Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 April 2019. 105-115
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20190009

ABSTRACT


MAIN

  • 서론

  • 연구 방법

  •   실내 미세먼지 유동 해석방법

  •   해석 대상 공간

  •   해석 Case 설정

  • 연구 결과

  •   공간내 기류 분포에 대한 CFD 해석 결과

  •   공기청정 환기시스템 가동에 따른 ∅ 2.5 ㎛ 입자 농도분포

  •   시간경과에 따른 공간별 ∅ 2.5 ㎛ 입자 잔여농도 변화

  • 결론

서론

최근, 급속한 경제성장과 산업화에 따라 계절과 관계없이 고농도 미세먼지가 형성되어 인체에 악영향을 미치는 것으로 보고되고 있다. 특히, 이러한 미세먼지나 초미세먼지는 우리나라 대기 오염물질의 상당 부분을 차지하고 있다. 미세먼지는 직경 10 ㎛ 이하를 PM 10 (Particulate Matter less than 10 micrometers in diameter), 2.5 ㎛ 이하를 초미세먼지 PM 2.5 등으로 구분하여 정의하고 있다. 이러한 미세먼지에 장기간 노출될 경우 면역력이 급격히 저하되어 감기, 천식, 기관지염 등의 호흡기 질환은 물론 심혈관 질환, 피부질환 등 각종 질병에 노출될 수 있다(김준범, 2017)11). 특히 직경 2.5 ㎛ 이하의 초미세먼지는 인체 내 기관지및 폐까지 침투하여 직접적으로 영향을 끼치거나 혈관을 따라 체내로 흡수됨에 따라 뇌졸중, 심장마비 등의 인체에 치명적인 질병을 유발할 수 있는 것으로 보고되고 있다(WHO, 2006).112) 따라서, 실내오염물질농도를 인체호흡역 중심으로 평가한 연구들도 진행되어 왔다(Zhu et al., 2005103); Park et al., 201564)).

정부에서는 2008년 이후 100세대 이상 신축 공동주택 건물에 대하여 환기시스템 설치를 의무화하고 있으나, 실외 미세먼지 농도가 높을 경우 오히려 자연환기 및 환기시스템 가동에 의해 외부 미세먼지가 실내로 유입되어 실내공기질이 악화될 수 있다.이에 많은 일반 가정에서는 미세먼지를 제거하기 위해 별도의 공기청정기를 설치하여 운용하고 있으나, 환기장치에 필터시스템을 추가하면 공기청정 환기시스템으로 사 용할수 있기 때문에 공기청정기 추가에 따른 비용손실을 줄일 수 있다 .최근 다양한 공기청정 환기시스템이 개발되고 있고 이와 관련된 연구들도 활발하게 이루어지고 있다(Chen, 200945); 이정호 외, 201736)).

Figure 1은 공기청정 환기시스템의 개요도를 나타낸다. 공기청정 환기시스템은 실내 미세먼지 및 CO2 농도와 외부 미세먼지 농도를 파악하여 외부 미세먼지 농도가 높을 경우, 외부공기 유입을 차단하고 0.3 ㎛보다 큰 입자를 99.95% 제거 가능한 H13급 HEPA (High Efficiency Particulate Air) 필터를 통해 내부 공기를 순환시키는 청정모드를 가동한다. 외부 미세먼지 농도가 오염농도 이하거나 실내 CO2 농도가 높을 경우, 외부공기를 유입하고 별도의 배기장치를 통해 실내공기를 배출하는 환기모드를 가동함으로써 실내공기질을 쾌적하게 유지한다.

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Figure 1.

Air cleaning ventilation system

배상환과 정민호(2017)27)는 공기청정기와 공기청정 환기시스템의 미세먼지 저감 성능을 실험을 통해 비교하였으며, 공기청정 환기시스템을 통한 실내 미세먼지 제거도 공기청정기만큼 효과적인 방법이라고 판단하였다. 하지만 실험과정에서는 측정 장비가 설치된 지점에서만 미세먼지 농도 등 물리적 데이터를 얻을 수 있고, 미세먼지를 균등하게 분포시키기 힘들다는 점에서 한계가 있다. 또한, 일반적으로 주거공간에 설치되는 환기시스템은 최소 환기량인 0.5회/h를 만족하는 수준에서 환기량을 결정하고, 급·배기구 위치에 따른 기류 변화에 대한 고려가 부족하다. 이산화탄소나 가스상 오염물질과 다르게 농도확산에 의한 이동 한 충분한 고려가 필요하다. 이에 본 연구에서는 전체 공간에 대한 데이터를 얻을 수 있는 CFD (Computational Fluid Dynamics) 해석을 이용하여 실내공기질 개선을 위한 주거공간에 적용된 공기청정 환기시스템의 환기량 및 SA (Supply Air)․RA (Return Air) 위치에 따른 실내 미세먼지 농도변화를 분석하고자 한다.

