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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.18 No.2 pp.91-101
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2019.18.2.91

Performance evaluation of air purifier by indoor air condition in the residential apartment

Jong Bum Kim1, Jeongho Kim2, Kyung Hwan Kim3, Gwi-Nam Bae3*, Jae-Woo Yoo4
1Seohaean Research Institute, ChungNam Institute
2APM Engineering Co., Ltd.
3Center for Particulate Air Pollution and Health, Korea Institute of Science and Technology (KIST)
4Korean Broadcasting System (KBS)
Corresponding author Tel : +82-2-958-5676 E-mail : gnbae@kist.re.kr
31/01/2019 25/03/2019 14/06/2019

Abstract


Many air purifiers have been developed and released with increasing PM. In generally, the performance of air purifiers has been evaluated in the environment chamber by relevant standards. However, as there is a lack of information about air cleaning performance of air purifier in the living area, consumers have difficulty with product selection. In this study, five air purifiers were tested in apartments with different structures. In order to examine the effect of air purifiers, we assumed 3 cases such as inflow of pollutants from outdoors by ventilation, smoking patterns of residents, and cooking methods (e.g., frying fish). The evaluation results showed that the efficiency of air purifier products D and B of the 3-stage configuration (pre-filter + HEPA filter + activity carbon) was the best in most experiments. In the case of the ionizer type E product, the efficiency was very low and, at times, had increased the particulate matter indoors. Considering the cost-performance ratio, it is most reasonable to use an air purifier comprising a pre-filter and a HEPA filter without an additional configuration.



공동주택에서 공기오염조건에 따른 공기청정기의 성능평가

김 종범1, 김 정호2, 김 경환3, 배 귀남3*, 유 재우4
1충남연구원 서해안기후환경연구소
2(주)에이피엠엔지니어링
3한국과학기술연구원 미세먼지 범부처 프로젝트 사업단
4한국방송공사

초록


    © Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1. 서 론

    2016년 기준 서울의 초미세먼지(particulate matter less than 2.5 μm, PM2.5)는 26 μg/m3로 미국 로스앤젤 레스의 12 μg/m3, 일본 도쿄의 12.6 μg/m3, 프랑스 파 리의 14 μg/m3, 영국 런던의 12 μg/m3에 비해 1.9-2.2 배 높은 것으로 나타났다(Airkorea, 2018). 미세먼지는 흙먼지나 해염입자, 식물의 꽃가루와 같은 자연발생원 으로부터 화석연료의 연소과정에서 발생되는 매연, 자 동차 배기가스, 건설현장 비산먼지 등의 인위적 발생원 까지 다양한 요인에 의해 발생된다. 정부는 대기질 관 리를 위해 1963년 공해방지법 제정을 시작으로 현재 대기환경보전법까지 부단한 노력을 기울여 왔으며 (Kim, 2013), 2001년부터 2006년까지 51-61 μg/m3 사 이를 오르내리던 미세먼지(particulate matter less than 10 μm, PM10)의 농도는 2005년 수도권 대기환경관리 기본계획 등의 시행과 더불어 2007년 이후 감소세를 보이고 있다(ME, 2016;ME, 2017). 하지만 2015년 이 후 국내 다양한 배출원과 2차 생성 오염물질, 주변국들 로부터 유입되는 월경성 미세먼지 및 중국의 황사로 인한 고농도 미세먼지 발생사례가 증가하면서 국민적 인 관심과 우려가 증가하고 있다. 2016년 전국 도시대 기측정망(air quality monitoring station, AQMS)에서 측정된 PM10의 경우 전국 유효측정소 261개 중 74개 측정소에서 기준농도를 초과한 것으로 나타났고, 2007 년부터 2011년까지 기준농도를 초과하는 측정소가 꾸 준히 증가하는 등 과거에 비해 초과비율이 점차 증가 하고 있는 추세이다(NIER, 2017). 미세먼지에 대한 국 민적 관심과 요구에 대응하기 위해 정부에서는 2017년 정부합동 미세먼지 종합대책을 발표하였고, 노후 석탄 화력발전소 가동중단, 먼지 총량제 시범도입, 한중일 환경협력 5개년 계획 수립, 노후경유차 조기 폐차, 총 량관리 대상 사업장 증가, 친환경자동차 보급 확대, 도 로청소차 보급 확대, 학교 실내 체육시설 확충 등 다양 한 정책을 수립하여 진행 중에 있다(ME, 2018). 이처 럼 나날이 증가하는 미세먼지 이슈에 정부차원의 포괄 적인 저감 노력 외에 일상생활에서의 미세먼지 저감 방안이 논의되고 있다. 일정 규모 이상의 신축 건축물 의 경우 공기조화설비 설치를 의무화하고, 실내 공기청 정기 설치, 조리시 레인지 후드 가동, 개인위생 관리 철저, 고농도 미세먼지 및 황사 발생시 방진마스크 착 용 등 미세먼지로부터 개인의 건강보호를 위한 다양한 노력이 진행 중에 있다. 그 중 공기청정기는 실내발생 및 외부로부터 유입된 미세먼지를 효과적이고 지속적 으로 관리할 수 있다는 이점이 부각되면서 다양한 제 품이 개발되어 유통되고 있다. 웰빙(Well-being)열풍과 실내공기질에 대한 관심 증가로 수요가 증가하던 공기 청정기는 2012년 신종플루 발생과 함께 판매량이 점차 상승하다가 2015년 메르스와 고농도 미세먼지 발생이 증가함에 따라 폭발적으로 증가하고 있다. 공기청정기 관련 국내 시장규모는 2013년 3,000억원에서 2019년 에는 8,812억원으로 약 3배정도 증가할 것으로 추산되 고 있다(KISTI, 2015). 공기청정기는 오염된 공기를 다 양한 처리과정을 통해 정화된 신선한 공기를 순환시켜 주는 장치로 정화방식에 따라 기계식, 습식, 복합식으 로 구분되며(Kim, 2004), 최근에는 미세먼지 제거 기 능 외에 휘발성유기화합물(volatile organic compounds, VOCs)이나 이산화탄소(carbon dioxide, CO2), 악취 제거, 향균 작용 및 실내 미세먼지 농도수준을 보 여주는 미세먼지 측정 센서까지 다양한 기능이 추가되 어 판매되고 있다(Park, 2016). 국내에서 시판중인 공 기청정기들은 한국산업규격인 KS C 9314(공기청정기) 나 한국공기청정협회의 SPS-KACA002-132(실내공기 청정기 단체표준) 규격에 의거 성능평가가 이루어지고 있으며, 평가 결과를 바탕으로 KS마크, CA마크, 환경 마크 등과 같은 규격을 부여받고 있다(NIER, 2016). 하지만 현재 수행되고 있는 성능평가는 일정 크기의 입자를 대상으로 규격화된 챔버를 활용한 성능평가로 현장 적용시 기대효율을 예측하는데 많은 어려움이 있 으며, 특히 공기청정기에 적용되고 있는 기술들이 다양 하여 소비자들의 혼란을 가중시킬 수 있다. Sohn et al. (2002)이 일반인들을 대상으로 공기청정기 관련 인식 조사와 적용 기술에 따른 실내 청정화 능력을 평가하 였고, Park et al. (2011)이 동일 공기청정기를 대상으 로 다양한 환경변화를 주면서 청정화 능력을 평가하였 다. 하지만 이러한 노력에도 불구하고 다양한 기술이 접목되어 시판되고 있는 공기청정기들을 대상으로 실 제 사용공간에서 성능평가를 수행한 결과는 부족한 실 정이다.

