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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.19 No.1 pp.58-65
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2020.19.1.58

Field method to evaluate particulate matter removal efficiency of heat recovery ventilation systems for apartment buildings

Ye-Lim Jo, Jong-Il Bang, Minki Sung*
Department of Architectural Engineering, Sejong University
*Corresponding author Tel : +82-2-3408-4037 E-mail : mksung@sejong.ac.kr
16/02/2020 27/03/2020 27/03/2020

Abstract


Recently, the importance of air filters used in air purifiers and ventilation systems is emphasized in Korea. As a result, air filter test reports are required by users to ensure the removal efficiency of particulate matter. However, the tests are conducted for the filter material alone, which lead to a possible discrepancy between the test report and actual efficiency when applied to actual devices. Therefore, in this study, the removal efficiency data of the filter test reports were compared with actual filter efficiency data after application to the ventilation systems for some ventilation systems in the market. For ventilation system A, the field test results using filter leakage test method were slightly lower than those in the test report but nearly the same. For ventilation system B, the field test result was much higher than reported in the test report. This was due to the broad range of particle sizes measured using the filter leakage test method. The field tests using the particle counter method showed that the removal efficiency of ventilation system A for 0.3 μm was under 50% which translates to less than half of those of the filter test reports. For ventilation system B, the removal efficiency was 15%~21%. much lower than reported in the filter test reports. The lower removal efficiencys are mainly assumed to be caused by leakage of the filter installation among other factors. Therefore, the field test methods for the particulate matter removal efficiency of ventilation systems should be established to verify actual efficiency and improve the efficiency in the future.



공동주택용 열회수 환기장치의 미세먼지 제거 성능 현장 평가 방법

조 예림, 성 민기, 방 종일*
세종대학교 건축공학과

초록


    Korean Association of Air Conditioning Refrigerating and Sanitary Engineers
    © Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1. 서 론

    최근 우리나라에서는 수도권뿐만 아니라 전국적으로 황사, 미세먼지 문제가 심각해지고 있으며, 이로 인해 실내공기질에 대한 관심이 증가하고 있다. 대다수의 사 람들이 쾌적한 실내공기질을 위해 창문개폐와 같은 자 연 환기를 하지만, 대기 중 오염물질로 인해 사실상 자 연 환기가 매우 어렵기 때문에 공기청정기나 환기장치 등의 기계식 환기를 도입하는 추세이다. 건축물의 설비 기준 등에 관한 규칙에 의하면 100세대 이상의 공동주 택이나 주택을 주택 외의 시설과 동일건축물로 건축하 는 경우로서 주택이 100세대 이상인 건축물에는 기준 환기횟수를 충족시킬 수 있도록 자연환기설비 또는 기 계환기설비를 설치해야 하며 일정 성능 이상의 미세먼 지 제거 필터를 설치하도록 하고 있다. 이에 따라 미세 먼지 제거 필터의 중요성이 대두되고 있어 최근에는 고성능 필터도 많이 적용하고 있다. 필터는 KS B 6141의 규격에 따라 시험 기관을 통한 성능시험을 거 쳐 필터 소재에 대한 시험 성적서를 발급받고 있으나, 환기장치의 풍량, 정압손실, 열 교환 효율, 누설를 등을 평가하는 KS B 6879와 개별적으로 시험이 이루어지 고 있어 실제 환기장치에 필터를 적용했을 때의 성능 을 알 수 없으며, 본체와 필터 간의 누설 등으로 인해 발생할 수 있는 미세먼지 제거성능의 저하 가능성이 배제되고 있다. 이러한 문제는 사용자가 인지하는 환기 장치의 미세먼지 제거 성능과 시험성적상의 성능과의 격차를 발생시킬 수 있으며 환기장치 성능의 신뢰성을 떨어뜨리는 요인이 되고 있다.

