1. 서 론

2019년 기준, 서울시 일일 통행량은 약 3,216만 통행 이며 주요 교통수단의 분담률은 대중교통 65.5%, 승 용차 24.5%, 택시 5.7%, 그리고 기타 4.2%이다(Seoul, 2021a). 이중 버스는 전체 통행량의 24.0%를 담당하며 일일 이용객이 약 405만 명으로 서울시의 중요한 이 동 수단이다(Seoul, 2021b). 서울 도심을 운행하는 시 내버스는 약 300~500 m 간격마다 위치한 정류장에 정 차하여 문을 여닫기 때문에 도로변 오염된 공기가 버 스 내부로 쉽게 유입된다. 또한, 버스 내장재와 승객 등의 다양한 객실 오염원이 존재한다(Gajewski, 2013;Park et al., 2020). 특히 밀폐되고 좁은 버스에서 미세 먼지로 오염된 공기를 장기간 흡입하면 승객 건강에 큰 악영향을 미칠 수 있다. 버스 객실의 공기질 개선 을 위해 외부 공기의 환기를 할 수 있으나 서울시 미 세먼지 고농도 일수가 꾸준히 증가하고 있으며 오염 된 도로의 공기가 유입될 우려가 있다. 여름과 겨울 철에는 버스 승객의 쾌적성 관리를 위해 객실 내 온 도관리가 중요하기 때문에 환기마저 쉽지 않다. 게다 가 시외버스, 철도 등의 대중교통 객실의 PM_2.5는 50 μg/ m³ 이하로 관리하는 것을 권하고 있으나 시내버스는 해당 규정마저 없는 상황이다(ME, 2020).

버스 객실 내 공기질 개선을 위해 국내외에서 다양 한 기술이 연구되고 있다. 미국 UCLA 대학에서는 HEPA 필터를 개발한 후 청정기에 적용하였다. 스쿨 버스 객실 내 후면부에 2대의 해당 청정기를 설치한 후 도로를 운행한 결과, 객실 내 PM_2.5 농도가 60% 이 상 감소하고 12 μg/m³ 이하로 유지되었다(UCLA, 2015). 스페인과 싱가포르에서는 버스 객실 벽면에 부 착하여 사용하는 소형 플라즈마 이오나이저를 판매 하고 있다. 해당제품은 강력한 산화력으로 공기 중 바 이오에어로졸, 가스 오염물, 그리고 입자 물질을 제거 할 수 있다고 홍보하고 있다(Park et al., 2020). 중국에 서는 USB 전원연결형 소형 기계식 공기청정기 판매 가 활발한데 해당 장치는 차량 내부 공기를 순환하고 필터로 입자 오염물을 제거하는 방식이다.(Mirae Industry Research, 2018;Mirae Industry Research, 2022). 국내에서는 자동차 내부에서 사용하는 광플라 즈마 대기정화장치와 천장 부착형 청정기를 판매하 고 있다(Park et al., 2020).

서울시는 도로변 대기오염을 방지하고 버스 승객 의 건강 보호를 위해 디젤 시내버스 운행을 중지하였 고, 모든 시내버스를 CNG 버스와 전기버스로 대체하 였다. 이와 더불어, 2019년 전체 시내버스 7,404대 중 7,207대에 미세먼지 정화 필터를 공조기 흡입구에 설 치하고 주기적으로 필터를 교체하고 있다(Seoul, 2019). 해당 사업을 통해 시내버스 객실에 별도의 공기 청정 장치를 설치했을 경우 발생할 수 있는 승객 불편을 방 지하고 공기를 깨끗이 유지할 수 있을 것이라 기대하 고 있다. 다른 지자체들도 서울시와 동일하게 시내버 스 공조기에 미세먼지 필터를 도입하는 사업을 확산 하고 있다. 이처럼, 에어필터를 포함한 공조기를 이용 한 버스 객실의 공기질 관리방안이 계속 확산하고 있 음에도 불구하고, 해당 기술에 대한 성능평가가 부족 한 실정이다.

본 연구에서는 기존의 신뢰할 수 있는 평가 방법을 이용하여 서울시 시내버스의 미세먼지 필터의 입자 제거성능을 평가하고, 공조기에 의한 버스 객실의 청 정화 성능을 평가하였다. 더하여, 이의 결과를 가정용 청정기의 성능과 비교하고자 한다.

