3.1 시험 대상

본 연구에서 실내 공기정화 능력을 보유한 식물과 소형 공기청정기의 조합을 통해 실내 공기청정화 능력을 평가하였다. 시중에 판매되고 있는 소형공기청정기(식물이 거치가능)와 공기정화 능력을 보유한 식물(홍콩야자, 홍페페 페페로미아, 후마타 넉줄고사리)을 시험대상으로 선정하였다.⁽²⁾ Fig 1은 공기청정화능력 평가를 위한 대상 식물 3종과 소형 공기청정기 2종을 보여준다. Table 2는 기존 관련 연구의 결과를 준용하여 공기정화식물(홍콩야자, 홍페페 페페로미아, 후마타 넉줄고사리)의 표면적당 포름알데히드 제거능력을 나타낸 것이다.⁽³⁾ 공기정화식물마다 제거 가능한 오염물질이 각각 다르며 그 중 포름알데히드는 공기정화식물 모두 공기정화 효과 ‘상’ 급의 식물군으로 분류된다. 공기청정기의 정격풍량은 A는 2.4 ㎥/min, B는 2.1 ㎥/min이다. 한국공기청정협회에서 운영하는 공기청정기 제품인증을 받지 않은 제품이며, 상단에 식물거치가 가능하도록 형상이 만들어져 있다.

3.2 공기청정기의 정의 및 청정화 능력

본 연구에서는 실내공기 청정을 위한 소형 공기청정기와, 공기정화식물의 조합에 따른 공기질 개선효과 검증을 위하여 국내 공기청정기의 공기청정화능력 평가 표준인 한국공기청정협회 실내공기청정기 시험규격(SPS-KACA002-132)을 준수하였다.⁽⁸⁾ 본 표준에서는 실내공기청정기를 실내공기를 청정하게 유지시키기 위한 목적으로 미세먼지 정화장치, 유해가스 정화장치 및 송풍기가 일체형으로 되어 있는 제품으로 정의하고 있다. 공기청정의 성능 평가를 위해 공기청정기 가동 후 공기 중 미세먼지가 제거되는 정화능력으로 청정화능력(CADR; Clean Air Delivery Rate) 이 정의되어 있다. 본 연구에서도 공기청정화능력을 평가 지표로 이용 하였다. 시험체의 청정화능력은 식(1), 전용면적은 식(2) 및 입자제거효율은 식(3)을 이용하여 산출하였다.⁽⁸⁾

P : 청정화능력 (㎥/min)

t : 운전 감소시의 측정시간 (min)

A : 전용면적(㎡)

V : 시험챔버 체적 (㎥)

N : 시험체 대수

$C_{i1}$ : 자연감소시 측정개시점 t = 0에서의 입자농도 (N/㎤)

s : 운전 감소시의 측정시간 (s)

$C_{i2}$ : 운전감소시 측정개시점 t = 0에서의 입자농도 (N/㎤)

$\eta$ : 입자제거효율 (%)

$C_{t1}$ : 자연감소시 측정시간 t 분에서의 입자농도 (N/㎤)

$C_{o}$ : 운전감소 측정시 s 초에서의 입자농도 (N/㎤)

$C_{t2}$ : 운전감소시 측정시간 t 분에서의 입자농도 (N/㎤)

$C_{i}$ : 운전감소 측정시 초기 입자농도 (N/㎤)

3.3 시험방법

청정화능력 및 미세먼지 제거효율 시험을 위해서는 SPS-KACA002-132에서 요구하는 시험장비의 요구조건 및 시험입자의 종류가 규정되어 있다. 시험챔버의 크기는 청정화능력에 따라 선정하게 되어있다. Table 3은 청정화능력 범위에 따른 시험챔버 크기를 보여준다.⁽⁸⁾ 시험용 입자는 KCl(다분산의 고체상 염화칼륨)입자를 사용하도록 하고 있으며, 염화칼륨을 용해시킨 수용액을 입자발생장치를 사용하여 분무 하도록 시험 방법이 제시되어 있다. 본 연구에서는 소형 공기청정기를 시험대상으로 하기 때문에 챔버 크기를 8 ㎥로 선정하였다. Fig. 2는 청정화능력 시험방법 및 측정장비를 보여주고 있다. 시험대상인 소형 공기청정기는 시험챔버 중앙에 위치시키고 바닥에서 약 75 cm 높이에 설치한다. 입자농도 측정 샘플링 위치는 시험챔버 중앙 바닥에서 120 cm 높이의 1개 지점으로 진행하였다. 샘플링 튜브로는 정전기에 의한 관내 입자손실이 적은 재질로 만든 것을 사용하며 시험 중에 실내 기류 등에 의해 위치가 변경되지 않도록 고정시켰다. 시험입자는 정량입자발생장치(TSI 3076)를 사용하여 생성하였다.

