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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.
  • Open Access, Monthly
Open Access Monthly
  • ISSN : 1229-6422 (Print)
  • ISSN : 2465-7611 (Online)

  1. 아주대학교 기계공학과 박사 후 연구원 ( Post-Doctoral Researcher, Department of Mechanical Engineering, Ajou University, Suwon, 16499, Korea )
  2. 아주대학교 기계공학과 박사과정 ( Ph.D. Candidate, Department of Mechanical Engineering, Ajou University, Suwon, 16499, Korea )
  3. 아주대학교 기계공학과 교수 ( Professor, Department of Mechanical Engineering, Ajou University, Suwon, 16499, Korea )



Air filter(공기정화용 필터), HEPA filter(헤파 필터), Indoor air quality(실내 공기질), Air purifier(공기 청정기), Dust deposition(먼지 누적), Oil mist deposition(유분 누적)

기호 설명

$P$: 분진청정화 능력 [$\mathrm{m}^{3} / \mathrm{min}$]
$V$: 시험 챔버 체적 [$\mathrm{m}^{3}$]
$t$: 운전감소시의 측정시간 [$\mathrm{min}$]
$C_{i 1}$: 자연 감소시 측정 개시점 t = 0에서의 입자농도 [$개 / \mathrm{min}$]
$C_{i 2}$: 운전 감소시 측정 개시점 t = 0에서의 입자농도 [$개 / \mathrm{m}^{3}$]
$C_{t 1}$: 자연 감소시 측정 시간 t분에서의 입자농도 [$개 / \mathrm{m}^{3}$]
$C_{t 2}$: 운전 감소시 측정 시간 t분에서의 입자농도 [$개 / \mathrm{m}^{3}$]
$η$: 필터의 집진 효율

1. 서 론

최근, 중국으로부터의 미세먼지 과다 유입(1)과 국내 산업화로 인한 미세먼지 증가(2)로 인해 공기질 문제가 국민 건강에 대한 심각한 위해 요인으로 대두되고 있다. 이러한 환경에 따라 공기질에 대한 관심이 증가하고 있으며, 실내 청정 환경 유지를 위한 공기정화기에 대한 관심이 높아지고 있다.(3,4)공기정화기는 공기정화용 필터를 장착장한 가정용/상업용 공기청정기, 공기정화기, 가습기 그리고 제습기 등으로 분류된다.(3,5) 일반적으로 공기정화기는 먼지 및 유분 등과 같은 오염물질이 누적됨에 따라 분진청정화 능력으로 대표되는 공기정화 성능이 감소한다. 이러한 공기정화 성능의 감소는 오염물 누적에 따른 필터의 집진효율 감소(6-7) 및 필터의 유동 저항 증가(8-10)에 의한 풍량 감소에 기인한다.(11-12)따라서 지속적인 공기정화기의 성능 확보(13)를 위해서는 실제 성능 감소에 근거한 필터 교체 주기를 안내할 필요(14)가 있다. 이를 위해, 먼지 및 유분 등의 누적과 공기정화기의 성능 감소의 관계를 정량적으로 파악하는 것은 매우 중요하다. 지금까지, 먼지 및 유분 등의 누적에 따른 공기정화기의 성능 감소는 필터 전/후의 차압 변화.(10,12,14)에 초점을 맞추어 연구되어 왔다. 하지만, 필터 전/후의 차압 외에도 공기정화기 성능 변화의 정량적 지표가 될 수 있는 변수를 고찰하는 것은 실용적인 측면에서 의미 있는 일이라 사료된다.

따라서, 본 연구에서는 H13 등급의 헤파 필터가 장착된 가정용 공기청정기에 대하여 5가지의 시험용 표준 먼지와 유분이 포함된 시험용 표준 먼지 1가지로 구성된 6가지의 오염물을 필터에 누적 시킨 후, 오염물의 누적량에 따른 공기청정기의 분진청정화 능력을 측정하여 성능 감소와 오염물 누적량에 대한 상관관계를 도출하였으며, 성능 감소의 원인을 정성적으로 고찰하여 성능 감소의 주원인은 필터의 효율 저하보다는 풍량 감소에 기인한다는 결과를 확인하였다. 또한 이러한 오염물 누적이 팬 모터의 부하를 증가시킴으로써 소요 동력이 증가하는 현상을 정량적으로 고찰하였다. 본 연구의 결과는 필터의 교체시기를 판단하는 기준으로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

2. 배경 이론

일반적으로 공기청정기의 용량을 나타내는 분진청정화 능력은 식(1)과 같이 단위 시간 당 특정 사이즈의 먼지가 제거되는 공기의 체적 유량으로 나타낸다.

