Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 June 2020. 233-246
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20200021

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  •   연구 배경 및 목적

  •   연구 방법 및 범위

  • 교실내 미세먼지 측정

  •   측정 대상교실의 선정

  •   미세먼지 측정 개요

  •   미세먼지 측정값 분석

  • 환기방식에 따른 교실내 미세먼지 농도 분포

  •   시뮬레이션 개요

  •   창문 개방 시[C-1] 교실내 미세먼지 농도 분포

  •   창문 부착용 에어필터 설치 시[C-2] 교실내 미세먼지 농도 분포

  •   외기도입용 EHP 가동 시[C-3] 교실내 미세먼지 농도 분포

  •   바닥형 공기청정기 가동 시[C-4] 교실내 미세먼지 농도 분포타이틀

  • 결 론

서 론

연구 배경 및 목적

국제암연구소(International Agency for Research on Cancer)에서 발표한 보고서(IARC, 2018)에 따르면, 발암물질 등급표에서 1급으로 분류되는 미세먼지는 사람에게 암을 발생시킬 확률이 매우 높은 위험한 물질이다. 미세먼지는 서울과 같은 대도시에서 발생하는 스모그 현상과 봄, 가을철 황사 등으로 인해 국내에서 범국민적 관심의 대상이 되고 있다.

이에 정부는 ‘공기질 등의 유지·관리기준(ME, 2019a)’에 따라 관리하던 미세먼지에 ‘미세먼지 저감 및 관리에 관한 특별법(ME, 2019b)’을 제정하고 추가적인 관리방안을 모색하고 있다. 또한, ‘교실 미세먼지 저감을 위한 환기설비 적용방안(Lee and Kim, 2018)’에서 미세먼지의 증가 요인과 그에 따른 미세먼지 저감을 위해 적용할 수 있는 환기 방안이 연구되었고, ‘미세먼지 저감을 위한 학교 교실 환기시스템 및 시스템 에어컨 운전제어 방안에 관한 연구(Jeong, 2018)’, ‘창호부착형 환기설비를 활용한 학교 미세먼지 해결방안(Kim, 2020)’, ‘학교 교실용 벽체일체형 환기장치의 성능에 관한 연구(Ahn, 2013)’, ‘실내 미세먼지 농도 저감을 위한 반자율형 공기청정기 개발 및 성능 분석(Park, 2019)’ 등의 연구에서 학교 교실내 환기시스템을 적용하고 그 효과를 입증하는 연구를 진행하였다. 그러나 학교의 미세먼지 농도를 측정하고 측정값을 입력값으로 학교 교실내 적용할 수 있는 환기방식에 따른 저감효율을 비교 분석하는 연구는 미흡한 것으로 나타났다.

따라서, 본 연구는 편복도형 일반교실을 대상으로 미세먼지 농도를 측정하고 이를 기반으로 외기 농도 변화에 따른 환기방식을 시뮬레이션하여 적정 환기 제어를 위한 기초자료로 제시하고자 한다.

연구 방법 및 범위

본 연구는 일반적인 평면형태를 갖는 편복도형 학교를 대상건축물로 미세먼지 농도 변화를 측정하고 얻어진 측정값을 분석하여 외기 미세먼지 농도에 따른 환기방식별 교실내 미세먼지 저감 효과를 시뮬레이션하여 분석한 연구로, 방법 및 범위는 다음과 같다.

1) 정보공개포털 서비스를 이용하여 D시내 20개 초·중등학교의 건축 설계도면을 조사하고 평면형태를 편복도형, 중복도형, 혼합형 및 다각형 4가지로 분류한 후(Seok, 2002), 일반적인 평면형태를 갖춘 편복도형 학교를 대상건축물로 선정하였다.

2) 편복도형 평면형태를 갖는 학교의 학생들이 주로 재실하는 일반교실과 복도 및 외기에 대한 미세먼지 농도를 측정하여 미세먼지 발생량과 I/O ratio를 분석하였다.

