우상무
(Sang Moo Woo)
1
송해은
(Hae Eun Song)
1
강율호
(Yul Ho Kang)
2
안영철
(Young Chull Ahn)
3†
-
부산대학교 건축공학과 박사과정
(Ph.D Course, Department of Architectural Engineering, Pusan National University, Busan,
4624, Korea)
-
부산대학교 풍력발전미래기술연구센터 연구교수
(Research Professor, Research Institute for Future Wind Energy Technology, Pusan National
University, Busan, 4641, Korea)
-
부산대학교 건축공학과 교수
(Professor, Department of Architectural Engineering, Pusan National University, Busan,
46241, Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
키워드
공기청정기, 전산유체역학, 실내공기질, 입자농도, 미세먼지
Key words
Air purifier, CFD, Indoor air quality, Particle concentration, Particulate matter
1. 서 론
미세먼지 경보 발생의 빈도가 증가하고 있는 대기환경에서 교육부는 취약한 학생들에 대한 피해를 최소화 하기 위해 학교 고농도 미세먼지 대책으로 학교
실내 공기질 관리기준 강화 등 대책을 마련했다. 2018년도 ‘학교보건법 시행규칙’을 통해 미세먼지 기준에 PM10의 경우 100 μg/m3 이하, PM2.5의 경우 35 μg/m3로 개정 하고, 매년 정기검사를 실시하여 시설 개선 및 오염물질 제거 등 필요한 조취를 취하도록 했다. 또한 ‘학교 공기정화장치 설치 및 관리기준’을
마련하여 공기정화장치의 설치를 확대하도록 추진하였다.
이와 같이 교실 내 공기질에 대한 관심이 높고, 공기질에 대한 현황 분석과 공기질 개선을 위한 최적화 방안에 대하여 다양한 연구가 진행되고 있다.
Han et el.(1)은 서울 소재 초등학교 교실의 실내 및 실외 미세먼지를 광산란 측정기를 이용한 실험 연구를 수행하였다. 공기청정기가 없는 경우 대비 1대를 설치한
경우와 2대를 설치한 경우를 비교한 결과 PM10의 경우 각각 58.3%, 77.5%의 저감효과가 나타났다. 공기청정기의 설치 수량에 따른 효과를
실증을 통해 분석한 장점이 있고, 단일 공기청정기 운영시에 보조 설비를 활용하였을 때의 효과에 대한 연구를 착안하여 본 연구에 반영하였다. Choi
and Kang(2)의 연구에서는 건물 내 미세먼지에서 PM10에 대한 재부유 실험을 수행하고 기류속도와 입자농도에 대한 CFD 예측값이 실험값과 유사하게 나타났다.
실내에서 재부유가 빈번한 PM10에 대한 해석적 방법이 재실자의 위해성을 평가할 수 있는 해석모델 연구에 적합함을 보여 본 연구방법에 활용하였다.
Eom et el.(3)은 공기청정기 위치에 따른 미세먼지 농도 변화에 대한 해석 결과를 통해 공기청정기 위치에 따라 최대 3.06배의 성능 차이가 났고, 5개의 관심 지점
간의 위치별 미세먼지 분포를 분석하였다. 호흡역에 대하여 실제 조건을 최대한 반영하고 공기청정기의 위치에 따른 변화를 연구하여 부가적인 기류 제어에
대한 연구의 기반이 되었고, 본 연구에서는 대칭성을 감안한 대표적인 공기청정기 위치를 선정하고 분석하였다. Lee et el.(4)은 CFD 해석적 연구를 통해 교실 내에서 4개 지점의 공기청정기의 위치와 5개 지점의 재실자 위치에서의 공기령(Age of Air)에 대한 해석적
결과를 도출하여 자연 환기 조건에서 공기청정기의 위치에 따라 특정 Case에서 평균 공기령이 50% 수준까지 낮아질 수 있음을 나타냈다. 실험과 해석의
비교 검증을 통해 해석 방법론의 타당성을 제시하여 재실자 위치에 대한 해석적 연구를 이용한 경향성 분석이 가능함을 보였다. Burgmann and
Janoske(5)는 교실 내 재실자 주변의 4개 지점에서 공기청정기가 없는 상황에서의 에어로졸 측정 결과를 이용하여 CFD 해석 방법으로 공기청정기의 설치에 따른
공조 설비의 급배기량 변화에서 공기질 개선 효과에 대한 연구를 수행하였고 풍량이 높을수록 효과가 좋음을 보였기에, 보조 설비 활용에 대한 추가적인
연구를 고려하고자 본 연구에 반영하였다.
