| 연구개발개요 |
1. 실내공기질 관리의 중요성 및 대기 미세먼지로 인한 악순환 현상하루 일과의 80%이상을 실내공간에서 보내는 현대인에게 실내공기질이 미치는 영향은 매우 크다. 건강에 악영향을 미치는 실내오염물질은 「실내공기질 관리법」개정으로 경계의 대상이 되었으나, 에너지절감을 목표로 하는 현대건축의 패러다임(패시브건축, 제로에너지건축 등)은 건물을 더욱 기밀하게 짓도록 요구하고 있어 자연환기에 대한 중요성이 대두되고 있다.자연환기에 대한 설문조사 결과, 설문 대상의 71.7%는 미세먼지 때문에 평소 환기 횟수를 줄였으며 미세먼지가 심각할 때 환기를 전혀 하지 않는다고 답했다.실내공기질 관리를 위하여 대부분 공기청정기에 의존하고 있지만, 창문을 열지 않고 공기청정기로만 실내공기질을 관리할 경우 화학적 부유물질이 제거되지 않아 재실자의 건강에 해로운 영향을 끼친다. 반대로 실내의 화학적 부유물을 제거하기 위하여 자연환기를 할 경우 대기 중의 미세먼지가 대량 유입된다.현재 공동주택에서는 대기 중의 미세먼지와 실내에서 발생하는 화학적 부유물질에 지속적으로 노출되는 악순환이 일어나게 된다.2. 미세먼지 농도 간이측정법 필요성 및 부정확성국가대기질 미세먼지는 중량법과 베타선법으로 측정된다. 두 방법 모두 정확도가 높지만 24시간 먼지를 포집(중량법)하거나 방사선 계열의 위험성(베타선법) 때문에 실내공기의 미세먼지를 측정하기는 어렵다.현대인의 생활에 직접적으로 영향을 미치는 실내공간에 대한 측정은 간이측정기에 의존하고 있다.시중에서 쉽게 구입할 수 있는 미세먼지 간이측정기는 광산란 방식을 사용한다. 가시광선계열의 광원을 공급한 후 미세먼지에 의하여 발생하는 산란 혹은 감쇠의 정도를 파악한다. 하지만, 광산란 방식은 미세먼지 농도를 정확하게 계측하기에는 전자기파의 근본적인 단점을 가지고 있다.환경부에서는「미세먼지 저감 및 관리에 관한 특별법」에서 간이측정기의 오차에 따른 혼란을 막고자 성능인증제도를 운영하고 있다. 하지만 실험실 챔버에서 검증되는 간이측정기의 인증 과정은 습도에 쉽게 영향을 받는 전자기파의 근본적인 단점을 간과한 절차이며, 실제로 환경부의 간이측정기 가이드북에 따르면 간이측정기에 따라 그 결과가 서로 상이하여 오차가 매우 큰 것으로 나타났다따라서 본 연구과제에서는 기계식 파동인 초음파를 사용하여 미세먼지의 농도를 경험적 가정 계수 없이 도출할 수 있는 레일리 산란(Rayleigh scattering) 기반 기초원천기술 개발을 제안한다.3. 공기청정기와 기계식 환기장치 성능 비교 및 프리필터 시스템공기청정기는 필터에 의존하여 내부 공기를 순환하기 때문에 먼지 및 냄새는 어느 정도 제거된다. 하지만 휘발성 유기화합물이나 이산화탄소는 외부에 있는 산소를 포함한 신선한 공기가 들어오지 않는다는 전제하에 실내에 쌓여간다. 2018년 6월 SBS 뉴스에서 방영된 자료에 따르면, 초등학교 교실에서 미세먼지 저감을 위하여 출입문을 닫은 채 공기청정기만을 사용했을 때 미세먼지는 40%가량 줄었지만 이산화탄소는 약 3배가 늘어나 40분 만에 실내 이산화탄소 기준치인 1000ppm을 쉽게 넘어가는 것을 확인할 수 있었다.반면에 기계식 환기장치는 실내공기를 강제적으로 배출시키거나 필요 환기량을 정확하게 급기할 수 있도록 건물의 외벽체 부근에 급기 혹은 배기팬을 설치하여 운전하는 환기방식이다. 그러므로 공기청정기가 제거하지 못한 휘발성 유기화합물 및 이산화탄소의 농도를 희석시켜 실내공기질을 유지해준다.본 연구과제에서는 실내공기질 개선에 직접적으로 영향을 미치는 기계식 환기장치의 사용성을 극대화 하는 동시에 실내에 유입되는 미세먼지를 70% 이상 선제거할 수 있는 프리필터 시스템을 제안한다. 추가적으로 실내공기질 관리의 악순환을 배경으로 건축물의 환기실태를 확인하고, 실효성 높은 프리필터 시스템 개발을 통하여 실내유해물질과 미세먼지 모두를 정화 또는 제거하여 실내공기질을 개선하고자 하며, 유지관리 매뉴얼 제작을 통하여 시장밀착형 기술을 보급하고자 한다.