(1)
$P=\eta Q$

따라서 분진청정화 능력은 집진 효율과 공기의 유량에 의하여 결정되며, 필터에 오염물이 누적됨에 따라 이 두 가지 변수에 영향을 미쳐 공기청정기의 분진청정화 능력이 감소하게 된다. 여기서 분진청정화 능력이란, 공기청정기가 정격 풍량으로 운전되는 경우에 얻어지는 단위 시간(분, min)당 오염 공기 정화량(부피, $\mathrm{m}^{3}$)을 의미하며, 여기서 정격 풍량이란 공기청정기를 정격 주파수, 정격 전압으로 운전하였을 때의 풍량을 의미한다.(15)

분진청정화 능력의 측정은 한국공기청정협회에서 제정한 실내공기청정기 규격에 준하여 수행하였다.(15) 분진 청정화 능력 측정 챔버는 22.2 $\mathrm{m}^{3}$의 부피의 직육면체 형상을 가지며, 교반기를 통해 균일한 농도분포를 갖도록 해야 한다. 입자의 농도는 전체 실험 시간에 걸쳐 1분 간격으로 측정되며, 자연감소 및 운전감소의 측정이 각각 20분씩 요구된다. 실험 시작 입자 농도(1~3×108$개 / \mathrm{m}^{3}$)를 충족한 상태에서 입자 투입 및 교반기를 정지하고 측정 개시점에서의 입자농도를 $C_{i 1}$, 20분 후의 입자농도를 $C_{t 1}$으로 한다. 이후 운전감소 측정을 위해 공기청정기를 동작시키고, 입자농도가 감소하기 시작하는 지점에서 3분 후를 측정 개시점으로 하여 $C_{i 2}$, 20분 후의 입자농도를 $C_{t 2}$로 취득하여 식(2)에 통해 분진청정화 능력을 도출한다.

(2)
$P=\dfrac{V}{t}\left(\ln\dfrac{C_{i2}}{C_{t2}}-\ln\dfrac{C_{i1}}{C_{t1}}\right)$

본 연구에서 사용한 H13 등급의 헤파 필터는 EN1822 규격(16)에서 특정한 효율 표준을 충족하는 제품으로써 직경 0.3 크기의 먼지에 대하여 집진효율이 99.95%이다. 때문에 분진청정화 능력은 거의 공기청정기의 풍량과 같으며, 먼지 누적에 따른 풍량 감소는 공기청정기의 성능(분진청정화 능력)에 직접적인 영향을 미친다.

Fig. 1 HEPA filter.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.8.361/fig1.png

Table 1 Specification of filter

Standard

EN1822

Efficiency class

H13

Size

289(W)x318(H)x50(D) mm

Pleated count

89

3. 실험장치 및 방법

3.1 공기청정기와 공기정화용 필터

본 연구에 사용된 공기청정기는 Brushless Direct Current motor(BLDC) 모터와 Sirocco 타입의 팬을 가지는 정격 풍량 5.5 $\mathrm{m}^{3} / \mathrm{min}$의 제품을 사용하였으며, H13 등급의 헤파 필터가 장착되어 있다. 본 연구에 사용한 헤파 필터의 사이즈 및 규격은 Table 1Fig. 1에 정리되어 있다. 본 공기청정기의 팬은 일정한 회전 속도로 제어되는 BLDC 모터에 의하여 구동되며, 정격 조건에서 소요 동력은 약 28 W이다.

3.2 오염 물질의 선정

다양한 환경을 모사하기 위하여 본 연구에서는 실험용으로 제작된 5가지의 표준 먼지를 사용하였다. 각 시험용 먼지는 ISO,(17) JIS(18) 및 ASHRAE(19) 규격을 만족하며, 사용된 시험용 먼지의 종류, 조성 그리고 입자크기를 Table 2에 정리하여 나타내었다. 추가적으로, 주방의 환경을 모사하기 위해 ISO A1 먼지와 유증기가 혼합된 상태에 대하여 실험을 수행하였으며, 유증기는 일반 식용유를 가열하여 발생시켰다.

