서 론
측정개요
측정 건물의 개요
실험 개요
측정 필터
Infiltration Factor 및 필터 효율 계산
침기량 산정
미세먼지 침착률 산정
필터 여과 효율 산정
측정결과
실내공간 침기량 및 침착률 산정
미세먼지 제거 효율
필터 여과 효율별 환기량
결 론
서 론
우리나라는 최근 미세먼지 문제가 심각해지고 있다. 최근 COVID-19으로 인하여 미세먼지 문제 및 위험성이 두드러지지 않았으나, 최근 다시 미세먼지 문제가 다시 주목받고 있다. 미세먼지는 인체에 영향을 미치는 오염물질로써 체내 침착 이후 호흡기계 및 순환기계 질환을 일으킬 수 있다. 또한 미세먼지에 장기적으로 노출 시 폐암 발병의 원인이 될 수 있으므로 이에 대한 적절한 관리가 필요하다(Myong, 2016; WHO, 2021).
미세먼지 입자의 주요 속성은 입자 크기와 밀접한 관련이 있으며, 미세먼지 입경에 따라 거동이 뚜렷하게 다른 것으로 나타난다(Nazaroff, 2004). 이는 실내 미세먼지 농도에 큰 영향을 미치는데 건물의 틈새를 통해 실내로 유입되는 침기 또는 환기설비, 공기청정기와 같은 설비에 적용되는 필터의 여과 효율에 영향을 미친다(Kang et al., 2021).
실내 공기질을 개선하기 위한 목적으로 환기를 할 때 외기에는 다양한 오염물질이 포함되어 실내로 유입되며, 그 중 미세먼지가 대표적인 오염물질로 분류된다(Kang et al., 2023; Kim et al., 2024). 건축물의 설비기준에 관한 규칙에서는 30세대 이상의 공동주택 또는, 주택이 30세대 이상인 건축물에서 시간당 0.5회 이상의 환기량 확보를 규정하고 있으며, 환기 횟수를 만족하기 위하여 기계환기설비를 설치해 대부분 에너지 절약 관점에서 열회수형 환기설비를 설치하고 있다.
해당 규정에서 환기설비에 적용되는 필터(공기여과기)의 효율은 60% 이상으로 명시되어 있고, 환기용 공기 필터 유닛 표준인 KS B 6141 (2020)의 계수법으로 측정하고 있다. KS B 6141은 계수법을 채택하여 입자 포집률을 산출하는데 이때의 미세먼지 입경은 0.3 ㎛ 구간의 필터 상류, 하류의 미세먼지 농도를 측정하여 상류와 비교해 하류의 미세먼지가 얼마나 제거되었는지에 대한 비율로 나타낸다. 규정에 명시된 여과 성능을 만족하는 필터를 사용하여 외기를 실내로 도입하는 과정에서 미세먼지의 실내 유입을 일부 차단할 수 있다. 미세먼지의 입경 별 여과 효율은 각각 다른데 이 영향은 실내공기질을 결정하는 주요한 요소가 될 수 있으므로 보다 상세한 필터의 입경 별 여과 효율이 필요하다.
