탄소섬유를 적용한 전기집진모듈의 에너지 효율 향상에 관한 연구 = A study on the energy efficiency improvement of an electrostatic precipitator module using carbon fiber

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The demand for high-efficiency and environmentally sustainable HVAC systems has intensified due to increasing concerns over indoor air quality and energy consumption. Conventional nonwoven fiber filters used in air handling units (AHUs) inherently exhibit high pressure drops and progressive clogging, resulting in increased fan power consumption, shortened replacement cycles, and additional environmental burdens.
This study develops an electrostatic precipitator (ESP) purification module employing micro carbon-fiber brush electrodes and aluminum collection plates, designed as a functional replacement for medium-efficiency mechanical filters in AHUs. The module was evaluated under the standard operating conditions of a single 56 CMM (2.5 m/s) filter unit, with additional verification in a full-scale 170 CMM AHU test chamber. The ESP operates at +9 kV for ionization and +4 kV for particle collection, yielding a power consumption of approximately 22 W per module, or 89 W for the full-scale 170 CMM conFiguration.
Experimental results showed that the ESP achieved an E1 (0.3–1.0 µm) particle removal efficiency corresponding to MERV 15 performance, while maintaining an exceptionally low pressure drop of 22–24 Pa. In contrast, the reference MERV13 nonwoven filter exhibited a pressure drop of 251 Pa under identical airflow conditions. Owing to this substantial reduction in pressure drop, the AHU fan power was reduced from 3,670 W to 2,805 W, and the total system power—including the ESP’s electrical load—was reduced to 2,894 W, achieving a net energy saving of approximately 21%.
Ozone concentration remained extremely low, averaging 0.001 ppm, well below the indoor air quality guideline of 0.05 ppm. Long-term durability was also confirmed through three washing cycles applying 300 g of ASHRAE A2 test dust per cycle, during which the ESP consistently maintained MERV 15-level efficiency without performance degradation.
These findings demonstrate that the carbon-fiber-based ESP module provides high filtration efficiency, low pressure loss, minimal ozone generation, and reliable wash-and-reuse capability. As a result, the proposed system offers a practical and energy-efficient alternative to conventional mechanical filters, with strong potential for application in high-efficiency and environmentally sustainable AHU systems.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 중앙공조시스템(Commercial HVAC)에서 운용되는 공기조화기에 적용하기 위해, 마이크로 탄소섬유 방전극을 기반으로 한 전기집진모듈(Electrostatic Precipitator, ESP)을 제작하고, 기존 공기정화장치인 부직포 필터(MERV13 등급)의 대체 가능성을 검증하기 위한 여과효율, 공기통기저항, 오존발생량, 세정·재사용 성능을 실증적으로 평가한 것이다.
전기집진모듈의 비교 기준이 되는 부직포 필터는 실제 공기조화기에 사용되는 필터유니트 유량 56 ㎥/min, 유동속도 2.5 m/s, 단면적 610 mm × 610 mm 조건에서 초기 통기저항 251 Pa, 송풍기 소비전력 3,670 W, 먼지포집량 96 g의 특성을 가지며, ASHRAE 52.2(2017) 시험방법 기준 MERV13 등급의 성능을 나타낸다.
제작된 ESP 모듈은 하전부 +9 kV, 집진부 +4 kV의 고전압 직류 조건에서 운전하였으며, 단일 56 ㎥/min 모듈 기준 소비전력은 약 22 W로 매우 낮은 수준을 보였다. 실규모 공기조화기(170 ㎥/min)에 적용한 전체 ESP 시스템의 소비전력은 89 W로 측정되었으며, 초기 E1 구간(0.3~1.0 μm) 여과효율은 MERV15 수준(약 90~91%)을 확보하였다.
또한 ASHRAE Dust A2 300 g을 각 회차별로 적용한 3회의 세정·재사용 시험에서도 평균 여과효율은 MERV15 수준을 지속적으로 유지하였다. 초기 및 반복 운전에서 통기저항은 22~24 Pa로 부직포 필터 대비 약 91% 낮았으며, 동일 풍량 조건에서 공기조화기 송풍기 소비전력은 ESP 적용 시 2,805 W로 감소하였다. 운전 중 오존발생량은 약 0.001 ppm으로 실내공기질 유지기준(0.05 ppm)의 약 1/50 수준으로 매우 낮게 유지되었다.
