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ISSN : 1738-4125(Print)
ISSN : 2287-7509(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.10 No.1 pp.11-25
DOI : https://doi.org/10.11597/jkosie.2013.10.1.11

에어컨용 공기청정기를 포함한 중대형 공기청정기의 청정화능력 평가방법 분석

강지수1),2),한방우1),2)*,김학준1),김용진1),원효식3)
1)한국기계연구원 환경에너지기계연구본부, 2) UST 환경에너지기계공학, 3)엠에프테크 개발사업부

Analysis on Performance Test Methods of Particle Cleaning Capacity for Large-scale Air Cleaners including Air Conditioners

Bangwoo Han1),2)*, Ji-Su Kang1),2),Hak-Joon Kim1),Yong-Jin Kim1),Hyosig Won3)
1)Environmental and Energy Systems Research Division, 2)Korea Institute of Machinery & Materials (KIMM)
3)R&D Department, MFtech Co.
Received 16 November, 2012 ; Revised 1 February, 2013 ; Accepted 3 March, 2013

Abstract

As indoor air cleaners have large sizes and high air flow rates, the test methods for particle cleaning capacityneed to be reconsidered because the prescribed test chamber size becomes relatively smaller. In thisstudy, air flow rate of air cleaners compared to test chamber size (Q/V) has been investigated by comparingthe short-circuit factor which indicates the air mixed condition in the test chamber. The test method ofKorea Air Cleaning Association (KACA) has been analysed and compared to that of Association of HomeAppliance Manufacturers (AHAM) for clean air delivery rate (CADR) of two household air conditionersequipped with air cleaners having a maximum air flow rate of 15 m3/min in terms of initial particle concentrations,neutralized/non-charged particles, delay time before acquiring initial particle concentration, samplingpositions. Constant short-circuit factor of about 0.9 was obtained in the range of Q/V less than 0.73min-1. CADR based on KACA test method was somewhat dependent on initial particle concentrations, delaytime before acquiring initial concentration, sampling positions. However, CADR based on AHAM test methodwas less dependent. Two or three minutes of delay time before acquiring initial concentration was necessaryto reduce the variation of CADR according to initial particle concentration and sampling position.

페이지_ 10권1호_통권-3.pdf458.5KB

1. 서론

산업화와 도시화 이후 각종 건축물에서 에너지 절약 및 효율을 높이기 위해 단열화 및 밀폐화가 강화됨에 따라 실내에서 발생된 오염 공기가 계속적으로 순환되면서 실내 공기의 질이 악화되고 있다(Logue et al., 2011). 외부에서 실내로 유입되는 오염물질 외에도 실내 건축 자재 또는 가구 등에서 배출되는 유해 오염물질로 인해 실내 오염물질의 농도는 지속적으로 증가하고 있으며, 도시생활 환경에서 사람들의 실내 거주 시간이 하루 시간의 80-90%에 이르기 때문에 실내 오염원에 노출될 확률이 매우 높아지고 있다. 이처럼 외부환경과 차단되어 실내 오염물질의 외부배출이 제한적인 실내 환경 에서 실내오염물질의 저감을 위해 공기청정기의 사용이 급증하고 있으며(Shanghnessy and Sextro, 2006), 특히 최근 들어 에어컨용 공기청정기와 같이 청정기가 대형화되는 추세를 보이고 있다. 이와 같은 공기청정기의 대형화 추세 및 보급 확대에 따라 기존 공기청정기의 청정화능력 성능 시험방법 및 시험 챔버 크기 등을 개선해야 할 필요성이 논의되고 있다.

