KIEAE Journal

최근 미세먼지 등의 실내공기질 이슈로 인해, 건축물에 적용되는 환기시스템은 내부순환모드 적용 또는 별도의 공기정화 유닛을 구성하여 공기청정 기능을 갖는 시스템이 개발ㆍ보급되고 있으며, 환기시스템의 열회수 환기장치(필터)는 헤파급 필터 적용이 일반화되고 있다. 바이러스 및 초미세먼지 등의 유해물질 제거를 위해 항바이러스 필터, 헤파필터 등의 적용이 확대되고 있으나, 현재 국내의 성능평가기준은 필터 자체의 성능을 중심으로 평가하여, 환기시스템 내부의 누기 등이 발생할 경우 장치 전체의 유해물질 제거효율은 크게 저하되는 것으로 파악되고 있다.

국내 환기장치의 미세먼지 및 먼지 제거 성능 관련 시험규격은 ‘KS B 6141, 환기용 공기필터 유닛’ 및 ‘KARSE B 0051, 현열/전열 회수 열교환기’에서 환기시스템에 적용된 필터의 미세먼지 제거효율을 평가토록 규정되어 있으며, ‘KS B 6879, 열회수형 환기 장치’에서는 환기시스템에 대한 먼지 누설률을 평가토록 규정되어 있으나, 직경 2.5㎛이하의 초미세먼지에 대한 환기장치 전체 미세먼지 제거성능에 대한 평가방법은 미흡한 실정이다[1-3]. 조예림(2021)[4]은 필터가 장착된 열회수형 환기장치에 대한 미세먼지 제거 성능에 대하여 시험성적서 결과와 실험 결과를 비교하였다. 그 결과, 필터와 환기장치 사이 유격, 실 사용 필터 성능 차이로 실험에서는 시험성적서보다 낮은 성능을 나타냄음 밝혔다. 이에, 필터가 장착된 환기장치는 현장에서 미세먼지 제거 효율을 검증할 수 있는 새로운 성능시험 규격의 필요성을 강조하였다.

또한, 공기중 미세먼지는 그 크기가 일반 먼지에 비하여 매우 작기 때문에 입자의 질량 대비 개수가 매우 크게 증가한다. 이에, 미세먼지 관련 시험기준(KS B 6141) 및 연구에서는 미세먼지의 질량농도가 뿐만 아니라 개수농도를 주로 적용한다[1,5,6]. 그러나 KS B 6879에서는 환기장치에 대하여 일반 먼지의 질량농도를 기준으로 제거효율을 평가하므로 미세먼지 제거 성능을 평가하는 데에는 한계가 있다고 판단된다.

이에 본 연구에서는 환기설비의 성능평가와 관련하여 ‘필터가 장착된 환기설비의 미세먼지 집진효율을 평가’하고, PIV(Particle Image Velocimetry)시스템을 통해 집진성능 저하의 원인 분석 및 개선방향을 제안하고자 한다. 이를 위하여 관련 국내외 관련 시험기준을 분석하고 헤파필터가 장착된 환기설비에서 집진효율을 평가하기 위한 시험장치를 구성하고, 이에 기반으로 기존 공동주택 및 어린이집 등에 일반적으로 적용되는 소형 열회수형 환기장치 제품에 대한 전체 환기장치의 미세먼지 집진성능을 평가하였으며, PIV시스템을 활용하여 환기장치 내부의 미세먼지 누기특성도 파악하였다.

우리나라에서는 ‘건축물의 설비기준 등에 관한 규칙’ 등에서 신축공동주택 및 다중이용시설에 설치하는 환기설비 기준을 마련하여 왔으며, 2020년 4월부터는 30세대 이상의 공동주택 및 민간 노인 요양시설, 어린이 놀이시설(430m² 이상) 등으로 설치대상 확대 및 필터성능을 강화하고 있다[7].

환기설비 열회수 환기장치 성능기준은 기존보다 150% 상향하였다. 기존 초미세먼지(0.3㎛ 이하) 포집률을 40%에서 60%로 상항하였다. 또한 자연환기설비에 설치된 열회수 환기장치 의 성능은 현행 대비 120% 상향하였다. 기존 미세먼지 (6.6~8.6㎛ 이하) 포집률을 60%에서 70%로 상향하였다. 또한 외부 미세먼지 유입 차단성능을 강화하였다. 한편, 환기설비 및 공조설비의 오염물질 차단성능은 필터의 물리적인 특성(성능)과 함께, 환기 및 공조설비의 누기율 등에 영향을 받을수 있으며, 열회수형 환기장치 및 환기설비의 성능평가 방법은 Table 1.과 같다.

