1. 서론
박테리아, 곰팡이, 바이러스 등 생물 기원성 부 유 입자를 뜻하는 바이오에어로졸(Bioaerosol)은 호 흡기관으로 침투 시 비염이나 천식, 폐 질환을 야 기하는 것으로 알려져 있다(Fung and Hughson, 2003;
Fiegel et al., 2006; Baxi et al., 2016). 특히, 2003년 발병한 중증급성호흡기증후군(SARS, Severe Acute Respiratory Syndrom), 2009년 발병한 신종인플루엔 자(Influenza A, H1N1)와 같은 바이러스에 의한 호 흡기계 감염병 전파는 세계적으로 막대한 인명적, 경제적 손실을 야기하였으며, 2019년 중국 우한에 Particle and Aerosol Research
Part. Aerosol Res. Vol. 17, No. 2: June 2021 pp. 29-36 http://dx.doi.org/10.11629/jpaar.2021.17.2.029
필터 적용 천정형 공기순환기의 공기청정화능력 평가
조 윤 행*⋅신 동 호⋅박 현 설⋅허 지 은⋅심 준 목 한국에너지기술연구원 기후변화연구본부
(투고 2021년 5월 31일, 수정 2021년 6월 8일, 게재확정 2021년 6월 14일)
Evaluation of the clean air delivery rate performance of a ceiling air circulator with filters
Yun-Haeng Joe*⋅Dongho Shin⋅Hyun-Seol Park⋅Jieun Heo⋅Joonmok Shim Climate Change Research Division, Korea Institute of Energy Research (Received 31 May 2021; Revised 8 June 2021; Accepted 14 June 2021)
Abstract
In this study, the clean air delivery rate (CADR) of ceiling air circulator (CAA) was determined under indoor environmental simulation conditions. An air filter was used to provide air cleaning ability to the CAA. The CADR of filter adapted CAA was evaluated and compared with the value of commercial air purifier. The installation of mesh-shaped filter on the CAA showed particle reduction effect on the particles over 0.4 μm in diameter, but the CADR was up to 0.25 m3/min. When the filter having 99.9% in collection efficiency was installed on the CAA, its CADR was 1.52 m3/min, while the CADR of commercial air purifier was 3.19 m3/min.
Keywords: Airborne transmission, Air filter, Ceiling air circulator, Clean Air Delivery Rate, PM1
*Corresponding author.
Tel : +82-42-860-3636 Email : [email protected]
부터 발생된 비말의 직경을 기준으로, 5 μm 이상 의 비교적 큰 비말의 경우 직접 또는 간접적 접촉 에 의한 비말 전파(droplet transmission), 5 μm 이하 의 비교적 작은 비말의 경우 공기 전파(airborne transmission)로 감염 경로를 구분하고 있다. 바이러 스로 인한 호흡기계 감염성 질환 전파는 주로 비 말 전파에 의해 이루어진다고 알려져 있으나, 에어 로졸화(aerosolization)된 바이러스 입자는 실내 환경 에서 수일 간 그 감염성을 유지하며 공기 전파로 인한 감염을 일으킬 수 있다(Kumar et al., 2019;
Eissenberg et al., 2020; Domingo et al., 2020).
Atkinson and Wein (2008)과 Nicas and Jones (2009) 은 공기 전파로 인한 신종인플루엔자 감염을 경고 하였으며, 열약한 환기 시설을 가진 실내 공간 내 에서 SARS-CoV-2의 공기 감염 전파 사례도 보고 되고 있다(Li et al., 2020; Liu et al., 2020; Setti et al., 2020).
근래의 건축물은 고기밀화, 고단열화로 인해 실 내로의 외기 도입이 점점 줄어들고 있는 반면 인 간의 실내 활동시간은 늘어나고 있어, 감염성 질환 의 공기 전파 위험성은 더욱더 높아지고 있다. 이 와 더불어, 최근 감염자로부터 발생된 SARS-CoV-2 비말이 에어컨, 선풍기, 공기청정기 등에 의해 생 성된 실내 기류를 타고 재실자에게 전파된 사례가 보고된 바 있어, 실내에 생성된 기류와 바이러스성 호흡기계 질환의 공기 전파 상관관계에 대한 관심 이 높아지고 있다.
