[논문]도시 지하역사 미세먼지제어를 위한 이중여과장치의 현장적용 연구

박해우; 김우람; 조영민

doi:10.5572/kosae.2013.29.5.625

Abstract ▼ AI-Helper

This study attempted to find an alternative method for fine dust control in the pre-exiting facilities of metro-subway stations. A new double-layer design was proposed for the MVAC (mechanical ventilation and air control) system. Several filter lay-outs were combined a pre-filter with electret filte...

This study attempted to find an alternative method for fine dust control in the pre-exiting facilities of metro-subway stations. A new double-layer design was proposed for the MVAC (mechanical ventilation and air control) system. Several filter lay-outs were combined a pre-filter with electret filter (EF), electret bundle filter (EBF), or electret pleated filter (EPF), and were then examined focusing on the collection efficiency of particulate matters and pressure drop across the filter layers. The experimental results from the lab and field tests showed the best collection efficiency with EPF, which achieved 85% for $PM_{10}$ and 55% for $PM_{2.5}$. It was also found from the long term field test that the new filter lay-out could provide quite consistent dust level particularly in underground platform regardless of external condition.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 pre-filter의 초기 3~4일의 낮은 포집 효율을 보완할 수 있는 연동형 정전필터를 적용함으로써 초기 미세먼지의 통과량을 억제하는 실험을 진행하였다. 궁극적으로는 수도권 지하역사의 공기질 향상을 위하여 설치되어 있는 여과필터의 성능 개선을 위하여 낮은 압력강하를 유지하면서 포집효율을 극대화시키는 방안을 얻고자 본 연구를 진행하였다.
그러나 pre-filter는 교체 초기의 포집효율이 매우 낮기 때문에 지하역사를 비롯한 지하공간의 공기질 조절이 용이하지 않은 문제점을 지니고 있다. 따라서 본 연구에서는 pre-filter의 초기 3~4일의 낮은 포집 효율을 보완할 수 있는 연동형 정전필터를 적용함으로써 초기 미세먼지의 통과량을 억제하는 실험을 진행하였다. 궁극적으로는 수도권 지하역사의 공기질 향상을 위하여 설치되어 있는 여과필터의 성능 개선을 위하여 낮은 압력강하를 유지하면서 포집효율을 극대화시키는 방안을 얻고자 본 연구를 진행하였다.

제안 방법

이때 덕트 내부에 적체되어 있는 먼지입자가 부분적으로 부유하여 청정공기에 혼합되어 일종의 미세먼지 발생원으로 작용할 수 있으므로 재비산된 미세먼지가 깨끗해진 공기와 함께 공급될 가능성이 있다(Korean Air Vent Information, 1988). 본 연구에서는 상기의 pre-filter와 EPF의 조합을 장착하여 1년 이상 운전하면서 대합실과 승강장에서의 PM₁₀과 PM_2.5의 농도를 측정하였다. 측정결과 겨울철의 비가동 기간을 제외하고 그림 11~그림 14에 도시한 미세먼지의 농도분포를 살펴보면 pre-filter만을 장착했던 초기(9/16~10/2)의 미세먼지량에 비하여 현저히 낮은 양의 PM₁₀과 PM_2.
현장시험에 앞서 실험실 규모의 실험을 통하여 다단 여과필터 적용 시 압력강하가 증가할 것을 고려하여 사전에 여러 종류의 정전필터를 시험하여 압력 강하 대비 효율이 좋은 조건의 필터배치를 선정하도록 하였다. 시험용 정전필터는 선행연구의 결과를 참고하여 형태에 따라 일반 정전형 필터(EF : Electret filter), 섬유다발형 필터(EBF : Electret bundle filter), 그리고 주름형 정전필터(EPF : Electret plated filter)를 기존필터와 조합하여 관찰하였다 (Li and Jo, 2009). EF는 MERV 10 수준으로서 국내 EGIS사의 것을 사용하였으며, EBF는 스웨덴의 Flimmer사 정전섬유다발형으로서 섬유의 두께는 30~36 μm이었으며, 모듈은 4 cm 깊이로 제작하였다.
또한 동시에 미세먼지가 필터에 포집되면서 유발하는 각 필터 전 ∙ 후의 압력차(ΔP)를 알기 위하여 디지털 차압계를 그림 2와 같이 각 구간에 설치하였다. 한편, 공조실 여과설비 외에 대합실과 승강장의 미세먼지 농도를 현장에서 실시간으로 측정함으로써 신규여과공정의 효과를 파악하였다.
현장시험에 앞서 실험실 규모의 실험을 통하여 다단 여과필터 적용 시 압력강하가 증가할 것을 고려하여 사전에 여러 종류의 정전필터를 시험하여 압력 강하 대비 효율이 좋은 조건의 필터배치를 선정하도록 하였다. 시험용 정전필터는 선행연구의 결과를 참고하여 형태에 따라 일반 정전형 필터(EF : Electret filter), 섬유다발형 필터(EBF : Electret bundle filter), 그리고 주름형 정전필터(EPF : Electret plated filter)를 기존필터와 조합하여 관찰하였다 (Li and Jo, 2009).

