Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. April 2021. 122-137
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20210011

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 미세먼지 농도 변화량 분석을 위한 시뮬레이션 개요

  •   대상건축물의 선정

  •   미세먼지 실측 개요

  •   실측을 통한 미세먼지 농도 변화량 분석

  •   시뮬레이션의 경계조건

  •   시뮬레이션의 분석점

  • 저감방안에 따른 급식시설내 미세먼지 농도 분석

  •   급식시설내 환기장치와 저감방안 제시

  •   기존 배기후드와 공조장치 작동 시 미세먼지 농도 [EXT]

  •   조리실에 배기후드를 추가 설치 시 미세먼지 농도 [ALT-1]

  •   식당 조닝 시 미세먼지 농도 [ALT-2]

  •   환기시스템 설치 시 미세먼지 농도 [ALT-3]

  • 결 론

서 론

국제암연구소(IARC)에서 발표한 발암물질 가운데 1등급으로 분류된 미세먼지(IARC, 2018)는 그 크기가 작아 인체에 쉽게 침투하여 폐 및 기관지 등 호흡기 질환과 암을 발생시킬 수 있다. 특히, 2016년 진행된 환경부의 연구(ME, 2016a)에 따르면 조리 시 발생하는 미세먼지는 실내 공기오염의 주요 원인으로, 실내 미세먼지 농도를 대기 미세먼지 농도 경보 ‘매우 나쁨’ 수준보다 30배 이상 높일 수 있는 것으로 나타났다. 이에 환경부는 공기 질 등의 유지·관리기준(ME, 2019)을 통하여 교사 및 급식시설내 미세먼지 농도를 75 µg/㎥(초미세먼지 35 µg/㎥)로 유지하도록 하여 미세먼지에 취약할 것으로 예상되는 학생을 대상으로 미세먼지 관리방안을 제시하고 있다.

이에 학교내 미세먼지를 저감하기 위한 연구로 ‘일부 초등학교 교실 내 공기청정기 성능의 수치해석(Park, 2012)’과 ‘미세먼지 저감을 위한 학교 교실 환기시스템 및 시스템에어컨의 운전제어 방안에 관한 연구(Jeong, 2018)’, 미세먼지 농도 예측 시스템을 구축하기 위한 연구로 ‘멀티존 모델을 활용한 건물에서의 외부 미세먼지 유입 및 이동 평가(Lee, 2017)’, 미세먼지 유해성 연구로 ‘미세먼지와 그 유해화학물질의 건강위해성평가(Park, 2007)’ 등이 실시되었다. 또한, 조리에 의해 발생하는 미세먼지 관련 연구는 ‘고기구이에서 발생하는 미세먼지 배출계수 개발에 관한 연구(Lee, 2011)’와 같이 조리에 의해 발생하는 미세먼지량에 관한 연구, ‘250석 규모 음식점 실내미세먼지의 영향 요인과 저감 방안에 대한 연구(Kim, 2019)’와 같이 음식점을 대상으로 진행되어 학교내 급식시설의 미세먼지 농도에 대한 연구가 부족한 것으로 나타났다.

따라서 본 연구는 실측을 바탕으로 조리된 음식 종류와 학생들의 활동에 따른 미세먼지 발생량을 분석하고, 조리시간과 식사시간의 미세먼지 농도 분석을 통해 배기량 증가, 식당의 조닝, 환기시스템의 설치에 따른 미세먼지 농도 분포를 분석하여 학교내 급식시설의 미세먼지 저감을 위한 방안 연구에 기초자료로 제시하고자 하였다. 연구의 방법 및 범위는 다음과 같다.

1) 자료조사를 통하여 대구내 초등학교내 급식시설의 배치유형을 분류하고, 조리실과 식당이 연결되어 있는 일렬형 배치 급식시설을 갖춘 학교를 대상건축물로 선정하였다.

2) 대상 학교의 급식시설 식단표를 조사하고 급식시설내 미세먼지 농도를 조리실과 식당에서 시간별로 2일간 실측하였다.

3) 실측을 바탕으로, 실내·외의 미세먼지 농도 비율 I/O ratio와 미세먼지 농도 변화량을 통해 조리와 학생들의 활동에 따른 미세먼지 발생량을 분석하였다.

4) 분석된 발생량을 입력값으로 기존 배기후드와 공조장치(Air Handling Unit: AHU) 작동 시[EXT], 미세먼지 저감방안인 조리실에 배기후드를 추가 설치 시[ALT-1], 식당 조닝 시[ALT-2], 환기시스템을 설치 시[ALT-3]를 제시하고 저감방안별 미세먼지 농도 분포를 시뮬레이션하였다.

