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

내용

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

조립도

내용

조립순서

내용

부품도

내용

제어부 및 회로설계

내용

소프트웨어 설계

내용

자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

내용

포스터

내용

특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

내용

완료 작품의 평가

내용

향후평가

내용

부록

참고문헌 및 참고사이트

내용

관련특허

내용

소프트웨어 프로그램 소스

내용