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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.19 No.3 pp.262-267
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2020.19.3.262

Evaluation of indoor PM2.5 reduction efficiency using an air cleaner and ventilation system

Kyuseung Shim*, Yongsu Bae, Kanghyuck Lee, Jongbo Kim, Minkyung Baek, Eunah Jang, Hyojin Lee, Jinkyung Jo, Jongmin Park, Jongwan Park
Gyeonggi-do Institute of Health & Environment
*Corresponding author Tel : +82-31-250-2693 E-mail : simkyus@gg.go.kr
16/07/2020 18/08/2020 01/09/2020

Abstract


High concentrations of PM2.5 were generated in new apartments before moving in, and PM2.5 reduction efficiencies using air cleaners and ventilation systems were evaluated. The experimental results for different air cleaner capacities showed that the PM2.5 reduction efficiencies for 46.2 m2, 66 m2, and 105.6 m2 areas were 81.7%, 92.9%, and 92.5%, respectively. Thus, the larger the air cleaning application area, the higher the PM2.5 reduction efficiency. However, there was no difference in the efficiency of overcapacity air cleaners above a certain capacity. The efficiencies of air cleaners located at the living room center, interior wall, and edge were 81.7%, 79.2%, and 75.8%, respectively. There was, therefore, no significant difference in the PM2.5 reduction efficiencies of air cleaners in different locations. Furthermore, the PM2.5 reduction efficiencies at distances of 1 m, 2 m, and 3 m were 81.7%, 81.3%, and 81.7%, respectively. Therefore, there was also no significant difference in efficiency with distance. The PM2.5 concentration decreases rapidly during natural ventilation. Therefore, when the indoor PM2.5 is higher than the outdoor PM2.5, the air cleaner should be used after natural ventilation. The efficiency of PM2.5 reduction using an air supply-type ventilation system in apartments was 35%, which is not high. The simultaneous operation of the ventilation system and kitchen range hood was effective, showing a PM2.5 reduction efficiency of 69.1%. However, a water sprayer was not effective, showing a PM2.5 reduction efficiency of 24.3%. The results of this study suggest that PM2.5 reduction performance should be standardized by evaluating the efficiency of different ventilation systems. Effective usage and maintenance standards for ventilation systems need to be disseminated, and ventilation systems and air cleaners should be used effectively.



공기청정기 및 환기시스템을 이용한 실내 초미세먼지(PM2.5) 저감 효율 평가

심규승*, 배용수, 이강혁, 김종보, 백민경, 장은아, 이효진, 조진경, 박종민, 박종완
경기도보건환경연구원

초록


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

    1. 서 론

    최근 고농도 미세먼지의 영향으로 실내 활동이 많아 지고 있으며, 이에 따른 실내 공기질에 대한 관심이 증 대되고 있다.

    환경부는 고농도 미세먼지 상황이 발생한 경우(해당 지역 인근측정소의 시간당 미세먼지 농도가 “나쁨” 이 상(PM10 : 81 μg/m3 이상, PM2.5 : 36 μg/m3 이상 1시 간 지속)) 영유아, 학생, 어르신 등 민감 계층은 외출자 제 및 실외수업(활동)을 자제 하도록 하고 있으며, 미 세먼지 주의보 발령 시(해당 권역의 PM10 : 150 μg/m3 이상, PM2.5 : 75 μg/m3 이상 2시간 지속) 실외수업(활 동)을 단축 또는 금지 하고 있다.

    또한 초미세먼지(PM2.5) 주의보 발령기준이 2018년 7월 1일 강화·개정되어(PM2.5 : 90μg/m3 이상 → 75 μg/m3 이상 2시간 지속 시 발령) 초미세먼지(PM2.5) 주의보 발령 일·횟수가 크게 증가하였고, 초미세먼지 (PM2.5) 예보기준이 2018년 3월 27일 강화·개정되어 (PM2.5 ‘나쁨’ 예보 51~100 μg/m3 → 36~75 μg/m3) ‘나 쁨’ 이상인 일수가 크게 늘어나게 되었다. 2018년 경기 도 초미세먼지(PM2.5) 주의보 발령 일 수는 33일, 2018 년 경기도 일평균 값의 초미세먼지(PM2.5) “나쁨” 이상 인 날은 74일 이었으며(GIHE, 2018), 실외 미세먼지로 인해 환기를 못하는 상황에서 실내에서 생활하는 시간 이 크게 증가하고 있다.

