1. 서 론

실내 공기정화장치는 입자상과 가스상 오염물질을 제어하기 위해서 세 가지 원리가 적용된다. 오염물질이 제거된 공기를 실내로 공급하여 농도를 저감하는 희석(dilution), 에어필터와 배기구 등을 이용하여 오염물질을 집진 또는 배출하는 제거(removal), 실내 공간에서 희석과 제거를 연결해서 제어효율을 높이는 공기 순환 (circulation)이다. 따라서 실내 공간에서 오염물질에 대한 질량보존 방정식을 유도할 때는 세 가지 원리를 모두 적용해야만 한다. 이 세 가지를 원리를 적용하여 유도된 실내 오염물질 질량보존 방정식은 Noh and Yook (2016)의 논문에 잘 나와 있다.

실내 공간에서 공기정화장치에 대한 법규나 표준은 주로 필요 환기량, 환기횟수, 에어필터 효율, 청정화능력 등이 있다. 실내공기질 관리법에서는 다중이용시설에 대해 필요 환기량을 최소 25~36 m³/(인‧h)으로 규정하고 있다. 건축물 기계환기설비 설치기준에서는 30세대 이상의 공동주택에 대해 시간당 0.5회 이상의 환기가 이루어질 수 있도록 자연환기나 기계환기 설비를 설치하도록 되어 있다. 그리고, 환기설비에 설치된 에어필터는 A4를 입자 사용해서 질량법으로 누설률을 측정했을 때, 10% 이하로 유지할 수 있도록 명시하고 있다(KS B 6879, 2020). 한국공기청정협회의 실내 공기청정기 단체표준에서는 공기청정기의 청정화 능력을 적용면적으로 환산하여 제시하고 있다(SPSKACA002- 0132, 2022).

그러나, 이러한 공기정화장치에 대한 다양한 기준들은 소비자뿐만 아니라 전문가도 쉽게 이해하기 어려운 부분이 있다. 따라서 본 연구에서는 공기청정횟수 또는 입자청정횟수라고 하는 새로운 개념을 도입하여 실내 오염물질의 제어 방법에 대한 통합된 기준을 제시해 보고자 한다. 주택 및 교실의 실내 공간에 대해 실험한 결과와 이론을 활용하여 오염을 제어하기 위한 적정 입자 청정횟수 산정 방법을 제시하였다.

2. 연구 방법

2.1 공기청정횟수와 입자청정횟수

실내 공간에서 환기장치와 공기청정기의 성능평가는 청정화능력(Clean air delivery rate)으로 평가된다(Noh and Oh, 2015;Noh, 2015;Noh et al., 2024). 청정화능 력은 질량보존 방정식으로부터 유도가 가능하다(Noh and Yook, 2016). 청정화능력은 공기정화장치에서 특정 오염물질을 제거한 공기가 공급되는 풍량(m³/h)을 의미한다. 청정화능력은 오염물질 별로 또는 이를 평균화된 값으로도 표현이 가능하다.

이러한 청정화능력을 공기정화장치가 설치된 공간의 대상 체적으로 나눈 값이 공기청정횟수(h^-1)이다. 공기 청정횟수(Cleaned air changes per hour, CAH)는 환기 횟수(Air changes per hour, ACH)와 유사한 개념이고 단위도 같다. 하지만 공기청정횟수는 특정 오염물질이 제거된 공기의 공급 풍량을 체적으로 나눈 값이고 환기 횟수는 단순히 외기의 공급 풍량을 체적으로 나눈 값이다. 따라서 환기횟수는 오염물질의 외기 농도가 일정하거나 실내보다 매우 낮은 경우에 적용이 가능하다. 이산화탄소와 같은 가스상 오염물질은 환기횟수를 통해 실내 농도를 예측하는 것이 가능하지만 PM_2.5와 같은 입자상 물질이나 공단과 같이 특정 지역에서 외기 농도가 상대적으로 높은 오염물질이 존재하는 곳에서는 환기횟수로 실내 농도를 예측하는 것은 어렵다. 반면, 공기청정횟수는 공기정화장치에서 오염물질이 제거된 공기의 공급량을 의미하기 때문에 외기 농도와 공기정화 장치의 갯수에 관계없이 실내 농도를 예측할 수 있다.

