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문제 정의
- 량을 실시간으로 측정하기가 어려울 뿐만 아니라 건설장비의 부하량 대비 CO2량을 현실감 있게 산정하는 데는 한계가 있다. 따라서, 본 연구에서는 공사현장에서 건설장비의 작업 및 운행형태에 따라 배출되는 CO2량을 실시간으로 측정할 수 있는 새로운 방법론을 제시하고자 한다. 이 방법은 배기가스의 유속을 측정하여 배기구에서 배출되는 단위시간당 유량을 산정하고, 실험을 통해 측정된 배기가스 CO2 농도를 유량과 연산하여 단위 주행거리당 배출되는 CO2의 질량을 산정한다.
- 본 연구는 건설과정에서 발생하는 이산화탄소의 배출량을 산정하기 위한 방법론을 개발하기 위한 연구로서 유속 및 CO2농도를 이용하여 건설장비의 이산화탄소 배출량을 실시간으로 측정할 수 있는 방법의 제안을 목적으로 한다. 이러한 방법론은 이제까지 없었으며 세계최초로 시도되는 것이다.
- 본 연구는 유속을 이용하여 CO2량을 산정하는 방법론을 실험적으로 분석 및 검증하였다. 먼저 1500cc 수동5단 변속기가 장착된 Avante 차량의 RPM에 따른 CO2농도(%)를 측정하기 위해 정지된 상태에서의 RPM을 800, 2000, 3000으로 변화시켜가며 CO2농도 및 유속을 측정한 결과 RPM에 따른 CO2농도는 약 12.
- 이산화탄소 배출량을 산정할 수 있는 간접방법론은 이미 한계에 봉착하고 있기 때문에 새로운 방법의 개발이 필요하다, 본 연구의 범위는 이산화탄소를 직접 실시간으로 측정할 수 있는 방법론의 개발로 한다. 이를 위해 건설장비를 대상으로 하기 위한 연구의 초기단계로서 일반차량을 대상으로 측정방법을 개발하고 검증한다.
제안 방법
- 측정방법의 검증부분을 나타낸 것이다. CO2센서는 온도와 유속에 민감하여 일정온도와 일정유속이상이 되면 센서의 측정값이 이상수치를 기록하므로 현재 개발되어 있는CO2센서 중 기준을 만족하는 센서를 선택하기 위한 유효성 평가를 실시한 후 CO2 측정 및 방법검증을 실시한다.
- CO2센서의 정확성을 알아보기 위하여 자동차 정비소에서 실험에 사용할 자동차의 CO2를 점검하였다. CO2점검결과 공회전(rpm 800) 상태에서 약 10%의 CO2가 측정되었으며 2,500rpm에서 약 11.
- 이산화탄소배출량 산출방법을 검토하기 위하여 IPCC 가이드라인 방법론과 에너지관리공단에서 사용하고 있는 CVS-75 모드에 따른 CO2배출량 측정방법을 검토하였다. 건설장비의 이산화탄소 배출량을 실시간으로 측정할 수 있는 방법론 개발을 위해 CO2센서와 유속센서의 활용성을 검토하고 최종적으로 CO2 배출량 실시간 측정방법을 모델링하였다. 이를 위하여 건설장비에 적용하기 전 단계로 일반차량으로 실험을 통해 센서 및 측정방법의 유효성을 검증하였다.
- 또한 유속을 이용한 CO2량 산정방법의 신뢰성을 검증하기 위하여 ‘자동차 에너지소비효율 및 등급표시에 관한 규정’에서 제시되고 있는 ‘CVS-75(도심주행) 모드의 주행시험 계획’을 이용하여 주행 실험을 실시하였으며, 실제 주행은 총 44분 45초 동안 총 20.1km의 거리를 주행하였다.
- 또한 차량배기구에 플리스틱 관을 설치하고 관의 중간에 유속 센서를 고정시켜 주행 시 주변공기 흐름의 영향을 최소화하면서 배기가스의 유속을 정확하게 측정할 수 있도록 하였다. 또한 유속을 이용한 CO2량 산정방법의 신뢰성을 검증하기 위하여 ‘자동차 에너지소비효율 및 등급표시에 관한 규정’에서 제시되고 있는 ‘CVS-75(도심주행) 모드의 주행시험 계획’을 이용하여 주행 실험을 실시하였으며, 실제 주행은 총 44분 45초 동안 총 20.