미세먼지 농도 변화량 분석을 위한 시뮬레이션 개요

대상건축물의 선정

본 연구의 대상 급식시설을 선정하기 위하여 정보공개서비스를 통해 대구광역시 40개 초등학교를 대상으로 조리실에서 발생한 미세먼지의 확산에 영향을 미치는 요인인 급식시설과 식당의 거리 및 배치에 따라 조리실과 식당의 배치유형을 4가지로 분류하였다. 그 결과, 조리실과 식당이 일렬로 배치된 경우인 일렬형이 62.5%, 조리실과 식당이 직접 연결되지 않은 분리된 경우인 분리형이 25%, 조리실 혹은 식당이 한쪽 구석으로 배치된 경우인 편향형이 10%, 중앙에 조리실이 존재하고 식당이 둘러싼 경우인 중앙형이 2.5%를 차지하는 것으로 나타났다. 이에 본 연구는 이 중 가장 일반적인 일렬형 배치유형의 급식시설을 대상으로 선정하였으며, 평면도와 개요를 각각 Figure 1, Table 1과 같이 나타냈다. 선정된 일렬형 배치 급식시설은 조리실과 식당이 배식구로 연결되며, 실측 시 창문 개폐에 따른 자연환기의 영향을 최소화하기 위하여 창문은 닫힌 상태를 유지하였다.

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Figure 1.

Floor plan and measurement points of the target building

Table 1.

Overview of the target building

Item Specification
Basic Number of student 581
Distribution type Direct distribution
Kitchen Number of staff 6 (Nutritionist 1, Chef 1, Cook 4)
Area 179 m2
Cookware Burner: 2ea, Stir-frying Iron plate: 1ea, Soup bucket: 7ea
Exhaust hood 1ea, Size: 780 × 480 (W×L), Air volume: 37.4 CMM
5ea, Size: 435 × 350 (W×L), Air volume: 15.2 CMM
2ea, Size: 380 × 380 (W×L), Air volume: 14.4 CMM
Air conditioner 1ea, Floor type AHU size: 610 × 1850 × 400 (W×L×D), Air volume (max): 35.5 CMM
Cafeteria Seating capacity Max 256 (Table for four, Layout 8×8 row)
Area 465 m2
Air conditioner 9ea, Ceiling type AHU, Size: 840 × 840 × 372 mm (W×L×D),
Air volume 33 CMM

미세먼지 실측 개요

급식시설의 미세먼지 농도 현황과 I/O ratio를 통해 조리시 미세먼지 변화량을 계산하여 CFD 입력값으로 설정하기 위하여 실측을 실시하였다. 대상건축물로 선정된 대구광역시 일렬형 배치 급식시설에서 2020년 7월 22일 실측을 실시하였으며, 급식시설 내부에서 발생하는 미세먼지량을 분석하기 위하여 창문은 닫았고, 외부 미세먼지가 실내 미세먼지 발생량 측정에 영향을 적게 미칠 것으로 판단되는 비내리는 날을 선정하여 측정하였다. 측정일의 강수량은 최대 4 mm였으며, 건구온도는 22~26℃로 나타났다. 기상청에서 공지한 외기 미세먼지 경보 수준은 좋음이고, 풍속은 동풍 1 m/s였다. 미세먼지 농도를 실측하기 위해 사용된 장비는 TSI사의 TSI-9306(실내, 2대)과 TSI-8530(실외, 1대)으로 모두 광산란 방식에 의해 미세먼지의 질량 농도를 측정하며, 실측 전 장비 간의 측정 오차를 보정하기 위해 Calibration을 진행한 후, 수정치를 반영하였다. 그 외 측정 장비의 제원은 Table 2와 같다. 조리실의 실측점은 국가통계포털의 성인 여성 평균신장을 참고(MCST, 2017)하여 바닥에서 1.6 m 떨어진 지점으로 설정하고, 식당의 실측점은 교육부 학생건강검사 보고서(MOE, 2018)의 초등학생 평균신장에 근거하여 바닥에서 1.4 m 떨어진 지점으로 설정하였다. 실측대상 입자는 조리 및 활동 시 발생하는 미세먼지 공통입자 PM10으로 설정하였으며, 설치 위치를 Figure 1에 나타냈다. 배기후드는 조리시 항상 작동되도록 하였으며, 냉난방 설비 또한 실측시 항상 작동되게 하였다. 조리된 식단은 기장밥(삶기), 닭곰탕(끓이기), 가자미강정(튀기기), 잡채(볶기)로 환경부 보고서(ME, 2016b)에 따라 미세먼지가 많을 것으로 예상되는 가자미강정, 잡채 등의 식단이 포함되었으며, 조리와 배식 스케쥴은 Figure 2과 같이 나타냈다.