환기설비 등 공기정화장치에 적용되는 필터는 공기 중에 떠다니는 입자 및 액상 물질을 제거하는 필터로서, 일반적으로 공기청정기 및 차량 등 다양하게 활용되고 있다. 미세먼지 피해에 대한 해결의 필요성이 증대함에 따라 건축물 및 가전기기에 적용되는 에어필터의 성능 및 실제 성능을 제대로 평가할 수 있는 시험방법 및 규격에 대한 수요가 늘어나고 있다. 신철웅(2018)[8] 및 조진균(2019)[9]에 의하면 필터에 대한 시험방법은 유럽이나 미국 표준을 적용하거나 국내는 KS B 6141이 적용되고 있다(Table 1.). 국내 KS표준 시험규격인 KS B 6141은 포집된 분진의 입자크기에 따라 필터 유닛을 형식 1~3으로 구분하여 입자포집율에 대한 효율값으로 평가하고 있으며, 2016년에 제정된 ISO 16890[6]은 기존 유럽 에어필터 시험분야에서 적용되는 시험규격인 EN779:2012[10]를 대체하고 있다. ASNI/ASHRAE 52.2[11]는 공기정화장치 에 대한 효율 측정정법으로 미국공기조화냉동협회인 ASHRAE(The American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers)에서 제정하였으며, 공기정화장치 필터와 전기 집진기로 구성되어 있다. 필터 성능은 입자 사이즈별 필터 효율, MERV(Minimum Efficiency Reporting Value), 필터 전후 압력손실, 부하분진 유지용량으로 평가된다.

우리나라에서는 ‘KS B 6879, 열회수형 환기장치’[3]에서 환기설비의 성능시험 방법을 규정하고 있다. 해당 표준의 적용범위에 대하여 열회수용 열교환소자 및 공기 필터 유닛이 장착된 환기장치로서, 정격전압 600V 이하, 정격 풍량 3000 m³/h 이하인 것을 대상으로 하고 있다. 해당 규격에서는 풍량, 정압 손실, 소비 전력, 발생소음, 열교환 효율, 먼지 누설률 등 다양한 성능평가 항목에 대해 규정하고 있다. 그러나, 열회수 환기장치의 미세먼지 제거 관련 성능은 ‘KS B 6141, 환기장치용 공기필터 유닛’[1]에 대한 시험기준으로 평가가 이루어지며, 환기장치에 공기필터가 설치된 상태가 아니라 공기필터 유닛을 시험장치에 밀실하게 설치하고 필터 전후의 미세먼지 농도를 측정하여 필터 자체의 미세먼지 제거효율을 평가한다. 따라서, 필터가 설치된 환기장치 전체의 미세먼지 제거성능을 평가하는 데에는 한계가 있다.

열회수 환기장치의 다양한 성능을 평가하는 시험기준에는 KS B 6879[3]가 있으며, 이 중 ‘열회수형 환기장치의 먼지 누설률’에 대한 시험 방법은 Fig. 1.과 같다. 시험에 사용되는 먼지의 표준 규격은 KS R ISO 12103-1[12]에 정의된 아리조나 시험 먼지 중 입자 크기가 가장 큰 거친 먼지에 해당하는 A4 표준 등급을 사용한다. A4 등급 시험 먼지는 입자 크기가 최대 352㎛이며, 입자 크기별 구성 비율을 살펴보면 초미세먼지에 해당하는 입자크기 2.75㎛ 이하의 누적 체적 비율은 5.5~6.3% 이고, 입자크기 44 ㎛ 이하 먼지의 누적 체적비율은 58.0~60.0%, 입자크기 352㎛ 이하 먼지의 누적 체적비율은 100%로 대부분 큰 먼지 입자들로 구성되어 있다. 또한, 시험 규격에서는 입자의 질량농도를 기준으로 평가하고 있어, 열회수형 환기장치의 초미세먼지 집진성능을 구체적으로 표현하기에는 한계가 있는 것으로 사료된다.

Fig. 1. 
Diagram of a test chamber based on KS B 6879 test method

이 장에서는 환기장치의 미세먼지 차단효과에 대한 평가를 수행하였다. ‘KS B 6879[3], 열회수형 환기장치’에서는 환기설비의 풍량, 정압손실, 발생소음, 열교환효율 및 먼지 누설률 등으로 규정되어 있으나, 실제 미세먼지 제거효율 평가가 어려운 점을 고려하여, 본 연구에서는 다음과 같은 산출식 및 실험조건을 제안하여 환기장치를 통한 외부 미세먼지의 집진효율을 평가하였다. 본 연구에서 제안하는 열회수형 환기설비의 미세먼지 집진효율(E) 산출식은 은 다음 식(Eq. 1)과 같다.