    필터의 성능시험과 관련하여 Jeon and Kim (2015) 은 습도, 초기 미세먼지 농도, 유속의 세 가지 변수에 따른 필터의 미세먼지의 제거 특성에 대해 실험하였으 나 환기장치에 설치된 필터가 아닌 필터 소재의 성능 만을 대상으로 하였다. Lee et al. (2017)도 공기청정기 사용량이 많은 국내에서 라돈에 대한 관심이 증가하여 라돈기체를 저감할 수 있는 필터의 성능을 평가할 수 있는 시스템을 제작하였으나 마찬가지로 필터 소재에 대한 성능만을 대상으로 하였다. 필터가 장착된 환기장 치에 대한 실험으로는 Hwang et al. (2005)의 연구에서 UV-광촉매 필터와 다양한 기술이 적용된 저온플라즈 마-UV광촉매 필터 하이브리드 공기청정시스템을 설계 및 제작하여 환기 시스템에 적용시켜 챔버 내부에서 성능평가를 진행하였으나 실험용 챔버가 갖춰진 실험 실에서만 가능한 시험방법이었다. 이러한 연구들은 개 발된 필터 소재의 성능 평가에 적합한 시험방법을 적 용하였으나 필터가 적용된 환기시스템의 현장 성능평 가까지는 이어지지 않았다.

    따라서 본 연구에서는 기존의 필터의 소재만을 대상 으로 한 시험방법이나 필터가 장착된 환기장치의 미세 먼지 제거 성능을 실험실에서 평가할 수 있는 방법이 아닌 환기장치가 설치된 현장에서도 실시할 수 있는 평가방법을 검토하고 이러한 평가방법의 필요성과 적 용 가능성을 살펴보았다.

    2. 연구방법

    2.1 필터의 누기 시험 방법을 이용한 실험

    첫 번째 실험은 클린룸에 설치되는 헤파 필터의 누 기 시험 방법을 이용하여 필터가 장착된 환기장치의 미세먼지 제거 성능을 파악하였다. 헤파 필터의 누기 시험은 수술실이나 클린룸과 같은 현장에 설치된 헤파 필터의 상류측에서 DOP (Dioctyl Phthalate)나 PAO (Poly Alpha Olefin) 입자를 발생시키고 하류측에서 입 자의 투과율을 측정함으로써 누기를 확인하는 방법으 로 필터 여재의 성능뿐만 아니라 현장 설치시 발생할 수 있는 여재의 손상이나 프레임의 누기 등을 확인할 수 있다. 실험은 시중에서 구입한 A사의 바이패스가 가능한 모델과 바이패스 불가능한 모델 각각 1대씩, B 사의 바이패스가 가능한 모델 1대인 총 3대의 환기장 치를 대상으로 하였다. A사의 제품에는 헤파 필터가, B사의 제품에는 중성능 필터가 장착되어 있었으며 정 격 풍량은 모두 A사의 제품은 200 CMH, B사의 제품 은 150 CMH였다.

    환기장치의 Fig. 1, 2와 같이 OA, SA측에 덕트를 연 결하고 PAO 발생과 배출을 위해 OA 덕트는 실내, SA 덕트는 실외를 향하도록 창문에 인접하게 설치하였다. Fig. 3과 같이 OA측에서 Aerosol Generator (ATI, 미국) 를 이용하여 PAO 입자를 발생시키고 필터 상류측인 OA측과 하류측인 SA측에 Digital Aerosol Photometer (ATI, 미국)의 스캐닝 프로브를 설치하여 누기율을 측 정하였다. 세 가지 모델 모두 풍량은 최대로 가동하였 고 1초 단위로 2분 동안 측정한 후 필터의 시험 성적서 의 미세먼지 제거 효율과 비교하였다. 바이패스가 가능 한 두 가지 모델은 바이패스 기능을 사용하지 않았다.

