More than 7 million persons use Seoul Metropolitan Subways (SMS) everyday and the number has been in increasing trend. With the increasing trend of concerns on indoor air quality(IAQ), the management of IAQ has become an important issue, especially in case of subway operators, because most of subway...
More than 7 million persons use Seoul Metropolitan Subways (SMS) everyday and the number has been in increasing trend. With the increasing trend of concerns on indoor air quality(IAQ), the management of IAQ has become an important issue, especially in case of subway operators, because most of subway lines are placed underground with poor ventilation condition. The ultimate object of study develop independent cleaning device that reduce efficient fine particle and $CO_2$. Urban subway has characteristics about proper clean air flow, must be installed in narrow space and maintenance cycle has enough time. Two layered electrically pre-charged filters were used for removing particulate matters and gas absorbers are packed between two layer filters for removing gases pollutants such $CO_2$, VOCs and HCHO. Urban subway has characteristics about proper clean air flow, must be installed in narrow space and maintenance cycle has enough time. SCAP prototype is producted as all in one method which decrease fine dust, $CO_2$ and noxious gas. and basic test carry out with quantity of wind, a gap of pressure, sampling efficiency.
More than 7 million persons use Seoul Metropolitan Subways (SMS) everyday and the number has been in increasing trend. With the increasing trend of concerns on indoor air quality(IAQ), the management of IAQ has become an important issue, especially in case of subway operators, because most of subway lines are placed underground with poor ventilation condition. The ultimate object of study develop independent cleaning device that reduce efficient fine particle and $CO_2$. Urban subway has characteristics about proper clean air flow, must be installed in narrow space and maintenance cycle has enough time. Two layered electrically pre-charged filters were used for removing particulate matters and gas absorbers are packed between two layer filters for removing gases pollutants such $CO_2$, VOCs and HCHO. Urban subway has characteristics about proper clean air flow, must be installed in narrow space and maintenance cycle has enough time. SCAP prototype is producted as all in one method which decrease fine dust, $CO_2$ and noxious gas. and basic test carry out with quantity of wind, a gap of pressure, sampling efficiency.
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문제 정의
특대형 챔버와 시험차량응 활용하여 미세먼지 및 이산화탄소 저감효율에 대한 기초 성능평가연구를 수행하였으며, 추후 더욱 간단하게 적용될 수 있도록 유지보수성을 극대화 시킬 예정이다. 시험차량 평가가 완료되면, 운행중인 차량에 장착하여 장기간에 걸친 성능평가 시험과 운영처 유지보수팀의 종합의견을 반영하여 상용화를 추진하고자 한다. 개발될 시스템은 유닛(unit) 시스템으로 도시철도 객실은 물론 국부적인 특수공간의 종합적인 공기청정시스템으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
현재 도시철도에 객차 내외에서 발생되는 오염물질을 저감시킬 수 있는 기술은 개발 중이나 유지보수의 어려움으로 인해 차량내 적용이 어려웠었다. 이에 본 연구에서는 유지보수가 쉽고 간편하게 미세먼지와 CO2를 저감시킬수 있는 장치개발을 진행 중 이며, 적정유량 확보와 차압에 대해 사전 수치해석 연구를 통해 검증하였다. 특대형 챔버와 시험차량응 활용하여 미세먼지 및 이산화탄소 저감효율에 대한 기초 성능평가연구를 수행하였으며, 추후 더욱 간단하게 적용될 수 있도록 유지보수성을 극대화 시킬 예정이다.
제안 방법
. SCAP은 기본적으로 미세먼지와 CO2에 대한 저감을 위한 송풍기가 2대가 장착되어 있고 이 송풍기이 가동 되었을 때 적정 풍량이 산정되어야만 최적의 저감효과를 나타내도록 설계하였다. 평가 전 유량과 함께 운행 차량 장착시 문제가 될 수 있는 소음에 대해서도 측정을 실시하였으며, 측정결과 미세먼지 저감장치의 풍량은 288.