본 연구의 결과는 기존 부직포 필터의 낮은 미세입자 여과성능, 높은 공기통기저항, 재사용 불가 등의 구조적 한계를 근본적으로 개선함과 동시에, 미세입자 포집에 따른 필터 차압 상승으로 야기되는 송풍에너지 증가 문제를 효과적으로 해소함을 실증적으로 확인하였다. 특히 세척·재사용이 가능한 구조를 통해 유지관리 비용 절감과 폐기물 저감을 동시에 기대할 수 있어, 고효율·저오존·저에너지 기반의 친환경 공조시스템 구현에 기여할 수 있는 기술로 평가된다.
따라서 본 연구에서 제시한 탄소섬유 기반 전기집진모듈은 오존 발생을 최소화하면서 고효율 여과성능, 낮은 공기통기저항, 그리고 세정·재사용 가능성을 동시에 만족하는 차세대 에너지 절감형 공기정화기술로서, 향후 상용 공조 시스템의 고효율화 및 건축환경 에너지 절약에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Contents ⅰ
• List of Figures ⅴ
• List of Tables ⅷ
• 國 文 抄 錄 ⅸ
• 제1장 서론 1
• 제2장 이론적 배경 4
• 2.1 코로나 방전의 기전 5
• 2.1.1 코로나 방전의 물리적 원리 5
• 2.1.2 탄소섬유 방전극의 특성과 방전 메커니즘 7
• 2.1.3 이단하전 전기집진기의 구조 9
• 2.2 생성된 이온에 의한 입자 하전과정 11
• 2.2.1 입자 하전 메커니즘 11
• 2.2.2 전계 하전 수식 유도 12
• 2.2.3 확산 하전 수식 유도 15
• 2.2.4 입자 하전에 영향을 미치는 인자 16
• 2.3 집진부 성능 예측 및 수식유도 17
• 2.3.1 입자 이동속도 17
• 2.3.2 Deutsch-Anderson 식 18
• 2.3.3 수정 Deutsch-Anderson 식 19
• 2.3.4 2단 전기집진기의 성능 모델 20
• 2.4 방전극 재질에 따른 오존 발생량 비교 22
• 2.4.1 오존 생성 메커니즘 22
• 2.4.2 금속 전극의 오존 발생 특성 22
• 2.4.3 탄소섬유 전극의 오존 저감 메커니즘 24
• 2.4.4 오존 발생량에 영향을 미치는 운전 인자 26
• 2.5 공기통기저항과 송풍기 에너지 소비량 27
• 2.5.1 공기통기저항의 정의와 중요성 27
• 2.5.2 공기통기저항 수식 유도 29
• 2.5.3 송풍기 소비 전력 계산 30
• 2.5.4 에너지 절감 효과 분석 31
• 2.6 전기집진기의 세정방법과 장기운전성능평가 32
• 2.6.1 세정부하(dust loading)에 따른 성능 저하와 세정 필요성 32
• 2.6.2 건식 세정(dry cleaning): 래핑(Rapping) 방식 33
• 2.6.3 습식 세정(wet cleaning): 물 세정 기반 성능 유지 34
• 2.6.4 장기 운전 성능 평가 방법 36
• 제3장 연구방법 38
• 3.1 연구 개요 및 목적 38
• 3.2 시험 장치 및 구성 40
• 3.2.1 전기집진기 시제품 구성 40
• 3.2.2 ASHRAE 52.2 규격 기반 풍동형 시험장치 41
• 3.2.3 실규모 1,680 m³ 챔버 기반 공기조화기 시험장치 43
• 3.2.4 세척·재사용 시험장치 구성 44
• 3.2.5 전원부 및 안전설계 45
• 3.3 시험 조건 및 측정 장비 46
• 3.3.1 시험 조건 47
• 3.3.2 측정 장비 50
• 3.4 시험 절차 및 평가 방법 56
• 3.4.1 입자 제거효율 평가 절차 57
• 3.4.2 차압 및 송풍전력 평가 절차 58
• 3.4.3 오존 농도 평가 절차 59
• 3.4.4 세척·재사용 시험 절차 60
• 제4장 결과 및 고찰 61
• 4.1 실험 결과 개요 61
• 4.2. 실험 결과 정리 62
• 4.2.1 설계 사양 결정 63
• 4.2.2 집진 효율 결과 65
• 4.2.3 차압 결과 67
• 4.2.4 전력 결과 70
• 4.2.5 오존 및 안정성 결과 72
• 4.2.6 세정/재사용 결과 76
• 제5장 결론 79
• 5.1 결론 요약 79
• 5.2 향후 연구 80
• 참고문헌 81
• Abstract 85
• 감사의 글 87