실내쾌적하조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 1인가구를 위한 Built-in 환기시스템

영문 : Built-in Ventilation System for Single Household

과제 팀명

실내쾌적하조

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 민**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 박**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 배**

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 이**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

최근 실외뿐만 아니라 실내공기질의 중요성이 대두되면서 실내공기질을 관리하기 위한 여러 기술과 장치가 많이 출시되고 있으며 대표적으로 실내 공기청정기를 예로 들 수 있다. 허나 기존 출시된 실내 공기질을 관 리하는 대부분의 제품들은 외기의 도입으로 실내외의 공기를 순환시키는 것이 아니라 단지 실내의 공기를 순환시키며 공기질을 관리하기 때문에 실질적인 재실자의 쾌적성을 보장해주지 못하고 있는 현실이다. 이러 한 문제를 해결하기 위해 본 과제에서는 “소형가구를 위한 Built-in 자동환기시스템”을 설계하여 전열교환 기를 이용한 환기장치를 구축하고 이를 통해 외부에서 내부로 유입되는 공기의 온습도를 제어함은 물론 미 세먼지 등 대기오염물질을 집진하여 자동으로 실내 공기를 환기시킬 수 있는 장치를 설계하였다. 이번 프로 젝트를 통해 본 설계제품의 전반적인 설계과정을 설명하고, 설계제품을 구성하고 있는 장치들의 원리와 역 할에 대해 자세하게 설명하겠다. 아울러 이 장치가 시장에 출시되었을 때의 가능성에 대해 분석해봄으로써 설계 완료된 제품의 시장 가치를 객관적으로 판단하여 최종적으로 올바른 설계가 진행되었는지 판단해보도 록 하겠다.

개발 과제의 배경 및 효과

(1) 실내공기질의 중요성

◇ 도시의 생활양식과 직장인의 근무양식의 큰 변화로 인해 현대인은 약 80~90% 이상의 시간을 실내에서 영위한다. 또한 실내에서 발생하는 다양한 오염물질 때문에 “빌딩증후군(Sick Building Syndrome)” 및 “화 학물질과 민증(Multi-Chemical Sensitivity)” 등에 대한 질환을 호소하게 됨으로써 실내공기 환경에 대한 인식이 새로운 사회적 관심사로 부각되었다.

◇ 도시화는 가장 큰 세계적 동향으로 앞으로도 꾸준히 실내공기 환경이 중요한 이슈가 될 것이다.

◇ 2020년 1월부터 발생한 ‘코로나-19 바이러스’로 인해 외부 활동이 제한됨에 따라 재택근무, 재택수업 등으 로 실내공기질이 더욱 중요하게 되었다.

(2) 국내 1인 가구의 비중과 실내공기질

◇ 2019년 총 가구는 2,089만 가구로 2018년에 비해 39만 가구(1.9%)가 증가했다. 총 가구에서 1인 가구의 비율은 30.2%로 가장 높은 비율을 차지했으며, 2인 가구가 27.8%로 그 뒤를 기록했다. 1인 가구의 활용공 간이 비교적 협소하여 실내공기질을 제어해줄 수 있는 제품을 들이는 것이 어렵다.

◇ 한 기사에 따르면 전국 1만 6220가구를 대상으로 실내공기질을 조사한 결과 1인 가구가 47.7㎍/m3로 미 세먼지 농도가 가장 높았으며 그 뒤를 노인가구 37.7㎍/m3가 차지했다. 이는 세계보건기구(WHO)의 미세먼 지 연간 권고 기준 20㎍/m3의 2배 정도이다. 이는 환기를 지속적으로 하지 못함으로 인한 실내공기질 오염 이라 볼 수 있다.

(3) 환기 필요성과 쾌적성

◇ 경기도 파주에 위치한 유명 커피 브랜드 S사 가게 내부에서 확진자의 비말이 에어컨을 통해 실내공간을 순환하게 되면서 다수의 확진자가 발생하였고, 이로 인해 환기의 중요성이 강조되었다.

◇ 1인 가구 환기의 경우 날씨가 추운 겨울철 환기를 통해서 실내 열부하를 떨어뜨리기 때문에 환기를 잘 하 지 않아 심각하다.

◇ 기존 공기청정기의 경우, 실내공기에 있는 공기를 순환시켜주며 실내공기의 미세먼지를 제거해주고 있지만, 외부공기의 도입이 없어 재실자의 호흡으로 인해 발생하는 CO2는 실내공간 안에 계속 축적된다.

◇ ‘건축물의 설비기준 등에 관한 규칙’에서 100세대 이상의 공동주택의 경우 시간당 0.5회의 환기가 이루어질 수 있도록 자연환기 설비 또는 기계환기 설비를 설치하도록 규정했다. 하지만 대부분의 1인 가구가 거주하는 곳은 원룸, 단독주택 등의 100세대 미만의 주택이 대부분이다. 따라서 법령을 지킬 필요가 없어 건축물을 설치할 때 환기설비를 갖출 필요가 없다. 이로 인해서 1인 가구의 실내공기질 개선 방안이 필요하다.

(4) 소형 가구를 위한 Built-in Air-condition System 제품 개발 효과

◇ 실내공기질 제어를 실내공기 순환이 아닌 외부공기를 도입함으로써 기존 난방장치 및 실내 공기청정기가 해결하지 못한 재실자의 쾌적함을 유지한다.

◇ 난방기능의 탑재를 통해 겨울철에도 환기를 통해 실내공간을 쾌적하게 유지시켜줄 수 있다.

◇ 공기질 제어기기를 건물 안에 내장시킴으로써 재실자의 생활 활용공간을 넓힐 수 있다.

◇ 1인 가구에서의 실내공기질을 개선함으로써 1년 365일 안전하고 쾌적한 실내 활동이 가능하다.

개발 과제의 목표와 내용

◇ 1인 가구 기준 계절별 적정 온도, 습도, 미세먼지 등 기준의 선정

◇ 해당 기준에 따른 통한 실내공기질의 올바른 평가

◇ 난방 및 정화장치의 소형화

◇ 기준에 따른 제품의 설계 및 평가

◇ 선정 기준 달성 유무 및 필요 동력 산출

관련 기술의 현황

State of art

◇ 미세먼지의 증가와 최근 팬데믹 사태 등으로 인해 사람들 사이에서 실내 환기의 중요성이 높아지고 있다. 이에 대한 해결방안으로 실내 환기와 동시에 쾌적성을 유지할 수 있는 다양한 기술들이 개발되어 왔으며 이를 이용한 기기들 또한 선보여지고 있다. 본 항목에서는 전열 교환기 내 열교환 기술을 조사하여 해당 기기들이 어떻게 작동하고 있는지 알아보았다.

(1) 열회수 장치 (Heat recovery equipment)

◇ 열 회수장치는 내부의 대기가 밖으로 나가는 과정에서 외부 대기와의 교차를 통해 에너지를 회수할 수 있 도록 하는 장치이다. 공기가 실제로 섞이지 않고 교차시켜 열만 교환하는 것으로 난방기준 75% 이상의 효 율을 보여주고 있다. 본 장치의 가장 큰 역할은 환기를 위해 창문을 열었을 경우 낭비될 에너지를 최소화 시키는데 있다. 최근 저전력 모터를 이용한 기기들의 개발로 높은 에너지 효율을 갖는 기기가 많이 개발되 고 있다.

(2) 열교환기 (Heat exchanger)

◇ 열교환기란 두 개 또는 그 이상의 유체 사이에서 열에너지 교환이 발생하도록 하는 장치이다. 그 과정에서 유체가 섞이지 않고 에너지가 교환됨으로써 온도를 높여주는 난방의 목적으로 사용될 수 있다. 일반적으로 금속 튜브로 유체를 분리하며 커다란 탱크에 각각의 유체가 드나들 수 있는 입구와 출구를 설정한다. 본 장 치의 효율을 높이기 위해선 표면적을 높이는 것이 필수적이며 그에 따라 효율이 결정된다.

