식생기반 바이오필터의 미세먼지, 이산화탄소 개선효과와 실내쾌적지수 분석 Particulate Matter and CO2 Improvement Effects by Vegetation-based Bio-filters and the Indoor Comfort Index Analysis원문보기
본 연구는 일반인에게 안전한 실내공기질 개선수단으로 인식되는 공기정화식물의 효율적 적용을 위해 실내공조에 요구되는 총풍량 확보가 가능한 식생기반 바이오필터 시스템을 제안하고자 했다. 시스템의 정량적 성능평가는 강의실형태의 실험실 체적 $332.73m^3$ 내 16명의 재실자 조건에서 목업단위 시스템의 공조 성능, 실내공기질 및 쾌적지표 개선효과에 대한 시계열 분석으로 진행되었다. 우선, 시스템 구동을 통해 총 $1,411.22m^3/h$의 유출 총풍량을 확보하여, 4.24 ACH의 환기율을 제공할 수 있었다. 실내온도는 $1.6^{\circ}C$, 흑구온도는 $1.0^{\circ}C$ 감소가 확인되었으며, 상대습도는 24.4% 상승한 최대 82.0%까지 증가하였다. 상대습도 급증에 따른 쾌적도 감소현상은 송풍기 구동에 따라 발생되는 실내기류로 상쇄되는 것으로 판단된다. 또한, 시스템 가동에 따른 공기질 개선지표 중 $PM_{10}$은 39.5% 감소한 평균 $22.11{\mu}g/m^3$을 기록하였다. 반면, $CO_2$는 최대 1,329 ppm까지 지속적으로 농도가 상승했는데, 이는 광도조건이 광보상점을 만족하지 못해 적용 식물과 재실자에서 방출되는 $CO_2$가 처리되지 못한 것으로 해석된다. 실내쾌적지표의 경우 PMV는 평균 83.6 % 감소된 -0.082, PPD는 평균 47.0% 감소된 5.41%에 수렴하여 식생기반 바이오필터 구동에 의해 높은 쾌적범위의 실내공간조성이 가능한 것으로 판단되었다. 본 연구의 한계는 소수 참여인원과 단기간 실험으로 인하여 시스템의 성능 규명이 제한적인 부분이었으며, 보다 장기간의 실험을 통해 바이오필터에 도입된 식생의 생육상태에 따른 압력손실 변화, 미세먼지 저감에 대한 구체적인 메커니즘 규명 등의 후속연구가 진행되어야 할 것이다.
본 연구는 일반인에게 안전한 실내공기질 개선수단으로 인식되는 공기정화식물의 효율적 적용을 위해 실내공조에 요구되는 총풍량 확보가 가능한 식생기반 바이오필터 시스템을 제안하고자 했다. 시스템의 정량적 성능평가는 강의실형태의 실험실 체적 $332.73m^3$ 내 16명의 재실자 조건에서 목업단위 시스템의 공조 성능, 실내공기질 및 쾌적지표 개선효과에 대한 시계열 분석으로 진행되었다. 우선, 시스템 구동을 통해 총 $1,411.22m^3/h$의 유출 총풍량을 확보하여, 4.24 ACH의 환기율을 제공할 수 있었다. 실내온도는 $1.6^{\circ}C$, 흑구온도는 $1.0^{\circ}C$ 감소가 확인되었으며, 상대습도는 24.4% 상승한 최대 82.0%까지 증가하였다. 상대습도 급증에 따른 쾌적도 감소현상은 송풍기 구동에 따라 발생되는 실내기류로 상쇄되는 것으로 판단된다. 또한, 시스템 가동에 따른 공기질 개선지표 중 $PM_{10}$은 39.5% 감소한 평균 $22.11{\mu}g/m^3$을 기록하였다. 반면, $CO_2$는 최대 1,329 ppm까지 지속적으로 농도가 상승했는데, 이는 광도조건이 광보상점을 만족하지 못해 적용 식물과 재실자에서 방출되는 $CO_2$가 처리되지 못한 것으로 해석된다. 실내쾌적지표의 경우 PMV는 평균 83.6 % 감소된 -0.082, PPD는 평균 47.0% 감소된 5.41%에 수렴하여 식생기반 바이오필터 구동에 의해 높은 쾌적범위의 실내공간조성이 가능한 것으로 판단되었다. 본 연구의 한계는 소수 참여인원과 단기간 실험으로 인하여 시스템의 성능 규명이 제한적인 부분이었으며, 보다 장기간의 실험을 통해 바이오필터에 도입된 식생의 생육상태에 따른 압력손실 변화, 미세먼지 저감에 대한 구체적인 메커니즘 규명 등의 후속연구가 진행되어야 할 것이다.