    이에 본 연구에서는 시중에 판매되고 있는 서로 다 른 구성을 가진 5개 업체의 공기청정기를 대상으로 현 대생활에 가장 일반적인 생활공간인 아파트에서 재실 자의 활동에 따른 청정화 능력을 평가하여 소비자들에 게 공기청정기에 대한 이해도 상승과 제품 선택에 있 어서 기초정보를 제공하고자 한다.

    2. 연구방법

    2.1 평가개요

    Fig. 1은 평가대상의 주변 환경과 측정위치를 나타낸 것이다. 상용으로 판매되고 있는 공기청정기의 현장 성 능평가를 위해 서울에 위치한 한 공동주택을 선정하였 다. 대상지점은 마포에서 충정로방면으로 향하는 왕복 8차선으로부터 약 440 m 떨어진 23층 아파트의 3층에 위치하고 있으며, 계단식 33평형으로 방 3개와 2개의 화장실, 주방과 거실로 이루어져 있다. 환기를 목적으 로 사용되는 왼쪽 발코니는 아파트 단지 내로 향하고 있고, 아파트로부터 단지입구까지는 약 180 m 떨어져 있다. 주변지역은 대부분 주거지역과 상업용 건물들이 위치해 있어 이동오염원에 의한 영향 외에는 다른 오 염원에 의한 영향은 미미할 것으로 판단된다.

    본 연구에서는 입자상 오염물질을 대상으로 환경변 화에 따른 공기청정기의 청정화 능력을 검토하였고, 성 능평가를 위해 2가지 장비를 사용하였다. 10~420 nm 범위 입자의 개수농도와 크기분포확인을 위해 nanoscan (model 3910, TSI, USA)을, 0.25~32 μm 범위 입자의 개수농도와 크기분포 확인에는 portable aerosol spectrometer (PAS, model 1.109, Grimm, Germany)를 사 용하였다. 측정된 정보는 각 장비의 최소 저장시간인 1 분과 6초 단위로 저장하여 개수농도를 기준으로 분석 을 실시하였고, 일반 대중들에게 좀 더 친숙한 정보제 공을 위해 PAS의 경우 환산 무게농도인 미세먼지 (PM10)와 초미세먼지(PM2.5) 농도로 변환하여 비교분석 또한 실시하였다.