Table 2 Composition of test dust and particle size

Test dust

Composition

Particle size

(Median)

Density

(g/cm3)

ISO A1 Ultra Fine Test Dust(17)

Mineral Particles 100%

5.5 μm

2.650

ISO A2 Fine Test Dust(17)

Mineral Particles 100%

15 μm

2.650

JIS Classes 3(18)

Mineral Particles 100%

10 μm

2.700

ASHRAE Test Dust #1(19)

Mineral Particles(A2 dust) 72%

Carbon black powder 23%

Milled Cotton Linters 5%

15 μm

(Carbon black under 100 nm, Cotton under 4 mm)

2.480

ASHRAE Test Dust #2(19)

Mineral Particles(A2 dust) 93.5%

Milled Cotton Linters 6.5%

15 μm

(Cotton under 4 mm)

2.575

ISO A1 Ultra Fine Test Dust(17)+Oil mist

-

-

-

Fig. 2 Dust environmental test chamber.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.8.361/fig2.png

3.3 오염 환경 챔버

시험용 먼지는 Material Safety Data Sheet(MSDS)를 고려하여 외부와 엄격히 격리된 환경에서 사용되어야 한다. 본 연구에서는 단 시간에 정량적인 먼지 누적을 위하여 Fig. 2와 같이 밀폐된 공간에 먼지를 분사할 수 있는 오염 환경 챔버를 제작하여 사용하였다. 챔버 내부의 중앙에 공기정화용 필터를 장착한 공기청정기를 위치시켜 가동시킨 상태에서, 별도로 제작된 먼지 분사 장치와 공기 압축기를 이용하여 일정량의 먼지를 챔버 내로 분사하고, 일정 시간 공기청정기를 가동시켜 필터에 시험용 먼지가 누적되도록 하였다. 각 시험용 먼지에 대한 실험이 끝난 이후에는 세척한 뒤 정전 방지 스프레이를 도포하여 균일한 실험 환경을 유지 하였다.

3.4 실험 장치

단순 먼지 누적의 경우 회당 10 g의 먼지를 10분 간격으로 총 12회에 걸쳐 분사하였으며, 먼지와 유증기를 동시에 사용하는 경우 매 회당 10분 간격으로 먼지 10 g, 유증기 5.5 g을 투입하였다. 분사 되는 먼지의 양은 국립환경과학원에서 추산한 가정집 PM10 먼지의 농도(58.78 ㎍/$\mathrm{m}^{3}$)에서, 4.5 $\mathrm{m}^{3} / \mathrm{min}$의 분진청정화 능력을 가지는 공기정화기가 하루에 12시간씩 1년 동안 가동되는 경우 누적되는 먼지량을 기준으로 하여 결정되었다. 유증기는 약 180°C로 유지하고 있는 유증기 발생장치 내부로 일정량(5.5 g)의 가정용 식용유를 투입하여 발생 시켰다.

오염 챔버 내부의 공기청정기는 시험용 먼지의 1회 투입 당 10분 동안 공기청정기를 가동시켜 먼지를 필터에 누적시켰다. 먼지 투입 매 3회 마다 필터의 무게 증가, 공기청정기의 분진청정화 능력, 풍량, 압력 손실 및 팬 모터의 소비동력을 측정하였다. 분진청정화 능력 측정에 사용되는 입자계수기는 실내공기청정기 규격(15)에 규정된 성능을 갖는 Grimm사의 aerosol spectrometer model 1.108 광산란식 자동입자계수기를 사용하였다. 풍량과 공기 정화용 필터의 압력손실은 한국표준심의회에서 제정한 KS B 6311 송풍기의 시험 및 검사방법(20) 규격에 준하여 설계된 노즐타입 풍동을 사용하여 측정하였다. 압력손실의 경우, 공기청정기의 압력손실을 5 m3/min 풍량에서 측정한 후 공기정화용 필터가 장착되지 않은 공기청정기의 압력손실을 제외하여 기록하였다. 본 연구에서 사용된 차압계는 Furness Control의 Model 332, 팬 소비 동력은 YOKOGAWA의 WT-310 전력측정기를 사용하여 측정하였다. 공기정화용 필터의 중량 변화는 10 mg의 계측 오차를 가지는 Sartorius의 BT 4202S를 사용하여 측정하였다.

