팀명4

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 1호선 지하터널 공기질 개선을 위한 부착형 대기 집진장치 개발

영문 : Hybrid Dust Collector Design for Removing Subway Tunnel Particle focused on Seoul Subway Station line No.1

과제 팀명

지하청정기조

지도교수

이상철 교수님

개발기간

2022년 3월 ~ 2022년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2016890050 이상현(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2019890014 김유진

서울시립대학교 환경공학부 2019890078 신승윤

서울시립대학교 환경공학부 2016890062 정상언

서울시립대학교 환경공학부 2017890076 한설희

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

   본 설계의 목표는 지하철 내의 미세먼지를 근본적으로 해결할 수 있는 부착형 대기 집진장치이며, 폐쇄적인 구조로 직접적인 청소가 어려운 터널 내의 미세먼지를 효과적으로 포집 하는 것을 목표로 설계하였다. 설계는 집진 장치의 기계적 설계와 효율적인 시스템 운영을 위한 프로그래밍 설계로 구성되었으며, 기본적인 장치 구조를 평면도로 나타내고 프로그램 구상 내용을 포함하고 있다. PM10을 비롯하여 PM2.5까지 포집 가능하며, 비용 대비 높은 포집 효과를 나타내고자 한다. 또한, 서울교통공사 1호선 이 외에도 추후 확대 가능한 집진기 개발로 사용 확장성을 제시한다.

개발 과제의 배경

¯ 지하철 미세먼지 및 비산먼지 발생 및 피해

지하철은 터널을 주행하면서 레일과 휠의 마찰로 인한 마모 입자 및 팬토그래프와 전차선의 스파크 방전에 의한 나노 입자, 열차풍에 의한 재 비산되는 먼지, 레일 연마 작업 및 지하 구조물의 유지보수 작업 등으로 인한 먼지로 가득하다. 그로 인해 지하철 미세먼지는 금속 성분 중 특히 철 성분의 농도가 높으며, 이렇게 발생한 미세먼지는 전동차의 운행으로 인한 열차풍에 의해 바닥에 쌓여 있던 미세먼지가 재 비산하는 현상이 일어난다. 2004년 신길역을 시작으로 스크린도어가 설치된 이후, 생성된 미세먼지는 지하철 터널 내에서 빠져나가지 못하고 축적되고 있다. 이러한 이유로 축적된 미세먼지는 승강장 스크린도어 개방을 통하여 승강장 내부로 유입되며, 전동차의 HVAC(Heating, Ventilation, Air Conditioning ; 공기조화 : 환기, 냉난방, 순환 설비 등)나 미세한 틈을 통과하여 객차 내로 유입하여 인체에 악영향을 미친다. 또한, 미세먼지는 지하철 외부 장치에 침착하여 잦은 고장 원인이 되기도 한다.

¯ 지하철 미세먼지 피해 저감의 필요성

지하철을 이용하는 시민들은 출입구를 통하여 지하 역사로 들어오게 되며, 대합실, 승강장을 거쳐 전동차에 탑승하는 과정을 거친다. 이후 전동차에서 내려 다시 승강장 대합실을 지나 외부로 빠져나가게 되며, 이러한 과정 속에서 대합실, 승강장, 전동차에서 미세먼지에 노출되게 된다. 서울연구원 도시정보센터 ‘대중교통 이용 수도권 시민,어떻게 출근하나(2014)’에 따르면 서울 지하철을 이용하는 출근자는 대합실에서 11분, 승강장에서 6분, 전동차에서 35분의 시간을 보내는 것으로 나타났다. 따라서 이미 오랜 기간에 걸쳐 발생된 미세먼지를 제거함과 동시에, 발생을 억제 또는 발생하는 즉시 제거하는 공기 질 관리시스템 개발의 필요성이 더욱 부각되고 있다.

¯ 실내 대기질 관련 법령 현황 및 한계점

환경부는 1996년 ‘지하생활공간 공기 질 관리법’을 제정한 후 2003년 ‘다중이용시설 등의 실내공기질관리법’으로 전문 개정하여 지하역사, 대합실 등의 지하 실내 공간에 대한 공기질을 완화하기 위해 미세먼지 외 4개 항목을 유지기준으로 설정하였다. 또한, 2018년 3월 미세먼지 관리의 중요 대책 중 하나로 ‘제3차 지하역사 공기 질 개선대책’을 발표하여 운영기관과의 MOU를 맺는 등 지하역사 미세먼지 농도를 줄이기 위해 노력을 기울이고 있으며, 2021년 12월에 ‘3차 미세먼지 계절관리제 시행계획’을 발표하여 지하역사 실내공기질을 집중 점검하고, 고농도가 예상되는 지하역사는 물청소와 공기청정기 가동을 확대할 예정이다. 하지만 이러한 공기 질 개선 장치의 설치와 습식 청소의 확대는 상당한 인력과 별도의 운영 시간이 필요하다는 한계점이 존재한다. 또한, 현재 지하역사의 미세먼지(PM-10)와 초미세먼지(PM-2.5)의 실내 공기 질 유지기준은 연간 대기 질 환경기준에 비하여 약 2~3배가 높으므로 역사 내 미세먼지를 저감하기 위하여 다각적인 노력이 필요하다.

