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

내용

개발 과제의 배경 및 효과

내용

개발 과제의 목표와 내용

내용

관련 기술의 현황

State of art

내용

기술 로드맵

내용

특허조사

내용

특허전략

내용

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

• 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.

청두 공항의 평균 외부 풍속은 이며, 실내 풍속을 로 가정하면, 풍속 차이로 인해 발생하는 굴뚝효과의 delta pressure 이다. 따라서 굴뚝효과의 total delta pressure는 이다.

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

조립도

조립도

내용

조립순서

내용

부품도

직접 제작한 부품이 없으므로 생략.

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

내용

개발사업비 내역서

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완료 작품의 평가

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향후평가

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부록

참고문헌 및 참고사이트

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관련특허

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소프트웨어 프로그램 소스

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