여기에서, E는 열회수형 환기장치의 미세먼지 집진효율(%), C_A는 환기장치의 외기측 미세먼지 개수 농도(Outdoor Air Particle Number Concentration, 단위 particle/cm³), C_B는 환기장치의 급기측 미세먼지 개수 농도 (Supply Air Particle Number Concentration, 단위 particle/cm³)를 나타낸다. 환기장치 미세먼지 집진효율 시험체는 Fig. 2.와 같이 열회수형 환기설비의 임의 표시치의 풍량을 흘려 풍량을 측정하고, 해당 풍량에서 직경 2.5㎛ 이하 크기의 미세먼지에 대하여 외기측 미세먼지 개수 농도(C_A)와 실내 급기측 미세먼지 개수 농도(C_B)를 측정하였다. 미세먼지 개수농도 측정점 위치(A, B)는 덕트 내 난류의 영향을 최소화하도록 팬 및 직관덕트의 시작지점으로부터 덕트직경의 최소 7배 이상[13] 이격지점에서 측정하였다. 또한, 챔버 중앙 실내공기측 미세먼지 개수 농도(Indoor Air Particle Number Concentration, C_I) 및 환기설비의 배기측 미세먼지 개수 농도(Exhaust Air Particle Number Concentration, C_a)를 측정하여 비교 하였다. 이때, Fig. 2.와 같이 환기장치의 급기는 실내측 챔버를 오염시키지 않고 외부로 바로 빠져나가게 구성하였고, 실내측 챔버 내부는 최대한 청정하게 유지하여 실내쪽 환기(Return Air)덕트로 추가적인 미세먼지가 유입되지 않도록 하였다. 환기설비의 배기측 미세먼지 개수 농도(C_a)는 환기장치 내부에서 누기로 인해 환기장치 내 외기를 통해 유입된 미세먼지가 열교환소자와 케이스 접합 부 등 틈새를 통해 누출된 입자가 측정되도록 챔버를 구성하였다.

Fig. 2. 
Diagram of a test chamber modified from KS B 6879

평가 대상 제품은 Table 2.와 같이 일반적인 소형 열회수 환기제품인 Model A와 내부 누기 개선 제품인 Model B를 선정하였다. 두 제품의 환기 용량은 150m³/h 이며, 공기정화 필터는 미세먼지 제거효율 99.99%의 헤파필터가 적용되었다. 환기장치의 내부 누기성능과 관련하여 Model A의 본체 및 케이스는 일반적으로 많이 적용되고 있는 EGI(Electrolytic Galvanized Iron) 전기아연도금강판 재질로 본 재질은 가공성이 뛰어나고 부석에 대한 내식성이 우수한 장점이 있어 많은 환기설비에 적용되고 있다. 그러나, EGI케이스는 금속판을 절곡하고 부품이 볼트 등으로 연결하여 제작되며 내부 플라스틱 부품의 연결부도 볼트 등으로 결합되는데 통상 이곳에 누기가 많이 발생하게 되어 내부 단열 및 내부 기밀재의 세부 디테일에 따라 기밀도가 크게 달라지게 된다. 반면 Model B는 본체가 EPP(Expanded Polypropylene) 발포 폴리프로필렌 재질로 제작된 제품으로써 환기설비 내부 누기성능을 개선하기 위하여 본체 케이스와 필터 및 열교환소자의 접합부 디테일 개선 설계 및 수차례의 본체 케이스 금형 개선을 통해 개발된 제품이다. 환기장치 내 누기율을 개선하는 주요 방법은 본체 케이스에 열교환 소자 및 댐퍼, 팬 등을 밀실하게 끼울 수 있는 구조로 성형하여 케이스와 내부 부품 사이의 기밀성능을 개선하였다.

대상 Model A 및 B에 대하여 열회수형 환기장치의 초미세먼지 집진효율을 평가하기 위하여 Fig. 3., Fig. 4. 및 Table 3.과 같이 실내측 챔버(Indoor Chamber)와 외기측 챔버(Outdoor Chamber)의 사이에 평가 대상 Model을 설치하였다. 시험시 환기장치의 급배기 풍량은 100m³/h로 설정하였으며, 외기측 챔버에 입자 발생기(SAFEX Fog 1020)를 통해 만들어진 미세입자를 약 5분간 분사하였다. 미세먼지 입자는 파라핀 용액(Antari FLG-5)을 사용하였다. 분석 대상 입자 크기는 2.5㎛ 이하의 초미세먼지이다. 외기측 챔버 전체에 입자를 최대한 균일하게 혼합하기 위해 서큘레이터를 3대 가동하고 외기측 챔버내 입자 계수기의 입자크기 2.5㎛의 개수 농도가 40,000particle/cm³ 이상으로 안정화 된 후, 환기장치를 가동하여 시험을 시작하였다.

