Subway

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 지하철 역 내 스크린도어를 활용한 미세먼지 저감장치..

영문 : fine dust reduction device using screen door in subway..

과제 팀명

Subway..

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 20158900** 이*(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 20158900** 김**

서울시립대학교 환경공학부·과 20158900** 박**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

최근 미세먼지에 의해 국내 대기질 상황이 악화되어 국민 건강뿐만 아니라 경제적 피해에 따라 적절한 대기환경 관리방안의 부재를 체감 미세먼지의 농도는 실외보다 실내가 더 나쁘고, 특히 지하공간의 농도가 외부의 약 3배 가량 높다. 이에 따라 실내 대기질 기준이 강화된 상태 서울 시 내에서 완전 밀폐형 스크린도어가 설치된 역사를 대상으로 설정, 강화되는 기준에 기초한 미세먼지 저감장치를 설계하여 터널 내에서 승강장으로 유입되는 미세먼지를 방지 전기집진 방식을 기준으로 지하 역사 수준에 맞는 용량을 설정하여 승강장 내 미세먼지 농도 개선 효과를 기대 스크린도어에 저감장치를 설치함으로 쾌적한 환경을 제공하여 지하철 이용률을 높이고, 서울 이외의 지하철에도 확대 적용하며 관련 산업의 발전을 꾀함

개발 과제의 배경

사람들의 주요 생활공간이 건물의 외부에서 내부로 이동함에 따라 예전에 비해 건물의 내부에서 지내는 시간이 크게 증가하였고, 지하철의 지하생활권은 폐쇄적 공간이라는 환경으로 수많은 사람들이 이용하며 각종 유해물질이 내부에서 발생하거나 외기로 유입되고 있다. 또한 다수의 지하철역의 경우 지하 1층에서 더 낮은 층으로 내려갈수록 오염이 심화되고 있음을 보여주며 이것은 지하역 내의 미세먼지의 대부분이 지하철 내부에서 유입되고 있다는 것을 보여준다. 지하철의 실내공기 오염 원인으로는 전선의 마모과정, 시멘트 관련 오염원에서 배출되며 토양에 의한 것도 나타나고 있다. 서울지역 9개의 노선을 기준으로 지상구간 43개역, 지하구간은 250개역으로 구분하여 비교한 결과 계절별로 농도차는 약간 있지만 모든 대상에서 지하구간의 농도가 높게 나타났다. 또한 지상구간 대비 지하구간에서의 미세먼지 평균농도 증가율은 51.9%로 확인되었고, 미세먼지의 경우에도 오전 출근시간대 평균 외기농도와 지하철 객실 내 지상구간 운행시 농도와 유사한 수준으로 나타나, 지상구간에서 외기의 직접적인 영향을 받는 것으로 나타났다. 그간 2차례에 걸친 개선대책 추진으로는 미흡한 점이 많고 아직까지 관리기준, 관리를 위한 제도 보완이 미흡하여 제3차 지하역사 공기질 개선대책이 이번 3월에 발표되었다(2018-03-23). 이에 따르면 지하역사 미세먼지 평균오염도는 69.4㎍/㎥으로 다중이용시설군(21개)중 실내주차장 다음으로 오염도가 높으며 지하터널을 통과하는 운행 특성상 철도, 시외버스 등 다른 대중교통 차량보다 미세먼지 농도가 높다.

개발 과제의 목표 및 내용

대상 지하철 역사에 최적인 집진장치를 선정하고, 개정된 국내 실내 공기질 관리 기준을 준수하는 수준으로 승강장의 공기질 악화를 방지한다. 실내 공기질 개선을 통해 지하철 사용 승객들의 지하철 이용 만족도를 높이고 지하철 이용율을 높여 수익을 도모할 수 있다. 관련 산업의 산업성 평가가 통과되어 실제 현자에 적용하게 된다면, 이후 미세먼지와 관련된 산업의 경쟁력 향상을 예상할 수 있다.