기술 로드맵

◇ 현재 실내환기와 쾌적도를 동시에 제어하는 시스템은 고층 빌딩이나 대형 건물에는 바닥 급기 시스템 등 여러 공기질 제어 시스템이 존재하지만, 1인 가구의 경우는 이에 대한 제어 시스템이 마련되어있지 않은 상 황이다. 따라서 우리의 아이디어를 구체화하기 위해 제안 및 개발 과정에서 이 기술의 강점과 약점을 파악 하고 시뮬레이션을 통해 이를 명확하게 한다. 이후, 실내공간의 환기 및 쾌적도 기술과 장치에 들어가는 세 부 단위장치들의 소형화 기술 개발과 보완을 통해 유사 기술과의 경쟁력을 확보하여 이를 일반 가정에 보편 적으로 보급되는 것을 목표로 한다.

특허조사

(1) 태양열을 이용한 난방 시스템용 전열교환기의 구조

(출원번호: 1020050104945, 출원일자: 2005.11.03.)[등록]

태양열을 이용한 난방 시스템용 전열교환기의 구조

◇ 태양열 집열판에서 생성된 열을 동작 유체인 에틸렌글리콜을 이용하여 저장탱크에 온수를 생성, 저장하고, 생성된 온수를 다시 난방용으로 사용하는 방법을, 바람직하게는 전열교환기에 의한 공기가열 난방과 온도패널에 의한 복사난방을 구현할 수 있는 태양열을 이용한 난방 시스템을 제시하였다.

(2) 에너지 절감을 위한 환기 벽체 시스템

(출원번호: 1020120085628, 출원일자: 2012.08.06.)[등록]

에너지 절감을 위한 환기 벽체 시스템

◇ 건축물의 벽체에 공기 통로를 형성하고, 이 공기 통로와 전열교환부를 연결하여 겨울철 실외에서 유입되는 공기가 상기 공기 통로에서 1차 가열이 이루어진 상태로 전열 교환기에 유입되도록 함으로써 실내와 실외의 온도 및 습도 차이에 의한 결로 현상을 방지하고, 에너지를 절감할 수 있는 시스템을 제시하였다

특허전략

◇ 기존에 출원되었던 특허자료와 소멸 특허를 조사하여 주요 타겟 기술(난방용 폐열 사용, 전열교환기, 환기시 스템 등)의 특허 DB를 구축한다.

◇ 본 설계 제품은 환기시스템 도입의 법적 강제성이 없는 1인 가구를 위해 소형 전열교환기와 특수 배관을 통 한 열교환으로 외기 온도를 높인다는 점과 PM-2.5까지의 제거가 가능한 헤파필터를 통한 미세먼지의 제거가 가능하다는 점이 기존 특허와의 큰 차이점이다.

◇ 소형 전열교환기의 단점인 동시 급기, 배기가 불가능하다는 점을 착안하여 급•배기가 동시에 이루어질 수 있 는 점 또한 기존 제품에서 보완한다.

◇ 특수 배관을 설치하여 겨울철 외기 온도 상승의 효과로 인한 실내 쾌적성과 기존 전열교환기의 결로 현상의 해결책을 모색한다.

◇ 보일러 배관의 설치방법과 특수 배관의 연결방법에 대한 설계를 제시한다.

◇ 실제 1인 가구에 맞는 겨울철 환기량의 산정과 환기량에 따른 적합한 설계가 가능하도록 한다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

◇ 전열교환기는 현재 고층 건물 및 다세대 주택에서 법으로 사용을 권유하고 있을 만큼 중요성이 높아지고 있는 제품이다. 그에 따라 다양한 제품이 현재 시장에 출시되어 있으며 선택지 또한 다양하다. 그중 본 과제 에서 우리 팀이 개발을 목표로 한 1인 가구 대상 전열교환기와 용도가 유사한 제품들을 조사 및 비교하였 다.

(1) 환기 유니트 (ERV)

환기 유니트 (모델명 : ERV-바이패스형 SSB type)

◇ 주식회사 에이피에서 제작한 오염된 실내공기를 순환시키는 기계식 공기순환장치이다. 펄프와 열교환소자를 이용하여 환기되는 공기의 열을 교환시키게 된다. 풍량의 경우 기기의 모델 종류에 따라 최대 500~1000 CMH의 사양을 보이고 있고, 소음은 45dB 이하로 실내 사용 시 적합한 조건을 지니고 있다. 미세먼지 및 바 이러스 등 다양한 필터의 종류를 선택할 수 있으며, 고성능 외기청정필터, 헤파필터 등의 옵션이 있다.

◇ 이 제품의 가장 큰 특징은 다양한 설치 형태를 고를 수 있다는 것이다. 우선 대표적으로 위의 이미지 모델 과 같은 바이패스형(천장매립형), 건물 바닥 하부에 설치하는 바닥상치형이 있다. 추가적으로 주상복합 건물 등 천장고가 낮은 건물을 위한 무덕트 카세트형, 최소한의 기능만을 포함한 급/배기 유니트 등이 있다.

◇ 현재 환기 유니트는 대형 건물에 설치되어 온도, 습도, 미세먼지 등을 제어하며 실내 재실자의 쾌적성을 보 장하는 장치로 사용되고 있다. 하지만 환기 유니트의 경우 천장공간에 따로 필요로 하는 많은 설비를 설치해 야 하기 때문에 층고 효율이 낮아지고 초기 설치비용이 비싸 대형 건물만 주로 사용하는 환기 설비이다.

◇ 환기 유니트에 전열교환소자7)를 넣어서 만든 전열교환기 제품이 현재 시장에 지속적으로 나오고 있으며 이 는 온도와 습도의 조절을 전열교환소자를 통해서 일정 비율 얻을 수 있기 때문에 기존 환기 유니트에 비해서 에너지가 절감되는 장점이 있다. 하지만 덕트의 필요로 인해 천장 공간을 사용하기 때문에 층고 효율이 저하 되며 기존 전열교환기의 전열교환소자의 크기가 크기 때문에 설치공간이 제한적이라는 단점이 있습니다. 또 한 법적으로 환기설비가 필요한 100세대 이상의 공동주택에서만 설치되고 있기 때문에 1인 가구에 설치하기 엔 공간적, 비용적 부담 때문에 현재 기존의 전열교환기를 설치하는 1인 가구는 없다.

(2) 열회수환기장치 (모델명 : RA1-50)

◇ 해당 제품은 독일의 Vents사에서 제작한 것으로, 원통형 구조로 되어 있다는 것이 대표적인 특징이다. 본 제품은 11~21dB의 저소음, 약 97%의 열회수율, G3, F8 필터, 폴리머 코팅처리 후드 등 매우 뛰어난 성능을 보이고 있다. 그럼에도 불구하고 현재 많은 보급이 이루어지지 않은 가장 큰 이유는 가격이다. 해당 제품은 초기 설치비용이 다른 국내 제품들에 비해 약 10배 이상 높은 것으로 나타났다. 또한 실내 환기장치의 경우 필터의 교체 등으로 인한 유지비가 발생하는데 본 제품의 필터교체비가 매우 비싸다. 이와 같이 설치/유지비 를 적정 수준으로 유지하는 것 또한 제품의 경쟁력 중 하나로 매우 중요하다.

◇ 본 제품은 독일의 Vents사에서 제작한 것으로 현열교환기, 미세먼지 필터 등을 사용하여 실내 재실자의 쾌 적성을 보장하는 장치로 사용되고 있다. 하지만 가격이 매우 비싸며 필터 교체 등의 유지관리비용이 많이 소 요된다는 단점이 있다. 또한 현열교환기의 사용으로 인해 환기 시에 온도의 교환만을 통해 실내 공기의 온도 만 맞춰주기 때문에 습도의 측면에서 재실자의 쾌적성을 보장할 수 없다는 단점을 가지고 있다. 또한 환기가 제대로 이루어지기 위해서는 급기와 배기가 동시에 이루어져야 환기가 원활이 일어나지만 본 장치는 급기와 배기가 각각 이루어져 환기가 원활이 되는지에 대한 의문점이 제기된다.

