / 24℃ 표준 상태 유량 ≒ 0.372m/s

◇ 해당 값들을 팬의 동압(Dynamic Pressure) 계산식에 대입하여 본 설계에서 사용하고자 하는 팬의 전압 (Total Pressure)을 계산한다. 본 계산에서 팬의 정압은 100Pa로 설정하였다. (팬의 동압(Pd)은 50mmAq (약 30m/s)를 넘지 않는 것이 적당함.) - Pt = Pd + Ps (전압 = 동압 + 정압)

계산 결과 정압이 10.2mmAq로 계산되었으며, 동압이 그에 비해 무시할 수 있을 정도로 작아 설계 대상 팬의 전압(Pt)을 10.2mmAq로 설정하였다.

◇ 위의 과정을 거쳐 계산된 정압으로 동력을 계산하였다. 축 동력 계산식을 사용하였으며 송풍기 효율은 70% 로 설정하였다. 송풍기의 효율은 국내 Fan Maker의 기종별 효율표를 참고하여 평균치를 나타내는 70%로 정 하였다.

계산 결과 1.66~1.67W의 값이 산출되었다. 즉, 본 설계에서 필요한 동력이 위와 같다는 것이며, 기기의 운영 과정에서 팬의 효율 저하가 발생함으로 팬의 효율을 70% 가정하였을 때 1.67W * (100/70) ≒ 2.39W의 값이 계산된다. 따라서 제품의 운영을 위해 최소 2.39W의 동력을 가진 팬의 제작이 필요하다.

라. 필터 집진효율 및 필터 성능지수

◇ 설계제품의 환기 기능에서 중요한 요소 중 하나는 미세먼지를 집진하는 역할이다. 본 제품의 미세먼지는 필 터를 사용하여 집진하며, H13등급의 헤파필터를 사용하였다. H13등급의 헤파필터는0.3마이크로미터 이상의 입자에 대해 99.75% 이상의 포집효율을 보여준다. 집진효율을 계산하기 위해 외기의 미세먼지 농도를 pM 10과 pM 2.5로 나누어 가정하였으며, 가정값은 2000~2012년 서울시의 평균 pm10 미세먼지 농도인 58.93마이크로미터퍼미터세제곱 , 2006~2012년의 평균 pm2.5 미세먼지 농도인 26.15마이크로미터퍼미터세제곱 으로 설정하여 집진 효율을 산정해보았 다.

◇ 제품 한 대의 1일 환기량은 하루 설정 환기 횟수인 12회(시간당 0.5회)에 방의 부피를 곱해 642 m^3/day/대 로 산정하였으며, 필터 집진 시 발생하는 통기 저항은 기존에 계산 되어있던 H13 등급 헤파필터의 통기저항 값과 식을 토대로 아래와 같이 산정하였다.

◇ 설계 제품 1대의 1일 환기량은 642 m^3/day이며, 이를 분으로 환산하면 0.4458 m^3/min 의 값을 갖는다. 위 의 식에 이 값을 대입하여 통기저항을 계산하면 통기저항은 약 14.58Pa임을 알 수 있다. 위의 두 값을 바탕 으로 설계제품의 이론적인 필터 성능 지수는 다음 식을 통해 산정할 수 있다.

조립도

내용

조립순서

내용

부품도

내용

제어부 및 회로설계

내용

소프트웨어 설계

내용

자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

내용

포스터

내용

특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

내용

완료 작품의 평가

내용

향후평가

내용

부록

참고문헌 및 참고사이트

내용

소프트웨어 프로그램 소스

내용

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 ℃, 24℃를 사용하였다.)
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 ◇ 이를 유량-유속 관계식(Q=AV)에 넣어서 계산할 경우 다음과 같은 유속을 구할 수 있다.
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 (약 30m/s)를 넘지 않는 것이 적당함.) - Pt = Pd + Ps (전압 = 동압 + 정압)
+[[파일:시뮬표12.png]]
 계산 결과 정압이 10.2mmAq로 계산되었으며, 동압이 그에 비해 무시할 수 있을 정도로 작아 설계 대상 팬의