장승민
(Seungmin Jang)
1
조진균
(Jinkyun Cho)
2†
오원석
(Wonseok Oh)
2
박정안
(Jeongan Park)
3
신철웅
(Cheolwoong Shin)
4
김진호
(Jinho Kim)
5
-
㈜HIMEC, 전략·기획·BIM 본부 프로
(PRO, Strategy·Planning·BIM Division, HIMEC(Hanil Multidisciplinary Engineering Company),
0727, Seoul, Korea)
-
국립한밭대학교, 공과대학 설비공학과 교수
(Professor, Dept. of Building and Plant Engineering, Hanbat National University, 34158,
Daejeon, Korea)
-
국립한밭대학교 일반대학원 건축설비공학과 석사과정
(M.S. Course, Dept. of Building and Plant Engineering, Hanbat National University,
4158, Daejeon, Korea)
-
한국건설생활환경시험연구원 에너지본부 공기환경센터 책임연구원
(Senior Researcher, Environment Division, KCL(Korea Conformity Laboratories), 27876,
Jincheon, Korea)
-
수원과학대학교 소방안전설비공학과 교수
(Professor, Dept. of Fire Protection, Safety and Facilities, Suwon Science College,
1816, Hwasung, Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
키워드
에어컨, 공기정화, 공기청정능력, HEPA 필터, 실내공기질, 제거효율
Key words
Air conditioner, Air purification, CADR, clean air delivery rate, HEPA filter, Indoor air quality, Removal efficiency
기호설명
$P$：
청정화능력 [m3/min]
$V$：
시험챔버 체적 [m3]
$N$：
시험체 대수
$C_{i1}$：
자연감소시 측정개시점 t = 0에서의 입자농도 [개/cm3]
$t$：
운전 감소시 측정시간 [min]
$C_{i2}$：
운전감소시 측정개시점 t = 0에서의 입자농도 [개/cm3]
$\eta$：
미세먼지 제거효율 [%]
$C_{t1}$：
자연감소시 측정시간 t 분에서의 입자농도 [개/cm3]
$C_{i}$：
상류측 개수농도 [개/mL]
$C_{t2}$：
운전감소시 측정시간 t 분에서의 입자농도 [개/cm3]
$C_{o}$：
하류측 개수농도 [개/mL]
1. 연구배경 및 목적
미세먼지는 세계보건기구(WHO)에서 1군 발암물질로 분류하고 있으며, 직경이 10 ㎛ 이하일 경우 미세 먼지(PM10), 2.5 ㎛ 이하일 경우 초미세먼지(PM2.5)로
구분된다. 미세먼지는 호흡기 질환, 심혈관 질환, 천식 등을 유발하며, 이에 따라 실내외 미세먼지를 저감하기 위한 방안이 중요시되고 있다.(1) 특히 한국은 기상 조건과 지리적 특성으로 인해 겨울부터 봄 사이에 미세먼지 농도가 높아지는 경향이 있다. 이는 주로 중국의 경제 발전과 도시화로
인한 미세먼지 유입과 대기 정체로 인한 국내 미세먼지 배출이 원활하지 않기 때문이다.(2,3) IQ Air의 자료에 따르면, 서울의 연평균 미세먼지 농도는 주요 선진국보다 높게 나타났으며, 최대 약 2.5배 높은 것으로 조사되었다.(4) 미세먼지 농도가 증가함에 따라 실내 공기질에 대한 관심이 높아지고 있다.(5) 현대인들은 하루 평균 약 22시간 이상을 실내에서 보내므로(6), 실내 공기를 쾌적하게 유지하는 데 도움이 되는 공기청정기에 대한 관심이 증가하고 있다. 한국의 공기청정기 시장은 2024년부터 2032년까지 연평균