국내 교실에서 운영되는 공기 정화 장치는 유지 보수가 편리한 공기청정기 위주로 사용되고 있고, 기존 건축된 교실 공간에 장치를 추가하는 방법으로 이동형
또는 스탠드형의 공기청정기가 일반적이다. 또한 공기청정기 1대를 운영하는 경우가 다수로 예상되는 점에서, 본 연구에서는 스탠드형 공기청정기의 설치
위치와 더불어 실내 기류 제어가 가능한 FAN을 보조장치로 이용한 경우에 대하여 실내 유동 변화에 대한 공기질 변화에 대하여 해석적 방법을 통해 연구하였다.
2. 연구방법
2.1 교실 내 공기청정기 및 기류제어용 FAN의 위치에 따른 형상
Fig. 1에 나타낸 교실 모델은 실제 시공되고 있는 표준 교실의 형상을 모델링 하였으며, 8.21 m(W) × 7.56 m(D) × 2.6 m(H) 규모의
공간을 나타내었다. 교실 특성을 감안하여 전면과 좌우면을 제외하고 후면에 기류제어용 FAN을 설치한 경우로 가정하여 4개의 FAN을 배치하였다. 스탠드형
공기청정기의 높이는 1.5 m이고, 공기청정기를 기준으로 상단의 붉은색 부분은 면적 0.105 m2의 송풍구로 중심이 지면으로부터 1.3 m 높이에
위치하고, 하단의 파란색 부분은 면적 0.09 m2의 흡입구로 중심이 지면으로부터 0.25 m 높이에 3방향으로 구현되어있다. 지름 0.7 m인 FAN의
설치 높이는 중심 기준 지면으로부터 1.55 m 높이이고, 교실 내부에서의 대칭성을 감안한 공기청정기의 대표적인 3개의 배치를 선정하여 구성한 각
Case의 형상을 나타내었다.
Fig. 1 Locations of the air purifier and FAN for each case.
2.2 다상유동 모델 및 해석 방법론
미세먼지 입자의 거동에 대한 해석 시뮬레이션에서 다상유동 모델을 적용하는 방법에는 오일러리안 모델(Eulerian Method)과 라그랑지안 모델(Lagrangian
Method)이 있다. Kim et el.(6)에 따르면 본 연구에서 채택한 오일러리안 모델은 유동장 내 공기 흐름을 운동량과 난류방정식을 통해 구하고, 이를 바탕으로 미세먼지 농도만을 별도로
계산하는 방법으로 농도 방정식이 유체방정식의 일반 형태와 일치하기 때문에 상대적으로 쉽고 해석 시간이 빠르다. 그러나 입자 크기 분류 및 입자와 벽
표면의 상호작용되는 반응에 대한 직접적인 해석이 어렵다. 반면 라그랑지안 모델은 각각의 입자에 대한 유동해석 방법으로 전체 유동장을 오일러리안 좌표계
기준으로 지배방정식을 계산 후 개별 유체 입자에 대해 시간의 함수로 속도를 계산하므로 개별 입자에 대한 상세한 정보를 얻을 수 있으나 낮은 농도의
입자에 대한 해석에 한계가 있으며 해석 시간 및 부하가 높다.
실내 미세먼지의 CFD 해석을 위해 Zhaoa et el.(7)와 Yu and Chang(8)는 입자농도 해석에 사용되는 오일러리안 기반의 Drift-Flux 모델과 라그랑지안 기반의 Particle Tracking 방식의 해석 결과를 비교하였는데,
실험 측정 결과와 해석 모델 간의 비교 결과, 해석 예측값 경향은 두 가지 모두 실험값과 유사하게 나타남을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는
오일러리안 모델을 채택하여 다수 Case를 해석하고 결과분석을 수행하였다.