미국 AHAM(Association of Home Appliance Manufacturers) 규격(ANSI/AHAM AC-1-2006)에서는 28.5 m3 시험 챔버에서 최대 12.74 m3/min 의 입자 청정화능력(clean air delivery rate, CADR) 이하의 공기청정기에 대해서만 규격을 적용할 수 있다고 명시되어 있고 KS 규격(KS C 9314 : 2009)에서도 30 m3 시험 챔버에서 정격 미세먼지 제거능력(입자 청정화능력)이 13.0 m3/min 이상의 경우 "> 13.0 m3/min" 으로 표시하는 것으로 규정되어 있다. 이는 제한된 챔버 크기에서 시험입자 초기농도의 최대값과 시험 후 최소 농도값, 배경 자연감소율, 최소 시험시간 등이 고려되어 12.7-13.0 m3/min 이상의 청정화능력을 갖는 공기청정기는 통계적으로 수긍할 만한 데이터를 얻을 수 없다고 판단하였기 때문이다. 특히 최근의 에어컨용 공기청정기의 경우 풍량이 20 m3/min에 이르는 것도 있어 풍량과 시험 챔버의 크기에 따른 청정화능력의 변화를 살펴봄으로써 기존 시험 챔버 크기 이상으로 시험 챔버의 확장의 필요성이 있는지 확인할 필요가 있다. 

한편 기존 한국공기청정협회(Korea Air Cleaning Association, KACA) 규격(SPS-KACA 002 -132, 2006)의 공기청정기 청정화능력시험은 시험 시 입자 초기 농도조건이 108 -101010개/m3 으로 농도 범위가 매우 광범위 하나, 대용량 공기청정기의 경우 시간에 따른 입자농도 감소량이 매우 크고 챔버 내의 공기 혼합 상태가 완전하지 않아 초기 입자농도에 따른 성능 차이가 발생할 수가 있으므로 이에 대한 분석이 필요하다. 풍량 15 m3 /min 이상의 에어컨용 공기청정기의 경우 흡입구 및 토출구 유로 형식 및 방향이 다양하므로 챔버 내의 샘플링 위치에 따른 특성 파악도 필요할 것으로 판단된다. 또한, 에어컨용 공 기청정기는 냉방능력 저하문제로 인해 집진 방식으로 기존의 필터식이 아닌 전기식을 사용하므로 시험입자의 하전 여부에 따른 특성 파악도 필요할 것으로 보인다. 

공기청정기 청정화 능력과 관련하여 기존 연구되었던 사례들을 살펴보면, Kim K.Y. et al. (2006)은 청정화능력 1-2 m3/min 성능을 가진 복합식 공기청정기에 대해 NaCl, 담배연기 및 바이오 에어로졸에 대한 청정화능력을 크기별로 비교하였고 물리적 에어로졸과 바이오 에어로졸의 청정화능력은 통계적으로 차이가 없는 것 으로 보고하였다. Kim Y.J. et al. (2006)은 국내 45대의 필터식, 복합식, 음이온식 및 습식 공기 청정기에 대해 풍량, 집진효율, 청정화능력 등을 비교하였고, 필터식 및 복합식이 음이온식이나 습식보다 청정화능력이 훨씬 우수하고 풍량 에 따라 0.9-5.7 m3/min의 범위 내에서 다양한 청정화능력을 나타내고 있음을 제시하였다. Kim et al. (2008)은 5 m3/min급의 청정화능력을 가진 공기청정기에 대해 미국 AHAM 규격과 국내 KACA 규격에 의한 시험방법을 이용하여 청정화능력을 비교하였고 입경이 증가할수록 포집효율이 상승하여 청정화능력이 우수해지고, 산출 입경구간으로 0.3 ㎛를 사용하는 KACA 규격보다 입경구간이 0.09-1 ㎛로 넓은 AHAM 규격의 청정화능력이 약 5% 정도 높게 산출되는 것을 확인하였다. 하지만 이와 같은 청정화능력 평가 및 분석 연구는 풍량 7 m3/min 이하 의 중소형 공기청정기에 대해 24-30 m3의 시험 챔버에서 이뤄진 것으로서, 풍량 약 15 m3/min 급 이상의 중대형 공기청정기에 대한 챔버 크기 및 시험조건에 따른 청정화능력 분석 연구 는 진행되지 않았다.

본 연구에서는 풍량과 시험 챔버 크기 변화에 따른 청정화 능력을 측정하고 집진효율과 풍량으로 예측하는 이론 청정화능력과 비교하여 특정 크기의 시험 챔버에서 측정 가능한 풍량 범위를 설정하도록 하였다. 또한 에어컨용 공기청정기에 대해 KACA 규격을 바탕으로 입자초기농도 변화, 하전제거장치 유무, 입자초기 농도 적용시간 및 샘플링 위치의 시험조건 변화에 따른 청정화능력 시험을 진행하였고 이를 AHAM 규격의 산출방식과의 차이점을 비교하여 대형 공기청정기 및 에어컨용 공기청정기에 대해 신뢰성 있는 CADR(Clean air delivery rate) 값이 산출 가능한 시험조건을 찾고자 하였다.

