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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 여명석
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 서울대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수5
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시공 기술 향상에 따라 공동주택의 외피 성능이 좋아져 공기교환율이 감소되었기 때문에 필요 환기량을 충족하기 위해서 점차 공동주택의 환기장치에 대한 요구가 증가하고 있다. 그런데 시중에 기존의 환기장치에 공청모드 기능이 추가된 ‘청정환기시스템’이 도입되었으며, 이로써 쾌적한 실내공기질을 위해 사용자가 주변 환경 조건 혹은 필요에 따라 시스템의 다양한 기능을 적용하는 것이 가능해졌다. 그런데 시중의 환기장치는 장치에 내장된 필터의 성능이 고시되어 있지만 장치를 가동하면 덕트에서 누기가 발생하거나, 혹은 필터 상하류 압차에 의한 장치 틈새 누기에 의해 미세먼지 제거성능이 고시된 필터성능보다 저하될 수 있다. 하지만 아직까지는 청정환기시스템의 공청모드 성능에 대한 선행 연구가 미비하며, 또한 공동주택에 설치된 이후의 청정환기시스템 미세먼지 제거성능에 대한 자료가 부족하기 때문에 청정환기시스템의 작동 모드 별 적용 가능 범위 및 성능 평가가 필요하였다.
그러므로 본 연구에서는 가동모드에 따른 제거효율을 구하기 위해 청정환기시스템이 설치된 공동주택에서 장기간 실내외 미세먼지 농도와 공기교환율을 실측하였다. 그리고 입자 질량 보존법칙에 근거한 실내 미세먼지 농도 모델을 사용해 침입계수, 침착률, 제거효율 등의 parameter를 추정하였다. 또한, 모델을 사용하여 다양한 조건에서 청정환기시스템을 가동하였을 때의 실내 미세먼지 농도를 예측하였고, 이를 바탕으로 가동모드에 따른 특징 및 적용 가능 조건을 분석하였다.
먼저, 약 15일간 진행된 장기간 공동주택 실내외 미세먼지 농도 실측 결과 In/Out Ratio는 입경과 가동 모드에 따라 달랐다. 입경이 3㎛ 이상이면 시스템 가동 여부와 관계없이 In/Out Ratio가 0.1 이하였는데, 입경이 3㎛ 이하이면 In/Out Ratio가 증가하였다. 이는 3㎛ 이상의 입자는 직경이 크기 때문에 침입계수가 감소하여 대기 중 농도가 실내에 비교적 큰 영향을 미치지 못한다는 것을 의미한다. 또한 3㎛ 이하 입경에서 미가동 < 환기모드 < 공청모드 순으로 In/Out Ratio가 낮았다. 미가동보다는 환기모드가, 환기모드보다는 공청모드를 가동했을 때 실내에 대한 실외 농도 영향이 적어진다는 것을 의미하는데, 이는 공청모드가 실내 공기를 100% 내부순환하며 청정하기 때문이다. 실내외 미세먼지 실측 데이터를 보면 실외 농도가 높을 때 실내 농도도 따라서 증가하였지만, 공청모드는 미가동과 환기모드에 비해서 증가폭이 매우 작았다.
가동모드 별 parameter 추정 결과, 환기모드 제거효율은 모든 입경에서 90% 이상이었다. 또한 공청모드 제거효율은 입경 0.3㎛~1㎛ 에서 80% 이상, 1㎛ 이상에서 100%였다. 연구에 사용된 청정환기시스템에 내장된 필터가 H13 등급(미세먼지 99.97%제거)의 헤파필터인 것을 감안하면 시스템의 공기 이동 경로에서 누기나 침착과 같이 제거효율이 변화되는 원인이 있었을 것으로 판단된다. 추정 결과를 미루어보면 작은 입경의 미세먼지는 공청모드보다는 환기모드를 가동했을 때 제거효율이 좋으므로, 조리와 같은 실내 활동이 있을 경우 환기모드 사용이 권장될 수 있다.
초기 실내농도와 제거효율에 따른 실내 미세먼지 농도 예측 결과, 실외농도 30㎍/m3, 초기 실내농도가 140㎍/m3이하면 환기모드 가동 시 제거효율과 상관 없이 30분 후 실내농도가 30㎍/m3 이하로 감소하였으며, 이 때 제거효율이 35% 이상이기만 해도 실내농도가 20㎍/m3이하로 나타났다. 이는 환기모드가 실내 공기를 재순환하지 않고 배출시키기 때문에 실내농도에 영향을 적게 받기 때문이다. 하지만 외기농도가 높아지면 실내 농도가 제거효율에 큰 영향을 받았는데, 제거효율을 변화시키면서 시간에 따른 실내농도 해석 결과 제거효율이 90% 이상이 되어야 실내 농도가 환기모드에 의해 감소할 수 있음을 알 수 있었다. 반면 공청모드는 환기모드만큼 빠르게 실내 농도를 청정하지는 않지만, 외기 농도에 영향을 받지 않으므로 만약 환기모드 제거효율이 낮거나 실외 농도가 높다면 공청모드 사용이 효과적일 수 있다.