SCAP의 오염물질에 대한 저감효율을 평가를 수행하였다. 실험은 시험차량 면적의 1/3을 대상으로 차량의 중간지점에서 양 쪽 끝부분을 비닐로 막고 미세먼지와 CO2에 대한 저감효율을 각각 측정하였다.
단품 시제품의 처리풍량, 차압 등과 같은 문제점을 보완하여 SCAP의 도면을 작성하였으며 이에 따른 수치해석을 수행하였다. SCAP의 유동현상을 해석하기 위해 상용 수치해석 프로그램은 CFX(ANSYS 社)를 활용하였고, 횡단면과 종단면을 대상으로 수치해석 하였으며, 공기를 흡인함으로서 필터와 충진층에 가해지는 압력강하와 유량의 흐름을 속도벡터 및 압력분포로 확인함으로써 설계유량의 만족여부를 평가하였다. 해석결과 모터가 1,400 rpm으로 회전할 경우 필터의 저항이 없다면, 300 ㎥/h 유량이 청정장치를 통해 순환하는 것으로 나타났고, 해석결과 기준유량의 90% 이상을 유지하기 위해서는 필터의 차압이 약 10mmH2O이하로 유지되어야 하는 것으로 나타났다.
개발 중인 청정장치는 도시철도의 운행 특성상 적정 공기량을 청정화 하며, 좁은 공간에 설치 가능하고, 유지보수 주기가 충분히 길도록 설계하였다. 그리고 청정화 공기량은 객실 내부체적과 승객수 및 설치가능공간을 검토하여 산정하였다.
필터와 이산화탄소 흡착제 선정 후 개별 평가를 위한 단일 시제품을 제작하여 평가를 수행하였다. 객실 장착시 적정 풍량과 차압을 선정하여 객실용 공기청정장치(SCAP : Subway Cabin Air Purifer) 개발 시 문제점을 파악하였다. 풍량산정을 위한 표준 시험방법에서 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 산정하였고, 산정결과 도시철도 객실 1량당 2대의 시스템을 설치할 경우 각각의 설계풍량은 약 300 ~ 330 ㎥/h으로 나타났다.
공기청정장치의 성능향상을 위해 미세먼지와 CO2 저감을 위한 개별 유닛인 필터와 흡착제에 대한 재질 선정 및 효율평가를 수행하였다. 미세먼지의 경우 일반 자동차 필터로 사용되는 부직포 타입의 필터 2종과 정전필터 3종에 대해 포집효율평가를 수행하였다.
입자발생 후 실험공간 내 입자의 고른 분포를 위해 내부 송풍기를 가동하여 유동을 발생 시켰고 측정 장비를 가동하여 600~500 ㎍/㎥ 정도까지 유지 시킨 후 350 ㎍/㎥ 까지 안정화 시켰다. 그 후 SCAP을 가동하여 시운전차량 SCAP 평가시 달성목표인 100 ㎍/㎥ 까지 도달하는 시간을 알아봤고 30분 가동 후 최종 저감농도를 대상으로 저감효율을 산정하였다. CO2의 경우 탄산가스를 송풍기 전단부에 분사시킨 후 차량 대상면적에 고루 분사 시킨 후 6000 ppm까지 유지 시킨 후 5000 ppm까지 안정화하여 SCAP을 가동하여 30분후 최종저감 농도를 대상으로 저감효율을 산정하였다.
개발 중인 청정장치는 도시철도의 운행 특성상 적정 공기량을 청정화 하며, 좁은 공간에 설치 가능하고, 유지보수 주기가 충분히 길도록 설계하였다. 그리고 청정화 공기량은 객실 내부체적과 승객수 및 설치가능공간을 검토하여 산정하였다. 미세먼지 제거를 위해 정전필터를 선정하였으며, CO2 제거를 위한 흡착제를 개발하였다.