BACKGROUND: In the month of January 2018, fine dust alerts and warnings were issued 36 times for $PM_{10}$ and 81 times for PM2.5. Air quality is becoming a serious issue nation-wide. Although interest in air-purifying plants is growing due to the controversy over the risk of chemical sub...
BACKGROUND: In the month of January 2018, fine dust alerts and warnings were issued 36 times for $PM_{10}$ and 81 times for PM2.5. Air quality is becoming a serious issue nation-wide. Although interest in air-purifying plants is growing due to the controversy over the risk of chemical substances of regular air-purifying solutions, industrial spread of the plants has been limited due to their efficiency in air-conditioning perspective. METHODS AND RESULTS: This study aims to propose a vegetation-based bio-filter system that can assure total indoor air volume for the efficient application of air-purifying plants. In order to evaluate the quantitative performance of the system, time-series analysis was conducted on air-conditioning performance, indoor air quality, and comfort index improvement effects in a lecture room-style laboratory with 16 persons present in the room. The system provided 4.24 ACH ventilation rate and reduced indoor temperature by $1.6^{\circ}C$ and black bulb temperature by $1.0^{\circ}C$. Relative humidity increased by 24.4% and deteriorated comfort index. However, this seemed to be offset by turbulent flow created from the operation of air blowers. While $PM_{10}$ was reduced by 39.5% to $22.11{\mu}g/m^3$, $CO_2$ increased up to 1,329ppm. It is interpreted that released $CO_2$ could not be processed because light compensation point was not reached. As for the indoor comfort index, PMV was reduced by 83.6 % and PPD was reduced by 47.0% on average, indicating that indoor space in a comfort range could be created by operating vegetation-based bio-filters. CONCLUSION: The study confirmed that the vegetation-based bio-filter system is effective in lowering indoor temperature and $PM_{10}$ and has positive effects on creating comfortable indoor space in terms of PMV and PPD.
BACKGROUND: In the month of January 2018, fine dust alerts and warnings were issued 36 times for $PM_{10}$ and 81 times for PM2.5. Air quality is becoming a serious issue nation-wide. Although interest in air-purifying plants is growing due to the controversy over the risk of chemical substances of regular air-purifying solutions, industrial spread of the plants has been limited due to their efficiency in air-conditioning perspective. METHODS AND RESULTS: This study aims to propose a vegetation-based bio-filter system that can assure total indoor air volume for the efficient application of air-purifying plants. In order to evaluate the quantitative performance of the system, time-series analysis was conducted on air-conditioning performance, indoor air quality, and comfort index improvement effects in a lecture room-style laboratory with 16 persons present in the room. The system provided 4.24 ACH ventilation rate and reduced indoor temperature by $1.6^{\circ}C$ and black bulb temperature by $1.0^{\circ}C$. Relative humidity increased by 24.4% and deteriorated comfort index. However, this seemed to be offset by turbulent flow created from the operation of air blowers. While $PM_{10}$ was reduced by 39.5% to $22.11{\mu}g/m^3$, $CO_2$ increased up to 1,329ppm. It is interpreted that released $CO_2$ could not be processed because light compensation point was not reached. As for the indoor comfort index, PMV was reduced by 83.6 % and PPD was reduced by 47.0% on average, indicating that indoor space in a comfort range could be created by operating vegetation-based bio-filters. CONCLUSION: The study confirmed that the vegetation-based bio-filter system is effective in lowering indoor temperature and $PM_{10}$ and has positive effects on creating comfortable indoor space in terms of PMV and PPD.