성장률(CAGR) 약 8.1%로 성장할 것으로 전망되며, 공기청정기 구매 사례도 점차 증가하고 있다.(7) 하지만, 2019년 산업통상자원부와 국가기술표준원의 설문조사에 따르면, 공기청정기 모델 중 일부는 기준에 미달하여 성능에 대한 신뢰도가 낮은 경우도
있었다.(8)
현재까지 환기시스템 및 공기청정기 설치에 따른 미세먼지 저감 효과(9), 미세먼지 저감을 위한 공기환경조절시스템 현황(10), 다양한 집진필터의 적용에 따른 열회수형 환기장치의 성능 변화(11), 먼지 및 유분 등의 누적에 따른 공기정화기의 성능 감소(12) 및 미세먼지 저감을 위한 실외유입과 실내발생의 경로 및 대응제품의 성능기준 조사(13)와 같은 미세먼지 저감을 위한 제품 및 소재단위의 분석적, 실험적 그리고 조사연구가 다양하게 진행되었다. 그러나 기존의 모든 연구는 공기청정기(내부)와
환기시스템(내‧외부) 등 공기질 개선을 위한 전용 용도의 제품을 대상으로 연구가 진행되었다. 그러나 이러한 제품들은 제어적인 측면을 제외하고는 기계적인
메커니즘으로는 송풍기와 필터만으로 작동하는 로우테크이다. 해당연구의 주요 착안점은 여름철 냉방을 위한 실내(기) 에어컨의 경우, 사용기간이 짧고 기본적으로
송풍기와 필터로 구성되어 있다는 점이다. 선행연구 결과에 따라 본 연구는 냉동사이클을 작동하지 않고 필터의 성능을 높이면 냉방기간 이외의 기간에는
공기청정기로의 역할을 할 수 있다는 논리적 가정에서 시작되었다.
본 논문에서는 에어컨에 실내공기 인입부에 기존 프리 필터 대신 고효율 필터를 설치하여 공기청정기의 보조 역할로의 활용 가능성을 분석하였다. 실험 결과의
신뢰성을 높이기 위해 실험 챔버 기밀 테스트, 필터 제거율 및 차압 실험, 필터 장착으로 인한 에어컨의 풍량 저하 실험 등 다양한 예비 실험을 통해
본 연구결과의 신뢰성을 향상 시켰으며 이를 기반으로 구성된 환경에서 청정화 능력과 미세먼지 제거 효율을 산출하여 비교 분석하였다.
본 연구의 최종적인 목표는 냉난방 겸용으로 보급이 증가하는 에어컨의 활용도를 높이고 실내 환경을 효과적으로 쾌적하게 조성하는 방안을 제시하는 데 있다.
이러한 접근은 냉방 및 난방기에 사용되지 않는 에어컨에 공기청정기 기능을 부여하여 실내 공간 및 재실 밀도가 높은 공간에서 공기청정기의 용량의 한계를
보완하고, 실내 공기질을 효율적으로 관리하는 데 기여할 수 있을 것으로 판단한다.
2. 연구의 방법
2.1 시험 대상
최근 실내 공기질 관리의 중요성이 강조되면서, 재실 밀도가 높은 교실, 사무실, 강의실 등에서의 공기정화 장치 필요성이 증가하고 있다. 특히, 미세먼지가
건강에 미치는 영향이 크므로 효과적인 실내 공기 정화 방법을 찾는 것이 시급한 상황이다. 이에 따라 본 연구에서는 공기정화장치의 보조 시스템으로서의
기능을 평가하였다. Fig. 1과 같이 기존 에어컨에 고효율 필터를 설치하였고, 기밀 챔버를 통해 공기 청정화 능력을 평가하였다. 시험 장비는 약 6~7평 정도의 냉방 면적과 210
m3/h의 정격 풍량을 보유한 실외기 일체형 제품이다.
기존 에어컨의 정의와 범위는 실내기와 실외기가 분리된 형식에서 실내기에 해당하는 모든 장비를 대상으로 한다. 실험 대상의 대표성은 송풍기와 필터의
구성이 가능한 대상을 모두 포함하기 때문에 이동식 에어컨도 그 범주에 포함하고 챔버 실험의 용이성을 고려하여 채택하였다.
