1호선빌런조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 지하철 전동차 내 공기질 개선(이산화탄소, 초미세먼지, 바이러스) 에어커튼 설계

영문 : Aircurtain for improving air quality(CO2, PM2.5, Virus) in subway

과제 팀명

1호선 빌런

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2019890031 안효빈(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2019890026 박예원

서울시립대학교 환경공학부 2019890048 이주원

서울시립대학교 환경공학부 2019890062 조문선

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

대중교통에서 지하철이 차지하는 비중 및 지하철 이용 승객은 지속적으로 증가하는 추세이다. 이는 시민들이 지하환경에 노출되는 시간이 늘어난다는 것을 의미한다. 이에 따라 효율적인 지하철 공기질 관리를 위한 공기정화시스템 개선에 대한 검토가 필요하다. 현재 지하철은 지상의 공기가 환기구를 통해 유입되어 필터로 걸러진 후 지하로 공급된다. 하지만 이 필터는 일산화탄소, 이산화탄소, 바이러스와 같은 오염물질을 모두 걸러내지 못하여 지상의 대기질이 악화되면 이에 비례해 지하의 공기도 악화된다는 특징이 있다. 실내공기의 경우 폐쇄성으로 인해 확산할 수 있는 공간이 크지 않아 한번 오염이 되면 정화가 어려운 특성을 가지기 때문이다. 오염물질의 지속적인 유입과 누적이 계속되면 다양한 질환을 유발하게 된다. 서울 교통공사는 열차 출입문 개폐 시 객실로 유입되는 미세먼지 저감을 위해 열차 내부에 공기 질 개선장치를 새로 설치하였지만, 해당 장치는 미세먼지만을 대상으로 하여 다른 오염물질은 정화하지 못한다. 또한, 전동차 출입문에 장착한 에어커튼은 객실 내부와 외부의 공기를 차단해 전동차 내의 이산화탄소가 확산하지 못하고 누적되고 있음을 예상할 수 있다. 이 외에도 최근 코로나 19와 같은 전염성 질병의 유행 사례가 증가하여 실내 바이러스에 대한 시민들의 두려움이 커지고 있다. 그러므로 본 과제는 지하철 전동차 내 에어커튼 사용으로 인해 축적된 CO2 정화와 UV를 이용한 공기 살균이 가능한 공기 질 개선장치를 설계하는 것을 목표로 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 개발 배경
 현대인들은 많은 시간을 교통수단에서 보낸다. 통계개발원의 ‘국민 삶의 질 2021’ 보고서에 따르면, 2020년 전국 평균 출퇴근 시간은 61.6 분이었으며, 국토교통부와 한국교통안전공단의 2020년 ‘수도권 대중교통 이용실태’ 데이터에 따르면 수도권 평균 출퇴근 시간은 1시간 27분으로 나타났다. 이는 OECD 평균인 28분에 비해 굉장히 높은 수치이다. 같은 자료에 의하면 경기도-서울 방면으로 출근하는 사람은 버스와 광역·도시철도를 환승해서 이용(39.3%)하는 경우가 많았고, 인천-서울 출근자의 경우 광역·도시철도(54.3%)가 주된 교통수단이었다. 서울-인천 출근은 버스+광역·도시철도 환승(56.5%) 이용이 많았다. 이 자료를 토대로 많은 시민들이 대중교통을 이용하며 그 중에서도 도시철도 이용 비율이 매우 높다는 것을 알 수 있다. 실제로 교통카드 빅데이터 통합정보시스템에서 2021년 도시철도의 이용 건수가(2,168,228,164 회)이 시내버스(2,078,592,329)에 비해 높다는 것을 확인할 수 있다. 이 자료들을 토대로 한국인은 지하철 내에서 소요하는 시간이 길다는 것을 예측할 수 있으며 지하철에서의 대기질은 시민들의 건강에 적지 않은 영향을 끼칠 것이라고 간주된다.

◇ 기존 제도의 문제점
 현재 지하철 객차 내에서는 초미세먼지, 이산화탄소가 측정되고 있으며 혼잡시와 비혼잡시 모두 실내공기질 유지기준에 부합하지만 이산화탄소 농도는 혼잡시에는 기준에 근접하고 높은 수치를 보이고 있다. 따라서, 지하철 객차 내 이산화탄소 농도를 관리할 필요성이 있다. 또한, 현재 지하철 차량에는 공기질 개선장치 및 에어커튼이 설치되어 있으나 이는 (초)미세먼지와 부유세균만을 제거할 뿐 다른 오염물질을 제거하지는 못하고 있으며 이산화탄소 센서가 차량 내 설치되어 있으나 이산화탄소 농도 제어는 환기를 통해서만 이루어지고 있다.