Table 2.

Specifications of measuring equipment

Location Model Outfit Specification Contents Quantity
Kitchen and Cafeteria TSI 9306 /media/sites/kiaebs/2021-015-02/N0280150202/images/Figure_KIAEBS_15_2_02_T2-1.jpg Light source Laser diode 2
Range of measuring particle 0.3 ~ 10 µm
Range of measuring time 1 second ~ 99 hour
Size and weight 117 x 297 x 124 mm / 1,012 g
Outdoor TSI 8530 /media/sites/kiaebs/2021-015-02/N0280150202/images/Figure_KIAEBS_15_2_02_T2-2.jpg Sensor type 90° Light scatting 1
Range of measuring particle 0.1~ 10 µm
Range of measuring time 1 second ~ 6 hour
(when not charged)
Size and weight 216 × 224 × 135 mm / 2,000 g

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Figure 2.

Cooking and serving schedule

실측을 통한 미세먼지 농도 변화량 분석

일렬형 배치 급식시설내 미세먼지 농도 실측치를 10분 단위로 평균하여 Figure 3에 나타내고, 실측치를 스케쥴에 따라 평균하여 Table 3에 나타냈다.

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Figure 3

Changes in the concentrations in the school meal service facility

Table 3.

Average PM10 concentration in the meal service facility based on cooking and serving schedules [µg/㎥]

Preparing to cook Cooking
(with fire)
Cooking
(without fire)
Preparing to distribution Lunch time Cleaning
Kitchen 12 18 34 36 41 32
Cafeteria 15 19 31 32 33 33
Outdoor 11 11 15 12 13 10

조리실과 식당의 미세먼지 농도가 평균값 기준 최대 8 µg/㎥ 차이로 조리실내 미세먼지가 식당으로 확산되어 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 조리실내 미세먼지 농도는 화구를 사용하여 조리하는 10:30분경까지 식당보다 높은 값을 유지하다가 이후 배식 준비와 배식으로 식당에 미세먼지 발생이 높아져 12:40분경까지 식당보다 낮은 값을 나타냈다. 조리실과 식당의 미세먼지 농도는 환경부 권고기준인 75 µg/㎥보다 낮은 값을 나타내지만 식당에서 순간 미세먼지 최대값이 71 µg/㎥로 권고기준에 근접하였다.

실측 시 외기 미세먼지 농도는 평균 12 µg/㎥로 낮아 실내에 미치는 영향이 적었으며, 미세먼지 경보수준은 ‘좋음’(0~30 µg/㎥)으로 나타났다. 기존 조리실과 식당의 미세먼지 농도는 조리시간 미세먼지 농도가 식당에서 최고 47 µg/㎥까지 증가하는 경향을 보이며, 이후 활동으로 인해 발생하는 미세먼지에 의해 점심시간의 미세먼지 농도가 조리실에서 최대 54 µg/㎥까지 증가하며, 청소시간은 식당에서 최대 71 µg/㎥까지 증가해 미세먼지를 제거할 수 있는 저감방안이 요구된다.

시뮬레이션의 경계조건

STAR-CCM+(ver.11.06) 프로그램을 이용하여 일렬형 배치 급식시설에 대한 미세먼지 농도 분포를 시뮬레이션하였다. 본 연구는 단일 입자에 대한 CFD 해석에 있어 경제성을 지니는 오일리언 기반의 다상유동 모델을 적용하여 미세먼지의 농도 변화를 분석하였다. 외부 미세먼지 농도는 경보 수준 ‘보통’에 해당하는 80 µg/m3로 설정하였고, 실내 미세먼지 초기 농도는 이전 연구(Cha et al., 2020)의 I/O ratio를 참고하여 24 µg/m3로 설정하였다. 해석 대상 미세먼지의 입자 크기는 조리에 의한 미세먼지와 활동에 의한 미세먼지를 포함한 PM10 가운데 10 µm를 해석대상으로 설정하였고 시뮬레이션 입력값은 실측치에서 추정된 미세먼지 변화량을 식 (1)에 의해 계산하였다. 미세먼지 발생량은 지점에서 1분당 미세먼지 변화량으로 변화요인을 발생량만으로 국한하여 사용하였으며, 경계조건은 Mass fraction에 근거하여 질량분율로 나타냈다. 미세먼지 저감구간을 제외하여 1분당 평균 2.79 µg/㎥으로 나타냈으며, 환경부의 보고서에 따라, 화구와 솥의 미세먼지 발생량 비율을 9:1로 설정하여 화구 사용 시 1분당 2.511 µg/㎥, 솥 사용 시 1분당 0.279 µg/㎥로 하였다. 활동에 의한 미세먼지 변화량은 이전에 발표한 연구와 같이, 1인, 1분당 0.2 µg/㎥으로 설정하였다. 시뮬레이션 시 미세먼지의 설정은 Table 4와 같고, 시뮬레이션의 기본 조건은 Table 5과 같다. 시뮬레이션시 미세먼지 발생상황 및 환기상황은 실측 시 상황과 동일하게 재실인원을 고려하여 활동 미세먼지 발생량을 설정하였고, 청소시간은 조리원이 조리기구 세척과 청소를 동시에 진행하는 것으로 설정하여 Table 6와 같이 나타냈다.

