KIEAE Journal

한국인들은 하루 평균 약 20.6시간을 실내에서 보내며, 그중 16시간을 주택에서 보내는 것으로 나타났다[1]. 최근에는 많은 기업이 재택근무제를 도입하여, 2021년에는 2019년 대비 약 100만 명의 재택근무자가 증가했다[2, 3]. 이에 따라 주택에서 실내 오염물질 관리가 더욱 중요해졌다.

WHO(World Health Organization) 보고서에 따르면, 약 320만 명의 사람들이 매년 실내 오염물질로 인해 사망한다고 한다[4]. 또한, 최근 COVID-19 바이러스의 공기 전파 문제, 미세먼지 문제로 인해 실내 오염물질에 대한 관심이 증가하고 있다[5].

환경부에서는 인체 건강에 직접적인 영향을 미치는 실내 오염물질을 지정하고 있으며, 이는 가스상 물질, 입자상 물질로 구분할 수 있다. 가스상 물질에는 오존(O₃), 이산화탄소(NO₂), 일산화탄소(CO), 휘발성 유기화합물(VOCs), 폼알데하이드(HCHO) 등이 있으며, 입자상 물질에는 미세먼지(PM_2.5, PM₁₀), 곰팡이, 석면, 총부유세균(TAB) 등이 있다[6].

실내 오염물질 저감 시키는 대표적인 방법으로는 자연 환기, 기계 환기가 있다[7]. 자연 환기는 실내외 온도 및 압력을 이용하여 자연적인 환기를 유도한다. 그러나 미세먼지가 많은 날은 외부 공기가 유입되는 환기가 어렵다. 기계 환기는 환기 팬, 송풍기 등을 동력으로 활용하여 강제로 환기하는 것으로, 대표적인 기계 환기장치로는 전열교환기가 있다. 전열교환기는 2006년 이후로 100세대 이상의 공동주택에서 설치가 의무화되었으며, 2020년부터는 30세대 이상 및 신축 공동주택에 설치가 확대되었다[8]. 또한, 2020년부터는 전열교환기에 미세먼지 필터 설치를 의무화하고 있다[9]. 이에 따라 최근 전열교환기는 HEPA H10 등급 이상의 제품과 탄소필터를 포함한 제품들이 출시되고 있다. 하지만 필터방식의 제품은 미세먼지와 같은 입자상 물질을 걸러주지만, 별도의 환기를 시키지 않으면 가스상 오염물질 제거가 어려워 주기적인 자연 환기가 필요한 상황이다[10].

기존의 기계 환기 시스템만으로 가스상 오염물질 제거의 한계가 존재하고 있어 가스상 오염물질 저감 효과를 갖고 있는 광촉매를 일정한 장치에 적용하고 이를 전열교환기와 결합시켰다.

이 시스템은 전열교환기 작동 시 광촉매 반응기를 통과시켜 화학 반응을 유도하고, 이를 통한 가스상 오염물질을 제거하는 원리로 활용하고자 한다. 이러한 시스템을 이용한 실내 오염물질 제거 성능검토를 위해 본 연구는 실제 주거용 원룸 공간을 대상으로 현장실험을 하였다. 실험을 위해 가스상 오염물질 중 대표적인 폼알데하이드를 대상으로 외부 공기 오염으로 창문을 열지 못하는 환경을 가정하여, 일반 전열교환기의 내부순환 모드와 광촉매 모드를 비교 실험하였다. 이를 통해 실내 오염물질 중 가스상 오염물질 제거 성능검토를 목표로 하였다.

폼알데하이드는 무색의 기체로 입자성 오염물질로 구분되며 석탄산계, 접착제 제조, 목제품 제조, 비료 및 농약, 수용성 페인트 등 다양한 분야에서 사용되는 물질이다[11]. 따라서 폼알데하이드는 단열재, 바닥재, 합판 등 건축자재 및 화장품, 생활용품, 가구 등 일상생활에서 자주 접할 수 있는 물질로 공기 중 농도 1.00ppm 이하에서 눈, 코, 목 등에 자극을 일으키는 발암물질이다[12]. 이러한 폼알데하이드의 제거방법은 다양하게 존재하고 있으며, 대표적으로 환기장치를 이용한 흡착 방법과 TiO₂ 광촉매를 이용한 분해를 통한 방법이 있다.

