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2021년 12월 15일 (수) 02:59 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 지하철 환기구 미세먼지 저감을 위한 외부 노출형 집진 장치

영문 : The outside exposed dust precipitator to reduce fine dust in subway vents

과제 팀명

GBOT ( God Bless Our Team )

지도교수

이상철 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20*****0** 유**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20*****0** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20*****0** 방**

서울시립대학교 환경공학부 20*****0** 송**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 지하철이 통행하는 지하터널의 미세먼지 농도는 외부 공기와 승강장에 비해 매우 높다. 이러한 고농도 미세먼지는 열차풍에 의해 별도의 정화장치 없이 환기구로 배출되어 시민들의 건강을 위협하고 있다. 이러한 상황을 고려하여 환경부에서는 환풍구로 배출되는 미세먼지를 줄이기 위해 지하터널 내에 양방향 전기집진기를 설치하고 있다. 하지만 이러한 양방향 전기집진기는 지하터널 내부에 설치되어 상대적으로 고농도의 미세먼지를 제거해야 하고, 많은 전력이 필요해 큰 비용이 소요된다는 문제점이 있다.

◇ 이러한 문제를 해결하기 위해 본 설계에서는, 터널 내부의 전체적인 미세먼지를 저감하는 것은 살수차 등 다른 수단에 맡기고, 환기구 외부에 전기집진기를 설치하여, 비교적 저렴하면서 고농도 미세먼지로부터 시민들을 보호할 수 있는 전기집진기를 설계하고자 했다. 더 나아가, 지하터널 내부에 전기집진기를 설치할 여유 공간이 없어, 불가피하게 고농도 미세먼지를 외부로 배출하는 환기구에서도 설비를 설치할 수 있도록 설계했다.

◇ 설계하고자 하는 설비를 통해, 고농도 미세먼지 배출을 저감시켜 미세먼지로 인해 발생하는 질병을 예방하여 시민들의 건강을 보호하고자 하고, 환기구 외부에 저감장치를 설치하여 관리자가 장치를 유지 및 관리하는데 용이하도록 하며, 심미적으로 주위 환경과 잘 어울리도록 디자인하여 시민들이 전기집진기에 대해 거부감을 느끼지 않도록 할 것이다.

개발 과제의 배경

◇ 전 세계적으로 산업화가 급격하게 진행되면서 발생하는 대기오염물질과 미세먼지로 인해 지구가 고통받고 있다. 특히 지하역사 내의 미세먼지는 그 농도가 상대적으로 높다는 지적이 이어지고 있다. 환경부가 수립한 ‘3차 지하역사 5개년 대책(2018~2022년)’에 따르면, 지하 터널의 미세먼지 농도가 일반 대기보다 4~6배, 승강장보다 3~4배 높다는 것을 확인할 수 있다. 하지만 이러한 높은 농도의 미세먼지는 열차풍에 의해 별도의 정화장치 없이 환기구를 통해 외부로 노출되고 있다. 특히 환기구의 유출부가 사람들이 통행하는 인도에 주로 위치하고 있어 시민들의 건강을 위협하고 있다.

◇ 미세먼지는 말 그대로 미세한 크기의 먼지를 말하며 머리카락 굵기의 약 20~30분의 1 크기인 초미세먼지의 경우 입자가 굉장히 작아서 혈액에도 침투해 문제를 일으킬 수 있다. 또한 장시간 노출될 경우 천식과 폐 질환, 심혈관 질환 등 여러 가지 질병을 유발할 수 있으며 결막염 및 각막염, 알레르기성 비염 또한 유발시킬 수 있다. 암 발생 확률도 미세먼지의 흡입 유무에 따라 차이가 확연하기 때문에 미세먼지를 시민들이 흡입하지 않도록 보호하는 것은 굉장히 중요하다고 할 수 있다.

◇ 이러한 문제점들을 정부에서도 인지하였고, 따라서 환경부에서 2022년까지 지하철 731곳에 양방향 전기집진기를 설치할 계획을 발표하였다. 하지만 기존의 설비들은 환기구 내부에 설치함으로 인해 높은 농도의 미세먼지를 제거해야 하는 숙제가 있다. 또한 높은 농도의 미세먼지 제거를 위해 높은 전압이 필요하여 최근 오존 발생 문제 또한 발생하고 있으며, 이외에도 많은 비용을 투자해야한다는 문제가 있다. 한편으로는 관련 사업 예산이 부족하여 계속해서 예산 확보에 대한 필요성이 언급되고 있기 때문에 시민들을 미세먼지로부터 보호하기 위한 새로운 방안이 필요할 것으로 보인다.

◇ 따라서 본 설계에서는 환기구 외부에 비교적 저렴하면서 미세먼지로부터 시민들을 보호할 수 있는, 저비용 고효율의 지하철 환기구용 미세먼지 저감장치를 설계하고자 한다.