2.2 공기청정기의 CADR(청정화 능력) 및 제거효율
본 연구에서는 실내공기 청정의 기능 보조를 위해 에어컨과, 고효율(HEPA) 필터의 조합에 따른 공기질 개선효과 검증을 위하여 국내 공기청정기의 공기청정화능력
평가 표준인 한국공기청정협회 실내공기청정기 시험규격 (SPS-KACA002-132)을 준수하였다. 필터 설치는 보편적인 에어컨 환기(RA) 인입구
설치에 준하였다. 본 시험표준에서는 실내공기청정기를 실내공기를 청정하게 유지시키기 위한 목적으로 미세먼지 정화장치, 유해가스 정화장치 및 송풍기가
일체형으로 되어 있는 제품으로 정의하고 있다. 공기청정의 성능평가를 위해 공기청정기 가동 후 공기 중 미세먼지가 제거되는 정화능력으로 청정화 능력(CADR:
clean air delivery rate)이 정의되어 있다. 본 연구에서도 공기청정화능력을 평가 지표로 이용 하였다. 시험체의 청정화능력은 식(1), 입자제거효율은 식(2)를 이용하여 산출하였다.(14)
2.3 시험 방법
본 연구에서는 청정화 능력 및 미세먼지 제거 효율 시험을 위해 SPS-KACA002-132 표준에 따라 시험을 진행하였다. Table 1에서와 시험 챔버의 크기는 청정화 능력에 따라 선정되며, 본 연구에서는 고효율 필터가 설치된 이동형 에어컨의 청정화 능력을 평가하기 위해 30 m3 크기의 챔버를 사용하였다. 시험용 입자는 KCl(다분산의 고체상 염화칼륨) 입자를 사용하도록 하고 있으며, 염화칼륨을 융해시킨 수용액을 입자발생장치를
사용하여 분무 하도록 시험 방법이 제시되어 있다. 본 연구에서는 시험체인 에어컨이 일반적인 공기청정기라는 가정으로 진행하므로 챔버 크기를 30 m3로 선정하였다.
Table 1 Size of the test chamber
|
CADR (m3/min)
|
0.1 < P ≤ 1.6
|
1.6 < P ≤ 15.0
|
15.0 < P ≤ 25.0
|
|
Chamber size(m3)
|
8.0 ± 0.5
|
30.0 ± 1.5
|
50.0 ± 1.5
|
Table 2는 본 연구에서 사용된 주요 측정장비의 기능을 나타낸 것이다. 전체적인 시험방법 및 절차는 Fig. 2와 같다. 주요 장비는 광학자동입자계수기(Grimm11-A), 정량입자발생기(TSI 3076), 고효율 필터 등이다. 챔버 내 시험입자 발생 3분과
안정화 3분경과 이후 20분간 측정을 진행하였다. 시험은 4가지 Case에 따라 진행되었으며, 각 Case의 시험 전에 자연 감소율을 측정하여 챔버의
기밀도를 확인하였다. 시험체는 챔버 중앙 바닥에서 약 75 cm 높이에 설치하였다. 입자 농도 측정은 챔버 중앙 바닥에서 120 cm 높이의 지점에서
이루어졌으며, 정전기 영향을 최소화하기 위해 특수 재질의 샘플링 튜브를 사용하고, 튜브 위치를 고정시켜 시험 중 위치 변경이 없도록 하였다. 각 시험
케이스는 입자 발생 후 20분 동안 에어컨을 가동하며, 입자 농도를 분당 10회씩 측정하였다.
Table 2 Measuring instruments and measurements range
|
Instrument
|
Aerosol spectrometer - Grimm 11-A
|
Figure
|
|
Features
|
- Measuring range: 0.25 µm to 32 µm in 31 size channels
- Particle concentration: 1 to 3,000,000 particles/L
- Dust mass: 0.1 to 100,000 µg/m3
|
|
|
Instrument
|
Aerosol generator - TSI 3076
|
Figure
|
|
Features
|
- Concentrations: over 107 particles/cm3
- Nominal aerosol flow rate: 3.0 L/min
- Example aerosols: Up to 2 µm PSL
- Salt aerosol with mode in the range of 20 to 100 nm
|
|
|
Instrument
|
Test chamber - V = 30 m3
|
Figure
|
|
Features
|
- 30 m3 airtight chamber
- Room temperature and humidity are kept constant
- A single sensor monitors the number of particles in the air,
- fans mounted on the walls and ceiling circulate the air
|
|
|
Instrument
|
Filter - HEPA Filter
|
Figure
|
|
Features
|
- H13 True Hepa Filter
- Capable of handling extremely fine particles down to PM1.0
- Removal rate of 0.3 µm smaller than fabric ultra-fine dust: 99.965%
- More than 99% removal of ultra-fine particles
|
|
Fig. 2 Experimental set-up; test chamber and measurement equipment.