2. 연구방법

2.1 시내버스 공조기

서울시에서 운행하는 시내버스는 크게 CNG 일반 버스, CNG 저상버스, 그리고 전기버스로 구분할 수 있으며 미세먼지 제거 필터가 적용된 버스는 CNG 버 스이다. 본 연구에서는 CNG 저상버스를 이용하여 실 험을 진행했다. Fig. 1과 같이, 버스의 공조기는 객실 천정에 공기 흡입구가 있고 흡입한 공기는 공조기 내 부를 걸친 후 좌석 상부에 위치한 복수 개의 배출구 로 토출한다. 필터가 적용된 시내버스에는 공조기의 공기 흡입부에 금속의 필터홀더를 추가 설치하였다. 공조기에는 두 개의 서로 다른 크기의 미세먼지 필터 를 설치하였고, 두 필터의 형상과 성능은 동일하다. 공 조기 흡입구 크기에 따라 일부 시내버스에는 한 개의 필터만 설치하였다. 필터는 스펀본드와 멜트블로운 부직포를 합지하여 절곡한 후 측면을 엣지밴딩 가스 켓으로 처리한 형태이며, 측면 기밀제는 없다. 필터의 상세사양은 Table 1에 정리하였다.

버스 공조기의 풍량은 운전자가 조정 다이얼을 이 용하여 1~4단계로 조절할 수 있으며 본 실험에서는 냉온 기능은 끄고 실험하였다. 각 운전모드 별 풍량 은 풍량계(VT200, KIMO Co., Ltd., France)와 이의 부 속 지그를 이용하여 공조기 토출부에서 배출되는 공 기 유량의 합으로 측정하였다.

2.2 필터의 입자제거 성능평가

필터의 성능평가는 ANSI/ASHRAE 52.2 규격*에 따 라 진행하였다. Fig. 2와 같은 윈드 터널에 미세먼지 필 터를 설치한 후 필터의 통과 전후의 입자농도를 측정 하고 식 (1)에 따라 입자 제거효율을 계산한다. 윈드 터널에는 ULPA 등급의 프리필터, 입자 계수기(HCT Inc., PPC-3100, Korea), 정압 측정기, 그리고 실험 입자 공급기가 설치되어 있으며 터널 내 공기 선속도는 팬 과 모터의 회전수에 따라 자동으로 조절할 수 있다. 실험 입자인 중성화된 KCl을 압축기를 이용하여 청 정공기와 함께 터널내부로 공급되며, 입자 계수기는 0.35~10 μm 크기 입자의 계수 농도를 측정하고 프로 그램이 자동으로 입자의 무게 농도로 변환한다. 본 실 험에서는 터널의 필터홀더의 크기 제한으로 인해 미 세먼지 필터의 길이를 500 mm으로 제단하여 Table 2 의 실험조건에서 실험하였다.

필터의 입자제거효율, η은 아래의 식 (1)으로 계산 된다.

여기서, C는 KCl 계수농도[# of particles/m³] 및 무게농 도(PM_2.5)[μg,/m³], 그리고 아래 첨자 in, 그리고 out은 각각 필터의 전과 후를 의미한다.

2.3 버스 공조기의 청정화 성능평가

버스 공조기의 청정화 성능 평가를 위해 향(Lotte aluminum, S. Korea)의 연소에 의해 발생하는 입자를 실험입자로 사용하였다. 향을 버스 객실의 후면 벽으 로부터 1.5 m 위치 바닥에 놓고 30 cm 앞에 순환팬을 설치하여 발생한 실험입자가 순환팬으로 객실 전면 부 방향으로 골고루 퍼질 수 있도록 하였다. 농도 측 정을 위한 입자 계수기(11D, Grimm-Aerosol Technik, Germenay)는 실내 중앙에 설치하였고, 공기 샘플링 지점은 지면으로부터 높이 1.5 m이다. 실험 전후, 객 실 정화를 위해 버스의 전면 창과 후면 창 바로 앞에 두 개의 공기정정기를 설치하고 객실 중앙을 향하도 록 배치하였다. 실험 장치 배치의 개략도는 Fig. 3과 같 다. 버스의 출입구를 모두 닫은 후 객실 내 PM_2.5가 5 μg/ m³ 이하가 되도록 정화한 후, 두 개의 청정기를 모두 끄고 실험 입자를 발생시킨 후 순환기를 가동하였다. PM_2.5를 약 100 μg/m³로 조성한 후 순환기를 끈 후 입 자 농도가 안정화되면 20분간 자연감쇄 실험을 진행 한다. 해당 공정이 끝나면 객실의 PM_2.5를 다시 5 μg/ m³ 이하가 되도록 하고 이전의 감쇄실험과 동일한 순 서로 입자농도를 약 100 μg/m³로 조성한 후 공조기를 켠 상태로 20분간 운전감쇄 실험을 진행한다.