- 질량값(g)으로 환산하였다. 또한 차량의 배기구에 유속센서를 설치하고 유속 및 단면적을 측정한 후 시간당 배출총유량(m3/s)을 산정하였으며, 엔진부하 대비 유량의 관계를 산정하기 위하여 RPM별 배출되는 유속을 측정하였다. 그 후 최종적으로 식 2-2에 단위부피당 CO2질량값 및 시간당 유량을 대입하여 엔진부하량이 고려된 단위시간당 CO2 배출량을 산정하였다.
- 먼저, CO2농도를 측정하기 위하여 차량에서 배출되는 가스를 일정한 크기의 포집용기에 포집한 후 CO2센서를 이용하여 포집된 배기가스의 RPM별 CO2 농도(ppm)를 측정하였으며, 측정한 농도 값을 식 2-1을 이용하여 단위부피당 CO2질량값(g)으로 환산하였다. 또한 차량의 배기구에 유속센서를 설치하고 유속 및 단면적을 측정한 후 시간당 배출총유량(m3/s)을 산정하였으며, 엔진부하 대비 유량의 관계를 산정하기 위하여 RPM별 배출되는 유속을 측정하였다.
- 본 연구에서는 건설현장에서의 건설장비의 CO2량을 실시간으로 측정할 수 있는 방법론을 제시하였고, 자동차 에너지소비효율 및 등급표시에 관한 규정의 CVS-75(도심주행) 모드 주행시험을 수행하여 유속을 이용한 CO2산출방법의 신뢰성을 분석하였다. 본 연구를 수행함으로써 도출된 분석결과는 다음과 같다.
- 센서의 유효성 평가항목은 온도와 유속에 대한 저항성으로서 차량의 배기구에서의 온도가 최대 120℃ 유속은 최대 20m/s 까지 인 점을 감안하여 이 구간에서 센서가 정상적으로 작동하는지를 평가하였다. 평가에 사용된 CO2센서는 Zigbee 계열 COZIR로서 농도 0~60%까지 측정이 가능한 제품이다.
- 배출량 자료에서 제외되어 있다. 실험차량에 대한 직접적인 비교 자료가 없기 때문에 본 연구에서는 최대한 비교 가능한 방법으로 비교하였다. 즉, 차량의 연비는 연료의 소비효율을 나타내므로 차량의 배기량이 달라도 CO2배출량에서는 차이가 없을 것이라는 가정 하에 실험차량의 연비와 같은 연비 15km/l 인 차량의 CO2배출량과 비교하였다.
- 에너지관리공단에서 시행하고 있는 CVS-75주행모드와 유사하게 차량을 주행시키고 이 때 발생되는 km당 CO2배출량(g)을 산출하여 에너지관리공단에서 제시하고 있는 차종별 CO2배출량과 비교함으로써 본 연구에서 채택한 CO2측정방법론을 검증하였다.
- 연구의 방법은 이산화탄소 배출량 측정과 관련한 국내외 방법론을 고찰하였다. 이산화탄소배출량 산출방법을 검토하기 위하여 IPCC 가이드라인 방법론과 에너지관리공단에서 사용하고 있는 CVS-75 모드에 따른 CO2배출량 측정방법을 검토하였다.
- 유효성 평가방법은 기준유속 및 온도에서 정상작동 하는지를 평가하기 위해 그림 4 및 5에서와 같이 작은 원통을 이용한 방법, 배기구에 터널을 만들어서 직접 측정하는 방법, 박스에 구멍을 뚫어 배기구와 연결하고 유속을 최대한 줄이기 위해 스티로폼이나 철망을 이용하는 등 다양한 방법으로 CO2를 측정하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 공사현장에서 건설장비의 작업 및 운행형태에 따라 배출되는 CO2량을 실시간으로 측정할 수 있는 새로운 방법론을 제시하고자 한다. 이 방법은 배기가스의 유속을 측정하여 배기구에서 배출되는 단위시간당 유량을 산정하고, 실험을 통해 측정된 배기가스 CO2 농도를 유량과 연산하여 단위 주행거리당 배출되는 CO2의 질량을 산정한다.
- 건설장비의 이산화탄소 배출량을 실시간으로 측정할 수 있는 방법론 개발을 위해 CO2센서와 유속센서의 활용성을 검토하고 최종적으로 CO2 배출량 실시간 측정방법을 모델링하였다. 이를 위하여 건설장비에 적용하기 전 단계로 일반차량으로 실험을 통해 센서 및 측정방법의 유효성을 검증하였다. 실험에 사용된 차량은 1999년식 아반떼 1500cc 수동5단변속기 차량으로서 연비는 15km/l 이다.