3) 외기 미세먼지 농도를 환경부 주관 대기환경보전법(ME, 2020)에 따라, 좋음(30 µg/㎥), 보통(60 µg/㎥) 및 나쁨(150 µg/㎥)으로 설정하고 환기방식에 따라 창문 개방 시[CASE-1:C-1], 창문 부착용 에어필터 설치 시[CASE-2:C-2], 외기도입용 EHP 가동 시[CASE-3:C-3], 바닥형 공기청정기 가동 시[CASE-4:C-4]에 대한 시뮬레이션을 STAR-CCM+(ver.11.06)으로 실시하였다.

4) 시뮬레이션을 통해 얻어진 결과값을 비교 분석하여 외기 농도 변화에 따른 환기방식별 미세먼지 저감효과를 제시하였다.

교실내 미세먼지 측정

측정 대상교실의 선정

정보공개포털 서비스를 이용하여 D시내 20개 초, 중등학교를 대상으로 평면형태에 따른 교실 유형을 Table 1과 같이 분류한 후, 편복도형의 평면형태를 갖춘 대상 학교의 일반교실을 측정 교실로 선정하였다.

Table 1.

Plan types of the 20 schools used for the study measurements

Plan Type Names Number of School Ratio (%)
One side corridor 12 60
Double-loaded corridor 2 10
Mixed 5 25
Polygonal 1 5

미세먼지 측정 개요

측정 대상 먼지의 입자 크기는 환경부의 대기환경보전법의 대기환경기준(ME, 2020)에 따라 미세먼지로 분류된 PM10으로 설정하였다. 기초 I/O ratio를 분석하고자 학생들의 활동이 없는 날의 미세먼지 농도를 측정하였으며, 측정일의 외부조건은 기상청 데이터를 근거로 Table 2와 같이 나타냈다. 학생들이 Figure 1의 시간표에 따라 활동하는 날의 미세먼지 농도를 Figure 2의 일반교실과 복도 및 외기 측정점에서 측정하였다.

Table 2.

Outdoor environment of measurement day

Temperature [℃] Relative Humidity [%] Weather
2019. 07. 17 25 75 fog
2019. 07. 22 29 76 fog
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Figure 1.

Class time table, window opening and EHP operation time during measurement

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Figure 2.

PM10 measuring points in the classroom

미세먼지 측정 기기는 TSI사의 Dust track 8532 기기를 사용하였고 측정 간격은 1분, 측정 높이는 교육부 학생건강검사 보고서 기준(MOE, 2018)에 따라 1.2 m로 설정하였으며, 측정 기기의 설치 장면은 Figure 3과 같다.

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Figure 3.

Measuring instrument setting

미세먼지 측정값 분석

학생들의 활동이 많은 수업시간, 쉬는 시간 및 점심시간으로 구분하여 Figure 4 및 Table 3과 같이 교실과 복도에 대한 미세먼지 농도를 나타냈다. 1분간 측정된 데이터를 평균하여 10분 간격으로 나타냈다. 학생들이 재실하지 않은 날에 측정된 I/O ratio (Standard)는 평균 0.3으로 일정하게 나타났으며, 측정일의 I/O ratio (Measurement)는 학생들의 활동에 의해 최대 2.4, 최소 0.9, 평균 1.4로 높게 나타났다. 따라서 미세먼지 발생량은 측정값을 10분 단위로 나타낸 평균값의 변화량으로 제시하였다. 교실내 창문이 닫혀있어 유입 없이 실내활동으로 인한 최대 미세먼지 발생량은 Figure 4의 8시 40~50분 사이에서 시간당 약 78 µg/㎥로 나타났으며, 점심시간 종료 전, 교실로 복귀하는 학생들의 이동으로 13시 20분~30분 사이에서 미세먼지 발생량이 시간당 약 54 µg/㎥로 높게 나타났고, 전체 구간에서 활동으로 인한 미세먼지 발생으로 교실내 미세먼지 농도가 외기와 복도의 미세먼지 농도보다 높게 나타났다. 또한, 창문 개방 시(A), 미세먼지 농도는 외기와 비교해 유사한 값을 나타내 외기의 미세먼지 농도에 의한 영향을 받는 것으로 나타났고, 외기도입용 EHP 작동 시(B), 교실내 미세먼지 농도가 복도 및 외기의 미세먼지 농도보다 높게 나타나 외기의 미세먼지 농도보다 교실내 미세먼지 발생에 영향을 받는 것으로 판단된다(Cha and Hwang, 2019).