    초미세먼지(PM2.5) 주의보 발령 시 경과시간도 경기도 의 경우 2018년 최대 39시간으로 장시간 동안 지속되는 경우가 많아지고 있으며(GIHE, 2018), 미세먼지 주의보 발령으로 환기를 못하는 상황이 장시간 지속될 경우 실 내 공기질 관리가 더욱 중요 할 것으로 판단된다.

    실내 공기질 관리를 위해 공기청정기와 공동주택의 환기시스템이 크게 주목을 받고 있다. 그러나 공기청정 기 인증(CA) 시험은 작은 챔버에서 실시하고 있기 때 문에 실제 사용하는 현장에서의 미세먼지 제거효율에 대한 관심이 증가하였으며, 또한 공동주택에 설치된 환 기시스템의 미세먼지 제거효율에 대한 관심도 증가하 고 있다.

    기존의 연구는 실내 미세먼지의 농도분포 및 노출평 가에 대해서 주로 이루어져 왔고, 실제 가정환경에서 공기청정기 및 환기시스템에 의한 미세먼지 제거효율 의 평가는 미비한 것으로 판단된다.

    따라서 본 연구의 목적은 기존의 챔버에서의 공기청 정기 미세먼지 제거 성능 시험을 벗어나 실제 가정 내 에서 환기를 못하는 상황의 실내 고농도 미세먼지 발 생 시 공기청정기 및 환기장치 등의 효율 실험을 통하 여 실내 초미세먼지(PM2.5) 저감 평가에 있다.

    2. 연구방법

    2.1 측정대상시설

    경기도 화성시 동탄 2신도시에 위치한 입주 전 신축 아파트를 대상으로 2019년 2월 27일부터 3월 8일까지 실시하였으며 Fig. 1에 아파트 평면도를 나타내었다. 측정 시 방 3개 와 공용욕실의 문을 닫고 거실과 주방 (식당)공간을 대상으로 하였으며, 전용면적 59.55 m2, 거실면적 19.93 m2, 주방(식당)면적 6.30m2이었다.

    공기청정기는 위치별 및 거리별 효율 측정 이외는 중앙에 위치하였고, 초미세먼지(PM2.5) 측정기 위치는 공기청정기 주변 1m에 위치하도록 하였다.

    초미세먼지(PM2.5) 발생원은 모기향을 이용하였으며, 실내 환기 후 창문을 닫아 기밀을 유지하며 주방에서 모기향을 약 5분간 발생시키고 공기순환기를 이용해 집안 전체에 골고루 확산되도록 하였다. 이 후 초미세 먼지(PM2.5) 농도가 240 μg/m3 에서 안정화 될 때까지 기다린 후 공기청정기를 가동하며 실험을 실시하였으 며, 가정에서 굽기 등의 요리를 할 때 발생하는 초미세 먼지 농도가 되도록 하였다.

    한국공기청정기협회의 실내공기청정기 단체표준인 증(CA)의 일반공기청정기 시험방법은 29.5 ± 1m3의 밀폐된 챔버에서 염화칼륨 수용액을 분무시켜 입자를 발생시키고 공기청정기를 가동하여 청정화 능력의 평 가 및 공기청정기 적용면적을 산출한다.

    흡연 시 측정된 실내 부유입자상 물질의 평균 입경 은 0.2~0.4 μm인 서브마이크론 입자가 많은 것으로 알 려져 있으며(Baek and Park, 2005), 공기청정기 시험용 염화칼륨 입자의 입자크기의 중위지름은 0.3~0.6 μm가 되도록 하고 있다.