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| 최종목표 |
○ 초음파 산란현상을 이용한 실내 미세먼지 농도 측정의 정확도 개선 - 연구목표1: 다중 산란 모델 분석 및 적용 범위 도출- 연구목표2: 초음파 간이측정 시스템 구축 및 신호 측정- 연구목표3: 다중 산란 모델 알고리즘 고도화- 연구목표4: 미세먼지 농도 측정기법 개발 및 적용○ 공동주택의 미세먼지유입 저감을 위한 프리필터 시스템 적용- 연구목표1: 국내 유통 필터의 유형별 성능 분석- 연구목표2: 미세먼지 집진율 95% 이상 최적 필터링 시스템 구성(안) 도출- 연구목표3: 프리필터 시스템 Proto-type 개발 및 효율분석- 연구목표4: 프리필터 시스템 실증 및 Field test를 통한 성능 분석
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| 연구내용 및 범위 |
- 주관연구기관(숭실대학교)1. 다중 산란 모델 분석 및 적용 범위 도출음향 산란(acoustic scattering)의 기초 이론인 미 산란(Mie scattering)과 레일리 산란(Rayleigh scattering)을 대상으로 다중 산란(multiple scattering) 모델 을 분석하고자 함문헌 분석 및 이론식 도출을 통하여 입사파가 미세 입자에 의하여 복잡하게 전달되는 과정을 통계학적으로 분석(born approximation)하고자 함 1차년도는 다양한 다중 산란 모델(7건)을 본 연구의 대상인 공기 중 미세먼지입자에 적용하고 그 가능성을 평가하여 최소 2가지 이상의 산란 모델을 도출하고자 함초음파 산란 분야 및 비파괴 학문의 업적이 있는 국내외 연구진(잠정적 고려 대상: Richard L. Weaver, John S. Popovics)과의 교류를 통하여 최신 연구 동향 파악 및 연구 방향성을 설명하고 구체적 자문을 받고자 함2. 초음파 간이 측정 시스템 구축 및 신호 측정미세먼지 대상 초음파 실험을 수행하기 위한 시스템을 구축한다. 시스템에는 온습도를 모니터링 할 수 있는 챔버, 초음파 가진기/수신기, 데이터 로거등이 있다. 특히 초음파 수신기는 챔버 공간에서 발생하는 다중 산란을 측정하기 위해서 초소형 센서(MEMS)로 구성된 array를 제작하고자 함.공간-시간의 2차원 개념으로 계측된 신호 처리(wavefield)를 통하여 미세먼지에 의한 산란 가능성을 확인하고자 함넓은 대역의 주파수 가진(broadband)을 통하여 측정된 신호의 주파수 분석으로 미세먼지 입자와의 연관성을 파악하고자 함 다중 산란 이론과의 연관성 도출을 위하여 파동의 주영역(coherent wave) 및 산란구간(incoherent wave)의 감쇠 및 반사정도(back-scattering)을 분석하고자 함3. 다중 산란 모델 검증 및 신호 처리 기법 개발1차년도에 구축된 초음파 간이측정 시스템을 사용하여 계측된 신호 대상 분석 알고리즘을 개발하고자 함(고려대상: 2차원 퓨리에 변환을 통한 frequency-wave number 분석)다중 산란 이론과의 연관성 도출을 위하여 파동의 주영역(coherent wave) 및 산란구간(incoherent wave)의 감쇠, 반사정도(back-scattering)을 분석하고자 함실험 결과 값으로부터 도출된 다중 산란 모델의 적용 범위를 확정하고 평균화하고자 함각 주파수별 결과를 도출하여 파동의 반사 및 전달계수(reflection & transmission coefficient)를 구하는 작업을 수행하고자 함4. 미세먼지 농도 측정 알고리즘 개발 및 적용신호처리를 통하여 도출된 초음파 산란의 각 파라미터와 미세먼지 농도와의 연관관계를 도출하고자 함, 검증된 다중 산란 모델에서 제안하고 있는 이론식 분석을 통하여 실험으로 측정한 값을 규명하고 오차를 줄이고자 함미세먼지 입자별(PM2.5/PM10) 산란 실험을 수행하고 공동연구진이 제공한 필터성능을 검증하고자 함최종적으로 기존의 미세먼지 농도 간이측정법의 오차를 개선할 수 있는 이론적/실험적 기초연구결과를 수립하고 다중모델선정, 신호분석을 포함한 그래픽 유저인터페이스(GUI)형태의 소프트웨어를 개발하고자 함-공동연구기관(한국건축패시브협회)1. 국내 유통 필터의 유형별 성능 분석국내 유통되는 필터의 유형 및 성능 분석을 통해 입자크기에 따른 성능을 분류하고 분진포집효율 및 압력손실 측정결과 DB 구축필터의 조합별 크기, 구성, 성능, 경제성 분석을 통해 필터링 시스템 Alt 개발2. 미세먼지 집진율 95% 이상 최적 필터링 시스템 구성(안) 도출미세먼지 집진율 95% 이상 성능발현 최적 필터링 시스템 구성(안) 선정최적 필터링시스템 분석을 토대로 구성, 형태, 성능 등 프리필터 시스템 구성(안) 도출3. 프리필터 시스템 Proto-type 개발 및 효율 분석국내 공동주택에 설치된 환기장치의 유형 및 성능 분석으로 실태 파악프리필터 시스템의 타입별 Proto type개발로 상황별 적용 가능한 시스템 구축프리필터 시스템 내？외부 실험을 통한 성능 검증 (초음파 산란 적용)4. 프리필터 시스템 실증 및 Field test를 통한 성능 분석초음파 산란 측정방법을 통하여 기존 열교환 환기장치 대비 프리필터 시스템이 적용되었을 경우 미세먼지량을 상호 비교분석공동주택 대표 평형별 미세먼지 감소량을 측정하는 실증연구를 통하여 필터성능 목표달성여부 확인 및 보완사항 추가기계식 환기장치와의 결합 및 유지관리 매뉴얼 제작
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