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Figure 4.

Daily PM10 concentration changes in classroom, corridor, Outdoor and I/O ratio of Standard day, Measurement day

Table 3.

PM10 concentration during class, break and lunch time in classroom and corridor

PM10 concentration [𝜇g/㎥]
Location name Class time Break Time Lunch Time
1 2 3 4 5 6
Classroom Max 71 68 75 61 53 40 69 75
Min 57 56 57 47 40 36 39 47
Avg 60 60 67 56 46 37 57 52
Corridor Max 44 46 46 42 27 27 45 38
Min 31 41 41 37 24 25 25 25
Avg 38 44 44 39 25 26 39 30
Outdoor Max 67 59 63 43 25 26 62 28
Min 41 51 46 27 22 22 22 23
Avg 55 55 53 37 24 25 47 25

환기방식에 따른 교실내 미세먼지 농도 분포

시뮬레이션 개요

시뮬레이션 프로그램은 STAR-CCM+(ver.11.06)으로 미세먼지는 지름 10 µm 이하 먼지의 총칭이나 시뮬레이션에서 대표 입자 크기를 10 µm로 설정하여, 미세먼지는 10 µm의 입자로 설정하였으며, 환경부(ME) 주관 실내공기질의 법적 기준(75 µg/㎥)과 WHO 권장 미세먼지 농도 2번째 기준(100 µg/㎥)을 적용하였다(ME, 2019a; WHO, 2018). 시뮬레이션 기본조건은 Table 4와 같으며, Eulerian Multiphase를 이용하여(Kim and Kim, 2018) 공기와 미세먼지를 가스 상태인 난류모델로 설정하였다.

Table 4.

Simulation overview

Setting
Basic Basic Physics Eulerian Multiphase, Turbulent
Mesh Type Trimmer
Inlet Type Velocity Inlet, Mass Flow Inlet
Outlet Type Velocity Inlet, Pressure Outlet
Setting IO Ratio 0.3
Analysis Height [m] 1.2
Maximum Physical Time [s] 13200
The Number of People in Classroom 13
PM10 Generation [𝜇g/h·㎥] 78
PM10 Concentration Setting (Alarm) Good [𝜇g/㎥] Outdoor Air 30
Indoor Air 9
Normal [𝜇g/㎥] Outdoor Air 80
Indoor Air 24
Bad [𝜇g/㎥] Outdoor Air 150
Indoor Air 45

CASE별 기본 모델링은 Figure 5와 같이 창은 0.9 m × 0.75 m의 동일한 크기로 교실 4개, 복도 5개를 설정하였으며, 교실 문은 1.8 m × 2.1 m 크기로 나타내었다. 미세먼지는 외기와 실내 미세먼지 농도차에 의해 이동하도록 개구부의 유속은 설정하지 않았다. 미세먼지 침입계수는 반영하지 않았으며, 환기율은 시간에 따라 변하도록 설정하였다. 외기도입용 EHP는 실의 중앙 천장에 설치하였고, 바닥형 공기청정기는 교실 앞쪽에 배치하였다. 미세먼지는 쉬는시간을 포함하여 4교시동안 교실 바닥에서 발생하였으며, 미세먼지 농도는 교실내 분석점 9곳의 농도 평균값으로 제시하였다. 미세먼지 발생량은 측정값을 10분 단위로 평균한 값의 변화량으로 나타내었으며, 측정기간 최대값인 78 µg/㎥·h로 설정하였다.