마케팅 전략

(1) SWOT 분석

Built-in Air-Control System SWOT 분석표

◇ 이번 과제를 통해 얻을 수 있는 긍정적 효과 부분에서는 환기가 어려운 겨울철에도 환기를 진행할 수 있고, 가정에 보일러를 틀 경우, 자동적으로 실내공간 또한 가열할 수 있어 효과적이다. 또한 Built-in 시스템을 통 해 좁은 1인 가구의 생활공간을 확보할 수 있고, 1인 가구의 수가 늘어나는 경향이기에 수요가 확대될 것으 로 전망된다. 이는 생활환경과 건강을 생각하였기에 외부적으로 지원 가능성이 높고, 사물인터넷과 연계될 경 우 더욱 체계적이고 간편한 시스템으로 자리잡을 수 있을 것이다.

◇ 부정적인 견해로는 건물 내부에 설치할 경우, 건물의 내구성과 자연재해로 인한 파손이 우려되고, 초기 건물 설계할 때부터 이를 고려하여 시공해야 하기에 추가적인 비용이 발생할 수 있다. 또한 실내공간에서 온풍기 와 보일러를 병행했을 때와 이 시스템만을 이용하였을 때의 효율성 비교가 정량적으로 어렵기에 이에 대한 효율성도 고려해야 한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

(1) 환기를 통한 실내쾌적성 보장

기존 장치들과 같이 실내공기를 순환시키는 것이 아니라 외부공기를 도입하면서 동시에 온도 및 습도 제 어를 통해 재실자의 쾌적성을 보장한다. 또한 난방기능을 이 장치에 탑재하여 환기가 어려운 동절기에 실내 공간을 환기할 수 있도록 한다.

(2) 난방 시 보일러 배관 열회수 가능

동절기 때 가구별 보일러를 가동할 때 배관에 흐르는 온수의 열을 회수하여 이를 system 전열교환기에 전달하도록 해서 급기된 외기의 온도를 높여 실내공간으로 유입되는 공기의 온도를 높여줄 수 있다.

(3) 좁은 1인 가구의 생활공간 창출

난방이 가능한 환기장치를 건물 외벽에 내장하기 때문에 좁은 1인 가구 내에서 에어컨, 공기청정기 등 기 존 장치들이 실내에서 차지하고 있던 공간을 창출하여 재실자의 활용공간을 넓혀줄 수 있다.

경제적 및 사회적 파급효과

(1) 경제적 효과

경제성 분석을 위한 B/C 분석에서 위에서 산정한 편익(Benefits)과 비용(Costs)을 통해 비율을 계산해 보 았을 때, 이 장치를 도입한 초기에는 1년 동안 운영했을 때는 초기 개발비 및 설치비가 높기에 B/C ratio = 0.61 이 나오지만, 4년 동안 운영했을 때는 편익이 비용을 넘기며 기대수명을 10년으로 가정하였을 때 B/C ratio = 1.71 이 나오며 경제적으로 효과가 있다는 결론이 도출되었다.

(2) 사회적 파급효과

2019년 통계청 자료에 의하면, 현재 우리나라 1인 가구의 비율은 30.2%, 2인 가구의 비율은 27.8%로 소 형 가구가 전체의 60%를 차지하고 있고, 이 수치는 계속해서 증가할 것으로 예상된다. 현재 1인 가구에서 환기를 하게 될 경우, 기존 난방장치로 유지하려고 하는 온도 및 습도 제어가 어려워 환기를 하지 않는 경 향이 있다. 이 부분을 해결하여 늘어나고 있는 1인 가구의 쾌적도 개선에 큰 역할을 할 수 있다.

구성원 및 추진체계

가. 개발 일정

종합설계 단계별 세부개발 내용 및 개발기간

나. 구성원 및 추진체계

◇ 민경호 : 팀장, 아두이노 프로그램 코딩, 설계 운영비 관리

◇ 박우성 : 사전 기술 현황 조사, 경제성 분석

◇ 배정현 : 3D CAD, 기기 프로토타입 제작

◇ 이재신 : 설문조사, 특허출원, 설계 자문

설계

설계사양

가. 제품 요구사항

제품요구사항

제품 요구사항에 대한 설명

우리가 설계하려는 장치의 궁극적인 목적은 환기를 하는 동시에 온·습도를 제어하는 것이다. 따라서 장치가 실내공간을 환기할 수 있는 능력과 온도 및 습도를 제어할 수 있는 능력을 기술적 항목에서 가장 중요한 요 구사항으로 설정하였다. 또한 장치에 미세먼지 필터를 도입하여 외부에서 내부로 유입될 때 미세먼지를 집진 하여 깨끗한 공기를 실내공간에 급기하는 것을 요구사항으로 설정하였다. 이번 장치에서 사용하려는 전열교 환소자(펄프)의 전열교환 능력에 따라 경제성 및 효율성 부분에 영향을 미치기 때문에 이 또한 중요한 요구사 항으로 고려하였다. 이 외 관련된 유사 제품들과의 경쟁력을 위해 장치의 경제성 및 효율성이 보장되어야 하 고 제품을 사용하려는 고객이 이해하고 이를 운전하는데 어려움이 없어야 하기에 두 가지 사항 모두 제품의 요구사항으로 추가하였다.

나. 목적계통도

“1인 가구를 위한 Built-in Air Control System” 목적계통도

일반적인 장치의 목적을 고객의 입장에서 고려할 때, 장치에 대해 크게 3가지 항목(기능성, 경제성, 안정성)으 로 목적을 나눌 수 있다. 기능성 부분에서는 우리가 설계하려는 장치가 어떠한 기술을 이용하여 고객에게 어 떤 것을 제공하려고 하는지, 경제성 부분에서는 고객이 이 장치를 구매하고 운전하는데 부담이 없는지, 안정성 부분에서는 장치의 내구성 및 안정성을 확보하여 고객이 장치의 고장이나 파손으로 인해 물질적, 정신적으로 피해를 입지 않는지에 대해서이다. 따라서 우리는 위와 같이 장치의 목적별 고려해야 할 사항에 대해 작성하 였다.

다. QFD(Quality Function Deployment)

“1인 가구를 위한 Built-in 환기시스템” QFD

(1) QFD 도식과정

Step 1. 고객의 요구사항

- 주 고객은 1인 가구 건물주이지만 실질적인 사용자는 1인 가구에서 거주하는 재실자이다. 해당 고객 층에 적합한 요구사항에 대해 고려해보았다.

Step 2. 중요도

- 각 요구사항 별 중요도를 1부터 3까지로 설정하여 점수가 클수록 중요도가 높다고 나타낸다. 앞서 제 시한 제품 요구사항이 고객의 요구사항과 부합하는 부분에서는 높게 산정하였고 이외의 고객의 편의 적인 부분에 대해서는 임의로 산정하여 중요도를 표시하였다.

Step 3. 설계변수 설정

- 설계하려는 장치를 위해 설정해야 할 설계변수를 작성한다.

Step 4. 고객의 요구사항과 설계변수와의 관계

- 앞서 고려한 고객의 요구사항에 대해 설계변수와의 관계를 나타낸다.

Step 5. 설계변수 간의 관계

- 장치 설계에 있어 필요한 인자들 간에 관계에 대해 고려하여 이를 나타낸다.

(2) QFD 상관관계

1) [제품 요구사항-설계변수] 간 상관관계

① 환기 수행능력 : 환기 수행 능력에서 가장 중요한 것은 팬을 통해서 얼마나 많은 양의 외기가 내부로 도 입되는지의 양이다. 따라서 이와 가장 연관성이 많은 송풍량을 가장 높다고 표시하였고, 송풍량의 인자들 로 사용되는 팬의 동력과 직경을 그 다음으로 높다고 나타내었다.