Table 3에서와 같이, Case 0은 자연감소율 측정으로, 에어컨을 가동하지 않은 상태로 20분간의 입자 농도 곡선을 분석하였다. 이는 챔버의 기밀도를 검증하기
위한 단계이다. Case 1, 2는 고효율 필터를 장착하지 않은 기본 상태의 에어컨 동작 모드이다. Case 1은 약풍 모드이며 Case 2는 강풍
모드로 필터가 없는 상태에서 시험을 진행하였다. Case 3, 4는 고효율 필터를 장착한 상태의 에어컨 동작 모드이다. Case 3은 약풍 모드,
Case 4는 강풍 모드이다. 이 시험들을 통해 최종적으로 입자 제거 효율 및 청정화 능력을 산출하고, 일반적인 공기청정기와 비교분석을 진행하였다.
Table 3 Experimental case classification
|
No.
|
Test Cases
|
|
Case 0
|
Natural reduction (without air conditioner)
|
|
Case 1
|
Low flow mode (without filter)
|
|
Case 2
|
High flow mode (without filter)
|
|
Case 3
|
Low flow mode (with HEPA filter)
|
|
Case 4
|
High flow mode (with HEPA filter)
|
3. 청정화능력 시험결과
3.1 (사전 시험-1) 고효율 필터 성능 검증
본 시험에서 사용한 고효율 필터는 H13 등급으로 선정하였다. 고효율 필터 H13 등급은 0.3 ㎛ 크기의 입자를 약 99.7% 거를 수 있는 것으로
알려져 있다. 제조사에서 제공하는 온전한 상태의 필터의 효율과 실험 상태로 임의 제작하는 필터의 효율은 적용 형태에 따라서 상이할 수 있기 때문에
실험을 진행하기에 앞서서 실험체인 에어컨의 실내공기 인입부에 맞춰 필터 제단 및 필터 가드를 제작하였다.
실험 결과에 필터의 성능이 미치는 영향을 최소화 하기 위해 사전에 기초시험을 진행하였다. 사전시험 설계는 환기용 공조필터 유닛에 대한 국가기준 (KS
B 6141)을 참고 하여 진행하였으며, 염화칼륨 수용액을 사용하였다. 자세한 시험 조건은 Table 4와 같다. 시험 결과 필터의 0.3 ㎛ 크기 입자 포집률은 93.66%로 H13 등급의 성능 수준인 99.7%보다 약 4% 낮은 결과를 보였다. 시험용
필터의 통기저항은 36 PA로 측정되었다.
Table 4 Preliminary experiment: Verify filter differential pressure and filter efficiency
|
Test flowrate
|
150 CMH
|
Face velocity
|
0.47 m/s
|
Test result
|
|
Test aerosol
|
KCI
|
Test method
|
KS B 6141
|
Differential pressure
|
36 PA
|
|
Size
|
H: 345 mm × W: 255 mm × D: 15 mm
|
Removal efficiency
|
0.3 ㎛
|
93.66%
|
|
Particle counter
|
Grimm 11 - D
|
3.2 (사전 시험-2) 에어컨 풍량 시험
에어컨의 실내공기 인입부에 공기청정 필터 장착에 따른 풍량 변화도 마찬가지로 예비실험으로 진행하였다. 실험은 필터를 장착한 상태와 장착하지 않은 상태에서
각각 약풍 모드 강풍 모드로 진행하였다.
측정 개요는 Fig. 3과 같으며 Case 1의 상태인 필터가 장착되지 않은 약풍 모드에서는 약 126.5 m3/h로 분석되었으며 비교 대상군인 Case 3의 필터 장착 약풍 모드 에서는 약 98.2 m3/h로 나타났다. 기존 대비 필터 장착으로 인한 풍량 저하가 약 22% 정도 발생하였다. Case 2의 강풍 모드와 Case 4의 필터 장착 강풍
모드의 경우 Case 2는 약 148.5 m3/h, Case 4는 약 116.2 m3/h로 나타났으며 풍량 저하는 약풍모드와 동일하게 약 22% 정도로 나타났다. 필터로 인한 냉방효율 저하 및 소음 등에 대한 측정은 진행하지 않았으며
차후 교실 및 강의실 스케일 실험을 진행할 경우 위의 사항도 추가적으로 검토하여 평가를 진행할 예정이다.