◇ 이를 통해 먼저 지하철 본선터널에서 환기구를 통해 대기 중으로 배출되는 미세먼지의 농도를 저감하고자 한다. 이것은 미세먼지로 인해 발생되는 인체의 질병을 예방하여 시민들의 건강을 보호하는 효과를 불러일으킬 것이다. 또한 환기구 외부에 저감장치를 설치하여 관리자의 위험을 최소화하고 환기구 유지관리의 용이성을 높이는 효과를 가져올 것으로 보인다. 이 외에도 단순히 지하 터널에서 발생한 미세먼지가 환기구를 통해 나가는 것만을 저감하기 비교적 적은 비용으로 높은 효율을 발휘할 것으로 기대된다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 본 개발 과제의 목표는 네 가지이다.

첫 번째 목표는 환기구 내부의 미세먼지보다 비교적 저농도인 환기구 외부로 배출되는 미세먼지를 제거하여 저비용 고효율의 미세먼지 저감장치를 개발하는 것이다.

두 번째 목표는 미세먼지 저감장치를 설치함과 동시에 기존 환기구의 환기효율을 저해시키지 않으면서 미세먼지를 저감하는 것에 있다.

세 번째 목표는 미세먼지를 제거한 후 해당 설비를 세척함으로써 발생 가능한 폐수 등을 처리하는 것과 같은 유지관리 상에서 편의성을 갖춘 저감장치를 개발하는 것이다.

네 번째 목표는 시민들이 통행하는 도로 위에 설치되는 만큼 미관성을 저해시키지 않는 디자인으로 개발하는 것이다.

◇ 본 개발 과제를 통해 설계하고자 하는 내용은 크게 3가지로 구분할 수 있다.

첫 번째로 미세먼지를 저감하기 위한 전기집진기의 설치와 유지관리 상의 편의성을 갖춘 설계이다. 전기집진기의 경우 압력손실이 다른 집진장치에 비해 적기 때문에 기존 환기구의 환기효율을 저해시킬 가능성이 줄어든다. 집진 후 집진셀의 세척을 위한 세척노즐은 집진기 상단에 위치시켜 중력에 의해 아래로 떨어지면서 모든 집진셀이 세척이 되도록 하며, 발생 폐수는 하단의 폐수통으로 흐르도록 설계하고자 한다. 폐수통 외부에는 폐수를 제거할 때 사용되는 호스를 부착할 수 있는 구멍을 만들어 관리자가 환기구 외부에서 폐수를 처리할 수 있도록 하여 유지관리상의 편의성을 제공하고자 한다.

두 번째로 환기구로 배출되는 공기의 흐름이 한 곳으로 모이도록 하는 경사진 측면부 디자인이다. 환기구로 배출되는 공기는 수직운동을 하게 되므로 중앙에 설치된 전기집진기와 평행하게 운동하게 된다. 이러한 공기의 흐름을 중앙의 전기집진기에 수직으로 유입되게 하기 위해 설비의 측면부를 경사지게 설계하였다. 또한 환기구부터 배출구까지 모두 전기집진기가 설치된다면 비교적 설비의 하단보다는 상단에서 주로 집진이 될 것으로 예상이 되어 하단에는 전기집진기를 제거하고 세척 후 발생되는 폐수를 저장하는 폐수통을 설치하여 비용적인 측면과 효율적인 측면에서 최적화를 도모하였다.

세 번째로 고전압이 이용되기 때문에 발생 가능한 감전사고의 예방과 설비 내부에 이물질이 들어가 발생 가능한 사고를 예방하기 위한 안전장치이다. 전기집진기의 인가전압은 10kV에 해당하는 고전압이기 때문에 애자를 설치하여 설비 외부에서의 감전사고 발생가능성을 제거하였다. 또한 미세먼지가 제거된 공기가 배출되는 배출구에 새와 고양이 같은 동물이나 다른 낙엽과 같은 이물질이 들어가 발생할 수 있는 사고를 예방하기 위해 배출구에 스틸그레이팅을 설치하였다. 또한 설비 주위에 울타리를 설치하여 관리자 외의 접근을 제한하고, 울타리에 식물을 설치하여 미관성 증가와 공기정화의 기능을 제공하고자 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

(1) 여과집진기

여과재로 만들어진 필터를 사용하여, 함진가스가 필터를 통과할 때 가스 내의 분진이 관성충돌, 직접차단, 확산, 중력 및 정전기력 등의 메커니즘을 통하여 여과재에 부착되어 제거되는 집진 방법이다. 여과집진기의 장점은 미세입자에 대한 집진효율이 높고, 여러 가지 형태의 분진을 포집할 수 있으며, 집진율에 비해 시설비 및 유지비가 적게 들고 다양한 용량의 가스를 처리할 수 있다는 것이다. 하지만 여과집진기 설치 시 넓은 설치공간을 필요로 하고, 폭발성, 점착성 분진 제거가 곤란하며, 수분, 여과속도에 적응성이 낮다는 단점이 있다. 또한 여과집진리를 이용한 집진기를 설계할 때에는 온도와 습도, 유입 기체와 분진의 특성을 고려해야한다.