② 온·습도 제어능력 : 장치의 온·습도 제어능력에 가장 큰 연관이 있는 변수는 장치의 전열교환효율이다. 전열교환효율이 높을수록 온·습도 제어능력이 높기에 가장 높은 상관관계에 있다고 표시하였고, 외기의 도 입량이 많을수록 온·습도 제어능력이 떨어지고 펄프가 위치하는 장치의 길이가 길수록 긴 시간동안 전열 교환이 이루어지기에 이 두 항목도 상관관계가 있다고 말할 수 있다.

③ 미세먼지 집진능력 : 같은 부피에 포함된 미세먼지의 양이 같다고 가정하였을 때, 외기가 도입되는 송풍 량이 많을수록 장치를 통해 집진되는 미세먼지의 양이 많아지게 된다. 그리고 미세먼지의 집진량이 많아 질수록 여과속도가 빨라져 필터 교체주기에도 영향을 미친다.

④ 가격 및 유지비용의 적절성 : 장치의 대표적인 비용으로는 초기시공비용과 유지비(전력비 및 필터 교체 비)가 있다. 팬의 직경과 장치 길이가 커질수록 초기시공비가 많이 들어가고, 팬의 동력은 소요되는 전력, 여과속도는 필터 교체비용과 상관관계가 있다.

⑤ 내구성 및 안정성 : 팬의 동력, 송풍량이 커지게 되면 장치의 안정성을 떨어뜨릴 수 있다. 그리고 직경과 길이가 커지게 될 경우, 장치의 크기가 확장되어 이에 대한 내구성도 고려해야 한다.

⑥ 장치 크기의 적절성 : 장치 크기에는 팬의 직경과 장치의 길이가 큰 상관관계를 가지게 된다. 두 항목 모 두 장치의 크기와 정비례 관계를 가지고 있다.

⑦ 운전 조작의 용이성 : 우리가 지정한 설계변수와 뚜렷한 상관관계가 없다고 판단하였다.

2) [설계변수-설계변수] 간 상관관계

① 팬의 동력 : 팬의 동력은 송풍량과 큰 상관관계를 가지고 있고, 동력을 통해 산정되는 송풍량을 통해 미 세먼지의 여과속도와 도입되는 외기와 내부공간의 내기와의 전열교환이 이루어지기에 두 가지 항목이 동 력과 상관관계에 있다.

② 팬의 직경 : 팬의 동력이 같을 때, 직경이 커질수록 송풍량이 많아지기에 큰 상관관계를 가지고 있다. 팬 의 동력과 마찬가지로 송풍량의 변수로 쓰이기에 팬의 동력과 같이 여과속도와 전열교환 효율과 상관관계 를 가지게 된다.

③ 송풍량 : 팬의 동력이 클수록, 직경이 클수록 송풍량이 커지게 된다. 송풍량이 커질수록 집진되는 미세먼 지의 양이 많아지고 외기와 내기의 전열교환 효율도 영향을 주기에 여과속도와 전열교환 효율과 상관관게 를 가진다.

④ 여과 속도 : 여과속도는 전열교환 효율과 장치의 길이와는 뚜렷한 상관관계를 가지지 않는다.

⑤ 전열교환 효율 : 전열교환이 이루어지는 전열교환 펄프의 길이가 길어질수록 외기와 내기가 접촉하는 길 이가 길어지게 되어 그만큼 전열교환 효율이 늘어나게 된다. 따라서 전열교환 효율은 장치의 길이와 상관 관계에 있다.

개념설계안

◇ 1인 가구에 거주하는 신축 원룸 혹은 기 건축된 건물을 제품의 주요 고객으로 잡은 상황에서 제품의 기능적 인 요소 뿐만 아니라 상업성도 고려한 결과 냉방장치를 최종적으로 전체 설계품목에서 제거하게 되었다. 기 건축된 건물에는 에어컨 등의 냉방장치가 이미 설치된 곳이 많아 본 설계 제품을 구매 시 냉방기능이 투자되 는 비용에 비해 생산해내는 이익이 없어 상업성이 없다고 판단하였으며, 신축 건물에 경우 건설업자 혹은 건 물주가 에어컨을 포함한 실내장치를 설치하기 위한 장치 구매 시 브랜드가치가 더 높은 기성 제품보다 본 설 계제품의 경쟁력이 떨어진다고 판단하여 냉방기능 없이 난방과 자동적인 환기 기능에 중점을 두어 장치를 설 계하게 되었다.

◇ 냉방장치의 제거 이외에는 구조 및 기능이 기존과 동일하며 내부 전열교환기로 유입되는 외기의 온도와 습 도를 제어하고, 중간에 설치된 필터로 미세먼지 등의 대기오염물질을 집진하는 역할을 수행하게 한다. 설계품 중간체에 전열교환기 부분은 반대로 교차되는 다수의 관을 원통형으로 합쳐 급기와 배기가 동시에 이뤄지는 구조로 설계하였으며, 원통형 양 끝에는 송풍장치를 설치해 실내 환기에 필요한 송풍량을 얻어낼 수 있도록 하였다.

◇ 겨울철 환기 시 흡기되는 공기의 온도 조절을 위해 보일러관의 난방수를 사용하며 벽으로 연장하여 설치된 보일러 관을 환기장치 주변을 감싸게 설계해 관을 흐르는 난방수의 열로 흡기되는 외기의 온도를 높이는 역 할을 수행하게 한다.

가. 설계 변수 설정

(1) 송풍량 산정

◇ 본 프로젝트에서 우리가 목표로 하는 소형 환기 시스템의 가장 중요한 부분은 송풍량이다. 내부 환기를 원 활히 진행할 수 있는 유량과 유속을 가진 팬을 기기에 장착함으로서 1인 가구 내 공기 순환 효율을 높일 수 있다. 해당 과정에서 우리는 기존에 존재하는 팬이 우리가 필요로 하는 조건들을 충족시키는지 알아보기 위 해 다음과 같은 계산을 진행할 것이다.

◇ [송풍량 산정 계산 과정]

1인 가구의 면적 산출 : (대학가 원룸 가구의 평균 평수 산출) - (화장실 및 가구 부피 제외)

1인 가구의 높이 산출 : 대학가 원룸 가구의 평균 실내 층고 적용

= 해당 과정을 통해 1인 가구 면적 계산

필요 환기 횟수 : 0.5회/hr (공동 주택 및 다중 이용시설의 환기설비 기준)

1인 가구의 경우 별도의 기준이 마련되어 있지 않기 때문에

공동주택 및 다중이용 시설의 환기설비 기준을 따르기로 함. 필터 설치로 인한 환기량 효율 저하 : 65% (H13 필터 기준)

=> 이를 통한 하루 환기 유량 계산 (m3/day)

◇ 해당 과정에서 산출된 환기 유량은 팬의 선정 기준에서 CMH의 단위로 활용 가능하다. 이를 통해 적합한 팬 의 날개 수, 각도를 산정하여 적절 송풍량을 도출할 수 있다.

(2) 전열교환기의 열효율 산정

◇ 전열교환기는 기계 내부에 전열막을 통하여 열을 전도 형태로 통과시켜 교환한다. 전열교환기의 열교환효율 은 내부에 사용되는 펄프 소재에 따라 값이 변하게 되며, 전열교환기의 열효율을 정량적으로 판단하기 위해 서는 전열교환기 내부에 펄프소재를 분석하여야 한다.

◇ 전열교환기의 열교환 효율을 측정하기 위해서는 온도교환효율과 습도교환효율, 엔탈피 교환효율을 포함한 전열교환효율을 계산하여야 한다. 각 효율은 외기, 급기, 환기 시에 온도와 습도, 엔탈피 등의 요소들로부터 계산 값을 구할 수 있으며 그 식은 아래와 같다.