    2.2 공기청정기 선정 및 제거효율 산정

    공기청정기의 현장적용평가를 위해 시중에서 판매되 고 있는 5개의 제품을 선별하였다. 3개 제품은 국내업 체 생산품이고, 2개 제품은 외국에서 생산되어 수입되 고 있는 제품들이다. 최근 시판되고 있는 공기청정기들 은 미세먼지 농도 표시, 유해가스 제거장치, 항균탈취 기능 등 다수의 추가적인 기능이 탑재되어 있으나 본 연구에서는 입자상 오염물질에 대한 성능평가만을 대 상으로 하였으며, 이를 위해 추가 기능에 대한 부분은 평가에서 제외하였다. 선별된 5개 제품에 대한 세부사 항은 Table 1과 같다. A 제품의 경우 기본 high efficiency particulate air (HEPA) 필터에 활성탄(activity carbon, AC) 필터를 결합한 비교적 단순한 구성이고, B~D 제품은 조대입자를 제거하기 위한 전처리필터 (pre-filter)에 HEPA 필터와 AC 필터를 결합한 3중 구 조로 되어 있었다. 마지막 E 제품은 필터방식이 아닌 이온을 발생시켜 입자에 부착, 제거하는 방식을 취하고 있었다.

    공기청정기의 성능평가에는 2가지 요소를 고려하였 다. 첫 번째는 재실자의 활동(환기, 흡연, 조리)에 따라 발생된 입자의 물리적 특성(중력침강, 침착효과 등)에 의해 자발적인 자연 저감효과이고, 두 번째는 재실자의 활동 후 공기청정기의 가동에 따른 기계적인 저감 효 과이다. 본 실험에서는 5대의 공기청정기의 기계적 저 감 효과 분석에 앞서 동일 조건에서 자연 저감 효과를 평가하였고, 최종적으로 자연 저감 효과를 제외한 감소 율을 실질적인 공기청정기의 저감 효과로 산정하였다. 아래 식 (1)은 공기청정기 가동 전 동일 실험조건에서 재실자의 실내활동 후 자연 저감 효과를 산정하기 위 해 사용된 식이다.

    η n = 1 C n f C n i
    (1)

    여기서 ηn는 자연감소에 의한 저감 효과(%)이며, Cni은 환기, 흡연, 조리와 같은 실내 재실자의 활동이 종료된 직후의 농도(particles/cm3), Cnf는 재실자의 활동 후 각 실험조건마다 정해진 시간 뒤 최종농도(particles/cm3) 이다. 그리고 자연감소에 따른 저감 효과를 고려한 공 기청정기의 실제 저감 효과는 아래 식 (2)와 같다.

    η p = [ 1 C p f C p i ] η n
    (2)

    여기서 ηp는 자연 저감 효과를 고려한 공기청정기의 실제 저감 효과(%)이며, Cpi은 환기, 흡연, 조리와 같은 실내 재실자의 활동 후 공기청정기를 가동하기 직전의 초기 농도(particles/cm3), Cpf은 재실자의 활동 후 각 공기청정기를 가동 한 다음 각 실험조건마다 정해진 시간 뒤의 최종농도(particles/cm3)이다.

    2.3 실험조건 선정

    실험은 총 3가지 경우를 가정하여 각각 동일 조건으 로 환경을 조성한 뒤 실험을 수행하였다. 첫 번째 경우 는 내부 오염원 없이 환기 후 외부로부터 유입된 오염 물질에 의해 실내 오염도가 증가한 후이고, 두 번째 경 우는 실내 흡연 후, 세 번째 경우는 실내 조리(생선구 이) 후로 가정하였다.

    공기청정기는 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 가정 설치 시 일반적으로 거실 중앙 TV 테이블이나 쇼파 옆에 위치하기 때문에 일반 사용조건에 가장 유사한 환경을 가정하여 거실 TV 테이블 바로 옆에 설치하였다. 환기 에 의한 영향 검토를 위해서는 가정집 왼쪽에 외부와 연결된 발코니를 열고 닫음으로써 확인하였고, 흡연의 경우는 거실 중앙에서 실시하였다. 조리에 의한 영향 검토는 주방설비가 위치하고 있는 오른쪽 끝 부분에서 실시하였고, 실험시 주방 레인지후드는 가동하지 않았 다. 각 실험 전 창문을 열어 환기 후 실내 입자상 오염 물질의 농도를 일정하게 유지시킨 후 창문을 닫고 실 험을 실시하였고, 각 청정기의 성능평가 후 창문을 열 어 일정기간 환기를 시켜 실내농도를 기존과 유사한 수준까지 떨어뜨려 실험을 재개하였다. 실험을 시작하 기 전 실내의 배경농도는 개수농도 기준 나노 범위 입 자는(nano-range particle, NP) 8,000~10,000 particles/ cm3, 마이크론 범위의 입자(micron-range particle, MP) 는 300~350 particles/cm3 정도를 유지하고 있었다. PAS 기준 환산 농도는 PM10 30~35 μg/m3, PM2.5 25~ 30 μg/m3 수준이었다. 세부시험 계획은 Fig. 2와 같다.

