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문제 정의
- 후)장착 부분의">장착부분의 단품만을 대상으로 제작하였으며 제작된 시제품에 롤필터를 장착하여 성능시험을 실시하였다. 본 연구에서 개발 중인 청정장치는 비용와 유지보수의 어려움을 극복하기 위해 롤필터방식을 채택하여 일정 간격을 두고 주기적으로 필터가 회전함으로서 자체적으로 필터를 교체하도록 하여 최장 6개월 정도의 유지보수 기간을 목적으로 두고 있다. 시제품에 장착하여 미세먼지를 포집하게 되는 이에 본 연구에서는 도시철도 객실에 설치하여 지표 오염물질인 PM10을 효과적으로 저감시키면서 그동안 객실 공기청정장치 적용시 문제가 되어왔던 비용과 유지보수의 불편함을 최소화 할 수 있는 실용적인 저감장치를 개발하고자 한다. 이를 위해 현재 후)차량 내">차량내 적용이 어려웠었다. 이에 본 연구에서는 저비용에 높은 효율을 가지며, 유지보수가 쉽고 간편하게 공기질을 개선시킬 수 있는 지하철 객실 공기정화장치를 제안하였다. 현재 향후, 본 장치를 장착할 경우 객실내 PM10농도를 혼잡시 150µg/m3, 비혼잡시 100µg/m3 이하로 유지할수 있도록 하는 것을 목표로 하고 있다.
제안 방법
- 후)객실 내">객실내 설치공간 검토결과와 적정처리 풍량 산정 및 수치 해석을 통해 제시된 데이터를 바탕으로 시작품을 제작하여 성능평가를 실시하였다. 시제품 제작은 풍량과 설치지역의 면적, 롤필터의 흐름제어를 고려하여 Fig.
- 후)해석 대상인">해석대상인 객차의 1/2 모델을 나타낸 것이다. 객차에 2개의 청정장치가 설치되므로 객차의 1/2만 모델링하여 중앙에 대칭조건을 적용하였다. 해석에 사용된 격자는 약 1130만개의 Tetra/prism 격자로 구성되어 있으며, 팬이 회전하는 해석을 위해 원심력과 코리올리(coriolis) 힘을 고려한 회전프레임(rotating frame)을 후)공기청정 장치에">공기청정장치에 각 필터를 롤필터형식으로 적용시 발생하는 압력강하와 성능에 대한 평가를 실시하였고, 실험을 위해 실제모형과 똑같은 규격의 Mock-up 모델을 제작하였다 (Fig. 7). Mock-up 모델은 BLDC (Brush Less Direct Current) 모터를 적용하였고, 최적 풍량은 300m3/h이다.
- 도시철도 객실에 공기청정장치의 개발 및 장착을 위한 현장조사를 실시하였다. 후)객실천정부에">객실 천정부에 매립할 수 있는 최적 공간을 확보하였으며, 이에 따른 공기정화장치의 적정 크기 및 풍량을 산정하였다. 또한, 수치해석적 연구를 통해 설계풍량의 90%를 달성할 수 있는 필터 차압 기준값을 도출하였고 이를 바탕으로 롤필터 기능을 가진 공기정화장치를 설계하였으며, 미세먼지의 포집효율을 결정 하는 필터재질에 대한 선정연구를 수행하였다. 후)수치 해석에는">수치해석에는 상용 소프트웨어인 CFX(ANSYS 社)를 사용하였다. 모델링은 가로단면과 세로단면을 대상으로 수치해석 하였으며, 공기를 흡인함으로서 필터와 충진층에 가해지는 압력강하와 유량의 흐름을 속도벡터 및 압력분포로 확인함으로써 설계유량의 만족여부를 평가하였다. Fig.
- 후)전체 공기를">전체공기를 약 11~12분에 1회 처리할 수 있다. 상기 선정된 공간에 청정장치가 매립되고, 이때 풍량이 300m3/h임을 적용하여 수치해석을 통해 풍량유지 여부와 저감효과를 분석하였다. 2). 선정된 객실내 공간에 청정장치를 설치할 경우에 대하여, 수치해석을 통한 사전 평가를 수행하였다. 1Pa 이하로 유지되어야 하는 것으로 나타났다. 선정된 공간에 청정장치를 가상으로 설치하여 객실 오염도 정화시 유동패턴을 분석하였다. 외부에서 오염원이 유입되는 경우와 출입문을 통하여 유입되는 경우로 나누어 후)롤필터 방식을">롤필터방식을 채택하여 일정 간격을 두고 주기적으로 필터가 회전함으로서 자체적으로 필터를 교체하도록 하여 최장 6개월 정도의 유지보수 기간을 목적으로 두고 있다. 시제품에 장착하여 미세먼지를 포집하게 되는 필터재질의 선정을 위하여 5가지 필터재질에 대한 입자포집효율과 차압특성을 평가하였다.