대기 및 지하역사의 미세먼지 기준

이에 따라 우리는 지하 역사 내 미세먼지를 줄이기 위해서는 미세먼지의 실질적인 발생 공간인 터널 내의 먼지를 줄이는 것이 우선이라고 생각하였다. 따라서 지하 터널 공간의 먼지 농도를 효과적으로 저감시킬 수 있는 실시간 제거 장치를 전동차에 부착하여 미세먼지 발생원과 가까운 위치에서 확산되기 전에 실시간으로 제거하며, 열차풍(에너지)을 활용한 에너지 절감형 무동력형 집진 장치를 설계하고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

¯ 본 설계는 지하철을 탑승하는 승객들이 이동 및 체류가 많은 서울 지하철 1호선을 대상으로 승객의 건강과 객차의 고장 빈도를 개선할 수 있도록 공기 질 개선 시스템과 집진장치를 설계하며, 이를 통해 미세먼지 저감 및 설비 운영비용을 절감하는 것을 최종 목표로 한다.

¯ 탄소중립 시대에 맞추어 집진장치의 동력원은 지하철 운전 시 발생하는 동력으로 하며, 집진장치는 별도의 차량이 아닌, 지하철 외벽에 부착하여 먼지의 발생지인 지하철 터널 내의 비산먼지를 제거하고자 한다. 또한, 집진장치의 최적 운영과 비용 절감을 위해 미세먼지 등의 공기질을 관리하는 시스템을 고안할 예정이다.

¯ 서울 교통공사가 직접 측정하고, 한국환경공단에서 제공하는 지하역사 초미세먼지 데이터는 다음과 같으며, 초미세먼지를 중심으로한 본 데이터를 활용하여 통계 분석을 하여 미세먼지의 농도를 효과적으로 활용할 수 있도록 한다.

2021년 8월 ~ 2022년 01월 사이 지하역사별 월별 초미세먼지 평균 데이터

• 센서를 활용한 자동화 및 예측 시스템을 이용하여 물 사용량 및 인력을 저감하여 경제적인 운영 가능

• 시민들에게 건강영향을 끼치는 미세먼지를 줄임으로써 국가보건비용의 절감을 기대

• 기계에 결함을 일으키고 교제주기를 앞당기는 비산먼지의 감소는 교체비용과 청소인력의 축소로 비용 절약이 가능

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

평가 내용

¯ 목적계통도

- QFD

개념설계안

집진장치 규격 및 구조

 집진장치는 크게 유입부, 몸통부, 하부로 구성되며 몸통부는 자기력 필터, 멀티 사이클론, 미세 필터로 구성되어 있으며 프로펠러가 위치한다. 하부엔 먼지 받이가 위치하며, 미세먼지가 축적되면 아두이노를 통해 축적량을 확인할 수 있다. 집진장치의 규격은 다음과 같고 구역별 상세 규격은 표로 나타내었다. 집진장치의 전반적인 외부는 투명 아크릴판으로 구현할 예정이다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

자기력 필터

참고연구에 따르면 PM2.5의 경우 3000 가우스의 영구자석과 1 mm 메쉬를 사용할 경우 52 퍼센트의 제거율을 보였고, 동자석과 4 mm 메쉬를 사용할 경우 47 퍼센트의 제거율을 보였다.1) PM10은 3000 가우스와 1 mm 메쉬가 57 퍼센트를 제거하였으며 동자석과 4 mm 메쉬는 53 퍼센트를 집진하여 제거하였다. 아래 그림과 같이 유속을 1.5 m/s로 고정한 경우 최대 71.4% 집진효율을 보여 그 활용성이 대두되었다.

하지만 해당 제품은 자화 메쉬를 사용하지 않는 제품이므로 이번 프로젝트에서 이 둘을 접목한다면 더 높은 효율을 도출할 것으로 판단하였다. 서울시 1호선의 표정속도가 약 7 m/s이다. 하부 풍속은 열차 속도의 20~30% 수준이므로, 고정 유속을 1.5 m/s로 가정한다면 자성먼지 포집에는 최적의 조건이다.2) 더하여 철 비산먼지 제거와 관련된 많은 실험과 근사한 유속이므로 포집 효율 비교에도 용이할 것으로 판단된다.

9,000 가우스 이상의 영구자석의 경우 자기장의 범위는 대략 5 cm 전후로 예상된다. 계획 중인 12,000 가우스의 영구자석과 4 mm 메쉬를 결합한 필터는 위 선행연구의 개발목표치인 500 가우스(자화된 메쉬의 자기장)를 웃돌게 함으로써 괄목할 만한 자성먼지 제거율을 보일 것으로 기대한다.

사이클론 포집효율 계산

설계한 사이클론의 입경별 효율 η_j와 전체 입경에 대한 효율 η_0은 각각 식1과 식2로 구할 수 있다. η_j를 구하기 위해 필요한 d_50은 절단입경으로 50%의 등급효율의 입자의 직경을 의미하며 식3으로 도출한다.

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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팀명4

목차