1)국내 산업 및 시도별 대기오염물질 배출량자료를 이용한 미세먼지 형성 가능성 및 인체 호흡기 영향 평가추정. 대한환경공학회. (2017). 김준범.
2)WHO Air quality guidelines for particulate matter, ozone, nitrogen dioxide and sulfur dioxide. (2006). World Health Organization.
3)Study on inhalation region by means of CFD analysis and experiment. Building and Environment. (2005). Zhu, S. et al.
4)A study on the application of sorptive building materials to reduce the concentration and volume of contaminants inhaled by occupants in office areas. Energy and buildings. (2015). Park, S. et al.
5)Ventilation performance prediction for buildings: A method overview and recent application. Building and Environment. (2009). Chen, Q. et al.
6)병원 수술실 내 의료진 호흡영역에서의 수술연기 농도분포 수치해석. 한국건축친환경설비학회. (2017). 이정호 외.
7)공기청정 기능을 가지는 공동주택환기시스템. 한국건축친환경설비학회. (2017). 배상환, 정민호.

연구 방법

실내 미세먼지 유동 해석방법

CFD 해석을 통한 미세먼지 입자의 유동을 해석하기 위한 모델링 방법으로는 대표적으로 오일러리안 방법(Eulerian method)과 라그란지언 방법(Lagrangian method)으로 구분할 수 있다. 오일러리안 방법은 미세먼지 입자를 가스상 오염물질로 가정하여 해석하는 방법이다. 반면, 라그란지언 방법은 유동장 내 움직이는 각각의 입자에 대해 유동을 해석함으로써 실제 입자의 거동과 같도록 중력 뿐만아니라 입자에 작용하는 항력과 같은 모든 외력의 영향을 고려한 방법이다.

본 연구에서는 미세먼지 확산과 분포 예측에서는 라그란지언 방법이 더 정확할 수 있다는 기존결과(Riddle et al., 200478), Zhao et al., 200899))를 바탕으로 실내 미세먼지 거동 해석 및 농도를 예측하고자 라그란지언 방법 기반의 DPM (Discrete Phase Model)을 사용(Mezhericher et al., 2011510))하였으며, CFD 해석을 위해 상용 소프트웨어인 Ansys사의 FLUENT 17.2를 사용하였다.

CFD 해석 경계조건은 Table 1과 같다. 난류 해석은 Standard k-ɛ 난류 모델을 사용하였고, 대상공간의 격자는 Polyhedral mesh로 격자 수는 약 250,000개이다. HEPA필터를 거쳐 미세먼지가 제거된 공기가 급기되는 2개의 SA와 2개의 RA의 경계조건은 각각 Velocity inlet과 Outflow로 설정하였으며, 해석 대상 공간내 직경 2.5 ㎛, 밀도 500 ㎏/m3의 미세입자 약 445,000개를 균등하게 분포시킨 상태에서 공기청정 환기시스템을 청정모드 상태로 2시간 동안 작동한 것으로 가정하여 실내 미세먼지 농도변화를 분석하였다. 본 연구에서는 복사에 의한 열전달은 고려하지 않았으며, 대류해석을 진행하였다.

Table 1. CFD boundary condition

Turbulent Model Standard k-ε model
Mesh divisions About 250,000
Scheme Second Order Upwind
Inlet-Outlet diffuser Area A: 9.5×10-3 m2
Inlet condition (SA) Velocity inlet, Case 1, 3, 4, Uin = 0.96 m/s Velocity inlet, Case 2, Uin = 1.44 m/s Turbulence intensity = 5%
Outlet condition (RA) Outflow (Free flow)
Particle Size ø 2.5 ㎛

해석 대상 공간

Figure 2는 Case별 SA·RA 위치를 알 수 있는 공기청정 환기시스템이 적용된 CFD 해석 대상 주거공간 평면과 Case 1의 3D 모델링을 나타낸다. 크기는 7.5 m (L)⨯9.5 m (W)⨯2.3 m (H)이며, 방, 드레스룸, 주방, 거실로 구성되어 있다. Figure 3은 SA의 환기유닛 크기와 급기 방향을 나타내는 것으로, 토출각 45°로 실내에 공급된다. 반면, RA의 환기유닛의 경우 Flat 형태이다. 거실 천장에 1개의 SA, 2개의 RA가 설치되어 있고, 방 천장에 1개의 SA가 설치되어 있다. 본 연구에서 주택내 가구는 붙박이 가구만을 고려하여 드레스룸의 옷장과 주방의 싱크대가 설치된 것으로 가정하였다.