(1)
G=(PMC2-I/Oratio×PMO2)-(PMC1-I/Oratio×PMO1)

G : Amount of PM10 generated [µg/㎥], PMC2 : Current amount of PM10 in kitchen [µg/㎥]

I/Oratio : PM10 concentration of outdoor compared to indoor,

PMO2 : Current amount of PM10 in Outdoor [µg/㎥],

PMC1 : Past amount of PM10 in kitchen [µg/㎥], PMO1 : Past amount of PM10 in Outdoor [µg/㎥]

Table 4.

PM10 Setting for CFD simulation

Item Setting
Initial mass fraction [Air, PM10] [0.973929, 0.026071]
PM10 Generator surface type Mass flow inlet
Inlet/Outlet type Velocity inlet, Pressure outlet
Mass flow rate Calculated value
PM10 Concentration of outdoor [μg/m3] 80
Basic PM10 concentration of indoor [μg/m3] 24
Analytical particle size [μm] 10
Table 5.

Boundary condition of CFD simulation

Item Setting
Physics model Eulerian Multiphase, Standard k-ε turbulent
Multi-component gas Air, Particle
Turbulence Specification Intensity + Length Scale
Turbulence length scale [m] 0.1
Mesh type Trimmer
Number of mesh Around 300,000
Mesh basic size [m] 0.2
Inlet air velocity of ventilation system [m/s] 1.4
Outlet air velocity of ventilation system [m/s] 1
Analysis time [min], Time srep size [s] 240 (AM 9:30-PM 13:30), 60
I/O ratio 0.3
Table 6.

Duration for PM10 generation and ventilation condition

Schedule Time required
(min)
PM10 Generation by acting PM10 Generation by cooking Exhaust hood
Kitchen Cafeteria
Preparing to cook 30 O X X X
Cooking (with fire) 30 O X O O
Cooking (without fire) 30 O X O O
Preparing to distribution 40 O O X X
Lunch time 60 X O X X
Cleaning 50 O O X X

※ AHU and waste heat recovery unit always operate.

시뮬레이션의 분석점

시뮬레이션의 분석점을 조리실[Kitchen:Kit]과 식당[Cafeteria:Caf]으로 구분하고 조리실[Kit]은 분석점 6곳을 선정하였다. 식당[Caf]의 분석점은 조리실과 가까운 식당 전면부의 Ca3, Ca6, Ca9을 Caf-1, 조리실과 식당의 중앙에 위치한 식당 중앙부의 Ca2, Ca5, Ca8을 Caf-2, 조리실과 먼 식당 후면부의 Ca1, Ca4, Ca7을 Caf-3로 구분하였다. 조리실의 분석점 높이는 실측 높이와 같은 높이로 설정하였으며, 분석점의 위치를 Figure 4와 같다.

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Figure 4.

Location of analysis points for simulation

저감방안에 따른 급식시설내 미세먼지 농도 분석

급식시설내 환기장치와 저감방안 제시

일렬형 배치 급식시설내 미세먼지를 저감시키는 방안으로 배기량의 변화, 식당의 조닝 및 환기시스템 설치를 통한 저감방안을 제시하기 위하여 기존의 배기후드와 AHU 작동 상태[EXT]와 대안으로 조리실에 배기후드를 추가 설치 시[ALT-1], 식당 조닝 시[ALT-2], 환기시스템 설치 시[ALT-3]을 제안하여 반영한 모듈은 Table 7과 같다.

Table 7.