풍량산정을 위한 표준 시험방법에서 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 산정하였고, 산정결과 도시철도 객실 1량당 2대의 시스템을 설치할 경우 각각의 설계풍량은 약 300 ~ 330 ㎥/h으로 나타났다. 단품 시제품의 처리풍량, 차압 등과 같은 문제점을 보완하여 SCAP의 도면을 작성하였으며 이에 따른 수치해석을 수행하였다. SCAP의 유동현상을 해석하기 위해 상용 수치해석 프로그램은 CFX(ANSYS 社)를 활용하였고, 횡단면과 종단면을 대상으로 수치해석 하였으며, 공기를 흡인함으로서 필터와 충진층에 가해지는 압력강하와 유량의 흐름을 속도벡터 및 압력분포로 확인함으로써 설계유량의 만족여부를 평가하였다.
그리고 청정화 공기량은 객실 내부체적과 승객수 및 설치가능공간을 검토하여 산정하였다. 미세먼지 제거를 위해 정전필터를 선정하였으며, CO2 제거를 위한 흡착제를 개발하였다. 현재 유지보수 주기 및 효율에 대한 기초시험을 실시하였고 있으며, 연구원에서 보유하고 있는 특대형 챔버내에서 시험차량을 이용하여 저감능력을 평가하고 있다.
미세먼지와 CO2 저감실험에 앞서 SCAP 장착 후 장치의 풍량 및 그에 따른 소음정도에 대해 측정을 실시하였다..
저감을 위한 개별 유닛인 필터와 흡착제에 대한 재질 선정 및 효율평가를 수행하였다. 미세먼지의 경우 일반 자동차 필터로 사용되는 부직포 타입의 필터 2종과 정전필터 3종에 대해 포집효율평가를 수행하였다. 평가결과 정전필터 타입의 필터를 선정하였으며, 현재 2중 롤필터 방식에 대해 포집효율 증대 가능여부를 평가 중에 있다.
실험은 시험차량 면적의 1/3을 대상으로 차량의 중간지점에서 양 쪽 끝부분을 비닐로 막고 미세먼지와 CO2에 대한 저감효율을 각각 측정하였다. 미세먼지의 경우 입자발생장치를 이용하여 입자를 발생 시킨 후 SCAP 가동에 따른 농도저감효과를 측정하였다. 입자발생 후 실험공간 내 입자의 고른 분포를 위해 내부 송풍기를 가동하여 유동을 발생 시켰고 측정 장비를 가동하여 600~500 ㎍/㎥ 정도까지 유지 시킨 후 350 ㎍/㎥ 까지 안정화 시켰다.
SCAP의 오염물질에 대한 저감효율을 평가를 수행하였다. 실험은 시험차량 면적의 1/3을 대상으로 차량의 중간지점에서 양 쪽 끝부분을 비닐로 막고 미세먼지와 CO2에 대한 저감효율을 각각 측정하였다. 미세먼지의 경우 입자발생장치를 이용하여 입자를 발생 시킨 후 SCAP 가동에 따른 농도저감효과를 측정하였다.
350 ㎍/㎥를 기준으로 자연감소와 SCAP 가동 후 100 ㎍/㎥까지 도달 시간과 30분후 저감효율을 분석하였고, 분석결과 객차 내부에 입자를 발생 시킨후 350 ㎍/㎥에서 100 ㎍/㎥까지(PM10기준) 감소되는데 51분정도 소요되는 것으로 나타났으며, SCAP(약)은 16분, SCAP(강)은 10분 정도 소요되는 것으로 나타났다. 일반적인 공기청정장치의 경우 30분간의 저감효율을 평가하는 점을 감안해 도시철도의 특수한 상황상 SCAP 작동 후 30분간의 저감능력을 평가하였다. 평가결과 자연감소의 경우 PM10은 59.