    2.2 미세먼지 입경분포 측정을 통한 실험

    두 번째 실험은 공기 중 미세먼지를 대상으로 필터 가 장착된 환기장치를 통과하기 전과 통과한 후의 입 경분포 측정을 통해 미세먼지 제거 효율을 측정하는 방법이다. 실험대상 환기장치 모델은 이전과 동일하고, 필터는 제거하지 않고 장착시킨 상태로 실험을 진행했 으며 측정 당시 실내 평균 온습도는 각각 21.7°C와 21.3%였다. 별도의 입자를 발생시키지 않고 실내공기 중 미세먼지가 OA덕트를 통해 유입되도록 하였으며, 이를 particle counter (9306 TSI, 미국)를 사용하여 0.3 μm, 0.5 μm, 1 μm, 3 μm, 5 μm, 10 μm의 총 6가지 입 경을 대상으로 환기장치의 미세먼지 제거 효율을 측정 하였다. 덕트는 이전 실험과 동일하게 Fig. 4, 5와 같이 OA, SA측에 연결하였고 OA 덕트는 실내, SA 덕트는 실외를 향하도록 창문에 인접하게 설치하였다. ISO 29462를 바탕으로 제작된 샘플링 프로브는 Fig. 6과 같이 덕트의 중앙에 위치하도록 삽입하였고 직경 12 cm의 실리콘 튜브를 이용해 프로브와 particle counter 를 수평으로 연결하였다. 그리고 OA측과 SA측에서 3 분씩 교대로 3번씩 상류인 OA측 입자 개수와 하류인 SA측 입자 개수를 측정해 필터의 제거 효율을 계산하 였다. 풍량이 최대일 경우와 최소일 경우 모두 동일하 게 진행하였으며 풍량계로 실측한 환기장치의 최대, 최소 풍량은 Table 1과 같다. 풍량은 각 송풍구에서 30초간 측정한 평균값을 사용하였으며, A사의 두 가 지 모델은 모두 최대 풍량과 최소 풍량 사이의 큰 차 이가 없었으며 최소 풍량도 정격풍량인 200 CMH를 초과하는 것으로 나타났다. B사의 모델도 정격풍량 (150 CMH)보다 높은 값을 나타냈으나 A사에 비해 최 대 최소 풍량의 차이가 있는 것으로 나타났다. 첫 번 째 실험과 마찬가지로 바이패스가 가능한 두 가지 모 델에 대하여 바이패스 기능을 사용하지 않고 실험을 실시하였다.

    3. 결 과

    3.1 필터의 누기 시험 방법을 이용한 실험 결과

    KS B 6141 (2002)의 계수법으로 시험한 시험성적서 상의 A사 헤파 필터의 미세먼지 제거 효율은 99.97% 였고, B사의 미디엄 필터는 동일한 방법으로 93%, 프 리 필터는 ASHRAE STANDARD 52.1의 중량법으로 시험한 결과 81.4%였다.

    Fig. 7은 PAO를 발생시키면서 Digital Aerosol Photometer로 측정한 Leakage 결과를 나타내고 있다. 상류 측의 농도로 calibration한 후 하류측의 농도를 측정하 여 누기율을 산출하였고 누기율로부터 제거 효율을 도 출하였다. Table 2와 같이 헤파 필터가 장착된 A사 환 기장치 두 대의 미세먼지 제거 효율은 각각 평균 99.44%, 99.74%필터가 장착된 B사 환기장치의 미세먼 지 제거 효율은 99.49%로 시험성적서보다 더 높은 값 을 나타로 시험성적서와 유사했으나 다소 낮게 나타났 고, 중성능 냈다. 그러나 환기장치의 바이패스 가능 여 부에 따른 미세먼지 제거 효율의 차이는 크게 나타나 지 않았다.

    3.2 미세먼지 입경분포 측정을 통한 실험 결과

    전반적으로 헤파 필터가 적용된 A사의 두 환기장치 의 미세먼지 제거 효율이 중성능 필터가 적용된 B사보 다 높게 나타났다. 필터 시험성적서의 성능시험에 사용 된 입경과 동일한 0.3 μm 크기의 입자를 대상으로 시 험성적서와 비교하면, A사의 바이패스 모델(A_bypassable) 은 Table 3과 같이 최대 풍량일 때 50.66%, 최소 풍량일 때 48.97%로 시험성적서 상 제거 효율 (99.97%)의 절반에 해당하는 낮은 효율을 보였으나 Fig. 8과 같이 입자의 크기가 증가함에 따라 제거 효율 또한 높아져서 10 μm에서는 99.65%의 제거 효율을 나 타냈다. A사의 일반 모델(A_non-by-passable)의 경우, Table 4와 같이 최대 풍량에서 43.95%, 최소 풍량에서 46.04%로 바이패스 모델과 마찬가지로 시험성적서의 절반에도 미치지 못하는 낮은 효율을 보였으며, 입자의 크기가 증가할수록 제거 효율도 높아져 Fig. 9와 같이 10 μm에서는 99.03%까지 높아졌다. A사의 두 모델을 비교하면 우선 최대 풍량에서는 Table 5에서와 같이 입경 5 μm를 제외한 나머지 입경에서, 최소 풍량에서 는 Table 6과 같이 10 μm를 제외한 나머지 입경에서 바이패스 가능한 모델의 제거 효율이 더 높았다. 이는 바이패스 구조에 의한 차이라기보다는 바이패스 모델 의 풍량과 일반 모델의 풍량이 달랐기 때문으로 판단 된다. 중성능 필터가 장착된 B사 환기장치의 경우, Table 7과 같이 0.3 μm의 입자에 대한 제거 효율이 최 대 풍량일 경우 15.12%, 최소 풍량일 경우 21.22%로 시험성적서 상의 제거 효율(93%)에 비해 현저히 낮은 것으로 나타났다. A사의 환기장치들과 동일하게 입자 크기가 커질수록 제거 효율이 높아져 10 μm에서는 98.98%까지 높아졌으나 1 μm 이하의 작은 입자에 대 해서는 제거 효율이 급속히 낮아지는 경향을 타나냈다. 또한, 0.3 μm, 0.5 μm의 작은 입경에서는 최소 풍량, 1 μm 이상의 입경에서는 최대 풍량에서 더 높은 제거 효율을 나타냈다.

