[논문]건설장비 CO2배출량산출결과 비교연구

김병수; 장원석

doi:10.12652/ksce.2013.33.4.1675

[국내논문] 건설장비 CO2배출량산출결과 비교연구
A Study on Comparing the CO2 Emission Estimating Result for Construction Equipment 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.33 no.4, 2013년, pp.1675 - 1682

김병수 (경북대학교 토목공학과) , 장원석 (영남대학교 건설시스템공학과)

초록
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지구온난화(Global Warming) 문제를 해결하기 위해서는 이산화탄소 배출량을 줄여야 한다. 우리나라는 1인당 이산화탄소 배출량이 세계 Top 수준이기 때문에 배출량을 줄이기 위한 노력을 더욱 적극적으로 할 필요가 있다. 이산화탄소 배출량을 줄이기 위한 노력은 다방면으로 이루어지고 있다. 그러나 $CO_2$ 를 줄이기 위해서는 그것의 배출특성을 알아야 한다. 건설장비의 이산화탄소 배출량을 측정하여 비교분석하는 것은 이러한 측면에서 중요하다. 현재 가장 많이 이용되고 있는 배출량 산정방법은 연료사용량 대비 배출계수를 이용하는 방법이다. 그러나 이 방법은 연료사용량에 비례하지 않는 요인을 반영하지 못하므로 신뢰성에 문제가 있다. 본 연구에서는 건설장비의 이산화탄소 배출량을 직접측정방식으로 산정하여 배출계수에 의한 방식과 비교분석하고 그 차이에 대한 원인을 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

To resolve the Global Warming problem, it have to reduce $CO_2$ emission. Korea need to do actively more the effort to reduce the emission because $CO_2$ emission per person is top level in the world. It is performing variously. However, we should recognize the $CO_2$ emission attribute to decrease $CO_2$. Analyzing $CO_2$ emission of the construction equipment is important in this aspect. Present, the most popular $CO_2$ emission measuring method is the way using fuel consumption and emission factor. But this method have the problem of reliability because can't reflect the factor being out of proportion at fuel consumption. This study analyzed the reason of difference and compared to the emission factor method after calculate $CO_2$ emission in direct measurement method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 건설현장에서 건설장비의 작업 형태에 따른 실시간 CO₂배출량을 산정하기 위하여 건설현장에서 작업 중인 굴삭기를 대상으로 작업 형태에 따른 실시간 유속을 측정하였으며, 측정한 유속을 이용한 CO₂배출량을 실험적인 방법론을 통해 제시하였다. 먼저, IPCC 및 이론적 화학반응식으로부터 유도된 CO₂ 산출기법과 본 연구에서 제시하고 있는 유속측정을 통한 CO₂ 산출기법을 소개하였다.
본 연구의 범위는 건설공사의 기반이 되는 토공사에 사용되는 토공장비 중 백호를 대상으로 이산화탄소 배출량을 직접측정방식으로 측정하고 측정된 값을 화학식에 의한 방법 및 배출계수에 의한 방법과 비교하고 차이가 나는 원인을 분석하는 것으로 한다.
우선 본 연구에서는 CO₂ 농도를 측정하기 위한 다양한 선행연구를 수행하였다. 첫 번째는 반응속도가 매우 빠른 COZIR CO₂센서 (20 sample/second)를 차량 배기구에 직접 위치시켜 측정을 시도하였으나 배기가스의 빠른 유속에 의해 오버플로우(Overflow)가 발생되어 측정이 불가능했다.