지하철 미세먼지 집진장치를 운영할 대상기관은 서울교통공사(구 서울매트로)이다. 내년(2019) 상반기부터 강화될 *실내공기질관리법에 의거하여 서울교통공사는 현재 지하 플랫폼 미세먼지 농도를 신설되는 규정농도에 초과되지 않도록 미세먼지 집진장치가 필요한 상황이다. 또한 공공의 이익과 법적 기준을 충족하기 위하여 시도하는 사업이므로 정부의 자금 및 기술의 지원을 기대하고 있으며, 본 사업을 시작으로 정부부처의 다양한 기관에서 구매, 운영의 가능성을 볼 수 있음이다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

본 설계에서 제거 대상으로 선정한 미세먼지는 PM10을 포함한 PM2.5의 초미세먼지이다. 여러 집진장치 중 초미세먼지 포집에 적합한 집진장치의 조사 결과, 여과집진기와 전기집진장치 두 가지로 선정하였다. 그 중 유입 압력손실과 외부의 영향이 적으며 승강장아래의 지하 터널에 설치한다는 특성 상 주기적인 필터 교체를 필요로 하지 않는 전기집진기를 선정하였다.
또한 현재 지상의 아스팔트 도로 위에 축적되고 있는 미세먼지를 제거하기 위해 먼지흡입청소차를 도입하여 현재 1000대 이상 운영 중에 있다. 또한 도로 위에 환기가 어려운 터널 내부에도 먼지포집장치를 설치하여 관리를 시도하고 있다. 오늘날 이렇게 다양한 방법으로 도로에 축적되는 미세먼지를 흡입하여 제어를 시도하고 있지만 지하철 내부에는 제대로 된 관리가 이루어지지 않고 있다.

지하역사의 경우 중금속과 미세먼지가 발생하는 원천인 터널 내에 직접 집진장치를 설치하거나, 최근엔 지하철 뒤에 장치를 달고 운행하며 집진하는 기술도 연구 중에 있다. 이 외에 승강장을 위한 기술로는 미세먼지 저감을 위해서는 환기시스템에 의존하여 운영해왔다.

특허조사 및 특허 전략 분석

1. 특허 조사

대한민국특허청 등록특허 (10-2010-0049904) : 지하철 통합 환기장치
본 발명은 지하철 통합 환기장치에 관한 것으로서, 특히 밀폐형 스크린도어가 마련된 승강장 내부에 대하여 EC모터모듈을 적용하여 효율적인 통합 하이브리드 환기를 실시하기 위한 장치에 관한 것이다. 밀폐형 스크린도어가 마련된 지하철 승강장의 내부 천장에 마련되고 센서에 따라 회전속도 및 방향의 제어가 가능한 역사 외부 공기를 내부에 강제 급기 하는 장치이다.

대한민국특허청 등록특허 (10-0658822) : 지하철역사 공기정화 환기시스템
본 발명은 지하철역사 공기정화환기시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는 지하철 역사로 유입, 유출하는 공기 중에 포함 된 미세 먼지와 유해 물질을 증배구를 통해 증배시켜 줌으로써 쉽게 미세 먼지를 제거해 주는 지하철역사 공기정화 환기시스템에 관한 것이다.

2. 특허 전략

1) 신규성
◆ 출원 전 공지가 된 발명(기술)과 동일하지 않은 기술에 대해 신규성을 인정하는 상황
◆ 본 과제에서 이용할 기술은 미세먼지에 적합한 전기집진방식과 흡입기술, 자동화시스템이 있다. 하지만 기존의 기술들을 재 조합한 방향이므로 신규성을 만족하다고 보기는 어렵다는 판단이다.

2) 진보성
◆ 진보성이란 발명의 창작수준의 난이도를 말하며, 산업상 이용가능하고 신규성을 갖춘 발명의 다음 단계로 갖추어야 할 특허 요인이다.
◆ 본 과제에서 흡입기술, 옵염물질에 각 적합한 필터의 선정, 소음저감 등 공지발명을 순서대록 조합하여 진보성을 확보할 계획이다.

◆ 지하시설의 공기 정화 시스템은 지상과 지하의 공기를 교환하는 환기 시스템에 관한 것에 집중되어 있기 때문에 외기의 미세먼지 농도가 높은 경우 지하의 미세먼지 농도 또한 악화될 우려가 있다.
◆ 지하 역사 내 승객들이 가장 많이 정지하여 머물러 있는 장소는 승강장(플랫폼)으로, 이용 인원의 수도 많을 뿐만 아니라 터널 내에서 발생하는 비산 먼지에 의해 승강장 내로 미세먼지들이 유입하는 점을 고려한다. 따라서 승강장 내부로 비산먼지가 유입되기에 가장 유리한 경로인 스크린도어를 활용하여 미세먼지를 포집하는 전략을 세우고자 한다.
◆ 승객의 호흡기의 위치에 맞도록, 기존에 설치되어 있는 스크린도어의 상단에 본 개발 장치를 설치함으로서 비산하는 먼지를 포집할 수 있도록 한다.
◆ 지하시설 공기 정화에 적합한 용량으로 고효율 전기 집진 시스템을 고안하여 미세 먼지를 집진함에 있어서 종래에 비해 소비전력이 낮고, 집진 효율이 높은 효과, 집진용량이 큰 공기 정화 전기 집진 시스템을 구축한다.