대상 데이터

시험용 정전필터는 선행연구의 결과를 참고하여 형태에 따라 일반 정전형 필터(EF : Electret filter), 섬유다발형 필터(EBF : Electret bundle filter), 그리고 주름형 정전필터(EPF : Electret plated filter)를 기존필터와 조합하여 관찰하였다 (Li and Jo, 2009). EF는 MERV 10 수준으로서 국내 EGIS사의 것을 사용하였으며, EBF는 스웨덴의 Flimmer사 정전섬유다발형으로서 섬유의 두께는 30~36 μm이었으며, 모듈은 4 cm 깊이로 제작하였다. EPF는 EF를 굴곡형태로 제작하여 여과면적을 7배 이상 확대하였다.
본 연구에서 시험한 현장인 D역사를 제외하고 모두 유입구에 습식 데미스터가 장착되어 있었다. 공조기 내부에는 pre-filter와 함께 자동세정형 전기집진기와 UV 램프, 전기집진기와 냉각코일 등으로 이루어져 있었다.
실험장치는 그림 1에 개략적으로 도시한 바와 같이 정사각형의 샘플 필터 (4 cm×4 cm)를 삽입할 수 있는 필터지지체와 충분한 길이의 유로(덕트의 전 후, 각 50 cm)를 아크릴 소재로 제작하여 구성하였다. 장치로 공급되는 공기는 외부로부터 유입되는 미세먼지의 영향을 최소화시키기 위해 HEPA Filter(High efficiency particulate air Filter)를 이용하여 청정상태를 유지하였다.
현장실험의 경우 서울의 D-지하역을 시험역사로 선정하였다. 그림 2에 개략적으로 도시한 바와 같이 공조설비로 유입되는 외부공기와 실내순환공기에 포함되어있는 PM₁₀과 PM_2.

성능/효과

현장 장기시험결과, 이와 같은 필터조합은 외부 여건에 관계없이 승강장에서의 미세먼지 농도는 일정하게 낮은 값을 유지하고 있었다. 동시에 여과가 진행되면서 낮은 압력강하 값이 유지될 수 있음을 보여주어 기존 공조설비를 이중여과장치로 개선함으로서 포집효율을 극대화시킬 수 있었다. 따라서 공조시스템을 완전히 교체하기 곤란한 역사에 적용하면 보다 효과적인 결과를 보일 것으로 판단된다.
이에 역사 공조실에 설치되어 있는 여과필터의 성능을 개선할 수 있는 방안을 얻고자 본 연구를 진행한 결과, 실험실 시험을 통하여 pre-filter와 주름형 정전필터(EPF)를 조합하여 설치하는 것이 가장 높은 필터질(q_F)값을 가지는 것으로 나타났다. 실제로 현장 장기 시험 결과 PM₁₀은 85%로 타역사보다 50~5% 이상 높은 포집효율을 보였으며, PM_2.5는 55%의 집진효율을 보였다. 현장 장기시험결과, 이와 같은 필터조합은 외부 여건에 관계없이 승강장에서의 미세먼지 농도는 일정하게 낮은 값을 유지하고 있었다.
현재 수도권 지하역사의 공기질 향상을 위하여 많은 연구원들의 다양한 시도가 진행되고 있다. 이에 역사 공조실에 설치되어 있는 여과필터의 성능을 개선할 수 있는 방안을 얻고자 본 연구를 진행한 결과, 실험실 시험을 통하여 pre-filter와 주름형 정전필터(EPF)를 조합하여 설치하는 것이 가장 높은 필터질(q_F)값을 가지는 것으로 나타났다. 실제로 현장 장기 시험 결과 PM₁₀은 85%로 타역사보다 50~5% 이상 높은 포집효율을 보였으며, PM_2.
5는 55%의 집진효율을 보였다. 현장 장기시험결과, 이와 같은 필터조합은 외부 여건에 관계없이 승강장에서의 미세먼지 농도는 일정하게 낮은 값을 유지하고 있었다. 동시에 여과가 진행되면서 낮은 압력강하 값이 유지될 수 있음을 보여주어 기존 공조설비를 이중여과장치로 개선함으로서 포집효율을 극대화시킬 수 있었다.

