아니 땐 굴뚝

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 굴뚝효과를 활용한 저동력 공기정화 시스템

영문 : Low Powered Air Purification System Using Stack Effect

과제 팀명

아니 땐 굴뚝

지도교수

오명도 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20164300** 윤**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20144300** 정**

서울시립대학교 기계정보공학과 20148600** 김**

서울시립대학교 기계정보공학과 20164300** 조**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

자연적으로 발생하는 굴뚝효과(Stack effect) 및 역굴뚝효과를 이용해서 실내의 쾌적함을 유지할 수 있는 기술을 개발한다. 지속적으로 외기를 유입시키면 내부의 부하가 크게 발생하므로 내부와 외부의 조건을 이용해서 특정 상황에 개방하여 부하 발생을 최소로 할 수 있도록 한다. 이 때, 특정 상황 개방에 있어서는 온도 센서 및 미세먼지 농도 센서를 이용하여 제어한다. 동절기에는 외부의 공기가 내부로 들어오는 굴뚝효과가 작용하고, 하절기에는 내부의 공기(저온, 고밀도)가 외부로 나가는 역굴뚝효과가 발생하므로 두 경우에 맞게 적용 가능한 시스템을 설계한다.

개발 과제의 배경 및 효과

산업화 및 환경오염으로 인해 미세먼지 및 초미세먼지가 급증하게 되었다. 이에 따라 실외에서 뿐만 아니라 건물 내의 공기 질 향상의 필요성이 대두되었다. 이는 최근들어 날뛰는 미세먼지 농도를 통해 우리가 일상에서도 체감할 수 있다. 또 이같은 공기를 정화하기 위해 수많은 에너지가 사용되고 있고 이런 에너지의 만연한 사용은 다시 환경에 악영향을 미쳐 미세먼지가 발생하는 악순환을 이루고 있다. 이에 본 조는 2015년 UN에서 발표한 SDGs(지속가능한 발전 목표 보고서)의 7-깨끗한 에너지, 11-지속가능한 도시와 공동체 항목에 의거해 인간이 살아가고 있는 주거환경을 깨끗한 에너지로 개선하고자 본 과제 개발을 시작했다.

우선 본 과제로 얻을 수 있는 첫 번째 효과로는 건물 내 실내 공기질 개선이 있다. 신선한 공기를 고층으로 들여옴으로써 쾌적한 실내환경의 조성을 도와준다. 두 번째 효과는 강제(기계) 환기의 방식이 아닌 굴뚝 효과(Stack Effect)를 활용한 자연 환기 시스템을 이용해 기존의 방식보다 적은 에너지를 사용하게 되는 것이다. 그리고 마지막 효과는 계절별로 환기 방식을 다르게 하여 조금 더 효율적, 융통적으로 실내 공기 질의 관리가 가능하게 되는 것이다.

개발 과제의 목표와 내용

본 과제는 각종 센서를 이용해 미세먼지농도, 천장과 바닥간의 온도차, 문의 개폐여부 등을 확인하여 실외 공기가 건물내에서 센서를 제외한 추가 기계적 동작없이 환기될 수 있는 시스템 구성을 목표로 한다. 이를 위해 상술한 센서를 아두이노를 활용하여 동작할 수 있도록 만들 것이며, 계절에 따른 건물 내 굴뚝효과 환경 및 조건을 조성하여 그 동작을 확인할 것이다. 마지막으로 굴뚝 효과를 유발할 수 있게 되는 건물 내 압력차를 계산하여 배관 및 덕트, 공기정화 필터의 사이즈를 구체화할 것이다.

관련 기술의 현황

State of art

• Solar Roof(태양광을 흡수하는 지붕)를 이용하여 연돌 효과를 극대화한 기술
• 건물 내 배기구를 연돌 효과가 조금 더 잘 일어날 수 있도록 최적화하는 기술

기술 로드맵

특허조사

• 연돌 효과를 이용한 초고층 건물의 하이브리드 환기시스템
• 굴뚝효과를 이용한 공기정화기와 그 정화방법

특허전략

관련 특허의 경우 연돌효과를 활용한 초고층 빌딩의 환기 시스템과 공기 정화기, 태양열 등 신재생에너지와 연돌효과를 결합한 특허 등이 있었다. 본 프로젝트의 경우 초고층 빌딩이 아닌 많은 사람들이 드나들기에 출입구가 많고, 천장이 높아 환기에 용이한 공항을 대상으로 삼았으며, 연돌효과와 외부의 풍속을 활용하여 유동을 유발하고, 미세먼지를 정화하는 것에 있어서 관련 특허들과는 차이점을 갖고 있는 것을 특허 전략으로 삼았다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