미세먼지의 경우 입자발생장치를 이용하여 입자를 발생 시킨 후 SCAP 가동에 따른 농도저감효과를 측정하였다. 입자발생 후 실험공간 내 입자의 고른 분포를 위해 내부 송풍기를 가동하여 유동을 발생 시켰고 측정 장비를 가동하여 600~500 ㎍/㎥ 정도까지 유지 시킨 후 350 ㎍/㎥ 까지 안정화 시켰다. 그 후 SCAP을 가동하여 시운전차량 SCAP 평가시 달성목표인 100 ㎍/㎥ 까지 도달하는 시간을 알아봤고 30분 가동 후 최종 저감농도를 대상으로 저감효율을 산정하였다.
연구원에서 구축하고 있는 특대형 챔버와 실험차량을 대상으로 운행차량 평가에 앞서 선행 연구를 수행하였다. 특대형 챔버는 일정온도 조건하에서 냉난방 부하 및 온열환경, 온습도 등을 조절하면서 도시철도 차량에 대한 환경평가를 수행 할 수 있으며, 본 연구에서는 특대형 챔버내부에 실험차량을 투입 후 환경조건을 유지시켜 주면서 SCAP 시험차량 성능평가를 수행하였다. 실험차량은 서울메트로 3호선 구간을 운행하던 실제 차량으로서 SCAP의 실제 운행차량 적용시 문제점과 효율을 평가하기 위해 내부상판을 제거하고 SCAP 시제품을 장착 후 실험을 수행하였다.
필터와 이산화탄소 흡착제 선정 후 개별 평가를 위한 단일 시제품을 제작하여 평가를 수행하였다. 객실 장착시 적정 풍량과 차압을 선정하여 객실용 공기청정장치(SCAP : Subway Cabin Air Purifer) 개발 시 문제점을 파악하였다.
현재 2차년도에서는 여러 종류의 흡착제를 개발하고 있으며 현재 개발 중인 흡착제 중 성능이 우수한 제품을 대상으로 카트리지를 제작해 측정을 실시하였다. 현재 운행중인 도시철도 차량을 측정한 결과 CO2의 최대 농도값이 5,000 ppm 으로 나타나 탄산가스를 분사시켜 6,000 ppm까지 유지 후 5,000 ppm 정도로 안정화 시킨뒤 자연감소와 SCAP 가동 30분 후의 농도를 대상으로 저감효율을 산정하였다.
평가결과 정전필터 타입의 필터를 선정하였으며, 현재 2중 롤필터 방식에 대해 포집효율 증대 가능여부를 평가 중에 있다. 흡착제의 경우 기존 흡착제에 대한 흡착능력과 재질별 효율에 대해 평가하였고 최종적으로 제올라이트 계열의 흡착제를 개발하여 성능평가를 수행하였다. 정전필터와 제올라이트 흡착제의 개별 포집성능평가 결과(챔버방식) 90% 이상의 고효율을 나타내어 공기청정장치 적용에 적합한 것으로 나타났다.
대상 데이터
특대형 챔버는 일정온도 조건하에서 냉난방 부하 및 온열환경, 온습도 등을 조절하면서 도시철도 차량에 대한 환경평가를 수행 할 수 있으며, 본 연구에서는 특대형 챔버내부에 실험차량을 투입 후 환경조건을 유지시켜 주면서 SCAP 시험차량 성능평가를 수행하였다. 실험차량은 서울메트로 3호선 구간을 운행하던 실제 차량으로서 SCAP의 실제 운행차량 적용시 문제점과 효율을 평가하기 위해 내부상판을 제거하고 SCAP 시제품을 장착 후 실험을 수행하였다.
연구원에서 구축하고 있는 특대형 챔버와 실험차량을 대상으로 운행차량 평가에 앞서 선행 연구를 수행하였다. 특대형 챔버는 일정온도 조건하에서 냉난방 부하 및 온열환경, 온습도 등을 조절하면서 도시철도 차량에 대한 환경평가를 수행 할 수 있으며, 본 연구에서는 특대형 챔버내부에 실험차량을 투입 후 환경조건을 유지시켜 주면서 SCAP 시험차량 성능평가를 수행하였다.