    2.2 공기청정기

    공기청정기는 국내 공기청정기협회의 CA 인증을 받 은 S사 제품으로 새 제품을 시험 전 포장을 제거하고 설치하여 시험을 실시하였다.

    사용된 모든 공기청정기의 제거방식은 기계식 집진 방식이며, 비교적 큰 먼지, 머리카락 및 애완동물의 털 등을 제거하는 극세사 프리필터, 중간크기의 먼지를 제 거하는 미드(Mid)필터, 담배, 음식, 동물냄새 등 생활 악취 및 유해가스를 제거하는 탈취 필터, 미세먼지를 제거하는 HEPA필터(H13등급)로 구성되었다. 적용면 적별 효율평가는 46.2m2 (14평형), 66 m2 (20평형), 105.6 m2 (32평형) 공기청정기를 이용하여 평가하였고, 이외 모든 평가는 46.2m2 (14평형) 공기청정기를 이용 하였다. 풍량은 ‘강’으로 작동 시 소음이 있어 실제 가 정에서 ‘강’으로 지속적으로 사용하기에는 무리가 있 다고 판단되어 ‘중’으로 가동하였다.

    2.3 초미세먼지(PM2.5) 측정 방법

    본 연구에서 사용한 초미세먼지(PM2.5) 측정기는 Fig. 2의 FLD-1 (Real Time Monitor, SIBATA)이며, 광 산란 방식의 연속측정기이다.

    바닥에서 1.3m 높이에서 흡인유량 1.7 L/min으로 시료를 1분 간격으로 30분간 측정하였으며, 측정범위 는 0.001~100.0 mg/m3이다. 샘플링 라인에 제습용 Heater가 있어 기존 광산란 방식의 단점인 수분에 의한 측정값 상승을 보완하였다. 광산란 방식은 분당 농도 변화를 살펴보는데 용이한 방식으로, 측정원리는 대기 중에 부유하고 있는 입자상물질에 빛을 조사했을 때 산란된 빛의 양을 측정하여 농도를 구하는 방법이다.

    본 측정기는미세먼지 저감 및 관리에 관한 특별 법의 미세먼지 간이측정기 성능인증 기준의 평가방 법과 동일한 방법으로 베타선방식 측정기를 이용한 시 간 평균값 비교평가에서 자료획득률 1등급(80%초과), 정확도 2등급(70~80%), 결정계수 1등급(0.8초과) 수준 의 성능을 만족하였다(Min et al., 2018).

    3. 결과 및 고찰

    3.1 공기청정기 적용면적별 효율

    공기청정기 적용면적이 46.2m2 (14평형), 66 m2 (20 평형), 105.6 m2 (32평형)인 제품을 풍량 ‘중’으로 30분 간 시험하였으며, 초미세먼지(PM2.5) 제거 효율은 각각 81.7%, 92.9%, 92.5%이였다(Fig. 3).

    동일한 면적의 공간에서 공기청정기 적용면적이 클 수록 초미세먼지 제거효율이 증가하나, 일정용량 이상 에서 과용량 공기청정기의 효율은 차이가 없었다. 공기 청정기 CA인증 시험방법의 공기청정기 적용면적(m2) 산출 방법은 제품구입 시 소비자의 혼란을 방지하기 위하여 사용환경을 고려하여 7.7 × 청정화능력(m3/ min)으로 계산되어지며, 이는 공기청정기 적용면적과 초미세먼지 제거효율이 비례하여 증가하지 않는 원인 이라 판단된다. 또한 CA인증 시험방법의 작은 챔버 내 에서 성능시험으로 계산된 공기청정기 적용면적이기 때문에 실제 면적이 넓은 가정환경에서는 초미세먼지 제거효율에 차이가 있을 수 있다.

    66 m2 (20평형)과 105.6 m2 (32평형) 제품의 미세먼 지 제거효율 차이가 크지 않은 것은 공기청정기 최대 성능이 아닌 풍량을 ‘중’으로 하여 실험한 것도 영향을 미쳤다고 판단된다.