공기청정기와 공조기의 성능을 비교하기 위해, 버 스 전면 창문에서 약 1.5 m 떨어진 곳에-버스 운전석 뒤-가정용 청정기를 중앙을 바라보게 설치하였다. 위 에서 설명한 것과 동일한 방법으로 청정기에 의한 청 정화 성능을 진행하였다. 실험이 끝나면 공기청정기 를 뒷창문에서 약 1.5 m 떨어진 곳에 설치하고 다시 청정화 성능평가 실험을 진행하였다. 실험에 사용한 공기청정기는 28 m³ 크기의 밀폐 챔버에서 0.3 μm 크 기의 KCl에 대해 3.4 m³/min 청정화 성능을 갖춘 제품 이다.

공조기의 청정화 성능(CADR), P[m³/min]은 아래의 식 (2)로 계산한다.

여기서, V는 버스 실내 부피(57 m³), C는 PM_2.5 [μg/ m³], 첨차 N와 R는 각각 자연감쇄와 운전감쇄를, 그 리고 i와 t는 각각 실험 초기(0 min)와 시간 t 분을 의 미한다.

3. 결과 및 고찰

3.1 필터의 입자제거 성능

미세먼지 필터의 입자제거 성능평가는 선속도 1.0, 1.5, 그리고 2.0 m/s 조건에서 진행했으며 그때의 결과 는 Fig. 4에 나타냈다. 윈드 터널의 입자 계수기로 측 정 가능한 가장 작은 크기인 0.35 μm 입자에 대해 필 터의 제거효율은 선속이 1.0, 1.5, 그리고 2.0 m/s에서 각각 91%, 88%, 그리고 78%를 나타냈다. 입자크기가 커짐에 따라 제거효율이 증가하였으며, 선속 1.0 m/s 에서 1.14 μm보다 큰 입자, 선속 1.5 m/s에서 1.88 μm 보다 큰 입자, 그리고 선속 2.0 m/s에서 2.57 μm보다 큰 입자 제거효율이 99%를 초과했다. 제거율이 99% 미 만의 결과를 갖는 구간에서, 동일크기의 입자에 대해 선속 1.5 m/s과 2.0 m/s에서 제거효율의 차는 선속 1.0 m/과 1.5 m/s에서 차에 비해 크며, 전자가 5~13%, 그 리고 후자가 1~3%이다. 즉, 속도가 커질수록 입자 크 기가 작을수록 급격히 제거효율이 낮아짐을 알 수 있 다. 실험결과에 따르면 필터는 MERV15 등급에 해당 하며 선속 1.0, 1.5, 그리고 2.0 m/s에서 PM_2.5 제거효율 은 각각 97.6%, 97.9%, 그리고 95.2%이고 PM₁₀ 제거효 율은 각각 99.5%, 99.6%, 그리고 99.3%이다. 필터의 정 압은 선속 1.0, 1.5, 그리고 2.0 m/s에서 각각 13, 23, 그 리고 34 mmH₂O로 나타났으며, 선속이 0.5 m/s 씩 증 가함에 따라 정압은 10 mmH₂O 씩 선형 증가했다. 하 지만, 실험 선속을 일정 이상 빠르게 한다면 정압의 증가 형태는 선속 증가에 따라 지수형으로 증가할 수 도 있다(Xu, 2019).

3.2 버스 공조기의 청정화 성능

실험 전 미세먼지 필터가 없는 공조기의 운전으로 부유 미세먼지가 객실과 공조기 유로의 벽면으로 침 착하여 감쇄되는 정도를 실험하였고, 해당 조건에서 공조기 운전감쇄 효과는 무시할 정도로 작았다.

시내버스에서 미세먼지 필터를 설치한 공조기와 가 정용 청정기의 청정화 성능 결과를 Table 3과 Fig. 5에 정리하였다. PM_2.5에 대한 공조기의 청정화 성능은 운 전모드 1에서 12.7 m³/min으로 가장 낮고 풍량이 증가 함에 따라 운전모드 4에서 23.2m³/min으로 가장 높다. 이는 공조기 풍량 증가에 따라 정화된 공기의 객실 내 순환 속도가 증가하기 때문이다(Kim et al., 2011). 청 정기의 single-pass 제거효율*은 장치가 단일 공기 회 전으로 얼마나 좋은 효율로 정화하느냐를 나타내는 데(Kim et al., 2012;Shiue et al., 2019), 공조기의 효율 은 운전모드 1, 2, 3, 그리고 4로 풍량이 증가함에 따라 각각 0.71, 0.65, 0.56, 그리고 0.50으로 점점 감소한다. 공조기 입구에서 흡입 공기의 선속이 약 1.0~2.5 m/s 수준이고 미세먼지 필터가 선속 1.0~2.0 m/s에서 PM_2.5 제거효율이 95.2% 이상임을 고려할 때 공조기의 singlepass 제거효율이 낮음을 알 수 있다. 이는 공조기가 객 실 내 공기를 효율적으로 순환하지 못하거나 Fig. 6에 서 나타난 것과 같이 흡입 공기 일부가 필터를 거치 지 않고 토출되어 나타난 결과로 판단된다.