- ">산정하였다[14]. 시험방법에서 표준 사용면적은 공기 청정기가 사용되는 위치, 장소, 천장의 높이, 오염도의 정도 등의 환경변화에 따라 공기 청정도가 크게 다르게 나타나기 때문에 일반 사무실을 기준으로 한 표준 사용 면적을 사용하여 산정하였다. 도시철도 신조차량의 규격이 Mock-up 모델은 BLDC (Brush Less Direct Current) 모터를 적용하였고, 최적 풍량은 300m3/h이다. 실험은 상온 상압(25o C, 1 atm), 상대습도 55%에서 테스트 지그(jig)에 시험용 필터를 장착하고 300m3/h의 풍량을 유지시키며 필터의 전단과 후단의 압력강하를 측정하였다.
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4). 외부에서 오염원이 유입되는 경우는 에어컨 외기유입부를 통해 들어오는 것으로 객실 천정내 덕트를 따라 내부에 유입되는 경우이며, 출입문을 통하여 유입되는 경우는 단순히 출입문 단면에 오염원 소스를 두는 방법으로 해석하였다. 두 경우 모두 객실
후)정화 시">정화시 유동패턴을 분석하였다. 외부에서 오염원이 유입되는 경우와 출입문을 통하여 유입되는 경우로 나누어 수치해석을 수행하였다(Fig. 4). 외부에서 오염원이 유입되는 경우는 에어컨
후)공기청정 장치는">공기청정장치는 도시철도 특성상 운행이나 승객의 승하차에 지장을 초래하지 않고, 공기조화시스템의 가동에 최대한 영향을 주지 않도록 설계되어야 하며, 유지보수가 간편하여야 한다. 이러한 조건을 만족시키기 위한 세부설계를 위해 차량내부에 대한 조사를 실시하였고, 객실내 라인플로팬(line flow fan)이 설치되어 있는 상부지역이 적정공간으로 선정되었다. 라인플로팬은
후)최소화할">최소화 할 수 있는 실용적인 저감장치를 개발하고자 한다. 이를 위해 현재 운행중인 도시철도 객실 차량의 내부 공간 구조를 검토하고 수치해석 기법을 활용하여 적용 가능한 공기청정기의 기본적 설계를 수행하였으며, 시제품 단품에 대한 성능평가 연구를 수행하였다. 향후, 본 장치를 장착할 경우
5와 같은 형상으로 제작하였다. 이번에 제작된 시제품은 전체 하이드리브 집진장치 중 미세먼지 장착부분의 단품만을 대상으로 제작하였으며 제작된 시제품에 롤필터를 장착하여 성능시험을 실시하였다. 본 연구에서 개발 중인 청정장치는 비용와 유지보수의 어려움을 극복하기 위해
입경별 포집효율은 입자발생장치(Topas 社, SAG410)에서 AC Fine dust (PTI 社, A1)를 발생시켜 대상필터의 전단과 후단의 샘플링 프로브를 이용하여 Dust Spectrometer (Grimm 社, 1.108)로 측정하였다(Fig. 8). 필터 전후단의
후)적정 풍량">적정풍량 유지는 사용되는 필터의 압력강하로 인해 발생되는 것으로, 필터의 차압효과를 포함하여 분석하였으며, 저감효과는 외기로부터 먼지가 유입되는 경우와 출입문으로부터 먼지가 유입되는 경우로 한정하여 분석하였다.
후)포집 효율이">포집효율이 높은 것이 특징이다. 정전필터의 특성을 알아보기 위해각 필터에 하전된 정전기적 전하를 비접촉식 표면 전위 측정기(Electrostatic Voltage Monitor, EVM model 102)를 사용하여 표면 전하를 측정하였다. EVM은
후)공기 정화장치를">공기정화장치를 제안하였다. 현재 운행중인 도시철도의 다양한 차량에 대한 현장조사를 바탕으로, 객실 천정부에 매립할 수 있는 최적 공간을 확보하였으며, 이에 따른 공기정화장치의 적정 크기 및 풍량을 산정하였다. 또한,
대상 데이터
- 공기청정기의 효율을 높이고 차압을 낮추기 위해 5종의 필터를 대상으로 실험을 수행하였다. K1과 K2는 시중에서 일반적으로 사용되는 필터로서 주로 자동차나 공기청정기의 필터로서 많이 사용되고 있는 제품이다.
- 후)처리 풍량을">처리풍량을
데이터처리
- 8). 필터 전후단의 입자개수 농도 데이터는 입경별로 포집효율 및 전체 평균효율로 계산하였다.
이론/모형
- 7). Mock-up 모델은 BLDC (Brush Less Direct Current) 모터를 적용하였고, 최적 풍량은 300m3/h이다. 실험은 상온 상압(25o C, 1 atm), 후)객실 내">객실내 입자상 오염물질을 효율적으로 처리하기 위한 처리풍량 산정은 국가표준규격인 KS 시험방법을 기준으로 산정하였다[14]. 시험방법에서 표준 사용면적은 후)입자포집 효율은">입자포집효율은 상반되는 특성으로 조사되었다. 따라서, 정량적인 필터성능평가를 위해 성능지표를 적용하였다[16].