• 인천 국제공항 – Air Handling Unit(AHU)을 통한 기계 환기 방식
• 공항 윗부분에 고인 따뜻한 공기는 제트 엔진을 통한 강제 대류 방식으로 순환을 시키는 방식

마케팅 전략

SWOT 분석

강점: 에너지 절약 및 유지, 보수 용이, 반영구적 사용 가능
약점: 많은 설치 비용 발생 가능, 미관을 해칠 수 있음, 내부 문 개폐 문제가 발생할 수 있음
기회: 사회적 이슈인 미세먼지 저감에 부합 및 유엔 SDGs에 부합
위협: 에너지 부하 문제 발생 가능, 화제 방지 시스템 필요

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

• 공항 탑승객들에게 미세먼지와 초미세먼지가 거의 없는 쾌적한 공기 제공
• 공항 천장 열 고임 현상을 자연스럽게 해결 가능

경제적 및 사회적 파급효과

• 현재 많은 이슈가 되고 있는 실내 미세먼지 저감을 연돌 효과를 활용해 효율적으로 시행할 수 있다.
• 외부에서 들어오는 미세먼지를 내부에서 공기 정화 시스템으로 많은 전력을 이용해 정화 하는 것이 아니라 외부에서부터 필터를 통해 자연 적으로 들어오는 외기를 우선적으로 정화하기 때문에 비용을 절약할 수 있다.
• 미세먼지가 심한 지역에 새로 지어지는 공항에 자동 개폐되는 창문과 천장에 필터를 적용한 저동력 환기 시스템을 도입할 수 있다. 또한 공항 설계시에 고려하는 공기 조화 설비나 에너지의 필요 스펙을 줄임으로써 오랜 기간동안 사용해야 하는 공항에서 유지 보수가 쉬운 저동력 환기 시스템은 장기적으로 아주 큰 효과를 볼 수 있다.

구성원 및 추진체계

조상운과 윤경준은 초기 시스템을 구성하기 전 계산을 통해 모델을 예측하고 근거를 추가한디. 이 과정에서 다양한 논문 자료를 통해 실제 건물 시스템에서의 연돌 효과에 의한 공기의 흐름을 압력 차이로 나타낼 수 있도록 해야 한다. 또한 계산 공식을 바탕으로 실제 모델을 상사법을 통해 구성할 때 알맞은 요인을 찾아 실험이 현실과 비슷한 조건에서 수행될 수 있도록 해야 한다. 김창현과 정명준은 계산 공식과 현실에서 비슷한 조건을 참고하여 필터 및 시스템 연구를 통해 연돌 효과에 의한 공기의 흐름을 비슷하게 보여줄 수 있는 시스템을 구성하고 이러한 흐름에 맞는 필터를 구성할 수 있도록 해야 한다. 실제 모델을 제작할 때는 위에 근거를 바탕으로 논리적으로 시스템을 구성하며 시스템이 적절하게 현실적으로 구성됐는지 평가할 수 있어야 한다.

설계

설계사양

• 제품 요구사항

다음과 같이 제품 요구사항을 desire과 wish로 나누었다. 우리가 가장 중요하게 생각하고 있는 요구사항은 신선한 공기 제공과 환경 친화적인 것이다.

• 목적 계통도

목적 계통도는 다음과 같다. 크게 친환경성, 경제성, 편의성을 큰 목적으로 잡았다.

• QFD

목적 계통도를 바탕으로 중요도 평가 기준을 나눴고 중요도 순위와 목표치를 포함하는 QFD를 구성했다.

• 평가 내용

1.신선한 공기로 환기 시킬 수 있어야 한다.
2.환경 친화적이고 저동력 시스템이어야 한다.
3.사용하기 쉬워야 하고 복잡하지 않은 시스템이어야 한다.
4.유지 보수가 쉽고 필터 교체 주기가 짧지 않아야 한다.
5.경제성이 있어야 한다.

개념설계안

파이프를 외벽에 노출시켜 온도차이를 크게 하고 굴뚝 효과를 극대화 시키는 것이 1안이다. 하지만 1안은 에너지 낭비가 심하고 파이프를 통한 외기 유입을 환기 시스템에 사용하기 어렵다. 또한 고층 건물의 경우 파이프 설치가 쉽지 않고 유지 보수가 어렵다고 평가했다.