열회수형 환기설비의 전반적인 성능 평가 및 미세먼지 여과 성능에 관한 국내 선행연구는 일부 수행된 바 있다. Jo and Sung (2021)는 현장에 설치된 열회수형 환기설비의 필터 여과 성능 저하의 원인을 열교환소자와 필터프레임의 누설로 추정하였다. 해당 연구에서는 이러한 성능 저하 원인을 알아보기 위해 누설로 인하여 성능 저하가 유발되는 위치에 기밀테이프와 같은 조치를 하였다. Kang et al. (2020b)는 실험 챔버에서 열회수형 환기설비에 적용된 필터에 따른 미세먼지 제거성능, 압력손실, 소비전력을 평가하였다. 해당 연구에선 실험 챔버에서의 실험을 통해 필터의 여과 효율별 분진청정화능력이 다르다는 것을 확인하였다. Song (2020)는 열회수형 환기설비에 설치되는 필터의 종류 및 두께에 따른 제거 효율을 분석하였다. 해당 연구에선 실제 현장에 분포하고 있는 미세먼지를 측정하는 것이 아닌 열회수형 환기설비에 향초를 연소해 발생하는 미세먼지를 사용하여 열회수형 환기설비의 여과 효율을 평가하였다. Cho et al. (2020b)는 열회수형 환기설비가 내기 순환 모드로 가동할 때 필터 여과 효율에 따른 미세먼지 제거 속도와 그때의 팬동력 변화를 평가하였다. 해당 연구에선 열회수형 환기설비의 여과 효율 평가를 PM10과 PM2.5의 제거 속도로 평가하였다. 또한 실제 현장에서 수행한 실험이지만, 인위적으로 모기향에서 발생시킨 미세먼지를 활용하여 측정하였다.
선행연구를 요약하면 대부분 실험챔버에서 열회수형 환기설비의 성능 평가와 필터 여과 효율을 평가하였다. 하지만 미세먼지 입경 별로 필터의 여과 효율이 다르며, 실험챔버와 실제 현장에 적용된 열회수형 환기설비의 성능은 차이가 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 공동주택에 설치된 열회수형 환기설비를 가동하였다. 이 조건에서 환기설비에 부착된 필터의 종류에 따른 미세먼지의 입경 별 여과 효율과 실내 미세먼지 농도에 대한 연구를 수행하였다.
측정개요
측정 건물의 개요
Figure 1은 측정 건물을 나타낸다. 측정 건물은 경기도 고양시에 위치한 실험용 주택으로 규모는 지상 4층 규모이며 1개 층에 동일 구조의 2개 세대가 각 층에 있다. 실 구성은 거실 1개와 방 3개로 되어있으며, 남측에 거실과 방 2개, 북쪽에 방 1개가 있다. 측정 세대의 베란다를 포함한 바닥면적은 98.2 m2이고 베란다를 포함하지 않은 바닥면적은 68.5 m3, 층고는 2.3 m이다. Figure 1(b)은 측정세대의 평면도와 열회수형 환기설비의 덕트 계획을 나타낸다. 열회수형 환기설비는 각 실에 각각 급기덕트와 배기덕트를 설치하여 환기를 원활하게 하였다.
실험 개요
현장 측정은 동절기 2024년 1월 30일부터 3월 5일 사이에 수행하였고 측정 기간의 외부 온도는 2.0±4.3℃이었으며, 외부 습도는 65.8±17.8%이었다. 온도는 일반적인 동절기 온도 범위에 해당하나 2024년 겨울에 눈, 비와 다수 있어서 특히 습도가 높게 측정되었다(1~2월 평균 습도: 72.6%).
Table 1은 실험에 사용한 장비를 나타낸 표이다. 본 연구에서 적용한 열회수형 환기설비는 외기 측(outdoor air, OA), 환기 측(return air, RA)에 필터 적용이 가능하다. 열회수형 환기설비의 풍량은 80±5 m3/h (cubic meter per hour, CMH)로 설정하였으며, TESTO 440 풍량계를 이용하여 TAB (testing adjusting balancing)를 수행하여 측정세대 각 실의 급기, 배기량을 확인하였다. 환기설비의 풍량은 건축물의 설비기준 등에 관한 규칙(시간당 0.5회 환기)을 고려하여 80CMH로 설정하였다. 또한 필터의 효율 계산 시 필요한 침기량 산정을 위해 TR-76Ui로 이산화탄소 농도를 측정하였고 이때 측정 간격은 1분이다.