 서울교통공사는 2020년부터 일 년간 지하철 7호선 747편성 차량에 에어커튼을 부착하여 시범 운영을 하였으며 전 차량에 에어커튼을 설치할 계획에 있다고 보고하였다. 에어커튼은 지하철 차량 출입문에 설치되어 차량 문이 열릴 때 바람을 일으켜 (초)미세먼지를 차단하는 역할을 한다. 그러나, 에어커튼 작동으로 인해 객차 내의 공기가 밖으로 빠져나가지 못해 이산화탄소가 차량 내부에 머물러 있어 실내 공기질이 악화될 가능성이 있다. 특히, 현재 이산화탄소 농도 제어는 환기를 통해서만 이루어지고 있기 때문에 이를 제거하기 위한 장치를 설치할 필요성이 있다.

◇ 개발 효과
 인체는 이산화탄소에 노출되었을 때 심각한 영향을 받게된다. 높은 농도의 이산화탄소에 노출될 경우, 신체 내 산소의 비중을 낮추어 중독증상(호흡곤란, 어지럼증, 피로 등)이 발생하게 된다. 실제로 Fig 1.1을 통해 볼 수 있듯, 지하철 혼잡시 전동차 내 이산화탄소 농도는 전체 평균 1,373 ppm 인 것을 알 수 있는데, 이는 인체에 피로를 줄 수 있는 농도이다. 따라서 지하철 내에서 인체에 유해한 물질을 감소시킨다면 국민의 건강과 삶의 질 향상에 도움을 줄 것으로 예측된다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇‘2050 탄소중립’ 정책에 맞추어 지하철 객차 내 이산화탄소를 제거하고 실내공기질을 개선한다.
◇ 지하철 객차 출입문에 설치될 이산화탄소 흡착장치 및 공기 분사 에어커튼을 간소화한다.
◇ 이산화탄소 흡착제가 들어간 에어커튼 가동 시 필요한 동력을 산출한다.
◇ 기기 설치로 인해 발생하는 불편함과 승객의 건강에 미치는 영향을 최소화한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

◇ 미국 지하철 전동차 공기질 개선시스템
미국 지하철 전동차 내 환기 시스템은 우리나라 전동차 환기 시스템과 유사하다. 외부 공기는 평균 3분 20초마다 지하철 양측 끝 2개의 환기장치에서 유입된다. 유입된 공기는 환기장치 내의 필터 및 냉각 코일을 통해 실내로 유입된다. 필터는 덕트 유입 전 크고 작은 에어로졸을 차단하는 임무를 수행하며, 일부 입자 및 바이러스는 필터를 통과하게 된다. 이 필터는 일반적으로 면과 합성 섬유로 이루어져 있고 골판지 프레임 형식으로 표면적을 증가시켜 수분의 통과를 막는 것에 효율적인 방식으로 설계되어 있다. 필터의 효율은 최소효율 보고 값인 Minimum efficiency reporting value(이하 MERV)로 평가되는데, 1에서 20의 단계로 이루어져 있다. 등급이 클수록 필터의 성능이 더 뛰어나다고 평가되며 현재 뉴욕 지하철은 MERV -7등급의 필터를 사용하고 있다. 평균 교체주기는 36일이다. 하지만 COVID-19 확산 방지를 위해서는 MERV -13 이상의 필터 사용이 요구된다.
미국 지하철 내 공기 질에 대한 논란이 계속됨에 따라 미국 교통국(Metropolitan Transportation Authority, 이하 MTA)은 자외선을 이용한 바이러스 제거 기술을 테스트하고 있다고 밝혔다. 또한, 샌프란시스코 지역의 Bay Area Rapid Transit(BART) 시스템은 2021년 8월 기존보다 성능이 우수한 필터 및 자외선을 이용한 공기 살균 시스템을 시험하고 있으며, 이 차량은 기존의 3분 20초의 약 1/3가량인 70초마다 공기를 교체한다.

◇ 인도 급행열차의 공기질 개선 시스템
 인도의 대도시 첸나이의 Integral Coach Factory(ICF)는 2023년 8월까지 75대의 ‘Vande Bharat’ 열차를 생산한다는 계획을 수립하였다. 이 열차는 공기 정화를 위해 지붕 장착 패키지 유닛(Roof-Mounted Package Unit, RMPU)에 광촉매 자외선 공기 정화 시스템을 갖추고 있다. 이 시스템은 외기 공기를 통해 들어오는 세균, 박테리아, 바이러스를 여과하고 제거하도록 RMPU의 양 끝에 설계 및 설치되어 있다. 
 이 RMPU 시스템에 포함된 공기 필터는 세 가지이다. 이 필터들은 직물 파손 방지, 열접착 난연성 합성물질로 만들어졌다.