한편, 국내 일부 가구 및 동남아 지역에서는 거 실 내 공기 순환을 위해 천정형 공기순환기(ceiling air circulator)를 설치하여 운용하고 있다. 천정형 공기순환기는 거실 내에 하강 기류를 생성시키므 로 감염자로부터 발생된 감염성 비말의 비말 전파 차단에 용이할 것으로 생각될 수 있으나, 기류의 생성은 에어로졸의 원활한 확산(diffusion) 및 교반
전파의 상관관계 파악을 위해 실내 환경 모사 조 건에서 천정형 공기순환기 가동 여부에 따른 실내 의 에어로졸 농도 변화를 살펴보았다. 감염자가 발 생시키는 감염성 바이오에어로졸 모사를 위해 아 토마이저(atomizer)를 이용해 KCl 입자를 실내에 분사 하였으며, 광학측정기(OPC, Optical Particle Counter) 를 이용하여 시간에 따른 실내 입자 농도 변화를 측정하였다. 또한 천정형 공기순환기를 이용한 실 내 공기 질 개선 가능성을 확인하기 위해 필터를 이용해 천정형 공기순환기에 공기 청정화 능력을 부여하였으며, 상용 공기청정기와 그 능력을 비교 평가 하였다.
2. 실험방법
2.1 시험 공간 내 입자 발생 및 측정
본 연구는 너비×길이×높이 각각 6.6 m×3.2 m×2.7 m 인 실험 공간 내에서 이루어졌다(그림 1a). 천정형 공기순환기를 모사하기 위해 실험 공간 천정 중앙 에 벽걸이형 선풍기(SIF-16WRA, 신일)를 설치하였 다. 선풍기 바람 토출구는 직경 약 500 mm 이었으 며, 지면에서부터 약 2.4 mm 이격되어 있었다. 일 반적인 천정형 공기순환기 설치 상태를 고려하여 선풍기 토출구는 지면과 수직인 상태로 고정되도 록 하였으며, 모든 실험은 토출 속도 4 m/s 조건에 서 수행되었다. 선풍기 설치 위치로부터 너비 방향 좌우로 0.6 m 이격된 위치에 각각 아토마이저 (Model 9302, TSI Inc.)를 설치하여 천정형 공기순 환기 아래에서 두 감염자 간의 대화를 모사하였다.
두 아토마이저 간의 이격 거리는 1.2 m 였으며, 지 면에서부터 아토마이저 토출구까지의 높이는 약 0.6 m이었다. 두 감염자의 대화 시 발생되는 감염 성 바이오에어로졸을 모사하기 위해 10 wt.%의 KCl
수용액을 이용하여 에어로졸 입자를 발생시켰으며, 이때 아토마이저에는 유량 2.5 L/min의 청정공기를 주입하였다. 아토마이저를 이용한 KCl 입자 발생 은 5분간 이루어졌으며, 그 후 입자 발생을 중단하 였다. 입자 발생 중단 후 교반용 선풍기를 이용하 여 시험챔버 내 입자를 교반하였으며, 아토마이저 후단 지면에서 1.1 m 높이에 설치된 광학 측정기 (Model 1.109, GRIMM)를 이용하여 시간에 따른 시 험 공간 내 입자 농도 변화를 측정하였다. 각각의 실험 후에는 시험 공간 각 모서리 네 곳에 설치된 상용 공기청정기(타워Q, 위닉스)를 이용하여 잔류 입자를 제거하였다.