Fig. 1 Test specimens; (a) Plant-1 (umbrella tree), (b) Plant-2 (Pepper Face), (c) Plant-3 (Squirrel’s-foot fern) and (d) Air purifier-A, (e) Air purifier-B.

Fig. 2 Experimental set-up; test chamber and measurement equipment.

청정화능력 시험에 사용된 주요 장비는 광학자동입자계수기(Grimm11-A), 정량입자발생기(TSI3076) 등 이며 이들의 성능은 Table 4와 같다. 시험방법으로는 소형 공기청정기 가동 3분후 시점을 t = 0로 한다. 이때의 입자농도를 초기입자농도로 설정하였다. 소형 공기청정기를 가동하면서 입자크기채널의 0.30 μm 입자가 포함된 입자농도로 30분 동안 시험을 수행하였다. Table 5는 공기청정기와 공기청정식물을 조합한 시험 대상의 정보를 보여준다. 총 8가지 조합과 방법으로 시험을 진행하였다. 챔버 내 시험입자 발생 3분과 안정화 3분경과 이후 30분간 측정을 수행하였다. Case 0은 자연감소율 측정으로 공기청정기를 가동하지 않고 20분간의 자연감소 입자농도곡선을 입자계수기의 모든 입자크기채널에 대해 각각 산출하였다. 자연감소 측정 결과로 시험챔버 내의 기밀도를 확인하였다.⁽⁸⁾

Case 1~7은 운전감소 입자농도 측정으로서 소형 공기청정기를 운전시키면서 조건에 따라 입자농도를 측정하였다. 입자제거효율은 초기 입자농도와 30분간 6초 간격으로 측정한 300개의 데이터 중 최댓값을 사용하여 산출하였다. Case 1과 2는 소형 공기청정기의 필터를 제거하고 순환팬만을 가동한 미세먼지 저감성능을 확인하는 운전감소이다. Case 3과 4는 소형 공기청정기의 필터를 장착하고 입자농도 측정을 수행한 운전감소이다. 마지막으로, Case 5와 6 및 7은 공기정화식물을 시험시작 하루 전 물을 주고 상온에 거치된 상태의 조건으로 시험을 진행하였다. 측정 결과로 입자제거효율 및 청정화능력을 산출하고 최종적으로 동일 용량의 소형 공기청정기와 비교분석을 수행하였다.

4.1 챔버의 기밀도 평가(예비평가)

시험챔버 내의 배경입자농도는 입자크기가 0.30 μm인 입자에 대해 3×108 N/㎥ 이하가 되도록 한다. 시험챔버의 기밀도는 입자크기가 0.30 μm인 입자에 대해 20분 경과후의 입자농도가 초기농도의 90% 이상 확보되는 것이어야 한다.⁽⁸⁾ 챔버 내의 입자농도는 10분(초기농도), 30분(20분경과 후 농도)로 산정하여 챔버 기밀도의 적합성을 검증하였다. Table 6은 챔버의 기밀도 평가 결과를 보여준다. 0.28~0.30 μm(0.30~0.35 μm) 초기농도의 99%(96%) 이상 확보되어 표준요구치인 시험챔버의 기밀도 90% 이상 조건은 만족하는 것으로 확인되었다.