성능/효과
과 같다. 350 ㎍/㎥를 기준으로 자연감소와 SCAP 가동 후 100 ㎍/㎥까지 도달 시간과 30분후 저감효율을 분석하였고, 분석결과 객차 내부에 입자를 발생 시킨후 350 ㎍/㎥에서 100 ㎍/㎥까지(PM10기준) 감소되는데 51분정도 소요되는 것으로 나타났으며, SCAP(약)은 16분, SCAP(강)은 10분 정도 소요되는 것으로 나타났다. 일반적인 공기청정장치의 경우 30분간의 저감효율을 평가하는 점을 감안해 도시철도의 특수한 상황상 SCAP 작동 후 30분간의 저감능력을 평가하였다.
8%의 저감 효율을 나타냈다. 실제 운행차량의 최대 농도값을 터널농도 기준 350 ㎍/㎥으로 예측하여 SCAP 가동시 정량적 달성목표인 비혼잡 시 100 ㎍/㎥을 측정결과 SCAP(강)과 (약) 모두 만족한 것으로 나타났다.
8%의 저감효율을 나타냈다. 운행차량 실험시 5,000 ppm의 고농도 상황에서 정량적 달성목표를 2,500 pmm 이하로 유지하는 것을 목표로 계획하고 있으나 목표치를 만족하지는 못하는 것으로 나타났다. 현재 흡착제의 특성 및 효율에 대한 성능평가 및 연구가 지속적으로 진행 중에 있으며 이에 대한 보완이 이루어질 예정이다.
1%의 저감효과를 나타냈다. 이후 흡착제가 충진된 카트리지를 SCAP에 장착 후 저감효과 실험을 수행한 결과 첫 번째 실험결과 52.9%의 저감능력을 나타냈고, 두 번째 48.1%, 세 번째 47.8%의 저감효율을 나타냈다. 운행차량 실험시 5,000 ppm의 고농도 상황에서 정량적 달성목표를 2,500 pmm 이하로 유지하는 것을 목표로 계획하고 있으나 목표치를 만족하지는 못하는 것으로 나타났다.
흡착제의 경우 기존 흡착제에 대한 흡착능력과 재질별 효율에 대해 평가하였고 최종적으로 제올라이트 계열의 흡착제를 개발하여 성능평가를 수행하였다. 정전필터와 제올라이트 흡착제의 개별 포집성능평가 결과(챔버방식) 90% 이상의 고효율을 나타내어 공기청정장치 적용에 적합한 것으로 나타났다.
SCAP은 기본적으로 미세먼지와 CO2에 대한 저감을 위한 송풍기가 2대가 장착되어 있고 이 송풍기이 가동 되었을 때 적정 풍량이 산정되어야만 최적의 저감효과를 나타내도록 설계하였다. 평가 전 유량과 함께 운행 차량 장착시 문제가 될 수 있는 소음에 대해서도 측정을 실시하였으며, 측정결과 미세먼지 저감장치의 풍량은 288.2 CMH로 나타났고, CO2 저감장치의 풍량은 166.1 CMH로 나타났다. 현재 KS규격에서 지정하고 있는 공기청정장치의 유효풍량을 차량의 면적대비 비교했을 때 300 CMH가 적정 풍량으로 산정되어 두 대의 풍량 합산시 적정 풍량은 충분한 것으로 나타났지만 소음 측정결과 70~60 dB(A)로 나타나 소음문제에서는 추후 개선 보완하여야 될 것으로 사료된다.