2.3 해석 조건
해석을 수행하기 위한 Solver는 상용 프로그램인 Ansys Fluent 2019 R3를 이용하였으며 Chen et el.(9)의 실내 입자 해석 선행연구에 따라 RNG k-ε 난류 모델을 적용하였다. 교실의 체적은 161.4 m3이며, 공기청정기에서 토출되는 공기 유량을 순환횟수(ACH, Air Change per Hour) 기준으로 하여 1회와 2회인 경우로 가정하고 공기청정기의
송풍구 면적에 따라 송풍량을 산출하여 Velocity Inlet 조건의 유속으로 반영하였다. 외기에서 들어오는 침기량 및 기존 침착된 미세먼지가 재부유되는
조건은 고려하지 않았다. 공기청정기의 충분한 효과를 도출하기 위하여 해석상의 시간은 3,600 s로 선정하여 미세먼지 농도 데이터를 수집하였다. 주요
해석 조건은 Table 1에 나타내었고 전체 해석 모델에 동일하게 적용하였다. 해석 모델의 격자는 해석결과의 수렴도와 해석시간을 고려하였고, Auto Mesh 방법을 이용하여
Tetra Mesh로 약 546,000개 수준의 Elements를 생성하였다.
Table 1 Informations of CFD simulation
|
Solver / Turbulent model
|
Ansys fluent 2019 / RNG k-ε
|
|
Air change per hour (Air flowrate [m3/h])
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1 (161.4) / 2 (322.8)
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Air flow speed [m/s]
|
0.43 / 0.85
|
|
Density [kg/m3] - Particulate matter phase
|
1,500
|
|
Particulate matter size [μm]
|
10
|
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Initial particulate matter concentration [μg/m3]
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150
|
|
Operating time [s]
|
3,600
|
|
Filtration efficiency [%]
|
99.9
|
대기환경보전법 시행령 제1조의2 제3항의 ‘대기오염도 예측․발표의 기준과 내용에 따라 PM10의 나쁨 등급인 150 μg/m3 수준에서 실내 공기질 변화에 대한 연구를 수행하였다. 공기청정기와 FAN을 이용한 실내 공기질의 변화에서 Case 간의 분석을 용이하게 하기 위해
초기농도 수준을 대기오염 수준으로 선정하였다.
교실 내부 분진의 초기농도는 PM10 분진 150 μg/m3가 실내에 존재하는 것으로 가정하고, 필터 효율을 99.9%로 가정한 경우에 초기농도의 0.1%의 미세먼지가 재유입 되는 것으로 Inlet 조건에
반영하였다. 공기청정기로 유입되는 미세먼지 농도는 시간에 따라 다르기 때문에 필터를 거치며 재유입되는 농도도 변하지만, 본 연구에서는 0.15 μg/m3의 고정된 농도의 미세먼지가 재유입 되는 것으로 가정하였다. 공기와 미세먼지의 유동 해석을 위해 Eulerian Multiphase Model을 사용하였고,
미세먼지의 밀도는 실내 입자해석 연구에 다수 인용된 Chen et el.(9)의 해석 조건에 따라 1,500 kg/m3으로 적용하였다.
실내 공기청정기의 능력은 일반적으로 CADR(Clean Air Delivery Rate)로 표현되는데, 교실의 면적이 62.1 m2인 경우 필요한
CADR은 8.0 m3/min이다. 본 연구에서의 풍량 조건이 161.4 CMH와 322.8 CMH에서의 CADR은 각각 2.4 m3/min과 4.8 m3/min이다. 실내 공기청정기는 CADR 수준에 따라 소음 수준도 적합해야 하는데, 한국공기청정기협회의 실내공기청정기 단체 표준에 의하면, 4 m3/min 이하에서 45 dB 이하, 4~8 m3/min 범위에서 50 dB 이하 수준을 제시하고 있어 본 연구의 CADR 수준은 최저 소음 범위에 근접한다. 실내 공기청정기의 CADR 수준은 보통의
가정용 공기청정기의 경우는 4~6 m3/min 정도이다.
본 연구에 사용된 공기청정기의 성능은 상대적으로 낮은 CADR 조건이지만 보조 FAN을 이용한 청정화 성능 향상에 대한 분석 목적으로 충분한 조건으로
판단했다. 일반적으로 교실의 크기는 같지 않기 때문에 교실 면적 대비 공기청정기의 풍량으로 나타낼 수 있는 공기 순환횟수 기준으로 표현하였다. 순환횟수
2 (322.8 m3/h) 조건과 비교 분석을 위한 순환횟수 1 (161.4 m3/h) 조건으로 선정하였고 이에 따른 전체 Case에 대한 정보는 Table 2에 나타내었다.