2.2 천정형 공기순환기 적용 필터
천정형 공기순환기에 필터 적용 시 실내 공기 질 개선 가능성을 평가하기 위하여 두 종류의 필 터를 선정하였다. 필터 A는 메쉬 구조(mesh type) 의 필터로 직경 약 100 ㎛의 경사(씨실)와 위사(날 실)이 서로 교대로 200 ㎛ 간격으로 일정하게 교락 되면서 가로와 세로축이 안정한 구조를 이루는 직 물 형상의 필터였다. 필터 B는 국내 L사의 공기청
정기(Model AS120VELA)에 사용되는 필터로, 제조 사 실험결과기준 직경 0.1 μm 입자 대상 포집효율 99.9% 이상으로 표기되어 있었다. 필터 A는 절곡 되지 않은 상태에서 천정형 공기순환기의 공기 유출 부(front), 유입부(back), 유입부 및 유출부(front &
back)에 설치하였으며, 필터 B는 절곡된 상태로 천 정형 공기순환기의 공기 유출부(front)에 장착하였 다. 이때 필터 B와 천정형 공기순환기 사이의 밀 폐(seal)를 위해 아크릴(acrylic) 재질의 밀폐 구조물 을 제작하여 사용하였다(그림 1b).
필터 A의 기본 특성을 살펴보기 위해 여과속도 5, 10, 15 cm/s 조건에서 풍동시험을 선행 하였으며, 이때 포집효율 측정을 위해서 아토마이저로 분사된 후 확산 건조기(diffusion dryer), 중화기(neutralizer)를 차례로 거친 NaCl 입자를 사용하였다. 필터 전단 및 후단에서의 NaCl 입경별 수농도 측정은 DMA (Differential Mobility Analyzer, model 3081, TSI Inc.) 및 CPC (Condensation Particle Counter, model 3775, TSI Inc.)로 구성된 SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer)를 이용하였다. 선행 실험을 통해 도출된 필터 A 특성을 표 1에 정리하였다.
Fig. 1. Experimental Schematics : (a) a test chamber, (b) Filtered ceiling air circulator.
Table 1. Characteristics of Filter A.
SEM image Collection efficiency (%)
Pressure drop (mmH2O) Filter facet velocity (cm/s)
5 10 15
Filter A 23 1.3 2.4 3.9
공기 전파 특성을 고려하여 시험 입자 중 직경 1 μm 이하 입자의 개수농도를 기준으로 아래 수식을 통 해 공기청정화 능력을 산출하였다.
ln
ln
(1)
여기서 V는 시험챔버 체적 (m3), N은 시험체 개수, t는 운전감소시의 측정시간(min), Ci1은 자연감소시 측정개시점 t=0에서의 입자농도 (개/cm3), Ci2는 운 전감소시 측정개시점 t=0에서의 입자농도 (개/cm3), Ct1은 자연감소시 측정시간 t분에서의 입자농도 (개 /cm3), Ct2는 운전감소시 측정시간 t분에서의 입자 농도 (개/cm3)이다. 본 연구에서는 공기청정화 능력 평가를 위해 측정 시간 t를 20분으로 선정하였다.
필터가 설치된 천정형 공기순환기의 공기청정화능 력을 상용 공기청정기의 공기청정화능력과 비교평 가 하였으며, 이때 사용된 공기청정기는 잔류 입자 제거를 위해 시험 공간 내에 설치된 공기청정기와 동일한 제품이였다.
각 실험 조건에서 입자 크기별 저감량을 살펴보 기 위해 아래 수식을 통해 입자 저감 효율(particle removal efficiency, ηremoval)을 계산하였다.
(2)
여기서 dP는 입자의 직경을 의미하며, 아래 첨자 t=0, t=20은 각각 측정개시점, 측정개시 20분 후를 의미한다.
Fig. 2. Number size distribution of KCl particles used in this study.
3.2 천정형 공기순환기의 공기청정화 능력
그림 3에 천정형 공기순환기 미가동 조건과 가 동 조건에서 시간에 따른 시험 공간 내 PM1 개수 농도 변화와 입자 저감 효율을 나타냈다. 두 조건 은 각각 자연감쇠(natural decay)와 천정형 공기순환 기(ceiling air circulator)의 공기청정화 능력을 의미 한다. 독립적으로 수행된 각 실험에서 시간에 따른 입자 농도 변화의 직접적인 비교를 위해, 모든 그 래프에서의 입자 농도는 각 시험 간 측정개시점 (t=0)에서 측정된 초기 농도로 나누어 보정하였다.
