2.1 국내외 실내 미세먼지 기준

먼저 학교교실에서의 공기청정기와 공기순환기가 운영되기 위한 국내와 미국의 실내 미세먼지 기준들을 검토하였다. 국내와 미국의 건물 실내공기질 기준 중 미세먼지에 대한 기준은 Table 1, Table 2와 같다.

대한민국에서는 24시간 기준⁽³⁾으로 실내 미세먼지 농도 PM2.5에 대해서 35 ㎍/㎥ 이하, PM10에 대해서는 100 ㎍/㎥ 이하가 기준이며, 미국에서는 24시간 기준으로 실내 미세먼지 농도 PM2.5에 대해서 35 ㎍/㎥ 이하, PM10에 대해서는 150 ㎍/㎥ 이하가 기준임을 확인하였다.

2.2 공기환경조절시스템 개요

현재 학교교실에서 가장 많이 적용되고 있는 공기환경조절시스템은 공기청정기와 공기순환기이다. 공기 청정기와 공기순환기의 용어는 나라장터 쇼핑몰에서 사용하는 기술구분의 표현이며, 정부기관에서 공식적으로 사용되고 있다. 따라서, 나라장터 쇼핑몰에 기반하여 공기환경조절시스템의 현황분석을 진행한 본 논문에서는 공기청정기와 공기순환기로 통일하여 용어를 서술하였다.

3.1 분석 방법

나라장터 종합쇼핑몰시스템은 국가 조달청 운영 쇼핑몰로써, 학교교실에 설치되는 공기환경조절시스템은 정부기관에서 공동구매 형태로 설치가 가능하다. 따라서 본 논문에서는 나라장터 사이트에 등록된 공기청정기와 공기순환기에 대하여 공기청정기는 2020년 2월 26일 기준, 공기순환기는 2020년 2월 27일 기준으로 등록된 시스템을 조사 대상으로 선정하고 DB화하여 분석하였다.

3.2 공기청정기

나라장터 사이트에 등록된 총 59개의 공기청정기에 대하여 시스템명 및 물품식별번호와 업체명, 시스템 가격, 유형과 주요 부품, 시스템 규격, 무게 등 기본정보와 함께, 소비전력과 사용전압, 여과면적, 소음, 에너지소비효율등급 등 공기청정기의 성능을 Table 3에 표로 작성하였다.

공기청정기 필터 등급은 시스템 규격서를 통해 확인하였고, 여기서 E11, E12는 Semi Hepa Filter, H13, H14는 Hepa Filter를 의미한다. 소비전력은 시스템이 가동될 때 소비되는 전력을 의미한다. CA마크란 한국공기청정협회에서 제정한 실내공기청정기 단체표준의 인증심사기준에 따라 엄격한 심사를 통과할 때 인증되는 마크로써 59개 공기청정기 중 26개 시스템이 CA마크 인증을 받았다.

Fig. 1은 주어진 공기청정기 정보의 항목별 상관관계를 알아보기 위해 중요 데이터라 판단되는 여과면적, 소비전력, 시스템 가격을 비교한 자료로써 그래프의 평균치를 추세선으로 표시하였다. (a)에서 여과면적과 시스템가격, (b)에서 시스템가격과 소비전력, (c)에서 여과면적과 소비전력을 비교하였다.

R² 값은 (a)에서 0.6934, (b)에서 0.7722, (c)에서 0.84를 보임으로써 (c)에서 가장 높은 상관관계를 보인다. (a)에서 여과면적과 시스템 가격만을 놓고 고려하였을 때, 여과면적이 유사하다면 가격이 저렴하고 여과면적의 값이 큰 시스템일수록 합리적인 시스템이라 판단된다. 공기청정기의 탈취성능이 강화되어 시스템 가격이 고가일 수 있는 가능성도 고려하여야 하며, 이로 인해 (a)의 R² 값이 가장 낮은 것으로 사료된다. (b)에서 시스템가격과 소비전력만을 고려하였을 때, 가격이 저렴하고 소비전력의 값이 작은 시스템일수록 합리적인 시스템이라 판단된다. (c)에서 여과면적과 소비전력만을 고려하였을 때, 여과면적의 값이 유사하다면 소비전력의 값은 작을수록 여과면적은 큰 시스템일수록 합리적인 시스템이라 판단된다.