    Kim et al. (2019)의 연구결과에서도 공기청정기 적 용면적 증가에 따른 미세먼지 제거효율은 증가하나 비 율적으로 커지지 않고, 동일한 공간에서의 공기청정기 적용면적별 미세먼지 제거효율은 큰 차이가 없었다.

    3.2 공기청정기 위치별 효율

    공기청정기 위치별 초미세먼지(PM2.5) 제거효율을 실험하였으며, 위치는 거실을 기준으로 중앙, 벽면 가 운데, 모서리 세 가지 경우로 나누어 측정하였다. 공기 청정기 위치는 Fig. 4에 나타내었다. 공기청정기는 46.2 m2 (14평형)을 이용하여 풍량은 ‘중’으로 30분간 시험하였으며, 벽으로부터 30 cm 간격을 두고 설치하 였다. 초미세먼지 측정기의 위치는 공기청정기와 1m 의 거리를 두고 측정하였다.

    실험결과 중앙 81.7%, 벽면 가운데 79.2%, 모서리 75.8%로 초미세먼지 제거효율은 큰 차이를 보이지 않 았다(Fig. 5).

    해당 공기청정기는 전면에서 공기를 흡입하여 상부 로 토출하는 방식으로 벽과 주위 물체로부터 좌, 우 30 cm 간격을 유지하고, 공기 순환이 잘되도록 제품 전 후좌우에 방해물이 가로막지 않도록 설치한다면 위치 별 미세먼지 제거효율은 큰 차이가 없다고 판단된다.

    3.3 공기청정기 거리별 효율

    공기청정기 거리별 초미세먼지(PM2.5) 제거효율을 실험하였으며, 공기청정기로부터 1m, 2m, 3m 거리 에서 측정하였다. 공기청정기는 46.2m2 (14평형)을 이 용하여 풍량은 ‘중’으로 가동하여 30분간 실험하였으 며, 실험결과 1m는 81.7%, 2m는 81.3%, 3m는 81.7% 로 초미세먼지 제거효율은 큰 차이를 보이지 않았다 (Fig. 6).

    오염된 공기의 흡입과 정화된 공기의 토출을 통해 공기를 순환시킴으로써 공간 위치별 미세먼지 분포는 동일한 것으로 판단된다.

    3.4 자연환기와 공기청정기 효율 비교

    자연환기의 초미세먼지(PM2.5) 제거효율을 실험하였 으며 5분간 거실과 주방의 창문을 열어 환기를 하고 문을 다시 닫고 30분간 측정하였다. 5분간 환기 시 초 미세먼지 농도가 150 μg/m3까지 급격히 감속하였으며, 공기청정기보다 빠른 초미세먼지 제거효율을 보였다 (Fig. 7).

    조리 등으로 실내 미세먼지 농도가 외기 미세먼지 농도보다 높을 때에는 자연환기로 초기 미세먼지를 신 속히 저감시킨 후 공기청정기를 사용하는 것이 효과적 이라 판단된다.

    그러나 Kim et al. (2017)에 따르면 조리 시 레인지 후드와 자연환기가 동시에 이루어진 경우 외부 입자상 오염물질에 의해 실내의 입자상 오염물질 농도가 증가 할 수 있으므로 외기 미세먼지 농도 확인 후 환기가 필 요하다.

    측정당시 해당아파트와 약 1.3 km 거리의 도시대기 측정소의 초미세먼지(PM2.5) 농도는 90 μg/m3으로 ‘매 우나쁨’ 상태였으며, 외부 미세먼지 농도가 좋았다면 환기에 의한 미세먼지 제거효율은 더 좋았을 것이라 판단된다. 외기 농도에 따른 자연환기효율 평가 및 환 기시간에 대한 추가 실험이 필요하다.