천정형 공기순환기 미작동의 경우 시험 공간 내 입자 농도는 완만한 기울기를 가지며 선형적으로 감소되는 경향을 보였다. 천정형 공기순환기 가동 조건에서도 시험 공간 내 입자 농도 변화는 선형 적으로 감소하였으며, 감소 기울기는 천정형 공기
순환기 미작동 조건과 유사하였다. 이는 천정형 공 기순환기 작동만으로는 실내 부유 입자를 저감시 킬 수 없다는 것을 의미하며, 이와 같은 결과는 천 정형 공기순환기는 별도의 입자 저감 기능을 가지 고 있지 않기 때문에 발생된 것으로 판단된다. 이 와 유사하게 수식 (2)를 통해 도출된 천정형 공기 순환기의 입경별 입자 저감 효율도 자연감소에 의 한 입자 저감 효율과 유의미한 차이를 보이지 않 았다.
3.3 필터 장착 천정형 공기순환기의 공기청정화 능력 필터 A가 설치된 천정형 공기순환기에서, 필터
장착 위치에 따른 시험 공간 내 PM1 개수 농도 변화와 입자 저감 효율을 살펴보았다(그림 4). 모 든 필터 장착위치 조건에서 시간에 따른 PM1 농 도 변화는 천정형 공기순환기만을 설치한 경우에 비해 감소폭이 소폭 증가하였다. 즉, 천정형 공기 순환기에 공기청정화 능력 부여하여 자연감쇠 이 상의 실내 공기 개선이 가능하였으나 그 개선 정 도는 크지 않았다. 필터 장착 위치별로 살펴보면, 천정형 공기순환기 공기 유출부(front)와 유입부 및 유출부(front & back) 설치의 경우가 공기 유입부 (back) 설치의 경우에 비해 더욱 빠르게 실내 PM1 농도를 감소시켰으며, 유출부 설치와 유입부 및 유 Fig. 3. Air cleaning effect of ceiling air circulator : (a) particle decay trend over time, (b) removal efficiency.
Fig. 4. Air cleaning effect of ceiling air circulator with Filter A : (a) particle decay trend over time, (b) removal efficiency.
출부 설치 경우 간의 결과는 미비한 차이를 보였 다. 입경별 입자 저감 효율 그래프를 살펴보면, 직 경 0.4 μm 이하의 작은 입자에 대해서는 필터 장 착에 의한 입자 저감을 기대하기 어려웠으며, 입자 의 입경이 커질수록 필터 장착에 의한 입자 저감 효과가 증가하였다. 일반적으로 공기 필터는 직경 100 nm에서 300 nm 사이의 입자에 대한 포집 효 율이 가장 낮으며(MPPS, Most Particle Penetration Size), 본 실험에서 필터 장착 천정형 공기순환기의 작은 입자에 대한 입자 저감 효과 감소는 일반적 인 공기 필터 포집 특성에 기인한 것으로 분석된 다.
필터 종류에 따른 시험 공간 내 PM1 개수 농도 변화와 입자 저감 효율을 그림 5에 나타냈다.
앞선 실험 결과와 유사하게 모든 경우에서 시간 에 따른 시험 공간 내 PM1 개수 농도는 선형적으 로 감소되는 추세를 보였으며, 필터 A 설치의 경 우에 비해 필터 B 설치 경우 PM1 농도가 더욱 빠 르게 감소하였다. 다만 필터 B 설치의 경우도 상 용 공기청정기의 입자 저감 속도에 비해 완만한 입자 감소 기울기를 보였다. 입자 저감 효율 그래 프를 살펴보면, 천정형 공기순환기와 필터 A가 설 치된 경우와는 다르게 필터 B 설치의 경우 직경 0.4 μm 이하의 작은 입자에 대해서도 평균 50%
수준의 입자 저감 효율을 가지는 것을 확인하였다.