- 후)수치 해석에는">수치해석에는 상용 소프트웨어인 CFX(ANSYS 社)를 사용하였다. 모델링은 가로단면과 ">처리하였다. 해석에 적용한 난류모델은 유동박리의 예측에 적합한 SST(Shear Stress Transport) 모델을 사용하였으며, 수치기법으로 2nd order upwind의 High resolution 기법을 적용하여 해석의 정밀도를 보장하였다. Fig.
성능/효과
- Fig. 3 (c)의 속도분포를 보면 청정장치에서 배출되는 유동은 주로 객차 상부 천정을 따라 흐르고 객차내부의 유동이 청정장치로 접근하는 유동분포를 볼 수 있으며, 이와 같이 객차 벽면을 타고 흐르는 유동패턴에 의해 청정장치 하부의 승객이 느끼는 기류의 속도는 크지 않을 것으로 판단된다. 모터가 2 보다 높게 나타났다. E2필터보다 E3필터의 성능지표가 37% 정도 높은 것으로 나타나 E3필터의 압력강하가 목표치인 98.1Pa 보다 다소 높은 100.0Pa 이지만, 모터 외부케이스 형상과 유량 토출부 형상변경을 통해 압력강하 목표치를 충분히 달성할 수 있기 때문에 E3필터가 가장 적합한 롤필터 재질로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
- 가장 효율이 높게 측정된 E3 필터의 경우 0.4µm에서 57.4% 수준이며 입경이 증가하면서 포집효율도 증가해서 7.5µm에서 약 87%의 포집효율을 갖는 것으로 나타났다.
- 후)객실천정내">객실 천정내 덕트를 따라 내부에 유입되는 경우이며, 출입문을 통하여 유입되는 경우는 단순히 출입문 단면에 오염원 소스를 두는 방법으로 해석하였다. 두 경우 모두 객실 기류패턴에 대한 사전평가 결과 청정장치 설치시 효과적인 미세먼지 저감이 가능한 것으로 예상되었다.
- 후)유동 패턴에">유동패턴에 의해 청정장치 하부의 승객이 느끼는 기류의 속도는 크지 않을 것으로 판단된다. 모터가 회전속도를 1,400rpm으로 회전 하면서 블레이드가 설치되어 있는 팬이 회전되어 유동장이 생성되며, 필터의 저항이 없는 조건에서 청정장치를 통과하는 유량이 300m3/h가 되는 것을 확인하였다.
- 후)입자포집 효율이">입자포집효율이 높은 필터이다. 선정된 처리유량 300m3/h에서 98.1Pa 이내의 압력강하가 나타나는 조건으로 평가하였을 때, 사용된 5가지 필터의 경우 압력강하와 입자포집효율은 상반되는 특성으로 조사되었다. 따라서, 정량적인 후)수치 해석을">수치해석을 통해 필터의 차압을 변화시키면서 토출되는 유량을 예측한 결과 90% 이상의 처리풍량을 유지하기 위해서는 98.1Pa 이내의 압력강하가 요구되기 때문에 E3를 제외한 모든 필터의 압력강하 특성은 적정조건을 만족하는 것으로 나타났다.
- 후)전반적으로">전반 적으로 일반필터보다는 정전필터의 포집효율이 높은 것으로 평가되었다.
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후)필터 재질별">필터재질별 압력강하는 PP(polypropylene)재질인 정전필터가 PE(polyethylene) 재질인 일반필터보다 높은 것으로 나타났다. 초기 낮은 유량에서는
후)필터 재질의">필터재질의 선정은 미세먼지 포집효율 평가 시험과 차압특성 및 정전기력 평가를 수행하였고, E3필터 가 성능지수 13.8로 가장 높게 나타나 롤필터 재질로 적합한 것으로 나타났다. 현재
후)해석 결과">해석결과 기준유량의 90% 이상을 유지하기 위해서는 필터의 차압이 약 98.1Pa 이하로 유지되어야 하는 것으로 나타났다. 선정된 공간에 청정장치를 가상으로 설치하여 객실 오염도
후속연구
- 8로 가장 높게 나타나 롤필터 재질로 적합한 것으로 나타났다. 현재 진행중인 연구는 미세먼지 뿐만 아니라 고효율의 흡착제를 개발하여 도시철도 지표 오염물질인 CO2를 포함한 유해가스(VOCs, HCHO 등)를 동시에 저감할수 있는 장치를 개발하는 것을 최종 목표로 하고 있으며, 개발될 시스템은 독립형 유닛(unit) 시스템으로 도시철도 객실은 물론 국부적인 특수공간의 종합적인 공기청정시스템으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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