(2) 헤파필터

HEPA(High Efficiency Particulate Air Filter) 필터는 공기 중의 먼지 등을 제거하는 에어필터로 등급에 따라 0.3μm의 입자에 대해 85 ~ 99.9% 이상의 포집능력을 가지며 필터의 여과지는 주로 직경 1 ~ 10μm 이하의 유리 섬유로 되어있다. 헤파필터는 입자의 크기에 따라 섬유조직에 의한 차단 및 충돌, 중력에 의한 입자침강, 입자의 브라운 운동, 정전기력에 의한 흡착 등을 이용하여 입자를 포집한다. 특히, 99.75%의 미세먼지를 제거하는 H13 등급 이상을 트루헤파필터라고 부르기도 한다.

(3) 전기집진기

전기집진기는 정전력을 이용하여 분진 및 mist 등의 입자들을 코로나 방전에 의해 하전시켜 전계에 의해서 집진전극 표면으로 이동 및 포집하는 장치이다. 특히, 정전기력에 의해서 포집하기 때문에 기계적인 집진기술에 비해 입경이 10~20μm보다 작은 입자의 제거에 효과적이다. 먼지의 성상에 따른 영향이 적어서 많은 문제가 일어나지 않고 장기간 운전이 가능하며, 압력손실이 타 집진기에 비해 가장 적어 송풍기에 의한 동력비를 절감할 수 있다. 다만, 설치비용이 크고, 유입 가스의 유량변동에 대한 적응이 곤란하고, 고전압에 대한 안정에 주의가 필요하며, 먼지에 따라 전처리시설을 필요로 하는 경우가 있다는 단점이 있다. 집진성능에 영향을 주는 인자로는 먼지의 전기저항, 가스온도, 가스 중 수분량, 처리가스량, 분진 입자의 직경, 분진농도 등이 있다.

특허조사 및 특허 전략 분석

1. 특허조사

(1) 지하철 환기구 미세먼지 제거장치 (출원번호: 10-2020-0038935, 출원일자: 2020.03.31.)[등록]

종래의 기술들은 지하철 역사나 실내공간에서 발생하는 먼지의 집진효율이 떨어지고 유지보수가 어려운 단점이 있었다. 본 발명은 지하철 환기구 미세먼지 제거장치에 관한 것으로, 지하철 환기구에서 외부로 배출되는 실내 미세먼지를 제거한다. 상기 환기구와 케이스 후방의 유출구가 연결되고, 유입구를 통해 유입된 공기는 모터로 가동되는 흡입팬에 의해 케이스 후방의 유출구를 통해 외부로 배출되고, 유출구에는 걸름수단이 설치되어 있다. 본 발명은 미세먼지 걸름수단인 흡입날개부를 케이스 내부에 설치하여 지하철 환기구에서 외부로 배출되는 실내 미세먼지를 효과적으로, 위생적으로 제거하며, 설치가 편리하며, 유지관리가 편하고, 현저한 효과가 있다. 특허의 특징으로는 상기 케이스의 걸름수단인 흡입날개부 후방에 미세먼지감지센서가 설치되어 측정값을 제어부에 전송하고, 제어부는 설정치와 비교하여 미세먼지 수치가 설정치 이상이면 모터를 가동하며, 미세먼지 수치가 더 높아지면 출력을 높혀 흡입날개의 회전속도를 높이게 된다. 그리고 상기 흡입날개에는 압력감지센서가 설치되어, 압력감지센서의 측정값이 일정치 이상이면 제어부는 흡입날개에서 눈메움현상이 발생한 것으로 보고 관리자가 청소를 하게 경보수단을 동작시켜 알람을 발생시킨다. 동시에 구동 펌프를 작동시켜 흡입날개 후방의 세척노즐로 세척한다. 마지막으로 흡입날개에는 관용의 유해가스 감지센서가 부착되어 유해가스가 설정치 이상 감지되면 신호를 받아드린 제어부는 운전을 일시 중지하고, 환기구 바깥에 설치된 관용의 인감지센서에 행인이 있는지 여부를 판단하여 행인이 있는 경우 접근을 삼가게 경고하며, 일정반경 사람이 없을 경우에만 운전을 하여 환기구를 통해 유해가스를 배출하게 된다. 제어부는 무선통신모듈이 설치되어 관리자의 스마트폰에도 연락을 하여 긴급조치를 취하게 한다.

(2) 지하철 본선용 멀티팬형 급배기 공기정화 환기장치 (출원번호: 1020190106944, 출원일자: 2019.08.30.)[등록]

본 발명은 철도 차량이 이동하는 본선 터널 내의 공기를 급기 및 배기시키는 지하철 본선용 멀티팬형 급배기 공기정화 환기장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수의 플러그 송풍팬을 구성하여 설치 면적을 최소화함으로써 설치 공간에 대한 자유도를 높이고, 특히 각각의 송풍팬이 개별 동작 제어될 수 있도록 하여 요구되는 송풍력에 따라 능동제어를 가능하게 하고, 또한 송풍팬의 정, 역 구동전환 없이도 급배기를 전환시킬 수 있도록 하여 운영의 효율성과 송풍팬의 내구성을 높이고, 급기 시 공기 중에 포함된 여러 오염물질을 제거하여 청정화함과 동시에 화재시 배기측에 미분무수가 분사되도록 하여 화염전파와 복사열을 확산을 억제할 수 있는 지하철 본선용 멀티팬형 급배기 공기정화 환기장치에 관한 것이다.