본 연구는 일정 수준의 실내 미세먼지 농도에서 공기 중의 미세먼지를 효과적으로 저감시키기 위한 운전조건에 대한 연구로, 교실 내 활동에 의한 미세먼지
농도의 변화를 반영하지 않은 한계점이 있다. 또한 공기청정기와 FAN의 운전조건에 따른 미세먼지 저감효과의 경향성을 파악하는 목적에서 해석적 결과를
활용할 수 있지만, 실제 운전환경의 실험 결과와 비교되지 않은 한계점이 있다. 따라서 실제 환경의 미세먼지 농도 수준 및 공기청정기의 소음 수준을
고려하여 연구 결과의 경향성을 참고한 최적의 운전조건을 파악하는데 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
Table 2 Informations of operating conditions of Air purifier and FAN
3. 해석 결과
교실 전체 공간에 대한 평균 미세먼지 농도의 변화와 재실자 위치에서의 평균 미세먼지 농도의 변화를 분석하였다. 재실자의 위치에서의 미세먼지 농도는
Fig. 2와 같이 16개 지점에서 1.2 m 높이에서의 미세먼지 농도를 산출하였으며, [4×4] 행렬 좌표로 나타내어 각 위치에 대한 미세먼지 농도 값을 획득하여
분석하였다.
Fig. 2 Position number for post-processing.
3.1 공기청정기(ACH 1) 기류제어용 FAN(ACH 1) 해석 결과
Fig. 3은 공기청정기의 풍량이 161.4 CMH(순환횟수 1)이고, 기류 제어용으로 설치된 4개의 내부 순환 FAN의 작동 여부에 따라 1시간 후에 교실
전체의 미세먼지 농도 결과를 나타내고 있다. 기류 제어용 내부 순환 FAN의 풍량은 공기청정기와 동일한 161.4 CMH(순환횟수 1)이며, FAN이
모두 작동하지 않는 조건을 포함하여 공기청정기의 위치와 FAN의 작동 여부에 따라 24가지 조건에 대해서 해석을 수행하였다.
공기청정기와 FAN의 풍량이 모두 161.4 CMH(순환횟수 1)인 조건에서 공기청정기의 위치가 Case 2이고 1번 내부 순환 FAN만 동작했을
때, 전체 공간과 16지점의 평균 미세먼지 농도는 가장 낮은 값을 나타내었다. 이 경우, 초기 미세먼지 농도 150 μg/m3에서 1시간 후의 전체 공간에 대한 평균 미세먼지 농도는 66.7 μg/m3로 감소하였고, 16지점의 평균 미세먼지 농도는 63.7 μg/m3로 감소하였다.
공기청정기의 위치가 Case 3이고, 1, 2번 내부 순환 FAN이 작동한 경우에는 가장 낮은 미세먼지 저감 효과를 나타내었다. 이 경우, 전체 공간에
대한 평균 미세먼지 농도는 88.7 μg/m3로 감소하였고, 16지점의 평균 미세먼지 농도는 93.1 μg/m3로 감소하였다.
Fig. 4는 공기청정기의 위치가 Case 2이고, 1번 내부 순환 FAN만 작동했을 때와 공기청정기의 위치가 Case 3이고, 1, 2번 내부 순환 FAN이
작동한 해석에서의 실내 기류에 대한 Stream Line을 나타내고 있다. 공기청정기의 위치가 Case 2이고, 1번 내부 순환 FAN만 작동했을
때는 재실자가 위치한 곳에서 실내 기류가 매우 활발하게 혼합되어 공기청정기에서 토출된 청정한 공기가 교실 전체로 공급되는 것을 알 수 있다. 공기청정기의
위치가 Case 3이고, 1, 2번 내부 순환용 FAN이 작동했을 때는 내부 순환용 FAN이 에어커튼의 역할을 하여 공기청정기에서 토출된 청정한 공기가
특정 영역에서만 순환하는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 3 Particle concentration and standard deviation for each cases in Air purifier ACH 1 and FAN ACH 1 (3,600s).
Fig. 4 Stream line in case of Air purifier ACH 1 and FAN ACH 1 (3,600s).
