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, PM_2.5 : 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, PM_2.5 : 75 μg/m³ 이상 2시간 지속) 실외수업(활 동)을 단축 또는 금지 하고 있다.

또한 초미세먼지(PM_2.5) 주의보 발령기준이 2018년 7월 1일 강화·개정되어(PM_2.5 : 90μg/m³ 이상 → 75 μg/m³ 이상 2시간 지속 시 발령) 초미세먼지(PM_2.5) 주의보 발령 일·횟수가 크게 증가하였고, 초미세먼지 (PM_2.5) 예보기준이 2018년 3월 27일 강화·개정되어 (PM_2.5 ‘나쁨’ 예보 51~100 μg/m³ → 36~75 μg/m³) ‘나 쁨’ 이상인 일수가 크게 늘어나게 되었다. 2018년 경기 도 초미세먼지(PM_2.5) 주의보 발령 일 수는 33일, 2018 년 경기도 일평균 값의 초미세먼지(PM_2.5) “나쁨” 이상 인 날은 74일 이었으며(GIHE, 2018), 실외 미세먼지로 인해 환기를 못하는 상황에서 실내에서 생활하는 시간 이 크게 증가하고 있다.

초미세먼지(PM_2.5) 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(PM_2.5) 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(PM_2.5) 측정기 위치는 공기청정기 주변 1m에 위치하도록 하였다.

초미세먼지(PM_2.5) 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(PM_2.5) 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(PM_2.5) 측정 방법

본 연구에서 사용한 초미세먼지(PM_2.5) 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 측정기는^「미세먼지 저감 및 관리에 관한 특별 법_」의 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(PM_2.5) 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(PM_2.5) 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(PM_2.5) 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(PM_2.5) 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(PM_2.5) 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(PM_2.5) 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(PM_2.5) 농도는 87 μg/m³으로 ‘매 우나쁨’ 상태였으며, 설치된 급기형 환기장치의 환기필 터(미디움필터) 및 환기량 으로는 실내의 고농도 초미 세먼지(PM_2.5)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(PM_2.5) 저 감 효용성은 매우 낮게 조사되었다.

^「건축물의 설비기준 등에 관한 규칙_」의 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 규칙_」에 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 (PM_2.5) 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(PM_2.5) 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(PM_2.5) 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(PM_2.5)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(PM_2.5) 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.