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문제 정의
본 연구는 일반인에게 안전한 실내공기질 개선수단으로 인식되는 공기정화식물의 효율적 적용을 위해 실내공조에 요구되는 총풍량 확보가 가능한 식생기반 바이오필터 시스템을 제안하고자 했다. 시스템의 정량적 성능평가는 강의실형태의 실험실 체적 332.
본 연구는 총풍량 처리효율 조절이 가능한 공조시스템연계 바이오필터 목업의 성능평가를 통해 실내공기질 개선을 위한 정화식물의 효율적 사용방안을 제시하고자 한다. 이를 위해, 시스템의 공조적 특성을 해석하고, 미세먼지, 이산화탄소의 실내공기질 개선효과와 대표적인 쾌적지표인 PMV, PPD를 산출하여 식생기반 바이오필터가 실내 쾌적도에 미치는 효과를 구명하고자 한다.
제안 방법
d) 시험개시 후 1시간을 기점으로 식생기반 바이오필터 시스템 목업의 송풍기를 작동하고, 구동 전후의 PM10, CO2, 흑구온도, 실내기류속도, 온습도 변화를 모니터링 한다.
e) 시험 종료 후 PM10, CO2, 흑구온도, 실내기류속도, 온습도 모니터링 DB를 백업하여 분석한다.
시스템 목업의 운전스케줄은 송풍기와 관수부문으로 구분되며, 다음 Table 2와 같다. 관수는 1일 총 4회 4시간 동안 공급되었으며, 송풍기는 1일 총 4회 8시간 동안 작동되었다.
46%)이 가장 높은 것으로 확인하였다. 또한, 연구진은 이에 대한 원인으로 바이오필터의 압력강하 및 근권부 구조가 바이오필터의 미세먼지 SPRE에 영향을 미치는 것으로 해석하였다. 본 연구에서는 하단의 바이오필터 면풍속이 상단에 비해 불연속적이며 22.
바이오필터 송풍기의 공조성능은 최대 풍량 2,000 m3/h이며, 정압 200 Pa까지 운전이 가능하다. 송풍기는 1개당 4개의 바이오필터가 연결되며, 필터 전방 여과풍속 0.1-0.3 m/s 구간에서 2,160-6,480 m3/h의 총풍량을 제공할 수 있도록 설계되었다.
본 연구는 일반인에게 안전한 실내공기질 개선수단으로 인식되는 공기정화식물의 효율적 적용을 위해 실내공조에 요구되는 총풍량 확보가 가능한 식생기반 바이오필터 시스템을 제안하고자 했다. 시스템의 정량적 성능평가는 강의실형태의 실험실 체적 332.73 m3 내 16명의 재실자 조건에서 목업단위 시스템의 공조 성능, 실내공기질 및 쾌적지표 개선효과에 대한 시계열 분석으로 진행되었다.
식생기반 바이오필터 시스템 목업의 환경개선성능을 평가하기 위해 시스템 구동에 따른 실내 미세먼지, 이산화탄소 저감효과 및 실내 쾌적지표를 시계열 모니터링을 통해 도출하였다. 우선 시험환경을 강의실로 설정하고, 시스템에서 발생되는 면풍속 및 토출풍속을 확보하기 위해 SAREK A101-2011: 덕트풍량 측정 방법을 참조하여 바이오필터는 35개, 송풍구는 25개의 측정 지점을 설정하였다.
실내환경평가를 위한 계측요소는 실내공기질과 PMV/PPD 산출을 위해 미세먼지(PM10), CO2, 흑구온도, 실내기류속도, 온습도로 설정하였다. 시계열 모니터링을 위해 미세먼지를 측정하는 입자상 오염원 측정에는 광산란법(light scattering method) 650 nm LD (laser diode)방식이 적용되었고, 가스상 오염원 측정은 비분산 적외선 (NDIR: non-dispersive infra-red)방식의 CO2 센서가 탑재된 모델이 사용되었다.