Fig. 3 Air flowrate analysis for air conditioner (4 cases).
3.3 (사전 시험-3) 시험 챔버의 기밀도 평가
시험 챔버 내의 배경 입자 농도는 SPS-KACA002-132에 따르면 입자 크기 0.30 ㎛의 경우 3×108 N/m3 이하로 유지되어야 한다. 또한 챔버의 기밀도는 입자 크기 0.30 ㎛인 입자에 대해 20분 후 농도가 초기 농도의 90% 이상 유지되어야 한다.
따라서 자연 감소 평가를 진행하면서 기밀도 평가를 수행하게 된다.
Table 5에서와 같이, 안정화 시간이 지난 후 챔버 내의 초기 농도는 105,880 N/cm3으로 나타났으며, 이는 3×108 N/m3 이하의 범위 안에 해당된다. 20분 이후의 농도는 약 107,445 N/cm3으로 분석되었으며, 초기 농도 기준으로 감소하지 않았으므로 챔버의 기밀성도 적합한 것으로 확인되었다.
Fig. 4(a)는 시간에 따른 자연 감소 측정 결과를 나타낸 그래프이며, 농도가 변하지 않으므로 챔버 내부의 상태는 안정한 것으로 분석되었다. Fig. 4(b)는 특정 농도 범위의 입자 카운팅 개수를 막대 그래프로 나타낸 것으로, 일부 농도 범위에 밀집되어 있어 마찬가지로 챔버 내부 상태가 안정하다는 지표로
판단할 수 있다. 시험 챔버의 건구 온도는 23.0 ± 1.0℃, 상대 습도는 53.0 ± 2.0%로 설정하였으며, 각각의 시험조건을 진행하는 동안
변화하지 않도록 지속적으로 모니터링 하였다. 각 Case를 수행하면서 실내 환경을 동일 조건으로 유지하였다. 또한, 챔버 내부의 온도와 습도 조절을
위해 환경제어 시스템을 사용하여 실험의 정확성을 높였다. 이로 인해 데이터의 신뢰성을 확보할 수 있었다.
Fig. 4 The particle concentration Case 0: a) Concentration changer over time, b) Concentration density analysis.
해당 데이터는 챔버가 외부 오염원의 유입을 잘 차단하고 있으며, 내부 공기의 순환이 안정적임을 보여준다. 또한, 이러한 결과는 이후 시험에서 신뢰할
수 있는 데이터 수집을 위한 기초 자료로 활용될 수 있다. 이는 실험의 재현성을 높이고, 결과의 정확성을 보장하는 데 중요한 역할을 한다. 최종적으로,
챔버의 기밀도와 안정성을 확보함으로써, 다양한 조건에서의 공기질 평가가 보다 정확하게 이루어질 수 있다.
Table 5 Airtightness measurement of the test chamber (Case 0)
|
Particle size of Case 0
|
(0.28 ~ 0.30) ㎛
|
|
Initial particle concentration (N/cm3)
|
105,800
|
|
T = 20 min particle concentration (N/cm3)
|
107,445
|
|
Suitability
|
100 % higher True
|
3.4 (본 시험-1) Case 1, 2 약풍 및 강풍 일반적인 상태의 청정화 능력 평가
본 장에서는 일반적인 에어컨 동작 모드의 청정화 능력을 평가한 시험 결과를 나타낸다.
Table 6은 시험 결과를 요약한 것이며, Fig. 5는 약풍 및 강풍 모드에서 실시간으로 변화하는 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
Fig. 5 a) Concentration changer over time Case 1 and b) Concentration changer over time Case 2.
