1조- 일론먼지스크
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 접이식 분진 집진기
영문 : Foldable Dust Collector
과제 팀명
일론먼지스크
지도교수
장서일 교수님
개발기간
2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 환경공학부 2016890022 김혁규(팀장)
서울시립대학교 환경공학부 2016890021 김태완
서울시립대학교 환경공학부 2017890082 주과의
서울시립대학교 환경공학부 2018890074 정현빈
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약 ◇ 미세먼지 관련 이슈가 대두되면서 국외로부터 유입되는 미세먼지 뿐만 아니라 국내에서 발생하는 미세먼지에 대한 관심도도 높아지고 있으며 미세먼지 발생량의 50% 가량을 국내 발생원이 차지하고 있다. 또한, 국내 발생 미세먼지의 경우 비산먼지 배출량의 60% 이상이 건설공사 및 도로 재비산먼지에 의한 것으로 나타나 이에 대한 대책이 필요함. 대규모 건설 현장에서는 방진벽, 살수차량, 분진흡입차량 등을 동원하여 비산먼지 제거에 힘쓰고 있지만 중소형 건설 현장에서는 차량 진입의 문제 등 현실적인 한계가 존재하고 별다른 조치가 이루어지지 않는 경우가 빈번해 민원이 해가 지날수록 증가하고 있는 추세이다. 따라서, 원룸이나 도로 포장 공사 등 소규모 공사 현장에 적용할 수 있는 접이식 분진 흡입 장치 개발을 통해 주변 주민들의 민원을 해소하고 관리가 어려운 소규모 공사현장의 분진 저감에 기여하도록 한다.
개발 과제의 배경 및 효과
◇ 최근 몇 년간 우리나라의 미세먼지 농도의 증가로 미세먼지에 대한 국민들의 관심도가 증가하고 있음. 제3차 미세먼지특별대책위원회에서 발표한 미세먼지 관리 종합계획(2020~2024)에 따르면, 미세먼지 발생원 중 국외영향은 시기 및 고농도 사례별로 편차가 존재하긴 하지만, 약 절반 수준으로 나타나는 것으로 보고있음.
◇ 2017년 전국 PM10 배출원별 기여율을 살펴보면 비산먼지가 50%로 절반을 차지하고 있고 그 다음으로는 제조업 연소 26%, 비도로이동오염원 등이 차지하고 있음. 또한, 2017년 전국 비산먼지 배출원별 기여율을 살펴보면 건설공사가 33%, 도로재비산이 28%를 차지함. 즉 건설공사 및 도로재비산먼지가 비산먼지 배출량의 60% 이상을 차지한다는 것을 알 수 있음.
◇ 비산먼지 발생 사업장 관련 민원 현황을 살펴보면, 2015년 기준, 총 22,827건 중에서 건설업(공사장)이 20,797건으로 나타났으며 이는 전체 민원 중 약 91.1%를 차지함. 또한, 2012년부터 2014년까지 각각 12,910(총 15,723), 14,262(총 15,975), 16,053(총 17,635)를 기록하며 점점 증가하는 추세임.
◇ 본 과제를 통해 접이식 분진 흡입 장치를 개발함으로써, 중소형 건설 현장에서 발생하여 확산하는 비산 먼지의 양을 감소시키고, 인근 주민 및 종사자들의 안전에 미치는 영향을 최소화할 수 있을 것으로 예상됨.
◇ 충전식으로 기계를 개발함으로써, 연료 사용으로 인해 발생하는 추가적인 대기 오염 발생을 억제함.
◇ 접이식 모양을 통해 이동과 보관에 용이하며, 비표면적을 증대시킴으로써 장치의 효율성이 증가할 것으로 예상함.
개발 과제의 목표 및 내용
◇ 접이식 분진 흡입 장치로써 기기 소형화 및 컴팩트화
◇ 공사현장의 공기질 개선 및 충전에 필요한 동력 산출
◇ 공사현장 비산먼지의 확산 방지 및 주변 사람의 건강에 미치는 영향 최소화
◇ 건설 현장 주변 주민들의 민원 감소
관련 기술의 현황
가. State of art
◇ 점점 발전하는 과학기술과 문명에 덕분에 우리의 삶은 편해지고 있지만, 그에 따른 책임감도 따라오고 있다. 그 중 미세먼지 관련 이슈가 대두되면서 국내 발생 비산먼지 중 배출량 60% 이상을 차지하고 있는 건설공사 및 도로 재비산먼지에 대한 관심도 집중되고 있는데, 본 과제에서는 미세먼지를 처리하는 다양한 기술 중, 미세먼지 필터 구조와 작동 원리 및 방진벽에 관한 규정을 알아보았다.