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Figure 5.

Simulation input data, analysis points and modeling of ventilation system

외기 미세먼지 농도는 대기보전법 시행규칙의 외기 미세먼지 농도 경보 기준에 의하여 좋음(30 µg/㎥), 보통(80 µg/㎥), 나쁨(150 µg/㎥)로 설정하고 실내 기초 미세먼지 농도를 I/O ratio에 따라 미세먼지 좋음일 때 9 µg/㎥, 보통일 때 24 µg/㎥, 나쁨일 때 45 µg/㎥로 설정하였으며 창문 개방 시[C-1], 창문 부착용 에어필터 설치 시[C-2], 외기도입용 EHP 가동 시[C-3], 바닥형 공기청정기 가동 시[C-4]로 구분한 후, 측정 당시 개방되어 있었던 교실의 문은 열려있는 것으로 설정하였다.

환기방식의 모습과 특징을 Table 5와 같이 구성하여 CASE별 환기방식의 미세먼지 저감효과를 분석하였다. 창문 개방 시[C-1]는 교실내 창문 4개와 복도의 창문 5개를 개방한 것으로 설정하였으며, 창문 부착용 에어필터 설치 시[C-2]는 효율이 75%인 Medium 필터를 모든 창문에 적용하였다. 외기도입용 EHP 가동 시[C-3] 창문은 닫혀있고, 외기는 외기도입용 EHP를 통해 유입되어 Pre 필터를 통해 걸러진 후 내부 공기와 섞여 취출되며, 외기도입용 EHP에 설치된 Pre 필터의 효율은 25%, 취출구와 흡입구의 풍속은 TAB를 참고하여 동일하게 1.4 m/s로 설정하였다. 바닥형 공기청정기 가동 시[C-4] 공기청정기내 HEPA 필터 등급은 효율이 90%인 E10으로 설정하였으며, 취출구와 흡입구의 풍속은 동일하게 2 m/s로, 창문이 닫혀있어 외기 유입은 없는 상태를 적용하였다.

Table 5.

Overview of ventilation method per CASE

Form Setting Specification
Natural Ventilation [C-1] http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2020-014-03/N0280140301/images/Figure_KIAEBS_14_3_01_T5-1.jpg Window open Window size :
0.75 m × 0.9 m
[C-2] http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2020-014-03/N0280140301/images/Figure_KIAEBS_14_3_01_T5-2.jpg Window with
air filter
Air filter Size :
0.35 m × 0.9 m × 0.01 m
Air filter efficiency : 75%
Mechanical Ventilation [C-3] http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2020-014-03/N0280140301/images/Figure_KIAEBS_14_3_01_T5-3.jpg EHP ventilation EHP size :
0.95 m × 0.06 m × 0.95 m
Inlet air volume : 1650 ㎥/h
Inlet velocity : 1.4 m/s
Outlet velocity : 1.4 m/s
EHP filter efficiency : 25%
[C-4] http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2020-014-03/N0280140301/images/Figure_KIAEBS_14_3_01_T5-4.jpg Air purifier
(Floor type)
Air purifier size :
0.36 m × 0.78 m × 0.29 m
Inlet air volume : 331㎥/h
Air filter efficiency : 90%
Inlet velocity : 2 m/s
Outlet velocity : 2 m/s

