H.E.P.A
env wiki
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 스마트 필터 그리드 공기청정기 설계
영문 : Design of Smart Filter Grid Air Conditioner
과제 팀명
H.E.P.A
지도교수
오희경 교수님
개발기간
2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 환경공학부 2017890020 김재호(팀장)
서울시립대학교 환경공학부 2017890004 김기현
서울시립대학교 환경공학부 2017890029 박상현
서울시립대학교 환경공학부 2017890055 이창균
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
세계의 공기청정기 시장 전망 리서치에 따르면 공기청정기의 수요량은 매년 증가하고 있으며 세계의 공기청정기 시장 규모는 2020년 174억 1,000달러로 평가되었으며 연간 시장 규모 증가량은 5.06%로, 2030년에는 629억 8,000만 달러에 이를 것으로 전망하고 있다. 증가한 수요량에 비례해 공기청정기의 기능 및 효율 관련 내용 또한 강조되고 있다. 공기청정기의 부품 중 소모품인 헤파필터의 경우, 필터의 면적 대비 필터링의 효과를 최대화한다면, 공기청정기의 유지비용을 절감할 수 있다. 따라서 본 설계에서는 헤파필터의 필터링 효율을 높이기 위하여 스마트 그리드형 공기청정기를 설계하고자 한다.
헤파필터를 9등분한 뒤 LED 센서 및 카메라를 활용하기 때문에 공기청정기가 막간차압 센서에만 의존하지 않아도 되며, 필터를 전체적으로 교체하는 것이 아닌 특정 부위만 교체할 수 있도록 제작하였다. 동시에 필터를 전면부에서 교체하는 것이 아닌 측면부에서 교체하도록 만들어 필터 교체를 용이하게 할 수 있도록 설계했다.
스마트 그리드형 공기청정기는 크게 하드웨어 부, 소프트웨어 부로 구성된다. 본 설계에 적용되는 독창적인 아이디어는 ‘일반적인 필터를 사용하는 것이 아닌 9등분으로 나누는 것',‘막간차압 센서가 아닌 카메라와 LED 센서를 이용한다는 것', '그레이 스케일을 통해 필터의 사용 용량을 파악한다는 것’등이 있으며 이를 이용해 실제 모형을 제작하였다. 최종적으로 하드웨어 소프트웨어의 기능성, 경제성, 공익성 안전성 등을 고려해 설계작품을 평가하고 그 과정에서의 비용편익 분석을 진행하였다.
내용
개발 과제의 배경
실내공기질 오염은 한정적인 공간에서 외부 대기오염물질 유입과 다양한 건축자재, 생활 및 사무용품으로 인한 실내 오염원에 의해 발생한다. 미국 EPA(United States Environmental Protection Agency)의 통계에 따르면, 사람이 실내공기질에 의해 노출되는 오염물질의 농도가 실외에서 노출되는 대기오염물질에 비해 2-5 배, 때로는 100 배 이상 높다고 발표한 바 있다. 더욱이 사람은 하루 중 80~90 % 이상을 실내에서 생활하고 있어 실내공기질 오염은 실외 오염물질보다 사람에게 더 많은 영향을 끼친다.
공기청정기는 실내공기질을 제어해 인간의 삶의 질을 높이는 데 큰 기여를 해왔다. 또한 연구개발특구진흥재단에서 작성한 ‘글로벌 시장동향보고서’ 글로벌 시장동향보고서 2021.04 가정용 공기청정기 시장
에 따르면 증가하는 대기 오염 수준과 알레르기 및 천식 사례 증가로 인한 공기청정기의 수요가 증가하는 것을 보여주며, 이를 통한 HEPA 필터의 연평균 성장률이 8.6%로 증가할 것으로 추정한다. 또한 산업 환경 분석에 따르면 2019년 공기청정기의 대체재가 에어컨과 같은 공기 질 조절 장치가 있지만, 공기질 유지 대비 비용 비 기기 가격의 격차가 심해 사실상 대체재가 거의 없는 것으로 판단되며 추후 이런 경향이 동일하게 유지될 것으로 예상된다. 이는 공기청정기는 추후 대체재가 없는 유일한 가전기기로 자리매김하게 될 것을 암시한다.
환경부는 지난 2020년,‘제 4차 실내공기질 관리 기본계획’을 마련하여 정부 차원의 중장기적 실내공기질 관리정책을 추진하고 있으며, 그중 어린이, 학생 등 민감계층 이용시설에 대한 공기정화설비 설치 확대 및 사후관리 강화, 다중이용시설의 환기설비 설치·관리 의무 강화, ‘실내공기질 안심시설 인증제도’ 도입 및 활성화 지원 등을 통해 안심하고 머무를 수 있는 실내환경을 조성하고자 한다. 이를 위해 서울시는 200억원 가까이 투입해 245개 역에 3,996대의 공기청정기를 설치했으며, 어린이집 전 보육실 공기청정기 관리비를 월 24,900원 한도 내에서 지원하는 등의 활동을 진행했다. 하지만, 실내 공기질 개선을 위해 설치한 공기청정기의 관리 부실 및 성능미달이 잇달아 적발됨에 따라 공기청정기 유지 및 관리에 대한 대응을 촉구하고 있는 실정이다. 이를 해결하기 위해 지하상가의 경우, 지난 7월 지하도상가의 실내공기질 집중 관리를 위해 공기질 자동측정 지점을 늘리거나 일부 노후화된 공기조화설비의 필터를 고효율로 교체하는 등, 공기청정기의 헤파필터 교체 주기를 단축할 것을 계획했으나, 이에 따른 비용에 대한 우려의 목소리는 높아지고 있다.
위와 같은 문제를 해결하기 위해 본 조는 LED 센서와 카메라를 사용해 효율적으로 필터의 유지보수 및 관리가 가능한 스마트 그리드형 공기청정기를 제작했다. 스마트 그리드형 공기청정기의 장접은 다음과 같다. 먼저 필터를 9분할 하여 센서를 통해 각 필터의 사용 용량을 파악한 뒤 국소부위 사용 필터 교체 여부를 판단하는 것이다. 기존의 공기청정기의 경우 필터가 1매로 이루어져 있어 필터 교체 시 필터의 사용 면적과 별개로 전체 교체를 진행해야 한다. 하지만, 필터를 9분할 하여 활용함으로써, 푼할된 필터를 각각 최대한으로 사용할 수 있으며 이를 통해 필터 교체 비용을 감축할 수 있다.
필터의 교체가 용이하다는 점이다. 기존의 공기청정기의 경우, 필터를 교체하기 위해서는 전면부를 분해하여 필터를 교체해야 하는데, 스마트 그리드형 공기청정기의 경우 필터를 측면부에서 뽑아 교체할 수 있어 필터의 교체 과정이 쉬워진다. 이는 노인과 일부 장애인들과 같은 취약계층이 공기청정기를 관리하기 힘들어 오염된 필터를 교체하지 않고 사용해 발생할 수 있는 건강상의 문제를 사전에 방지할 수 있으며 이는 취약계층을 위한 다중이용시설에서 높은 수요가 예상된다. 또한 교체하는데 많은 시간이 필요하지 않아 다량의 필터를 빠른 시간에 교체하기 쉬워 지하역사나 지하상가와 같이 많은 수의 공기청정기를 이용하는 장소에서의 수요 또한 높을 것으로 추정된다.
개발 과제의 목표 및 내용
내용
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
내용
- 특허조사 및 특허 전략 분석
내용
- 기술 로드맵
내용
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
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
내용
향후계획
내용
특허 출원 내용
내용