침기량 산정은 실험전 창문을 전체 또는 일부 개방하여 실내 이산화탄소 농도를 외부농도와 유사하게 한 후 이산화탄소 가스를 실내에 고르게 분사하였으며, 침기량 산정을 위하여 실내 이산화탄소 농도는 2,500 ppm 이상으로 하여 농도 저감속도를 명확하게 측정할 수 있도록 하였다. 이후 팬을 사용하여 분사된 이산화탄소 가스가 실내에 고르게 분포될 수 있도록 하였으며, 거실에서 측정한 이산화탄소 농도값을 기준값으로하여 공간의 침기량을 산정하였다.
측정 필터
Table 1.
Measuring instruments
| Measurement | Measuring instrument |
| Air exchange rate | NDIR1) sensor (T&D TR76Ui) |
| Particle number concentration | Optical particle sensor (TSI OPS 3330) |
| Air flow of HRV | Air flow meter (Testo 440) |
실험에 사용한 필터는 총 3개로 여과효율이 각각 40% (Case 1), 90% (Case 2), 99.5% (Case 3)이며, 이를 Table 2에 정리하였다. 40% 필터는 통상적으로 ‘프리필터’로 구분되며, 90%는 ‘미디엄필터’, 99.5% 필터는 ‘HEPA필터’로 구분된다. Case 1-2 필터(40, 90%)의 시험규격은 KS B 6141이며, Case 3 필터(99.5)는 ISO 29463시험규격을 사용한다.
Figure 2는 실험에 사용한 열회수형 환기장치의 내부 구조를 다이어그램으로 나타낸 그림이다. 열회수형 환기설비의 OA 부분에 필터를 설치하여 환기 시 유입되는 외부 미세먼지의 제거성능을 평가하였으며, 이를 위해 실내와 실외의 미세먼지 농도를 동시에 측정하였다. 필터의 입경 별 여과 효율을 상세히 평가하기 위하여 TSI optical particle sizer (OPS) 3330을 사용하여 입경 구간을 나누어 미세먼지를 평가하였다. 이때 입경 구간은 ASHRAE 52.2 (ASHRAE STANDARD 52.2, 2017)를 참고하여 12개 구간(0.3-0.4, 0.4-0.55, 0.55-0.7, 0.7-1.0, 1.0-1.3, 1.3-1.6, 1.6-2.2, 2.2-3.0, 3.0-4.0, 4.0-5.5, 5.5-7.0, 7.0-10.0 ㎛)으로 설정하였고, 측정 간격은 1분으로 설정하였다. ASHRAE 52.2에서는 필터의 Particle size efficiency (PSE)를 평가하기 위해 미세먼지 입경을 크게 3개의 그룹으로 구분한다(0.3-1.0, 1.0-3.0, 3.0-10.0 ㎛).
Infiltration Factor 및 필터 효율 계산
침기량 산정
필터의 효율을 산정하려면 침착률이 필요하다. 이를 구하기 위해서 침기량을 측정하는 기간의 미세먼지 농도를 이용하여 산정할 수 있다.
침기는 건물의 균열이나 틈새를 통하여 의도하지 않은 외부 공기의 유입을 의미한다. 본 실험에서는 이산화탄소 농도감쇠법을 이용하여 침기량을 산정하였다. 이는 아래의 식으로 나타낼 수 있다.
이때 는 시간에 따른 실내 이산화탄소 농도(ppm), 는 실외 이산화탄소의 평균 농도(ppm), (1/h)는 공기교환율을 의미한다. 식 (1)을 정리하면 식 (2)로 나타내어 침기량을 산정할 수 있다.
여기서 은 실내 이산화탄소 농도(ppm)의 초기값, t는 시간을 의미한다. 이때 침기량은 식 (2)에서 좌변의 그래프의 기울기에 절댓값을 취하여 구하였다.
