실내 공기의 다성분 청정제어시스템 개발에 관한 연구 = (A) study on the clean control system of multi-components in indoor air quality

국문 초록 (Abstract)

최근 실내대기질(Indoor Air Quality, IAQ)은 국제적으로 새로운 환경문제로 대두되어 그 중요성이 인식되기 시작하고 있는데, 제2차 세계대전 이후 약 7만 여종에 달하는 새로운 화학물질이 합성되었으나 인간에 대해 미치는 영향은 아직 정확히 규명되어 있지 않다. 이러한 화학물질은 실내공간을 오염시키며 이로 인한 실내대기의 오염으로 빌딩증후군이 21세기 들어 폭발적으로 증가하고 있으므로 실내환경을 쾌적한 자연환경에 가깝도록 효율적으로 관리하는 노력이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 실내대기질의 중요 인자인 산소, 온도, 습도, VOCs, 분진, CO_(2)를 측정하고 이를 제어할 수 있는 시스템을 실험실적 수준에서 연구하였다. 세부적으로는 실내 대기 조건을 측정하는 센서, 계측 및 제어시스템을 제안하였으며 실내공간의 다양한 대기 조건에 대한 결과는 다음과 같았다. 첫째, 산소/온도/습도/VOCs/분진/CO_(2) 청정제어 시스템 설계를 위하여 각 센서에서 출력되는 신호를 CPU에서 연산을 통하여 각각의 농도를 환산하였고 이를 외부의 제어대상(산소발생기, 에어컨, 히터, 가습기, 공기청정기 등)으로 제어신호를 발생하도록 설계하였다. 둘째, 산소 제어시스템은 산소센서에서 측정된 산소농도로 압력, 온도 및 습도의 보상회로를 거쳐 산소발생기를 제어하도록 설계하였으며 산소발생기는 분자체 방식에 의해 압축공기중 산소를 분리 공급하도록 설계하였다. 셋째, 온도제어시스템은 온도센서에서 온도를 저항값으로 측정하고 저항값의 변화를 전압값으로 변화시킨 다음 마이크로프로세서에 전달하며 제어시스템의 계측부에서 출력되는 4~20mA의 값을 기준으로 에어컨을 On-Off 하도록 설계하였다. 넷째, 습도 제어시스템은 습도센서모듈에서 출력되는 전압값을 마이크로프로세서에 전달하며 제어시스템의 계측부에서 출력되는 4~20mA의 값을 기준으로 On-Off하도록 설계하였다. 다섯째, VOCs 제어시스템은 VOCs센서에서 출력되는 신호를 VOCs농도로 출력하여 이를 제어시스템이 공기 청정기를 제어하도록 설계하였다. 여섯째, Dust 제어시스템은 Dust센서에서 출력되는 신호를 증폭한 후 Dust값으로 환산하여 공기청정기를 3단계(150㎍/㎥이상, 80㎍/㎥~150㎍/㎥, 80㎍/㎥미만)로 제어하도록 설계하였다. 일곱째, CO_(2) 제어시스템으로 CO_(2)센서에서 출력되는 신호를 CO_(2)농도로 표시하고 이를 이용하여 산소발생시스템을 설정된 상하한 값을 기준으로 제어하도록 구성하였다. 끝으로, 다성분 센서의 출력신호를 제어할 수 있는 Protocol을 설계하고, Digital Analog Converter 제어기능 설계, 출력 및 지령제어와 센서의 교정 및 보정(Adjustment ＆ Calibration)기능을 갖는, 다성분 청정 제어시스템의 안정성을 평가하였다. 실험결과 실험실적 범위내에서 다성분 제어시스템이 안정함을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This importance of indoor air quality(IAQ) has been raised since the beginning of 21 century for the better living environment. In the present study, various components such as oxygen, temperature, humidity, volatile organic compounds, suspended particle, and carbon dioxide have been measured for optinal management of indoor air quality in lab-scale.
Each component was designed to replace sensing part easily while its life time and stable output were improved for better performance. Individual signal outputs were analyzed to propose measurement electrical circuits and their corresponding systems such as oxygen generator, heater, air cleaner, and humidifier.
The protocol to control individual sensing outputs was designed while their softwares were developed for proper digital/analog conveter along with its adjustment and calibration system.
The oxygen control system was designed to control an oxygen generator available in the type of molecular sieves. The temperature control system was made of a thermister and a microprocessor to control the air conditioner by the measured value from 4 to 20 mA. The humidity control system was designed with the humidity module to display output from 4 to 20 mA. The volatile organic compounds were monitored to control an air cleaner by the control system composed of its sensor and measurement device. Dust was controlled to monitor the level of dust in the range of below 80 ㎍/㎥, 80 to 150 ㎍/㎥, and above 150㎍/㎥. The carbon dioxide control system was composed of its sensor and monitoring system which controlled the specified upper and lower points. The developed multi-component system was examined for its stable performance, which was found to be acceptable within the experimental lab-scale.

목차 (Table of Contents)

• 요약 = ⅰ
• ABSTRACT = ⅲ
• 목차 = ⅴ
• List of Figures = ⅶ
• List of Tables = ⅸ
• Ⅰ. 서론 = 1
• Ⅱ. 이론적 배경 = 5
• 2.1 산소 = 5
• 2.2 온도 = 9
• 2.3 습도 = 11
• 2.4 VOCs = 15
• 2.5 분진 = 18
• 2.6 CO_(2) = 19
• Ⅲ. 실험방법 = 22
• 3.1 산소센서 적용기술 = 22
• 3.2 온도센서 적용기술 = 26
• 3.3 습도센서 적용기술 = 28
• 3.4 VOCs센서 적용기술 = 31
• 3.5 분진센서 적용기술 = 34
• 3.6 CO_(2)센서 적용기술 개발 = 38
• Ⅳ. 실험결과 및 고찰 = 42
• 4.1 산소/온도/습도/VOCS/분진/CO_(2) 청정제어용 시스템 설계 = 42
• 4.1.1 산소 제어시스템 = 45
• 4.1.2 온도 제어시스템 = 50
• 4.1.3 습도 제어시스템 = 52
• 4.1.4 VOCs 제어시스템 = 54
• 4.1.5 Dust 제어시스템 = 57
• 4.1.6 CO_(2) 제어시스템 = 60
• 4.2 산소/온도/습도/VOCS/분진/CO_(2) 제어기술 개발 = 62
• 4.2.1 Data 수집 및 제어기 설계 및 제작 = 62
• 4.2.1.1 구성 = 62
• 4.2.1.2 사양 = 63
• 4.2.2 Data수집 및 제어기 설계 및 제작 = 65
• 4.2.3 Data수집 및 제어기 기능 설계 = 68
• 4.2.4 다성분 제어시스템 구성 = 78
• Ⅴ. 결론 = 84
• Ⅵ. 참고문헌 = 86
• 부록 = 90
• 감사의 글 = 125