    4. 고 찰

    필터의 시험성적서를 발급받기 위해서는 시험기관에 서 성능시험을 거쳐야 하기 때문에 본 실험에 사용된 필터들도 KS B 6141과 ASHRAE 52.1 규격에 따라 시험성적서를 발급받았다. KS B 6141 계수법의 경우 0.3 μm인 에어로졸을 함유하는 다분산 DOP 에어로졸 을 필터 상류측에서 발생시킨 후, 필터의 상류와 하류 에서 0.3 μm의 입자를 계수하여 제거 효율을 구한다. 필터의 누기시험을 이용한 실험에서는 중심입경이 0.227 μm인 PAO 입자를 발생시켜서 실험을 실시하였 으나 환기장치의 상하류측에서 측정한 것은 중심입경 뿐만 아니라 10 μm 이상을 포함한 넓은 범위의 입자의 질량을 측정하여 누기율을 구하는 방식이기 때문에 제 거 효율이 비교적 높게 나타난 것으로 판단된다. 특히 제거 효율이 93%인 중성능 필터를 사용한 B사의 환기 장치에 대해서도 99.49%라는 높은 제거 효율을 나타 낸 것은 이러한 원인이 컸던 것으로 보인다. 이에 따라 실내공기의 미세먼지 중 필터의 시험성적서 상의 입경 인 0.3 μm를 대상으로 두 번째 실험을 진행한 결과, 시 험성적서 상의 제거 효율의 절반 이하의 낮은 성능이 나타났다.

    이러한 결과의 가장 큰 요인으로는 필터가 환기장치 에 기밀하게 장착되지 않음으로써 발생하는 누기 등에 의한 것으로 추정된다. 환기장치 성능시험 중 누설율 평가에서는 환기(RA)와 외기(OA) 사이에서 일어나는 열교환소자 및 환기장치 자체의 누설율만을 대상으로 하고 있으며 필터의 누기는 고려되고 있지 않다. 또한 시험성적서 상의 성능은 필터 여재의 제거 효율이므로 실제 필터의 제작과정이나 제작 후 환기장치에 설치되 는 방식에서 이러한 성능 저하가 발생할 가능성이 크 다는 것을 시사한다. 또한 풍량에 따라 미세먼지 제거 효과가 달라지므로 필터소재 성능 시험용 풍량과 실제 환기장치의 풍량 차이에 의한 영향도 있었을 것으로 판단된다. 본 연구에서 프리 필터나 열교환 소자, 그리 고 환기장치와 덕트에의 침착 등은 따로 검토되지 않 았는데, 이러한 영향을 고려하더라도 필터의 미세먼지 제거 성능은 시험성적서만큼 발휘할 수 없는 것으로 판단된다. 다만, 본 연구에서는 이러한 성능 저하 요소 들이 환기장치의 미세먼지 제거 성능을 얼마나 저하시 키는지에 대한 평가는 이루어지지 않았는데, 향후 성능 저하 요소들에 대한 정량적인 평가를 통하여 환기장치 의 미세먼지 제거 성능을 향상시키는데 도움을 줄 수 있을 것으로 생각한다. 또한, 본 연구를 통하여 환기장 치가 설치된 현장에서 실제 미세먼지 제거성능을 판단 할 수 있는 시험 방법 제안의 필요성을 확인하였으며, 더 나아가 2016년에 제정된 ISO 16890와 같이 환기장 치 사용자들이 직관적으로 ePM2.5 및 ePM10와 같이 미세먼지 제거성능을 판단할 수 있는 지표를 제공하여 환기장치의 미세먼지 제거 성능을 신뢰할 수 있게 하 는 것이 필요하다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 필터가 장착된 환기장치를 대상으로 한 현장 실험방법을 검토하고 적용가능성을 살펴보기 위하여, 두 가지 방법을 이용하여 환기장치의 미세먼지 제거 효율을 측정하였고 필터의 시험성적서 상 미세먼 지 제거 효율과 비교함으로써 현장 실험의 필요성을 확인하였다. 결과를 요약하면 다음과 같다.