3.2 공기청정기(ACH 1) 기류제어용 FAN(ACH 2) 해석 결과
Fig. 5는 공기청정기의 풍량이 161.4 CMH(순환횟수 1)이고, 기류 제어용 내부 순환 FAN의 풍량이 322.8 CMH(순환횟수 2)인 조건에서의 해석
결과를 나타내고 있다. 공기청정기의 위치가 Case 3이고, 내부 순환 FAN이 모두 작동하지 않았을 때, 16지점의 미세먼지 농도 평균값이 가장
낮은 수치를 나타내었다. 이 경우, 공기청정기 1시간 작동 후의 16지점의 평균 미세먼지 농도는 150 μg/m3에서 63.8 μg/m3으로 감소하였다.
공기청정기의 위치가 Case 1이고, 내부 순환 FAN이 모두 작동하지 않았을 때, 16지점의 미세먼지 농도 평균값이 가장 높은 수치를 나타내었다.
이 경우, 16지점의 평균 미세먼지 농도는 150 μg/m3에서 81.3 μg/m3으로 감소하였다. 교실 전체의 미세먼지 농도는 공기청정기의 위치가 Case 3이고 3번 내부 순환 FAN이 작동했을 때, 가장 낮을 값을 나타내고
있다. 이 경우, 전체 공간에 대한 미세먼지 농도는 69.4 μg/m3으로 감소하였다.
Fig. 6은 공기청정기의 위치가 Case 3이고, 내부 순환 FAN이 모두 작동하지 않았을 때와 공기청정기의 위치가 Case 1이고, 내부 순환 FAN이 모두
작동하지 않은 해석에서의 실내 기류에 대한 Stream Line을 나타내고 있다. 공기청정기의 위치가 Case 3이고, 내부 순환 FAN이 모두 작동하지
않았을 때는 재실자가 위치한 곳에서 실내 기류가 매우 활발하게 혼합되어 공기청정기에서 토출된 청정한 공기가 교실 전체로 공급되는 것을 알 수 있다.
공기청정기의 위치가 Case 1이고, 내부 순환 FAN이 모두 작동하지 않은 해석에서는 공기청정기에서 토출한 청정한 공기가 교실의 외곽에서만 순환하면서
실내의 미세먼지 농도가 느리게 변화하는 것을 확인할 수 있다. 공기청정기의 풍량 대비 기류 제어용 FAN의 풍량이 월등히 큰 경우에 기류 제어용 FAN이
에어커튼의 역할을 하게 되고, 기류 제어용 FAN의 가동이 청정한 공기가 교실 전체로 공급되는 것을 방해하는 역할을 한다.
Fig. 5 Particle concentration and standard deviation for each cases in Air purifier ACH 1 and FAN ACH 2 (3,600s).
Fig. 6 Stream line in case of Air purifier ACH 1 and FAN ACH 2 (3,600s).
3.3 공기청정기(ACH 2) 기류제어용 FAN(ACH 1) 해석 결과
Fig. 7은 공기청정기의 풍량이 322.8 CMH(순환횟수 2)이고, 기류 제어용 내부 순환 FAN의 풍량이 161.4 CMH(순환횟수 1)인 조건에서의 해석
결과를 나타내고 있다.
공기청정기의 위치가 Case 3이고, 3, 4번 내부 순환 FAN만 동작했을 때, 전체 공간과 16지점의 평균값 모두 가장 낮은 미세먼지 농도를 나타내었다.
이 경우, 초기 미세먼지 농도 150 μg/m3에서 1시간 후의 전체 공간에 대한 평균 미세먼지 농도는 28.5 μg/m3로 감소하였고, 16지점의 평균 미세먼지 농도는 27.8 μg/m3로 감소하였다. 공기청정기의 위치가 Case 1이고, 4개의 내부 순환용 FAN이 모두 작동한 경우에 가장 낮은 미세먼지 저감효과를 나타내었다. 이
경우, 전체 공간에 대한 평균 미세먼지 농도는 37.3 μg/m3로 감소하였고, 16지점의 평균 미세먼지 농도는 39.0 μg/m3로 감소하였다.