Table 6 Test result of Case 1 and Case 2
|
Particle size of Case 1, Case 2
|
(0.28 ~ 0.30) ㎛
|
(0.28 ~ 0.30) ㎛
|
|
Measurement time
|
20 min
|
20 min
|
|
Initial particle concentration Natural reduction (N/cm3)
|
105,800
|
105,800
|
|
T = 20 min particle concentration Natural reduction (N/cm3)
|
107,445
|
107,445
|
|
Initial particle concentration Case 1 (N/cm3)
|
66,595
|
90,000
|
|
T = 20 min particle concentration Case 2 (N/cm3)
|
62,635
|
82,360
|
|
CADR (m3/min) & Removal efficiency (%)
|
0.12 m3/min & 6%
|
0.16 m3/min & 8%
|
고효율 필터를 장착하지 않은 일반적인 에어컨의 청정화 능력을 평가하기 위해 광학 자동 입자 계수기를 사용하여 실시간 농도 변화를 측정하였다. Case
1의 약풍 모드에서 0.28~0.30 ㎛ 입자의 초기 농도는 66,595 N/cm3이며 20분 후의 농도는 62,635 N/cm3로 나타났다. 이를 통해 계산된 청정화 능력은 0.12 m3/min (0.28~0.30 ㎛)으로, 청정화 능력인 CADR의 P값은 30 m3 챔버의 최소 기준치인 1.6 m3/min에 미치지 못하는 것으로 분석되었다.
Case 2의 강풍 모드에서 0.28~0.30 ㎛ 입자의 초기 농도는 90,000 N/cm3이며 20분 후의 농도는 82,360 N/cm3 로 나타났다. 청정화 능력 또한 0.16 m3/min (0.28~0.30 ㎛)으로 P값의 최소 기준치에 도달하지 못하였다. 20분간 최대 입자 제거 효율은 Case 1에서 6.0%, Case
2에서 8.0%로 확인되었다. Case 1, Case 2 모두 입자 제거 효율이 10%에도 미치지 못했다. 필터가 없는 상태에서의 에어컨은 예상된
결과였지만, 공기 청정의 효과는 거의 없는 것으로 분석되었다.
약간의 입자 제거 효율이 발생한 것은 각 시험 Case를 수행하는 동안 에어컨의 풍속을 각각 약풍 모드와 강풍 모드로 설정하였기 때문이다. 이로 인해
공기 중 입자의 흐름과 제거 효율이 어떻게 달라지는지를 관찰할 수 있었다. 시험 결과, 에어컨의 약풍 모드에서는 공기 흐름이 상대적으로 약해 입자
제거 효과가 미미하였으나, 강풍 모드에서는 공기 흐름이 강해져 입자제거 효과가 약간 증가한 것을 확인할 수 있었다.
3.5 (본 시험-2) Case 3, 4 약풍 및 강풍 필터 장착 상태의 청정화 능력 평가
Table 7은 시험 결과를 요약한 것이며, Fig. 6은 약풍 및 강풍 모드에서 실시간으로 변화하는 농도 변화를 나타낸 그래프이다. 고효율 필터를 장착한 에어컨의 청정화 능력을 평가하기 위해 광학 자동
입자 계수기를 사용하여 실시간 농도 변화를 측정하였다.
Fig. 6 a) Concentration changer over time Case and b) Concentration changer over time Case 4.
Table 7 Test result of Case 3 and Case 4
|
Particle size of Case 3, Case 4
|
(0.28 ~ 0.30) ㎛
|
(0.28 ~ 0.30) ㎛
|
|
Measurement time
|
20 min
|
20 min
|
|
Initial particle concentration Natural reduction (N/cm3)
|
105,800
|
105,800
|
|
T = 20 min particle concentration Natural reduction (N/cm3)
|
107,445
|
107,445
|
|
Initial particle concentration Case 3 (N/cm3)
|
70,650
|
67,950
|
|
T = 20 min particle concentration Case 4 (N/cm3)
|
27,560
|
20,425
|
|
CADR (m3/min) & Removal efficiency (%)
|
1.44 m3/min & 61%
|
1.83 m3/min & 70%
|
Case 3의 약풍 모드에서 0.28~0.30 ㎛ 입자의 초기 농도는 70,650 N/cm3이며 20분 후의 농도는 27,560 N/cm3 로 나타났다. 이를 통해 계산된 청정화 능력은 1.44 m3/min (0.28~0.30 ㎛)으로, 청정화 능력인 CADR의 P값은 30 m3 챔버의 최소 기준치인 1.6 m3/min에 미치지 못하는 것으로 분석되었다. Case 4의 강풍 모드에서 0.28~0.30 ㎛ 입자의 초기 농도는 67,950 N/cm3이며 20분 후의 농도는 20,425 N/cm3로 나타났다. 청정화 능력은 1.83 m3/min(0.28~0.30 ㎛)으로 P값의 최소 기준치인 1.6 m3/min을 상회 하는 것으로 분석되었다. 20분간 최대 입자 제거 효율은 Case 3에서 61%, Case 4에서 70%로 확인되었다. Case 3,
Case 4 모두 입자 제거 효율이 50% 이상 나타나는 것으로 분석되었다.
