바이러스의 감염 경로는 비말 감염, 접촉 감염, 공기 감염의 3가지이다. 이 중 감염자가 기침이나 재채기를 함으로써 발생하는 입경 5μm 미만의 비말핵이 장시간 부유하고 실내 또는 공조를 통해 이류해 비감염자의 호흡기에 도달하는 것을 공기 감염이라고 한다.

이 공기감염을 방지하기 위해 전관 공조시스템에 탑재돼 있는 전자식 에어클리너의 바이러스나 세균이 함유된 에어로졸의 제거 여부를 검증했다. 검증 결과, 바이러스 입경에서의 집진 능력에서 전자식 에어 클리너는 바이러스나 세균에도 유효하다고 고려할 수 있다. 또, 전관 공조시스템에 탑재돼 있는 열교환형 환기장치에 의해 거주공간은 「환기가 나쁜 밀폐 공간」이 되지 않는 것이 확인됐다.

인체의 물질섭취량 8할 이상이 공기나 배기

일반적으로 코로나 바이러스나 인플루엔자 바이러스와 같이 호흡기계에서 증상이 인정되는 감염증의 경우, 감염원인 바이러스는 주로 감염자의 기침이나 재채기 등으로 발생하는 비말을 통해 환경 속으로 방출된다. 밀폐된 공간이나 환기가 불충분한 공간에서는 바이러스를 포함한 비말이 공기 중을 떠다니며 감염원이 된다고 알려져 있다. 또 사람은 음식을 비롯해서 여러 가지 행위를 통해서 물질을 체내에 섭취하고 있다. 이 인체의 물질 섭취량은 8할 이상이 공기나 배기가 차지하고 있으며 나머지는 음료나 음식물이다. 그중에서 실내공기는 전체의 57%를 차지하고 있어 실내공기의 청결 정도가 중요하다고 말할 수 있다.

이 논문에서는 △에어로졸과 공기 감염 △전자식 에어클리너의 역할과 원리 △전자식 에어클리너의 집진 성능 △전관 공조의 환기 △개발한 가습시스템에 대해서 기술한다.

에어로졸과 공기 감염

에어로졸이란 : 일본 에어로졸 학회에 따르면 기체 중에 부유하는 미소한 액체 또는 고체 입자와 주위 기체의 혼합체를 에어로졸이라고 한다.

에어로졸은 공기 중에 부유하는 입자 지름이 분자나 이온과 거의 같은 0.001μm 정도에서 꽃가루와 같은 100μm 정도까지 넓은 범위가 대상이 된다.

공기 감염이란 : 신형 코로나 바이러스는 직경 0.06~0.14 μm의 구형이며 감염자의 기침이나 재채기, 대화 등으로 비말로서 방출된다. 이 비말 중 5μm 이상 크기의 비말은 수분을 포함하기 때문에 무겁고 1~2m 정도 비산해 바닥에 침착한다. 비말에서 수분이 증발한 것이 비말핵이며(〈그림 1〉) 이것은 5μm 이하로 작고 건조하기 때문에 장시간 공기 중에 부유해 공기의 흐름에 따라 광범위하게 비산한다.

비말핵은 건조하기 때문에 바이러스는 오랫동안 감염력을 유지할 수 없다고 한다. 그러나 3개의 「밀폐 공간·밀집 장소·밀접 장면」에서는 공간에 습기가 차는 등 바이러스를 포함한 에어로졸이 수분을 유지해 감염력을 유지한 상태로 장시간 공중을 부유해 감염되는 것이 아닌가 추측하고 있다.

전자식 에어클리너의 역할과 원리

- 전자식 에어클리너의 역할 -

전관 공조시스템의 구성을 〈그림 2〉에 나타낸다. 이 시스템은 냉난방과 송풍 기능의 실내기·공기청정 기능의 전자식 에어클리너·환기 기능으로 구성되어 있다. 실내공기를 순환시키고, 전자식 공기청정기로 집 전체의 공기를 클리닝 하고, 분진을 제거한 깨끗한 공기를 실내기에 공급함으로써 공기청정을 실시하고 있다.

전관 공조시스템은 최대 1시간에 3~5회 클리닝된 깨끗한 공기가 실내기를 통해 각 방의 취출구에 공급되고 있다.