◇ 캐나다 토론토의 지하철 비산먼지 연구
 캐나다는 지하철 철도 차량을 현대적으로 도입함으로서 플랫폼 및 전동차의 (초)미세먼지를 개선하였다. 토론토 대학의 연구원들은 지하철 플랫폼과 열차 내부에서 2010-2011년의 PM2.5와 1호선에 신차를 도입한 이후인 2018-2020년의 PM2.5 수준을 비교하였다. 결과적으로 1호선 플랫폼의 PM2.5 수준이 2010-2011년 수준에 비해 약 30% 감소했으며 1호선 열차 내부의 수준이 약 50% 감소했다. 또한, 토론토 내에서도 플랫폼에 따라 공기질은 상이했으며 부분적으로 외부로 개방된 곳에서 공기질이 더 개선되었다고 밝혔다. 
 이와 대조적으로 신차를 도입하지 않은 토론토의 2호선에서는 2010-2011년에 비해 플랫폼에서 PM2.5 수준이 거의 50%, 지하철 2호선 내부에서 13% 증가한다는 것을 발견하였다. 비산먼지의 증가 원인은 브레이크 먼지와 관련된 것으로 확인되었으며, 2018년 이후 지하철 열차의 제동 패턴이 기존 열차의 제동 패턴보다 비산먼지를 저감하는 것으로 밝혀졌다.

기술 로드맵

특허 조사

◇ 철도 차량 객실용 에어커튼
  - 출원번호 (출원일자) : 1020210070072 (2021.06.14)
 철도차량 객실용 에어커튼으로 특히 철도차량 객실 내 빈 공간을 활용하여 설치 가능하도록 구성되었다. 객실 내 공기를 이용하여 공기가 유입되는 유입구와 공기가 배출되는 배출구, 본체 내의 모터로 구성되어 있으며 모터가 회전됨에 따라 유입구를 통해 객실 내 공기를 흡입하여 배출구로 공기를 배출함으로써 에어커튼을 형성한다. 본체는 출입문에 인접한 의자와의 사이 공간에서 배출구가 출입문을 향하도록 설치되는 것을 특징으로 한다. 출입문의 테두리를 따라 에어분출 파이프를 설치하고, 에어탱크로에 저장된 에어를 에어분출 파이프를 통해 배출하여 에어커튼을 형성한다. 그러나, 이것은 현실적으로 출입문의 테두리를 따라 에어분출 파이프를 설치하는 것이 어려우며, 이를 위해 에어탱크를 별도로 철도차량에 설치하여야 하므로 해당 공간을 확보하기 어렵다는 문제가 있다.

◇ 전철 객차의 에어커튼 장치
   - 출원번호 (출원일자) : 1020080102208 (2008.10.17)
  전철 객차의 출입문에 설치되어 출입구로 공기를 분출하여 개방된 객차의 출입구에 에어커튼이 형성되도록 하는 장치이다. 전철 객차의 에어커튼 장치는 에어송출기, 에어커튼용 덕트, 방향 전환 수단, 출입구용 센서, 제어장치로 이루어진다. 에어송출기는 전철의 객차 천장 상부공간에 설치되어 외부로 공기를 배출하며 에어커튼용 덕트는 에어송출기와 연통이 가능하게 설치되고, 분출구가 객차의 출입구에 위치되어 에어송출기로부터 배출되는 공기가 객차의 출입구로 분출될 수 있도록 한다. 방향 전환 수단은 에어송출기와 에어커튼용 덕트 사이에 설치되어 에어송출기에서 배출되는 공기가 객차의 내부 공간과 에어커튼용 덕트의 출구 중에서 선택된 어느 하나로 유도되도록 한다. 출입구용 센서는 객차의 출입구 개폐여부를 검출하게 된다. 제어장치는 출입구용 센서로부터 출입구의 개폐 정보를 입력받아 방향 전환 수단을 작동시키되, 출입구가 폐쇄된 상태에서는 객차의 내부 공간으로 공기가 유도되도록 하고, 출입구가 개방된 상태에서는 개방된 출입구에 출구가 형성된 에어커튼용 덕트로 공기가 유도되도록 한다.

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

내용

마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

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

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용