Table 8의 전체 시험결과를 요약해보면, 필터가 장착된 상태에서의 에어컨은 공기 청정의 효과가 어느 정도 있음이 확인되었다. 약풍 모드에서도 일정한 청정화
능력을 보였으나 청정화 능력 기준을 충족하지 못하였다. 강풍 모드에서는 청정화 능력 기준을 상회하였으며 실제 입자를 제거하는 데 효과가 있는 것으로
나타났다. 약풍 모드도 청정화 능력 기준을 충족하지 못했지만, 본 연구에서 제안하는 방식은 공기청정기의 보조 시스템으로서의 역할이므로 약풍 모드도
보조 시스템으로서 충분히 역할을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
Table 8 Final results summary
|
No.
|
Particle Size (㎛)
|
Initial Concentration
|
20 min Concentration
|
CADR (m3/min)
|
Removal Efficiency
|
|
Case 1
|
0.28 ~ 0.30
|
66,595 N/cm3
|
62,635 N/cm3
|
0.12
|
6%
|
|
Case 2
|
0.28 ~ 0.30
|
90,000 N/cm3
|
82,360 N/cm3
|
0.16
|
8%
|
|
Case 3
|
0.28 ~ 0.30
|
70,650 N/cm3
|
27,560 N/cm3
|
1.44
|
61%
|
|
Case 4
|
0.28 ~ 0.30
|
67,950 N/cm3
|
20,425 N/cm3
|
1.83
|
70%
|
4. 결 론
본 연구의 목적은 에어컨 시스템에 고효율(HEPA) 필터를 결합하여 미세먼지 제거 효율을 평가하는 것이다. 이는 미세먼지가 호흡기 및 심혈관 질환을
유발할 수 있는 주요 오염 물질로 인식되는 현대 사회에서 실내 공기질을 개선하기 위한 방안을 모색하기 위함이다. 특히, 국내에서는 겨울과 봄철에 미세먼지
농도가 높아져 실내 공기질 개선이 필수적이다.
에어컨은 가정 및 사무실 교육시설 등에서 일반적으로 사용되는 장치로, 여름철에는 그 사용 빈도가 특히 높다. 본 연구는 이러한 기존 공조 시스템을
활용하여 실내 공기질을 개선하고, 재실자의 만족도를 높이는 최적의 설비 시스템 구축을 목표로 한다. 따라서, 하절기 외에도 에어컨을 통해 실내 공기질을
개선할 수 있는 방안을 탐색하는 것이 중요하다. 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
⦁ 기밀 시험: 시험 챔버의 기밀도는 초기 입자 농도(105,800 N/cm3)와 20분 후 농도(107,445 N/cm3)를 비교하여 평가되었으며, 큰 변화가 없음을 확인함으로써 챔버의 높은 기밀도를 입증했다.
⦁ 필터 시험: 에어컨의 실내 공기 흡입구에 기존 제품을 설치하기 위한 변형 및 제단 과정에서의 효율 차이를 확인하고, 이를 통해 실제 효율을 정밀하게
측정하였다.
⦁ 풍량 시험: 필터 장착 전후의 에어컨 풍량 변화를 측정한 결과, 필터 장착 시 풍량이 약 22% 저하됨을 확인하였다.
⦁ 제거 효율 및 CADR: 결론적으로, 고효율 필터를 장착한 에어컨은 필터가 없는 상태에 비해 미세먼지 제거 효율이 상당히 높았다. 약풍 모드에서도
효과적인 보조 역할을 수행하였으며, 강풍 모드에서는 더욱 우수한 성능을 보였다. 이러한 결과는 에어컨 시스템이 공기청정기의 보조 시스템으로서 유용하게
활용될 수 있음을 시사한다.