    2.3.1 환기

    일반적으로 사람들은 내부의 오염된 공기를 외부의 깨끗한 공기와 교환하여 실내공기질 개선 을 목적으로 환기를 실시한다. 하지만 주변 환경이나 시간대에 따라 오히려 이러한 행동이 실내공기질을 악화시킬 수 있다. 특히 도로 인근에 위치한 지역은 환기시 자동차에서 배출된 배기가스가 실내로 유입되어 실내공기질을 더 욱 악화 시킬 수 있다(Kim et al., 2017a). 본 연구에서 는 오염된 외부공기가 환기에 의해 실내공기질을 악화 시켰을 때 공기청정기의 저감 효과를 평가하기 위해 베란다 외부 창문을 개방 후 약 10분간 환기를 수행한 다음 창문을 닫고 5분의 안정기 후 20분간 공기청정기 를 가동하였다.

    2.3.2 흡연

    최근에는 정부의 금연정책과 인식 변화로 공공장소 나 가정집에서 흡연율이 낮아지긴 했지만 다세대 주택 이나 주상복합 오피스텔에서의 경우 실내 흡연이 아직 까지 문제가 되고 있다. 본 연구에서는 재실자 1인이 담배 1개피 흡연 했을 경우를 가정하여 실험을 수행하 였다. 실험 전 10분간 환기 후 창문을 닫고 약 1분 안 정기를 둔 후 2분간 흡연을 실시하였고, 10분 동안 공 기청정기를 작동하여 저감 효과를 평가하였다. 앞서 환 기 실험시 환기 후 5분간 안정화 시간을 둔 것에 반해 본 실험은 흡연시 발생하는 입자의 농도가 고농도이기 때문에 초기 농도값의 영향이 적을 것으로 판단, 안정 화 기간을 1분으로 단축하여 진행하였다.

    2.3.3 생선구이

    실내공기오염에 대한 관심이 증가하면서 내부 활동 에 의한 특히, 조리과정에서 배출되는 오염물질에 대한 관심이 증가하였다. 세계보건기구(world health organization, WHO)에서는 담배를 피지 않는 여성의 폐암 발 병율이 증가하고 있으며, 이는 조리할 때 나오는 NOx 와 먼지 등이 주요 원인인 것으로 보고하였고(WHO, 2014), 국제연합(united nations, UN)에서는 실내에서 석탄과 나무를 연소하여 조리하는 과정에서 매년 430 만명이 숨진다고 발표하였다(UN, 2014). 국내에서도 주방에서 생선구이시 나오는 오염물질에 의한 실내공 기오염이 보고되면서 이와 관련된 연구가 수행되기도 하였다(NIER, 2013;Seong, 2017). 효율평가를 위해 시중에 판매되고 있는 냉장 포장 고등어를 대상으로 선정하였고, 실험 전 10분간 환기를 하여 실내공기질 을 일정하게 유지시킨 뒤 창문을 닫고 약 8분간 조리 후 버너를 끄고 10분간 공기청정기를 가동하여 저감 효과를 평가하였다. 다른 조건과의 동일 환경에서 실험 을 수행하기 위해 조리시 주방의 레인지후드는 가동하 지 않았다. 조리에 따른 저감 효과 평가 또한 앞서 수 행한 실내 흡연에 의한 저감 효과 평가와 마찬가지로 실내 존재하고 있는 입자들에 비해 수십배 이상의 입 자가 발생하므로 초기 농도값에 의한 영향이 미미할 것으로 판단되어 실험 전 안정화 기간을 1분정도로 짧 게 하였고, 배경농도 또한 흡연시와 유사한 수준으로 유지한 채 실험을 수행하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 환기에 따른 외기 오염물질 유입 조건에서의 저감 특성