제안 방법

본 연구에서는 건설현장에서 지반의 굴착 및 상차 작업을 수행하는 굴삭기를 대상장비로 선정하였다. Figure 4와 같이 도로공사 현장에서 운행 중 인 두산중공업 무한궤도식 LCV-300 장비 (버킷 용량 1.27m³, 엔진기통수 6 EA, 정격 출력 200 ps/1900 rpm)를 이용하여 유속측정을 통한 실시간 CO₂ 배출량을 산출하였다. 본 장비의 제원은 Table 5에 나타내었다.
48% 정도로 나타났다. 다음으로 굴삭기 작업형태에 따라 배출되는 배기가스의 유속을 측정하기 위하여 Figure 5와 같이 굴삭기의 배기구에 KURZ사의 유속센서를 설치하였으며, 유속센서를 알루미늄 관을 통과시켜 작업 시 주변공기유입과 같은 외부요인으로 인한 배기가스 유속변화를 최소화하였다. 또한 굴삭기 작업 형태에 따른 엔진회전수 변화를 측정하기 위하여 굴삭기의 계기판에 나타나는 rpm 값을 영상기기를 이용하여 촬영을 실시하였으며, 굴착 및 상·하차 작업을 진행하는 동안 유속 및 rpm 그리고 온도의 변화 값을 측정하였다.
또한 건설장비의 이산화탄소 배출량 산정과 관련한 연구현황을 분석하고 건설장비의 가동에 따른 이산화탄소 배출량을 측정할 수 있는 방법론의 고찰 그리고 이산화탄소 배출량에 영향을 미치는 요소 분석을 연구의 범위로 한정한다.
또한 굴삭기 작업 형태에 따른 엔진회전수 변화를 측정하기 위하여 굴삭기의 계기판에 나타나는 rpm 값을 영상기기를 이용하여 촬영을 실시하였으며, 굴착 및 상·하차 작업을 진행하는 동안 유속 및 rpm 그리고 온도의 변화 값을 측정하였다.
질량값(g)으로 환산한다. 또한 차량의 배기구에 유속센서를 설치하고 유속 및 단면적을 측정한 후 시간당 배출총유량(m³/s)을 산정하며, 엔진부하 대비 유량의 관계를 산정하기 위하여 RPM별 배출되는 유속을 측정한다. 그 후 최종적으로 식 (4)에 단위부피당 CO₂질량값 및 시간당 유량을 대입하여 엔진부하량이 고려된 단위시간당 CO₂ 배출량을 산정한다.
또한 굴삭기 작업 형태에 따른 엔진회전수 변화를 측정하기 위하여 굴삭기의 계기판에 나타나는 rpm 값을 영상기기를 이용하여 촬영을 실시하였으며, 굴착 및 상·하차 작업을 진행하는 동안 유속 및 rpm 그리고 온도의 변화 값을 측정하였다. 또한 측정 데이터를 크게 굴착 및 상차 작업과 공회전으로 구분하여 분석을 실시하였다.
또한, 실제 장비를 대상으로 현장실험을 통해 굴삭기에서 배출되는 실시간 CO2 양을 측정하였으며, IPCC 및 이론식으로 부터 산출된 시간당 CO2 배출량과 비교·분석하였다.
배출량을 실험적인 방법론을 통해 제시하였다. 먼저, IPCC 및 이론적 화학반응식으로부터 유도된 CO₂ 산출기법과 본 연구에서 제시하고 있는 유속측정을 통한 CO₂ 산출기법을 소개하였다. 또한, 실제 장비를 대상으로 현장실험을 통해 굴삭기에서 배출되는 실시간 CO₂ 양을 측정하였으며, IPCC 및 이론식으로 부터 산출된 시간당 CO₂ 배출량과 비교·분석하였다.
본 연구에서 제안하고 있는 실시간 CO2 측정방법의 신뢰성을 검증하기 위하여 기존의 CO2 측정방법인 IPCC Tier1을 통한 측정방법과 화학반응식을 통한 측정방법을 비교·분석하였다.
따라서 건설장비의 이산화탄소 배출량을 연료사용량에 의한 산정이 아닌 직접측정방식으로 산정할 필요가 있다. 본 연구에서는 건설장비의 이산화탄소 배출량을 직접측정방식으로 산정하고 결과를 다른 방식으로 산정한 결과와 비교해 보고 차이에 대한 원인분석을 하였다.
시험 차량이 차대동력계 상에서 시험용 주행패턴을 주행할 때 배출하는 배출가스를 희석용 공기로 희석한 후 배출가스 시료 채취 장비를 통해 채취하여 배출가스 분석 장비로 분석한다. 이렇게 분석된 배출가스 시료의 농도결과를 배출가스 시료 채취 장비에서 측정된 배출가스 부피 유량을 이용하여 질량 결과로 최종 환산한다.
연구의 방법은 건설장비의 이산화탄소 배출량과 관련한 국내외 기존연구를 고찰하였다. 건설장비의 이산화탄소배출량 산출방법은 유속 및 CO₂농도를 이용하여 건설장비의 작업 및 운행형태에따라 배출되는 CO₂량을 실시간으로 측정할 수 있는 방법(장원석 외, 2013)을 이용한다.
건설장비의 이산화탄소배출량 산출방법은 유속 및 CO₂농도를 이용하여 건설장비의 작업 및 운행형태에따라 배출되는 CO₂량을 실시간으로 측정할 수 있는 방법(장원석 외, 2013)을 이용한다. 이 방법은 배기가스의 유속을 측정하여 배기구에서 배출되는 단위시간당 유량을 산정하고, 실험을 통해 측정된 배기가스 CO₂ 농도를 유량과 연산하여 단위 시간당 혹은 주행거리당 배출되는 CO₂의 질량을 산정한다.
량을 실시간으로 측정할 수 있는 방법론이다. 이 방법은 배기가스의 유속을 측정하여 배기구에서 배출되는 단위시간당 유량을 산정하고, 실험을 통해 측정된 배기가스 CO₂ 농도를 유량과 연산하여 단위 주행거리당 배출되는 CO₂의 질량을 산정한다.
작업중인 굴삭기의 배기가스 유속에 따른 CO2량을 측정하기 위하여 먼저, 굴삭기의 엔진 상태(Cold Engine Cold & Hot Engine)에 따른 CO2 농도를 각각 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 건설현장에서 지반의 굴착 및 상차 작업을 수행하는 굴삭기를 대상장비로 선정하였다. Figure 4와 같이 도로공사 현장에서 운행 중 인 두산중공업 무한궤도식 LCV-300 장비 (버킷 용량 1.