본 연구는 하절기 외에도 에어컨을 활용한 실내 공기질 개선의 가능성을 제시하며, 미세먼지 문제가 심각한 시기에 실내 환경을 보다 쾌적하게 유지할 수
있는 방안을 마련하였다. 향후에는 확대된 스케일의 실험을 통해 에어컨과 공기청정기의 통합 사용의 적정성을 더욱 심층적으로 평가할 예정이다. 그러나
에어컨의 용량, 풍량(풍속), 설치 위치 등에 따라 결과가 달라질 수 있는 한계점이 있으며, 외부에 필터를 장착하는 경우, 미사용 시 미세먼지가 실내로
재유입될 수 있는 우려가 있음을 분명히 밝힌다.
후 기
본 논문은 2024년도 보건복지부의 재원으로 한국보건산업진흥원의 보건의료기술개발사업 지원을 받아 수행한 연구과제 결과의 일부임(과제번호: RS-2022-KH124613
(HG22C0017)).
References
WHO, 2023, WHO Global Air Quality Guidelines, USA.
Chen, F., Chen, J., Huang, W., Chen, S., Huang, X., Jin, L., Jia, J., Zhang, X., An,
C., Zhang, J., Zhao, Y., Yu, Z., Zhang, R., Liu, J., Zhou, A., and Feng, S., 2019,
Westerlies Asia and Monsoonal Asia: Spatiotemporal Differences in Climate Change and
Possible Mechanisms on Decadal to Sub-orbital Timescales, Earth-Science Reviews, Vol.
192, pp. 337-354.
Zhang, R., Jing, J., Tao, J., Hsu, S.-C., Wang, G., Cao, J., Lee, C. S. L., Zhu, L.,
Chen, Z., Zhao, Y., and Shen, Z., 2013, Chemical Characterization and Source Apportionment
of PM2.5 in Beijing: Seasonal Perspective, Atmospheric Chemistry and Physics, Vol.
13, pp. 7053-7074.
IQAir, 2023, Detailed information on air quality and pollution sources in South Korea,
IQAir.
Choi, H., Kim, Y., and Lee, B., 2019, A Study on Indoor Air Quality Management and
Improvement, Korea Environment Institute, Final Report, TRKO202000031148.
National Institute of Environmental Research, 2009, A Study on Management of Major
Indoor Air Pollutants by House Type in Korea (Ι) - Indoor Air Pollution and Health
Effects in Residential Apartment.
Expert Market Research, 2023, South Korea Air Purifier Market Report and Forecast
2024-2032.
Ministry of Trade, Industry and Energy National Institute of Technology and Standards,
Ministry of Environment, Korea Safety and Health Foundation, Korea Environmental Industry
and Technology Institute, 2019, Results of Safety and Performance Investigation of
Air Purifiers and Masks.
Park, S. H., Park, S. W., and Song, D. S., 2021, Effect of Installation of Ventilation
Systems and air Cleaning Units in Daycare Center on Particulate Matter Reduction Using
Simulation, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol.
33, No. 7, pp. 359-368.
Lee, H. J., Park, B. Y., Song, H. S., Ryu, S. R., and Yoon, H. K., 2021, A Study on
the Status Analysis of Air Conditioning Systems to Reduce Fine Dust in School Classrooms,
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 33, No. 5,
pp. 254-263.
Kang, Y. M., Kim, J. W., Seo, J. S., Jeon, B. H., and Ahn, Y. C., 2020, A Study on
the Performance Variations of an Energy-Recovery Ventilator Using a Pre-filter and
HEPA Grade Filters, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering,
Vol. 32, No. 4, pp. 165-174.
Kim, M., Kim, G., Yoo, J., Kim, H., and Yoon, B., 2019, An Experimental Study on the
Reduction of Air Purifier Capacity due to Deposition of Dust and Oil Mist, Korean
Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 31, No. 8, pp. 361-369.
Cho, J. and Shin, C., 2019, A Study on Indoor Sources-Outdoor Penetration Pathways
and Performance Options on Products to Counter Against the Fine Dust Particle, Korean
Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 31, No. 7, pp. 332-341.
KACA, 2021, SPS-KACA002-132; Indoor Air Cleaners, Korea Air Cleaning Association,
Korea.