    Fig. 3은 환기를 끝낸 시점으로부터 내부가 안정화되 는 5분, 공기청정기가 가동되는 20분에 대한 저감 효 과를 나타낸 것으로 윗 열(I)은 재실자의 활동에 따른 실내 입자의 분포특성 변화를 나타낸 것이고, 아랫 열 (II)은 재실자의 활동이 정지된 후 공기청정기가 가동 될 때의 농도값 기준 시간에 따른 감소폭을 나타낸 것 이다. (a)는 NP의 저감 효율을, (b)는 MP의 저감 효율 을 나타낸 것이다. 환기를 통해 외부공기가 유입되자 NP는 최대 23,266 particles/cm3, MP는 747 particles/ cm3까지 증가하였고, 이는 실험 전 배경농도에 비해 각 각 2.9배, 2.5배 높은 수치이다. 아무런 저감 활동을 하 지 않았을 경우 NP와 MP 입자 모두 초기 대비 25.4- 26.1%의 유사한 저감 효과를 나타냈다. 공기청정기를 가동했을 경우 NP에 대해서는 D 제품이 초기농도 대 비 71.3%로 효율이 가장 높게 나타났으며, 그 뒤를 이 어 A-C-B-E 순으로 나타났다. MP에 대해서는 D 제품 과 A 제품이 각각 73.6%와 71.2%로 유사하게 높게 나 타났으며, 그 다음으로 B 제품과 C 제품의 성능이 유 사하게 나타났고, E 제품의 효율이 가장 낮게 나타났 다. 자연감소를 고려한 실 저감 효과로는 D 제품이 45.2~48.2%로 가장 높았고, A~C 제품에서 NP는 30.3~ 39.3%, MP는 42.3~45.8%의 저감 효율을 나타냈다. 하 지만 E 제품의 경우 NP에 대해서 16.3%로 가장 낮은 효율을 보였고, MP에 대해서는 –0.2%로 전혀 저감 효 과를 보이지 않았다.

    최근 출시되는 공기청정기들이 소비자들의 이해를 돕기 위해 PM10과 PM2.5를 대상으로 정보제공을 하고 있기 때문에 본 연구에서도 정확하진 않지만 변환계수 를 활용한 환산 PM10과 PM2.5로 나타냈다. 그 결과 환 산 PM10의 경우 B 제품이 가장 효율이 좋게 나타났고, 이보다 약간 낮게 D, 그 뒤로 C-A-E 순으로 나타났다. PM2.5의 경우 D 제품의 효율이 가장 높게 나타났고, A-B-C 제품은 유사하게 나타났다. E 제품의 경우 NP 에 대해서는 약간의 저감 효과를 나타냈지만 MP에 대 해서는 자연감소와 유사한 제거율을 보여 효과가 거의 없는 것으로 나타났다. 환기 후 자연적인 저감으로 인 해 실내 입자가 20~30% 저감된 것에 비해 공기청정기 가동에 의해 E 제품을 제외하고 약 60~70%의 저감 효 과를 보여 환기에 의해 외부로부터 유입된 오염물질에 대한 공기청정기의 실제 제거효율은 약 40~50% 정도 인 것으로 나타났다. Table 2는 환기 이후 공기청정기 의 효율평가 결과를 나타낸 것으로, 가로 안의 숫자는 공기청정기 가동에 따른 저감 효과에서 자연감소에 의 한 효과를 제외한 실제 저감 효과이다.

    3.2 흡연 오염조건에서의 저감 특성

    흡연에 의한 농도변화 실험에 있어 실험 전 실내 입 자상 오염물질의 배경농도는 개수농도 기준 NP 10,000~15,000 particles/cm3, MP 300-400 particles/cm3 정도를 기준으로 설정한 뒤 각 실험 뒤 기준값까지 농 도가 떨어진 것을 확인한 후 다음 실험을 수행하였다. Fig. 4는 흡연에 따른 실내 입자상 오염물질의 농도변 화를 나타낸 것으로 실내에서 흡연을 시작하자 NP는 최대 93,250 particles/cm3, MP는 5,656 particles/cm3까 지 증가하였고, 이는 실험 전 배경농도에 비해 각각 9.3배, 16.1배 높은 수치이다. 앞서 환기에 의한 영향과 마찬가지로 흡연시 공기청정기의 가동에 따른 저감 효 과 평가에 앞서 자연감소에 의한 저감 효과를 알아보 았다. NP의 경우 흡연시 65,491 particles/cm3까지 증가 후 10분 뒤 실내는 42,430 particles/cm3로 약 35.2%의 입자가 사라진 것으로 나타났고, MP의 경우 흡연 후 3,547 particles/cm3까지 증가한 입자가 10분 뒤에는 1,679 particles/cm3로 28.3%가 감소한 것으로 나타났다. 이후 수행된 공기청정기 작동에 의한 실내 NP에 대한 저감효과 평가에서 B 제품과 D 제품이 각각 78.4%와 78.3%로 가장 높게 나타났고, C 제품과 A 제품이 각 각 73.8%와 73.2%로 약간 낮은 저감 효율을 나타냈다. E 제품의 경우 56.5%로 가장 낮은 효율을 보였다. MP 에 대한 평가에서는 C 제품이 69.9%로 가장 효율이 높게 나타났고, 그 뒤로 D-B-A 제품이 각각 68.7%, 67.0%, 64.0% 순으로 A-B-C-D 제품들의 경우 저감 효율이 거의 유사하게 나타났다. 하지만 이번 경우에서 도 E 제품은 54.6%로 다른 제품들에 비해 낮은 저감 효과를 나타냈다(Table 3). 자연감소를 고려한 실 저감 효과로는 NP는 B 제품이43.2%로 가장 높게 나타났고, MP는 C 제품이 41.6%로 가장 높게 나타났다. 하지만 E 제품을 제외한 A~D 제품의 경우 38.0~43.2%로 유 사한 감소 효율을 보였다. 하지만 이번 실험에도 마찬 가지로 E 제품이 NP 21.3%, MP 23.3%로 가장 낮게 나타났다. 환기실험의 경우 환기에 따른 실내입자 농도 가 상대적으로 2~3배정도의 낮은 증가를 보인 반면 본 실험에서는 그 보다 높은 9~16배 정도 증가한 만큼 고 농도 상태에서는 일정 비율 이상의 저감 효과를 나타 내는 것으로 확인되었다.