4. 실험 결과

4.1 먼지 누적량에 따른 각종 변수의 변화

Fig. 3(a)~Fig. 3(d)이 없는 상태의 상태량을 기준으로 무차원화하였다. Fig. 3(a)에서 확인할 수 있는 것과 같이, 공기정화용 필터에 누적되는 오염물의 양이 증가함에 따라 필터의 유동 저항이 크게 증가하여 압력손실의 증가로 나타났다. 유증기가 포함된 시험용 먼지의 결과를

Fig. 3 The change of variables with the weight of the filter (a) pressure drop of the filter, (b) flow rate of the air purifier, (c) power consumption of the air purifier, (d) clean air delivery rate of the air purifier.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.8.361/fig3.png

Fig. 4 Pressure drop of the filter various density of test dust.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.8.361/fig4.png

제외하였을 때, 단순 시험용 먼지의 결과는 Table 2에 정리된 밀도와 상관관계가 있는 것으로 나타났다. Fig. 4 에서 확인할 수 있듯이, 시험용 먼지의 밀도가 낮을수록 동일한 먼지 누적량에서 압력손실이 증가하는 경향이 나타났다. 먼지의 밀도가 낮다는 것은 중량 대비 부피가 큰 것을 의미하며, 부피가 큰 먼지는 상대적으로 필터 내부의 유로를 차단하는 면적이 커지기 때문이다.

Fig. 5 Microscopic images of the filter without and with pollutant deposition (a) clean filter, (b) with 70g of ISO A1 dust, (c) with 100g of ISO A1 dust and oil mist.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.8.361/fig5.png

Fig. 5를 통해 연구에 사용된 공기정화용 필터의 먼지누적 전 상태, 시험용 ISO A1 먼지가 70 g 누적된 상태 그리고 시험용 ISO A1 먼지와 유증기가 혼합된 먼지가 100 g 누적된 상태의 확대 사진을 확인할 수 있다. 유증기와 혼합된 먼지의 누적량이 30 g 높음에도 불구하고, 유증기와 시험용 먼지의 응집으로 인해 상대적으로 필터 내부 유로가 개방되어 있는 것을 알 수 있다. 따라서 이러한 현상으로 인해 공기정화용 필터에 유증기가 혼합된 시험용 먼지가 고중량 누적되더라도 유동에 대한 저항이 낮은 것이다. 이러한 중량 변화에 따른 필터 압력손실의 변화 경향은 Fig. 3(b)와 같이 공기청정기의 풍량에 영향을 미친다. 또한 공기청정기 풍량의 감소는 분진청정화 능력의 감소로 이어지며, 시험용 먼지 누적 증가로 인한 풍량 감소의 경향과 유사하게 분진청정화 능력이 감소하는 것을 Fig. 3(c)를 통해 확인할 수 있다. 이러한 경향은 Fig. 3(d)에 나타낸 필터의 먼지 누적량 변화에 따른 팬 모터의 소비 동력 변화에서도 동일하게 나타났다. 일반적으로 모터 회전수 조절 장치가 부착되지 않은 팬-모터 유닛의 경우, 유로의 압력 손실 증가에 의해 모터의 부하가 상승하며 이는 소비 동력의 증가로 나타난다. 하지만, 본 연구에 사용된 공기청정기는 모터의 회전수를 자동으로 조절하는 알고리즘을 탑재하고 있어 모터의 부하가 변화해도 회전수를 항상 일정하게 조절하도록 되어 있다. 필터의 먼지 누적량이 증가함에 따라 압력 손실이 증가하고 유량은 감소하므로, 동일 회전수에서 모터 부하가 증가하여 소비 동력이 감소하게 된다.

4.2 분진청정화 능력과의 상관관계

Fig. 6에 필터의 압력손실, 공기청정기의 풍량 그리고 팬 모터의 소비 동력과 분진청정화 능력 사이의 관계를 나타내었다. 필터의 압력 손실과 공기청정기의 분진청정화 능력 간의 관계를 살펴보면(Fig. 6(a) 참조), 시험용 먼지의 종류에 관계없이 유사한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 필터에 누적되는 오염 물질의 종류와는 관계없이 필터 내부 유로의 막힘 정도(압력손실)가 분진청정화 능력을 측정함에 있어 결정적인 변수임을 알 수 있다. 본 연구에서는 특정한 공기청정기를 사용하여 실험을 행하였으나, 본 결과는 헤파 필터를 사용하는 모든 종류의 공기청정기에 일반적으로 적용될 수 있을 것으로 생각된다.