(3) 지하철 미세먼지 저감을 위한 에너지절약형 오존프리 전기 집진 및 환기시스템 (출원번호: 1020210028963, 출원일자: 2021.03.04.)[등록]

본 발명은 지하철 미세먼지 저감을 위한 에너지절약형 오존프리 전기 집진 및 환기시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소섬유를 방전수단으로 사용하는 전기집진기를 이용하여, 방전수단의 부식으로 인한 오염물질의 발생을 방지하고, 인체에 유해한 오존의 발생을 방지할 수 있으며, 전기집진기의 가변제어를 통해 에너지를 절약하는 지하철 미세먼지 저감을 위한 에너지 절약형 오존프리 전기 집진 및 환기 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 자연 환기 및 강제 환기 중에서 선택 운전될 수 있으면서 강제 환기 시 공기 오염도에 따라 전기집진기가 가변 제어되어 전기 에너지가 절약되는 장점이 있다. 또한, 오존 발생이 적은 탄소섬유를 방전 팁으로 사용하기 때문에 전기집진기를 장시간 가동하더라도 인체에 유해한 오존 발생량이 기존 전기집진기에 비해 상대적으로 적은 장점이 있다.

2. 특허전략

◇ 본 설계 제품은 본선터널 환기구 외부에서 미세먼지를 제거하는 노출형 집진장치라는 점이 기존 특허와의 큰 차이점이다.

◇ 지하철 본선터널에서 발생하여 배출되는 미세먼지를 효과적으로 제거할 수 있는 집진 시스템을 제시한다.

◇ 전기집진기 설비 세척 후 발생되는 폐수를 설비 외부에서 제거할 수 있도록 하여 폐수처리자의 편의성을 최대화한다.

◇ 고전압을 인가하는 설비인 만큼 감전사고를 예방할 수 있는 적정 방안을 모색하여 문제의 해결책을 제시한다.

기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

(1) 주식회사 리트코의 공기정화 전기집진 시스템

이 시스템은 도로 터널 및 지하철 터널에서 배출되는 초미세먼지, 미세먼지를 포집하여 환경을 쾌적하게 유지시킨다. 종류는 양방향과 단방향이 있으며, 양방향은 지하철 본선 터널 환기구에 설치하고, 단방향은 도로 터널 및 지하철 역사 급기구, 배기구에 설치한다. 기기는 집진기 단일셀(대전부 : STS304 / 집진부 : AL5052)이고, 댐퍼부, 세정노즐 및 이송장치, 세정펌프 및 건조장치, 고전압전원장치 및 제어반, 세정수조 및 침전조로 이루어져 있다. 그리고 현재 신기술인증과 성능인증을 취득한 상태이며 수도권 및 광역시 교통공사에 전기 집진 장치를 납품하고 있다.

(2) 주식회사 드웰링의 양방향 전기집진기

터널의 급기구와 배기구를 통해 터널 내 양방향으로 유입되고, 대기로 배출되는 다량의 초미세먼지, 미세먼지 및 유해가스를 전기집진 및 광플라즈마 기술을 이용해 저감시키는 장치이다. 주식회사 드웰링의 양방향 전기집진기 특징은 다음과 같다. 첫 번째로, 지하철 환기방식에 관계없는 양방향 미세먼지 제거기술을 바탕으로 정방향 셀과 플라즈마 발생부, 역방향셀로 전기집진을 한다. 두 번째로, 고풍속과 고풍량에도 90% 이상의 집진효율을 발휘하는 적합한 기술을 가지고 있어, 일부 power pack 고장 시에도 집진설비가 작동하는 분산전원기술이 있다. 세 번째로, 전기집진셀을 개별 모니터링 할 수 있어 유지보수의 편의성을 제공한다. 네 번째로, 미세먼지 뿐만아니라 휘발성 유기화합물 등의 유해가스를 동시에 저감할 수 있는 플라즈마 분해 기술을 가지고 있다. 마지막으로 세정 시 발생할 수 있는 오수를 정화하는 처리장치와 중앙제어가 가능하도록 한 집진장치 제어프로그램을 가지고 있다.

마케팅 전략 제시

SWOT 분석

마케팅 전략을 위해 SWOT 분석을 진행하였다. 내부 환경을 분석하여 강점과 약점을 찾아내었고, 외부환경을 분석하여 기회와 위협을 찾아내었다. 이를 통해 강점과 기회를 최대한 살리고 약점을 보완하여 위협을 회피하는 방향으로 전략을 세우고자 한다.

강점에 대해 간단히 살펴보면 먼저 지하철 본선터널에서 발생하고 외부로 배출되는 미세먼지의 농도를 저감함으로써 발생 가능한 질병을 예방할 수 있다는 점이 있다. 또한 저비용으로 기존 설비 대비 높은 제거효율을 발휘할 수 있고, 환기구 주변의 쓰레기 투기 문제 해결 및 추락 사고를 방지할 수 있다는 장점이 있다.