공기청정횟수는 입자청정횟수(Particle cleaned air delivery rate, PCH)와 가스청정횟수(Chemical cleaned air delivery rate, CCH)로 구분된다(Noh et al., 2024). 입자청정횟수는 주로 PM_2.5를 대상으로 하고 가스청정 횟수는 유해가스(TVOC, HCHO)와 냄새를 대상으로 한다. 공기정화장치의 공기청정횟수를 소비전력으로 나눈 값을 사용하여 에너지효율도 측정할 수 있다. 이를 활용하여 탄소중립 관점에서 공기정화장치의 오염 물질 제거 특성을 파악할 수도 있다.

2.2 적정 공기청정횟수 산정

실내 오염물질에 대한 적정 공기청정횟수의 산정은 이론에 근거하여 다음 2개의 식에 의해 수행될 수 있다 (Noh et al., 2024). 식(1)은 오염물질의 농도가 실내보다 실외가 높은 경우에 적용할 수 있고 식(2)는 실내 농도가 실외 농도보다 높은 경우이다.

여기서, C_t는 오염물질의 목표농도(μg/m³), C_in은 초기 농도(μg/m³), ε 는 공기순환효과, CAH는 공기청정횟수 (회/h), ACH_inf는 침기횟수(회/h), t는 시간(h)이다. 일반 적으로 초미세먼지와 유해가스의 초기농도는 각각 실 외 농도와 유해수준 한계농도로 가정한다. 예를 들어, 초미세먼지(PM_2.5)와 TVOC의 초기농도는 각각 30 μg/ m³, 1,000 μg/m³, 목표농도는 각각 10 μg/m³, 300 μg/ m³으로 가정할 수 있다. 침기횟수가 1회/h, 목표 시간이 30분이면, 공간에 대한 1차원으로 이론적으로 계산된 입자청정횟수(PCH)와 가스청정횟수(CCH)는 각각 3.2 회/h, 1.4회/h가 된다.

2.3 실험 방법

2.3.1 공동주택

적정 입자청정횟수를 산정하기 위해 10세대의 33평형 공동주택의 거실에서 공기청정기를 사용하여 입자 농도 감소 실험을 수행하였다. 공동주택의 거실과 주방은 하나의 공간으로 되어 있고, 체적은 약 82.5 m³로 측 정되었다. 실험입자는 창문을 열고 자연환기를 통하여 대기 중의 입자를 사용하였고, 창문을 닫은 후 공기청정기를 30분 동안 가동하면서 입자감소율을 측정하여 실환경에서의 청정화능력을 평가하였다. 공기청정기는 다양한 용량으로 인증받은 제품을 거실과 주방의 중간에 배치하여 실험하였다. 입자농도는 광학식입자계수기(optical particle counter)인 GRIMM사의 1.109를 사용하여 거실 중앙에서 측정하였다.

2.3.2 학교 교실

4개 학교, 20개 교실에서 입자감소율과 청정화능력을 측정하였다. 교실의 체적은 대체로 비슷하였고 약 190 m³이었다. 총 9개의 공기청정기 모델을 사용하였으며 교실에 따라 1대 또는 2대의 공기청정기를 설치 하였다. 사용한 공기청정기의 청정화능력은 9.9~21.3 m³/min 범위에 있으며 1대를 제외하고 13.0 m³/min 이상의 청정화능력을 갖는 공기청정기를 사용하였다. 공기청정기는 모델의 특성에 맞게 교실의 앞과 뒤의 모서리 부근, 교실 측면 또는 벽면에 배치하였다. 실험 입자는 출입문과 창문을 열고 자연환기를 시켜서 대기 입자를 사용하였다. 입자농도의 측정은 수업에 방해가 되지 않고 기류가 직접 닫지 않는 구역인 거실의 후면 중앙 부근에서 광학식 입자계수기(GRIMM, 1.109)를 이용하였다.

등교 이후부터 하교 시까지 별다른 통제 없이 최대한 자연스러운 상태에서 실험을 진행하였으며, 수업시간 동안만 출입문과 창문을 닫은 상태에서 진행되었다. 등교 시점 이후부터 하교 시점까지 약 6시간 동안 입자농도를 측정하였다. 실험은 2개의 교실에 대해서 동시에 진행하였으며, 1개 반은 공기청정기를 가동하지 않았고 또 다른 1개 반은 공기청정기를 가동하면서 입자 농도 경향성을 비교하였다. 적정 입자청정횟수 산정에서 중요한 기밀도는 블로우 도어법(ISO, 2015)을 이용하여 N50을 측정하였고, 대상 교실의 통상적인 침기횟수는 시간당 0.9~1.2회로 측정되었다.

