02분반 5조

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**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 20208900** 김**

서울시립대학교 환경공학부·과 20208900** 정**

서울시립대학교 환경공학부·과 20218900** 박**

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.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

• 특허조사 및 특허 전략 분석

1. 빗물 정수 시스템(10-2016-0061218)

• 본 발명의 일 실시예에 따른 빗물 정수 시스템은, 건축물 또는 지표에 마련되어 우수를 집수하는 집수부; 집수부에 연결되어 상기 우수를 여과하는 여과부; 여과부와 연결되어 여과부를 통과한 여과수를 저장하는 저장부; 및 저장부와 연결되어 저장부에 저장된 저장수를 정수하는 정수부를 포함한다.

1. 냉방 및 난방 기능을 갖는 하이브리드 쿨링 벤치(10-2022-0040637)

• 해당 발명은 주변 온도 변화에 따라 벤치 표면의 온도를 조절할 수 있는 하이브리드 쿨링 벤치이다. 사용자가 착석하면 감지 센서가 작동하여 좌석부의 열선과 등받이에 내장된 수냉식 냉각 파이프를 통해 냉방 및 난방이 가능하다.

1. 공기정화 기능을 가지는 쿨링포그 장치(10-2020-0081123)

• 해당 발명은 쿨링포그 장치에 있어서, 특히 미세먼지 제거, 발열 제거 및 온도 조절 등을 위해 미세 수증기를 분사하는 공기정화 기능을 가지는 쿨링포그 장치에 관한 것으로, 다수의 분사노즐을 통해 고압수를 분사하는 포그머신, 다양한 센서를 구비한 센서부, 제어부, 통신부, 알람 기능, 움직임 기반 제어 기능 등을 포함한다.

1. 태양광 버스 정류장(10-2011-0112968)

• 태양전지를 이용해 외부 전력 없이 LED 조명등을 구동하는 태양광 버스 정류장이다. 태양전지 지지부에 설치된 태양전지 셀을 통해 전기를 저장하고, 저장된 전력으로 버스 정류장의 조명을 구동한다. 또한, 열선을 설치해 겨울철에 태양전지에 쌓인 눈을 빠르게 녹여 태양광 흡수 효율을 유지할 수 있다. 적외선 감지 센서를 통해 버스 정류장 근처에 사람이 있을 때만 LED 조명을 켜 에너지 절약을 하고자 한다.

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 마케팅 전략 제시

• 특허 전략
  • 우수 집수율 및 우수 활용도 향상

버스 정류장 구조의 적절한 설계를 통해 우수 집수율을 향상하고, 집수한 우수는 냉난방 시스템 및 쿨링포그, 공업용수 및 소방용수 등 다양한 곳에 활용될 수 있도록 한다.

• 우수를 재활용하는 의자 냉난방 시스템 및 효과적인 냉난방 온도 제공

우수를 활용하여 의자의 냉난방 시스템을 가동한다. 여름철에는 수냉쿨러, 겨울철엔 보일러를 이용하며, 외부 기온을 고려하여 적절한 제어를 통해 기존의 냉난방 의자보다 더 시원하거나 따뜻한 온도를 제공한다.

• 계절에 상관없이 시스템 운영에 필요한 전력 생산

태양광 패널에 열선을 설치하여 계절에 관계없이 버스 정류장 내 모든 시스템을 가동하기 위해 소요되는 전력을 생산한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

• 본 버스정류장 설계는 빗물 저장과 냉난방 기능을 통해 기후변화에 대응하는 역할을 한다. 기존 버스정류장의 의자는 전력을 사용한 난방 기능만 제공하는 반면, 이 의자는 태양광을 활용한 친환경 냉난방 시스템을 갖추고 있다. 또한, 의자는 빗물 저장 탱크로 기능하여 여름철 집중호우가 많은 우리나라 기후에 적합하다. 우리나라 연강수량은 70~80%가 여름철에 집중되어 빗물 유실률이 높지만, 이 시스템은 저장된 빗물을 재활용하여 냉수 쿨링 의자와 쿨링포그에 활용함으로써 여름철 도심의 시원한 쉼터를 제공한다.
• 본 버스정류장을 서울특별시 강남구 소재의 455개의 버스 승차대에 도입한다면 하나의 빗물 저장 네트워크를 구축할 수 있을 것이다. 버스 및 차량의 통행이 적은 야간 시간대에 물탱크 차량을 활용해 저장된 빗물을 수집한다면 공업 용수, 생활 용수, 소방 용수 등의 다양한 방식으로 활용 가능할 것이다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

• 최근 스마트 쉘터가 보급되고 있지만, 기존 버스정류장 옆에 추가로 설치하는 방식은 비용 부담이 크고 보행 공간을 침해하는 단점이 있다. 또한, 버스정류장 설치 지침상 최소 무장애 공간(2m X 2m)을 확보해야 하므로, 스마트 쉘터는 설치 장소에 큰 제약을 받는다. 이에 반해, 본 버스정류장 설계는 기존 공간을 그대로 활용하여 설치 비용을 절감하면서도 무장애 공간을 준수하여 설치 제약을 최소화할 수 있다. 따라서 본 설계는 공간 효율성을 높이고 설치의 실용성을 강화한 대안이 된다.
• 지구온난화로 인해 온열질환 환자 수는 2020년 이후 꾸준히 증가하고 있다. 질병관리청에 따르면, 온열질환자의 11.4%가 길가에서 발생하는 것으로 나타났다. 스마트 쉘터는 비용 부담과 도로 상황에 따른 제약으로 인해 보급률이 낮지만, 본 버스정류장은 이러한 문제를 해결하여 다양한 장소에 설치될 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 도입 시 온열질환자들에게 새로운 쉼터를 제공하여 발생률 저감에 기여할 수 있을 것이다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

1. 과제 제안서(9월 1주차~ 10월 1주차)

1. 문제분석(9월 1주차)

• 기후변화로 인한 문제 상황 분석 및 해결 방향 설정

2. 프로젝트 범위 및 목표 설정(9월 2주차)

• 기후적응형 버스 정류장의 목표와 기능 정의
• 기존 시스템 및 사례 분석

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

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용