2. 실험방법

먼저 시험 챔버 크기에 따른 입자 청정화능력 성능 평가 영향을 살펴보기 위해 30 m3 와 8 m3  크기의 두 챔버에서 최대풍량 5.9 m3 /min, 16.3 m3 /min의 일반 필터식 공기청정기 4대(Air cleaner A, B, C, D)를 선정하여 A, B에 대해 풍량 단계 변화에 따른 그리고 C, D에 대해 최대 풍량에서 챔버 크기 변화에 따른 청정화능력을 산출하였다. 또한, 풍량 변화에 따른 단일패스 (one-pass) 집진효율을 측정하여 풍량과 집진효율의 곱으로 표현되는 이론 청정화능력과 비교 하여 주어진 시험 챔버에 대해 측정 가능한 풍량 범위를 산출하도록 하였다. 이를 토대로 30 m3 크기의 시험 챔버에서 풍량이 약 15 m3 /min 대인 일반적인 에어컨용 중대형 공기청정기로 두 대(Air conditioner A, B)를 선정하여 초기입자 농도별, 하전제거장치 유무별, 초기농도 적용시간별, 샘플링 위치별 청정화 능력을 평가하여 비교하였고, 이를 AHAM 규격에 의한 산출 방법과도 비교해 보았다. 본 연구에 사용된 공기청정기 4대와 에어컨용 공기청정기 2대에 대한 사양은 “Table 1”에 나타내었다. 

KACA 입자 청정화능력 시험방법은 SPS- KACA002-132 규격에 따라 일정 크기의 챔버에서 공기청정기를 가동시킬 때, 일정 시간 동안 의 입자 농도 감소량을 측정하는 시험으로서 공기청정기 운전에 의한 입자농도와 자연감소에 의한 입자농도를 측정하여 청정화능력을 산출한다. “Fig. 1”에서 보는 바와 같이 운전감소 입자농도 측정을 위해 체적 30 m3 시험 챔버(가로 4 m, 세로 3 m, 높이 2.5 m)에서 0.3 ㎛ 입자 크기 채널의 배경농도가 3×105 개/m3  이하가 되도록 유지한 이후 교반기로 충분히 교반을 시키면서 입자 농도가 108-1010 개/m3에 도달할 때 까지 시험 입자 공급장치(Atomizer; Model 3076, TSI, USA)로 KCl입자를 발생시켜 공급하며, 시험입자 공급이 종료된 후 챔버 벽면에서 5-10 ㎝, 바닥에서 75 ㎝ 위치에 설치된 공기청정기를 최대 풍량으로 운전시키고, 바닥으로부터 120 ㎝에 설치된 샘플링 튜브를 이용해 입자농도를 광학입자계수기(Aerosol Spectrometer; 1.109, Grimm, Germany)로 계측한다. 

또한 시험 시간은 0.3 ㎛ 채널의 입자농도가 그 채널의 초기 농도의 1/3이 되는 시점까지 수행하며, 자연감소 입자농도는 운전감소 입자농도 측정시험과 동일한 시험 조건에서 공기청정기를 운전하지 않은 상태로 운전감소 시험과 동일한 시간 동안 측정한다. 체적 V인 실내에서 환기가 없을 때 시간 t 경과에 따른 공기청정기에 의한 입자농도 C의 변화를 다음과 같이 표현할 수 있다(Sohn et al., 2002). 

 

여기서, P는 공기청정기의 입자 청정화능력 (m3/min)이고, 시간 t = 0일 때 챔버 내의 입자초기농도 C0 라고 하면 시간 t일 때의 입자농도를 Ct 라고 할 때 식 (1)의 미분방정식의 해는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 

하지만 공기청정기만의 입자 청정화능력을 정확하게 구하기 위해서는 공기청정기를 운정할 때의 청정화능력에서 챔버 내의 자연 감소에 의한 청정화능력을 빼줘야 하므로 다음 식과 같이 나타낼 수 있다. 