청정환기시스템의 풍량을 200m3/h-400 m3/h 범위에서 변화시키면서 실내 농도 해석 결과, 환기모드는 실외농도가 높아질수록 풍량이 실내농도에 미치는 영향력 감소하고, 제거효율이 미치는 영향이 증가하였다. 앞서 설명한 것과 같이 제거효율이 90% 이상이라면 실외 농도와 관계없이 실내 농도가 감소하지만, 제거효율이 90% 이하라면 시간이 지남에 따라 실내 농도가 실외 농도에 결국 수렴하였다. 반면 공청모드는 실외농도에 거의 영향을 받지 않기 떄문에 실외농도에 상관없이 실내 농도가 저감되었다. 그리고 공청모드의 풍량이 미치는 영향은 제거효율에 높아질수록 증가하였다. 그러므로 제거효율이 낮으면 풍량을 높이더라도 시간에 따른 실내 농도 저감 속도가 개선되지 않을 것이라고 예상할 수 있다.
그러므로 본 연구에서는 가동모드에 따른 제거효율을 구하기 위해 청정환기시스템이 설치된 공동주택에서 장기간 실내외 미세먼지 농도와 공기교환율을 실측하였다. 그리고 입자 질량 보존법칙에 근거한 실내 미세먼지 농도 모델을 사용해 침입계수, 침착률, 제거효율 등의 parameter를 추정하였다. 또한, 모델을 사용하여 다양한 조건에서 청정환기시스템을 가동하였을 때의 실내 미세먼지 농도를 예측하였고, 이를 바탕으로 가동모드에 따른 특징 및 적용 가능 조건을 분석하였다.
먼저, 약 15일간 진행된 장기간 공동주택 실내외 미세먼지 농도 실측 결과 In/Out Ratio는 입경과 가동 모드에 따라 달랐다. 입경이 3㎛ 이상이면 시스템 가동 여부와 관계없이 In/Out Ratio가 0.1 이하였는데, 입경이 3㎛ 이하이면 In/Out Ratio가 증가하였다. 이는 3㎛ 이상의 입자는 직경이 크기 때문에 침입계수가 감소하여 대기 중 농도가 실내에 비교적 큰 영향을 미치지 못한다는 것을 의미한다. 또한 3㎛ 이하 입경에서 미가동 < 환기모드 < 공청모드 순으로 In/Out Ratio가 낮았다. 미가동보다는 환기모드가, 환기모드보다는 공청모드를 가동했을 때 실내에 대한 실외 농도 영향이 적어진다는 것을 의미하는데, 이는 공청모드가 실내 공기를 100% 내부순환하며 청정하기 때문이다. 실내외 미세먼지 실측 데이터를 보면 실외 농도가 높을 때 실내 농도도 따라서 증가하였지만, 공청모드는 미가동과 환기모드에 비해서 증가폭이 매우 작았다.
가동모드 별 parameter 추정 결과, 환기모드 제거효율은 모든 입경에서 90% 이상이었다. 또한 공청모드 제거효율은 입경 0.3㎛~1㎛ 에서 80% 이상, 1㎛ 이상에서 100%였다. 연구에 사용된 청정환기시스템에 내장된 필터가 H13 등급(미세먼지 99.97%제거)의 헤파필터인 것을 감안하면 시스템의 공기 이동 경로에서 누기나 침착과 같이 제거효율이 변화되는 원인이 있었을 것으로 판단된다. 추정 결과를 미루어보면 작은 입경의 미세먼지는 공청모드보다는 환기모드를 가동했을 때 제거효율이 좋으므로, 조리와 같은 실내 활동이 있을 경우 환기모드 사용이 권장될 수 있다.