(1) 미세먼지 필터
필터는 작은 고형물을 제거하기 위한 여과체인데, 미세먼지를 제어하기 위해 사용하는 섬유필터는 입자상 오염물질을 분리하는데 매우 효과적이다. 필터를 통한 포집원리는 관성 차단 확산 중력의 메커니즘이 작용되며 필터의 종류 형태 필터 배치 방법 등에 따라 그 집진 효율이 달라질 수 있다. 이러한 필터의 다양한 종류와 배치의 자유도를 이용하여 여러 가지 방법으로 미세먼지를 처리할 수 있고, 설계 규모의 크기에 따라서 처리용량도 조절할 수 있다. 또한, 다양한 조건에서 운전할 수 있으며 다른 집진 방식에 비해 가격이 저렴하다.
(2) 방진벽
방진벽은 공사장에서 비산먼지를 저감하기 위해 사용된다. 환경부 비산먼지 관리 매뉴얼에 따르면 방진벽의 높이는 최대야적높이의 1/3 이상이 되어야 하며, 건축물 공사 시에는 1.8m 이상이 되어야 한다. 반경 50m 이내에 주택이나 상가가 존재할 경우, 3m 이상으로 설치하여야 한다. 이러한 규정은 1000제곱미터 이상의 공사장이나 200세제곱미터 이상의 굴정 공사 시에만 적용되고 있다. 현재 우리 나라의 그 이하 공사의 비율이 90% 이상인 것으로 미루어 볼 때, 방진벽을 대체하며 환경적으로 효용성을 가질 수 있는 방식을 통해 소규모 공사장에 적합한 규제가 필요하다.
나. 기술 로드맵
다. 특허조사 및 전략
관련 시장에 대한 분석
가. 경쟁제품 조사 비교
◇ 먼지 흡입 차량
◇ 실내 공사장 미세먼지 집진기
◇ 방진벽
나. 마케팅 전략
◇ SWOT 분석
◇ 제품 제조 전략 본 제품은 대형 공사장보다는 원룸 등의 작은 건물, 도로 보수 공사와 같이 소규모 공사를 타겟으로 하여 고안된 기기이다. 따라서, 각각의 경쟁제품들이 가지지 못한 범용성, 이동의 편의성을 포함하여, 일정 수준 이상의 성능을 모두 갖출 수 있도록 하고 한계점을 최소화시키는데 경쟁력을 두어 설계하고 마케팅하도록 한다. 또한, 공사장 인근 주민들의 여론으로 미루어 볼 때, 비산먼지 관리에 대한 대책이 필요하다고 판단된다. 따라서, 관공서의 기기 대여 사업의 수요를 공략하거나, ESG 경영을 추구하는 건설업체로부터의 수요가 예상된다.
개발과제의 기대효과
가. 기술적 기대효과
◇ 소규모 건설현장 및 도로 공사에서 발생하는 비산먼지 제거율 증대
◇ 이동 및 보관을 용이하게 하여 건물 고층 공사 시에도 사용이 가능할 것으로 기대
◇ 가벼운 무게로 이동이 편리하고 설치가 간편하여 모듈식으로 운용 가능
나. 경제적 및 사회적 파급효과
◇ 소규모 공사장이나 도로 보수 공사의 먼지 저감 관련 미흡한 제도의 보완책 마련 기대
◇ 건설 근로자들의 근무 환경 개선 및 기기의 지속적인 사용을 통한 녹색 공사 환경 조성
◇ 소규모 공사에 특화된 개발을 통해 소규모 공사로부터 발생하는 오염물질 개선의 수요 공략 기대
◇ 기술특허 및 지적 재산권 확보를 통하여 저감 관련 중소 기업에게 기술 지원 가능
구성원 및 추진체계
◇ 김태완: 업무 총괄 및 특허출원총괄, 이론적 계산
◇ 김혁규: 설계 운영비 관리, 외부 산업체 컨택, 기존 제품 특허 비교
◇ 주과의: 자료 수집, 파급 효과 조사
◇ 정현빈: 3D 모델링, 발표 자료 제작, 배경 조사
설계
설계사양
◇ 제품 요구사항
◇ 평가 항목 및 평가 방법
◇ 목적계통도
개념설계안
◇ 본 설계의 장치는 양쪽에 각각 2개씩, 총 4개의 단위 벽을 펼치고 접을 수 있도록 설계하였다. 아래쪽에 바퀴를 달아서 이동성을 향상시켰고, 송풍기로 공기 토출을 위해 Fan을 설치한다. 울타리의 내부에는 필터를 설치하여 유입되는 공기 속의 비산먼지를 걸러줄 수 있도록 한다. 울타리 외부의 재질은 소규모 공사장에 사용될 것이며 주택가에서 사용되는 빈도가 높기에 큰 충격이 가해질 위험이 적다고 판단하였다. 따라서, 적정한 경도를 확보하고 이동성을 확보하는데 중점을 두어 철보다 무게가 1/3 정도 가벼워 이동에 편리한 알루미늄 판을 사용하도록 한다.