 

여기서, V는 시험 챔버의 체적 (m3), t는 공기청정기 운전 시 입자농도가 초기농도의 1/3에 도달하는 경과시간(min), C0,1 은 자연감소 시 측정개시점 t = 0에서의 평균입자농도(개/m3), Ct,1은 자연감소 시 측정시간 t에서의 평균입자농도 (개/m3), C0,2는 운전감소 시 측정개시점 t = 0에 서의 평균입자농도(개/m3), Ct,2는 운전 감소시 측정시간 t에서의 평균입자농도(개/m3)이다. 

AHAM 규격은 KACA에서 제정한 시험 규격과 동일한 시험 절차를 사용하나, “Table 2”와 같이 사용입자(아리조나 분진, 담배입자, 화분), 측정 입경 구간, 측정 시간 및 입자 청정화능력 계산방식에 차이가 있다. 즉, 다른 측정 입경 구간을 가진 세 가지 시험입자에 대해 공기청정기 가동 후(아리조나 분진, 화분) 또는 가동 후 2분 후(담배입자)부터 입자농도가 감소하기 시작하는 시점에서 운전 20분 후의 농도까지를 측정한다. 여기에서 체적 V인 실내에서 환기가 없을 때 시간 t 경과에 따른 공기청정기에 의한 입자농도 C의 변화는 다음과 같이 표현할 수 있다. 

 

여기서, i는 시간에 따른 입자농도 데이터 항의 수를 의미하고 따라서 Cti는 측정시간 tt(min) 에서의 입자농도(개/m3)를 나타낸다. k는 감소상 수(min-1)를 나타내며, 감소상수 k는 lnCti 와 ti 에 대한 단순선형회귀모형(simple linear regression analysis)의 최소제곱법(least square method)을 통해 아래의 선형 감쇄식으로부터 산출된다(Draper and Smith, 1981). 

 

여기서, SXY , SXX는 제곱합(sum of squares)으로서 다음과 같이 표현된다.

 

 

본 연구에서는 두 규격의 계산 방법에 의한 차이만을 비교하기 위하여 AHAM 규격의 시험 방법을 고려할 때 “Table 2”와 같이 시험입자 종류 및 측정 구간, 초기농도 범위를 CA규격과 동일하게 하고 청정화능력만을 식 (3)-(6)을 통해 산출하도록 하였다. 

Table 1. Air flow rates and test chambers of air cleaners and air conditioners.

Fig. 1. Schematic diagram of the particle cleaning capacity test of an air cleaner.

Table 2. Comparison of test methods of KACA, AHAM and this work.

3. 실험결과

3.1 시험 챔버 크기에 따른 청정화 능력 비교

공기청정기의 입자 청정화능력은 식 (7)과 같이 공기청정기의 풍량과 집진효율의 곱에 비례한다(Yu et al., 2006; Waring et al., 2008; Novoselac and Siegel, 2009). 

 

여기에서 η는 공기청정기의 단일패스 집진효율이고 Q(m3/min)는 공기청정기의 풍량이다. k는 측정된 입자 청정화능력(P)과 이론 청정화 능력(ηQ)의 비로 표현되는 혼합계수(short-cir- cuit factor)로서 시험 챔버 내의 청정 공기의 혼합 정도를 의미하고 있고 따라서 챔버 내에서 이상적으로 혼합될 경우 k는 1이 된다. 최근 5년간 필터식 및 복합식 공기청정기에 대해 입 자 청정화능력과 이론 청정화능력을 비교한 결과 공기청정기는 비례상수가 약 0.9에 가까운 값을 갖는 것으로 나타났다(Kim et al., 2012). 즉 집진효율이 90%이고 풍량이 16 m3/min인 공기청정기는 약 13 m3/min의 CADR 값을 갖고, 이러한 공기청정기를 30 m3의 시험 챔버에서 시험하였을 때 Q/V = 0.53 min-1에 해당한다고 볼 수 있다. 또한 참고로 20 m3/min의 대풍량의 공기청정기를 30 m3의 시험 챔버에 시험하였을 때 Q/V = 0.67 min-1이 된다. 8 m3 및 30 m3 두 개의 시험 챔버에서 Q/V의 변화에 따른 청정화 능력의 비례상수 값을 비교해 봄으로써 풍량과 시험 챔버 크기에 따른 청정화능력에 대한 영향을 살펴볼 수 있었다.