동일 버스 객실에서 진행한 PM_2.5에 대한 가정용 청 정기의 청정화 성능은 3.3 m³/min이며 이때의 singlepass 제거효율은 0.88이다. 청정기의 제거효율이 공조 기의 효율에 비해 높은 것은 Fig. 6과 같이 청정기 HEPA 측면에 EPDM† 실링을 사용하여 필터와 홀더 사이로 틈 사이에 발생할 수 있는 공기유출을 막기 때문이다. 공조기의 청정화 성능과 효율은 각각 청정기의 3.3~7.1 배, 그리고 0.56~0.81배이다. 이는 공조기가 청정기에 비해 시스템의 단일 흡입 공기 입자의 제거효율은 낮 지만 풍량이 높아 공기 순환속도가 빠르고 객실 내에 골고루 분포된 공조기 토출구를 통해 정화된 공기가 배출되어 청정화 속도를 높일 수 있다고 판단된다. 즉, 공조기는 높은 청정화 성능을 갖기 때문에 실제 운행 하는 시내버스의 미세먼지 저감에 상당한 효과를 가 져올 수 있을 것으로 예상된다. 이와 관련하여, 서울 시는 2018년 12월 운행하는 버스에서 미세먼지 필터 를 공조기에 적용했을 때 미세먼지 개선 효과가 약 40% 에 이른다고 밝혔다(Seoul, 2019).

4. 결 론

본 실험을 통해 서울시 시내버스에 도입한 미세먼 지 필터와 해당 필터를 적용한 공조기의 입자 제거성 능을 평가했다. 필터는 0.35 μm 크기의 입자에 대해 선속 1.0, 1.5, 그리고 2.0 m/s에서 각각 91%, 88%, 그리 고 78% 제거율을 가지며, 입자가 커질수록 제거효율 이 증가하다 일정 크기보다 크면 제거율이 99%를 초 과한다; 선속 1.0, 1.5, 그리고 2.0 m/s에서 각각 입자크 기가 1.14 μm, 1.88 μm, 그리고 2.57 μm보다 클 때. 실 험 결과는 필터가 MERV15 등급에 해당하며 해당 등 급은 학교에서 대기 미세먼지 고농도 시기에 선택적 으로 사용을 권하는 수준*이다(MOE, 2019). 선속 1.0 m/s에서 필터정압은 13 mmH₂O이며 선속 1.0~2.0 m/ s 사이에서 선속 0.5 m/s 빨라질 때 정압은 10 mmH₂O 씩 선형으로 증가한다. 선속 1.0, 1.5, 그리고 2.0 m/s에 서 필터는 PM_2.5과 PM₁₀에 대해 각각 97.6%와 99.5%, 97.9%와 99.6%, 그리고 95.2%와 99.3%의 제거효율을 가진다.

57 m³ 크기 객실의 시내버스에서 미세먼지 필터를 설치한 공조기의 청정화 성능을 진행했다. 운전모드 1, 2, 3, 그리고 4단에서 풍량과 PM_2.5에 대한 청정화 성 능은 각각 17.9 m³/min와 12.7 m³/min, 25.4 m³/min와 16.6 m³/min, 33.6 m³/min와 18.7 m³/min, 그리고 47.1 m³/min과 23.3 m³/min이다. 가정용 청정기로 동일 실 험을 진행했을 때 풍량과 청정화 성능이 3.7 m³/min 과 3.3 m³/min이다. 공조기는 청정기에 비해 풍량은 4.8~12.7배 크고 청정화 성능은 3.8~7.1배 크다. 이는 전자가 후자에 비해 빠른 속도로 객실 내 공기를 회 전하고 정화된 공기의 배출구가 객실 내 골고루 분포 하여 더 빠른 속도로 실험입자를 제거하지만 singlepass 제거효율이 낮기 때문이다.