Fig. 2는 주어진 공기청정기 규격서를 바탕으로 필터등급을 확인하고 여과면적과의 관계를 그림으로 나타내었다. X축은 공기청정기의 여과면적을 의미하고 Y축은 필터등급으로 11과 12는 Semi Hepa Filter, 13과 14는 Hepa Filter를 의미한다. 59개의 시스템 중 8개 시스템의 필터 정보가 기재되지 않아 51개 시스템의 필터를 확인할 수 있었으며, Hepa Filter 13을 사용하는 공기청정기가 22개로 전체 37.3%로 가장 많음을 확인하였다. Semi Hepa Filter 11을 사용하는 시스템이 9개, Semi Hepa Filter 12를 사용하는 시스템이 15개, Hepa Filter 14를 사용하는 시스템이 5개였다.

Semi Hepa Filter 11을 사용하는 시스템의 평균 여과면적의 값은 64.2 m², Semi Hepa Filter 12를 사용하는 시스템의 평균 여과면적의 값은 91.5 m², Hepa Filter 13을 사용하는 시스템의 평균 여과면적의 값은 199.8 m², Hepa Filter 14를 사용하는 시스템의 평균 여과면적의 값은 70.1 m²로 나타났다. 하지만 교실면적이 67.5 m²임을 고려하였을 때, 여과면적의 값이 200 m²을 넘어가는 공기청정기는 교실에서 사용하기에 과다설계라 판단되며 교실에 공기청정기를 설치할 시 필터등급과 여과면적의 값도 고려하여야 한다고 판단된다.

3.3 공기순환기

나라장터 사이트에 등록된 총 214개의 공기순환기에 대하여 시스템명 및 물품식별번호와 업체명, 시스템 가격, 유형과 주요 부품, 시스템 규격, 무게 등 기본정보와 함께, 소비전력과 사용전압, 정격풍량, 소음, 온도교환효율, 전열교환효율, 유효전열교환효율 등 공기순환기의 성능을 Table 4에 표로 작성하였다.

공기순환기의 유형은 총 17종으로 그 중 덕트형/전열교환형이 128개, 59.8%로 가장 많고 천장매립형/무덕트형/전열교환형이 29개, 바닥상치형/무덕트형/전열교환형이 15개로 뒤를 이었다. 시스템 작동 시 발생하는 소음은 32.3 dB부터 61. 6dB까지 표기되었다. 소비전력은 시스템이 가동될 때 소비되는 전력으로 시스템의 소비전력과 냉난방온도교환효율, 냉난방전열교환효율, 냉난방유효전열교환효율도 정리하였다.

정격풍량은 공기순환기가 시간당 환기할 수 있는 용량을 의미한다. 시스템 규격서를 바탕으로 Fig. 3에 정격풍량과 소비전력의 관계를 나타내고 평균치를 추세선으로 표시하였다. 이는 정격풍량과 소비전력만을 고려하였을 때, 공기순환기의 에너지 사용 대비 효율에 대해 따져볼 수 있다고 판단된다.

현재 나라장터 사이트에서의 공기순환기에 사용되는 필터 정보는 부직포 수준의 프리필터, 집진필터 구성 정도만 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 나라장터 기반으로 시스템 성능 분석을 진행하였으며, 추후 나라장터 사이트에 향후 개선된 공기순환기들의 필터 성능에 대한 자료 보완 및 분석이 필요하다고 사료된다.

