11조- GBOT

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.

내용

구성원 및 추진체계

내용

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

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

내용

특허 출원 내용

내용