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('20년 연구과제) 서울시 시내버스 공기청정시스템 효과검증 및 관리방안

윤성진, 송민영, 이주형, 전혜준 2021.01.29 566

서울시 시내버스 공기청정시스템 효과검증 및 관리방안

연구책임 : 윤성진 기후환경연구실 수석연구원

연구진 : 송민영 기후환경연구실 수석연구원 이주형 기후환경연구실 전임연구원 전혜준 기후환경연구실 전임연구원


20204월부터 11월까지, IoT 미세먼지 측정기를 이용하여 두 종류의 시내버스 공기청정시스템의 효과를 분석함. 측정 기간 평균, 미세먼지 필터-공조장치에 의한 버스 내 PM2.5, PM10은 약 30% 저감되며 고농도 발생일은 효과가 커져 저감효과가 50% 이상 상승함. 이에 비해 환기형 공기청정기의 저감효과는 미비함. PM10 대비 PM2.5 농도비는 대기 대비 버스에서 높기 때문에 시민건강권 보호를 위한 초미세먼지 제거용 청정시스템의 보급ㆍ관리 중요함

2019년 서울시는 버스 미세먼지 저감을 위해 미세먼지 필터 및 환기형 공기청정기 도입

서울시는 높은 인구밀도로 대중교통수단이 발달해 있고 2012~2017년 버스의 교통분담률은 26.5%로 높은 수준이다. 시내버스는 정류장 간 거리가 짧아 출입문을 자주 개폐하기 때문에 외기 미세먼지가 버스 실내로 유입되기 쉽다. 2010년 이후 서울시 대기질을 살펴보면 PM1040~49/m3, PM2.523~25/m3을 유지하고 있으며, 이러한 외부 오염원으로부터 실내공기질 개선을 위해 다양한 청정시스템이 개발되고 있다. 2019년 서울시는 버스 승객의 건강을 보호하기 위해 전체 시내버스 7,404대 중 97%에 미세먼지 필터를, 필터 설치가 어려운 일부 버스에는 환기형 공기청정기를 설치했다.

[요약 표 1] 서울시 수단별 교통분담률(2012~2017년 평균)

구분

총합

승용차

버스

지하철·철도

택시

기타

통행량(km)

27,766

6,504

7,363

10,830

1,873

1,195

분담률(%)

100 

23.4

26.5

39.0

6.7

4.3

서울시뿐 아니라 국내외에서 버스 미세먼지 저감을 위한 다양한 사업과 연구가 진행되고 있다. 부천시, 부산시, 천안시 등 많은 지자체는 서울시와 같이 미세먼지 제거 필터를 도입하여 버스 공조기 입구에 설치하고 있다. 미국 UCLA에서는 HEPA 필터가 포함된 공기순환 청정기를 스쿨버스에 설치하여 PM2.5는 물론이고 블랙카본를 효과적으로 제거할 수 있다는 것을 검증하였다. 스페인 세비야대학은 산학협력공동연구를 통해 O3 발생량이 적고 다량의 음이온 발생이 가능한 차량용 음이온 발생기를 개발하여 해당제품이 판매되었다. 해당 기술은 미세먼지를 중력낙하 등의 방법으로 제거할 수 있고 벤젠, 톨루엔, VOCs 등 유해가스 제거 능력이 우수하다.

미세먼지 필터는 버스 공조기에 설치되어 내부 순환하며, 환기형 공기청정기는 외부 공기를 버스 내부로 공급되면서 내부 공기는 외부로 방출하여 미세먼지 저감

미세먼지 필터는 미세입자 제거성능을 높인 정전식 멜트블론 부직포로 구성되어 버스 천장의 공조부 입구에 설치된다. 공조 흡입팬으로 오염 공기를 흡입하고 필터를 거쳐 청정화된 공기가 승객 좌석 상부에 위치한 공기 토출부로 나온다. 환기형 청정기는 버스 전면부 천장에 별도로 설치되며 4개의 블로어와 공기필터로 구성된다. 청정기는 버스 운전자석에 위치한 컨트롤러에서 버스 공기질(PM10, CO2)을 측정하고 이 측정값에 따라 자동으로 운전된다. 블로어 중 2개는 외부 공기를 버스 내부로, 나머지 2개는 버스 내부 공기를 외부로 방출하는 역할을 한다. 이때 공기 흐름 중간에 공기필터를 거치게 되며 서로 다른 흐름의 공기는 서로 섞이지 않는다. 필터는 35mm 두께의 부직포에 분자체를 코팅한 형태로 수분을 흡수하여 버스 내 열회수를 목적으로 장착한다. 미세먼지 필터는 월 1회 교환하며 환기형 공기청정기는 필터 교환 없이 운전한다.