기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

마케팅 전략 제시

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◆ (흡입 기술) 지하 터널에서 발생하는 오염물질의 유입을 차단하기 위해, 지하철 도착과 출발에 맞춰 먼지를 내부로 흡입, 정화하는 효율적인 시스템을 고안했다. 추가적인 작업으로 흡입 펌프에서 발생되는 소음도 최소화 하려 한다. ◆ (내부 공기 시스템 고안) 미세먼지를 흡입, 처리 후 배출 시스템을 고안하여 흡입과 배출시 미세먼지가 재 배출 되지 않도록 여과지의 재질과 유속, 압력 손실 등을 고려하여 발생할 수 있는 소음문제와 더불어 최적의 사용을 위한 친환경적 기술을 개발하고자 한다.

◆ 다중이용시설 실내공기질 수준이 요구되는 시설까지 확대하여 핵심기술 선점을 기대할 수 있다. ◆ 기존 집진시설 및 환기시스템만 운영되는 것 대비 본 기술에 소요되는 전력 및 유지관리 비용의 절감을 기대할 수 있다. ◆ 다중이용시설별 미세먼지 저감 시스템 설계에 대해 가이드라인을 마련하여 신도시 건설등에 반영할 수 있다. ◆ 제품을 운영하며 동시에 고객들에게 실시간 모니터링을 통한 정보를 제공하고자 오염농도를 시각화 하여 승강장 내 디스플레이에 표시하도록 한다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◆ 실내공기질 정화기술 및 장치에 대한 시설기준 등의 관련 법규에 반영될 수 있다. ◆ 또한 개발기술의 적용에 의한 실내공기질 개선으로 국민 삶의 질 개선과 유지관리 비용 절감 등을 통하여 저탄소 녹색도시에 가까워질 수 있다. ◆ 새로운 방식의 실내공기질 정화기술에 대한 원천기술 확보로 산업적·경제적면에서 경쟁력을 확보할 수 있다. ◆ 기존의 도시에 적용하여 저탄소 녹색도시로의 전환을 위해 실내공기제어장치 개량사업에 활용이 가능하다. ◆ 실내공기질 개선과 관련하여 정전기력 기반의 활용기술 수준향상 및 실내공기질 개선장치의 수입을 대체하는 효과를 유발시킬 수 있다. ◆ 기술에 대한 특허와 지적재산권 확보를 통해 실내공기질 미세먼지 저감과 관련된 중소기업에게 기술을 지원할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

1. 제품의 설계 변수 ◆ 계절별 미세먼지 농도 : 미세먼지 나쁨 일수가 많은 봄, 가을철에 집진시간과 집진율을 최고단계로 운영하여 승객들의 쾌적한 환경을 유지할 필요가 있다. ◆ 설치 공간 : 집진기 설치시 확보되는 공간 필요. 제품 크기(100*500*100cm) ◆ 집진 용량 : 적용할 승강장의 공간 크기에 따라 집진기의 흡인 용량을 결정 ◆ 운영 시간 : 승객수가 많은 출퇴근 시간대(오전7~9, 오후 6~8)에 집진기 운영 시간을 늘려 집진율 향상. 또한 상대적으로 승객수가 적은 평일 오전, 오후 및 주말에 운영시 집진기 가동 시간을 줄여 운영비를 저감할 수 있다. ◆ 집진판 세정 주기 증가 : 겨울철 미세먼지 농도 증가에 따라, 야간 습식 집진의 실시 횟수를 늘림

2. 설계변수의 목표 값

개념설계안

가. 전기집진장치의 집진이론

 전기집진기의 기본적인 원리는 먼저 고전압을 인가하여 코로나방전을 발생시켜 입자를 하전 시키고 함진 가스가 흐르는 부분에 전장을 형성시켜 입자에 끌어당기는 힘을 형성시킨 다음 이 힘에 의해 입자 하전극의 반대 극으로 입자들이 끌려가게 한 것이다. 전기집진기장치는 외력이 각 개별입자에 직접적으로 작용하는 기계적인 입자 제거장치와는 다르게, 가스흐름 전체에 간접적으로 외력이 작용하도록 하여 입자들을 포집하는 방식이다. 입자들이 액상인 경우 포집된 액은 중력에 의해 전극봉 아래로 모이게 되어 장치의 바닥에서 제거되고 입자들이 고체상이면 포집된 입자층은 주기적으로 전극봉에 인가되는 진동에 의해 탈착되어 중력에 의해 바닥에서 모인 다음 제거된다.