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Figure 2.

Room plan, geometry in the CFD simulation

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Figure 3.

SA·RA diffuser unit

해석 Case 설정

CFD 해석 Case는 Table 2와 같이 선정하였다. Case 1은 주거공간에 실제로 적용된 공기청정 환기시스템의 미세먼지 저감 수준을 비교하기 위한 대조군 Case며, Case 2는 환기량 증가에 따른 실내 미세먼지 농도변화를 분석하기 위해 설정하였다. 또한, Case 3, 4는 SA, RA의 위치 변화에 따른 실내 미세먼지 농도분포에 대한 영향을 검토하기 위해 설정되었다.

Table 2. CFD simulation case

Case Air Change Rate (1/h) Supply Air Location Return Air Location
1 0.5 1, 2 3, 4
2 0.75 1, 2 3, 4
3 0.5 5, 6 3, 4
4 0.5 1, 2 5, 6

8)Comparison between FLUENT and ADMS for atmospheric dispersion modeling. Atmospheric Environment. (2004). Riddle, A. et al.
9)Particle dispersion and deposition in ventilated rooms: Testing and evaluation of different Eulerian and Lagrangian models. Building and Environment. (2008). Zhao, B et al.
10)Modeling of particle pneumatic conveying using DEM and DPM methods. Particulate Science and Technologyt. (2011). Mezhericher, M. et al.

연구 결과

공간내 기류 분포에 대한 CFD 해석 결과

Figures 4, 5는 CFD 해석결과로 높이 0.3 m 위치와 주방과 거실에서의 Case별 기류 분포를 나타낸다.

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Figure 4.

Velocity distribution (Time=120 min, Plan XZ, Y=0.3 m)

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Figure 5.

Velocity distribution (Time=120 min, Plan YZ, X=4.8 m)

Case 1에서는 방과 거실 천장에 위치한 SA 디퓨저를 통해 하부 45° 방향으로 공급된 신선한 공기에 의해 방과 거실에서는 평균 0.06 m/s 정도의 실내 기류 분포를 형성하였지만, 옷장이 위치한 드레스 룸이나 싱크대가 위치한 주방 하부까지는 상대적으로 영향이 적어 평균 0.01 m/s 정도의 기류 분포를 확인할 수 있다. Case 1과 동일한 SA·RA 위치에서 환기량만 증가시킨 조건의 Case 2는 Case 1에 비해 방과 거실에서의 기류 속도는 평균 0.1 m/s까지 증가했지만, 드레스룸과 주방의 싱크대 사이 공간은 평균 0.01 m/s 정도로 방과 거실에 비해 크게 증가하지 않은 기류 분포를 확인할 수 있다.

SA가 드레스룸과 주방에 위치한 Case 3의 경우, 드레스룸과 주방에서 평균 0.08 m/s 이상의 실내 기류 분포를 확인할 수 있으며, 방과 거실 공간에서도 평균 0.03 m/s 이상으로 나타났다. RA가 드레스룸과 주방의 천장에 위치한 Case 4의 경우, 방과 거실에서의 기류 분포는 Case 1과 비슷한 분포를 나타냈으며, 드레스룸과 주방 하부에서는 RA의 위치 변화로 Case 1보다 기류 속도가 크게 증가할 것이라는 예상과 다르게 Case 1과 비슷한 0.01 m/s 정도의 기류 분포를 확인할 수 있다.

공기청정 환기시스템 가동에 따른 ∅ 2.5 ㎛ 입자 농도분포

Table 3은 Case별 공기청정 환기시스템의 120분 가동 후 각 공간에 따른 높이 0.3 m, 0.9 m, 1.5 m에서의 평균 Normalized ∅2.5 ㎛ 입자 농도를 나타낸다. 여기서, 무차원 입자농도인 NC (Normalized Concentration)는 공기청정 환기시스템 120분 가동 후의 농도를 초기 미세먼지 농도로 나눈 값(Rim and Novoselac, 2010811))으로 이를 통해 초기 미세먼지 농도에 대한 증감률을 정량적으로 알 수 있다.