◇ 위 식으로부터 전열교환기의 열교환 효율을 측정하기 위한 실험에서의 실내외 온습도는 “고효율 기자재 보 급촉진에 관한 규정의 폐열회수형 환기장치의 인증기술 기준 및 측정방법”의 시험조건을 인용하여 설계모델 에 사용되는 펄프 특성에 따른 전열교환기의 열교환 효율을 알 수 있다. 이를 통해 냉난방조건에서의 열회수 효율과 엔탈피 효율을 정량적으로 분석해 설계모델의 온습도 제어능력을 판단하고 냉방장치 혹은 난방장치 가동 시 필요한 전력량을 분석하여 설계제품의 요구 동력을 산정할 수 있다.

(3) 미세먼지 집진능력 및 필터 교체주기

◇ 1인 가구를 위한 환기 시스템 운영 과정에서 가장 중요한 부분 중 하나는 미세먼지를 집진하는 필터의 역할 이다. 실외 공기의 실내 유입 과정에서 필터를 운용함으로서 전열 교환기 내부 효율을 증가시킬 수 있고, 기 기의 수명을 연장시킬 수 있다. 미세먼지의 집진 능력은 일반적인 가구에서 운용되는 공기청정기의 성능을 구사할 수 있는 것으로 선정하였다. 헤파필터는 PM 2.5의 초미세먼지도 걸러낼 수 있는 능력이 있으며 H10~14까지의 등급이 있다. 본 설계에서는 0.3㎛ 이상의 입자에 대해 99.75% 이상의 포집능력 효율을 띄는 H13 헤파필터를 미세먼지 집진을 위하여 사용할 계획이다. 미세먼지 집진을 위한 필터 설치 과정에서 장치 사이의 유격 등의 문제로 인해 필터효율이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 우리는 해당 과정에서 필터를 플라스틱 틀로 감싸 유격을 최소화하고 별도의 필터 효율 검사를 실시함으로써 효율을 최대화하기로 하였다.

◇ 미세먼지 필터의 교체주기는 실험값을 통하여 산출하는 것이 일반적이다. 필터 개발 과정에 있어 해당 필터 의 효율이 일정 수준이하로 떨어지는 시점을 기준으로 제조사별 교체 주기를 설정하는데, 이는 최단 6개월에 서 최장 2년까지 상황에 따라 다양하다. 해당 변수를 위하여 상황별 미세먼지 필터의 측정값을 알아보고자 하였지만 별도의 실험값을 찾지 못하여, 원룸의 환경을 가정하고 이릍 통해 미세먼지 교체주기를 산정하고자 한다. 미세먼지 필터 교체 주기의 가장 대표적인 영향 요인은 필터의 작동 환경이며 우리가 설계하고자 하는 제품은 외기를 계속해서 마주한다는 점에서 최단 권장기간인 6개월을 사용하는 것으로 결정하였다.

(3) 최적의 설치 위치

◇ 1인 가구에서 이루어지는 환기는 대부분이 창문을 통하여 이루어진다. 건물 내 낮은 층고로 인해 별도의 천 장 매립형 또는 바닥 매립형 환기장치의 설치가 어려우며, 비교적 크지 않은 방의 부피를 고려하기 때문이다. 우리가 목표로 하는 환기장치는 여름철과 겨울철에 각각 실내 대기와 비슷한 온도로 외부 대기를 갖고 와서순환시키는 것이다. 즉, 따뜻하거나 시원한 공기가 원룸 내에 고르게 퍼져나가야 하며 그렇기에 천장 또는 바 닥과 같이 어느 한 쪽에 가까운 것이 아닌 중간의 위치에서 설치를 진행하고자 한다.

◇ 현재 예상 중인 설치 위치는 성인이 쉽게 접근할 수 있는 높이이며, 리모컨 등 원격 조종장치의 작동이 원 활히 일어나는 곳이다. 이 과정에서 필터 및 내부 장치들의 교체를 위한 접근성도 고려하였다. 또, 외부 대기 를 원활히 공급 받을 수 있게 하기 위해 창문 옆에 타공을 실시하여 기기를 설비하는 것으로 설계하였다. 이 러한 요인들을 통하여 최적의 설치 위치를 결정할 것이다.

나. 제품 소재 선정

- 우리는 설계할 장치의 기본 소재로 플라스틱의 한 종류인 HDPE(고밀도 폴리에틸렌)를 선정하였다.

[HDPE의 특성]

① HDPE는 내열성, 내구성, 차음성이 매우 좋은 플라스틱의 한 소재이다.

② 겨울철 운전 시 보일러관이 장치를 감싸도록 하여 폐열을 이용하기에 열전도성이 있는 재질을 필요로 하 였는데, HDPE의 경우 현재 많은 난방기의 열전도성 물질로 사용되고 있는 알루미늄 열전도율의 절반 정 도의 열전도율을 가지고 있어 전열교환기에 열이 전달되는데 도움을 줄 것으로 판단하였다.

③ 환경호르몬이 검출되지 않는 무독성 친환경 플라스틱이기에 장치를 사용하는 고객들이 느낄 수 있는 불 안함을 해소할 수 있다고 판단하였다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

가. 전열교환기의 열효율 산정

◇ 전열교환기는 기계 내부에 전열막을 통하여 열을 전도 형태로 통과시켜 교환한다. 전열교환기의 열교환효율 은 내부에 사용되는 펄프 소재에 따라 값이 변하게 되며, 전열교환기의 열효율을 정량적으로 판단하기 위해 서는 전열교환기 내부에 펄프소재를 분석하여야 한다. 설계 모델에 사용되는 전열교환기 펄프 소재의 요소별 값은 아래와 같다.

◇ 전열막의 투과성능은 접시상부에 전열막을 설치해 일정 시간 후에 증가한 중량을 측정하는 중량법으로 알 수 있으며, 본 설계품에 사용되는 펄프의 투습도는 4046 으로 산정하였다. 이에 더해서 전열교환기 의 전열막은 급기와 배기의 혼합이 잘 이루어지지 않을 때 효율적인 전열교환이 이루어지게 되므로 펄프의 기체투과성을 측정하여 전열교환기의 열교환효율을 산정하였다. 펄프의 기체투과성은 일정 압력차에 일정 부 피의 공기가 단면적을 통과하는 시간을 측정하는 Gurley법을 사용해 측정할 수 있으며, 본 설계 모델에 사용 되는 펄프의 기체투과성은 106sec으로 산정하였다. 전열교환기의 열교환 효율을 측정하기 위해서는 온도교환효율과 습도교환효율, 엔탈피 교환효율을 포함한 전열교환효율을 계산하여야 한다. 각 효율은 외기, 급기, 환 기 시에 온도와 습도, 엔탈피 등의 요소들로부터 계산 값을 구할 수 있으며 그 식은 아래와 같다.

◇ 본 설계에 사용된 펄프 특성에 기반한 실험된 데이터를 이용하여 얻은 열회수효율 상관관계식과 엔탈피 효 율은 아래 표2와 같이 나타낼 수 있다. 이 실험에서의 실내외 온습도는 “고효율 기자재 보급촉진에 관한 규 정의 폐열회수형 환기장치의 인증기술 기준 및 측정방법”의 시험조건을 따랐으며 실험조건은 표1과 같다.

◇ 위의 상관관계식으로부터 얻은 열회수효율과 엔탈피효율을 토대로 겨울철 난방 효율을 계산하기 위해 서울 시의 최한월 평균기온인 -2.4도, 겨울철 평균습도 60%를 기준으로 하여 설계품을 통해 급기되는 공기의 온 습도 변화를 산정하였다. 산정한 급기 온도와 습도는 아래와 표와 같다.