    3.5 환기장치와 공기청정기 효율 비교

    기계식 환기방식에는 제1종 환기방식(급기팬과 배기 팬에 의한 환기), 제 2종 환기방식(급기팬과 자연 배기 구에 의한 환기), 제 3종 환기방식(배기팬과 자연 급기 구에 의한 환기)으로 구분되어 지며, 해당 아파트는 제 2종 환기방식인 급기형 환기장치가 설치되어 있으며 외부공기를 흡입하여 필터를 거쳐 실내로 공급하는 방 식이다. 필터는 프리(항균)필터, 미디움+탈취필터로 구 성되어 있으며 거실과 각방 천장에 급기 디퓨저가 설 치되어 있다(Fig. 8). 환기장치의 풍량은 130m3/hr, 소 비전력 50w이며, 배기방식은 거실과 각방 창문틀 위 쪽에 배기구 그릴을 열어 배기하는 방식이나, 본 연구 에서는 기밀을 유지하고 외부 미세먼지의 영향을 최소 화하기 위해 배기구 그릴을 닫고 환기장치만의 효율을 실험하였다.

    환기 풍량을 강으로 하여 30분간 가동하면서 초미세 먼지(PM2.5) 제거효율 실험을 하였으며 35%의 제거효 율을 보였다. 공기청정기 46.2m2 (14평형)을 이용하여 풍량 ‘중’으로 30분간 가동하였을 때 초미세먼지 제거 효율이 81.7%이므로 환기장치에 의한 초미세먼지 저 감 효율은 크지 않았다(Fig. 9).

    측정당시 해당아파트와 약 1.3 km 거리의 도시대기 측정소의 초미세먼지(PM2.5) 농도는 87 μg/m3으로 ‘매 우나쁨’ 상태였으며, 설치된 급기형 환기장치의 환기필 터(미디움필터) 및 환기량 으로는 실내의 고농도 초미 세먼지(PM2.5)를 저감하지 못하였다. 배기구 그릴을 열 고 효율 실험을 하였으면 풍량이 증가하여 환기장치에 의한 효과가 더욱 좋았으리라 판단되며 이에 대한 추 가실험이 필요하다.

    Noh (2015) 연구결과에서도 낮은 성능의 환기필터 가 설치되면 실외 입자가 실내를 더욱 오염시킬 수 있 으며, 환기장치의 운전비용 대비 초미세먼지(PM2.5) 저 감 효용성은 매우 낮게 조사되었다.

    건축물의 설비기준 등에 관한 규칙의 신축공동 주택의 기계환기설비의 설치기준은 필요환기량은 세대 를 시간당 0.5회로 환기할 수 있는 풍량을 확보하고, 공기여과기 성능기준을 입자크기 0.3 μm 이하인 초미 세먼지 포집률을 계수법으로 측정하는 경우 60% 이상 으로 하고 있다.

    해당아파트의 환기장치도 위 성능기준을 만족하는 미디움필터가 설치되어 있으며, 향후 필터 교체 시에 헤파필터(H13등급)로 교체하여 사용하고 있다. 환기장 치의 필터 성능이 증가하면 압력손실이 증가하여 에너 지비용이 증가하게 되어 필터 등급이 낮은 제품이 설 치되는데,건축물의 설비기준 등에 관한 규칙에 신 축공동주택의 기계환기설비 설치기준의 필터 등급의 초미세먼지 포집률을 향상시키고 구체적인 규격화가 필요하다. 미디움필터를 헤파필터로 교체하여도 필요 환기량을 확보할 수 있도록 설치기준의 규격화가 필요 하다.

    급기형 환기장치의 가동만으로는 실내 초미세먼지 (PM2.5) 제거에는 크게 효과가 없어서 환기장치와 주방 레인지 후드를 ‘강’으로 30분간 가동하여 실험을 하였 으며 제거효율이 69.1%이었다(Fig. 9). 레인지 후드와 같은 급속 환기 장비 가동으로 실내 초미세먼지(PM2.5) 를 저감하는데 효과가 있음을 확인하였으나, 레인지 후 드의 소음으로 인해 조리 시 이외에 평상시 지속적으 로 가동하는 것은 무리가 있다.

    해당 아파트에 설치된 급기형 환기장치 이외에 급기 와 배기가 가능한 급·배기형 환기장치의 초미세먼지 제거효율의 평가가 필요하다.