Fig. 6(b)를 보면 공기청정기의 풍량과 분진청정화능력이 거의 비례적으로 나타나고 기울기가 1에 가까운 것을 알 수 있다. 이를 통하여 오염물의 종류와 누적량에 상관없이 필터의 효율은 1에 가깝게 유지되고, 공기정화기의 풍량이 분진청정화 능력과 같다는 것을 유추할 수 있다. 누적량에 상관없이 필터의 효율이 1에 가깝게 유지되는 것은 Fig. 7을 통해서도 확인할 수 있다. ISO A2 먼지를 사용하여 먼지가 누적됨에 따른 필터의 집진효율을 측정하였을 때, 누적량과 관계없이 필터의 집진효율이 균일하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6(c)를 보면 팬 모터의 소비 동력 또한 시험용 먼지의 종류에 관계없이 분진청정화 능력과 일정한 상관관계를 갖는 것을 확인할 수 있다. 이는 물론 팬 및 모터의 특성과 관련되어 나타나기 때문에 모든 경우에 일반적으로 적용할 수 있는 결과라고 할 수 없지만, 대체적인 경향성은 모든 경우에 유사하게 나타나리라 생각된다. 본 결과로부터 필터를 통과하는 공기의 압력 손실 및 팬 모터의 소비 동력은 오염물의 종류에 상관없이 공기청정기의 성능을 예측할 수 있는 중요한 변수라는 것을 알 수 있으며, 이를 공기청정기 필터의 교체시기를 나타내는 중요한 지표로 활용할 수 있을 것으로 생각된다.

Fig. 6 The change of clean air delivery rate with the various variable (a) pressure drop of the filter, (b) flow rate of the air purifier, (c) power consumption of the air purifier.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.8.361/fig6.png

Fig. 7 Filtration efficiency of filter with weight change of the filter.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.8.361/fig7.png

5. 결 론

본 연구에서는 H13 등급의 헤파 필터를 장착한 가정용 공기청정기를 대상으로 6종류의 오염물질을 인위적으로 누적시켜 먼지 누적량에 따른 필터의 압력 손실, 공기청정기의 풍량, 팬 모터의 소비동력 등의 변화를 실험을 통하여 고찰하였다. 이를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 시험용 먼지가 달라지더라도 필터의 먼지 누적량에 따른 필터의 압력손실, 공기청정기의 풍량 및 팬 모터의 소비 동력의 변화량은 달라지지 않는다. 이를 통해 오염물의 특성이 상이한 다양한 사용 환경에서도 본 연구의 결과를 적용할 수 있다고 생각된다.

(2) 오염물의 누적에 따른 공기청정기의 성능 저하는 대부분 필터의 압력 손실 증가에 의한 풍량 감소에 기인한다. 즉 오염물이 누적되더라고 헤파 필터의 집진 효율을 크게 변하지 않는다.

(3) 공기청정기의 분진청정화 능력은 오염 물질이 필터 내부의 유로를 차단함으로써 발생하는 필터의 압력손실 증가에 의하여 지배적으로 영향을 받으며, 필터의 압력 손실 혹은 팬 모터의 소비 동력을 측정함으로써 분진청정화 능력을 예측할 수 있다.

(4) 본 연구로부터 필터를 통과하는 공기의 압력 손실 및 팬 모터의 소비 동력은 오염물의 종류에 상관없이 공기청정기의 성능을 예측할 수 있는 중요한 변수라는 것을 알 수 있으며, 이를 공기청정기 필터의 교체시기를 나타내는 중요한 지표로 활용할 수 있을 것으로 생각된다.

후 기

본 연구는 2017년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 에너지인력양성사업으로 지원받아 수행한 인력양성 성과입니다(No. 20174010201410).

Acknowledgements

본 연구는 2017년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 에너지인력양성사업으로 지원받아 수행한 인력양성 성과입니다(No. 20174010201410).

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