“Fig. 2” 는 다양한 시험 챔버 크기 대비 풍량 변화에 따른 혼합계수 k값을 보여주고 있다. Q/V값이 0.1 min-1 이상 및 0.73 min-1 이하 범위 내에서 k값이 약 0.9 근처에서 거의 일정한 값을 보이고 있다. 이는 0.1 min-1 ≤ Q/V ≤ 0.73 min-1인 범위에서는 시험 챔버 내의 청정공기의 혼합정도가 기존의 문헌의 공기청정기 시험에서의 결과와 유사하고 이론 청정화능력(η Q)으로부터 입자 청정화능력 추정이 가능하므로 안정적인 청정화능력 시험 가능 범위로 판단된다. 하지만 Q/V가 0.8 min-1 이상이나 0.05 min-1 이하의 경우에는 시험 챔버 크기가 풍량 에 비해 상대적으로 너무 작거나 또는 너무 커서 공기청정기에서 배출된 청정공기가 충분히 시험 챔버 내에서 혼합되지 못하고 샘플링되어 입자 청정화능력이 이론값을 초과하는 현상이 발생하므로 이러한 조건(시험 챔버 크기에 비해 풍량이 너무 큰 공기청정기를 시험하는 조건이나 너무 작은 공기청정기를 시험하는 조건)에서는 정확한 입자 청정화능력 평가가 어렵다는 것을 확인할 수 있다. 

“Fig. 2”의 회색으로 표현된 범위는 KS 규격 이나 AHAM 규격에서 인정하고 있는 범위(0.3 < CADR < 13 m3/min)를 집진효율(η) 0.9 (0.9 는 일반적인 필터식 공기청정기의 집진효율에 해당) 및 k값을 0.9로 가정할 때의 Q/V의 범위로 표현한 것이다.(즉, 0.01 < Q/V < 0.43 min-1) 본 연구에서 안정적으로 입자 청정화능력을 측정할 수 있는 Q/V의 범위가 KS나 AHAM이 규정하는 범위보다 다소 오른쪽으로 이동한 넓은 범위에 해당하는 것을 확인할 수 있다. 즉, Q/V 값이 0.73 min-1일 때 30 m3의 시험 챔버에서 최대로 적용가능한 시험풍량 Q값은 약 21.9 m3/min임을 알 수 있으며, 따라서 본 결과를 통해 기존의 30 m3 챔버에서 풍량 15-20 m3/min급의 에어컨용 공기청정기 청정화능력시험이 충분히 가능함을 확인할 수 있다. 한편, Q/V 값이 0.05 min-1 보다 작은 약 1.5 m3/min 이하의 소형 공기청정기는 30 m3의 시험 챔버에서 과대 해석될 수 있음을 보여준다. 

다음 절부터는 30 m3의 시험 챔버에서 약 15 m3/min 풍량의 2대의 에어컨용 공기청정기에 대해 다양한 시험 조건별로 청정화능력을 평가하도록 하였다. 

Fig. 2. Short-circuit factor according to different Q/V(air flow rate divided by test chamber size).

3.2 초기입자농도별 성능 평가

KACA 규격의 경우, 청정화능력 시험 시 입자 초기농도 조건이 108-1010개/m3으로 AHAM 규격의 담배입자가 2.4-3.5×1010개/m3인데 비해 농도 범위가 매우 광범위 하다. 초기입자농도 차이에 따라 입자 주입시간에도 차이가 있으며, 특히 대형 청정기의 경우 시험 챔버 내의 청정 공기가 오염공기와 충분히 혼합되지 않을 확률이 높으므로 초기 입자농도에 따른 성능 결과 차이가 있을 것으로 판단되어 농도별 성능 비교 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 초기 입자 농도 차이에 따른 청정화능력을 비교하기 위해 초기 입자 농도를 1×108개/m3, 5×108개/m3, 1×109개/m3로 하여 세 가지 조건에서 각각 시험하였다. “Fig.3”은 초기 입자농도 차이에 따른 두 대의 에어컨용 공기청정기의 공기청정화능력 성능 비교를 나타낸 것으로 두 제품 모두 시험 챔버 내의 초기 농도가 1x108개/m3에 서 1x109개/m3으로 증가 할수록 입자 청정화능력이 약 20% 정도 감소하였다. 이는 KACA 규격의 청정화능력 계산방법이 초기 농도 적용시간에 따른 편차가 큰 이유 때문으로 자세한 설명은 3.6절에서 다루도록 하겠다. 