일반적인 공기청정장치의 경우 30분간의 저감효율을 평가하는 점을 감안해 도시철도의 특수한 상황상 SCAP 작동 후 30분간의 저감능력을 평가하였다. 평가결과 자연감소의 경우 PM10은 59.2%, PM2.5는 52.3%의 자연저감효율을 나타냈고 SCAP(약)은 PM10 88.4%, PM2.5 80.2, SCAP(강)은 PM10 94.4%, PM2.5 86.8%의 저감 효율을 나타냈다. 실제 운행차량의 최대 농도값을 터널농도 기준 350 ㎍/㎥으로 예측하여 SCAP 가동시 정량적 달성목표인 비혼잡 시 100 ㎍/㎥을 측정결과 SCAP(강)과 (약) 모두 만족한 것으로 나타났다.
객실 장착시 적정 풍량과 차압을 선정하여 객실용 공기청정장치(SCAP : Subway Cabin Air Purifer) 개발 시 문제점을 파악하였다. 풍량산정을 위한 표준 시험방법에서 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 산정하였고, 산정결과 도시철도 객실 1량당 2대의 시스템을 설치할 경우 각각의 설계풍량은 약 300 ~ 330 ㎥/h으로 나타났다. 단품 시제품의 처리풍량, 차압 등과 같은 문제점을 보완하여 SCAP의 도면을 작성하였으며 이에 따른 수치해석을 수행하였다.
SCAP의 유동현상을 해석하기 위해 상용 수치해석 프로그램은 CFX(ANSYS 社)를 활용하였고, 횡단면과 종단면을 대상으로 수치해석 하였으며, 공기를 흡인함으로서 필터와 충진층에 가해지는 압력강하와 유량의 흐름을 속도벡터 및 압력분포로 확인함으로써 설계유량의 만족여부를 평가하였다. 해석결과 모터가 1,400 rpm으로 회전할 경우 필터의 저항이 없다면, 300 ㎥/h 유량이 청정장치를 통해 순환하는 것으로 나타났고, 해석결과 기준유량의 90% 이상을 유지하기 위해서는 필터의 차압이 약 10mmH2O이하로 유지되어야 하는 것으로 나타났다.
후속연구
시험차량 평가가 완료되면, 운행중인 차량에 장착하여 장기간에 걸친 성능평가 시험과 운영처 유지보수팀의 종합의견을 반영하여 상용화를 추진하고자 한다. 개발될 시스템은 유닛(unit) 시스템으로 도시철도 객실은 물론 국부적인 특수공간의 종합적인 공기청정시스템으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이에 본 연구에서는 유지보수가 쉽고 간편하게 미세먼지와 CO2를 저감시킬수 있는 장치개발을 진행 중 이며, 적정유량 확보와 차압에 대해 사전 수치해석 연구를 통해 검증하였다. 특대형 챔버와 시험차량응 활용하여 미세먼지 및 이산화탄소 저감효율에 대한 기초 성능평가연구를 수행하였으며, 추후 더욱 간단하게 적용될 수 있도록 유지보수성을 극대화 시킬 예정이다. 시험차량 평가가 완료되면, 운행중인 차량에 장착하여 장기간에 걸친 성능평가 시험과 운영처 유지보수팀의 종합의견을 반영하여 상용화를 추진하고자 한다.
1 CMH로 나타났다. 현재 KS규격에서 지정하고 있는 공기청정장치의 유효풍량을 차량의 면적대비 비교했을 때 300 CMH가 적정 풍량으로 산정되어 두 대의 풍량 합산시 적정 풍량은 충분한 것으로 나타났지만 소음 측정결과 70~60 dB(A)로 나타나 소음문제에서는 추후 개선 보완하여야 될 것으로 사료된다.
운행차량 실험시 5,000 ppm의 고농도 상황에서 정량적 달성목표를 2,500 pmm 이하로 유지하는 것을 목표로 계획하고 있으나 목표치를 만족하지는 못하는 것으로 나타났다. 현재 흡착제의 특성 및 효율에 대한 성능평가 및 연구가 지속적으로 진행 중에 있으며 이에 대한 보완이 이루어질 예정이다.
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