Modules applied in modeling

Type Kit-A Kit-B Legend (Common)
Kitchen
(Kit)
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Existing exhaust hood and AHU Installation of an additional exhaust hood
Type Caf-A Caf-B Caf-C
Cafeteria
(Caf)
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Existing table and AHU Cafeteria zoning Cafeteria zoning and installation of waste heat recovery unit

저감방안별로 적용된 모듈의 조합은 기존 조리기구 및 배기후드 설치[EXT]에서 (Kit-A + Caf-A)로 나타냈다. 또한, 조리실에 배기후드를 추가 설치 시[ALT-1]에서 (Kit-B + Caf-A)로 나타냈고, 식당 조닝 시[ALT-2]에서 (Kit-B + Caf-B)로 하였으며, 환기시스템 설치 시[ALT-3]에서 (Kit-B + Caf-C)로 Table 8와 같이 나타냈다. 또한, 시뮬레이션에서 적용된 공조장치, 배기후드 및 환기시스템의 용량은 Table 1의 실제 용량을 참고하여 Table 9와 같이 적용하였으며, 공조장치와 배기후드 추가 시 1개당 용량은 기존과 같게 설정하여 추가하였다. 환기시스템의 급·배기구의 경우, 공조장치의 급·배기구와 같은 풍량이 될 수 있도록 설정하였다.

Table 8.

Combination of Modules by Case

Case [EXT] [ALT-1] [ALT-2] [ALT-3]
Combination of module (Kit-A + Caf-A) (Kit-B + Caf-A) (Kit-B + Caf-B) (Kit-B + Caf-C)
Table 9.

Inlet air volume of AHU, exhaust hood and ventilation system by Case [CMM]

Case AHU Exhaust hood Ventilation system
[EXT] 275 142.2 -
[ALT-1] 275 194.8 -
[ALT-2] 275 194.8 -
[ALT-3] - 194.8 106

기존 배기후드와 공조장치 작동 시 미세먼지 농도 [EXT]

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Figure 5.

PM10 concentration by zone with changes over time in case of existing operational exhaust hood and AHU [EXT]

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Figure 6.

Visualization of PM10 concentration and velocity of air in 240 minutes in case of existing operational exhaust hood and AHU [EXT]

Table 10.

Average concentrations of PM10 by zone in the meal service facility at [EXT] [µg/㎥]

Preparing
to cook
Cooking
with fire
Cooking
without fire
Preparing to distribution Lunch time Cleaning
Kit 45 55 56 72 83 100
Caf-1 35 50 51 69 87 99
Caf-2 33 52 52 69 87 99
Caf-3 31 52 52 69 88 99

기존의 배기후드와 공조장치 작동 상태[EXT]에 따른 미세먼지 농도는 조리실과 식당의 미세먼지 농도가 배식 준비 시간에서 환경부 권고기준(75 µg/㎥)을 초과하였다. 재료 손질 시간부터 증가하기 시작한 미세먼지 농도는 최고 52 µg/㎥이고, 식당으로 확산되어 식당의 미세먼지 농도가 최고 47 µg/㎥까지 증가하는 원인이 된다. 이후 조리실의 미세먼지 농도는 조리 시간 평균값 기준으로 조리실에서 10 µg/㎥, 식당에서 최대 21 µg/㎥ 증가하는 양상을 나타내지만, 조리 시 배기후드가 작동하고 있어 미세먼지 농도가 조리실에서 최대 57 µg/㎥로 환경부 권고기준을 만족하였다. 그러나 활동으로 인한 미세먼지가 발생하는 배식 준비부터 청소 시간까지 미세먼지를 환기할 환기장치가 없어 조리실과 식당의 미세먼지 농도가 증가하여 조리실에서 최고 113 µg/㎥, 식당에서 110 µg/㎥까지 증가하였다. 시뮬레이션 종료 시, 미세먼지 분포는 조리실에서 약간 높은 양상을 보이지만 식당으로 미세먼지가 퍼져 전체적으로 미세먼지 농도가 높은 모습을 보인다. 이는 WHO 기준 잠정목표 2단계(100 µg/㎥)에 해당하는 수치로, 1일 기준으로 사망 위험률이 1~11%에 달하는 위험한 상태이다. 또한, 점심시간 이후 미세먼지 농도가 조리실과 식당 모두 환경부 권고기준을 초과하여 환기장치의 추가가 요구된다.

조리실에 배기후드를 추가 설치 시 미세먼지 농도 [ALT-1]

일렬형 배치 급식시설내 조리실에 배기후드를 추가 설치 시[ALT-1] 미세먼지 농도를 10분 단위로 평균하여 Figure 7에 나타냈고, PM10과 풍속을 시뮬레이션이 끝난 240분 기준으로 가시화하여 Figure 8에 나타냈다. 조리 및 배식 스케쥴이 조리시간, 점심시간일 때 미세먼지 농도를 기존 배기후드와 공조장치 작동 시[EXT]와 함께 Figure 9에 나타냈다. 또한, 스케쥴에 따라 시뮬레이션한 평균값을 Table 11에 나타냈다.

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Figure 7.