실험은 2018년 5월 9일 17시에 진행되었으며, 참여 총 16명의 학생에게 2시간 동안 정적인 활동량 (met=1.0)과 춘절기 일반복장의 착의량 (clo=1.0)이 적용되었다. 시스템 목업의 운전스케줄은 송풍기와 관수부문으로 구분되며, 다음 Table 2와 같다.
식생기반 바이오필터 시스템 목업의 환경개선성능을 평가하기 위해 시스템 구동에 따른 실내 미세먼지, 이산화탄소 저감효과 및 실내 쾌적지표를 시계열 모니터링을 통해 도출하였다. 우선 시험환경을 강의실로 설정하고, 시스템에서 발생되는 면풍속 및 토출풍속을 확보하기 위해 SAREK A101-2011: 덕트풍량 측정 방법을 참조하여 바이오필터는 35개, 송풍구는 25개의 측정 지점을 설정하였다.
본 연구는 총풍량 처리효율 조절이 가능한 공조시스템연계 바이오필터 목업의 성능평가를 통해 실내공기질 개선을 위한 정화식물의 효율적 사용방안을 제시하고자 한다. 이를 위해, 시스템의 공조적 특성을 해석하고, 미세먼지, 이산화탄소의 실내공기질 개선효과와 대표적인 쾌적지표인 PMV, PPD를 산출하여 식생기반 바이오필터가 실내 쾌적도에 미치는 효과를 구명하고자 한다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 식생기반 바이오필터 목업은 stand alone형 수직수경재배 형태의 바이오필터 시스템이며, 식생 바이오필터, 후드형 집진구, 덕트 일체형 프레임, 급기부, 순환형 관수 탱크로 구성되어있다. 총 12개의 바이오필터가 개별 후드형 집진구에 체결되며, 약 6 m2의 공기정화면적을 확보하고 있다(Fig.
송풍기는 덕트 일체형 프레임 상부에 구비되어 있으며, 정밀한 풍량제어가 가능한 저소음, 고효율 EC 모터(단상/220 V, 1,850 rpm, 0.5 kW)가 적용된 고성능 팬이 사용되었다. 바이오필터 송풍기의 공조성능은 최대 풍량 2,000 m3/h이며, 정압 200 Pa까지 운전이 가능하다.
이론/모형
, 흑구온도, 실내기류속도, 온습도로 설정하였다. 시계열 모니터링을 위해 미세먼지를 측정하는 입자상 오염원 측정에는 광산란법(light scattering method) 650 nm LD (laser diode)방식이 적용되었고, 가스상 오염원 측정은 비분산 적외선 (NDIR: non-dispersive infra-red)방식의 CO2 센서가 탑재된 모델이 사용되었다. 다음 Table 1과 같이 가스상 오염원 측정기(Graywolf IQ610Xtra), PMV/PPD 및 WBGT 측정세트(Testo 480 probe set), 입자상 오염원 측정기(TSI AM520)가 구비되었고, Fig.
성능/효과
ISO 7730:2005(E)의 PMV 계산식에 의해 쾌적지수를 산출한 결과, 같이 실험 개시 후 평균 0.499를 기록하여, 실험실내 PMV는 쾌적범위(-0.5-+0.5) 상단의 고온 불쾌적 경계에 수렴하는 것으로 확인되었다(Fig. 8(a)).
PPD는 PMV가 0인 경우에 5%가 기록되는데, 실험 개시 후 평균 10.21%를 보여 불만족 경계범위에 실내환경이 조성된 것으로 판단되었다(Fig. 8(b)).
, (2005)은 8종의 식물의 열환경 개선효과를 측정하기 위해 인공환경조절실을 조성하여 실험하였다. 대상식생 중에서 Spathiphyllum cannifolium이 식재 유무에 따라 4.9℃의 열환경 개선 효과가 발생하였다. 해당 연구는 열적변수를 중점으로 분석하여, 열쾌적성의 주요인자인 상대습도와 난류 부문에 대한 해석이 제한적이었다.
따라서, 광합성광량자속밀도를 의미하는 PPFD가 상·하단 모두 광보상점에 도달하지 못한 것으로 판단되며, 이로인하여 광합성에 사용되는 CO2 보다 호흡으로 방출되는 CO2가 많아 실험기간 동안 CO2의 농도가 지속적으로 증가한 것으로 해석된다.