◇ 난방조건에서 1회 환기 시(2hour, 0.5회/시간) 실내 급기온도는 12.88℃로 가정한 난방조건의 실외온도보다 약 15.28℃ 높게 급기되며, 습도는 실내습도보다 19.23% 높게 급기되는 것을 확인할 수 있다.

나. 난방 시 보일러 온수관을 이용한 난방효율 계산

◇ 보일러온수를 통해 공기의 가열을 계산하기 위해 보일러 온수를 통해 생산되는 열량을 먼저 계산했다. 보일 러온수에 사용되는 물의 온도와 중량값, 비열을 곱하여 산정하였으며, 중량값은 에너지 관리공단의 보일러 및 압력용기 기술규격을 참고하여 보일러관의 두께와 유속을 고려해 시간당 유량을 계산하였다. 또한, 보일러 관 내 온수의 온도는 겨울철 기준 평균 난방수 사용 온도인 80℃로 산정하여 계산하였다.

◇ 보일러 온수를 통해 생성된 열량은 보일러관을 거쳐 전열교환기로 이동되고 전열교환기를 통해 환기되는 공 기를 가열하게 된다. 여기서 보일러관의 열전도율과 전열교환기 소재(펄프)의 열전도율을 이용하여 공기에 가 해지는 열량을 계산해 볼 수 있다.

◇ 배관의 소재는 가정용 보일러로 많이 사용되는 XL배관 즉, PE-Xa PIPE을 가정하여 산정하였으며, 보일러 관이 전열교환기를 감싸는 면적은 설계모델의 규격으로부터 0.19m^2 으로 산정하였다. 해당 관의 열전도율은 0.325kcal/m hr℃ 이며, KSB-1322 기준에 의해 가정용xl배관의 기준 두께는 1.9mm이다. 또한, 전열교환 기 펄프 소재의 열전도율은 0.878kcal/m hr K 에 두께는 52mm이다. Q/t = kA(TH -TL)/L의 식을 이용해 배관과 전열교환기에 전달되는 열량을 아래와 같이 산정해보았다.

위와 같이 보일러 온수로부터 전열교환기 내로 전달되는 열량은 39.84kcal이다.

◇ 난방기준 급기되는 공기의 온도는 전열교환을 통해 12.88℃ 이다. 공기의 밀도는 해당 온도에서 1.228 이고 송풍량은 1인 가구 기준 1시간에 0.5회 환기 시 시간당 26.75m^3 이므로 시간 당 급기되는 공기의 양은 32.85kg이다. 공기의 비열은 이므로 전열교환기를 통과하는 공기의 온도변화 는 +5.05℃ 이 다.

◇ 따라서 겨울철 실외공기 -2.4℃ 기준 설계모델을 활용해 환기를 할 때 급기되는 공기의 온도는 전열교환기 를 통해 12.88℃ 로 올라가고 이에 더해 보일러 온수관을 통한 난방으로 17.93℃ 까지 온도를 올려 환기시킬 수 있다.

다. Fan 설계 및 송풍량 산정

(1) 송풍량 산정

◇ 시간 당 0.5회의 환기를 시키기 위해서는 원룸의 부피인 53.5m^3 의 1/2배에 해당하는 26.75 의 풍량을 1 시간에 송풍 해야한다. 하지만, 설계모델에는 미세먼지 등의 대기오염물질을 집진하는 필터가 설치되므로 이 로 인한 환기량 효율의 저하도 생각해야한다. 환기량 효율은 설계 제품에 사용되는 H13기준 65%로 효율이 저하된다. 따라서 기준을 충족하기 위해서는 시간당 41.15m^3 의 송풍량이 필요하다. 이러한 송풍량을 얻기 위 해서 필요한 팬의 속도는 아래 식으로 산정할 수 있다.

팬회전속도(v) = 송풍량(Q)/팬면적(A)

◇ 팬의 면적(A)은 설계제품의 직경 200mm으로 계산하면 0.0314m^2 이며, 위에서 계산한 필요송풍량 41.15m^3 을 이용해 분당 필요한 팬의 회전속도를 구할 수 있다.

팬회전속도(v) 41.15m^3/hr/0.0314m^2= 0.365m/sec

◇ 따라서 직경 200mm, 회전속도 0.365m/sec를 가지는 소형팬을 전열교환기 전면부와 후면부에 부착하여 53.5m^3 부피에 시간당 0.5회 환기를 시키는 기준에 적합하게 환기량을 얻어낼 수 있다.

(2) Fan 설계 및 동력 산정

◇ 위의 송풍량 산정에서 산출한 값에 따라 팬이 송출해야하는 풍량은 41.15m^3/hr이다. 이 값은 계절별 온도 와 무관하게 산출된 값(기준 상태의 유량)으로 기준 상태와 표준 상태의 흡입 풍량을 구하는 식에 따라 계산 시 다음과 같은 값이 나오게 된다. (아래 계산에서의 대입 온도는 여름철과 겨울철 실내 권장 온도로 각각 22℃, 24℃를 사용하였다.)

◇ 이를 유량-유속 관계식(Q=AV)에 넣어서 계산할 경우 다음과 같은 유속을 구할 수 있다.

- 22℃ 표준 상태 유속 ≒ 0.369m/s / 24℃ 표준 상태 유량 ≒ 0.372m/s

◇ 해당 값들을 팬의 동압(Dynamic Pressure) 계산식에 대입하여 본 설계에서 사용하고자 하는 팬의 전압 (Total Pressure)을 계산한다. 본 계산에서 팬의 정압은 100Pa로 설정하였다. (팬의 동압(Pd)은 50mmAq (약 30m/s)를 넘지 않는 것이 적당함.) - Pt = Pd + Ps (전압 = 동압 + 정압)

계산 결과 정압이 10.2mmAq로 계산되었으며, 동압이 그에 비해 무시할 수 있을 정도로 작아 설계 대상 팬의 전압(Pt)을 10.2mmAq로 설정하였다.

◇ 위의 과정을 거쳐 계산된 정압으로 동력을 계산하였다. 축 동력 계산식을 사용하였으며 송풍기 효율은 70% 로 설정하였다. 송풍기의 효율은 국내 Fan Maker의 기종별 효율표를 참고하여 평균치를 나타내는 70%로 정 하였다.

계산 결과 1.66~1.67W의 값이 산출되었다. 즉, 본 설계에서 필요한 동력이 위와 같다는 것이며, 기기의 운영 과정에서 팬의 효율 저하가 발생함으로 팬의 효율을 70% 가정하였을 때 1.67W * (100/70) ≒ 2.39W의 값이 계산된다. 따라서 제품의 운영을 위해 최소 2.39W의 동력을 가진 팬의 제작이 필요하다.

라. 필터 집진효율 및 필터 성능지수

◇ 설계제품의 환기 기능에서 중요한 요소 중 하나는 미세먼지를 집진하는 역할이다. 본 제품의 미세먼지는 필 터를 사용하여 집진하며, H13등급의 헤파필터를 사용하였다. H13등급의 헤파필터는0.3마이크로미터 이상의 입자에 대해 99.75% 이상의 포집효율을 보여준다. 집진효율을 계산하기 위해 외기의 미세먼지 농도를 pM 10과 pM 2.5로 나누어 가정하였으며, 가정값은 2000~2012년 서울시의 평균 pm10 미세먼지 농도인 58.93마이크로미터퍼미터세제곱 , 2006~2012년의 평균 pm2.5 미세먼지 농도인 26.15마이크로미터퍼미터세제곱 으로 설정하여 집진 효율을 산정해보았 다.

◇ 제품 한 대의 1일 환기량은 하루 설정 환기 횟수인 12회(시간당 0.5회)에 방의 부피를 곱해 642 m^3/day/대 로 산정하였으며, 필터 집진 시 발생하는 통기 저항은 기존에 계산 되어있던 H13 등급 헤파필터의 통기저항 값과 식을 토대로 아래와 같이 산정하였다.