Fig. 8은 공기청정기의 위치가 Case 3이고, 3, 4번 내부 순환 FAN만 작동했을 때와 공기청정기의 위치가 Case 1이고, 1, 2, 3, 4번 내부
순환용 FAN이 모두 작동한 해석에서의 실내 기류에 대한 Stream Line을 나타내고 있다.
공기청정기의 위치가 Case 3이고, 3, 4번 내부 순환 FAN만 작동했을 때는 재실자가 위치한 곳에서 실내 기류가 매우 활발하게 혼합되어 공기청정기에서
토출된 청정한 공기가 교실 전체로 공급되는 것을 알 수 있다. 공기청정기의 위치가 Case 1이고, 1, 2, 3, 4번 내부 순환용 FAN이 모두
작동했을 때는 내부 순환용 FAN이 교실 전체 영역에서 에어커튼의 역할을 하여 공기청정기에서 토출된 청정한 공기가 교실의 외곽에서만 순환하고 있다.
Fig. 7 Particle concentration and standard deviation for each cases in Air purifier ACH 2 and FAN ACH 1 (3,600s).
Fig. 8 Stream line in case of Air purifier ACH 2 and FAN ACH 1 (3,600s).
3.4 공기청정기(ACH 2) 기류제어용 FAN(ACH 2) 해석 결과
Fig. 9는 공기청정기와 기류 제어용 내부 순환 FAN의 풍량이 모두 322.8 CMH(순환횟수 2)인 조건에서의 해석 결과를 나타내고 있다. 공기청정기의
위치가 Case 2이고, 1번 내부 순환 FAN만 동작했을 때, 16지점의 평균값이 가장 낮은 미세먼지 농도를 나타내었다. 이 경우, 초기 미세먼지
농도 150 μg/m3에서 1시간 후의 16지점의 평균 미세먼지 농도는 28.9 μg/m3으로 감소하였다.
교실 전체의 미세먼지 농도는 공기청정기의 위치가 Case 2이고, 1, 2번 내부 순환 FAN만 동작했을 때 가장 낮은 농도값을 나타내었다. 이때,
전체 공간에 대한 평균 미세먼지 농도는 30.0 μg/m3으로 감소하였다.
공기청정기의 위치가 Case 1이고, 4개의 내부 순환용 FAN이 모두 작동한 경우에 전체 공간과 16지점의 평균값 모두 가장 낮은 미세먼지 저감효과를
나타내었다. 이 경우, 전체 공간에 대한 평균 미세먼지 농도는 46.8 μg/m3로 감소하였고, 16지점의 평균 미세먼지 농도는 51.5 μg/m3로 감소하였다.
Fig. 10은 공기청정기의 위치가 Case 2이고, 1번 내부 순환 FAN만 작동했을 때와 공기청정기의 위치가 Case 1이고, 1, 2, 3, 4번 내부 순환용
FAN이 모두 작동한 해석에서의 실내 기류에 대한 Stream Line을 나타내고 있다. 공기청정기의 위치가 Case 2이고, 1번 내부 순환 FAN만
작동했을 때는 재실자가 위치한 곳에서 실내 기류가 매우 활발하게 혼합되어 공기청정기에서 토출된 청정한 공기가 교실 전체로 공급되는 것을 알 수 있다.
공기청정기의 위치가 Case 1이고, 1, 2, 3, 4번 내부 순환용 FAN이 모두 작동했을 때는 내부 순환용 FAN이 교실의 기류를 양분하는 에어커튼의
역할을 하여 공기청정기에서 토출된 청정한 공기가 교실의 특정 영역에서만 순환하고 있다.
실내 기류의 체감 측면에서 공기청정기와 FAN에 의한 실내 풍속이 고려되어야 한다. 공중보건학에서는 0.5 m/s 이하의 실내 기류를 불감기류로 정의한다.
공기청정기의 토출 풍속이 322.8 CMH(순환횟수 2)에서는 0.85 m/s로 공기청정기에 근접한 경우에는 기류에 대한 체감이 발생할 수 있지만,
재실자의 15번 위치에 최대 풍속 0.48 m/s로 나타나므로 재실자가 위치하는 지점에서는 실내 기류에 대한 체감도는 낮을 것으로 보인다.
Fig. 9 Particle concentration and standard deviation for each cases in Air purifier ACH 2 and FAN ACH 2 (3,600s).
Fig. 10 Stream line in case of Air purifier ACH 2 and FAN ACH 2 (3,600s).