3. 결 과

3.1 공동주택 적정 입자청정횟수

Table 1은 공동주택에서 PM_2.5 오염제어를 위해 공기청정기를 운전했을 때 측정된 청정화능력과 입자청 정횟수를 보여준다. 모든 실험 대상 거실에서 실측 청정화능력(Real CADR)이 인증 청정화능력(Certified CADR)보다 낮게 측정되었다. 공기청정기의 인증 청정 화능력의 평균값은 5.9 m³/min이었고, 실측 청정화능력의 평균값은 4.1 m³/min 이었다. 실측 청정화능력을 인증 청정화능력으로 나눈 비율이 공기순환효과이고 이 값은 약 0.7이었다. 이는 실환경 공간의 크기가 인증시험 챔버보다 크고 구조가 복잡하여 공기순환효과가 나빠지기 때문에 실환경에서 측정된 청정화능력이 챔버 측정 청정화능력보다 감소하는 것이다. 따라서 한국소비자원은 130%에 해당하는 적용면적을 사용하도록 권장하고 있고, 한국공기청정협회는 1.5배의 적용면적을 갖는 제품을 사용하도록 권장하고 있다.

실측 청정화능력을 체적으로 나눈 값이 Table 1에서 입자청정횟수를 침기횟수로 뺀 값(εPCH-ACH_inf)이 된다. 이 값의 평균은 3.0회/h로 측정되었다. 밀폐된 공동 주택에서 측정된 침기량을 약 0.3회/h, 공기순환효과가 0.7이고, 내부 초미세먼지 농도를 외부 농도 대비 약 30% 이하 수준으로 유지하는 것을 목표로 한다면, 적정 입자청정횟수는 식(1)에 의해 계산된 약 4.0회/h로 계산된다.

식(1)과 같이 공간을 1차원으로 가정해서 이론적인 적정 입자청정횟수를 계산하면 약 3.2회/h가 된다. 하지만 3차원 공간에서의 공기순환효과와 확대된 실환경 크기를 고려한다면, 이론값보다 높은 4.0회/h의 입자청 정횟수가 필요한 것이다. 이는 이전에 발표되었던 연구 결과들과 유사하다(Nazaroff, 2000;Shaughnessy and Sextro, 2006).

3.2 학교 교실 적정 입자청정횟수

Table 2는 등교 시점부터 하교 시점까지 수업시간 동안 측정한 실내외 농도비를 보여준다. 여기서, 실외 농도는 학교 주변의 대기환경측정 데이터이다. 공기청정기를 가동하지 않은 경우 PM_2.5의 실내외 농도비는 평균적으로 약 0.68 값을 보여주었다. 따라서 공기청정기를 가동하지 않고 문을 잘 밀폐하면 실내 PM_2.5 농도를 실외보다 낮게 유지할 수 있다. 이러한 결과는 PM_2.5의 오염원이 대부분 외부에서 유입된다 것을 의미한다. 반면, PM₁₀은 단순 밀폐 조건에서 실내외 농도비가 1.06으로 유사하게 측정되었다. 이러한 결과는 PM₁₀은 입경이 커서 외부 유입보다는 내부 발생이 주요 원인이기 때문이다(Han et al., 2019).

Fig. 1은 외기농도와 단순 밀폐 교실, 1대 운전 교실 또는 2대 운전 교실의 PM_2.5와 PM₁₀ 농도를 전체 교실 농도와 평균적으로 비교한 결과이다. PM_2.5는 공기청정기를 1대 또는 2대를 가동하는 경우, 단순 밀폐 조건에 비해 각각 61%, 77% 감소하였다. PM₁₀은 공기청정기를 1대 또는 2대를 가동하면 밀폐조건에 비해 각각 53%, 69% 감소하였다. 이러한 결과는 공기청정기의 운전이 교실 미세먼지 농도 감소에 매우 효과적이라는 것을 보여준다.

