저승조
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 지하역사 승강장 내 미세먼지 킬체인(Fine Dust Kill-Chain)시스템 개발 및 구축
영문 : Research and development of fine dust Kill-Chain system for citizen-friendly subway platform
과제 팀명
저승조
지도교수
동종인 교수님
개발기간
2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 환경공학부 2014890033 박동완(팀장)
서울시립대학교 환경공학부 2014890010 김기현
서울시립대학교 환경공학부 2014890028 도영진
서울시립대학교 환경공학부 2014890038 박태현
서론
1) 과제 요약
● 지하철 승강장내 미세먼지 오염원의 기원을 두 가지로 나누어서 생각했으며 ‘외기 유입’과 ‘선로 유입’이 있음을 인지함.
● ‘외기 유입’ 중 승강장 미세먼지 농도에 영향을 주는 요인은 2가지로 식별되었고 ‘출/입구에서 유입되는 미세먼지’와 ‘급/배기구에서 유입되는 미세먼지’로 나눌 수 있음.
● ‘선로 유입’ 승강장 미세먼지 농도와 중금속 농도에 영향을 주는 요인은 선로 마모로 주로 급정차 시, 지하철이 가속되는 승강장의 선로에서 주로 일어났음.
● ‘외기 유입’의 경우 미세먼지의 제거를 위해 여러 가지 기술이 검토 되었으며(예) 싸이클론 집진기, 전동 집진기 등) 그 결과 역사 외부에 유리문이 없는 경우 유리문을 설치하고, 급기구에 여과 집진기를 추가적으로 설치하여 ‘외기 유입’으로 인한 승강장 미세먼지 농도 악화를 방지하고자 하였음.
● ‘선로 유입’의 경우 미세먼지의 제거를 위해 여러 가지 기술(여과막, 물을 이용한 일시적 농도 제거)이 검토 되었으나 중금속을 효율적이고 경제적으로 제거 할 수 있는 방법은 자성체를 이용하는 것임을 알았음.
● 그 결과 만약 한 시스템만 사용되게 된다면 ‘외기 유입’의 경우 미세먼지 농도 중 95%를 저감 할 것으로 기대되고, ‘자성집진장치’ 또한 경우 미세먼지 농도 중 95% 중금속 성분 50%를 제거 할 것으로 예상됨.
2) 과제 설계 범위
● 본 설계에서는 체계적으로 설계 범위를 설정하고 다양한 참고 문헌 및 기술 현황들을 조사하며 구체적인 연구 추진 순서 및 방법으로 합리적인 설계 목표를 설정하고 수행하였음.
① 공간적 범위
● 지하역사 내 시민들이 지하철을 기다리는 승강장
② 내용적 범위
● 미세먼지 저감 관련 연구 및 기술 개발 현황 조사
● 관련 기술 특징 및 제품 구매처의 경제성 분석 제시
③ 기술적 범위
● 기존 기술 개선과 문제점 보완을 통한 기술 연구 및 개발
● 입체적이고 요약적인 최종 설계 모형(Prototype) 제작[]
개발 과제의 목표와 내용
1) 지하역사 외부 공기의 승강장 유입
● 지하철 공기의 유입은 지하역사 외부 공기가 승강장으로 유입되는 경로(급기, 외기 오염물질 유입)와 지하철 터널 공기의 승강장 유입(터널 미세먼지 유입)으로 크게 나누어 볼 수 있음.
● 이번 과업에 있어 지하역사 내 승강장에서의 미세먼지 저감의 목적에 부합하는 구체적인 설계목표는 외기로부터 유입되는 총 미세먼지의 95%를 저감하고 선로로부터 유입되는 미세먼지 중 VOC는 95% 퍼센트 저감, 자성을 띄는 중금속 성분을 50% 퍼센트 저감 하는 것임.
● 지하 역사 내 승강장으로 유입되는 미세먼지 중 상당 부분을 차지 하는 것이 외부로부터 들어오는 공기의 유입임.
● 외기의 유입원은 크게 두 가지로 다시 나누어 볼 수 있는데 ‘출입구에서 지하역사 내로 들어오는 공기’와 ‘외부에서 강제로 내부로 공기를 순환시키는 급기’가 있음.
● 특히 외부에서 들어오는 공기 양의 상당량이 출입구에서 지하역사 내로 들어오면서 오염된 공기를 유입시키고 있으며, 외부에서 강제로 내부로 공기를 순환시키는 급기, 자연적으로 공기를 급기해주는 자연급기가 있음.
● 대부분의 지하철 역사의 출입구는 미세먼지 유입에 대한 대책이 없으며, 미세먼지가 많은 날의 경우 오염물들이 무방비로 유입되어 지하역사의 공기질이 악화됨.
● 미세먼지의 농도가 낮은 날이라도 보도 근처에 설치되어 있는 환기구의 위치가 충분히 높지 않은 경우(1.5m이하)는 다량의 이물질들로부터 VOC의 유입이 지속적으로 일어나고 있음.