Table 3. Normalized concentration of ∅ 2.5 ㎛ particle (NC) at three heights (Case 1-4)

Case 1 Case 2 Case 3 Case 4
Height (m) 0.3 0.9 1.5 0.3 0.9 1.5 0.3 0.9 1.5 0.3 0.9 1.5
All 0.40 0.48 0.36 0.25 0.26 0.22 0.35 0.34 0.32 0.52 0.50 0.31
Room 0.30 0.29 0.30 0.19 0.18 0.18 0.34 0.37 0.25 0.34 0.27 0.26
Living 0.35 0.34 0.35 0.21 0.22 0.21 0.42 0.42 0.39 0.31 0.30 0.30
Kitchen 0.60 0.68 0.41 0.38 0.40 0.29 0.31 0.43 0.34 0.65 0.78 0.39
Dressroom 0.54 0.41 0.39 0.31 0.29 0.26 0.19 0.20 0.21 0.42 0.35 0.32

SA가 방과 거실 천장, RA가 거실 천장에 위치한 Case 1의 경우, 방과 거실에 비해 주방과 드레스룸의 0.3 m, 0.9 m 높이에서의 NC 값이 상대적으로 높은 것으로 나타났으며, Case 1 조건에서 환기량을 증가시킨 Case 2에서는 Case 1에 비해 전체적으로 NC 값이 0.1 이상 감소하는 것을 확인할 수 있으나, Case 2 내에서는 방과 거실에 비해 주방과 드레스룸의 값은 상대적으로 높은 것으로 나타났다.

SA가 드레스룸과 주방 천장에 위치한 Case 3의 경우, Case 1에 비해 드레스룸과 주방에서의 NC 값이 전체적으로 감소한 것을 확인할 수 있으며, 특히 0.3 m, 0.9 m 높이에서는 0.2 이상 감소한 것으로 나타났다. 거실에서는 Case 1에 비해 0.08 이내로 증가하였고, 방에서는 증감의 차이가 0.05 이내로 거의 차이가 없는 것으로 나타났다. RA가 주방과 드레스룸 천장에 위치한 Case 4에서는 Case 3과 비슷하게 주방과 드레스룸에서 NC값이 감소할 것으로 예상하였지만, 오히려 주방의 0.3 m, 0.9 m 높이에서는 Case 1에 비해 NC값이 증가한 것으로 나타났다.

미세먼지는 이산화탄소나 가스상 오염물질과 달리 농도확산에 의한 이동 영향성이 작기 때문에 공기청정 환기시스템을 가동하더라도 급기구로부터 공급된 청정공기의 급기에 의한 영향이 적은 곳에서는 미세먼지의 정체 및 점착 등으로 초기 미세먼지 농도보다 높아지는 미세먼지 취약부분이 발생할 수 있다. 이는 시간 경과별 Case 1의 거실과 주방의 미세먼지 농도분포를 나타내는 Figure 6에서도 확인 할 수 있다. 거실 부분은 시간 경과에 따라 점차 ∅ 2.5 ㎛ 입자농도가 낮아지는 것으로 나타나지만, 기류 속도가 상대적으로 거실보다 낮은 주방의 경우 미세먼지가 배출되지 못하고 시간 경과에 따라 싱크대 사이 하부에 침착하는 것을 확인할 수 있다.

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Figure 6.

Normalized concentration distribution of ∅ 2.5 ㎛ particle according to elapsed time (Case 1, Plan YZ, X=4.8 m)

Figure 7은 공기청정 환기시스템 120분 가동에 따른 Case별 거실과 주방의 ∅ 2.5 ㎛ 입자농도 분포를 나타낸다. Case 1의 경우, 싱크대가 위치한 주방의 하부 초기 미세먼지 농도보다 2~5배 높아진 미세먼지 취약부분이 발생하는 것으로 나타났다. 환기량을 증가시킨 Case 2에서는 Case 1보다 전체적으로 ∅ 2.5 ㎛ 입자농도가 낮아지고, 주방에서의 미세먼지 취약부분도 상당부분 감소한 것을 확인할 수 있다. Case 3의 경우, 미세먼지 취약부분도 발생하지 않고, Case 1보다 주방 전체의 ∅ 2.5 ㎛ 입자농도가 감소하였으나 거실의 미세먼지 농도가 높아졌음을 확인할 수 있다. Case 4에서는 주방 바닥에서 다른 Case보다 미세먼지 취약부분이 더 많이 발생하는 것으로 나타났다.

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Figure 7.