4. 결 론
본 연구에서는 해석적 방법을 이용하여 공기청정기의 운전 위치와 풍량과 함께, 기류제어용으로 사용되는 실내 순환 FAN의 운전조건에 따른 교실 내 재실자
위치에서의 미세먼지 저감효과에 대하여 검토하였다.
공기청정기의 운전조건이 동일한 경우 FAN의 가동 유무에 따라 전체 공간의 미세먼지 농도는 최대 31.2%, 16지점 평균 미세먼지 농도에 대해서는
최대 24%의 저감효과가 나타났다. FAN을 가동하는 경우에서 FAN의 기류가 에어커튼 역할을 하면서 실내 순환을 어렵게 만드는 현상을 확인하였고,
실내 기류 흐름을 서로 방해하지 않도록 해야 한다는 것을 확인하였다. 공기청정기의 낮은 CADR 조건에서도 기류제어용 FAN을 보조로 활용한다면 미세먼지
저감 성능이 향상될 수 있고, 본 연구의 결과를 기반으로 실제 운전환경에서 적정 운전조건을 선정할 수 있을 것으로 사료된다.
(1) 공기청정기의 풍량과 기류제어용 FAN의 풍량이 동일한 경우
공기청정기의 위치 Case 2에서 평균 미세먼지 농도는 가장 낮은 값을 나타내었다. 공기청정기와 FAN의 풍량이 모두 161.4 CMH(순환횟수 1)인
경우, 1번 FAN만 동작했을 경우에서 FAN을 사용하지 않는 경우와 비교하여 전체 공간에 대한 평균 미세먼지 농도는 31.2% 감소하였고, 16지점의
평균 미세먼지 농도는 24.0% 감소하였다. 또한, 공기청정기와 FAN의 풍량이 모두 322.8 CMH(순환횟수 2)인 경우, 1번 FAN만 동작했을
때 FAN을 사용하지 않는 경우와 비교하여 16개 지점의 평균 미세먼지 농도는 9.5% 감소하였다. 1, 2번 FAN만 동작했을 경우에는 교실 전체의
평균 미세먼지 농도는 6.8% 감소하였다.
(2) 공기청정기의 풍량 대비 기류제어용 FAN의 풍량이 큰 경우
공기청정기의 위치 Case 3에서 평균 미세먼지 농도는 가장 낮게 나타났다. 공기청정기의 풍량이 161.4 CMH(순환횟수 1)이고 FAN의 풍량이
322.8 CMH(순환횟수 2)인 조건에서는 FAN을 사용하지 않는 경우에서 16개 지점의 평균 미세먼지 농도가 가장 낮게 나타났다. 또한 3번 내부
순환 FAN만 동작했을 때 전체 공간에 대한 평균 미세먼지 농도는 FAN이 모두 작동하지 않았을 때와 비교하여 4.5% 감소하였다.
(3) 공기청정기의 풍량 대비 기류제어용 FAN의 풍량이 50% 일 경우
공기청정기의 위치 Case 3에서 평균 미세먼지 농도는 가장 낮게 나타났다. 공기청정기와 FAN의 풍량이 모두 322.8 CMH(순환횟수 2)인 경우
3, 4번 FAN만 동작했을 때 평균 미세먼지 농도는 가장 낮은 값을 나타내었다. FAN을 사용하지 않는 경우와 비교하여 전체 공간에 대한 평균 미세먼지
농도는 28.2% 감소하였고, 16지점의 평균 미세먼지 농도는 15.3% 감소하였다.
(4) 공기청정기의 풍량 대비 FAN의 풍량이 큰 경우에는 FAN에서 발생하는 기류가 에어커튼의 역할을 하게 되는 실내 기류의 흐름이 발생하였고,
FAN을 가동하지 않은 경우보다 미세먼지 저감효과가 감소하는 경우도 다수 발생하였다. 공기청정기의 풍량 대비 FAN의 풍량이 작거나 같고, 가동되는
FAN이 4개 중에서 1개 또는 2개가 운전되는 경우에는 FAN의 기류가 교실의 중심위치에서 청정한 공기를 교실 전체로 분배하는 역할을 수행하여 미세먼지
저감효과를 증대시키는 효과가 나타났다.
후 기
이 논문은 2021년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2021R1I1A3048346).
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