창문 개방 시[C-1] 교실내 미세먼지 농도 분포

창문 개방 시[C-1]는 교실내 창문 4개와 복도의 창문 5개를 개방한 것으로 설정하여 시뮬레이션을 실시하였다. 외기 미세먼지 농도 변화에 따른 교실내 분석점의 미세먼지 농도 평균값은 Figure 6과 같이, 외기 미세먼지 농도 좋음(30 µg/㎥)에서 1교시에 최대값이 72 µg/㎥, 최저값이 9 µg/㎥로 변화하며 이런 양상은 외기 미세먼지 농도 보통(80 µg/㎥)과 나쁨(150 µg/㎥)에서 동일하게 나타났다. 창문 개방 시 외기 미세먼지 농도 좋음에서 교실내 미세먼지 농도 최대값은 1~2교시에서 72 µg/㎥로 환경부(ME) 주관 실내공기질 관리법의 기준치 75 µg/㎥를 충족하고 외기 미세먼지 농도 보통에서 교실내 미세먼지 농도 최대값이 1교시의 94 µg/㎥로 국내 법적 기준 이상으로 나타났고 또한, WHO 2번째 기준에 해당하는 100 µg/㎥ 이하로 나타났다. 외기 미세먼지 농도 나쁨의 경우는 교실내 미세먼지 농도 최대값이 1교시에서 121 µg/㎥로 국내 법적 기준과 WHO 2번째 기준에 모두 미달하였다.

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Figure 6.

PM10 concentration of [C-1] when PM10 concentration of outdoor air is good (30 µg/㎥), normal (80 µg/㎥), bad (150 µg/㎥)

창문 개방 시[C-1] 교실내 미세먼지 농도는 외기 미세먼지 농도 좋음에서 국내 법적 기준을 충족하는 것으로 나타났으며 외기 미세먼지 농도 보통에서 교실내 미세먼지 최대값이 국내 법적 기준에 미달하는 것으로 나타났고, 1교시에서 교실내 미세먼지 평균값이 국내 법적 기준을 충족하였다. 또한, 외기 미세먼지 농도 나쁨의 경우 교실내 미세먼지 농도 최대값이 국내 법적 기준과 WHO 2번째 기준에 모두 미달하였고, 평균값이 WHO 2번째 기준에 유사한 것으로 나타났다. Figure 7의 가시화를 살펴보면 교실과 복도의 창문 근처 미세먼지 농도가 높아 창문을 통한 미세먼지의 유입을 확인할 수 있다.

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Figure 7.

Visualization of PM10 concentration of [C-1] When PM10 concentration of outdoor air is normal (80 µg/㎥)

창문 부착용 에어필터 설치 시[C-2] 교실내 미세먼지 농도 분포

창문 부착용 에어필터 설치 시[C-2]는 효율이 75%인 Medium 필터를 모든 창문에 가로로 2개 설치하여 시뮬레이션을 실시하였다. 외기 미세먼지 농도는 Figure 8과 같이, 좋음에서 교실내 분석점의 미세먼지 농도 평균값의 최대값은 2교시에서 67 µg/㎥로 국내 법적 기준(75 µg/㎥)을 충족하고 외기 미세먼지 농도 보통에서 교실내 미세먼지 농도 최대값이 1교시에서 86 µg/㎥로 국내 법적 기준 이상으로 나타나지만 WHO 2번째 기준(100 µg/㎥)을 충족하였다. 외기 미세먼지 농도 나쁨에서 교실내 미세먼지 농도 최대값은 101 µg/㎥로 국내 법적 기준과 WHO 2번째 기준에 모두 미달하지만, 미세먼지 농도 평균값은 최대 81 µg/㎥로 WHO 2번째 기준을 충족하는 것으로 나타났다.

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Figure 8.

PM10 concentration of [C-2] when PM10 concentration of outdoor air is good (30 µg/㎥), normal (80 µg/㎥), bad (150 µg/㎥)

창문 부착용 에어필터 설치 시[C-2] 미세먼지 농도는 [C-1]보다 외기 미세먼지 농도 좋음에서 평균 4 µg/㎥, 보통에서 평균 10 µg/㎥, 나쁨에서 평균 16 µg/㎥ 낮은 것으로 확인되어 전체 구간에서 저감효과가 있는 것으로 나타났다. [C-2]의 미세먼지 저감 효율은 [C-1]과 비교해 평균값 기준으로 외기 미세먼지 농도 좋음에서 최대 9.3%, 보통에서 최대 14.9%, 나쁨에서 최대 16.2% 높은 것으로 나타났으며, 미세먼지 저감효과는 외기 미세먼지 농도가 높을수록 크게 나타났다. 또한, Figure 9의 가시화를 살펴보면 교실과 복도 창문 근처 미세먼지 농도가 낮아 창문을 통해 미세먼지가 유출된 것을 확인할 수 있다.