Fig. 3. CADR of two air conditioners at different initial particle concentrations.

3.3 하전제거장치 유무에 따른 성능 평가

에어컨용 공기청정기는, 압력손실에 따른 냉방능력 저하문제로 공기청정 방식으로 주로 필터방식이 아닌 전기집진방식을 사용한다. 시험 챔버 내 입자 공급 시 입자발생장치에 있는 중화기(neutralizer)를 통해 중화된 입자가 들어가 도록 하지만, 중화된 입자 또한 완전히 하전을 손실한 입자가 아니고 평형하전분포(steady-state charge distribution)의 +극성과 -극성의 하전입자 의 개수가 유사한 상태로 존재하므로 상당 부분이 양극과 음극으로 하전된 입자로 남아있다 (Hoppel and Frick, 1986). 따라서 입자발생장치 후단에 내경 39.5 mm, 외경 49.5 mm 및 높이 725 mm의 원통형 전기집진기(cylindrical ESP)로 구성된 하전제거장치를 추가하고 고전압의 전기장을 인가하여 하전된 입자가 남아있지 않도록 한 상태에서의 시험을 추가하여, 입자 하전 제거장치 유무에 따른 청정화능력을 비교하였다. 공기청정기 가동 직전 초기 입자 농도는 3×108개/m3이며, 하전제거장치에 인가한 전압 은 12 kV이다.

“Table 3”은 하전제거장치 추가 유무에 따른 에어컨용 공기청정기 두 제품의 입자 청정화능력을 나타내고 있다. 중화기를 거친 뒤 하전제거장치를 통과하면 일부 하전된 입자가 제거되어 주입되는 농도가 낮아지므로 하전제거장치를 통과시킬 때에는 시험챔버에 공급시간을 충분히 길게 하여 하전제거장치 사용 전후의 시험입자 농도를 유사하게 만들었다. 청정화능력은 KACA 규격 계산 방식으로 산출하였다. Air conditioner A의 경우 하전제거장치를 추가하여도 청정화능력이 크게 영향을 받지 않았으며, Air conditioner B의 경우 하전제거장치를 추가 하였을 때 청정화능력이 약 5% 정도 감소하였다. 청정화능력 약 5% 감소는 20분 후 최종 농도가 2.14 x 107개/m3에서 2.38 x 107개/m3으로 초기농도대비 약 0.8% 증가하는 것을 의미하므로 그 차이는 미미하다고 할 수 있다. 따라서, 일반적으로 실내 입자도 일부 하전된 상태로 존재할 수 있으며, 본 실험 결과에서도 하전제거장치 유무에 따른 차이가 미미하므로 하전제거장치 추가 없이 기존의 입자 중화장치를 사용해도 전기집진식의 에어컨용 공기청정기를 평가하는데 별로 문제가 되지 않음을 알 수 있었다. 그렇지만 충분히 중화되지 못한 시험입자가 공급될 경우 전기집진식 공기청정기에서는 청정화능력이 과대해석 될 수도 있기 때문에 입자 중화장치의 점검은 매우 중요하다. 

3.4 초기농도 적용시간별 성능평가

“Fig. 4”는 에어컨용 공기청정기에 대해 다양한 풍량별로 KACA 규격 계산 방법으로 에어컨 가동 후 0분에서 10분까지 초기입자농도 데이터 수집시간을 지연했을 때의 CADR을 산출하고 AHAM 기준으로 계산한 CADR값과 비교한 결과이다. “Fig. 4”내의 수평 점선은 AHAM 기준의 CADR값을 나타내고 있다. 에어컨 가동 후 2분 또는 3분 후부터를 초기농도로 고려하였을 때 KACA규격의 CADR이 AHAM 기준 CADR값과 유사한 값을 나타내었다. 두 대의 필터식 공기청정기(Air cleaner A, B)에 대하여 동일하게 초기농도 적용시간별 CADR 변화값을 살펴본 결과에서도 2-3분 정도 데이터 수집시간을 지연시켰을 때 KACA의 CADR값이 AHAM 기준의 CADR값과 유사해지는 것을 확인할 수 있었다. 