Fig. 3(a)는 Case 0의 자연감소에 따른 입자별 농도 변화를 보여준다. 챔버 내의 입자농도가 시험시간동안 안정화 된 것을 확인할 수 있었다. Fig. 3(b)와 (c)는 시험조건 Case 1과 Case 2로 대상 소형 공기청정기 A와 B에 필터를 장착하지 않은 상태로 정격 운전모드로 송풍기만 가동한 상태에서의 입자별 농도 변화를 나타낸 것이다. 소형 공기청정기에 필터가 장착되지 않았기에 송풍기에 의해 공기가 내부 순환만 이루어진 것으로 입자농도의 저감이 일부 관찰되지만 입자발생기에서 발생된 입자가 챔버 표면 등에 부착되어 감소된 것으로 판단되기 때문에 효과적인 저감효과가 나타난 것은 아니다. Case 1은 초기 농도는 0.28~0.30 μm 입자범위에서 571.41 N/㎥, 0.30~0.35 μm 에서 660.99 N/㎥이고 30분후 농도 감소량은 23%(0.28~0.30 μm), 31%(0.30~0.35 μm)로서 소형 공기청정기의 순환팬 자체 성능으로도 미세한 저감효과를 나타냈다. Table 7을 보면 30분간 최대 입자제거효율은 21.8%로 분석되었다.

Fig. 3 The particle concentration according to the particle size: (a) Case 0, (b) Case 1 and (c) Case 2.

Case 2는 초기농도 628.62 N/㎥(0.28~0.30 μm), 768.92 N/㎥(0.30~0.35 μm) 대비 30분후 농도 감소량은 각각 6.0%와 9.6%로 미세먼지 제거효과가 거의 없고 자연감소 측정 수치와 감소량이 거의 차이가 나지 않는 것으로 확인되었다. Case 2의 30분간 최대 입자제거효율은 6.7%로 거의 입자제거가 되지 않은 수준이었다.

4.2 청정화능력 평가(본 평가)

공기청정기에 동일필터장착과 식물조합에 따른 청정화능력 시험 결과를 나타낸다. Fig. 4는 두 개 대상의 소형 공기청정기의 청정화능력 평가를 위한 광학자동입자계수기를 통해 실시간 농도 변화를 나타낸다. 소형 공기청정기의 운전 방식은 자동운전방식에 따른 결과이다. Table 8은 소형 공기청정기 필터 장착 후 청정화능력 시험 결과를 나타낸다. Case 3의 청정화 능력은 0.062 ㎥/min(0.28~0.30 μm), 0.09 ㎥/min(0.30~0.35 μm)으로 청정화능력인 CADR의 P값은 최소 기준치인 0.1 ㎥/min에 미치지 못하는 것으로 분석되었다. Case 4의 청정화 능력 또한 0.044 ㎥/min(0.28~0.30 μm), 0.073 ㎥/min(0.30~0.35 μm)으로 P값의 최소 기준치에 미치지 못하였다. 30분간 최대 입자 제거 효율은 Case 3은 18.6%, Case 4는 14.9%로 확인되었다. Case 3, Case 4 모두 입자제거효율이 20%에 미치지 못했다. A, B 공기청정기에 적용한 필터는 동일한 성능의 제품을 적용하였다. 그러나 각각의 공기청정기 하단부에 필터가 장착되는 구조적 차이로 필터의 성능이 차이가 발생하는 것으로 분석되었다.

Fig. 4 The particle concentration according to the particle size: (a) Case 3, (b) Case 4.

Case 5, 6, 7은 공기청정기와 공기정화식물을 장착하여 청정화능력 시험을 진행하였다. Case 5는 공기청정기-A에 공기청정식물-1을 거치, Case 6은 공기청정기-A에 공기청정식물-2를 거치하고 Case 7은 공기공청기-B와 공기청정식물-3을 조합하여 청정화능력과 입자제거효율 평가하였다. 공기청정기에는 새로운 필터를 장착하고 식물은 공기청정기의 상단에 거치 후 정격운전모드로 작동하였다. Fig. 5와 Table 9는 Case 5, 6, 7의 30분간 입자농도 측정결과를 보여준다.

Fig. 5 The particle concentration according to the particle size: (a) Case 5, (b) Case 6 and (c) Case 7.