강점을 활용하여 외부의 기회를 살펴보면 먼저 지하철 환기구 배출 미세먼지 농도 증가로 인한 수요확대가 가능해진다. 또한 공공시설을 대상으로 하기 때문에 정부의 지원이 가능하고, 미세먼지 저감을 위한 국가적 노력이 증가한다는 점이 있다.

하지만 약점을 살펴보면 먼저 외부 배출 미세먼지만 제거 가능하고, 인도에 설치되어 통행에 불편을 야기할 가능성이 존재한다.

또한 위협을 살펴보면 감전사고와 같은 안전성에 대한 시민들의 우려가 존재하고, 새나 고양이, 낙엽 등과 같은 외부 요인으로 인한 파손이 발생할 수 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

(1) 대기오염물질 저감 및 공중보건 향상

지하철이 통행하는 지하터널의 미세먼지 농도는 외부 공기와 승강장에 비해 매우 높다. 이러한 고농도 미세먼지는 정화되지 않은 채 도보에 위치한 환기구로 배출되어 시민들의 건강을 위협한다. 외부 노출형 전기집진기를 통해 고농도의 미세먼지를 저감하고 시민들의 건강을 보호함으로써 공중보건을 향상시킨다.

(2) 외부 노출형 전기집진기를 통해 내부에 전기집진기를 설치할 여유 공간이 없는 환기구

기존의 양방향 전기집진기는 지하터널 내부에 설치되어 지하터널 내 전기집진기를 설치할 여유 공간이 필요했다. 여유 공간이 따로 없는 환기구는 불가피하게 정화시설이 없는 채로 고농도 미세먼지를 배출했다. 이러한 경우에 외부 노출형 전기집진기를 사용한다면 고농도 미세먼지가 정화되지 않은 채 외부에 배출되는 것을 막을 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

(1) 대기오염물질 저감

외부 노출형 전기집진기를 통해 지하철 환기구를 통해 배출되는 미세먼지를 제거한다. 지하철 환기구는 주로 도보에 위치함으로 도보 주변의 미세먼지를 저감하여 시민들이 미세먼지에 대한 걱정 없이 이전보다 쾌적하게 통행할 수 있도록 하여 삶의 질을 향상시킬 것이다.

(2) 시민들의 건강 향상

사람이 고농도 미세먼지에 노출될 경우 폐 및 심장 관련 질환을 얻을 수 있고, 장기간 노출될 경우는 호흡기 질환과 심혈관질환이 중증으로 악화될 위험이 증가한다. 외부 노출형 전기집진기로 지하철 환기구의 미세먼지를 효과적으로 제거한다면 대중교통을 이용하는 시민들의 대기오염에 의한 질병 발생 가능성을 감소시킬 것이다. 이는 이용객들의 건강 손실에 의한 경제적 비용 지불을 줄이는 결과를 가져온다. 즉, 해당 기술을 통해 시민들이 건강한 생활을 지속할 수 있도록 하면 사회 전반에 걸친 경제적 손실도 줄일 수 있을 것이다.

(3) 내부 설치 전기집진기와 비교 시 비용 절감

지하터널 내에 설치되는 양방향 전기집진기는 위치상 상대적으로 고농도의 미세먼지를 제거해야 하고, 많은 전력이 필요해 큰 비용이 소요된다는 문제점이 있으나, 외부 노출형 전기집진기를 설치할 경우 터널 내부의 미세먼지는 살수차 등 다른 수단에 맡기고, 비교적 저농도의 미세먼지를 제거하므로 더 경제적이다. 또한, 설비를 설치할 때 내부에 설치하는 것보다 외부에 설치할 경우 설비 공사비용이 더 저렴하고, 사용되는 재료 또한 비싸지 않다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 김준수 : 경제성 및 시장분석, 이론적 계산, 특허출원

◇ 방세권 : 제품 설계, 소프트웨어 설계, 디자인

◇ 송현수 : CAD 설계, 경제성 및 시장분석, 디자인

◇ 유승재 : 팀장, 3D도면 제작, 제품 설계, 총무

◇ 이용진 대표님, ㈜이에스솔루션 : 설계 평가 및 피드백

설계

설계사양

제품의 요구사항

시장조사를 거쳐 제품의 요구사항을 확인해보았다. 그 결과 총 8가지의 요구사항을 도출할 수 있었으며, 제품이 꼭 갖추어야 하는 요구사항은 ‘D’로, 필수는 아니지만 갖추었을 때 긍정적인 효과를 가질 것으로 예상되는 사항을 ‘W’로 설정하였다. 이후 중요도에 따라 요구사항을 상, 중, 하로 구분하였다.

설계 사양

목적 계통도

1) 기능성 : 기존 전기집진기와 비교했을 때 충분한 미세먼지 제거효율을 갖는다. 또 혹서, 혹한의 상황, 최대유량, 최대농도에서도 목표 제거효율을 달성할 수 있다.

2) 심미성 : 차양막과 그늘쉼터, 걸터앉을 수 의자 등 인간친화적인 디자인으로 주변의 환경과 조화롭게 설치할 수 있다.

3) 환경성 : 지하철 환기구에서 배출되는 미세먼지를 근본적으로 저감하여 환기구 주변 대기질 향상을 도모할 수 있다.