미세먼지 침착률 산정
미세먼지 침착률(Particle deposition rate)은 실내에서 미세먼지가 실내표면에 침착되는 정도를 의미한다. 침투계수(Penetration Factor)는 건물 외피를 통해 공기가 유입될 때 함께 유입되는 미세먼지의 비율이다. 침착률과 침투계수를 구하기 위해서는 이산화탄소 농도감쇠법을 통해 도출한 침기량 데이터가 필요하다. 이를 정리하면 아래의 식 (3)으로 정리가 가능하며, 실내 미세먼지 발생량이 없다고 가정하였을 때 침착률에 대한 식으로 식 (4)를 도출할 수 있다(Tran et al., 2017).
이때 , 은 시간에 따른 실내·외 미세먼지 농도(#/㎤), 는 침투계수(-), 는 시간, (1/h)는 침착률, (m3)는 실의 체척, (#/h·m3)는 미세먼지의 발생량을 의미한다.
이때 와 , 각각 실내ㆍ외 미세먼지의 농도(#/㎤)를 의미하며, 는 정상상태에 도달한 실내 미세먼지 농도(#/㎤)로 정의한다. 본 연구에서는 환기설비를 가동함에 따라 실내 미세먼지 농도가 변화한 후의 정상 상태의 농도를 의미한다.
필터 여과 효율 산정
필터가 설치된 열회수형 환기설비를 가동하였을 때의 실내 미세먼지 농도는 아래의 물질균형식으로 정리할 수 있다(Park et al., 2023).
여기서 𝜂(%)는 필터의 효율, (1/h)는 열회수형 환기설비에 의한 공기교환율를 의미한다. 이때, 실내 미세먼지 발생량이 없고, 침기에 의한 공기교환율(, 1/h)은 무시한다고 가정하였을 때 식 (7)로 정리할 수 있다(Park et al., 2023).
여기서 는 time step, 은 의 1 인터벌 전의 실내 미세먼지 농도를 의미한다. 이때 입경별 여과 효율을 계산하기 위해 식 (6)을 𝜂에 대해 정리하면 식 (7)과 같다. 입경별 여과 효율을 계산할 때 와 는 변화하지 않는다고 가정하였다.
측정결과
실내공간 침기량 및 침착률 산정
본 연구에서는 식 (4)를 이용하여 미세먼지 침착률을 산정하였는데 침착률 산정에 있어 침기량을 함께 확인하였다. 침기량과 침착률을 확인하기 위해 비재실 기간에 이산화탄소 농도감쇠법을 실시하여 침기량을 산정하였으며, 동시에 실내외 미세먼지 측정을 통해 미세먼지 침착률을 산정하였다.
실외 미세먼지를 실내로 유입시키기 위해 측정 공간의 모든 창을 개방하여 실내 미세먼지 농도와 실외 미세먼지 농도를 유사한 수준으로 만든 뒤 이 상태를 약 10분 정도 유지하였다. 이후 측정 공간을 밀폐 상태로 만든 뒤에 모든 공간에 tracer gas(이산화탄소)를 적절하게 살포하였으며 소형 팬을 이용하여 well-mixed 조건을 만들었다. 모든 공간의 이산화탄소 농도가 약 3,000 ppm을 초과하였을 때 이산화탄소 발생을 정지한 후 퇴실하였다. 이후 농도감쇠법을 사용하여 이산화탄소 농도 변화량으로 실내공간의 침기량을 산정하였다. 위의 절차를 수행하여 얻은 침기량은 시간당 0.11회이다.
이 과정에서 침착률을 함께 산정하였는데 작은 입경 구간(0.3-1.0 ㎛)과 중간 입경 구간(1.0-3.0 ㎛)의 침착률은 평균 0.52(1/h), 0.48(1/h)이고 큰 입경 구간(3.0-10.0 ㎛)은 1.18(1/h)로 나타났다. 이는 실내 미세먼지의 침착 메커니즘으로 인하여 입경별 침착률의 차이가 발생한 것으로 보이며, 여기서 산정한 입경별 침착률 값을 필터의 여과 효율 평가에 활용하였다.