Fig. 4. Changes of CADR with additional minutes before acquiring data after air conditioners turn on based on the KACA standard.

Table 3. CADR of two air conditioners for neutralized and non-charged test particles based on the KACA standard.

3.5 샘플링 위치별 성능평가

에어컨용 공기청정기는 풍량이 매우 높으며, 전단부 측면에서 유입되고 상단부로 배출되는 일반적인 공기청정기의 공기 유로 구조와는 달리 다양한 공기 유입 및 토출 유로를 갖고 있고 Air conditioner A와 같이 에어컨의 전단부로 공기가 토출되는 제품도 존재한다. 일반적으로 시험 챔버의 중앙에서 입자 샘플링을 하기 때문에 “Fig. 4”의 결과와 같이 전단부로 공기가 토출되는 Air conditioner A의 경우 청정화능력이 실제보다 높게 산출 될 수 있다. 이는 청정기를 통해 배출된 청정공기가 주변의 오염공기와 충분히 혼합되지 못한 상태에서 토출구 근처의 청정공기만을 지속적으로 샘플링하여 분석할 가능성이 높아지기 때문이다. 따라서 시험 챔버 의 중앙에서 샘플링한 결과 값을 중앙에서 각각 120 cm 떨어진 좌측 및 우측에서 샘플링한 결과 값과 비교해 보았다. “Table 4”는 air condi- tioner A에 대해 초기시간을 0분 또는 3분으로 고려했을 때 샘플링 위치에 따른 청정화능력을 비교하고 있다. 앞에서 언급한 것과 같이 air conditioner A의 경우 제품 전단부로 공기가 배출되어 초기농도를 에어컨 가동 후 0분으로 고려하였을 때 중앙 부분에서 측정한 결과가 좌측 및 우측에서 측정한 결과보다 약 25% 정도 높게 나타났다. 그러나 “Fig. 4”의 초기농도 적용시간별 비교 결과를 반영하여 초기농도를 3분 후부터 고려했을 때에는 중앙, 좌측 및 우측 에서 측정한 결과가 거의 유사한 값을 나타내 어 샘플링 위치에 따른 성능 차이가 거의 나타 나지 않았다. 이는 에어컨 또는 공기청정기를 가동시켰을 때 최종 풍량에 안정적으로 도달하고 시험 챔버 내에서의 공기 유동이 샘플링 위치에 상관없이 정상상태에 도달하는데는 최소 한 2-3분 정도 시간이 필요함을 보여준다. 따라 서 KACA 청정화능력 산출 시에 초기농도 고려 시간을 청정기 가동 후 2-3분 후로 적용할 필요가 있다.

Table 4. CADR of the air conditioner A at different sampling positions based on the KACA standard.

3.6 AHAM 계산 방식을 이용한 제품 청정화능력 평가

“Fig. 5”는 2대의 에어컨용 공기청정기의 동일한 시험결과에 대해 KACA 규격과 AHAM 규격으로 공기청정화능력을 계산 했을 때의 초기농도별 CADR 차이를 보여주고 있다. AHAM 계산방식을 이용해 산출한 결과도 KACA 규격의 계산 결과와 유사하게 초기 입자농도가 증가할수록 청정화능력이 감소하였으나, 농도 변화에 따른 감소율이 약 5% 정도로 KACA 방식에 비해 변화 값이 크게 나타나지 않았다. 이는 AHAM 규격의 경우 15개 이상의 충분한 데이터를 통계적 처리방법으로 감쇄기울기를 구하기 때문에 초기 입자농도 적용시간의 청정기 가동 후 1-2분 차이에 의한 영향이 크지 않으나 KACA 규격의 경우 초기 농도와 1/3 농도의 두 개의 농도비로만 계산하므로 시험 챔버 내 유동이 충분히 안정되지 않을 경우 초기 농도 적용 시점에 따른 차이가 클 수 있기 때문이다. 