    환산 PM10의 경우 B 제품이 67.4%로 가장 우수한 것으로 나타났고, 그 뒤를 이어 C-D-A-E로 나타났다. B-C-D 제품의 경우 거의 유사한 저감효과를 보였고, A 제품이 약간 낮게, E 제품이 가장 낮게 나타났다. PM2.5에 대해서는 D 제품이 66.6%로 가장 우수한 것 으로 나타났고, 그 뒤를 이어 C-B-A-E 순으로 나타났 다. 흡연에 의한 저감 효과 평가 결과 B 제품과 D 제 품이 유사한 수준으로 높은 저감 효과를 보였고, C 제 품이 약간 낮은 효율을, 그 뒤로 A 제품, E 제품 순으 로 나타났다. 이번 실험에서도 역시 E 제품은 모든 경 우에서 가장 낮은 저감 효과를 보였으며, 다른 제품들 에 비해 약 20% 이상 낮은 수치이다. 흡연 후 자연저 감으로 인해 실내 입자가 20~30% 저감되었고 이 결과 는 기존에 환기에 의한 외부오염물질 유입시에 대한 자연감소 저감 효과와 유사한 수준이다. 공기청정기 가 동시 약 40~80%의 저감 효과를 나타냈고, 이 또한 타 제품에 비해 저감 효과가 미미했던 E 제품을 제외한다 면 60~80%로 증가하게 된다(Table 3).

    3.3 생선구이 오염조건에서의 저감 특성

    Fig. 5는 조리에 따른 실내 입자상 오염물질의 농도 변화를 나타낸 것이다. 실내에서 조리를 시작하자 NP 는 최대 684,940 particles/cm3, MP는 3,957 particles/ cm3까지 증가하였고, 이는 실험 전 배경농도에 비해 각 각 68.5배, 11.3배 높은 수치이다. 흡연시에 비해 NP는 약 7.3배 많이 배출된 반면, MP는 69.9% 정도로 흡연 에 비해 조리 과정에서 NP의 배출은 증가한 반면 상대 적으로 조대한 MP의 배출은 훨씬 적게 배출되는 것으 로 나타났다.

    이번 실험에서도 공기청정기의 개선효과 검토에 앞 서 자연감소에 의한 농도변화를 검토하였다. 생선구이 종료 시 실내 NP는 684,940 particles/cm3, MP는 2,740 particles/cm3였고, 약 10분간 자연적 감소효과를 검토 한 결과 각각 42.5%와 16.5%로 나타났다. 이후 수행 된 공기청정기의 저감효과 평가에서는 NP를 대상으로 B 제품이 60.9%로 가장 높게 나타났고, C 제품 59.3%, D 제품 58.1%, A 제품 56.4%로 나타났지만 전체적으 로 B-C-D-A 제품이 거의 유사한 수준의 저감 효과를 나타냈다. 하지만 앞선 실험결과와 마찬가지로 E 제품 의 경우 38.7%로 타 제품들에 비해 약 20%나 낮은 저 감 효과를 보였고, 이는 공기청정기의 제거효과 검토 전에 수행되었던 자연감소에 의한 저감 효과보다도 못 한 수준의 제거효율이다. MP를 대상으로는 D 제품이 45.9%로 가장 높게 나타났고, B 제품이 34.3%, C 제 품이 32.0%, A 제품이 21.5%로 나타났으며, 여기서도 마찬가지로 E 제품이 0.6%로 가장 낮은 저감 효과를 보였다. 자연감소를 고려한 실 저감 효과는 NP에서 흡 연때와 마찬가지로 B 제품이 18.4%로 가장 높게 나타 났지만 E를 제외한 A, C, D 제품 모두 13.9~16.8%로 유사한 수준을 보였다. MP는 D 제품이 다른 제품들보 다 상당히 높은 29.4%의 저감 효과를 보였고, B 제품 과 C 제품이 각각 17.8%와 15.7%로 비슷한 수준의 저 감 효과를 보였다. A 제품의 경우 다른 제품들보다 낮 은 5.0%의 저감 효과를 보였다. E 제품의 경우 –15.9% 로 나타나 저감 효과가 없을 뿐더러 오히려 증가한 것 으로 나타났다. 이는 조리과정에서 배출된 점성이 큰 미세 유분입자(oil-dust)에 E 제품에서 발생된 이온성분 이 흡착되어 오히려 입자를 증가시킨 결과로 판단된다. Table 4