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Figure 9.

Visualization of PM10 concentration of [C-2] when PM10 concentration of outdoor air is normal (80 µg/㎥)

외기도입용 EHP 가동 시[C-3] 교실내 미세먼지 농도 분포

외기도입용 EHP 가동 시[C-3] 창문은 닫혀있고 외기는 외기도입용 EHP를 통해 유입되며, 외기도입용 EHP에 설치된 Pre 필터의 효율은 25%, 취출구 및 흡입구의 풍속은 TAB를 참고하여 동일하게 1.4 m/s로 설정하였다. 교실내 미세먼지 농도는 Figure 10과 같이, 외기 미세먼지 농도 좋음에서 교실내 분석점의 미세먼지 농도 평균값의 최대값이 93 µg/㎥로 국내 법적 기준(75 µg/㎥)에 미달하였으며 외기 미세먼지 농도 보통에서 교실내 미세먼지 최대값이 104 µg/㎥로 WHO 2번째 기준(100 µg/㎥)에 미달하는 것으로 나타났다. 또한, 외기 미세먼지 농도 나쁨에서 교실내 미세먼지 농도 평균값이 1교시를 제외하고 WHO 2번째 기준에 미달하는 것으로 나타났다.

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Figure 10.

PM10 concentration of [C-3] when PM10 concentration of outdoor air is good (30 µg/㎥), normal (80 µg/㎥), bad (150 µg/㎥)

외기도입용 EHP의 에어필터 효율이 25%인 [C-3]에서 미세먼지 농도는 창문 개방 시[C-1] 및 창문 부착용 에어필터 설치 시[C-2]보다 높게 나타났다. Figure 11의 가시화를 통해 천장 근처의 미세먼지가 EHP의 흡입구로 이동하여 농도가 높아진 것을 확인하였다. 외기 미세먼지 농도 좋음에서 교실내 미세먼지 최대값이 국내 법적 기준에 미달하는 값으로 나타나 주의가 요구된다. 외기도입용 EHP를 통한 저감 효율은 평균값을 기준으로 [C-1]보다 최대 22% 낮은 것으로 나타났다.

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Figure 11.

Visualization of PM10 concentration of [C-3] when PM10 concentration of outdoor air is normal (80 µg/㎥)

바닥형 공기청정기 가동 시[C-4] 교실내 미세먼지 농도 분포

바닥형 공기청정기 가동 시[C-4] 공기청정기내 HEPA 필터 등급은 효율이 90%인 E10으로 설정하였으며, 취출구와 흡입구의 풍속은 동일하게 2 m/s로 시뮬레이션을 실시하였다. 교실내 분석점의 미세먼지 농도 평균값은 Figure 12과 같이, 외기 미세먼지 농도 좋음에서 최대값이 모두 국내 법적 기준(75 µg/㎥)을 충족하는 것으로 나타났으며, 외기 미세먼지 농도 보통에서 교실내 미세먼지 농도 최대값이 87 µg/㎥로 국내 법적 기준에 미달하였으나 평균값이 최대 71 µg/㎥로 국내 법적 기준을 충족하였다. 외기 미세먼지 농도 나쁨에서 교실내 미세먼지 농도 최대값이 1교시에서 115 µg/㎥로 증가하지만 2교시에서 97 µg/㎥까지 낮아졌고 교실내 미세먼지 농도 평균값이 최대 90 µg/㎥로 국내 법적 기준에 미달하였으나 WHO 2번째 기준(100 µg/㎥)은 충족하였다.

