Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 August 2021. 386-394
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20210033

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구의 방법 및 범위

  •   실험 대상 공간과 측정 장비

  • 실험진행

  •   실별 침기율 분석 및 분석 대상실 선정

  •   실내오염농도 확인을 위한 질량보존식

  •   실험조건 선정

  • 결 론

서 론

건축물의 설비기준 등에 관한 규칙(MOLIT, 2020)에서 정의하는 주택용 환기 장치의 최소 성능 기준은 시간당 0.5회 환기이다. 이는 주택법에서 정의하는 국민주택 규모 85 ㎡, 천정고 2.3 m의 세대를 가정할 때 약 100 ㎥/h의 풍량에 해당한다. 이 기준은 전 세대를 대상으로 하기 때문에 모든 실의 문이 열려있는 상태라고 볼 수 있고, 실의 문이 닫힌 상태는 적정 환기량이 실별로 달라질 수 있다.

적정 환기량을 구하는 방법 중에 하나는 재실자의 수와 외부 CO2 농도를 사용하는 것이다. 기상청에서 제공하는 기후 변화 감시 정보에 따르면(The Meteorological Office, 2021) 외부 CO2 농도는 1984년 측정 이후 계속 증가하고 있다. 이 기후 변화 감시 정보에서 제공하는 2019년 안면도 12월 평균 CO2 농도 421 ppm과 ASHRAE 62.1 (2019)에서 제공하는 성인 1명의 CO2 호기량 18 L/h를 적용하여 재실자 1인당 필요한 환기량을 계산하면 약 31 ㎥/h이 산출된다. 85 ㎡ 주택에 4인 가족이 거주하는 경우 약 124 ㎥/h가 필요하다는 계산 결과이다.

1인용 침대와 옷장 등이 배치되는 일반적인 작은방 크기 9 ㎡ (Science the Times, 2021)에 천정고 2.3 m인 주택 침실의 경우, 0.5회/h의 환기란 10.4 ㎥/h로 1인이 한 시간에 필요로 하는 환기량 31 ㎥/h의 33.5%수준이다. 해당 실의 침기량에 따라 그 결과는 달라질 수 있다. 하지만, 기존 주택을 대상으로 한 현장 측정 연구에서 실제 2000~3000 ppm의 CO2 농도를 확인한 예가 많다는 것은 이 문제가 자연 침기로 해결되기는 어려운 문제임을 보여준다(Nam and Lee, 2016; Nam et al., 2017).

기존 주거 건물의 환기제어와 CO2 농도 관련 연구들은 주로 다양한 수요기반 제어전략을 제시하고 이에 대한 결과를 시뮬레이션에 의해 분석하는 방식들이 많았다.

해외에서는 습도나 재실 조건을 이용한 제어 방법을 제시하고 CO2 변화를 시뮬레이션을 통해 비교한 연구가 오래 전부터 수행되어오고 있다(Jreijiry et al., 2007; Laverge et al., 2011). CO2, TVOC 센서를 이용한 제어방법을 제시하고 이를 시뮬레이션을 통해 비교한 연구(Seong, 2010), 재실 조건만을 이용한 제어방법을 제시하고 이를 시뮬레이션을 통해 비교한 연구(Mortensen et al., 2011; Hesaraki and Holmberg, 2015) 등도 있지만 시뮬레이션은 그 특성상 실제 상황과는 다를 수 있는 한계가 존재한다.

현장 실험 결과를 제시하는 연구로는 재실자의 유무를 실내외 CO2 농도차로 확인한 후 이에 따라 환기량을 2단으로 조절하여 팬에너지를 절감한 연구가 있었다(Nielsen and Drivsholm, 2010). 단, 그 대상 주택의 면적이 140 ㎡로 국내 주택보다 크고 실험에 적용한 기준 환기량도 더 커서 국내 기준에 적용하기는 무리가 있어 보인다.

현재 국내 공동주택에 설치하는 기계 환기 시스템은 일반적으로 전 세대에 동일한 풍량을 제공한다. 이는 실별로 침기율이나 재실자 수의 차이에 따라 공간별로 공기질의 차이를 유발할 가능성이 높다. 이에 실제 85 ㎡ 공동주택 세대에서 침기율이 다른 두 실을 선택하여 재실자의 수와 다양한 환기횟수에 따른 CO2 제거 정도를 실험 및 수계산을 통하여 분석하고 이를 통해 공동주택 환기시스템을 효과적으로 운영하기 위한 기초 연구를 실시하였다.

연구의 방법 및 범위

85 ㎡ 공동주택에서 발생 가능한 CO2 농도 및 환기횟수별 CO2 제거 정도를 확인하기 위해 아래와 같은 5단계로 분석을 실시하였다.

Step 1. 2019년 통계청 조사(Statistics Korea, 2020b)에 따르면 85 ㎡ 의 주택에서는 일반적으로 4인 가구가 거주하는 것으로 나타났다. 이에 본 실험대상 주택의 거주인 수를 부부와 자녀 2명으로 구성된 총 4명으로 가정하고 가능한 실별 거주시간을 분석하였다.