PM10 concentration by zone with changes over time in case of installing additional exhaust hoods in the kitchen [ALT-1]

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Figure 8.

Visualization of PM10 concentration and velocity of air in 240 minutes in case of installing additional exhaust hoods in the kitchen [ALT-1]

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Figure 9.

Comparison of PM10 concentrations during cooking (30~90 min) and lunch time (130~190 min) for scenarios [EXT] and [ALT-1]

Table 11.

Average concentrations of PM10 by zone in meal service facility at [ALT-1] [µg/㎥]

Preparing
to cook
Cooking
with fire
Cooking
without fire
Preparing to distribution Lunch time Cleaning
Kit 47 55 56 72 81 98
Caf-1 35 51 50 69 86 96
Caf-2 33 51 50 69 86 96
Caf-3 31 51 50 69 87 96

조리실에 배기후드를 추가 설치하여 배기량을 증가시킨 [ALT-1]에서 미세먼지 농도는 [EXT]와 그 양상이 유사하여 평균값이 최대 3 µg/㎥ 차이가 나는 것으로 나타났다. 특히, 조리원이 주로 영향을 받는 조리 시간 미세먼지 농도 변화와 학생이 영향을 받는 점심시간 미세먼지 농도 변화를 [EXT]와 비교한 Figure 7에서 미세먼지 농도차가 평균값 기준으로 최대 2 µg/㎥ 차이로 효과가 낮은 것으로 나타났다. 재료 손질 시간에 미세먼지 농도는 [EXT]와 조건이 동일하고, 이후 조리 시간에 배기후드의 작동으로 미세먼지 증가가 억제되어 미세먼지 농도가 환경부 권고기준(75 µg/㎥)을 만족하는 것으로 나타났으나, 배식 준비 시간부터 빠르게 증가하여 조리실에서 최고 115 µg/㎥, 식당에서 최고 106 µg/㎥으로 WHO 기준 잠정목표 2단계(100 µg/㎥)에 해당하는 높은 값을 보여주었고, 점심시간 이후 미세먼지 농도가 조리실과 식당 모두 환경부 권고기준을 초과하는 것으로 나타났다. 시뮬레이션 종료 시, 미세먼지 분포는 [EXT]와 유사하였다.

식당 조닝 시 미세먼지 농도 [ALT-2]

일렬형 배치 급식시설내 식당 조닝 시[ALT-2] 미세먼지 농도를 10분 단위로 평균하여 Figure 10에 나타냈고, PM10과 풍속을 시뮬레이션이 끝난 240분 기준으로 가시화하여 Figure 11에 나타냈다. 조리 및 배식 스케쥴이 조리시간, 점심시간일 때 미세먼지 농도를 조리실에 배기후드를 추가 설치 시[ALT-1]와 함께 Figure 12에 나타냈다. 또한, 스케쥴에 따라 시뮬레이션한 평균값을 Table 12에 나타냈다.

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Figure 10.

PM10 concentration by zone with changes over time in case of zoning the cafeteria [ALT-2]

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Figure 11.

Visualization of PM10 concentration and velocity of air in 240 minutes in case of zoning the cafeteria [ALT-2]

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Figure 12.

Comparison of PM10 concentrations during cooking (30~90 min) and lunch time (130~190 min) for scenarios [ALT-1] and [ALT-2]

Table 12.

Average concentrations of PM10 by zone in meal service facility at [ALT-2] [µg/㎥]

Preparing
to cook
Cooking
with fire
Cooking
without fire
Preparing to distribution Lunch time Cleaning
Kit 48 50 52 64 62 72
Caf-1 30 37 33 55 68 77
Caf-2 28 37 33 54 68 76
Caf-3 25 34 32 51 68 79

식당을 조닝하기 위하여 가벽을 설치하고 공조장치 위치를 조정한 [ALT-2]에서 미세먼지 농도는 조리실에서 최대 77 µg/㎥, 식당에서 최대 84 µg/㎥로 환경부 권고기준(75 µg/㎥)을 초과하였으나 WHO 권고기준 잠정목표 1단계(100 µg/㎥)를 만족하였다. 특히, 조리 시간 발생한 미세먼지가 조닝으로 인해 식당으로 확산되지 않고 감소하는 것으로 나타났으며, 배식 준비 시간부터 활동으로 인해 발생하는 미세먼지 농도는 초기에 빠르게 증가하여 이후 청소시간 미세먼지 평균 농도가 식당에서 최대 79 µg/㎥로 환경부 권고기준을 초과하지만, 학생들이 재실하는 점심시간의 미세먼지 최대값이 74 µg/㎥로 환경부 권고기준을 만족하였다.