Normalized concentration distribution of ∅ 2.5 ㎛ particle (Plan YZ, Time=120 min, X=4.8 m)

시간경과에 따른 공간별 ∅ 2.5 ㎛ 입자 잔여농도 변화

Figure 8은 공기청정 환기시스템의 120분 가동에 따른 공간내 초기 ∅ 2.5 ㎛ 입자농도 대비 잔여농도 변화를 나타내고 이를 통해 공기청정 환기시스템에 따른 미세먼지 감소율을 알 수 있다.

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Figure 8.

Normalized concentration variation of indoor ∅ 2.5 ㎛ particle according to elapsed time

Case 1의 경우 거실과 방에 비해 주방과 드레스룸의 120분 경과후 ∅ 2.5 ㎛ 입자 잔여농도가 20% 이상 높은 것으로 나타났다. Case 2의 경우, 환기량이 증가함에 따라 공간내 ∅ 2.5 ㎛ 입자 잔여농도도 Case 1에 비해 전체적으로 15% 이상 적은 것을 확인할 수 있다. SA 위치가 주방과 드레스룸에 있는 Case 3의 경우, 주방과 드레스룸에서의 ∅ 2.5 ㎛ 입자 잔여농도가 Case 1에 비해 20% 이상 적은 것으로 나타났으며, 급기구가 설치되어 있지 않은 거실과 방에서도 거실에서 약 10% 정도 높았을 뿐, 방에서의 ∅ 2.5 ㎛ 입자 잔여농도는 거의 비슷한 것으로 나타났다. 하지만 거실과 방의 경우, 경과시간에 따라 Case 1에 비해 ∅ 2.5 ㎛ 입자 잔여농도가 거실은 15%, 방은 10% 정도까지 높은 것으로 나타났다. 배기구 위치가 주방과 드레스룸에 있는 Case 4의 경우, ∅ 2.5 ㎛ 입자 잔여농도가 Case 1에 비해 전체적으로 5~7% 적은 것으로 나타났으나 각 공간별 ∅ 2.5 ㎛ 입자 잔여농도 변화는 Case 1과 비슷한 양상을 보였다.

11)Ventilation effectiveness as an indicator of occupant exposure to particle from indoor sources. Building and Environment. (2010). Rim, D. et al.

결론

본 연구에서는 공기청정 환기시스템의 Case별 조건에 따른 주거공간의 실내 미세먼지 농도분포를 예측하였으며, 결과 분석은 다음과 같다.

(1)이산화탄소나 가스상 오염물질과 달리 농도확산에 의한 이동 영향성이 작은 미세먼지를 공기청정 환기시스템을 통한 효율적 제거를 고려하여 환기량, SA·RA 위치를 변수로 Case를 설정하였으며, 분석 결과 환기량 증가에 따라 공간내 ∅ 2.5 ㎛ 입자농도 감소율도 상승하는 것으로 나타났으나, 이때의 증가 환기량과 농도 저감효과가 1:1 비례 관계에 있지는 않다. 따라서, 에너지 소비량과 소음 등의 문제를 고려한 적정 환기량을 산정하여야 할 것으로 판단된다.

(2)공간내 ∅ 2.5 ㎛ 입자농도 감소율 및 분포에 SA의 위치가 큰 영향을 미친다. 특히, SA의 위치에 따라 30분내 ∅ 2.5 ㎛ 입자농도 감소율에서 차이가 큰 것으로 판단된다. RA의 위치는 상대적으로 영향이 미비한 것으로 나타났다.

(3)SA가 위치한 공간에서는 ∅ 2.5 ㎛ 입자농도 감소율 상승뿐 아니라, 미세먼지 취약부분 발생도 현저히 감소하는 것으로 나타났다. 하지만, SA를 통해 유입된 신선 공기가 미세먼지를 주변 공간으로 밀어내기 때문에 주변 공간은 미세먼지 농도가 높아질 수 있다. 본 연구에서는 초기 해석조건을 공간내 미세먼지 균등분포 조건으로 진행하였지만, 실제 주거공간에서는 오염원 위치에 따라 공간내 미세먼지 농도분포가 다르기 때문에 SA가 오염원 근처에 위치할 경우, 오히려 미세먼지를 전체 공간으로 확산시키는 결과를 초래할 수 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 CFD 해석 변수를 환기량, SA·RA 위치로 한정하였으나, 공기청정 환기시스템의 성능 향상을 위해서 입자크기, 다양한 환기량 및 SA·RA 위치 조건, 오염원 발생 조건 등 공기청정 환기시스템의 미세먼지 저감 효율에 영향을 미칠 수 있는 다양한 조건을 고려하여 후속연구를 진행하고자 한다.

Acknowledgements

이 성과는 2018년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No.2018R1A2B2007165).

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