Fig. 3. 
Measuring position in indoor chamber

Fig. 4. 
Evaluating the actual fine dust collection efficiency of heat recovery ventilation system

측정위치는 Fig. 2.와 같으며, 환기장치의 OA측 입자 개수 농도(C_A), SA측 입자 개수 농도(C_B), EA측 입자 개수 농도(C_a), 및 IA 입자 개수 농도(C_I)를 측정하였다. 각각의 환기장치별로 약 20분간 측정하였으며, 입자 농도의 측정은 광산란식 자동 입자 계수기(TSI OPS 3330)를 사용하였다. 측정은 1초 단위이며,l 분석은 30초 평균값을 사용하였다.

또한, 환기장치의 미세먼지 집진성능은 환기장치 내 필터 주변 및 내부 누기로 인해 영향을 받는 것으로 파악되고 있어 주요 누기부위를 찾기 위하여 Fig. 5.와 같이 PIV (Particle image velocimetry) 측정 시스템을 사용하여 실험을 수행하였다.

Fig. 5. 
Finding the leak location inside the ventilation system using the PIV system

Model A 및 B에 대한 측정 결과는 Fig. 6. 및 Fig. 7.과 같으며, 제안한 수식(Eq. 1)을 통해 산출된 환기장치의 미세먼지 집진효율 E는 Fig. 8.과 같다. 또한, OA의 미세먼지 개수 농도 C_A 대비 SA의 미세먼지 개수 농도 C_B의 분포는 Fig. 9.와 같다.

Fig. 6. 
Particle number concentration of model A

Fig. 7. 
Particle number concentration of model B

Fig. 8. 
Fine dust collection efficiency(E) of model A and B

Fig. 9. 
Number concentration distribution of supply air compared to outdoor air

측정된 결과 중, Model A 및 B의 C_A 가 유사한 구간을 선정하였다. 분석대상 구간은 입자크기 2.5㎛의 C_A가 7,500~15,000 particle/cm³인 구간이며 총 510초 동안 측정된 데이터를 비교 분석하였다.

Model A에서는 C_A 평균값이 10,566 particle/cm³일 때, C_B 평균값이 4,444 particle/cm³로 집진효율 E는 58%이며, 장치내 헤파필터의 미세먼지 제거효율인 99.99%와 비교 시 크게 낮은 값을 나타내었다. 반면, 내부 누기성능을 개선한 Model B에서는 C_A 평균값이 9,859 particle/cm³일 때, C_B 평균값이 861particle/cm³, 집진효율 E는 91%로 미세먼지 집진효율이 매우 높게 나타났고 필터의 미세먼지 제거효율 99.99%에 가까운 매우 우수한 집진 성능을 나타내었다.

또한 Fig. 9.에서 OA 입자 개수 농도 C_A에 따른 SA 입자 농도 개수 C_B 개수 농도 분포를 비교한 결과, 동일한 C_A 값에 대하여 Model A 및 B의 C_B 값이 큰 차이를 나타내었다. Model A에서는 C_B = 0.3701C_A + 533.39(R² 값은 0.93)이었으나, Model B에서는 C_B = 0.0491C_A + 377.6(R² 값은 0.88)로 Model B의 C_B 값이 Model A보다 상대적으로 매우 낮은 값을 나타내어 집진 성능이 크게 개선되었음을 확인 할 수 있었다.

PIV 시스템을 활용하여 Model A의 주요 내부 누기 부위 파악 결과 Fig. 10.과 같다. Fig. 10. (a)에서와 같이 평가 대상 위치는 환기장치 내 EA측이다. 이곳에는 배기팬이 위치하고 있기 때문에 OA측을 통해 외부 미세먼지 유입시 내부 틈새가 있을 배기팬으로 인한 발생하는 압력으로 OA측에서의 입자가 다량 EA측으로 유입될 수 있다. PIV 측정 결과 환기장치 가동 중 OA측으로 유입된 다량의 미세먼지 입자가 EA측으로 유입되는 것을 확인 할 수 있었다. 환기장치의 필터와 전열교환소자가 케이스와 만나는 접합부에서 다량의 누기가 발생하였다.

Fig. 10. 
Identifying the cause of internal leakage using PIV (model A)