시내버스 공기청정시스템의 미세먼지 저감효과 검증을 위해 필터 성능실험 청정시스템 청정속도 실험 운행 버스의 공기질 모니터링 진행

시내버스에 설치한 두 종류의 공기청정시스템(미세먼지 필터, 환기형 공기청정기)의 효과 평가를 위해 시스템의 필터 성능, 시스템의 청정속도(CADR*) 실험 그리고 운행 버스의 6개월간 공기질을 측정하였다.

*Clean Air Delivery Rate

필터의 성능평가는 ASHRAE 52.2 규격의 실험장치에서 진행하였다. U자 밀폐 터널 중앙에 실험 필터를 설치한 후 필터 전후의 실험입자 KCl의 농도를 비교하여 입자의 제거율을 계산하고 이때 필터 정압을 측정한다.

공기청정시스템의 청정 속도는 AHAM 1467 규격의 CADR 값을 얻는 실험으로 진행하였다. 버스 출입문을 닫고 내부에서 향을 태워 미세입자를 발생시킨 후 자연 감쇄, 즉 발생 입자가 버스 내부에서 중력낙하, 벽면 침착 등으로 감쇄하는 수준을 측정한다. 버스를 다시 청정하게 한 후 실험입자를 발생시킨 후 운전감쇄, 즉 버스 공기청정시스템의 운전에 따른 입자감쇄를 측정한 후 자연감쇄를 제거한 CADR 값을 얻는다.

2020421~11226개월간 운행 중인 버스 9대를 대조군, 미세먼지 필터 버스 그리고 환기형 공기청정기 버스 등 3개 실험군으로 나눈 후 IoT 공기질 측정기를 설치하여 미세먼지 농도 등을 측정하였다.

필터 입자 제거 실험에서 선속 1m/s 기준, PM2.5 제거율은 미세먼지 필터 97% 이상인데 비해 환기형 공기청정기 필터는 55%로 제거율 낮음

PM1.0 대비 미세먼지 필터의 제거율은 실험선속 1 그리고 1.5m/s에서 94% 이상이고 2.0m/s에서는 87.3%이다. 환기형 공기청정기는 1 그리고 1.5m/s에서 제거율이 각각 3.6%, 22.6%이다. 미세먼지 필터는 PM2.5에 대해 실험선속 1 그리고 1.5m/s에서 97% 이상의 제거율을, 2.0m/s에서 95% 제거율을 보인다. 이에 비해 환기형 공기청정기 필터는 78.8% 이하의 제거율을 보인다. PM10에 대해서 미세먼지 필터는 모든 실험조건에서 99% 이상의 제거율을 보이고 환기형 공기청정기는 95.3~97.5%의 제거율을 보인다.

*환기형 청정기 필터의 정압 관련 선속 2.0m/s에서는 실험 불가

미세먼지 필터의 필터정압은 선속 1 그리고 1.5m/s에서 각각 1.3mmH2O 그리고 3.4mmH2O이다. 환기형 공기청정기 필터의 필터정압은 선속 1 그리고 1.5m/s에서 각각 20.3mmH2O, 34.7mmH2O로 동일 조건에 대해 미세먼지 필터에 비해 정압이 15~16배 높다.

이 실험을 통해 미세먼지 필터는 초미세 입자에 대한 높은 제거효율과 낮은 정압을 보이고 있는데 비해 환기형 공기청정기 필터는 낮은 제거효율과 높은 정압을 지니고 있음을 알 수 있다. 이 결과는 두 개 필터를 구성하는 부직포의 차이에서 기인한다. 미세먼지 필터는 마스크, 가정용 청정기 HEPA에 사용하는 정전식 멜트블론 부직포를 사용한다. 환기형 청정기는 두꺼운 형태의 부직포로 구성되어 있.