이는 필터 B의 경우 상용 공기청정기에 사용되는 초미세먼지 저감 필터로 메쉬 형상의 필터 A에 비 해 PM1 대상 높은 포집효율을 갖기 때문으로 판 단된다. 공기청정기의 경우 가장 높은 입자 저감 효율을 보였으며, 직경 0.6 μm 이상의 입자에 대해 서는 입경에 무관히 약 80% 이상의 저감 효율을 보였다. 필터 B 설치 경우와 상용 공기청정기의 입자 저감 효율 차이는 필터를 거쳐 실내로 공급 되는 청정화된 공기의 풍량 차이에 의한 것으로 판단된다. 이론적으로 공기청정장치의 공기청정화 능력은 포집 효율과 풍량의 곱으로 표현되며, 동일 한 장치에서 토출 풍량은 해당 장치의 압력손실과 반비례한다. 본 연구에서 천정형 공기순환기를 모 사하기 위해 사용된 벽걸이형 선풍기와 같이 공기 순환을 목적으로 제작된 장치는 일반적으로 정격 압력(rated pressure)이 낮은 팬을 사용한다. 반면 공 기청정기와 같이 실내 입자 저감을 목적으로 제작 된 장치는 정격 압력이 높은 팬을 사용하여 필터 장착에 의해 야기되는 압력 손실 증가 환경에서도 설계된 풍량을 유지할 수 있도록 제작된다. 따라서 동일한 포집 효율을 갖는 필터라도, 설치되는 장치 내 팬의 정격 압력 특성에 따라 공기청정화 능력 이 상이할 수 있다.
수식 (1)을 통해 도출된 각 조건별 공기청정화능 력을 표 2에 나타냈다. 천정형 공기순환기 작동 시, Fig. 5. Air cleaning effects of ceiling air circulator under various filter installation conditions : (a) particle
decay trend over time, (b) removal efficiency.
계산된 공기청정화능력은 –0.03 m3/min으로, 공기 순환만으로는 실내 공기 질을 개선할 수 없음이 확 인되었다. 필터 A가 장착된 천정형 공기순환기의 경우 필터 설치 위치에 따라 그 값은 상이하나 최 대 0.25 m3/min로, 필터 A 설치를 통해 유의미한 실내 공기 질 개선을 얻기 어려웠다. 필터 B 설치 시 공기청정화 능력은 1.52 m3/min로, 공기청정기의 공기청정화 능력 3.19 m3/min에 1/2 수준 이였다.
다만 그림 5b에서 보듯, 필터 B 설치로 인해 저감 되는 입자의 크기와 일반적인 호흡기계 감염성 바 이러스 크기(100 nm 수준)를 고려하였을 때, 필터 B 설치로 인한 바이러스 대상 공기청정화능력은 위 계산된 공기청정화능력보다 더 낮을 것으로 판 단되며, 실내 부유 바이러스 저감을 위해서는 공기 청정기 사용이 더 효율적일 것으로 예상된다.
4. 결론
본 연구에서는 천정형 공기순환기와 공기 감염 전파의 상관관계 파악을 위해 실내 환경 모사 조 건에서 천정형 공기순환기 가동 여부에 따른 공기 청정화능력을 비교하였다. 또한 천정형 공기순환기 에 필터를 장착하여 입자 포집 능력을 부여했으며, 다양한 필터 장착 조건에서 상용 공기청정기와 그 성능을 비교평가 하였다.
천정형 공기순환기 가동으로 인한 시간에 따른 실내 입자 농도 변화 추이는 벽면 침착 등으로 인 한 자연감쇠와 유의미한 차이를 보이지 않았다. 천
정형 공기순환기의 바람 토출부(front)에 메쉬 형상 의 필터 A를 장착했을 경우 직경 0.4 μm 이상의 입자에 대해 입자 저감 효과를 보였으나, 공기청정 화능력은 최대 0.25 m3/min로 필터 A 장착을 통해 유의미한 실내 공기 질 개선을 기대하기는 어려웠 다. 천정형 공기순환기 바람 토출부에 필터 B 장 착 시, 공기청정화 능력은 1.52 m3/min로, 공기청정 기의 공기청정화 능력 3.19 m3/min에 1/2 수준 이 였다. 다만 필터 B 장착의 경우와 상용 공기청정 기로 인해 저감되는 입자의 입경을 비교했을 경우, 실내 부유 바이러스 저감을 위해서는 공기청정기 사용이 더 효율적일 것으로 예상되었다.