    환산 PM10의 경우 B 제품과 D 제품이 각각 47.9% 와 46.3%로 가장 우수한 것으로 나타났고, 그 뒤를 이 어 C 제품이 43.8%, A 제품 31.1%, E 제품 13.2% 순 으로 나타났다. 환산 PM2.5의 경우 D 제품이 44.2%로 가장 우수한 것으로 나타났고, B 제품 44.2%, C 제품 34.3%, A 제품 23.0%, E 제품 1.8%순으로 나타났다. 조리(생선구이)에 의한 저감 효과 또한 흡연 실험과 마 찬가지로 B 제품과 D 제품이 유사한 수준으로 높게 나타났고, 그 뒤를 이어 C-A-E 제품 순으로 나타났다.

    실내 조리 후 자연저감으로 인해 실내 입자가 20~40% 저감되었고, 이 결과는 기존에 환기나 흡연시 보다 자연감소 효과가 약간 높게 나타났다. 이는 생선 구이시 발생된 입자들이 앞서 외부에서 유입되거나 흡 연과정에 발생된 입자들에 비해 밀도와 점도가 높은 유분입자로 중력침강이나 침착, 흡착에 의한 저감효과 가 더 크기 때문에 나타난 결과인 것으로 판단된다. 하 지만 공기청정기 가동시 저감 효과는 20~60%로 기존 환기에 의한 외부유입이나 흡연시에 비해 저감 효과가 약 10~20% 정도 감소하였다. 자연감소 효과를 감안하 면 약 20~40%로 저감 효과가 크게 떨어지는 것을 볼 수 있다. 이는 앞서 언급한 것처럼 환기를 통해 외부로 부터 유입되거나 흡연시 발생된 입자들에 비해 점도가 높은 입자의 특성상 필터에 흡착시 공극을 막게 되고, 결과적으로 공기청정기 필터 단면의 압력을 높여 환기 량이 떨어지면서 나타난 결과로 판단된다. 본 실험에서 는 동일 조건을 가정하기 위해 생선구이시 주방의 레 인지 후드를 가동하지 않았다. Kim et al. (2017b)이 아파트를 대상으로 조리시 레인지 후드를 가동할 경우 조리과정에서 배출된 입자의 대부분이 레인지 후드를 통해 배출되며, 레인지 후드 인근 실내 오염물질의 외 부배출 효과에 의해 가동 전보다 오히려 실내 입자오 염농도가 소폭 감소하는 것으로 보고하였다. 대부분의 공기청정기가 거실 중앙이나 방안에 위치한다는 것을 감안한다면 조리시 배출된 오염물질 감소를 위해서는 비교적 이격거리가 있는 공기청정기에 의한 제거효과 보다는 조리기구 바로 위에 설치되어 있는 레인지후드 가동에 따른 효과를 기대하는 것이 훨씬 효율적일 것 으로 판단된다.

    4. 결 론

    미세먼지에 대한 국민적 관심이 증가하면서 실내공 간에 대한 미세먼지 관리 대책으로 공기청정기의 수요 가 증가하고 있다. 하지만 시중에서 판매되고 있는 무 수한 공기청정기들은 적용되는 기술이나 부가기능에 따라 가격과 성능이 천차만별로 소비자들이 공기청정 기를 선택할 때 어떠한 선택기준을 가지고 선별해야 되는지 많은 어려움이 따른다. 각 업체들은 각자의 공 기청정기를 대상으로 규격화 된 시험방법에 따른 성능 정보를 제공하고 있지만 실제 사용되는 공간에서의 성 능은 이와 많이 다를 수 있다. 이에 본 연구에서는 시 중에 판매되고 있는 제품들 중 유사한 사용면적을 가 지고 있는 서로 다른 구성의 제품 5개를 선별하여 현 대인들이 가장 많이 거주하고 있는 아파트 실내공간을 대상으로 청정화 능력 평가를 수행하였고, 아래와 같은 결과를 얻었다.

    1. 최근 시중에서 판매되고 있는 공기청정기는 HEPA 필터를 사용하는 여과 집진방식을 주요 기술로 채택하고 있었으며, 그 외에 전처리 필터(pre-filter) 나 활성탄, 이온발생장치 등을 추가 기술로 사용 하고 있었다.

    2. 재실자의 활동 전 실내 입자상 오염물질의 배경농 도는 NP 8000~10,000 particles/cm3, MP 300~350 particles/cm3 수준이었고, 재실자의 활동에 따라 수행된 5번의 반복실험 결과 최대 환기시 2.5~2.9 배, 흡연시 9.3~16.2배, 조리시 11.3~98.5배까지 증가하는 것으로 나타났다.