조리 시간과 점심시간의 미세먼지 농도 변화를 [ALT-1]과 비교한 Figure 9에서 조리 시간 조리실내 미세먼지 농도는 최대 5 µg/㎥로 큰 차이가 없지만 식당의 조닝으로 조리실내 미세먼지가 식당으로 확산되지 못하여 식당의 미세먼지 농도는 최대 17 µg/㎥로 큰 차이를 나타냈다. 또한, 식당에서 활동으로 인해 미세먼지가 발생하는 점심시간의 미세먼지 농도가 조리실, 식당 모두 [ALT-1]보다 크게 감소하여 최대 26 µg/㎥ 차이로 조닝의 효과가 큰 것으로 나타났으나, 식당의 공조장치가 미세먼지를 제거하는 역할보다 기류를 순환하는 역할을 하여 배식 준비 시간부터 발생하는 식당의 미세먼지를 저감시키지 못하였다.

시뮬레이션 종료 시, [EXT]와 [ALT-1]의 미세먼지 가시화에서 조리실과 식당의 미세먼지 농도가 유사했던 양상과 달리 조리실의 미세먼지 농도보다 식당의 미세먼지 농도가 높으며, 가벽을 기준으로 미세먼지 농도가 변했다. 이는 미세먼지 농도를 평균하여 나타낸 그래프에서 확인할 수 있는데, [EXT]와 [ALT-1]에서 Caf-1~3의 미세먼지 농도가 유사하였으나 [ALT-2]의 미세먼지 농도는 Caf-1~3의 미세먼지 농도가 달랐다.

환기시스템 설치 시 미세먼지 농도 [ALT-3]

일렬형 배치 급식시설내 환기시스템 설치 시[ALT-3] 미세먼지 농도를 10분 단위로 평균하여 Figure 13에 나타내고, PM10과 풍속을 시뮬레이션이 끝난 240분 기준으로 가시화하여 Figure 14에 나타냈다. 조리 및 배식 스케쥴이 조리시간, 점심시간일 때 미세먼지 농도를 식당 조닝 시[ALT-2]와 함께 Figure 15에 나타냈다. 또한, 스케쥴에 따라 시뮬레이션한 평균값을 Table 13에 나타냈다.

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Figure 13.

PM10 concentration by zone with changes over time in case of installing a waste heat recovery unit in the cafeteria [ALT-3]

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Figure 14.

Comparison of PM10 concentrations during cooking (30~90 min) and lunch time (130~190 min) for scenarios [ALT-1] and [ALT-2]

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Figure 15.

Comparison of PM10 concentrations during cooking (30~90 min) and lunch time (130~190 min) for scenarios [ALT-2] and [ALT-3]

Table 13.

Average concentrations of PM10 by zone in meal service facility at [ALT-3] [µg/㎥]

Preparing
to cook
Cooking
with fire
Cooking
without fire
Preparing to distribution Lunch time Cleaning
Kit 39 39 40 47 33 29
Caf-1 26 26 23 35 29 26
Caf-2 25 26 23 32 29 26
Caf-3 24 24 22 28 28 25

식당을 조닝하기 위하여 가벽을 설치하고 식당에 환기시스템을 설치한 [ALT-3]에서 미세먼지 농도는 조리실에서 최대 56 µg/㎥, 식당에서 최대 38 µg/㎥으로 환경부 권고기준(75 µg/㎥)을 전구간에서 만족하는 것으로 나타났다. 재료 손질부터 조리 시간 발생한 미세먼지로 조리실내 미세먼지 농도가 증가하지만 식당으로 확산하지 못해 식당내 미세먼지 농도는 감소하는 양상을 보이며, 배식 준비 시간 조리실과 식당의 미세먼지 농도가 증가하지만, 이후 환기시스템이 미세먼지를 제거하여 식당내 미세먼지는 감소하였다.

조리 시간과 점심시간의 미세먼지 농도 변화를 [ALT-2]과 비교한 Figure 11에서 조리실과 식당내 미세먼지 농도는 전체적으로 [ALT-2]보다 감소하여 최대 51 µg/㎥ 차이로 저감효과가 큰 것으로 분석되었으며, 식당내 환기시스템이 미세먼지를 적절하게 제거하는 것으로 나타났다.

시뮬레이션 종료 시, 가시화에서 미세먼지 농도는 조리실보다 식당이 낮으며, 조리실과 가까운 Caf-1보다 조리실보다 먼 Caf-3가 미세먼지 농도가 더 낮았다. 이는 [ALT-2]와 유사하게 그래프에서 확인할 수 있다.