시험은 앞의 5개의 Case 와는 별도로 시험입자 발생 3분 입자 안정화 10분 대기후 20분간 측정하였다. 식물의 잎에 시험입자가 침착되어 챔버내의 입자농도가 불안정한 상태를 보여 안정을 확보한 후 시험을 진행하였다. Case 5는 초기농도 521.92 N/㎥(0.28~0.30 μm), 616.58 N/㎥(0.30~0.35 μm) 대비 30분후 농도 감소량은 33% (0.28~0.30 μm)와 43%(0.30~0.35 μm)로서 Case 6, 7에 비교해 명확한 저감효과를 나타냈다. 청정화능력 CADR은 입자크기별 0.14와 0.21로 최소 기준치인 0.1 ㎥/min 이상에 부합하였고 Case 5의 30분간 최대 입자제거효율은 40%로 분석되었다. Case 6은 초기농도 397.35 N/㎥(0.28~0.30 μm), 414.58 N/㎥(0.30~0.35 μm) 대비 30분후 농도 감소량은 16% (0.28~0.30 μm)와 22% (0.30~0.35 μm)로 미세한 저감성능을 나타내는 것으로 분석되었다. 청정화 능력 CADR은 입자크기별 0.049와 0.09로 최소 기준치인 0.1 ㎥/min에 부합하지 못하였고 Case 6의 30분간 최대 입자제거효율은 23%로 분석되었다. 마지막으로, Case 7은 초기농도 492.85 N/㎥(0.28~0.30 μm), 531.9 N/㎥ (0.30~0.35 μm) 대비 30분 후 농도 감소량은 9% (0.28~0.30 μm), 9% (0.30~0.35 μm)로서 Case 5, 6과 비교했을 때 가장 적은 입자감소량을 나타냈다. Case 7의 30분간 최대 입자제거효율은 18%이고 청정화능력 CADR은 0.027과 0.062로 최소 기준치인 0.1 ㎥/min에 부합하지 못하는 것으로 분석되었다.

Fig. 6은 Case 5, 6, 7의 입자제거효율을 CA인증⁽⁹⁾을 받은 소형 공기청정기의 결과와 비교한 것이다. 인증제품의 입자제거효율은 약 20분 정격운전으로 가동시에 제거효율이 100%에 가깝게 분석이 되지만 Case 5, 6, 7의 제거효율은 절반수준으로 나타나는 것으로 분석되었다. 인증제품은 약 10분 이후 입자제거효율이 90% 가까이 도달하는 반면 청정화 능력 최소기준인 0.1 ㎥/min의 수치를 유일하게 상회하는 결과를 보여준 Case 5는 최대 도달효율이 40%로 분석되었다.

Fig. 6 Particle removal efficiency of Case 5~7.

3가지 시험대상의 30분 경과에 따른 챔버내 입자제거효율은 10~40%로 거의 효과가 없는 수준이라고 봐도 무방하다. KCl 표준입자의 자연감소 대비 공기청정기의 종류와 식물 종간의 구성에 따른 미세먼지 저감 성능을 비교 검토하였다. Table 10을 보면 최종 성능분석인 Case 5, 6, 7중 Case 0 대비 Case 5의 0.28~0.30 μm의 제거량은 약 51배 0.30~0.35 μm은 14배로 나타났다. 입자제거효율 및 청정화 능력도 다른 조합과 비교하여 높은 성능을 보여주었다. 공기청정기-A와 공기정화식물-1의 홍콩야자를 동시 이용으로 가장 큰 공기청정화 능력을 발휘하는 것이 확인 되었다.

Table 11은 Case 별 청정화능력으로 식(2)를 사용하여 전용면적 산출 결과이다. CA인증을 받은 소형 공기청정기와 시험군 3가지의 전용면적과 청정화 능력을 비교한 것이다. 적용면적은 공기청정기가 사용되는 장소나 위치 등의 여러 가지 환경요인과 변화에 크게 변화하여 명확하게 규정하기 어려우나 제품을 구입하는 소비자의 입장에서 성능을 직관적으로 확인할 수 있도록 청정화 능력을 이용해 산출한다.⁽⁸⁾

비교결과, 약 6배 정도의 성능차이가 나타나며 Case 5 외에는 전용면적이 1 ㎡ 이하인 것으로 분석되었다. 시험군의 전용면적은 1평 즉 3.3 ㎡에도 미치지 않는 수치를 나타내어 효과가 매우 미약할 것으로 분석되었다. 소형 공기청정기는 필터를 이용해 실내의 오염물질을 효과적으로 제거하는 것에 목적이 있다. 하지만 본 연구의 시험결과에서 분석된 것처럼 공기청정기와 공기청정식물을 조합한 3가지 중 한 가지 대상만 청정화능력 기준치를 미세하게 상회하는 결과로 분석되었다.