◇ 설계 제품 1대의 1일 환기량은 642 m^3/day이며, 이를 분으로 환산하면 0.4458 m^3/min 의 값을 갖는다. 위 의 식에 이 값을 대입하여 통기저항을 계산하면 통기저항은 약 14.58Pa임을 알 수 있다. 위의 두 값을 바탕 으로 설계제품의 이론적인 필터 성능 지수는 다음 식을 통해 산정할 수 있다.

조립도

조립도

◇ 본 설계에서 우리가 제작하고자 하는 제품의 완성형 모습은 위와 같다. 좌측은 1인 가구 환기 시스템의 완 성형 모습으로 겉면을 플라스틱 소재와 난방용 관으로 감싼 형태이다. 우측의 경우 겉면 플라스틱 틀과 난방 용 관을 투시하여 내부 구조를 파악할 수 있도록 만든 투시도이다. 해당 제품은 창문의 옆 외벽을 뚫고 설치 된다.

◇ 해당 그림은 설계 대상 제품의 조립도로서 제품의 세부 파트들을 나타낸 것이다. 그림의 가장 우측 상단부의 빨간 관은 난방을 위한 보일러 배관이며, 아래부로 각각 플라스틱 외형 틀, 전열교환부, 공기순환 및 미세 먼지 차단부이다. 제품에서 각 소조립체들이 담당하는 역할에 따라 제품 난방부/외형 구조부/전열교환부/공 기정화부로 구분하였으며 세부 목록은 아래와 같다.

조립순서

◇ 각각의 소조립체들은 나사를 통한 결합이 아닌 플라스틱을 이용한 자체 조립 방식으로 방향을 설정하였다. 제품의 특성상 한번 빌트인되어 내부에 설치되면 높은 내구도를 필요로 하지 않으며, 제품이 외벽에서 노출 되는 부분의 플라스틱 외형 틀만이 밖으로 노출되기 때문이다. 목표로 하는 조립 순서는 다음과 같다. 우선 제품의 가장 내부에 위치하는 전열교환부와 공기정화부를 먼저 조립한다. 전열교환부는 전열교환 성능을 지 닌 펄프로 제작되며, 고정을 위해 플라스틱 고정대가 추가될 수 있다. 여기에 플라스틱 내부 틀을 전열교환부 내에 삽입하도록 한다. 이후 플라스틱 내부틀의 양쪽 끝단에 공기 유입용 팬을 설치하고 고정용 파츠로 고정 한다. 이후 양쪽 끝단에는 미세먼지 필터를 장착한 뒤, 필터결합부로 고정하고, 다시 그 외부를 플라스틱 전/ 후면 마개로 고정한다. 이후 플라스틱 외형 틀을 조립하여 제품 전체를 감싼 후, 그 외곽에 난방부를 조립할 것이다.

부품도

부품도에서는 각 조립체들의 조립위치에 따라 부품을 분리하여 설명하였다. 해당 제품의 제작에서 사용되는 기성의 부품은 거의 없으며 대부분이 자체 설계, 제작된 부품들이다. 본 설계의 실현 가능성을 위한 실험에서는 필수적인 부품만을 제작, 실험을 진행할 예정이며 추후 본 설계의 품질을 높여 실제 상품을 제작할 경우 해당 부품들을 제작하는 것으로 한다.

가. 제품 난방부

◇ 제품 난방부의 최외곽에 사용되는 부품인 난방용 외형 배관의 경우, 본 설계의 제품을 모두 감쌀 수 있는 크기로 제작할 예정이다. 해당 부품의 소재는 엑셀관으로 실제 가정의 보일러 배관으로 가장 많이 사용되는 재질이다. 보일러 온수를 견디는 충분한 열경화성을 가진 재질 중 가장 합리적인 가격과 내구성을 지녀 선정 하였다. 추가적으로 온수가 흐르는 배관을 연결해줄 토출관이 제품의 위, 아래로 하나씩 위치하며, 토출관과 외형 배관의 연결부의 내구성을 높여주기 위해 고정 나사를 사용하였다.

나. 외형 구조부

◇ 외형 구조부의 경우 전체적인 제품의 틀을 이루는 부분이다. 해당 부분들은 부품 중 가장 높은 내구성을 가 져야하고, 내열성과 내한성이 좋아야 한다. 그러므로 폴리카보네이트 등과 같은 재질을 이용하여 제작할 예정 이다. 플라스틱 내부 틀의 경우 전열교환부의 공기 통로가 막히지 않도록 측면에 타공이 되어 있으며, 플라스 틱 전/후면부 틀의 경우 공기가 미세먼지필터릍 통해 들어올 수 있도록 옆면이 그물 모양으로 구성되어있다. 플라스틱 전/후면부 마개의 경우 내, 외기 순환시 공기가 배출되는 주요 통로이므로 해당 부분이 막히지 않 도록 위와 같이 설계하였다.

다. 전열교환부

◇ 전열교환부는 펄프를 통하여 내, 외기 순환시의 온도와 습도를 조절해주는 가장 중요한 부분이다. 해당 부분 의 열교환 효율을 높이기 위해 다음과 같은 원통형으로 설계를 진행하였으며 특수 펄프 재질로 제작할 예정 이다. 해당 펄프를 통해 온도와 습도의 교환이 이루어질 수 있도록 하는 것이 목표이며, 효율이 예상치보다 낮을 경우 펄프부의 표면적 개선, 길이 증가를 통해 효율의 증대를 목표로 하고 있다. 공기 유입 팬은 모터가 내부 가운데에 위치한 것이 아닌 원형 고리 모양으로 날개층 바로 밑에 위치하는 것을 목표로 제작할 것이 다. 기존의 팬은 대부분 팬의 중심에 모터가 내장되어 있거나 결합하는 방식으로 우리가 설계하고자 하는 제 품과는 맞지 않았다. 그러므로 모터가동 부위를 위 그림처럼 제작한 후, 고정 파츠를 통해 고정하여 제품을 가동하도록 설계하였다.

라. 공기정화부

◇ 공기정화부는 외부에서 들어오는 외기의 정화를 주목적으로 설계되었다. 기존 미세먼지 필터들 중 우리가 목표로 하는 원통형의 필터를 구할 수 없기에 직접 제작할 예정이며 이 과정에서 개념설계에서 제시한 H13헤파필터를 사용하기로 하였다. 해당 원통형 필터는 필터 결합부와 함께 플라스틱 전/후면부 틀과 마개 안쪽 에 설치되어, 외부의 대기가 실내로 들어오면서 정화를 진행하고자 한다. 내부의 대기가 밖으로 나갈 때 또한 필터를 거치는 것을 통하여 기기 내부 전열교환부의 수명을 증대시키고 기기 내부의 오염도를 줄이고자 한 다.

제어부 및 회로설계

가. 아두이노 소프트웨어

◇ 아두이노는 오픈 소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로 컨트롤러로 완성된 보드와 관련 개발 도구 및 환경을 의미한다. 아두이노는 다수의 스위치나 센서로부터 값을 받아들여, LED나 모터와 같은 외부 전자 장치들을 통제함으로써 환경과 상호작용이 가능한 물건을 만들어 낼 수 있다. 임베디드 시스템 중의 하나 로 쉽게 개발할 수 있는 환경을 이용하여, 장치를 제어할 수 있다. 이번 과제를 통해 평가 항목으로 미세먼 지 집진능력 및 환기 능력이 있기에 미세먼지 집진능력은 미세먼지 측정 아두이노로, 환기 능력은 이산화 탄소 측정 아두이노를 통해 평가 항목에 부합하는지 확인해보려고 한다.

(1) 미세먼지 측정 아두이노

◇ 미세먼지 측정 아두이노는 입경 0.8마이크로미터 이상의 미세먼지 농도를 측정할 수 있는 센서를 이용하여 아두이 노에 연결된 LCD 모니터에 출력하는 장치이다. 미세먼지 측정 아두이노는 우리 장치에 내장된 H13 헤파 필터를 통해 실내로 들어오는 외기의 미세먼지가 올바르게 집진되는지 알아보기 위함이다. 미세먼지 측정 센서는 PM 2.5 GP2Y1014AU를 사용하였고 미세먼지 측정 아두이노 보드의 코딩은 아래와 같다.