2안의 경우 서울시립대학교 과학기술관 건물처럼 이중문 구조로 되어 있는 건물에 적용하는 시스템이다. 이중문 사이에 있는 공간에 파이프에 설치된 필터와 모터를 이용해 이중문에 있는 공기를 정화하는 방식이다. 이중문 사이에 있는 공간이 오염되지 않는다면 외부에서 들어오는 외기가 바로 건물 내부로 들어올 때 오염물질이 적게 들어올 것이라 생각 하였다.

3안 시스템은 공항에 적용하는 시스템이다. 일반 건물은 층이 많이 있고 엘리베이터 등의 다양한 이유로 굴뚝효과를 줄이는 것을 목적으로 하기 때문에 일반 건물에는 우리의 과제를 적용하기 힘들다고 생각 하였다. 공항은 층이 적고 천장이 높기 때문에 굴뚝효과를 이용할 수 있는 최적의 건물이다. 실제 공항에서는 천장에 열이 잔류하면 센서를 통해 내부 천장을 개방하여 내부의 열을 밖으로 내보내는 시스템을 갖고 있다. 따라서 우리는 전방과 천장에 창문과 필터를 추가하여 외기의 속도가 일정 값 이상이거나 공항 내부의 이산화탄소 농도, 미세먼지가 일정 값 이상일 때 개방하여 환기가 되는 시스템을 생각 하였다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

유체역학에서 배운 내용을 활용하여 기하학적 상사를 진행했고, 이 때 길이의 구조적 상사율이 L이라고 했을 때, 본 시스템에서 중요한 역할을 하는 풍속의 유체적 상사율은 L^0.5임을 위의 표에서 확인할 수 있다.

굴뚝효과가 발생하기 위한 delta pressure(굴뚝효과를 발생시키는 압력 차이)를 식으로 나타내면 다음과 같다.

나머지 문자들을 풀어쓰면 다음과 같다.

중성대의 높이를 총 높이의 절반으로 가정하고, 실내 온도는 26℃, 실외 온도는 9℃로 가정했을 때의 delta pressure는 다음과 같다.

delta P = 0.7(33-16.5) * (25-16)/9 = 20.53Pa

청두 공항의 평균 외부 풍속은 1.3m/s이며, 실내 풍속을 0m/s로 가정하면, 풍속 차이로 인해 발생하는 굴뚝효과의 delta pressure는 1Pa이다. 따라서 굴뚝효과의 total delta pressure는 20.53+1=21.53Pa이다.

최종적으로 이 압력차에 따른 유속을 ‘베르누이 방정식’으로 계산하면, 약 5.77m/s의 속도가 나오게 되며, 이를 100분의 1 축척으로 상사시키면 굴뚝효과에 의해 발생하는 풍속은 0.577m/s 이다.

조립도

조립도

전체 조립도는 위의 그림과 같다. 청두 공항의 실제 크기를 100:1로 축소시킨 149cm, 132cm, 33cm 규격의 직육면체 형태의 계를 만든다.

본체의 재질은 이동에 용이하고 저렴한 비용이며, 직육면체 형태를 구현하기 쉬운 MDF를 사용한다. 또한 본체 내부에 미세먼지 센서, 이산화탄소 센서와 아두이노 우노, 브레드보드, 흡입모터와 리니어모터 등을 설치한다. 본체 외부에는 풍속 센서와 초음파 가습기, 전원공급 어댑터 등을 설치한다.

그리고 경첩을 활용하여 아크릴 판과 MDF를 연결하여 사용한다.

조립순서

1. MDF판을 도면에 맞게 가공하고, 글루건 및 본드를 활용하여 결합한다.
2. 천장을 결합하기 전의 본체 내부에 이산화탄소 센서, 미세먼지 센서, 아두이노 우노, 브레드보드, 흡입 모터, 입구 측 리니어 모터를 설치한다.
3. 천장 역할을 하는 MDF와 아크릴 판을 경첩을 통해 결합한 후 글루건으로 본체에 결합시킨다.
4. 외부에 풍속 센서와 미세먼지 발생기 역할을 하는 초음파 가습기, 전원 공급 어댑터를 설치한다.

제어부 및 회로설계

아두이노 우노를 사용해 제어하고, 브래드보드와 어댑터를 사용하여 전원을 공급하였다. 또한 모터의 출력을 감당하기 위해 모터 드라이버를 사용하여 흡입 모터를 구동하였다. 내부의 CO2 센서와 외부의 풍속 센서값을 받아 아두이노 우노가 처리한 후에 리니어 액추에이터를 제어하도록 설계하였다.