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Figure 12.

PM10 concentration of [C-4] when PM10 concentration of outdoor air is good (30 µg/㎥), normal (80 µg/㎥), bad (150 µg/㎥)

공기청정기의 에어필터 효율이 90%인 [C-4]에서 교실내 미세먼지 농도는 외기 미세먼지 농도 좋음과 보통에서 평균값이 국내 법적 기준을 충족하여 저감 효율이 큰 것으로 나타났다. 바닥형 공기청정기 가동을 통한 교실내 미세먼지 저감 효율은 창문 개방 시[C-1]와 비교해 평균값을 기준으로 최대 16% 높게 나타났으며, 외기도입용 EHP 가동 시[C-3]와 비교해 평균값을 기준으로 최대 27% 높게 나타나 미세먼지 저감효과가 큰 것으로 나타났다. 이는 바닥형 공기청정기의 경우 창문이나 외기도입용 EHP와 달리 Figure 13과 같이 미세먼지 농도가 높은 바닥에 설치되어 미세먼지 저감효과가 높은 것으로 판단된다.

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Figure 13.

Visualization of PM10 Concentration of [C-4] when PM10 concentration of outdoor air is normal (80 µg/㎥)

CASE별 분석결과를 환기장치가 없이 미세먼지가 발생했을 시[Baseline]와 비교하여 저감 효율을 Figure 14와 같이 나타냈다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2020-014-03/N0280140301/images/Figure_KIAEBS_14_3_01_F14.jpg
Figure 14.

Reduction efficiency by CASE and PM10 concentration of outdoor air

CASE별 환기장치의 저감 효율을 분석한 결과, 미세먼지 저감 효율은 창문 부착용 에어필터 설치 시[C-2]에서 가장 높고, 외기도입용 EHP 작동 시[C-3]에서 가장 낮은 것으로 나타났다. 창문 개방 시[C-1]에서 미세먼지 저감 효율은 외기 미세먼지 농도 좋음(30 µg/㎥)에서 22%로 높게 나타났지만, 미세먼지 농도 보통(80 µg/㎥)에서 11%, 미세먼지 농도 나쁨(150 µg/㎥)에서 3%로 감소하며 창문을 통한 환기 시 외기 미세먼지 농도가 환기 효율에 영향을 주는 것을 확인할 수 있다.

결 론

본 논문은 일반적인 평면형태를 갖는 편복도형 교실내 미세먼지를 측정하고 분석된 미세먼지 발생량과 I/O ratio를 입력값으로 외기 미세먼지 농도 변화에 따른 환기방식별 미세먼지 저감효과를 시뮬레이션하여 분석한 연구로, 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 창문 개방 시[C-1] 교실내 미세먼지 농도는 외기 미세먼지 농도 좋음(30 µg/㎥)에서 평균값과 최대값이 모두 국내 법적 기준 75 µg/㎥을 충족하였으며, 외기 미세먼지 농도 보통(80 µg/㎥)에서 대부분 국내 법적 기준 75 µg/㎥ 이상으로 나타났으나, WHO 2번째 기준 100 µg/㎥ 이하인 것으로 나타났다. 또한, 외기 미세먼지 농도 나쁨(150 µg/㎥)에서 평균값과 최대값이 대부분 WHO 2번째 기준을 충족하는 것으로 확인되었다.

(2) 창문 부착용 에어필터 설치 시[C-2] 교실내 미세먼지 농도는 [C-1]보다 전체 구간에서 교실내 미세먼지 농도 최대값과 평균값이 낮아진 것으로 확인되었고 저감 효율은 [C-1]과 비교해 최대 16.2% 높아 외기 미세먼지 농도에 비례하여 나타났다.