추세선 위쪽에 위치한 점들은 평균에 비하여 소비전력의 값이 크고 정격풍량의 값이 작음을 의미하고, 추세선 아래쪽에 위치한 점들은 평균에 비하여 소비전력의 값이 작고 정격풍량의 값이 큼을 의미한다. R²의 값은 0.9118로 1에 가까워 높은 상관관계를 보인다.

한편, 공기순환기는 KS B 6879 : 2017⁽⁸⁾ 기준의 시험방법과 측정방법을 따라야 KS인증을 받을 수 있다. 2018년 1월 1일부터 한국에너지공단은 공기순환기를 고효율에너지기자재 품목에서 제외시켰지만,⁽⁹⁾ 건축물 에너지절약설계기준⁽¹⁰⁾ 기계설비 부문의 공기순환기에 대한 권장사항에서 고효율인증제품 또는 KS B 6879 부속서 B에서 정하는 시험방법에 따른 에너지계수 값이 냉방 시 8 이상, 난방 시 15 이상, 유효전열교환효율이 냉방 시 45% 이상, 난방 시 70% 이상의 성능을 가진 것을 열회수형 환기장치라 명하였다. 고효율인증제품에 대한 열회수형 환기장치의 고효율인증 기준⁽¹¹⁾은 냉방 시 유효전열교환효율 45% 이상, 난방 시 유효전열교환효율 70% 이상이고 KS B 6879 부속서에 따라 시험한 냉방 시 에너지계수 8.00 이상, 난방 시 에너지계수 15.00 이상으로 건축물 에너지절약설계기준의 공기순환기에 대한 권장사항과 동일함을 확인하였다. 유효전열교환효율과 에너지계수를 구하는 식은 다음과 같다.

여기서, $\eta_{e}$ : 유효전열교환효율(%), $\eta_{q}$ : 누설률(%)

여기서, $COE_{f}$ : 에너지 계수, $\rho$ : 급기측공기밀도(kg/m³), $\eta_{e}$ : 유효전열교환효율, $Q_{E}$ : 유효급기량(m³/h)

$I_{OA}$ : 외기 엔탈피(kJ/kg(DA)), $I_{RA}$ : 환기 엔탈피(kJ/kg(DA)), $W$ : 정격소비전력(kW)

Fig. 4의 (a)는 조사된 214종의 공기순환기 냉방유효전열교환효율과 난방유효전열교환효율 기준을 파란색 선과 빨간색 선으로 나타냈으며, (b)는 조사된 214종의 공기순환기 냉방에너지계수와 난방에너지계수 기준을 파란색 선과 빨간색 선으로 나타냈다.

Fig. 5의 (a)는 조사된 214종의 공기순환기 냉방유효전열교환효율과 냉방에너지계수를 X축과 Y축에 나타낸 그림으로 검은색 선은 고효율인증 기준이며, 노란색 영역에 속하는 시스템은 기준을 통과하였다고 해석할 수 있다. (b)는 조사된 214종의 공기순환기 난방유효전열교환효율과 난방에너지계수를 X축과 Y축에 나타낸 그림으로 검은색 선은 고효율인증 기준이며 노란색 영역에 속하는 시스템은 기준을 통과하였다고 해석할 수 있다.

냉난방유효전열교환효율은 10개 시스템을 제외하고 표기되었으며, 3개 시스템은 냉난방유효전열기준을 충족시키지 못하였다. 냉방유효전열교환효율 평균값은 57.82이며, 나머지 201개 시스템은 냉방유효전열교환 기준을 충족한다. 난방유효전열교환효율 평균값은 73.73이며, 나머지 201개 시스템은 난방유효전열교환 기준을 충족한다. 냉난방에너지계수는 15개 시스템을 제외하고 표기되었으며, 냉방에너지계수의 평균값은 11.55이며, 표기된 시스템은 냉방에너지계수 기준을 충족한다. 난방에너지계수의 평균값은 18.12이며, 표기된 시스템은 난방에너지계수 기준을 충족한다고 판단된다.