- 전자식 에어클리너의 원리 -

전자식 에어클리너의 구조를 〈그림 3〉에 나타낸다.

전자식 에어클너는 전기식 집진장치로 입자를 하전시켜 쿨롱 힘(Coulomb Force)에 의해 포집하는 방식이다. 전자식 에어클리너에 주입된 실내공기는 프리필터로 직경 약 50μm보다 큰 입자를 제거한다. 통과한 직경 약 50μm 이하의 미세한 입자는 이오나이저부의 고전압선에 의해 하전돼 후부에 있는 플러스와 마이너스로 분극한 정전섬유로 만들어진 정전 필터에 흡착시키는 구조이다.

원격력인 쿨롱 힘을 이용하기 때문에 일반적인 필터보다 미세한 입자를 제거할 수 있어 대기 미소립자(PM2.5)를 제거하는 성능이 있다. 일반적인 필터와 전자식 에어클리너가 제거할 수 있는 입자의 크기를 〈그림 4〉에 나타낸다.

일반적인 필터가 10μm 정도까지의 입자를 제거하는 반면, 전자식 에어클리너는 0.01μm 정도까지의 입자를 제거하는 성능이 있다.

전자식 에어클리너의 집진성능

전자식 에어클리너는 이론적인 설계치로서 0.01μm까지를 집진 범위로 설정한 후 0.3μm 이상의 미립자를 제거할 수 있는 성능을 검증, 확인하고 있다. 확인 방법은 JIS B 9908 2011 형식 1에 준해 자체 풍동 시험장치를 사용한 '계수법'으로 원 패스(1회 통과)의 집진효율 측정과 일본전기공업회 자주기준(HD-128) '가정용 공기청정기의 미세입자 물질(PM2.5)에 대한 제거 성능시험 및 산출 방법'에 근거한 제3자 기관에 의한 시험을 실시했다.

- 원 패스(1회 통과)의 집진 효율 -

원 패스의 집진효율은 2대의 입자계측기(파티클 카운터)를 사용해 전자식 에어클리너 상류 측과 하류 측 공기 0.1cf(입법피트 : 약 2.83L) 중에 포함되는 0.3μm 이상의 분진수를 동시에 카운트했다.

「계수법」은 각각의 크기의 분진수를 측정하기 때문에 분진의 질량차로 효율을 계측하는 「중량법」보다, 작은 공기 중에 부유하는 분진을 계측하는 것에 적합하다.

‘계수법’의 집진효율은 아래 식으로 계산된다.

‘집진효율=1-하류측 분진수/상류측 분진수’

전자식 에어클리너를 풍동 시험장치에 설치하고, 선향(線香)의 연기에 의해 분진을 발생시켜 집진효율을 측정했다.

측정 조건

•측정풍량 : 14.6, 22.5, 29.6, 35.1, 40.7m3/min

•측정횟수 : 각 풍량에서 5회

•분진수량 : 풍동실험장치 입구 쪽에서 선향을 피워 선풍기를 약풍으로 해서 0.3μm 이상의 분진이 20~30만개 사이가 되도록 조정

- 집진 성능(PM2.5 제거 성능) -

전자식 에어클리너의 미세먼지 제거 성능에 대해서 일본전기공업회 자주기준(HD-128) 「가정용 공기청정기의 미세입자 물질(PM2.5)에 대한 제거 성능시험 및 산출 방법」에 근거한 제3자 기관에 의한 시험을 실시했다.

측정 조건

•측정실 용적 : 21.8m3(측정 후 용적 32 m3으로 변환)

•측정기 : 미세먼지 디지털분진계

담배연기를 사용해 0.1~2.5μm 분진의 질량농도를 측정한다. 〈그림 6〉에 측정결과를 나타낸다.

시험결과, 미세먼지(PM2.5)에 대한 일정한 제거 성능을 가지며 ‘0.1~2.5μm의 입자를 99% 제거한다’는 결과를 얻어 에어로졸 제거에 유효하다는 것이 확인됐다.

전관 공조시스템의 환기에 대해

일본 후생성에 의하면 계절을 불문하고, 신형 코로나 바이러스 대책에는 세세한 환기가 중요하다고 한다. 일반적인 룸 에어컨은 환기 기능이 없기 때문에 밀폐 공간을 막으려면 창문 개폐 등에 의한 환기가 필요하다.