4) 경제성 : 컴팩트한 설비, 보조 전력원, 관리 용이성을 확보하여 설치비와 유지관리비, 인건비를 최소화할 수 있다.

QFD(Quality Function Deployment)

1) 고객 요구사항
: 본 제품의 고객은 환기구 주변의 인도를 이용하는 시민 및 제품을 구매할 지자체로 설정하였다. 이를 기반으로 필요할 것으로 요구되는 사항들을 고려해보았다. 이후 각 항목별로 요구사항의 중요도를 선정하였다.

2) 설계변수
: 본 제품을 설계하면서 고려해야 하는 변수들에 대해 생각해보았으며, 총 여덟 가지의 설계변수가 선정되었다.

3) 결과분석

⓵ 제품 요구사항-설계변수 간 상관관계
▶ 미관성 확보
- 설계변수 중 제품의 미관성과 가장 연관이 높은 항목으로 장치 크기를 선정하였으며, 이는 장치의 크기가 커질수록 미관성이 필연적으로 낮아질 것이라고 예상했기 때문이다. 따라서, 미관성을 해치지 않는 적정 크기로 설계를 진행해야 할 것이다.
▶ 미세먼지 제거효율 확보
- 설계변수 중 미세먼지 제거효율과 가장 높은 상관성을 가진 설계변수로서 집진기 면적, 유효풍속, 소요전력, 유입유량, 유입농도를 선정하였다. 집진기 면적이 커질수록 제거효율이 높아질 것이라고 판단하였으며, 제거효율을 높게 설정할수록 소요전력이 높아질 것이라고 생각했다. 또한 유입유량, 유입농도가 높아질수록 더 높은 제거효율이 필요할 것이므로, 이를 종합적으로 고려한 합리적인 목표 제거효율을 설정해야 할 것이다.
▶ 집진기 세정효율 확보
- 세척수량과 세척주기가 증가할수록 집진기의 세정효율은 증가할 것으로 판단되어 가장 높은 상관성을 부여하였다. 또한 집진기 세정효율은 소요전력과 집진기 면적 등에 상관관계를 가지고 있기 때문에, 이에 대한 고려가 필요할 것이라고 판단했다.
▶ 부지확보
- 부지확보는 집진기 면적과 장치 크기에 가장 큰 상관관계를 가진다. 집진기 면적 및 장치 크기가 커질수록 부지확보에 어려움이 생기므로, 이를 고려할 필요가 있다.
▶ 소음방지
- 유효풍속이 증가하고, 유입유량이 증가할수록 소음의 발생 정도가 증가한다. 따라서 강한 상관관계를 가진다고 판단했다.
▶ 폐수처리 용이성 확보
- 세척수량과 세정주기, 유입농도가 증가할수록 처리할 폐수의 양이 증가하므로 강한 상관관계를 가진다고 판단하였다. 따라서, 유입농도에 따른 적절한 세척수량과 세정주기를 설정하여 발생 폐수량을 조절할 필요가 있을 것이다.
▶ 설비 안전성 확보
- 설비 안전성은 전기집진기를 사용함에 따라 발생할 수 있는 안전성 문제를 해결하고자 하는 것이다. 따라서, 소요전력이 커질수록 위험도가 증가하므로 강한 상관관계를 가진다고 판단하였다.
▶ 관리 용이성 확보
- 집진기 면적 및 장치의 크기가 커질수록 관리의 용이성이 낮아진다고 판단하였다. 따라서 관리 용이성을 확보하기 위해 적절한 장치의 크기를 선정해야 할 것이다.

⓶ 설계변수-설계변수 간 상관관계
▶ 집진기 면적
- 집진기 면적은 나머지 일곱 가지 설계변수들과 상관관계를 가지고 있는 것을 확인하였다. 집진기 면적이 늘어날수록 제거효율은 증가하지만, 반대로 세척수량 및 소요전력이 커질 것으로 예상되므로 이에 대한 고려가 필요할 것이다.
▶ 유효풍속
- 유효풍속의 경우 세척수량과 유입유량과 강한 양의 상관관계를 가진다. 유효풍속이 커질수록 세정액 분사 시 발생하는 저항이 커질 것이라 판단했고, 이에 따라 소비되는 수량이 많아질 것으로 예상했다.
▶ 세척수량
- 세척수량이 많아질수록 소요전력이 커질 것이며, 유입농도가 커질수록 포집되는 미세먼지 양이 증가하여 필요한 세척수량이 많아질 것이라고 판단했다.
▶ 세정주기
- 세정주기가 잦아질수록 세정에 필요한 소요전력은 증가할 것으로 예상한다. 또한, 유입농도가 많아질수록 포집되는 미세먼지의 양이 많아질 것이며, 그에 따라 세정주기가 잦아질 것이다.
▶ 장치크기
- 장치의 크기가 커질수록 장치 가동 시 필요한 전력은 늘어날 것으로 예상한다.
▶ 소요전력
- 유입농도와 유입유량이 높아질수록 집진기의 면적 및 세척수량 등이 증가할 것으로 예상하며, 이에 따라 소요전력이 늘어날 것으로 예상한다.