환기장치를 이용한 폼알데하이드 제거방법은 환기장치에 활성탄 필터를 부착해 폼알데하이드를 흡착시켜 제거할 수 있다. 활성탄은 탄소로 구성되어 있으며 다공성 물질로 넓은 표면적을 통해 흡착이 이루어진다[13]. 활성탄 필터는 헤파필터와 공기청정기 및 습식 공기청정기에 부착되어 실내 오염물질을 제거할 수 있다. 활성탄 필터를 부착한 공기청정기 및 습식 공기청정기에서의 폼알데하이드를 제거 성능 실험[14], 공기청정기 내의 활성탄 필터에 TiO₂ 광촉매를 부착 후 실내 오염물질 제거[15], 다양한 종류의 활성탄을 이용하여 폼알데하이드 제거[16] 등 다양한 연구가 진행되고 있다. 하지만 활성탄 필터는 성능을 유지하기 위해 교체주기에 따라 교체를 해야 한다. 교체하지 않고 활성탄 필터를 계속해서 사용할 경우 흡착률이 떨어져 공기청정기 가동 시 실내 오염물질이 흡착되지 않고 실내에 머무르게 된다.

TiO₂ 광촉매는 빛을 이용한 촉매의 한 종류로 UV 광원을 통해 발생하는 빛에너지와 화학반응을 통하여 폼알데하이드와 반응을 일으켜 O₂와 H₂O로 분해하여 제거할 수 있다[17]. 최근에는 TiO₂ 광촉매가 발려진 목재를 이용하여 폼알데하이드를 분해[18], 광촉매 코팅 두께에 따른 폼알데하이드 제거 성능 확인[19], 공동주택에서의 폼알데하이드 농도 비교[20] 등 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 기존 연구들의 경우 폼알데하이드 농도 제거를 위한 광촉매의 조건이 다르며, 챔버 및 목업 실험 위주로 진행되고 있어 실증연구가 부족한 상황이다.

따라서 본 연구는 TiO₂ 광촉매 필터를 이용한 전열교환기를 통해 실증연구를 수행하였다. 실내 오염물질 중 일상생활에서 자주 접하게 되는 폼알데하이드를 이용하여 실제 사람이 거주하고 있는 공간에 폼알데하이드 가스를 주입하여 이를 통해 광촉매를 이용한 폼알데하이드 제거 성능을 확인하고자 한다.

Test-Bed는 전라남도 담양에 있는 H 기업의 기숙사로 작업자들이 실제로 거주하고 있는 곳에서 진행하였다. Test-Bed의 크기는 Fig. 1.과 같다. 폭 2m, 길이 2.9m, 높이 2.45m로 면적은 5.8m², 체적은 14.2m³이다. Test-Bed에는 전열교환기와 측정기기를 설치했다. 폼알데하이드 가스는 실의 복도에서 Test-Bed로 주입하였으며, 실내의 폼알데하이드 가스 농도를 측정기기를 통해 실시간으로 확인하였다. 실험 실시 전 Test-Bed의 침기를 확인하기 위하여 기밀성능 실험을 진행했다. 또한, Test-Bed 체적을 산출한 결과를 바탕으로 Test-Bed 체적에 따라 환기횟수 0.5ACH를 산출하였으며, 이후 환기횟수를 증가시킨 1.0ACH와 2.0ACH를 적용해 실험을 진행하였다.

Fig. 1. 
Experimental conditions

ISO 22197-4 광촉매 폼알데하이드 제거 실험법을 통해 실험을 진행했다. ISO 22197-4를 이용한 선행연구로 콘크리트 광 반응기를 제작하여 폼알데하이드 제거 실험을 진행하였다[21]. 이 연구에서는 콘크리트로 제작된 시편에 광촉매를 코팅 후 UV-A Lamp를 이용하여 시편의 크기 및 두께에 따른 폼알데하이드 제거 성능을 확인하였다. 실험 결과 시편의 크기, 개수가 증가할수록 폼알데하이드의 제거 성능이 향상되는 것을 확인하였다.

본 실험에서도 ISO 22197-4를 인용하여 실험 조건을 설정하였다. 실험 조건은 Table 1.과 같다. 폼알데하이드 가스 농도는 1.0ppm이며, 광촉매에 반응하는 광원 UV-A Lamp, 광량 10W/m², 온도 25℃, 습도 50%로 ISO의 조건과 같이 실험을 진행하였다. 그러나 실험 장치는 아크릴 수지, 스테인리스 스틸, 유리로 제시되어 있지만 본 실험은 스테인리스 스틸로 실험하였다. 따라서 폼알데하이드 농도 저감을 확인하기 위해 광촉매 모드와 내부순환 모드의 환기횟수는 실에 체적에 맞는 환기횟수를 고려하여 0.5ACH, 1.0ACH, 2.0ACH를 각각 비교하였다.