(2) 이산화탄소 측정 아두이노

◇ 이산화탄소 측정 아두이노는 센서가 위치한 실내공간에 존재하는 이산화탄소 농도를 측정하여 시간대별로 컴퓨터에 기록해주는 장치이다. 이산화탄소 측정 아두이노는 설계한 장치를 통해 실내공기와 실외공기의 환기가 올바르게 이루어지는지를 확인하기 위함이다. 이산화탄소 CO2 센서는 CM1106(single)을 사용하였 다. 측정범위는 0~2000ppm이고, 이를 위한 코딩은 아래와 같다.

소프트웨어 설계

가. 아두이노 소프트웨어

(1) 미세먼지 측정 아두이노

(2) 이산화탄소 측정 아두이노

(3) 자동제어 아두이노

◇ 현재 기상청의 미세먼지 수치 기준은 150/80/30ug/m3 을 나쁨/보통/좋음으로 설정하여 측정값에 대해 판단하고 있다. 아두이노 코딩을 통해 이 기준을 활용하여 먼저 실내의 미세먼지 농도를 측정하여 이를 LCD 모니터에 값이 출력되도록 하고, 좋음의 기준인 30ug/m3 이상인 경우에만 팬을 자동으로 10분간 구 동하여 실내 미세먼지를 배출하는 동시에 헤파필터를 거친 깨끗한 실외공기를 도입하도록 하였다. 이후 기 준에 만족하는 경우 팬의 구동을 멈춤으로 사용자의 편의를 고려하였다.

◇ 현행되고 있는 실내공기질관리법에 나온 다중이용시설의 CO2 농도 기준인 1000ppm을 보통으로 설정하고 500ppm씩 차이를 두어 나쁨과 좋음으로 기준을 설정하였다. 실내공기질관리법의 기준에 따라 실내 이산화 탄소 농도가 1000ppm 이상인 경우, FAN을 자동으로 10분간 구동하여 실내 이산화탄소를 배출하도록 하 였다. FAN의 구동은 미세먼지와 이산화탄소 농도가 모두 기준에 충족할 때 비로소 FAN은 멈추게 된다.

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

가. 프로토타입 제작 및 장치 실험 결과

(1) 프로토타입 제작

◇ 위와 같은 설계 과정을 거쳐 프로토타입 제품을 제작하였다. 제품은 3D 프린터를 사용, 플라스틱 재질로 제 작했으며, 크기는 실제 제품을 2:1 비율로 축소하였다. 프로토타입에는 실제 설계한 기능을 최대한 구현하고 자 하였지만, 소요 비용 및 제작 기간 등의 한계로 관다발 형태를 통한 공기 순환 기능의 입증에 중점을 맞 춰 제작하였다.

◇ 프로토타입은 제품 난방부를 제외한 외형구조부, 전열 교환부, 공기 정화부를 일부 구현하였다. 난방부의 경 우 엑셀관의 가공 및 제작에 한계가 있고, 실제 보일러와의 작동 여부를 확인하기 위한 실험이 불가능하여 제작에서 제외하였다. 전열 교환부의 경우 실제 펄프를 가공하는데 제한이 있어 플라스틱 재질로 제작을 진 행하였다. 관다발 형태의 공기순환로를 구현하였으며, 팬의 경우 중앙이 비어있는 형태의 팬이 시중에 판매되 고 있지 않아 소형팬으로 그 역할을 대신하였다. 공기정화부의 경우 H13 헤파필터를 장착 후, 필터결합부 대 신 접착제를 이용 고정하였다. 프로토타입 제작에서 가장 중요한 부분은 공기의 순환 과정에서 외기와 내기 가 혼합되지 않도록 하는 것이었다. 제작된 플라스틱 모형의 결합과정에서 외기 또는 내기가 흐르면서 누출 될 수 있는 거의 모든 부분을 접착제로 마감하여 구멍을 막았으며, 실제 바람을 불어넣는 것을 통하여 정상 적으로 제작되었는지 또한 확인하였다.

(2) 장치 실험 결과

◇ 제작한 프로토타입 제품의 실제 정상작동 여부를 판단하기 위하여 장치 실험을 진행하였다. 실험은 실내로 가정된 밀폐 공간 제작 후 프로토타입 제품을 장착하여 환기의 효율을 알아보는 방식으로 진행되었다. 아크 릴 판을 이용하여 30cm*30cm*30cm의 공간을 만들었으며, 한쪽 벽면에 직경 20cm 원을 타공하여 장치를 부착하였다. 이후, 밀폐 공간 내 5분간 향을 피워 공기의 질을 악화시킨 후, ‘1인 가구를 위한 환기시스템’ 프로토타입 장치를 작동, 비작동 했을 떄의 공기질과 자연환기 상태의 공기질을 측정하였다. 공기질 측정에는 미세먼지 측정 센서와 이산화탄소 농도 측정 아두이노를 사용하였다. 모든 실험은 총 3회 반복실험하였으며, 그 결과값을 평균내어 그래프로 나타내었다.

◇ 실험 결과는 위와 같다. 두 결과 모두 장치 가동이 효과가 있음을 유의미하게 보여주었다. 이산화탄소 농도 변화의 경우 장치가 가동 중에 있을 때 가장 빠르게 농도가 감소하였다. 다음으로는 자연환기가 효과적인 것 으로 나타났으며, 장치 비가동의 경우 이산화탄소 농도가 거의 감소하지 않았다. 시간이 지남에 따라 자연환 기와 장치 가동 경우의 농도가 거의 흡사하게 떨어짐을 볼 수 있지만, 본 실험은 공기의 순환을 확인한 것으 로 장치 가동 시 전열 교환 등을 통한 실내 쾌적성 보장의 이점을 생각해보았을 때 장치의 효용성이 충분함 을 알 수 있다.

◇ 미세먼지 농도 변화 그래프 또한 장치가 가동 중에 있을 때 효과가 있음을 보여주고 있다. 장치 비가동 시 와 자연환기의 경우 미세먼지 농도가 시간이 지남에 따라 일정 수준 이하로 잘 떨어지지 않음을 나타내고 있 지만 장치 가동의 경우 빠르게 미세먼지 농도가 감소하며 일정 수치 이하의 낮은 수준으로 그 값이 유지됨을 알 수 있다. 실험의 작동 초기 값의 경우 500μg/㎥이상의 높은 수치에서 실험이 시작되고 있음을 알 수 있는 데, 이는 본 실험에서 사용한 미세먼지 측정 센서가 일정 수치 이상에서는 533.19μg/㎥의 값을 표시하기 때 문이다. 결론적으로 그래프를 보았을 때 미세먼지 농도가 빠르게 감소하며 그 수치 또한 낮게 유지되어 본 제품이 작동시 미세먼지 관리에 충분한 효과가 있음을 알 수 있었다.

◇ 본 실험을 통해 장치 가동 시 충분한 이점이 있음을 확인할 수 있었다. 본 실험은 기기를 실제의 1/2 크기 로 축소 제작하였으며, 아크릴판을 이용한 소형 밀폐공간에서 진행되었다. 또, 팬의 유량 또한 실제 제작 목 표와 달리 일반 시중의 기성품에 맞추어 진행한 것으로 해당 부분의 한계점을 반영, 이를 해결한 실험을 진 행할 수 있다면 실제 본 제품의 효과와 더욱 유사한 수치를 얻을 수 있을 것이다.

포스터

내용

특허출원번호 통지서

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개발사업비 내역서

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완료 작품의 평가

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향후평가

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부록

참고문헌 및 참고사이트

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관련특허

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소프트웨어 프로그램 소스

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