● 따라서, 유입 시 미세먼지에 대한 차단이나 미세먼지가 저감되어 개선된 공기를 승강장으로 유입시킬 필요가 있음.
1) 지하역사 내부 터널 공기의 승강장 유입
● 지하역사 내 미세먼지 중 상당 부분이 철 및 기타 중금속(Fe, Ni, Cr)이 주요 구성 성분을 차지하고 있음.
● 선로 및 브레이크로부터 기원한 미세먼지가 승강장으로 다량 유입될 것으로 생각되는데 특히 승강장 구간에서 브레이크 및 가속 빈도가 가장 높음.
● 터널로부터 유입되는 공기의 성분은 외기로부터 유입되는 공기의 성분과 확연한 차이가 있으며, 외기의 대부분은 공기성분이 TVOC인 경우가 많은데 터널공기의 경우 중금속을 포함한 공기, 특히 Fe를 다량으로 포함하고 있는 것으로 식별되었음.
● 터널과 승강장 사이의 미세먼지 중 선로에서 발생하는 철이 차지하는 구성비율과 외부에서 유입된 TVOC의 구성 비율이 <표 2>와 같이 유사한 경향을 보이는 것을 통해 터널 공기가 승강장으로 유입되어 상당한 상관관계가 있는 것으로 보임.
● 실제로, 지하역사의 대합실은 외기 미세먼지 농도기준으로 대합실은 최소 1.1배에서 최고 2배, 승강장은 최소 1.7배에서 최고 2.6배까지 차이가 났고, 이는 지하역사의 미세먼지는 외기의 미세먼지에 의한 영향보다 철도 운행에 따른 미세먼지 발생에 의한 영향을 많이 받고 있다는 것을 알 수 있음.
● 스크린도어가 닫혀 있을 경우 미세먼지의 일차적인 차단 효과는 있을 것으로 보이나 스크린도어의 개방 시 승강장 내 대기질은 매우 악화될 것으로 보임.
● 환기팬을 이용하여 미세먼지를 순환시키는 기술은 비산먼지의 재부유의 가능성이 높고 이미 경제성 측면에서 그 효율이 매우 떨어지는 것으로 식별 되었음.
● 지하철 터널 공기의 지속적인 승강장 유입은 시민의 건강 및 보호에 우려할 만한 유해성을 지니고 있을 가능성이 높기 때문에 이에 대한 개선이 필요한 실정임.
3) 미세먼지 킬 체인 시스템(Kill-Chain System) 구축
● 본 설계에서는 지하역사 내 승강장 시민 밀착형 미세먼지 킬 체인(Fine Dust Kill-Chain)시스템을 구축하고자 함
● 지하철 외기의 경우 출입구에 유리문을 설치하여 일차적인 유입경로를 차단하고 외기의 유입경로를 통일시키고, 환풍구에 집진 장치를 설치함으로써 외기로부터 미세먼지를 감소시킬 것임.
● 지하철 터널로부터 유입되는 미세먼지의 경우 지하 선로에 자성집진을 사용하여 Fe등 시민들에게 유해한 중금속의 유입들을 감소시킬 것임.
관련 기술의 현황
State of art
● 지하철 승강장 비산먼지 저감 시설 연구 및 개발은 미미한 상태이며 현재 지하철 승강장 내에 존재하는 미세먼지 저감 기술은, 가장 기본적인 물청소를 비롯하여 크게 3가지 종류(환기 시스템, 스크린 도어, 자성 이용 장치)로 분류 될 수 있음.
1) 환기 시스템
● 환기 시스템은 가장 기본적인 저감 기술로 열차풍과 대류현상으로 인한 자연 환기와 환기시설의 환기풍을 이용한 강제 환기로 나눌 수 있음.
● 자연 환기는 팬과 같은 기계를 이용하지 않고 터널과 승강장 내의 공기가 자연스럽게 외부로 빠져나는 기술임. 위 기술은 경제적인 면에서 우수하나 팬을 이용한 강제 환기에 비해 효율이 떨어짐.
● 강제 환기는 동력을 이용하여 강제적으로 환기풍을 방생시켜 승강장 내의 비산 먼지를 제거하는 방법임. 위 기술은 역사 내 축적된 비산먼지를 재부유시키며 오히려 역사 내 미세먼지의 수치를 더 증가하는 역효과가 나타나는 것이 식별됨.
2) 스크린 도어
● 스크린도어는 승객의 안전뿐만 아니라 승강장과 전동차 사이의 공간을 차단시키므로 실내 공기질의 향상에도 기여함.
● 지하역사 터널과 승강장의 공기 이동을 차단하면서 열차가 터널에서 승강장으로 진입할 때 발생되는 열차풍에 의하며 비산되는 미세먼지의 유입의 일차적 차단이 가능함.
● 스크린 도어의 운영으로 승강장 내의 PM10농도가 16%까지 감소되는 것을 확인하였으나, 열차풍과 환기로 자연적으로 순환하던 미세먼지가 스크린 도어에 의해 막혀 터널 내에 잔류하며 터널 내의 미세먼지를 더욱 증가시키는 문제점이 있음.