◇ fan을 통한 미세먼지 공기의 유입
- 벽 1개당 fan을 3개씩 설치하여 공기의 흡입, 토출량을 증가시킨다.
- fan의 전력공급을 위해 배터리를 설치하여 전선이 필요 없게 되므로 이동성이 향상된다.
단위 벽(Unit) 당, 일정 간격을 두고 먼지 집진 설비를 내장한다. 단위 벽의 상부에 fan을 설치하여 울타리 내부의 공기를 바깥으로 배출한다. 공기가 배출되면서 벽 안의 기압이 낮아지게 되고 이로 인해 공사 현장으로부터 공기가 벽 안으로 유입되게 된다.
- Fan의 안전설비로 Fan의 상단에 16mm 이하의 안전망을 설치하도록 한다. 안전망의 경우, 개구율을 최대한으로 높일 수 있도록 얇지만 탄탄한 소재를 사용하도록 하고 손가락이 들어가지 않도록 산업안전 관련 규정에 의거하여 구멍의 크기를 16mm 이하로 제작한다. 본 설계에서는 14mm로 설계하도록 한다.
◇ Filter를 통한 미세먼지의 흡착
- Demister Filter 및 Mist 분사 : 본 설계에서 관리하는 비산먼지는 흙에 기인한다. 흙은 친수성이며 입경이 비교적 큰 특성을 지니고 있다. 이에 따라서, 데미스터 필터를 통해 전처리를 시행하는데 Demister 필터의 특성 상, 반영구적인 사용이 가능하고 수세를 통해 탈진 작업 역시 용이해진다. 이에 따라, 전처리로 미스트 분사를 병행한 데미스터 필터를 통해 대다수를 차지하는 입경이 비교적 큰(10 이상) 입자를 해당 필터를 통해 처리하도록 한다.
- HEPA Filter : Silt와 같은 흙의 경우 입경이 매우 작을 수 있고 이러한 흙들은 초미세먼지를 유발할 수 있다. 이를 처리하기 위해 데미스터 필터 다음 여과로 HEPA Filter를 사용하여 흡입된 미세입자를 99% 이상 처리하도록 한다.
fan을 통해 공기가 벽 안으로 유입된 공기를 정화시키기 위해 벽 내부에 필터를 설치한다.
① Demister Filter : 직경 10 이상의 미세먼지 입자에 대해 95% 이상의 여과 효율을 낸다.
② HEPA Filter : 미세먼지를 걸러주는 입자로 공사장의 비산먼지를 걸러줄 수 있다.
공사 현장 방면에 필터 커버가 달린 면이 향하도록 설치하여 공사장에서 발생하는 먼지가 해당 울타리를 지나가도록 한다. 울타리 내부에서 먼지는 Demister Filter와 HEPA Filter를 통해 걸러지고, 정화된 공기는 울타리 윗면에서 회전하고 있는 Fan 부위를 통해서 빠져나갈 수 있도록 한다.
◇ 접이방식
위의 cad 도면에서 알 수 있듯이 벽 아래쪽에 고리를 설치하여 벽과 벽 사이를 미닫이로 여닫을 수 있게 설계하였다. 사용할 때는 펼쳐서 사용하고, 사용 후에는 닫아서 전체적인 부피와 보관에 필요한 용적을 줄여 설계하였다.
◇ 외부 재질 - 소규모 공사장에 사용될 것이며 주택가에서 사용되는 빈도가 높기에 장치에 큰 충격이 가해질 위험이 낮음.
