머리말

일반적으로 실내공기의 산소 농도와 이산화탄소 농도는 환기를 통해 유지된다. 환기란 실내공기가 인간의 활동 등으로 인해 경시적으로 오염되기 때문에 실내공기를 옥외 공기 등의 신선한 공기와 교환함으로써 그 청정도를 유지하는 것을 말하고 치환 환기라고도 한다. 한편 치환 환기를 실시하면 건강 피해의 원인으로 지적되고 있는 PM2.5나 황사 등, 대기 중에 부유하는 입자상 물질 및 꽃가루 등의 알레르기 물질을 실내로 끌어들임과 동시에 실내공기의 온습도 변화로 인해 공조전력이 증가하는 일도 있다. 최근에는 신종 코로나 바이러스 감염증 확대로 환기 풍량이 요구되기에 이르렀고 그 폐해는 더욱 심해졌다. 때문에 실내공기 청정화, 위생환경 향상, 에너지 절감, CO₂삭감을 동시에 충족하고 메인티넌스가 필수인 필터를 개재하지 않는 새로운 환기 시스템을 필요로 하게 됐다. 

그래서 이산화탄소, 취기 등 불필요한 가스 성분을 실내에서 배기하고 산소처럼 필요한 성분만 실내에 공급한다. 실내에서 발생한 가스 성분 외의 부유 입자상 물질을 별도의 디바이스로 제거하면 실내공기를 더욱 엄밀하게 위생 관리할 수 있고 거기에 기초해 고도의 청정화가 가능해진다. 이는 에너지 절감과 CO₂삭감에도 기여하는 새로운 환기 시스템 실현이라는 아이디어로 이어졌다. 여기에 소개하는 새로운 환기 시스템 ‘SEPERNAⓇ’은 그 아이디어를 가스 투과막으로 실현했다. 본고에서는 이 같은 가스 투과막을 이용한 새로운 환기 시스템 ‘SEPERNAⓇ’의 개요를 기술함과 동시에 실증기의 시험제작 상황과 향후 전망에 대해서도 기술한다. 

‘SEPERNAⓇ’의 개요

가스 투과막에 의한 환기 메커니즘을 <그림 1>에 나타낸다. 가스 투과막은 중공사(中空絲) 모양의 막(이하 ‘중공사막’이라고 한다)이고 그 표면에는 무수한 세공(細孔)이 관통하고 있다. 가스분자가 그 세공 속을 투과함으로써 불필요한 가스 성분을 실내에서 제거하고 필요한 가스 성분은 실내에 공급한다. ‘SEPERNAⓇ’은 세공의 지름을 약 5nm로 설정했다. 이것은 산소나 이산화탄소 분자지름(약 0.3nm)의 수십 배 크기이고 평균 자유행정(약 65nm)과 비교하면 1/10 이하의 크기이다. 이 경우 가스분자가 세공 내에서 이동하는 데는 크누센 확산(Knudsen diffusion)이 지배적이다. 크누센 확산의 경우, 세공 내에서 일어나는 분자와 분자 간의 충돌을 무시하고 가스분자는 세공 벽과 충돌을 반복하면서 이동하고 그 투과량은 가스성분마다 막의 안팎 분압차에 비례한다. 즉 이산화탄소 농도가 상승하고 산소 농도가 낮아진 실내공기를 피드 가스로서 중공사막의 안쪽으로 흘려보내고 신선한 옥외공기 등을 스위프 가스로서 중공사막의 바깥쪽으로 흘려보내면 막 내외면에서의 분압차에 비례하고 피드 가스인 이산화탄소 분자는 스위프 가스 측으로 이동함과 동시에 스위프 가스측 산소분자는 피드 가스 측으로 이동하게 된다. 한편 세공 지름이 가스분자의 평균 자유행정보다 현저하게 클 경우에는 점성류로서 기체가 세공 내부를 이동하게 되는데 그럴 경우의 가스 투과량은 막 내외면에서의 전압차에 비례한다. 

가스 투과막의 세공 지름과 입자상 물질 크기와의 관계를 <그림 2>에 나타낸다. 가스 투과막의 세공 지름은 PM2.5나 황사 등, 대기 중에 부유하는 입자상 물질, 바이러스, 세균에 비해 작기 때문에 이들이 실내에 침입하는 것을 차단할 수 있다. 한편 휘발성 유기화합물과 취기는 주성분이 기체이기 때문에 가스 투과막의 세공을 통과하고 외부로 배기된다. 여기서 입자상 물질이 실내에 출입하는 것을 조정하기 위해 세공 지름이 다른 가스 투과막을 채택할 수도 있다. 

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본 원고는 일본공업출판주식회사 발행하는 ‘建築設備と配管工事’잡지에서 발췌하여 번역한 것입니다.

전체 기사는 2021년 6월호 ‘월간 설비기술’에 게재되어 있습니다.(월간지 구입문의(02)2633-4995)

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