미세먼지 필터-공조장치의 CADR12.5m3/min(모드 1)~12.5m3/min(모드 4)이며 환기형 공기청정기의 CADR0.4m3/min, 두 시스템 간 CADR 차이는 31~65

PM2.5 제거기준으로 미세먼지 필터-공조장치의 CADR112.5m3/min, 216.9m3/min, 320.4m3/min, 426.0m3/min로 풍량이 증가함에 따라 성능도 증가한다. 기형 공기청정기의 CADR0.4m3/min이다. 미세먼지 필터-공조장치 CADR는 환기형 공기청정기 CADR에 비해 31~65배이다. 는 미세먼지 필터가 높은 초미세입자에 제거율과 낮은 정압을 지니며 동시에 버스 공조장치가 높은 풍량을 갖기 때문이다. , 해당 실험 결과는 운행 버스에서도 미세먼지 필터-공조장치가 미세먼지 저감효과를 높일 수 있지만 환기형 공기청정기는 저감효과를 기대하기 어려울 수 있다는 것을 나타낸다.

[요약 표 2] 버스 공기청정시스템 CADR

구분

미세먼지 필터-공조장치

환기형

공기청정기

모드 1

모드 2

모드 3

모드 4

CADR

[m3/min]

12.5

16.9

20.4

26.0

0.4

운행 버스에서 미세먼지 필터에 의한 미세먼지 저감효과는 약 30%이고 고농도 발생 시 50~60%까지 상승. 이에 비해 환기형 공기청정기 효과는 미비

2020421일부터 20201122일까지 6개월간 운행 중인 버스의 미세먼지 농도를 모니터링하였다. 대조군 버스에 비해 미세먼지 필터 장착 버스는 PM2.5, PM10 모두 30% 감소하는 효과가 있었으나, 환기형 공기청정기의 감소효과는 미비했다. 특히 미세먼지 고농도 발생일에는 미세먼지 필터 장착 버스의 미세먼지 저감효과는 50% 이상으로 상승한다.

월별 버스 미세먼지 농도는 여름인 7월에서 9월까지 버스 미세먼지 농도가 가장 낮고 이후 10월부터 미세먼지 농도가 상승하여 11월에 가장 높다. 이는 대기 중 미세먼지 농도 추세와 일치하며 대기가 버스 미세먼지 농도의 주된 영향인자임을 의미한다.

주중인 월~금요일과 주말인 토ㆍ일요일 간 미세먼지 농도를 비교했을 때 두 기간의 미세먼지 농도의 차이는 명확하지 않았다. 하지만 출근시간(7~10)의 미세먼지 농도가 퇴근시간(17~20)과 비출퇴근 시간에 비해 높게 나타났다. 이는 승객의 버스 미세먼지 농도에 미치는 오염효과가 커지기 때문으로 판단된다.

실험기간 중 대기와 버스의 PM10에 대비 PM2.5 비율을 비교하였을 때 대기 비()0.55, 버스 비는 약 0.8이다. 그 결과에 따라 버스에 초미세먼지 제거성능이 높은 수단이 필요함을 알 수 있다.

버스 미세먼지 농도 감소를 위한 공기청정시스템 및 모니터링시스템 확충 시급

고성능 미세먼지 필터를 이용하여 버스 미세먼지를 효과적으로 감소시킬 수 있음을 알 수 있다. 이는 해당 필터의 PM2.5 제거성능이 높고 정압이 낮으면서도 필터를 설치한 공조장치의 풍량이 높기 때문이다. 이에 비해 환기형 공기청정기는 낮은 풍량과 낮은 PM2.5 제거성능에 따라 버스 미세먼지 저감성능이 미미한 것으로 나타났다. 이 결과에 따라 판단컨대 시내버스에 고풍량과 PM2.5 제거율이 높은 청정시스템을 지속적으로 보급하고 관리함으로써 버스 미세먼지 저감이 가능할 것으로 보인다. 이와 더불어 버스 공기질 모니터링시스템과 청정장치를 연동하여 자동으로 운전하게 함으로써 더 효과적인 미세먼지 저감효과를 볼 수 있을 것이다.