이론/모형

연구의 방법은 건설장비의 이산화탄소 배출량과 관련한 국내외 기존연구를 고찰하였다. 건설장비의 이산화탄소배출량 산출방법은 유속 및 CO₂농도를 이용하여 건설장비의 작업 및 운행형태에따라 배출되는 CO₂량을 실시간으로 측정할 수 있는 방법(장원석 외, 2013)을 이용한다. 이 방법은 배기가스의 유속을 측정하여 배기구에서 배출되는 단위시간당 유량을 산정하고, 실험을 통해 측정된 배기가스 CO₂ 농도를 유량과 연산하여 단위 시간당 혹은 주행거리당 배출되는 CO₂의 질량을 산정한다.
이러한 방법은 CO₂와 같은 다양한 배기가스 성분의 농도를 비교적 정확하게 측정할 수 있는 장점이 있는 반면, 건설장비의 운행형태, 작업종류, 작업환경 등과 같은 가변적 상황에서의 CO₂ 배출량을 실시간으로 산출하기 어려운 단점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 공사현장의 여러 가지 다양한 작업종류 및 작업환경에 따른 건설장비의 실시간 CO₂ 배출량을 산출할 수 있는 방법론을 사용한다.

성능/효과

농도를 각각 측정하였다. CO₂ 농도를 측정하기 위하여 일정한 용기에 배기가스를 포집 후 COZIR사의 CO₂센서를 이용하여 CO₂ 농도를 측정한 결과 굴삭기의 CO₂ 농도는 평균 2.48% 정도로 나타났다. 다음으로 굴삭기 작업형태에 따라 배출되는 배기가스의 유속을 측정하기 위하여 Figure 5와 같이 굴삭기의 배기구에 KURZ사의 유속센서를 설치하였으며, 유속센서를 알루미늄 관을 통과시켜 작업 시 주변공기유입과 같은 외부요인으로 인한 배기가스 유속변화를 최소화하였다.
첫 번째는 반응속도가 매우 빠른 COZIR CO₂센서 (20 sample/second)를 차량 배기구에 직접 위치시켜 측정을 시도하였으나 배기가스의 빠른 유속에 의해 오버플로우(Overflow)가 발생되어 측정이 불가능했다. 두 번째 방법은 차량 배기가스를 100L 가량 포집 후 안정화가 이루어진 후 CO₂의 농도를 측정하는 방법을 이용하였으며, 동일한 조건에서 15회 이상 측정한 결과 유사한 농도로 수렴되었다. 또한, 측정된 CO₂ 농도는 엔진 rpm의 변동에 따른 배기가스 유속변화와 무관하게 유사한 값을 나타내었다.
둘째, 2012년 건설공사 표준품셈에 따른 시간 당 연료소비량 20.2L를 적용한 결과 IPCC Tier 1을 통한 CO₂ 배출량은 51,672g/hr, 화학반응식을 통한 CO₂배출량은 53,129g/hr로 나타났다. 또한, 제안하고 있는 유속측정을 통한 CO₂ 배출량 산정방법의경우 CO₂ 배출량은 26,316g/hr로 나타났다.
31g의 CO₂량이 굴삭기로부터 배출되는 것으로 나타났으며, 1시간당 26,316g의 CO₂가 배출되는 것으로 나타났다. 따라서, IPCC Tier 1을 통한 CO₂ 배출량 51,672 g/hr, 화학반응식을 통한 CO₂배출량 53,129g/hr와 비교해 보았을 때, 유속측정을 통한 CO₂배출량 26,316g/hr보다 약 2배 정도 높게 나타났다.
또한 굴착 및 상차의 평균유속은 19.94m/s로 공회전의 10.90m/s 보다 9.04m/s 빠른 것으로 나타났으며, 유량도 굴착 및 상차의 경우 0.31m³로 공회전의 0.17m³보다 많은 것으로 나타났다. 온도의 경우 굴착 및 상차의 경우 평균 266.
48%로 나타났다. 또한, 작업형태에 따른 유속 및 엔진회전수를 비교해 보았을 때 굴착 및 상차의 경우 19.94m/s, 1,748.85rpm으로 공회전 상태에서의 10.90m/s, 1,010.64rpm 보다 약 1.7~1.8 배 높은 것으로 나타났다.
2L를 적용한 결과 IPCC Tier 1을 통한 CO₂ 배출량은 51,672g/hr, 화학반응식을 통한 CO₂배출량은 53,129g/hr로 나타났다. 또한, 제안하고 있는 유속측정을 통한 CO₂ 배출량 산정방법의경우 CO₂ 배출량은 26,316g/hr로 나타났다. 이는 IPCC Tier 1과 화학반응식을 통한 CO₂ 배출량에 비해 제안하는 유속측정을 통한 CO₂ 측정방법이 절반정도 차이가 나는 것으로 나타났다.
마지막으로 본 연구에서 제시하고 있는 실시간 유속측정을 통한 CO₂ 배출량 산정 방법을 이용하여 CO₂ 량을 계산한 결과 초당 7.31g의 CO₂량이 굴삭기로부터 배출되는 것으로 나타났으며, 1시간당 26,316g의 CO₂가 배출되는 것으로 나타났다. 따라서, IPCC Tier 1을 통한 CO₂ 배출량 51,672 g/hr, 화학반응식을 통한 CO₂배출량 53,129g/hr와 비교해 보았을 때, 유속측정을 통한 CO₂배출량 26,316g/hr보다 약 2배 정도 높게 나타났다.
량(g), 엔진회전수 변화값을 약 20분 동안 측정하였으며, 측정 결과 Figure 6의 그래프와 같이 나타났다. 실험 결과 굴착 및 상차 작업의 경우 엔진회전수의 범위가 1,700~1,800rpm으로 평균 1,749rpm으로 나타났으며, 공회전의 경우 900~1,500rpm으로 평균 1,011rpm으로 나타났다.
또한, 제안하고 있는 유속측정을 통한 CO₂ 배출량 산정방법의경우 CO₂ 배출량은 26,316g/hr로 나타났다. 이는 IPCC Tier 1과 화학반응식을 통한 CO₂ 배출량에 비해 제안하는 유속측정을 통한 CO₂ 측정방법이 절반정도 차이가 나는 것으로 나타났다.
194g으로 나타났다. 이를 시간당 CO₂ 배출량으로 환산하기 위하여 IPCC Tier 1과 동일한 방법으로 건설공사 표준품셈에서 제시한 굴삭기의 시간당 연료사용량 20.2L/hr을 고려하여 CO₂ 배출량을 산출한 결과 식 (7)과 같이 총 53,129g/hr의 CO₂가 발생하는 것으로 나타났다.
첫째, LCV-300 굴삭기의 Engine Cold 상태와 Engine Hot 상태에서의 CO₂ 농도를 측정한 결과 1.27~4.39%로 평균 2.48%로 나타났다. 또한, 작업형태에 따른 유속 및 엔진회전수를 비교해 보았을 때 굴착 및 상차의 경우 19.