- 이산화탄소 배출량을 산정할 수 있는 간접방법론은 이미 한계에 봉착하고 있기 때문에 새로운 방법의 개발이 필요하다, 본 연구의 범위는 이산화탄소를 직접 실시간으로 측정할 수 있는 방법론의 개발로 한다. 이를 위해 건설장비를 대상으로 하기 위한 연구의 초기단계로서 일반차량을 대상으로 측정방법을 개발하고 검증한다.
- 연구의 방법은 이산화탄소 배출량 측정과 관련한 국내외 방법론을 고찰하였다. 이산화탄소배출량 산출방법을 검토하기 위하여 IPCC 가이드라인 방법론과 에너지관리공단에서 사용하고 있는 CVS-75 모드에 따른 CO2배출량 측정방법을 검토하였다. 건설장비의 이산화탄소 배출량을 실시간으로 측정할 수 있는 방법론 개발을 위해 CO2센서와 유속센서의 활용성을 검토하고 최종적으로 CO2 배출량 실시간 측정방법을 모델링하였다.
- 실험차량에 대한 직접적인 비교 자료가 없기 때문에 본 연구에서는 최대한 비교 가능한 방법으로 비교하였다. 즉, 차량의 연비는 연료의 소비효율을 나타내므로 차량의 배기량이 달라도 CO2배출량에서는 차이가 없을 것이라는 가정 하에 실험차량의 연비와 같은 연비 15km/l 인 차량의 CO2배출량과 비교하였다.
- 첫 번째 Cold Start Phase에서는 505초 동안 과도기 단계로 총 5.78km를 주행하면서 최소 50km/h에서 최대 약91.2km/h까지 속도를 변화시켜가며 주행하는 단계이고, 두 번째 Transient Phase는 안정기 단계로 총 주행거리 6.25km를 865초 동안 최저38km/h에서 최대 55.2km/h의 속도로 가속 및 감속을 병행하여 주행한다.
대상 데이터
- 이를 위하여 건설장비에 적용하기 전 단계로 일반차량으로 실험을 통해 센서 및 측정방법의 유효성을 검증하였다. 실험에 사용된 차량은 1999년식 아반떼 1500cc 수동5단변속기 차량으로서 연비는 15km/l 이다.
- 이를 토대로 실험값을 비교분석하기로 하였으며 CO2의 오차범위 ±3%를 고려하여 공회전 상태에서 CO2값이 5%이하일 경우 실험을 중지하였다. 실험에 사용된 차량은 아반떼 1500cc 1997년형이며 연료는 휘발유를 사용하며 연비 15km/l, 공회전시 CO2 배출은 10.2%이다.
- 센서의 유효성 평가항목은 온도와 유속에 대한 저항성으로서 차량의 배기구에서의 온도가 최대 120℃ 유속은 최대 20m/s 까지 인 점을 감안하여 이 구간에서 센서가 정상적으로 작동하는지를 평가하였다. 평가에 사용된 CO2센서는 Zigbee 계열 COZIR로서 농도 0~60%까지 측정이 가능한 제품이다.
성능/효과
- 를 점검하였다. CO2점검결과 공회전(rpm 800) 상태에서 약 10%의 CO2가 측정되었으며 2,500rpm에서 약 11.4%의 CO2가 측정되었다. 이를 토대로 실험값을 비교분석하기로 하였으며 CO2의 오차범위 ±3%를 고려하여 공회전 상태에서 CO2값이 5%이하일 경우 실험을 중지하였다.
- 넷째, CVS-75모드를 실제 도로에서 주행하여 측정한 km당 CO2 배출량(g)의 경우 145.6g/km로 나타났으며, 에너지관리공단에서 제시하고 있는 유사차량의 CO2배출량과 비교하였을 때, 약 ±10.4~11.6g/km정도 차이가 발생하지만 실험에 사용한 차량의 연식이 오래돼서 불완전 연소로 인한 CO2 배출량의 감소를 감안하면 유효한 결과라고 할 수 있다.
- 둘째, 유속변화에 따라 CO2량이 변화하였으며, 유속이 증가 하면 CO2량도 증가하는 것으로 나타났다.
- 97 g/km보다 높은 것으로 나타났다. 따라서 Cold Start및 Hot Start Phase가 Transient Phase 에 비해 주행시간이 짧음에도 불구하고 CO2량이 비슷한 것으로 나타났다.
- 따라서 실험에 사용된 CO2센서는 실시간 측정에 유효하지 않은 것으로 판단되었다. 현재까지 개발되어 있는 CO2센서 중에서는 차량의 배기구에서 배출되는 CO2량을 실시간으로 측정할 수 있는 유효성 있는 센서가 없는 것으로 판단되었다.
