"실내쾌적하조"의 두 판 사이의 차이

2020년 12월 14일 (월) 06:07 판

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

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적 및 사회적 파급효과

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

조립도

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조립순서

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부품도

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제어부 및 회로설계

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소프트웨어 설계

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자재소요서

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결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

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포스터

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특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

내용

완료 작품의 평가

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향후평가

내용

부록

참고문헌 및 참고사이트

내용

소프트웨어 프로그램 소스

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+ '''(1) 환기 유니트 (ERV)'''
- '''(1) 환기 유니트 (ERV)'''
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 환기 유니트 (모델명 : ERV-바이패스형 SSB type)