본 실험에 사용된 TiO₂ 광촉매가 적용된 전열교환기는 Fig. 2.와 같이 일반 전열교환기에 광촉매 반응기를 부착하였다. 광촉매 반응기는 덕트 내부에 TiO₂ 광촉매를 도포 후 관 내부에 UV-A 램프를 부착시켰다. 전열교환기의 OA(Out Air)와 EA(Exhaust Air)는 실외에 접촉되어 있으며, SA(Supply Air)와 RA(Return Air)는 각각 실의 끝부분 천장에 설치하였다.

Fig. 2. 
Photocatalytic heat exchanger

광촉매 반응기에 사용한 UV-A 램프는 P사의 TL-D 18W 램프를 활용하였다. 램프의 조건은 Table 2.와 같다. 램프의 소비 전력은 18W이며, 전류는 0.36A, 전압은 59V이다. 램프의 형태는 T 26이며, 총 길이는 604mm이다.

실험에서는 TiO₂ 광촉매가 적용된 전열교환기와 일반 전열교환기의 실내 공기만 순환하는 내부순환 모드를 비교하여 실험을 진행하였다. 광촉매 모드와 내부순환 모드의 차이는 Table 3.과 Fig. 3.과 같다. 두 모드는 외기 유입을 차단하고 실내 공기만을 순환시키기 위해 내부 댐퍼를 개방하였다. 광촉매 모드는 폼알데하이드가 광촉매 반응기를 지나며 UV-A Lamp가 ON이 되어 광촉매 반응이 일어난다. 내부순환 모드는 UV-A Lamp가 OFF 상태이며 광촉매 반응기를 지나가도 빛이 없기 때문에 광촉매 반응이 일어나지 않는다.

Fig. 3. 
Heat exchanger

Test-Bed 내의 폼알데하이드 농도를 확인하기 위해 Fig. 4.와 같이 ‘KINSCO’의 Airwell Plus III를 활용하였다.

Fig. 4. 
Measurement equipment

먼저 Test-Bed의 이산화탄소 농도 저감을 통해 Test-Bed의 기밀성능을 확인하였다. 실험 결과 Table 4., Fig. 5.와 같다. CO₂ 농도는 실험 시작 시 659ppm에서 60분 후 644ppm으로 약 2% 감소하였다. 실험 결과를 바탕으로 Test-Bed 내의 자연 침기량 계산 결과 약 0.1ACH가 나타났다. 일반 주거시설의 기밀성능 환기횟수는 0.15ACH로[22] Test-Bed의 기밀성능은 일반 주거시설보다 좋은 것으로 확인되었다.

Fig. 5. 
Airtight performance test result

실험에서 광촉매 모드의 환기횟수별 실험 종합 결과는 Table 11., Fig. 9.와 같다. 실험 90분 동안 각각의 저감률은 0.5ACH는 40%, 1.0ACH 75%, 2.0ACH 98%로 환기횟수가 증가할수록 광촉매 모드의 폼알데하이드 저감 속도가 가속화되는 것으로 확인되었다.

Fig. 9. 
Reduced formaldehyde concentration of photocatalytic mode

환기율별 폼알데하이드 농도 감소율의 추세방정식은 Table 12.와 같다. 폼알데하이드 농도가 30% 감소하였을 때 0.5ACH는 60분, 1.0ACH는 33분, 2.0ACH는 24분으로 0.5ACH를 기준으로 각각 27분, 36분 단축되었다. 90% 저감이 될 경우에는 0.5ACH는 300분, 1.0ACH는 109분, 2.0ACH는 80분으로 0.5ACH를 기준으로 각각 191분, 220분 단축되었다. 0.5ACH는 2배 증가된 1.0ACH의 폼알데하이드 저감률은 87.5% 증가하였고, 4배 증가된 2.0ACH의 저감률은 145% 증가했다. 이를 통해 환기횟수가 증가함에 따라 Test-Bed 내의 폼알데하이드 농도 저감 속도가 가속화되는 것으로 확인되었다.

종합적으로 내부순환 모드와 광촉매 모드를 비교한 결과, 내부순환 모드는 Test-Bed 환기횟수에 따른 폼알데하이드 농도 저감률이 9-11%로 유사한 양상으로 나타났다. 반면, 광촉매 모드는 환기횟수가 증가함에 따라 내부순환 모드보다 40%에서 98%까지 더 높은 폼알데하이드 농도 저감률이 나타났다. 이를 통해 광촉매 모드는 내부순환 모드보다 폼알데하이드 제거 효율이 우수한 것을 알 수 있다.