나. 장치의 구성과 기능내용

① 집진실(casing) : 집진극과 방전극을 지지하면서 집진기 본체의 외합 ② 방전극(discharge electrode) : 방전극은 코로나 방전을 왕성하게 발생시켜 유입공기 중의 분진입자를 대전시키며, 집진판과 전기장을 형성하여 대전된 분진이 집진되도록 하는 역할 ③ 집진판 : 방전극과 함께 전장을 형성하여 방전극에 의해 음으로 충전된 입자를 집진하는 판 ④ 고전압 발생장치(transfomer rectifier) : 방전극과 집진극 사이에 고전압을 인가하는 장치 ⑤ 가스정류장치(정류판) : 유입가스의 속도를 낮추고 균일하도록 유지시키는 장치 ⑥ 분진 포집기 : 집진장치 하단에 설치되어 탈진된 분진을 일시적으로 저장하는 역할 ⑦ 활성탄필터 : 미세먼지 이외의 오염물질까지 제거가능하게 하는 필터 ⑧ 물탱크 : 습식세정을 위해 설치된 시설

다. 설계 모식도

본 설계에서는 시민들이 오염물질을 호흡하지 않는 것을 중점으로 하고 있어 호흡기 주변의 오염물질을 제거하는 것을 목표로 스크린도어 상단부에 공기 흡입장치를 설치하고, 승강장 공기를 전기집진기를 이용하여 오염물질을 제거하는 것을 목표로 하고 있다. 스크린도어 상단에서 흡입된 공기는 관을 타고 전기집진장치를 통해서 처리되며 흡입장치는 유동인구가 많은 곳에 중점을 두어 역사별 상황에 맞게 흡입장치를 설치하려고 한다. 최종적으로 처리된 깨끗한 공기는 기존 지하철 역사에 설치된 환풍 통로에 연결하여 승강장 전역에 함께 배출될 것이다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

- 가정사항

승강장 내로 유입되는 환풍구의 공기는 미미함 유입되는 외기 미세먼지 농도는 고려하지 않음 필터를 통과한 공기가 승강장에 유입 시 즉시 혼합된 것 집진기 내부 압력은 대기압의 1atm으로 압력변동은 없을 것

가. 집진장치의 이론적 풍량 및 풍속(풍량, 풍속, 통과 단면적)

나. 전기집진장치의 효율 계산식(Deutch식)에 따라 실제효율 계산

1-e^(-3.5*6.7*60/0.42) = 1

Deutch식에 대입하여 값을 도출한 결과 100%의 집진효율을 가질 것으로 예상된다. 실제 가동 시 운영조건과 실제 상황에 따라서 100%보다는 적은 효율을 가질 것이라고 판단되나 충분히 효율적인 집진이 가능할 것으로 보인다.

다. 집진 후 이론적 목표 값 ◇ 승강장 내 집진장치는 유동인구가 많은 승하차구간(환승경로)에 2기 설치할 예정이며 전기집진기의 효율을 99%를 목표로 하고 있다. ◇ 초기 승강장 내부 미세먼지 농도 : 2017년 기준 가장 심각한 수준이었던 1호선 버티고개와 공덕역을 기준으로 116ug/KL로 가정한다. ◇ 목표 승강장 내부 미세먼지 농도 : 환경부 목표 기준 70ug/KL로 설정(유지기준은 100ug/KL)한다.

라. 대상 역사 내 시뮬레이션 ◇ 지하역사내의 실내공기질 개선을 위하여 공기정화기를 건대입구역사내에 설치하는 것으로 가정하여 시뮬레이션 해보았다. 설치전과 같은 조건에서 실내공기중의 미세먼지농도를 측정하여 평가하였다.