미세먼지 제거 효율
필터의 효율 측정은 열회수형 환기설비 가동에 따른 실내 미세먼지 농도가 정상상태로 도달한 후 일정시간을 두고 산정하였는데 정상상태에 도달하는 시간은 최소 24시간 이후로 하였다. 이는 동절기 외부 미세먼지 농도의 변화폭이 크기 때문이며, 정상상태에 도달한 후 6-8시간의 데이터를 활용해 최종적인 미세먼지의 여과 효율을 평가하였다. Table 3은 측정기간의 평균 실내, 실외 미세먼지 농도를 의미한다.
보통 필터의 미세먼지 여과 효율 평가는 통제된 환경인 실험 챔버에서 수행하여 필터의 효율만을 평가한다. 그러나 현장에 적용된 필터는 여러 가지 여과 효율의 저하 요인이 존재하기 때문에 현장에서의 필터 여과 효율 평가를 하였다. 보통 통제된 챔버에서는 필터 장착부를 기준으로 상류와 하류의 미세먼지 농도를 각각 측정하여 그 농도의 비로 여과 효율을 산정한다. 그러나 실제 건물에서는 미세먼지의 거동 특성이 다르므로 본 연구에서는 물질균형식(Mass balance equation)을 변형해 필터 여과 효율을 산정하였다.
Table 3.
Average indoor and outdoor particle concentrations (#/cm3)
Table 4는 ASHRAE 52.2를 참고하여 입경 구간별 PSE (Particle size removal efficiency)를 표시하였고, Figure 3은 12개 입경별 필터의 여과 효율을 나타내었다. 현장에서의 미세먼지 여과 효율은 필터별로 변화가 있었으며, 입경별로도 여과 효율이 다른 것을 확인할 수 있었다. 대상 필터의 효율은 Case 1, 2 필터의 여과 효율(40%, 90%)은 KS B 6141에 의하여 측정한 결과이며, Case 3 필터(99.5%)는 ISO 29463의 HEPA Grade로 평가되었다. 이때 여과 효율은 0.3 ㎛ 구간의 미세먼지 농도로 평가한다. 같은 입경 구간을 기준으로 시험성적서상의 제거효율과 현장에서의 여과 효율을 비교하면 Case 1(40%)은 효율 저하가 39.2%로 가장 큰 성능 저하가 발생하였다. 또한 Case 2(90%)의 성능 저하는 15.1%, Case 3(99.5%)은 13.5% 효율이 저하되는 것으로 나타났다. 필터를 현장에서 설치할 경우, 실험 챔버에서 측정한 결과에 비하여 일부 효율 저하가 있는 것으로 나타났다.
Case 1의 작은 입경 구간(0.3-1.0 ㎛) PSE는 42.0%였고, Case 2는 85.4%, Case 3은 88.9%로 분석되었다(Table 4). 중간 입경 구간(1.0-3.0 ㎛)과 큰 입경 구간(3.0-10.0 ㎛)에서 Case2, 3 모두 90% 이상, 최대 99.2%의 여과 효율을 보이고 있지만, Case 1은 중간 입경 구간에서 60.9%, 큰 입경 구간에서 92.5%의 여과 효율을 보여 입경별 미세먼지 여과 효율의 차이가 가장 뚜렷하게 나타났다. 전체 구간(0.3-10.0 ㎛)의 미세먼지 효율은 Case 1(40%)이 65.1%로 가장 낮고 Case 2(90%)는 93.4%, Case 3(99.5%)은 94.1%로 분석되었다. ASHRAE MERV (Minimum Efficiency Reporting Value) 기준으로 PSE를 평가하였을 때 Case 1 필터는 MERV 7, Case 2는 MERV 8, Case 3은 MERV 13 수준의 필터인 것으로 나타났다.