저감방안별 미세먼지 저감효율을 [EXT]와 비교 분석한 결과, 조리실에 배기후드를 추가 설치한 [ALT-1]의 경우 미세먼지 저감효율이 조리실과 식당 모두 1.4%로 미미하였고, 조리실에 배치후드를 추가 설치하고 식당을 조닝한 [ALT-2]의 경우 저감효율이 조리실에서 17.8%, 식당에서 23.9%로 효과적인 것으로 나타났으며, 환기시스템을 설치한 [ALT-3]에서 저감효율이 조리실에서 49.3%, 식당에서 61.9%로 가장 높았다.

결 론

본 논문은 학교내 배치유형이 일렬형인 급식시설을 대상건축물로 선정하고, 미세먼지 실측치를 미세먼지 발생량 입력값으로 조리와 활동으로 인한 미세먼지의 저감방안을 시뮬레이션하여 저감방안에 따른 미세먼지 농도 분포를 제시한 연구로, 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 기존의 배기후드와 공조장치 작동 상태[EXT]에 따른 미세먼지 농도 분석에서, 조리실과 식당의 미세먼지 농도가 환경부 권고기준(75 µg/㎥)을 초과하였으며, WHO 기준 잠정목표 2단계(100 µg/㎥)에 해당하는 수치를 나타냈다.

(2) 조리실에 배기후드를 추가 설치 시[ALT-1] 미세먼지 농도는 WHO 기준 잠정목표 2단계에 해당하는 높은 값을 나타내 환경부 권고기준을 초과하였다. [EXT]와 비교한 결과, 미세먼지 저감효율이 조리실과 식당 모두 1.4%로 미미하였다.

(3) 식당 조닝 시[ALT-2] 미세먼지 농도는 조리실과 식당에서 환경부 권고기준을 초과하였지만 WHO 권고기준 잠정목표 1단계를 만족하였다. [EXT]와 비교한 미세먼지 저감효율이 조리실에서 17.8%, 식당에서 23.9%로 효과적인 것으로 나타났다.

(4) 환기시스템 설치 시[ALT-3] 미세먼지 환경부 권고기준을 전구간에서 만족하는 것으로 나타났다. [EXT]와 비교한 미세먼지 저감효율은 조리실에서 49.3%, 식당에서 61.9%로 가장 높았다.

추후 학교시설에 대한 미세먼지 저감효과를 정확하게 제시하기 위하여 IOT 기술과 접목된 식단 및 재실하는 학생 수에 따른 배기량 자동 제어 시스템에 관한 연구가 요구된다.

Acknowledgements

이 논문(저서)는 2020학년도 경북대학교 연구년 교수 연구비에 의하여 연구되었음.

References

1
Cha, D.O., Lee, I.H., Hwang, J.H. (2020). Analysis of PM10 Reduction Effect by Ventilation Method in One Side Corridor Type Classroom. Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems, 14(3), 233-246.
2
Jeong, S.M. (2018). A Study on the Operation Control Method of Ventilation Equipment to Reduce Fine Dust in School Classroom. Proceedings of the SAREK 2018 Winter Annual Conference, 597-600.
3
Kim, D.H. (2019). A Study on Influencing Factor and Reducing Methods of Indoor Fine Dust in Restaurant with 250 seats. Master's course. Department of Built Environment and Building Service Engineering Graduate School of Housing and Urban Planing, Seoul National University, Korea.
4
Lee, B.H. (2017). Assessment to Outdoor Particle Penetration and Transport in a Building Using Multi-zone Model. Doctor's course. Department of Architecture Graduate School, Seoul National University, Korea.
5
Lee, H.K. (2011). A Study on the Development of Particle Matter Emission Factors for Commercial Meat Cooking. Master's course. Department of Environmental Engineering Graduate School, University of Suwon, Korea.
6
Park, E.J. (2007). Health Risk Assessment of Fine Particles and Their Hazardous Chemicals. Doctor's course. Department of Division of Preventive Pharmacy and Environmental Toxicology Graduate School, Dongduk Women's University, Korea.
7
Park, E.W. (2012). Improvement of indoor air quality according to using air cleaner in classroom. Master's course. Department of Public Health Graduate School, Yonsei University, Korea.
8
International Agency for Research on Cancer (IARC). (2018). IARC monographs on the identification of carcinogenic harzards to humans.
9
Ministry of Culture, Sports and Tourism (MCST). (2017). The Survey of National Physical Fitness.
10
Ministry of Education (MOE). (2018). Student Health Examination Report in 2018.
11
Ministry of Environment (ME). (2016a). Make sure to open the window and ventilate when you cook!.
12
Ministry of Environment (ME). (2016b). Is the indoor air in my home "kitchen" safe?.
13
Ministry of Environment (ME). (2019). School Health Act. article 2.
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