상대습도 급증에 따른 쾌적도 감소현상은 송풍기 구동에 따라 발생되는 실내기류로 상쇄되는 것으로 판단된다. 또한, 시스템 가동에 따른 공기질 개선지표 중 PM10은 39.5% 감소한 평균 22.11 ㎍/m3을 기록하였다. 반면, CO2는 최대 1,329 ppm까지 지속적으로 농도가 상승했는데, 이는 광도조건이 광보상점을 만족하지 못해 적용 식물과 재실자에서 방출되는 CO2가 처리되지 못한 것으로 해석된다.
본 연구는 수직수경재배형태인 식생기반 바이오필터의 습윤한 다층필터부에서 높은 입자성 오염원 제거효율을 기록한 것으로 판단된다. 또한, 예상되는 재실자 활동으로 자연발생되는 PM10에 대한 저감효과를 확인하였으며, 시스템 작동 전 최고점 대비 39.5%의 제거효율을 기록하여 미세먼지의 실질적 저감량을 제시할 수 있었다.
다만, 오염원 초기농도가 제시되지 않아 현실적 저감여부 확인에 제한적인 것으로 이해된다. 본 연구는 수직수경재배형태인 식생기반 바이오필터의 습윤한 다층필터부에서 높은 입자성 오염원 제거효율을 기록한 것으로 판단된다. 또한, 예상되는 재실자 활동으로 자연발생되는 PM10에 대한 저감효과를 확인하였으며, 시스템 작동 전 최고점 대비 39.
본 연구에서 총 12개의 바이오필터 입면의 PPFD를 목업 가동시점에 측정한 결과, 상단의 PPFD는 평균 13.28 µmol/m2s, 하단의 PPFD는 평균 12.17 µmol/m2s을 기록하였다.
본 연구에서는 시스템 작동 전·후의 상대습도와 난류 분석을 통해 재실자의 실내쾌적도 변화를 보다 객관적으로 예측할 수 있었다.
4%에 해당하는 식물조성으로 인하여 3-5%의 상대습도 조절효과를 구명하였으며, 이는 계절과 무관한 동일효과로 보고하고 있다. 본 연구에서는 식생기반 바이오필터 목업 시스템에 총 6 m2의 입면녹화면적이 조성되고, 송풍기 구동에 의해 습윤공기가 공급되어 작동 전 상대습도가 평균 59.73%에서 79.86%로 증가하였다. 이는 춘절기 상대습도 쾌적범위(50%, 환경부·국립환경과학원, 주택 실내공기질 관리를 위한 매뉴얼, 2012)를 59.
)는 공간유형 구분 없이 1,000 ppm 이하로 규정하고 있다(ministry of environment, 2018). 본 연구에서는 실험개시 후 PM10 평균 농도는 36.54 ㎍/m3으로 유지기준의 24.36%에 해당하는 청정한 실내공기질로 해석할 수 있지만, WHO에서 지정하고 있는 공기질 가이드라인(AQG: air quality guideline) 연간기준 20 ㎍/m3, 24시간 기준 50 ㎍ /m3 사이를 만족하는 수준이었다(WHO, 2015). 식생기반 바이오필터 목업 시스템을 가동한 후에는 평균 농도 22.
또한, 연구진은 이에 대한 원인으로 바이오필터의 압력강하 및 근권부 구조가 바이오필터의 미세먼지 SPRE에 영향을 미치는 것으로 해석하였다. 본 연구에서는 하단의 바이오필터 면풍속이 상단에 비해 불연속적이며 22.7%가 낮게 기록 되었는데, 이는 하단 적용식생의 상부와 근권부 생육상태가 상부에 비해 양호하여 발생한 것으로 이해된다. Kwon, K.
Han 등(2005)은 실험에 사용된 8종의 모든 식재공간에서의 PPD가 10%를 넘지 않아 식재공간조성을 통해 실내공간의 쾌적도 유지가 가능한 것으로 해석하였다. 본 연구에서도 식생기반 바이오필터 목업을 구동하기 전 10%를 상회하던 PPD가 시스템 구동을 통해 바로 5.40%로 저감되고, 평균 47.0% 감소된 5.41%에 수렴하여 높은 쾌적범위의 실내공간조성이 가능한 것으로 판단되었다.