- 따라서, 적정한 경도를 확보하고 이동성을 확보하는데에 중점을 두어 동일 부피 대비 철보다 무게가 1/3정도 가벼운 알루미늄을 외부 판으로 사용
- 알루미늄을 사용할 경우 빛을 반사하므로 외부로부터의 빛 반사 방지 및 외부 충격 흡수를 위해 고무 재질을 피복하도록 함.
- 순도 99.5% 이상의 알루미늄의 경우, 인장 강도가 120이상으로 인력에 의해서 변형되지 않을 것이라고 판단.
◇ 본 설계의 결과물을 cad로 도식하였다.
1. 펼친 모습
2. 접힌 모습
3. 윗 모습
4. 옆 모습
이론적 계산 및 시뮬레이션
◇ 입자 성질 공사장의 야적장에서 주로 발생하는 비산먼지는 흙에서 기인한다. 흙은 타 처리물질에 대해 입경이 큰 특성을 가지고 있다. 흙에서 모래와 진흙이 비산먼지를 유발할 것으로 예상되는데 모래의 경우, 약 0.06mm 이상의 직경을 가지므로 Demister Filter와 Mist 분사를 통해 전처리가 모두 가능할 것이다. 그 직경 이하의 진흙의 경우, 직경에 따라서 0.01mm 이상의 진흙은 Demister Filter에서 전처리 될 것이고 그 이하의 진흙은 HEPA 필터에 의해서 처리될 것이다. 모래의 조성 분석을 위해 자연에서 채취된 결과값을 이용한다.
모래입도분포(김성필 외, 2006)
직경 1mm 이하의 흙이 바람에 의해 날린다고 가정할 시, 위의 도표에 따라 약 2%의 흙먼지가 HEPA 필터에 유입되고 나머지 98%의 흙먼지는 Demister 필터에서 처리된다.
또한, 흙의 경우 친수성 성질을 가지고 있기 때문에 Demister필터에 Mist를 분사하어 세정집진되도록 한다.
◇ 사이즈
환경부 비산먼지 관리 매뉴얼에 따르면, 기존 공사장의 방진벽 높이는 최대 야적 높이의 1/3으로 규정하고 있다. 다만, 공사현장이 주택이나 상가의 근방에 위치했을 때는 방진벽의 높이를 3m 이상으로 규정하고 있다. 이는 기존의 연면적 1000제곱미터 규모의 공사장에만 해당하는 것이다. 본 설계에서 제작하는 장치의 높이를 결정하기 위해서는 해당 규정을 참고할 필요가 있다.
환경부 비산먼지 관리 메뉴얼(2021.1)
소형 공사장은 야적물의 높이가 기존의 공사장보다 낮고 상대적으로 이면 혹은 삼면이 막혀있는 장소에서 행해지는 경우가 많다(주택가, 도심지 등). 방진벽의 설치 위치 역시, 야적 장소와 가까워지므로 비산먼지가 기류에 의해 영향을 적게 받을 것이다.
본 설계의 결과물이 사용되는 도로의 굴정 공사, 대지면적 250제곱미터 이하의 면적의 공사장에서는 지표면으로부터 기인하는 비산먼지의 높이가 기존의 공사장보다 낮을 것이고 이동식 집진기이므로 과대한 크기일 시 이동 시 사용자의 시야에 방해를 주어 안전사고를 유발할 가능성 및 이용에 불편을 초래할 수 있으므로 통상적인 성인의 키보다 작게 만든다.- 따라서, 높이의 경우, 1.5m로 산정하였다.
가로 길이의 경우, 펼쳤을 때, 2.4m가 되도록 설계한다. 본 설계의 제작품이 사용될 공사의 경우 건축면적이 최대 250제곱미터이다. 주택가 소형 공사장의 경우, 길쭉한 형상보다는 정사각형 형태에 가까운 경우가 많으므로 주로 길이 15m 이하의 장소에서 사용된다. 이 경우, 출입구를 제외하고 최대 6대의 기기를 사용할 수 있도록 설계한다.