(3) 외기도입용 EHP 가동 시[C-3] 교실내 미세먼지 농도는 외기 미세먼지 농도 좋음(30 µg/㎥)에서 최대값 93 µg/㎥로 국내 법적 기준인 75 µg/㎥ 이상으로 나타나 주의가 요구되며 외기 미세먼지 농도 보통(80 µg/㎥)에서 교실내 미세먼지 농도 평균값이 모두 국내 법적 기준 이상이고, 최대값 104 µg/㎥로 WHO 2번째 기준보다 높게 나타났다. 또한, 외기 미세먼지 농도 나쁨(150 µg/㎥)에서 미세먼지 농도 평균값과 최대값이 대부분 WHO 2번째 기준 이상으로 나타났다. 이는 외기 미세먼지 농도 좋음(30 µg/㎥), 보통(80 µg/㎥), 나쁨(150 µg/㎥) 모두에서 [C-1]보다 높은 값으로, 미세먼지 저감 효율이 창문 개방 시와 비교해 최대 22% 낮은 것으로 확인되었다.

(4) 바닥형 공기청정기 가동 시[C-4] 교실내 미세먼지 농도는 외기 미세먼지 농도 좋음(30 µg/㎥)에서 평균값, 최대값이 모두 국내 법적 기준을 충족하였고 외기 미세먼지 농도 보통(80 µg/㎥)에서 최대값이 87 µg/㎥로 국내 법적 기준보다 높았으나 평균값은 모두 국내 법적 기준을 충족하였다. 또한, 외기 미세먼지 농도 나쁨(150 µg/㎥)에서 미세먼지 농도 최대값이 115 µg/㎥로 WHO 2번째 기준보다 높으나, 미세먼지 농도 평균값이 모두 WHO 2번째 기준 이하로 나타났다. 바닥형 공기청정기 가동 시 미세먼지 저감 효율은 창문 개방 시와 비교해 평균값을 기준으로 최대 16%, 외기도입용 EHP 가동 시와 비교해 평균값을 기준으로 최대 27% 높게 나타나 우수한 것으로 나타났다.

(5) CASE별 미세먼지 저감 효율을 환기장치 없이 미세먼지가 발생했을 시[Standard CASE]와 비교 분석한 결과, 창문 부착용 에어필터 설치 시[C-2] 미세먼지 저감 효율이 가장 높고, 외기도입용 EHP 작동 시[C-3] 미세먼지 저감 효율이 가장 낮은 것으로 나타났다. 창문 개방 시[C-1] 미세먼지 저감 효율은 외기 미세먼지 농도 좋음(30 µg/㎥)에서 높게 나타났지만, 외기 미세먼지 농도가 높아질수록 저감 효율이 떨어지는 것으로 확인되었다.

창문 개방 시[C-1] 교실내 미세먼지 저감효과는 외기 미세먼지 농도 좋음(30 µg/㎥)에서 확인되었고 창문 부착용 에어필터 설치 시[C-2], 교실내 미세먼지 저감 효율이 창문 개방 시와 비교해 최대 16.2% 높게 나타났다. 또한 외기도입용 EHP 가동 시[C-3], 창문 개방 시[C-1]와 비교해 저감 효율이 최대 22% 낮았고, 바닥형 공기청정기 가동 시[C-4], 미세먼지 저감 효율이 창문 개방 시[C-1]와 비교해 높게 나타났다.

환기장치 없이 미세먼지가 발생했을 시[Standard CASE]와 비교 분석한 미세먼지 저감 효율은 창문 부착용 에어필터 설치 시[C-2] 가장 높게 나타났으며, 외기도입용 EHP 작동 시[C-3] 가장 낮게 나타났다.

최근, 미세먼지법 제정으로 교실에 설치 가능한 환기장치들이 다양하게 개발되고 있으나 측정과 검증을 통하여 비교 분석한 연구가 함께 진행되어야 할 것으로 사료된다.

Acknowledgements

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. NFR-2018R1A2B6009111).

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