후속연구

동시에 여과가 진행되면서 낮은 압력강하 값이 유지될 수 있음을 보여주어 기존 공조설비를 이중여과장치로 개선함으로서 포집효율을 극대화시킬 수 있었다. 따라서 공조시스템을 완전히 교체하기 곤란한 역사에 적용하면 보다 효과적인 결과를 보일 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	pre-filter의 문제점은 무엇인가?	, 2009). 그러나 pre-filter는 교체 초기의 포집효율이 매우 낮기 때문에 지하역사를 비롯한 지하공간의 공기질 조절이 용이하지 않은 문제점을 지니고 있다. 따라서 본 연구에서는 pre-filter의 초기 3~4일의 낮은 포집 효율을 보완할 수 있는 연동형 정전필터를 적용함으로써 초기 미세먼지의 통과량을 억제하는 실험을 진행하였다.
	공조실에서 먼지를 제거하는 방법은 무엇이 있는가?	5의 기준이 새롭게 수립되어 지하역사내에서의 미세먼지 농도는 이전보다도 더욱 주목받게 되었다. 공조실에서 먼지를 제거하는 방법으로는 섬유상 필터, 전기집진기, 세정형 장치 등이 이용되고 있다. 특히 서울시는 대부분 가격과 유지비용이 상대적으로 저렴한 pre-filter 급 섬유상 필터를 사용하여 공조시설을 운영하고 있다(Bae et al.
	지하 층수에 따른 미세먼지의 오염도는 어떠한가?	미세먼지의 오염도는 터널, 승강장, 대합실, 외기 순서로 높은 값을 보였다(Ministry of Environment, 2008). 또한 지하 층수로 내려 갈수록 미세먼지의 농도가 높게 나타났으며, 이는 구조적 축적에 의한 것 이라는 결과와 일치하였다(Kim and Paik, 2004). 최근 지하철의 쾌적성을 고려하여 냉방 시스템이나 공기청정시스템 등을 신규로 적용하고, 스크린 도어를 설치함으로써 승강장이나 대합실의 공기질을 개선하고 있으나 오래된 지하역사의 경우 공조시스템을 완전히 교체하기에는 비용적으로나 시간적으로 소모가 크다 (Ministry of Construction & Transportation, 2002).

참고문헌 (10)

Ahn, K.H. (1997) Aerosol filtration by electret and electrostatic filters, J. of Air-Conditioning and Refrigeration, 26(1), 18-22 (in Korean with English abstract).
Bae, S.J., S.H. Hwang, and C.H. Shin (2009) A preliminary study of Standardization Plan on Underground Air Filtration Facility, Railway Journal, 16(1), 919-929 (in Korean with English abstract).
Hinds, W.C. (1999) Aerosol Technology: Properties, Behavior, and Measurement of Airborne Particles, John Wiley & Sons, Inc., New York, 183-205.
Ji, S.M., J.R. Son, and H.S. Park (2012) Influence of particle and filter charge on filtration property of air filter under particle loading, J. KOSAE. 28(6), 644-655 (in Korean with English abstract).

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Kalacyci, V., M. Ouyang, and K. Graham (2006) Polymeric nanofibers in high efficiency filtration applications, Filtration, (6), 286-293.
Kim, J.K. and N.W. Paik (2004) A Study on characteristics of Airborne Dusts in Seoul Subway Station, Kor. J. Env. Hlth., 30(2), 154-160 (in Korean with English abstract).
Korean Air Vent Information (1988) Cleaning technology for MVAC, Korean Equipment Tech. Journal, 5(3), 97-102.
Li, K. and Y.M. Jo (2009) Application of Electret Filters for Dust Collection in a Subway MVAC System, Meeting Abstracts : The fall meeting of KOSAE, 590-592.
Ministry of Construction & Transportation (2002) The Research of Environmental Management Plan and Pollutants Reduce in Subway.
Ministry of environment (2008) Management of underground subway air quality improve during 5 years.

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