- 따라서, CO2 배출량 비교 결과 표 4에서와 같이 1600cc 차량의 km당 CO2배출량(g) 은 평균 156.0g/km 정도이며, 표 2의 실험결과와 비교하였을 때 약 10.4g/km 정도 차이가 나는 것으로 나타났다. 이것은 에너지관리공단에서 제시한 값에 비해 6.
- 량도 함께 증가하는 것으로 나타났다. 또한 가속구간이 존재하는 Cold Start Phase와 Hot Start Phase에서의 CO2량은 1.6~1.77 g/s 정도로 Transient Phase의 1.09 g/s보다 높은 것으로 나타났으며, km당 CO2량도 Cold Start Phase와 Hot Start Phase에서는 150.36~156.26 g/km 정도로 Transient Phase의 132.97 g/km보다 높은 것으로 나타났다. 따라서 Cold Start및 Hot Start Phase가 Transient Phase 에 비해 주행시간이 짧음에도 불구하고 CO2량이 비슷한 것으로 나타났다.
- 량을 산정하는 방법론을 실험적으로 분석 및 검증하였다. 먼저 1500cc 수동5단 변속기가 장착된 Avante 차량의 RPM에 따른 CO2농도(%)를 측정하기 위해 정지된 상태에서의 RPM을 800, 2000, 3000으로 변화시켜가며 CO2농도 및 유속을 측정한 결과 RPM에 따른 CO2농도는 약 12.3~12.8%의 일정한 범위 내에서 평균 12.5%로 나타났다.
- 셋째, Cold Start와 Hot Start Phase에서의 초당 CO2량 및 km당 CO2량은 각각 1.6~1.77 g/s 및 150.36~156.26 g/km로 Transient Phase의 1.09 g/s 및 132.97 g/km 보다 높은 것으로 나타났으며, 정속주행보다는 가속주행 시에 연료소모가 증가함에 따라 CO2배출량도 증가하고 있다.
- 실험결과 실험방법에 따라 CO2값의 차이가 크게 났으며, 같은 방법이라도 실험횟수에 따라 데이터값의 차이가 발생하였다. 박스내부에 종이판 또는 철망을 설치한 경우가 설치를 하지 않는 경우보다 공회전시에 CO2측정값이 낮게 측정되었다.
- 실험을 통해 측정된 km당 CO2 배출량(g)은 145.6g/km로 에너지관리공단에서 제시하고 있는 1591cc 수동6 변속 Avante 1.6GDI 차량의 134g/km와 비교하였을 때, 약 11.6g/km정도 차이를 보였다. 그러나 실험에 사용된 차량은 1500cc 수동5단 변속기 차량이므로 직접적인 비교가 되기에는 무리가 있다.
- 이를 토대로 실험값을 비교분석하기로 하였으며 CO2의 오차범위 ±3%를 고려하여 공회전 상태에서 CO2값이 5%이하일 경우 실험을 중지하였다.
- 주행 실험 결과 가속 구간에서는 유속변화 및 평균유속이 다른 구간에 비해 큰 것으로 나타났으며, 유속의 증가에 따라 배출되는 CO2량도 함께 증가하는 것으로 나타났다. 또한 가속구간이 존재하는 Cold Start Phase와 Hot Start Phase에서의 CO2량은 1.
- 배출량과 연비를 제시하고 있다. 차종이 동일하더라도 변속형식에 따라 CO2배출량이 차이가 발생하는 것을 알 수 있고, 연비 역시 CO2배출량에 반비례하여 대체적으로 연비가 좋을수록 CO2배출량이 적음을 확인 할 수 있다.
- 첫째, RPM에 따른 CO2농도(%)는 12.3~12.8% 정도로 배기가스에 함유된 CO2농도는 거의 일정하게 나타났다.
후속연구
- 현재까지 개발되어 있는 CO2센서 중에서는 차량의 배기구에서 배출되는 CO2량을 실시간으로 측정할 수 있는 유효성 있는 센서가 없는 것으로 판단되었다. 따라서 차량의 CO2배출량을 실시간으로 측정하기 위한 다른 방법이 필요하다는 결론이 도출되었다.
- 본 논문에서 제시하고 있는 CO2측정방법론을 향후 공정계획 및 장비조달계획과 연동시킴으로써, 작업종류별 장비의 부하량에 따른 CO2배출량 변화를 현실적으로 산정함으로써, 건설장비에서 발생되는 온실가스를 절감하고 더욱 친환경적인 공정계획을 수립할 수 있을 것으로 판단된다.
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