전관 공조시스템의 경우는 열교환형 환기장치를 탑재하고 있어, 기계적으로 법정 환기량(2시간에 1회 집 전체의 공기를 교체하는 양)의 공기를 교체하고 있다.

또 열교환형을 채용해 배기되는 실내의 공기로부터 열을 회수하고, 새로 도입하는 외기에 열을 전달해 에너지 절약도 된다.

또 1시스템당 환기량은 120~ 180m2/h이므로 가족 4~6명이라고 가정하면, 건축물위생법에 따른 필요환기량(1인당 매시 30m2)을 충족시키는 설계로 되어 있어 ‘환기가 나쁜 밀폐 공간'은 되지 않는다고 생각된다.

에어와셔형 가습시스템

아즈빌의 전관 공조시스템의 옵션으로 주택 전체의 습도를 적절히 유지할 목적으로 에어와셔형 가습시스템을 개발했다.

본 가습시스템은 가습 유닛 내를 청결하게 유지하기 위해서 차아염소산을 발생시키고 있으며, 가습 공기에 의한 공간의 부유 바이러스 감소에도 기여할 수 있음이 확인됐다.

- 가습 구조 -

가습 시스템은 자동 급수형의 가습 시스템으로 가습 용수를 분무한 충전재에 공기를 통과시킴으로써 가습하는 동시에 공기를 물로 세정한다.

가습 용수는 가습 유닛 내에 수돗물을 자동 급수하고, 전해 전극에 의해 차아염소산(전해수)을 발생시킴으로써 세균 증식을 억제하는 효과가 생긴다(〈그림 7〉).

- 부유 바이러스에 대한 효과 -

JEM1467 ‘가정용 공기청정기’ 부속서 D 부유바이러스에 대한 제거 성능시험'을 참고해서 가습시스템에 의한 부유 바이러스의 억제 성능을 구했다. 가습시스템에서 방출되는 유효성분을 고려해 초기(0분)의 바이러스 수를 경과시간마다 바이러스 수로 나눈 대수 감소치를 계측해 대상을 공제한 실제 대상 감소치(감소율)를 구했다.

•시험공간 : 25m3 챔버

•바이러스 : Escherichia coli phage MS2 NBRC 102619(대장균 파지MS2)

•시험 조건

- 자연 감쇠 : 가습시스템을 운전하지 않는 시험공간

- 전해수 분무 : 가습시스템을 운전한 시험공간

- 수도수 분무 : 가습시스템은 운전하지만 전해 전극은 운전하지 않는 시험공간

시험 결과, 가습 시스템에서 차아염소산을 발생시키지 않는 수돗물의 경우는 자연 감쇠와 거의 같은 결과를 보인 것에 반해, 가습 시스템에서 차아염소산(전해수)을 발생시킨 경우는 부유 바이러스를 99.99% 이상 억제하는 능력이 있음이 확인됐다.

에어와셔형 가습시스템,환기성 높고 부유 바이러스 억제 확인

공기중을 떠도는 세균이나 바이러스의 입경은 5μm 이상에서는 무겁게 낙하하기 때문에 0.1~5μm 이하의 입경이 된다. 전자식 에어클리너는 전기식 집진장치이므로 측정결과보다 0.1~5μm 입자인 세균이나 바이러스가 집진하는 성능을 가지고 있어 바이러스나 세균에도 유효하다라고 생각할 수 있다.

또 전관 공조시스템은 열교환형 환기장치의 기계적인 환기나 개발한 에어와셔형 가습시스템을 사용함으로써 환기성이 높고 부유 바이러스 억제효과가 높다는 것이 확인됐다.

그동안 공기 환경이라고 하면 포름알데히드 등의 새집증후군을 일으키는 물질이나 미세먼지·꽃가루 등이 대상이었다.

이번 신형 코로나 바이러스의 세계적인 유행이나 향후의 인플루엔자의 유행, 한층 더 고령화 사회가 진행되는 것을 생각하면, 실내의 공기환경을 보다 좋게 하는 것의 중요성이 한층 더 증가한다고 생각할 수 있다.

향후의 검증·평가에서는 한층 더 바이러스나 세균 등도 대상으로 실시하는 것과 동시에, 그 시대의 상황에 맞춘 공기 환경을 만들어 내는 상품을 개발할 필요가 있다.