후속연구

본 연구결과를 바탕으로 향후 건설기계의 연식 및 건설환경에 따른 건설기계의 실제 연료 소모량 측정을 통하여 제안하고 있는 유속측정을 통한 CO₂ 량 측정 방법을 보완한다면, 건설현장의 장비종류에 따른 CO₂ 량을 실시간으로 측정함으로써 작업종류 및 장비조합에 따른 CO₂ 배출량을 고려한 친환경 공정관리 기법을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지구온난화의 가장 큰 원인은?	지구온난화(Global Warming) 문제를 해결하기 위해서는 지구온난화의 가장 큰 원인으로 인식되고 있는 이산화탄소 배출량을 줄여야 한다. 이산화탄소는 메탄, 아산화질소 등에 비하여 지구온난화지수 (Global Warming Potential : GWP)는 낮지만 배출량이 온실가스 중 80%를 차지한다.
	온실가스에서 이산화탄소의 비중은?	지구온난화(Global Warming) 문제를 해결하기 위해서는 지구온난화의 가장 큰 원인으로 인식되고 있는 이산화탄소 배출량을 줄여야 한다. 이산화탄소는 메탄, 아산화질소 등에 비하여 지구온난화지수 (Global Warming Potential : GWP)는 낮지만 배출량이 온실가스 중 80%를 차지한다. 세계 각국은 이산화탄소 배출량을 줄이기 위해서 탄소세, 탄소배출권거래제도 등을 도입하는 등 많은 노력을 기울이고 있다.
	에너지사용량을 줄이기 위한 대표적인 방법은?	이산화탄소 배출량은 에너지사용량에 어느 정도 비례하기 때문에 에너지사용량을 줄이기 위한 방법이 주를 이루고 있다. 친환경건출물 인증제도나 패시브디자인(Passive Design)이 대표적인 방법이라고 할 수 있다.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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