소프트웨어 설계

아두이노 우노를 사용해 제어하고, 브래드보드와 어댑터를 사용하여 전원을 공급하였다. 또한 모터의 출력을 감당하기 위해 모터 드라이버를 사용하여 흡입 모터를 구동하였다. 내부의 CO2 센서와 외부의 풍속 센서값을 인식한 후에 아두이노 우노가 처리하도록 설계하였다. 이 때, 외부의 풍속이 0.5m/s 이상이거나 내부의 이산화탄소 농도가 400ppm 이상일 경우에는 리니어 액추에이터 및 흡입 모터를 작동시켜 자동 개폐 장치가 구동되도록 설계하였다.

자동 개페 장치가 구동되어 출입구 쪽 환기구를 연 다음에 조금의 딜레이를 두고 천장 쪽 환기구가 열리도록 설계하였다. 이를 통해 기존의 실내의 공기가 먼저 빠져나가는 것이 아니라 먼저 외부의 신선한 공기가 유입되면서 자연스럽게 실내의 공기가 천장으로 빠져나가도록 설계하였다. 또한 환기구가 완전히 열린 후에는 연돌효과를 구현할 수 있는 흡입 모터가 작동하도록 하여 외부의 풍속에 더해 내부의 연돌효과를 극대화시키도록 하였다. 일정 시간이 지나 충분히 환기가 이뤄졌을 것이라 판단되면 흡입 모터를 정지시키고, 천장 쪽 환기구부터 닫히고 그 후에 출입구 쪽 환기구가 닫히도록 설계하였다.

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

포스터

특허출원번호 통지서

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

향후평가

• 현재 실외 미세먼지가 점점 심해지고 있는 만큼 환기의 어려움이 점점 더 커질 것으로 관측된다. 특히 미세먼지의 발생정도가 가장 심한 인도, 중국등에 가까운 대한민국의 경우 이런 공기정화 시스템의 중요성이 더 커졌다. 때문에 에너지를 절약하면서 효율적으로 외기를 유입할 수 있는 본 조의 발명품이 사용 될 시장자체는 점점 더 커질 수밖에 없다고 생각한다.
• 시스템면에서 보면 상사법칙을 구현함에 있어 서로가 영향을 줘 다른 요소들을 재상사하는 과정이 반복되는 점 때문에 생략해서 구현한 요소들이 있었는데, 이 요소들을 추가하고 다른 요소들을 생략하는 등의 다양한 상사방식으로 시스템을 구현한다면 실제 적용 시의 결과와 비교해 더 정확한 값들을 도출해낼 수 있을 것이다. 또 본 조의 경우는 MDF, 아크릴로 외부를 구성했지만 실제 공항 외부의 경우 다양한 금속, 유리 등 다른 재질들이 사용된다. 이를 보완하기 위해 좀 더 다양한 소재로 외부를 구현해 실험을 진행할 수 있다면 이 또한 더 정확한 결과 도출에 큰 도움이 될 것이다.
• 소프트웨어면에서 보면 비용 문제로 인해 추가적으로 구현하지 못한 다양한 센서들을 추가함으로써 더 나은 결과를 얻을 수 있을 것이다. Stack Effect가 외기의 영향(풍속, 풍향)을 크게 받는 만큼 풍속뿐만이 아니라 풍향을 고려할 수 있는 센서를 추가한다면 장치가 작동하더라도 Stack Effect가 발생하지 않는 경우를 크게 줄일 수 있을 것이다. 또 이산화탄소 이외의 다양한 실내 공기질 관련 센서를 추가하여 좀 더 유연하게 개폐장치가 구동할 수 있게 개발한다면 더 나은 시스템을 구현할 수 있을 것이다. 추가적으로 생각해 본 것은 천장과 바닥부의 온도차이가 Stack Effect 구현에 적합할 정도의 차이를 일으키는 시간대를 측정해 이에 관련된 코드를 개폐장치에 추가한다면 환기 시스템 구현이 더 잘 될 것이다.
• Stack Effect만을 이용해 시스템을 구성할 경우 가끔 생성되는 유량이 부족해 완벽한 환기가 이루어지지 않을 수도 있다. 하지만 실제 공항등에 이를 적용할 시엔 추가 장비(다양한 팬, 온도 측정기)등이 복합적으로 작용한다면 충분히 유의미한 결과를 본 시스템을 이용해 얻어낼 수 있을 것이다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

특허청 키프리스, http://www.kipris.or.kr/khome/main.jsp 논문 출처, http://www.arpapress.com/Volumes/IJRRAS_11_2_14

관련특허

연돌효과를 이용한 초고층 건물의 하이브리드 환기시스템, (주) 대림산업, 10-2006-0044926

굴뚝효과를 이용하는 공기정화기와 그 정화방법, 권용준, 10-2008-0137080

소프트웨어 프로그램 소스

내용