0℃가 저감되었다. 상대습도는 실험 개시 후 최소 57.6%에서 목업 구동으로 최대 82.0%까지 상승하여, 24.4% 증가하였다.
24 ACH의 환기율을 제공할 수 있었다. 실내온도는 1.6℃, 흑구온도는 1.0℃ 감소가 확인되었으며, 상대습도는 24.4% 상승한 최대 82.0%까지 증가하였다. 상대습도 급증에 따른 쾌적도 감소현상은 송풍기 구동에 따라 발생되는 실내기류로 상쇄되는 것으로 판단된다.
실내쾌적지표의 경우 PMV는 평균 83.6 % 감소된 –0.082, PPD는 평균 47.0% 감소된 5.41%에 수렴하여 식생기반 바이오필터 구동에 의해 높은 쾌적범위의 실내공간조성이 가능한 것으로 판단되었다.
실험 50분 경과하여 식생기반 바이오필터 목업 시스템 구동 후에는 PMV가 평균 –0.082로 유지되고, 0에 수렴하는 쾌적한 실내환경이 조성된 것으로 해석되었다.
5(a)와 같이 분석하였다. 실험 개시 후 실내온도는 최대 24.7℃를 기록하였으나, 목업 구동으로 인하여 최저 23.1℃, 1.6℃가 저감되었다. 흑구온도는 실험 개시 후 최대 24.
우선, 시스템 구동을 통해 총 1,411.22 m3/h의 유출 총풍량을 확보하여, 4.24 ACH의 환기율을 제공할 수 있었다. 실내온도는 1.
후속연구
41%에 수렴하여 식생기반 바이오필터 구동에 의해 높은 쾌적범위의 실내공간조성이 가능한 것으로 판단되었다. 본연구의 한계는 소수 참여인원과 단기간 실험으로 인하여 시스템의 성능 규명이 제한적인 부분이었으며, 보다 장기간의 실험을 통해 바이오필터에 도입된 식생의 생육상태에 따른 압력손실 변화, 미세먼지 저감에 대한 구체적인 메커니즘 규명 등의 후속연구가 진행되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
식생기반 바이오필터 목업은 무엇인가?
본 연구에서 사용된 식생기반 바이오필터 목업은 stand alone형 수직수경재배 형태의 바이오필터 시스템이며, 식생 바이오필터, 후드형 집진구, 덕트 일체형 프레임, 급기부, 순환형 관수 탱크로 구성되어있다. 총 12개의 바이오필터가 개별 후드형 집진구에 체결되며, 약 6 m2 의 공기정화면적을 확보하고 있다(Fig.
식생바이오필터에 식재된 식물은 무엇인가?
식생바이오필터는 492 mm × 994 mm × 40 mm의 크기로 프레임 내에 총 3겹의 50 mm 다층형 필터가 삽입된다. 이 필터층에 Hoya carnosa, Schefflera arboricola, Ficus elastica 등 총 331본의 공기정화식물이 식재되었다. 식재된 식물의 생육환경을 제공하기 위해 프레임 상부에 점적 관수파이프가 설치되고, 관수용수는 내부 카본코팅필터 층을 통과하여 근권부에 55.
실내 쾌적지표 PMV는 무엇을 평가 하는가?
O. Fanger 교수에 의해 정의된 대표적인 쾌적지표로서 인간의 온열감을 7 점(hot, warm, slightly warm, neutral, slightly cool, cool, cold)으로 분할하여 평가한다. 중립 온열감으로 정의되는 PMV = 0의 조건에서는 통계적으로 재실자의 95%가 열적 만족감을 나타내며, 다수 재실자의 열적 쾌적정도를 표현 하는 지표로 활용할 수 있다.
참고문헌 (18)
Atmos Environ A., Aydogan 45 16 2675 (2011) 10.1016/j.atmosenv.2011.02.062
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