    3. 환기에 따른 외부공기 유입, 흡연, 조리(생선구이) 에 의한 실내 공기오염물질 발생시 선별 된 5대 의 공기청정기의 성능평가를 수행하였고, 그 결과 전처리 필터에 HEPA 필터, 활성탄이 부착된 3단 구조의 D, B, C 제품이 유사하게 높은 성능을 나 타냈다. B-C-D 제품에 비해 전처리 필터가 설치 되지 않은 A 제품이 필터 방식을 채택한 제품들 중에서는 가장 낮은 제거효율을 보였다.

    4. 자연 저감 효과를 제외한 실 저감 효과를 산정한 결과 환기시와 흡연시는 40~60%의 실 저감 효과 를 보였지만 조리시에는 10~20%로 상대적으로 낮은 감소 효과를 나타냈다. 이는 생선구이시 발 생한 점도가 높은 유분입자들이 공기청정기에 설 치되어 있는 필터의 공극을 막음으로써 효율을 낮춘 결과로 판단되며, 조리에 의한 오염물질 제 거를 위해서는 공기청정기 보다는 조리실에 설치 되어 있는 주방 레인지후드를 이용한 제거방안을 선택하는 것이 좀 더 효과적일 것으로 판단된다.

    5. 필터 여과방식이 아닌 이온발생 제거방식을 채택 한 E 제품의 경우 효율이 극히 낮거나 오히려 실 내에 배출된 입자들과 반응하여 농도를 증가시키 기도 하였다. E 제품은 효율이 낮을뿐더러 장비 가동시 O3 발생에 따른 비릿한 향도 감지되어, 추 후 O3 발생에 대한 주변 영향에 대한 평가가 수 행되어야 하며, 이에 대한 관리 방안이 모색되어 야 할 것으로 판단된다.

    평가결과 전처리필터+HEPA 필터+활성탄의 3단 구 조를 가지고 있는 장치의 성능이 가장 우수한 것으로 나타났다. 전처리 필터가 없는 경우 걸러지지 않은 조 대입자가 HEPA 필터에 과부하를 주어 처리효율을 쉽 게 떨어뜨릴 수 있으며, 이온발생방식의 경우 여과 집 진방식에 비해 그 효율이 극히 낮고, 특히 건강에 해로 운 O3를 발생시켜 오히려 건강에 악영향을 미칠 수 있 는 것으로 나타났다. 하지만 성능평가에 있어 집진장치 들의 정확한 효율을 평가하기 위해서는 재실자 등이 존재하지 않는 상황에서 연구가 수행되었어야 하나 환 기나 흡연, 조리 등의 실내환경 제어와 측정장비들의 유지관리를 위해 재실자들이 실내에 존재함으로서(재 실자의 호흡이나 부착효과에 따른 저감효과) 본 연구 결과에서 제한조건으로 작용할 수 있다는 것은 감안해 야 될 것이다.

    최근 미세먼지 감지 센서나 사물인터넷(internet of things, IoT) 기반 무선 관리시스템 등 다양한 기술이 적용되고 있는데 이러한 편리기술들은 공기청정기의 성능과 관계없는 부가적인 기술이지만 공기청정기의 단가를 높이는 요인으로 작용하고 있어, 구매에 앞서 이러한 부분은 꼭 필요한 부분인지 고려해 봐야 할 것 이다. 또한 생활환경의 면적을 고려한 적절한 용량의 합리적인 공기청정기 구매도 중요하겠지만 구매 후 운 전과정에서 올바른 장치운영과 필터관리 또한 중요한 요인으로 이러한 점을 고려한 공기청정기 관리가 이루 어져야만 한다. 향후 챔버를 활용한 공기청정기의 성능 평가 외에도 다양한 구성의 많은 제품들에 대한 현장 평가가 이루어져 소비자들에게 좀 더 많은 지식과 정 보를 제공해 나가야 할 것이다.

    감사의 글

    본 연구는 KBS의 “똑똑한 소비자리포트”에서 수행 된 연구의 일부이며, ㈜에이피엠엔지니어링의 지원을 받아 작성되었습니다.

    Figure

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    Map and indoor layout of the residential apartment investigated in this study.

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    Test schedule for efficiency evaluation of air purifier.

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    Concentration change of particulate matter in indoor according to operating of air purifier after ventilation.

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    Concentration change of particulate matter in indoor according to operating of air purifier after smoking.

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    Concentration change of particulate matter in indoor according to operating of air purifier after smoking.

    Table

    Specification of air purifier selected in this study

    Summary of removal efficiency results of air purifiers after ventilation

    Summary of removal efficiency results of air purifiers after smoking

    Summary of removal efficiency results of air purifiers after cooking

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