상세설계 내용

조립도 및 부품도

가. 전기집진기

본 설계에서 전기집진기의 모습은 위 표와 그림에 따른다. 설계하고자 하는 전기집진기의 규격은 위 표와 같이 전체 3.5mX1.2m 크기로 설정하였으며 지하철의 이용정도에 따라서 그 수를 조절하고자한다. (예를 들어 2호선의 경우 지하철을 이용하는 수가 많기 때문에 더 많은 전기집진장치가 필요할 것이다)

전기집진기 3D 모형도에서 볼 수 있듯이 우리 조에서 제안하고자 하는 전기집진기의 모형 조립도는 prefilter-세정부-방전부-세정부-집진부-활성탄필터 순으로 제작하고자하며 미세먼지와 그 외 오염물질을 실내공기질 기준에 부합하도록 처리하고자 한다. 본 설계에서 가장 중요한 아이디어는 스크린도어를 이용하여 지하철 내부에 있는 공기질을 개선하는 방안이며, 이를 고려하여 우리는 스크린도어 상단과 상단 측면에 흡입시스템을 설치하고 각 스크린도어에 설치된 흡입구와 연결된 관을 이용하여 공기를 처리하고자한다. 각 스크린도어에 설치된 흡입관과 연결된 관들은 하나로 통합되어 전기집진기에서 종합적으로 처리할 것이며, 이 때 부압이 걸리지 않도록 흡입구와 연결된 관보다 더 큰 관을 이용하여 공기를 합쳐서 처리할 것이다.  각 지하철마다 지하공간의 크기가 달라 각 스크린 도어의 크기가 다른 점을 고려하여 실제 사용되어야하는 지하철 내 이용 공간의 변동성에 따라서 유동적으로 관의 크기가 달라질 것으로 보아 정확한 치수를 기입하지 않았다.

나. 송풍기 스크린도어로부터 오염된 공기를 흡입할 때 송풍기를 필요로 한다. 이 때, 원심형 송풍기는 축형 송풍기보다 불확실한 기류나 기류의 변동조건을 적절하게 대처하므로 국소배기 시설에 많이 사용한다는 점을 고려하여 이 중 대용량의 송풍량을 처리하는 시설에 적합한 다익형 송풍기(sirocco fan)를 사용하고자 한다. 이는 동일 용량에 대해 다른 형식에 비해 회전수가 상당히 작으며 송풍기 크기가 작다는 장점이 있다.

제어부 및 회로설계

소프트웨어 설계

◆ 집진장치의 실행은 아래의 알고리즘에 의해 순차적으로 운영된다. 첫 번째로, 플랫폼에서 지하철 승하차를 대기하고 있는 승객들을 대상으로 설계하였다. 미세먼지와 초미세먼지를 주의해야 하는 환경(가을, 겨울)에 한하여 운영자의 조작으로 첫 번째 알고리즘을 실행하도록 설정하였다. 스크린도어의 흡입구에 설치된 Sensor에서 주변의 미세먼지 농도를 감지하고, 그 대기농도가 검출한도를 초과하게 되면 흡입 시스템이 작동하여 대기질 오염물질을 한도까지 저감한다. 각 센서에서 검출된 측정 값은 데이터베이스에 저장되며 검출한도보다 낮아지면 흡입 팬의 작동이 중지된다. 또한 이 데이터베이스에 저장된 값들이 승강장 스크린도어에 제거율을 표시되어 사용자의 오염제어 시스템의 정상 작동 여부를 확인 할 수 있다. ◆ 두 번째로, 지하철이 플랫폼으로 정차하고 다시 출발하는 경우를 설계하였다. 지하철이 승강장으로 정차하기 30초 전부터 비산먼지를 대비하기 위하여 흡입시스템을 가동을 시작한다. 그 뒤, 승하차가 완료 되고 스크린도어가 닫히고 지하철이 출발하면 마찬가지로 해당 작동 데이터를 데이터베이스에 저장 한 뒤, 흡입을 종료하여 대기모드에 들어간다. ◆ 세 번째로, 세정과정을 나타낸 알고리즘이 있다. 우선 자동 점검 모니터링 시스템을 실행시켜 운전 동안 축적된 데이터베이스를 확인한다. 저장된 데이터베이스를 통해 미세먼지의 흡입 속도가 초기 설정된 값과 비교했을 때 떨어졌는지를 계산한다. 떨어졌다면 시스템의 작동 결함에 의한 효율 저하인지, 청소가 필요한 상황인지를 나눈다. 시스템의 오류가 아닌 경우, 호퍼안의 축적된 먼지의 용량이 초과되거나 집진판의 먼지가 쌓였기 때문에 효율이 저감된 것으로 판단할 수 있다. 따라서 초기에 설정한 환경 주기에 따라 건식과 습식 세정을 실시하여 전기집진장치의 제거 효율을 일정하게 유지할 수 있다.