초기 실내농도와 제거효율에 따른 실내 미세먼지 농도 예측 결과, 실외농도 30㎍/m3, 초기 실내농도가 140㎍/m3이하면 환기모드 가동 시 제거효율과 상관 없이 30분 후 실내농도가 30㎍/m3 이하로 감소하였으며, 이 때 제거효율이 35% 이상이기만 해도 실내농도가 20㎍/m3이하로 나타났다. 이는 환기모드가 실내 공기를 재순환하지 않고 배출시키기 때문에 실내농도에 영향을 적게 받기 때문이다. 하지만 외기농도가 높아지면 실내 농도가 제거효율에 큰 영향을 받았는데, 제거효율을 변화시키면서 시간에 따른 실내농도 해석 결과 제거효율이 90% 이상이 되어야 실내 농도가 환기모드에 의해 감소할 수 있음을 알 수 있었다. 반면 공청모드는 환기모드만큼 빠르게 실내 농도를 청정하지는 않지만, 외기 농도에 영향을 받지 않으므로 만약 환기모드 제거효율이 낮거나 실외 농도가 높다면 공청모드 사용이 효과적일 수 있다.
청정환기시스템의 풍량을 200m3/h-400 m3/h 범위에서 변화시키면서 실내 농도 해석 결과, 환기모드는 실외농도가 높아질수록 풍량이 실내농도에 미치는 영향력 감소하고, 제거효율이 미치는 영향이 증가하였다. 앞서 설명한 것과 같이 제거효율이 90% 이상이라면 실외 농도와 관계없이 실내 농도가 감소하지만, 제거효율이 90% 이하라면 시간이 지남에 따라 실내 농도가 실외 농도에 결국 수렴하였다. 반면 공청모드는 실외농도에 거의 영향을 받지 않기 떄문에 실외농도에 상관없이 실내 농도가 저감되었다. 그리고 공청모드의 풍량이 미치는 영향은 제거효율에 높아질수록 증가하였다. 그러므로 제거효율이 낮으면 풍량을 높이더라도 시간에 따른 실내 농도 저감 속도가 개선되지 않을 것이라고 예상할 수 있다.
목차
제 1 장 서 론 11.1 연구의 배경 11.2 연구의 목적 31.3 연구의 방법 4제 2 장 실내 미세먼지 농도 형성에 관한 예비적 고찰 52.1 실내 미세먼지 농도와 이를 결정짓는 인자들 52.1.1 실내 미세먼지 농도 형성 원리 52.1.2 침입계수와 침착률의 의미 72.1.3 침입계수와 침착률의 추정 92.2 제거효율 132.2.1. 필터효율 (집진효율) 132.2.2 Clean Air Delivery Rate (CADR) 152.2.3. 제거효율 (Removal Efficiency) 162.2.4. 본 연구에의 적용 20제 3장 공동주택 세대에 대한 실측 223.1 공동주택 세대에 대한 실측 방법 223.1.1 측정 개요 223.1.2 실험 대상 청정환기시스템 가동모드 선정 263.1.3 청정환기시스템 급배기구 풍량 273.2 공동주택 세대에 대한 실측결과 283.2.1 청정환기시스템 미가동 시 실측결과 283.2.2 청정환기시스템 환기모드 가동 시 실측결과 323.2.3 청정환기시스템 공청모드 가동 시 실측결과 363.2.3 청정환기시스템 가동모드에 따른 실측결과 비교 40제 4 장 청정환기시스템 가동 모드에 따른 제거효율 추정 444.1 제거효율 추정 방법 444.1.1 실측 시 유의사항 444.1.2 추정방법 선정 454.1.3 가동모드 별 Parameter 추정 474.2 청정환기시스템 미가동 시 침입계수, 침착률 추정 524.2.1 미가동 입자 질량 보존 방정식 524.2.2 미가동 침입계수, 침착률 추정 결과 544.3 청정환기시스템 환기모드 가동 시 미세먼지 재거효율 추정 554.3.1 환기모드 입자 질량 보존 방정식 554.3.2 환기모드 제거효율 추정 결과 594.4 청정환기시스템 공청모드 가동 시 미세먼지 재거효율 추정 634.4.1 공청모드 입자 질량 보존 방정식 634.4.2 공청모드 제거효율 추정 결과 66제 5 장 실내 미세먼지 농도 예측결과의 활용 705.1 PM2.5 제거효율 추정 705.1.1 청정환기시스템 가동모드에 따른 실내외 PM2.5 실측 결과 715.1.2청정환기시스템 가동모드에 따른 Parameter 추정 결과 735.2 다양한 조건에서의 실내 미세먼지 농도 해석 765.2.1 환기모드 실내 미세먼지 농도 해석 765.2.1 공청모드 실내 미세먼지 농도 해석 81제 6장 결론 86참고 문헌 90부 록 93A. PD Calculator (침입계수, 침착률 및 제거효율 추정 프로그램 개발) 93A-1. 미가동 시 침입계수 추정 93A-2. 환기모드 가동 시 침입계수 추정 94A-3. 공청모드 가동 시 침입계수 추정 95
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