기기사이즈
◇ 송풍량 건축법 고려 시, 소규모 4층 건물공사의 건축면적은 250제곱미터 이하가 대다수이다. 현재의 건축 트렌드를 볼 때, 건축면적을 작게 하고 층을 늘려 연면적을 크게 하므로 본 설계에서 개발하는 기기가 이용될 건축사업의 규모는 15m 길이 이하여야 한다. 상기했듯이 6대의 기기를 설치하는 경우를 가정하면, 공사장에서 비산먼지가 주로 발생하는 요인은 ‘야적’ 및 ‘싣고 내리기’이다. 싣고 내리기의 경우, 소규모 공사장의 경우, 그 규모가 과대하지 않고 실제 1000제곱미터 이상의 공사장에서도 이 경우에는 살수를 통해 비산먼지를 감축시키므로 본 설계에서 고려해야 할 비산먼지 발생 요인은 아니다. 야적장소를 높이 0.5m에 직경 1m의 규모로 가정한다. 풍향의 경우, 강풍이 부는 경우도 존재할 수 있으나 극단적인 규모의 경우, 전체적인 관점에서 비효율적일 수 있다. 따라서, 통상적인 규모를 가정하여 평균적인 송풍량을 구하도록 한다. 우리나라의 평균적인 풍속인 2m/s를 통해 유입해야하는 송풍량은 초당 1.25세제곱미터이다. 이러한 사실을 바탕으로 기기 당, 유입하는 풍량을 분당 12세제곱미터로 한다.
◇ 효율 공사장의 비산먼지가 바람에 의해 상승하는 높이를 비산먼지의 바람에 의한 움직임을 연기와 유사하게 가정하고 Smith 식을 통해 구한다. 유입된 비산먼지의 경우 HEPA 필터까지의 처리를 통해 99% 저감될 것이므로 이를 통해 전체적인 효율을 구하도록 한다. Smith 식은 아래와 같다.
위의 식은 굴뚝의 연기 유효 높이를 구하는 식으로 야적장소를 굴뚝으로 가정하여 효율을 계산하도록 한다. 굴뚝의 직경은 야적의 직경 1m로 하고 온도는 차이가 거의 없고 배출가스의 온도가 높을수록 높게 떠오르는 특성 상, 온도차를 10도로 가정한다. 유속은 풍량과 동일하고 2로 한다.
위의 식을 통해 비산먼지의 유효상승높이를 1.6m로 가정한다. 이는 연기라고 가정했을 시의 식으로 실제 모래입자는 더 무겁기 때문에 더 낮게 상승할 것이다. 앞서 야적의 높이를 0.5m라고 가정하였고 그 결과, 가장 높게 상승하는 흙먼지의 경우, 2.1m이다. 총 1.5m 높이까지의 흙먼지를 막을 것이고 중력의 영향 역시 고려해야하기 때문에 공사장의 야적에 기인하는 흙먼지가 상승하는 높이는 이론적인 계산보다 더 낮을 것이다. 따라서, 실제로 본 설계물에 의해 집진될 야적 흙먼지는 75% 이상이다.
야적의 경우, 공사장의 비산먼지 발생의 대부분을 차지한다. 그 외에 수송, 싣고 내리기 중 수송은 본 설계에서 다루는 내용이 아니며 싣고 내리기의 경우, 살수 혹은 본 설계물 인근에서 내리는 등의 작업 시행을 통해 저감이 가능하다. 따라서, 야적에서 발생하는 먼지의 비율을 80%로 가정한다.
상기된 내용을 바탕으로 공사장에서 발생하는 비산먼지 집진의 효율을 계산할 시, 아래와 같다.
◇ 유속 유량과 유입면적을 바탕으로 유속을 구한다. 4개의 판에서 공기를 유입하게 되는데 판 당 면적을 0.3제곱미터로 한다. 설계하는 제원은 다음과 같다.
◇ 전력량 충전식 집진기이므로 전력량을 산정하여 배터리의 적정한 용량을 산정하여야 한다. 상기된 조건에서 도출된 송풍량은 분당 3세제곱미터이다. 효율을 0.8로 하여 도출한다.
Fan 1개 당, 약 18Wh의 전력을 공급하여야 한다.
◇ 소음
상기된 18Wh의 전력을 가지는 Fan의 사양을 고려하여 소음을 산정한다. 소음의 경우, 주택가 공사에서 사용되는 경우가 빈번하기 때문에 주민들에게 피해를 주어서는 안 된다. Fan 1개에서 40dB의 소음이 발생하게 된다. 기기 하나 당 12개의 Fan이 동시에 돌아가게 되는데 소음의 합을 구하는 식은 아래와 같다.
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