본 연구에서는 천정형 공기순환기에 공기청정화 능력을 부여하기 위해 메쉬 구조의 팬(필터 A)와 상용 공기청정기용 필터(필터 B)를 사용하였다. 필 터 B의 경우 높은 포집효율을 가진 필터이나 높은 압력 손실로 인해 천정형 공기순환기의 유량을 감 소시켰을 것으로 생각되며, 이로 인해 필터 B가 적용된 천정형 공기순환기는 낮은 공기청정화능력 을 보인 것으로 판단된다. 따라서, 전기집진기 등 고풍량 조건에서 높은 포집효율 및 낮은 압력 손 실을 갖는 집진 기술 적용 시, 천정형 공기순환기 실내 청정화 능력의 개선이 이루어질 것으로 판단 된다.
본 연구 결과는 공기청정기 설치가 어려운 환경 에서 기류 발생 장치를 이용한 감염질환 전파 차 단 연구 및 실내 기류 발생 장치로 인한 공기 감 염 전파의 이해를 돕는 기초 자료로 활용될 수 있 을 것으로 기대된다.
Case Condition
Particle Concentration
(particles/cm3) CADR
(m3/min)
@ t=0min @ t=20min
1 Natural Decay 7.0×106 6.2×106 -
2 Ceiling air circulator 7.2×106 6.4×106 -0.03
3 Filter A - Front 6.8×106 5.6×106 0.24
4 Filter A – Back 6.9×106 6.0×106 0.10
5 Filter A – Front & Back 6.8×106 5.5×106 0.25
6 Filter B 4.4×106 2.3×106 1.52
7 Air Cleaner 4.8×106 1.4×106 3.19
Table 2. Clean air delivery rates with various conditions.
Atkinson, M.P., and Wein, L.M. (2008). Quantifying the routes of transmission for pandemic influenza, Bulletin of Mathematical Biology, 70, 820–867.
Baxi, S.M., Portnoy, J.M., Larenas-Linnemann, D., and Phipatanakul, W. (2016). Exposure and health effects of fungi on humans, The Journal of Allergy and Clinical Immunology: In Practice, 4(3), 296-404.
Domingo, J.L., Marquès, M., and Rovira, J. (2020).
Influence of airborne transmission of SARS-CoV-2 on COVID-19 pandemic. A re- view, Environmental Research, 188, 109861.
Eissenberg, T., Kanj, S.S., and Shihadeh, A.L. (2020).
Treat COVID-19 as though it is airborne: It may be, AANA Journal, 88(3), 29-30.
Fiegal, J., Clarke, R., and Edwards, D.A. (2006). Airborne infectious disease and the suppression of pulmo- nary bioaerosols, Drug Discovery Today, 11, 51-57.
Li, Y., Qian, H., Hang, J., Chen, X., Hong, L., Liang, P., and Kang, M. (2020). Evidence for probable aerosol transmission of SARS-CoV-2 in a poorly ventilated restaurant, medRxiv, 10.1101/2020.
04.16.20067728.
Liu, Y., Ning, Z., Chen, Y., Guo, M., Liu, Y., Gali, N.K., Sun, L., Duan, Y., Cai, J., Westerdahl, D., Liu, X., Xu, K., Ho, K.F., Kan, H., Fu, Q., and Lan, K. (2020). Aerodynamic analysis of SARS- CoV-2 in two Wuhan hospitals, Nature, 2020, 582(7813), 557–560.
Nicas, M, and Jones, R.M. (2009). Relative contributions of four exposure pathways to influenza infection risk, Risk Analysis, 29(9), 1292–1303.
Setti, L., Passarini, F., Gennaro, D.G., Barbieri, P., Perrone, M.G., Borelli, M., Palmisani, J., Gilio, D.A., Torboli, V., Fontana, F., Clemente, L., Pallavicini, A., Ruscio, M., Piscitelli, P., and Miani, A.
(2020). SARS-Cov-2RNA found on particulate matter of Bergamo in Northern Italy: First evi- dence, Environmental Research, 188, 109754.