● 스크린 도어 개폐 시 터널 내부의 고농도 PM이 승강장으로 유입되어 승강장 내의 PM농도를 높이므로 일시적인 차단일 뿐, 저감 기술은 아님.
3) 자성 이용 장치
● 자성 이용 장치는 영구 자석 및 자석 필터를 이용하여 미세먼지 내 중금속이 많은 곳에서 주로 쓰이며 중금속 제거에 효율이 좋음.
● 전동차 하부 부착형 저감 기술은 전동차 하부에 자석 필터와 흡입기를 설치하여 열차와 선로 사이의 마찰로 인해 발생하는 비산먼지를 제거하는 기술이며, 2018년부터 몇몇 역사에서 시범 운행 되고 있으며 2019년에 더욱 확대 운영할 계획임.
● 지하역사 중 터널에서는 대부분의 미세먼지가 중금속으로 이루어져 있으며 이를 저감시키기 위해 자석을 이용하여 설계하였으나 다른 성분의 먼지에 큰 제거 효과가 없음.
● 자성 필터를 이용한 집진장치는 환기 시스템에 자성을 이용하여 환기 되는 먼지 중 중금속을 제거하는 것으로 현재 터널에 부착되어 있는 기술이 존재하나 승강장 내에는 아직 계발이 부족하여 추가 적인 연구 개발 필요.
● 최근 다방면에서 자성 이용 장치에 관한 많은 특허 및 기술 개발이 이루어지고 있으며 그와 관련된 특허와 요약 내용은 <표 3>에 요약함.
기술 로드맵
특허조사
관련 시장에 대한 분석
경쟁제품 조사 비교
가. 경쟁제품 조사 비교
● 현재 지하역사의 승강장의 미세먼지 저감을 위해 시행되고 있는 기술들은 운용비용이 큰 편임을 식별하였음.
● 각 지하철 역사 내에는 대용량(30~50kw) 환기팬을 일정시간 가동하여 환기하고 있으며, 각 역사 당 30kw 환기팬 1대가 24시간 가동 시 연간 6450만원의 전력요금이 발생함.
● <표 4>은 터널 내에서 발생하는 비산먼지의 저감 효율과 경제성을 보여주는 지하역사 내 미세먼지 저감 기술 평가 표임. 습식 제거의 경우 물 운반 비용과 살수차 운전 인력비용, 공기청정기에 의한 강제 환기는 설치비용이 매우 비쌈.
● 영구 자석 및 자성체를 활용한 기술인, 전동차 하부 부착형 저감 장치나 자성 필터는 자기력에 의해 미세먼지를 저감시키므로 반영구적이며, 장기간 사용가능 하기 때문에, 그 경제성이 뛰어난 것으로 판단됨.
마케팅 전략
개발과제의 기대효과
1) 기대효과
● 지하역사 내 승장장에서의 미세먼지 농도 저감으로 인한 시민들이 쾌적한 생활에 도움을 주며 이전에 가지고 있었던 불안감의 일부 해소 시킬 수 있을 것이라 생각됨.
● 기존 기술 대비 경제적이고 효율적으로 승강장내의 미세먼지 농도 저감으로 장기적으로 전력 낭비를 미연에 방지 하여 예산 절감 가능.
● 승강장 내로 유입되는 중금속과 같은 비산먼지의 유해물질의 직접적인 호흡기 유입을 차단함으로써 시민의 건강을 유지하는데 기여할 수 있음.
2) 향후 개선점
● 경제성을 확보하기 위해 추가적으로 면밀한 조사가 필요하며, 지하철 담당 부처와 긴밀한 협조가 필요하여 공사를 진행해야 함.
● 일방향의 지하역사에 대한 설계를 진행했다면 역사의 두 방향에서 동시에 열차가 진입할 때 상쇄되는 열차풍의 정확한 유체 흐름을 파악하여 확장적으로 사업을 진행할 필요가 있음.
● 역사의 높이가 스크린도어보다 높아 상부 여유 공간이 존재하는 역사의 경우를 고려하여 외기의 유입을 계산하고 설계를 진행해야함.
● 터널 내에 부유하는 철 성분 외의 미세먼지를 제거하기 위해 추가적인 장치도입이 필요함.
● 자성집진필터 설치위치가 벽면임을 고려, 전철에 의한 진동 및 공기압력으로 인한 구조적 취약점을 최소화하기 위해 장치의 설치를 견고하게 함.
● 상시 운행하는 지하철의 특성상, 장치의 유지관리를 수행할 수 있는 시간대가 제한적임.
구성원 및 추진체계
설계
설계사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
조립도
조립도
내용
조립순서
내용
부품도
내용
제어부 및 회로설계
내용
소프트웨어 설계
내용
자재소요서
내용
결과 및 평가
완료작품 소개
프로토타입 사진
내용
포스터
내용
특허출원번호 통지서
내용
개발사업비 내역서
내용
완료 작품의 평가
내용
향후평가
내용
부록
참고문헌 및 참고사이트
내용
관련특허
내용
소프트웨어 프로그램 소스
내용