본 연구 결과는 공동주택 현장에 설치된 열회수형 환기설비를 운영할 때의 미세먼지 제거 효율을 의미하며, 공인 시험과 같은 조건에서 평가된 필터 성능과는 차이가 존재한다. 외기는 덕트를 통해 유입되어 환기설비 내 필터를 거친 뒤 덕트를 통해 공급된다. 이 과정에서 덕트와 환기설비에서 누설되는 공기가 일부 발생한다.
Table 4.
Particle size removal efficiency of size range group (%)
| Case 1 (40%) | Case 2 (90%) | Case 3 (99.5%) | |
| 0.3-1.0 ㎛ | 42.0 | 85.4 | 88.9 |
| 1.0-3.0 ㎛ | 60.9 | 95.1 | 94.0 |
| 3.0-10.0 ㎛ | 92.5 | 99.2 | 99.0 |
| 0.3-10.0 ㎛ | 65.1 | 93.4 | 94.1 |
누설되는 공기는 결과적으로 실내 미세먼지 농도를 상승시켜 본 연구 결과에 반영되었다. 즉 본 연구에서의 여과 효율은 필터 성능과 덕트, 환기설비 운영 등의 영향이 반영된 결과로 실제 현장에서 환기설비 운영 시의 여과 효율에 더 가까운 값에 해당한다. 다만 누설되는 공기가 미세먼지 제거 효율에 미치는 영향은 정확하게 분석할 수 없는 것이 본 연구의 한계이다. 그럼에도 불구하고 본 연구를 통해 현장에 적용된 필터는 여러 가지 여과 효율의 저하 요인이 예상되었고 실제 운영에 따른 효율 저하가 존재하는 것으로 나타났다. 이를 미루어 볼 때 더욱 다양한 조건의 현장에서 필터 여과 효율 평가가 필요한 것으로 보인다.
필터 여과 효율별 환기량
Figure 4는 열회수형 환기설비의 팬동력에 따른 환기량을 비교한 결과이다. Case 1(40%)의 환기량을 기준으로 Case 2, 3(90, 99.5%)은 각각 평균 95%, 89%의 환기량을 보였다. 이는 필터의 여과 효율이 높아질수록 필터를 통과하는 공기의 압력이 변화하여 환기량의 손실이 발생한다는 것을 알 수 있다(Kang et al., 2020a; Cho et al., 2020a). 필터의 여과 효율이 향상하면 미세먼지 농도제어 및 실내공기질 개선은 유리하나 환기량이 감소한다는 것을 의미한다.
결 론
본 연구에서는 현장에 설치된 열회수형 환기설비 필터의 입경 별 여과 효율과 필터 여과 효율에 따른 환기량의 차이를 비교하였으며 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
입경 별 여과 효율 결과에서 PSE로 여과 효율을 정리하면, 큰 입경 구간(3.0-10.0 ㎛)에서는 모든 필터가 90% 이상의 효율을 보였다. 그러나 입경이 작아질 때 변화가 발생하였는데 Case 2, 3 필터는 작은 입경(0.3-1.0 ㎛)과 중간 입경(3.0-1.0 ㎛)에서 90% 이상의 여과 효율을 유지하였지만, Case 1 필터는 큰 폭으로 여과 효율의 저하가 발생하였다.
필터 여과 효율을 판단하는 미세먼지 입경인 0.3-0.4 ㎛을 기준으로 모든 Case의 필터의 성능 저하가 발생하였고 특히 Case 1 필터(40%)의 성능 저하가 가장 크게 나타났다. 이는 현장에 설치된 열회수형 환기설비의 필터 여과 효율은 실험 챔버에서 측정된 성능 대비 효율 저하가 나타나는 것으로 분석되었다.
필터의 여과 효율에 따라 환기량의 손실이 다르게 나타났는데 여과 효율이 높을수록 환기량의 손실이 증가하였다. 따라서 열회수형 환기설비의 필터 선택에 있어 환기량 감소를 고려하여 적절한 여과 효율의 필터를 산정하는 것이 중요할 것으로 보인다.