Table 3은 6대의 공기청정기에 대하여 인증 청정화능력과 실환경 청정화능력을 비교한 값이다. 실환경 청정화능력이 인증 청정화능력에 비해 평균적으로 약 76% 값을 나타내었다. 이러한 감소율은 공기순환효과에 기인한다. 밀폐된 교실에서 측정된 침기량을 약 1.0회/h, 공기순환효과가 0.76 이고, 내부 초미세먼지 농도를 외부 농도 대비 약 30% 수준으로 유지하는 것을 목표로 한다면, 적정 입자청정횟수는 식(1)에 의해 계산된 약 4.2회/h로 계산된다. 이 값으로부터 계산된 교실의 적정 청정화능력은 약 13.3 m³/min이다. 이는 현재 교육부에서 권장하고 있는 교실용 공기청정기 기준에 부합된다.

4. 고 찰

본 연구에서는 다소 생소한 공기청정횟수와 입자청정횟수라는 개념을 소개하였다. 이 개념은 필터링 효과를 고려하지 않고 풍량만을 고려했던 환기횟수보다 오염물질이 제거된 공기를 공급한다는 관점에서 명확하고 실내공간의 오염제어을 위해 필요한 청정화능력의 해석에 매우 유용하다. 따라서 추가적인 연구를 통하여 공기청정횟수와 이로부터 유도되는 공기정화장치(공기청정기, 환기장치)의 청정화능력을 실내 오염제어의 새로운 가이드라인으로 도입하는 것이 필요해 보인다.

본 연구는 공동주택과 학교 교실에서 공기정화장치를 사용하였을 때 요구되는 적정 입자청정횟수와 청정화능력이 얼마나 되는지를 이론적, 실험적 방법으로 검증한 것이다. 공동주택과 교실에서 초미세먼지 농도를 효과적으로 제어하기 위해서는 각각 4.0회/h, 4.2회/h 의 입자청정횟수가 요구된다. 이러한 수치는 공동주택과 교실에만 국한되는 것이 아니고, 사무실이나 학교 강당, 요양병원 등에서 수행한 연구에서도 유사하게 약 4.0회/h로 측정되었다(Noh, 2022).

코로나 이후 실내 공간에서 감염 전파의 감소에 대한 연구들이 많았고 환기횟수가 시간당 6회 이상을 만족하면 공학적인 관점에서 감염확률이 급격히 감소한다고 알려져 있다(Vartiainen et al., 2024). 여기서 말하는 환기횟수는 외기에 바이러스 등의 감염물질이 존재하지 않는다는 관점에서 공기정화장치의 공기청정횟수 (또는 입자청정횟수)와 동일한 개념이다. 따라서, 실내 공간에서 입자청정횟수가 시간당 6회 이상이면 된다. 그리고 다수의 공기정화장치가 실내 공간에 사용되고 서로 독립적으로 공기질 제어에 관여한다고 가정하면, 공기정화장치들의 공기청정횟수의 합이 시간당 6회 이상이면 된다.

이를 종합해 보면, 실내 공간에서 평상시 초미세먼지를 관리하기 위해서는 공기정화장치들의 입자청정횟수의 합이 4.0회/h 이상이면 되고, 코로나와 같은 오염물질의 감염시기에는 입자청정횟수를 6회/h 이상으로 관리하여 감염제어를 하는 것이 필요할 것으로 보인다.

5. 결 론

공동주택과 학교 교실에서 적정 입자청정횟수(또는 공기청정횟수)를 산정하는 연구를 수행하였다. 입자청정횟수는 미세먼지가 제거된 공기의 공급 풍량을 체적으로 나눈 값으로 기존의 환기횟수에 필터링 효과가 포함된 개념이다. 이론적으로 적정 입자청정횟수를 산정하는 방법을 제시하였고 이를 실험적으로 증명하였다. 공동주택과 학교 교실에서 초미세먼지를 효과적으로 제어하기 위한 적정 입자청정횟수는 각각 4.0회/h, 4.2 회/h로 나타났다. 일반적으로 공동주택과 학교 교실에서는 공기청정기와 기계식 환기장치가 같이 사용되는 경우가 많다. 이러한 경우 에너지 효율적인 운전을 위해서는 각 장치들의 적정 입자청정횟수를 고려하여 제어하는 것이 중요하다. 또한 코로나와 같이 감염이 우려되는 시기에는 입자청정횟수를 6.0회/h 이상으로 운전하여 공학적 관점에서 감염확률을 최소화하는 것이 필요하다.