    • - 필터의 누기시험 방법을 이용한 실험에서는, 시험 성적서 상 99.97% 제거 효율을 갖는 헤파 필터가 장착된 A사 환기장치 두 제품의 경우 각각 99.44% (바이패스 불가능한 모델)와 99.74%(바이패스 모델) 로 바이패스 가능한 환기장치의 집진 효율이 조금 더 우수하였으나 두 제품 모두 시험 성적서보다 다 소 낮았다. 시험성적서 상 93% 제거 효율을 갖는 중성능 필터를 장착한 B사 환기장치의 경우 99.49%로 더 높은 결과를 보였으며 이는 PAO 입 자 발생기와 측정기의 입경범위가 큰 입경까지 포 함하고 있기 때문인 것으로 판단되었다.

    • - 미세먼지 입경분포 측정을 통한 실험 결과, 헤파필 터가 장착된 A사 환기장치가 중성능필터가 장착된 B사 환기장치보다 높은 제거 효율을 보였으나, 0.3 μm 입자에 대해서는 필터 시험성적서 상 성능의 절반 이하인 50.66%~43.95%로 낮게 나타냈다. B 사 환기장치의 경우 0.3 μm 입자의 제거 효율이 21.22%로 시험성적서 상 효율의 1/4에도 미치지 못했으나, 입경이 커짐에 따라 제거 효율은 높아져 10 μm에서는 93.98%까지 높아졌다.

    환기장치에 장착되는 열교환소자 및 필터는 소모품 으로써 쉽게 장착 및 제거가 가능해야 하기 때문에 본 체와 이들 사이에 누기 부위가 발생하기 쉬우며 필터 의 성능이 높아질수록 이러한 누기부위는 환기장치의 미세먼지 제거 성능을 떨어뜨리는 중요한 요소가 될 수 있다. 본 연구에서는 직접적으로 이러한 누기를 대 상으로 하지 않았으나 필터의 시험성적서와 필터가 장 착된 환기장치를 대상으로 한 실험 결과를 비교함으로 써 이러한 가능성이 높음을 제시하였다. 따라서 사용자 가 신뢰를 가지고 환기장치를 사용할 수 있도록 필터 가 장착된 환기장치를 대상으로 현장에서 시험 가능한 방법이 제안될 필요가 있을 것으로 본다.

    감사의 글

    이 논문은 2019년도 한국설비기술협회의 재원을 지 원을 받아 수행된 연구임.

    Figure

    JOIE-19-1-58_F1.gif

    Heat recovery ventilation system and scanning points.

    JOIE-19-1-58_F2.gif

    Experimental setup.

    JOIE-19-1-58_F3.gif

    Scanning probes and equipments.

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    Heat recovery ventilation system and sampling points.

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    Experimental setup.

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    Sampling probe.

    JOIE-19-1-58_F7.gif

    Leakage test graph during experiments.

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    Removal efficiency of model A_by-passable.

    JOIE-19-1-58_F9.gif

    Removal efficiency of model A_non-by-passable.

    JOIE-19-1-58_F10.gif

    Removal efficiency of model B by-passable.

    Table

    Measured airflow rate

    Comparison of removal efficiency between test reports and experiments

    Removal efficiency of model A_by-passable for 0.3 μm

    Removal efficiency of model A_non-by-passable for 0.3 μm

    Comparison of removal efficiency between model A_by-passable and model A_non-by-passable at maximum air flow rate

    Comparison of removal efficiency between model A_by-passable and model A_non-by-passable at minimum air flow rate

    Removal efficiency of model B_by-passable for 0.3 μm

    Reference

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