    기존의 환기장치는 실내 미세먼지 저감 보다는 환기 에 목적을 두고 설치되었다면, 앞으로는 환기장치의 실 내 미세먼지 저감 효율을 평가하여 성능을 규격화하고 환기장치의 효과적인 사용방법 및 환기장치 유지관리 기준의 보급이 필요하다.

    또한, 환기장치만으로는 초미세먼지(PM2.5) 제거효율 은 낮으나 공기청정기로는 제거하기 어려운 이산화탄 소 등 가스상 물질을 희석하여 저감에는 도움이 되므로 환기장치와 공기청정기의 효과적인 사용이 필요하다.

    3.6 물분무기와 공기청정기 효율 비교

    미세먼지 높은 날 청소방법으로 물분무기를 뿌려서 미세먼지를 가라앉게 하고 물걸레 청소를 하는 방법이 언론을 통해 소개되어 많이 알려졌다. 물분무기를 이용 하여 5분간 분무를 하고 물걸레 청소를 하여 초미세먼 지 제거효율을 20분간 실험한 결과 24.3%로 자연강하 에 의한 초미세먼지 제거효율 22.9%와 차이가 없었다 (Fig. 10).

    공기청정기 46.2 m2 (14평형)을 이용하여 풍량 ‘중’ 으로 20분간 가동하였을 때 초미세먼지 제거효율이 69.2%이므로, 초미세먼지(PM2.5)와 같은 작은 입자는 물분무기에 의한 저감 효율은 없었다. 그러나 물걸레 청소는 바닥의 먼지를 제거하여 미세먼지의 재 비산을 막아 실제 환경에서는 장기적으로 미세먼지 감소에 도 움이 될 것이라 판단된다.

    4. 결 론

    입주 전 신축아파트를 대상으로 고농도의 초미세먼지 를 발생시킨 후 공기청정기 및 환기장치 를 이용한 초 미세먼지(PM2.5) 저감 평가 실험을 진행하였다. 공기청 정기 용량별 효율 실험 결과 46.2m2, 66m2, 105.6m2의 초미세먼지 제거 효율은 각각 81.7%, 92.9%, 92.5%으 로 동일한 면적의 공간에서 공기청정기 적용면적이 클 수록 초미세먼지 제거효율이 증가하나 일정용량 이상 에서 과용량 공기청정기의 효율은 차이가 없었다.

    공기청정기 위치별 효율 실험은 거실중앙, 벽면가운 데, 모서리의 위치별 초미세먼지 제거효율은 각각 81.7%, 79.2%, 75.8%로 큰 차이가 없으며, 공기청정기 거리별(1 m, 2 m, 3 m) 초미세먼지 제거효율도 81.7%, 81.3%, 81.7%로 차이를 보이지 않았다.

    자연환기 시 미세먼지가 급격히 감소하므로 실내 미 세먼지 농도가 외기 미세먼지 농도보다 높을 때에는 자연환기 후 공기청정기 사용이 필요하다. 아파트 급기 형 환기장치에 의한 초미세먼지 저감효율은 35%로 크 지 않으며, 환기장치와 주방 레인지 후드를 가동하였을 때에는 초미세먼지 저감 효율은 69.1%로 효과가 있었 다. 환기장치의 미세먼지 저감 효율을 평가하여 성능을 규격화 하고 환기장치의 효과적인 사용방법 및 유지관 리기준의 보급이 필요하며, 환기장치와 공기청정기의 효과적인 사용이 필요하다. 물 분무기를 이용한 초미세 먼지 저감 효율은 24.3%로 효과는 없었다.

    Figure

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    Apartment floor plan.

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    PM2.5 sampler.

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    PM2.5 change with time by application area.

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    Location of air cleaners.

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    PM2.5 change with time by installation location.

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    PM2.5 change with time by installation distance.

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    PM2.5 change with time by natural ventilation.

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    Ventilation system and diffuser.

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    PM2.5 change with time by ventilation system.

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    PM2.5 change with time by water spray.

    Table

    Reference

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