“Table 5”는 두 에어컨용 공기청정기 제품의 하전제거장치 유무에 따른 CADR 성능을 AHAM 규격으로 계산한 결과를 나타내고 있다. KACA 규격의 결과와 유사하게 air conditioner A는 하전제거장치를 추가하여도 청정화능력이 크게 영향을 받지 않았으며, air conditioner B는 하전제거장치를 추가하였을 때 약 3% 정도 청정화 능력이 감소하여 KACA 규격에 의한 차이보다 다소 작게 나타났다. 

“Table 6”은 air conditioner A에 대해 샘플링 위치에 따른 청정화능력을 AHAM 규격으로 계산한 결과이다. AHAM 규격은 중앙, 좌측 및 우측에서 측정한 결과가 거의 유사한 값을 나타내어 샘플링 위치에 따른 성능 차이가 거의 없었고 KACA 규격의 초기농도 적용시간을 3분 지연시켰을 때의 계산 결과와도 거의 일치하였다. 

Fig. 5. CADR of two air conditioners at different initial particle concentrations based on KACA and AHAM standards.

Table 5. CADR of two air conditioners for neutralized and non-charged test particles based on the AHAM standard.

Table 6. CADR of the air conditioner A at different sampling positions based on the AHAM standard.

4. 결론

본 연구에서는 중대형 공기청정기에 대해 시험 챔버 크기 및 풍량 변화에 따른 청정화 능력 의 혼합계수를 측정하여 30 m3의 시험 챔버에서 측정가능한 풍량 범위를 분석하였다. 또한 에어컨용 공기청정기에 대해 다양한 시험조건 변화에 따른 청정화능력 시험을 진행하여 중대형 공기청정기 및 에어컨용 공기청정기에 대해 신뢰성 있는 CADR값 산출이 가능한 시험환경 을 찾고자 하였다. 

이상의 본 연구를 통해 얻을 수 있는 결론은 다음과 같다. 

1) 풍량과 시험 챔버의 크기비에 따른 안정적인 입자 청정화능력 시험범위가 0.05 ≤ Q/V ≤ 0.73-1min이고, 따라서 30 m3 의 시험 챔버에서 풍량 약 22 m3/min 이하의 중대형 공기청 정기의 청정화능력 시험이 가능함을 확인할 수 있었다. 그러나 본 연구에서 얻은 풍량 범위는 기존 규격보다 다소 넓은 범위의 적용 가능성을 보여준 결과이고 본 연구의 한정된 시험조건에서 도출된 것으로, 일반적인 값으로 수치를 규정하기에는 다소 제한적일 수 있다. 

2) KACA 규격의 경우 초기 입자농도가 높을수록 청정화능력이 낮게 산출되었다. 시험 결과의 재현성을 높이기 위해서는 현재 시험입자 농도 범위인 108-1010 개/m3 를 1-3×108 개 /m3  또는 1-5×108 개/m3 의 범위로 축소할 필요가 있을 것으로 보인다. 

3) 에어컨용 공기청정기는 공기 배출구 및 토출구 위치에 따라 샘플링의 영향을 받으므로 KACA 청정화능력 산출 초기농도 시점을 운전 후 최소한 2-3 분 후로 선정하여 산출할 필요가 있음을 알았고, 이를 고려하였을 때 AHAM 계산 결과와 거의 유사하였고, 샘플링 위치에 따른 영향도 미미하였음을 확인할 수 있었다. 

4) KACA 규격은 초기 입자농도 및 샘플링 위치 등의 시험 조건에 따른 청정화능력 결과 변화폭이 AHAM 규격에 비해 크게 나타났다. 따라서 KACA 규격의 경우에도 초기농도와 1/3 농도의 두 농도비의 단순 산술 계산 방식이 아닌 AHAM 규격과 같은 통계 계산 방식을 도입할 필요성이 높은 것으로 판단된다. 

감사의 글

This work was supported by “The Eco- Innovation project”, which is funded by the Korean Ministry of Environment. 

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