공기정화설비의 오염물질 저감 계수를 반영한 실내 필요환기량 설계기준 마련에 관한 연구 = Development of Indoor Ventilation Design Criteria Considering Pollutant Reduction Coefficients of Air Cleaning Systems

국문 초록 (Abstract)

COVID-19 팬데믹 이후 감염성 에어로졸과 입자상 오염물질 관리의 중요성이 증대되었음에도 국내 환기 기준은 여전히 외기 도입량 중심으로 구성되어 공기청정기 및 환기장치의 청정화 능력(CADR)과 여과 성능이 체계적으로 반영되지 못하는 한계를 갖고 있다. 이에 본 연구의 목적은 공기정화설비의 오염물질 저감 계수(k_(f))를 실험적으로 산정하고, 이를 EN 16798-1에서 제시하는 감염 위험 기반 필요환기량 산출식에 적용함으로써 실내 감염 위험 저감과 에너지 절감을 동시에 고려한 필요환기량 설계기준을 제안하는 데 있다.
이를 위해 먼저 30 m^(3) 표준 챔버에서 12종의 공기청정기를 대상으로 SPS-KACA002-132:2022 조건의 시험을 수행하여 자연감쇠 및 운전감쇠 곡선을 이용해 CADR과 k_(f)를 산출하였으며, 이후 강의실(132 m^(3))을 대상으로 환기장치와 전면 취출형, 상부 취출형 공기청정기의 단독 및 병행 운전 Case를 구성하여 입자 농도와 CO_(2) 농도 변화를 실측하였다.
분석 결과, 챔버 시험에서는 CADR가 클수록 k_(f)가 비례적으로 증가하여 청정화 능력이 높은 제품일수록 입자 제거 성능이 우수함을 확인하였고, 실환경에서는 상부 취출형 공기청정기와 환기장치를 병행 운전한 Case 5(TD+VU)에서 가장 높은 k_(f)(약 0.08-0.22)를 보여 공기청정기의 취출 형상이 저감 계수에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. EN 16798-1의 감염 위험 기반 환기량 산출식에 k_(f)를 적용한 결과, 실증 평가 기준에서는 환기장치 단독 운전 대비 병행 운전 Case에서 필요환기량이 각각 최대 약 23.5%, 34.0% 감소하였고, 제품 평가 기준을 적용해도 최대 약 26.9% 수준의 환기량 절감이 가능한 것으로 분석되었다. 또한, 환기량 절감에 따른 에너지 절감량을 환산한 결과, 공기정화설비 운전 방식에 따라 에너지 절감률은 최소 17.3%에서 최대 71.2%까지 나타났으며, 특히 병행 운전에서 가장 높은 절감 효과(71.2%)가 도출되어 초기 고효율 여과를 통해 전체 운전 시간을 줄이는 전략이 에너지 측면에서 유리함을 확인하였다.
CO_(2) 농도 저감 실험에서는 재실 인원 5~10인 조건에서는 상대적으로 낮은 환기량(약 400 m^(3)/h 이하)으로도 1,000ppm 허용 기준을 만족할 수 있었으나, 20인 조건에서는 환기장치 최대 풍량(약 800 m^(3)/h 이상)을 적용하더라도 허용 농도 달성이 어려워 재실 밀도에 따른 최소 환기량 강화 및 보조 공기정화설비 병행 운전이 필요한 것으로 나타났다.
결론적으로, 본 연구는 공기정화설비의 오염물질 저감 계수(k_(f))를 감염 위험 기반 필요환기량 산정에 정량적으로 반영하는 새로운 환기량 산정 틀을 제시하고, 공기청정기 제품 선정, 환기장치 및 공기청정기의 병행 운전, 재실 인원 기반 CO_(2) 제어 등 환기 설계 가이드라인을 제안함으로써 향후 실내 감염 위험 저감과 에너지 절감을 동시에 달성할 수 있는 필요환기량 설계기준 마련에 기여하고자 한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 연구의 방법 및 절차 3
• 1.3 선행연구 조사 6
• Ⅱ. 필요환기량 설계기준 10
• 2.1 국내외 필요환기량 규정 현황 10
• 2.1.1 국내 필요환기량 규정 10
• 2.1.2 국외 주요 국가의 필요환기량 규정 14
• 2.2 청정화 능력을 반영한 필요환기량 산출 16
• 2.2.1 감염성 에어로졸 기반의 필요환기량 산출 16
• 2.2.2 공기정화설비의 오염물질 저감 계수 산출 23
• 2.3 기계환기 및 공기정화설비에 관한 규정 및 법령 26
• Ⅲ. 청정화 능력을 반영한 필요환기량 산출을 위한 시험 및 실험적 검토 27
• 3.1 개요 27
• 3.2 공기청정기 종류에 따른 입자 저감 시험 30
• 3.3 공기정화설비의 운전 방식에 따른 입자 저감 실험 34
• 3.4 공기정화설비의 필요환기량에 따른 CO_(2) 농도 저감 실험 38
• Ⅳ. 연구 결과 및 분석 42
• 4.1 오염물질 저감 계수 산출 42
• 4.1.1 공기청정기 종류에 따른 입자 저감 계수 산출 42
• 4.1.2 공기정화설비의 운전 방식에 따른 입자 저감 계수 산출 47
• 4.2 오염물질 저감 계수를 적용한 필요환기량 산출 50
• 4.2.1 챔버 시험 결과에 따른 필요환기량 산출 결과 50
• 4.2.2 실환경 실험 결과에 따른 필요환기량 산출 결과 52
• 4.3 공기정화설비의 환기량 절감을 반영한 에너지 절감량 분석 57
• 4.4 필요환기량에 따른 CO_(2) 농도 저감량 분석 59
• Ⅴ. 오염물질 저감 계수를 반영한 필요환기량 설계기준 마련 방안 64
• 5.1 실내 필요환기량 설계기준의 가이드라인 제시 64
• Ⅵ. 결 론 69
• 참 고 문 헌 71
• ABSTRACT 75