개념설계안

 본 발명인 ‘지하철 환기구 미세먼지 저감을 위한 외부 노출형 집진 장치’는 위 그림과 같이 구성된다. 지하 터널 내 미세먼지가 송풍기를 통해 외부 노출되어있는 전기집진기로 유입되어 처리되어 배출되는데, 각각의 요소를 설명하면 다음과 같다.

(1) 전기집진기
 송풍기에 의해 이동한 터널 내 미세먼지는 환기구를 통해 외부로 배출되게 된다. 이때 미세먼지는 유체의 자연스러운 흐름에 따라 본 시설의 전기집진기를 통과하게 되어 집진이 이루어진다. 전기집진기는 정전력을 이용해 집진전극 표면으로 미세먼지를 포집하게 되는데, 먼지 성상에 따른 영향이 적어 다른 집진기와 비교하여 장기간 운전이 가능하다. 또한, 다른 집진기에 비해 압력손실이 적어 보다 낮은 송풍기 동력으로도 경제적으로 사용할 수 있다. 포집된 미세먼지는 전기집진기 상단에 위치한 세척부를 통해서 주기적으로 세척하며, 아래의 폐수통으로 모인 폐수도 주기적으로 처리할 것이다.

(2) 디자인
    
 지난 개념설계보고서를 발표하는 과정에서 고전압의 전기집진기가 외부에 노출되어 있을 경우, 감전의 위험이 있을 수도 있다는 피드백을 받았다. 기존의 우리 조 설비 디자인은 사람들이 횡단보도 등을 기다리거나, 혹서기의 강한 태양을 잠시 피해갈 수 있도록 의자를 설치했었다. 하지만 감전의 위험을 막기 위해 디자인을 전면 수정했고, 전기집진기 설비 디자인은 그대로 유지하는 방향으로 하고, 나무 울타리 형식의 케이스를 만들었다.
 설치된 나무 울타리 형식의 케이스에 공기정화 식물을 걸 수 있도록 하여, 전기집진기 주변을 지나가는 사람들에게 친환경적인 시설임을 알림과 동시에, 위험하지 않은 분위기를 조성할 것이다. 또한, 설치한 공기정화 식물로 인해 미세먼지 제거 등의 부수효과도 얻을 수 있을 것이다. 그리고 우리 조의 전기집진기의 외부 디자인은 갈색과 녹색을 사용하여 주변 환경과 심미적으로 잘 조화될 수 있도록 설계하였다.
 전기집진기의 끝으로 갈수록 좁아졌다가, 공기가 배출되는 곳에서 다시 넓어지는 디자인은 최대한 전기집진의 효율을 끌어올려 처리하고, 다시 외부로 효과적으로 배출될 수 있도록 설계한 것이다.

(3) 세척 폐수 처리
 전기집진기의 집진셀에 부착된 미세먼지를 세척한 폐수는 중력에 의해 아래로 떨어지게 되고 집진기 하단에 설치된 폐수통으로 모이게 된다. 여기서 모인 세척폐수는 유지관리의 용이성을 위해 환풍구 옆의 도보 밑으로 이동하도록 했다. 폐수통에 경사를 주어 중력을 통해 자연스럽게 이동할 수 있도록 했다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

상세설계 내용

조립도

부품도

소프트웨어 설계

자재소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

 ◇ 미세먼지 제거효율 : 본 설비의 미세먼지 집진효율을 계산한 결과 95.37%로 예상되었다. 이는 개발 목표치인 90%(기존 지하철 환기구 내부 미세먼지 집진장치 효율 기준)을 상회하는 제거효율이므로 만점을 부여하였다.

 ◇ 설비 안전성 : 본 설비의 안전성을 평가하기 위해 환경엔지니어링 분야 전문가이신 이용진 대표님께 의뢰하였다. 설비의 안전성을 위한 대안(애자, 울타리 등)을 중심으로 장치에 대해 전반적인 설명을 드렸으며, 10점 만점 중 8점이라는 평가결과를 받았다.

 ◇ 시민들의 만족도 : 일반인 대상 설문조사 실시
 본 ‘시민들의 만족도’ 설문조사는 구글 폼을 이용해 일반인 30명에게 대상으로 진행하였다. 설문의 (1), (2), (5)번은 항목별 점수를 ‘매우 그렇지 않다 (1점) ~ 매우 그렇다 (5점)’로 구분하여 진행했고, 설문의 (3), (4)번은 항목별 점수를 ‘매우 그렇다 (1점) ~ 매우 그렇지 않다 (5점)’로 구분하여 진행했다. 5개의 질문은 30명의 평균을 내어 기록했고, 5개의 항목 평균 점수를 합산하여 25점 만점으로 계산하였다. (평균은 소수점 두 번째 자리에서 반올림하였다)
  (1) ‘해당 설비의 기능과 목적이 명확하게 이해되었다’ - 4.5점(그렇다)
    - 설문조사 항목에 설비의 기본적인 기능과 목적을 제시하였다.
  (2) ‘해당 설비 설치 시 도보의 미세먼지가 효과적으로 줄어들 것으로 보인다’ - 3.9점(그렇다)
    - 설문조사 항목에 해당 설비의 미세먼지 제거 효율을 제시하였다.
  (3) ‘해당 설비 설치 시 통행에 문제가 있을 것으로 보인다’ - 3.3점(보통이다)
    - 설문조사 항목에 설계한 설비의 크기와 환기구의 크기를 수치 및 사진으로 제시하였다.
  (4) ‘해당 설비 설치 시 안전성에 문제가 있을 것으로 보인다’ - 4.3점(그렇지 않다)
    - 설문조사 항목에 안전성을 확보하기 위해 설치한 애자와 울타리, 스틸그레이팅을 사진으로 제시하고 설치한 목적을 설명하였다.
  (5) ‘해당 설비의 외관이 주변과 심미적으로 잘 어울린다’ - 3.7점(그렇다)
    - 설문조사 항목에 직접 제작한 모형 사진을 제시하였다.
    * 점수 합산 → 4.5 + 3.9 + 3.3 + 4.3 + 3.7 = 19.7점
    * 점수 평균 → 3.94점

 ◇ 설비관리의 편의성 : 지하철 내부 전기집진기는 관리를 위해서 환기구에서 10m 아래로 내려가야 하며 실제로 환기구 그레이팅을 개방하던 도중 추락하는 사고도 발생하였다. 그에 비해 본 설계물은 지상에서 설비 관리가 가능하여 편리하며 안전하다. 하지만 전기집진기 특성상 주기적으로 폐수 처리를 해야 한다는 점을 고려해 12점을 부여하였다.

 ◇ 경제성 평가 : 기존 설비와 사회적, 경제적 편익은 동일할 것이라 판단하였고, 따라서 설비 설치비용을 기준으로 경제성 평가를 실시하였다. 기존 지하철 내부 양방향 전기집진장치의 설치비용은 약 5억 원이다. 또한 본 설비의 실제 설치비용을 계산하기 위해 환경엔지니어링 분야 전문가이신 이용진 대표님께 의뢰하였다. 예상되는 설비의 비용은 약 3억 원이었으며, 이는 기존 설비에 비해 약 2억 원의 비용절감이 가능하다. 기존 설비 대비 비용을 절감했다는 점에서 개발 목표치는 만족하였다. 하지만 경쟁력을 확보하기 위해서는 추가적인 비용절감이 필요할 것이라 판단하였으며, 이를 고려하여 12점을 부여하였다.

 ◇ 환경적 효과 : 본 설비에서 최종적으로 배출되는 가스 중 미세먼지 농도는 13.43 μg/m3이다. 이는 미세먼지 ‘좋음’ 기준인 0~30 μg/m3을 만족하여 만점을 부여하였다.

향후계획

가. 설계 한계점

 ◇ 실제 지하철 환기구는 크기가 매우 다양하다. 본 설계에서는 자료를 참고하여 보편적인 면적을 설정하여 장치 크기를 계산하였지만, 더욱 정확한 설계를 하기 위해서는 환기구 크기에 대한 표본조사를 실시하여 최적의 면적을 구하는 것이 필요할 것이다.
 ◇ 실제 전기집진기의 효율을 극대화하기 위해서는 적절한 전기 비저항을 유지할 수 있는 전압크기 및 세정주기를 도출하는 것이 필요하다. 본 설계에서는 자료를 참고하여 보편적으로 사용하는 값으로 설정하였지만, 보다 정확한 설계를 위해서는 지하철 환기구 설치 장소의 외부 조건(습도, 기온) 등을 종합적으로 고려한 설계가 필요할 것이다.

나. 추후 개발점

 ◇ 기존 지하철 내부에 설치된 양방향 전기집진기에 비해 설치비용이 저렴한 것은 사실이지만, 여전히 미세먼지 저감장치로는 고비용이라는 문제점이 있다. 해당 설비를 설계함에 있어 장치의 효율을 최대한 높이도록 설계하였는데, 이로 인해 설비의 크기가 커져 비용이 높아졌다. 따라서 보다 합리적인 제거효율, 적정 환기구 면적을 토대로 장치 크기를 최소화하여 비용을 최대한 줄일 수 있는 방향으로 설계를 진행하여야 할 것이다.

 ◇ 소음 저감 방안에 대해 추가로 설계하여야 할 것이다. 차량 및 시민들이 활발하게 통행하는 곳에 설치되기 때문에 설비로 인한 소음문제가 크지 않을 것이라 생각되지만, 설비가 주간에 지속적으로 가동된다는 것을 고려할 때 시민들의 거부감을 해소하기 위해서는 소음 저감을 위한 노력이 계속되어야 할 것이다.

 ◇ 애자, 울타리 설치 등을 통해 설비의 안전성 문제를 해결하였지만, 장치 안전성에 대한 시민들의 우려는 존재할 수 있을 것이라 판단된다. 따라서 이와 관련하여 시민들의 걱정을 해소할 수 있는, 보다 직관적으로 설비의 안전성에 대해 확인시켜줄 수 있는 방안이 필요할 것이다.

특허 출원 내용

내용