Step 2. 대상 주택 각 실의 문을 닫은 상태에서 KS F 2603 (2016)에서 제공한 수식 및 실험 방법을 적용하여 실별 침기량을 분석하였다.

Step 3. 기존 문헌에서 활용해 온 환기량별 오염물질 제거 결과를 확인할 수 있는 질량보존식에 현장 실험에서 확인한 침기율을 적용하였다.

Step 4. Step 1에서 분류한 재실 시간에 대한 현장 실험을 실시하고 Step 3의 수식에서 계산한 CO2 농도와 그 오차 범위를 비교하였다.

Step 5. 수계산을 통해 오차범위를 포함한 다양한 조건별 실별 CO2 농도를 확인하고, 관련 법에서(MOE, 2020) 규정하는 CO2 농도 유지기준 1000 ppm을 만족하는지 확인해 보았다. 이를 통해 공동주택 환기시스템을 효과적으로 운영하기 위한 CO2 농도 데이터 기초 분석을 수행하였다.

실험 대상 공간과 측정 장비

본 연구의 실험 대상 공간은 거실+부엌(LR+K), 부부침실(R1), 방2(R2), 방3(R3) 로 구성되어 있으며, 남측에 거실과 방2개, 북측에 방1개가 배치된 타입이다(Figure 1).

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Figure 1.

The apartment house duct plan for experiments

R2,3는 남측 전면에 창이 배치된 공간이며, R1의 경우 북측에 작은 창과 드레스룸으로의 미닫이 문이 설치된 공간이다. 미닫이 문의 경우 상부에 레일이 있고 하부는 프레임이 없는 구조이며 그 외에 거실로 통하는 문은 모두 상하부 프레임이 있는 여닫이 구조이다.

실별 풍량의 경우 태흥엠앤씨의 Airtron을 통해 측정하였다. Airtron은 Self-Averaging Multi-Pitot tube 값에 의해 덕트의 정압을 측정하고 풍량을 계산한다(Figure 2(a)).

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Figure 2.

Experiment equipment

CO2 농도는 Graphtec (Figure 2(d)) 데이터로거에 CO2용 EE820 센서(Figure 2(c))를 연결하여 측정하였다. 메이커에서 제공하는 EE820 센서의 측정 범위는 0~10000 ppm이며, 오차는 2% 내외이다. 덕트의 말단 부위에서 측정된 이 풍량을 실용적으로 나누어 실별 환기횟수를 계산하며 이는 별도의 모니터에 디스플레이 된다(Figure 2(b)).

각 실에 적용된 디퓨저는 개도율 0인 완전 닫힘부터 3000인 완전 열림까지의 다단계 제어가 가능한 모터 디퓨저이다.

실험진행

실별 침기율 분석 및 분석 대상실 선정

문을 닫은 상태에서의 각 실 침기율을 산정하기 위해 KS F 2603 (2016)에 따라 측정을 실시하였다. 식 (1)은 해당 공간의 CO2 감소 시간을 분석하여 해당 공간의 침기량을 산정하는 수식이다.

(1)
Q=2.303Vtlog10C1-C0Ct-C0

Q : supply air volume (m3/h)

V : space volume (m3)

t : time (h)

C1 : initial CO2 level (m3/m3)

Ct : CO2 level after hours (m3/m3)

C0 : CO2 level in supply air (m3/m3)

문을 닫은 상태에서 각 실의 침기율을 확인하기 위해 해당 실의 CO2 농도가 2000 ppm에 도달할 때까지 CO2 가스를 분사한 후 멈추었다. 그리고 KS F 2603 (2016)에 따라 30분 이내, 5회 반복 실험을 실시하였다. Table 1은 그 결과를 토대로 분석된 각 실의 최대, 최소 침기율과 그 평균값이다.

Table 1.

Infiltration rates of each rooms

Case R1 R2 R3
Max 0.61 0.25 0.41
Min 0.23 0.15 0.23
Average 0.41 0.20 0.30
Volume (㎥) 33.8 29.0 32.6

위 결과에 따라 침기율이 높고 실 부피가 커서 거주자 재실 실험시 실내 CO2 농도가 제일 낮을 것으로 예상되는 R1과, 침기율이 가장 낮고 실 부피가 작아 실내 CO2 농도가 제일 높을 것으로 분석되는 R2를 실험 및 비교 분석 대상으로 선정하였다.

실내오염농도 확인을 위한 질량보존식

질량보존식에 따라 t 시간 후의 실내 오염 농도는 식 (2)와 같이 구할 수 있으며 별도의 환기를 하지 않을 때 Q는 침기량으로 볼 수 있다.

기계 환기를 실시하는 경우는 자연 침기량에 열회수 환기장치에 의한 기계 환기량을 더한 값을 Q에 적용하여 계산하였다. 이 때, 추가적인 가압이나 감압에 의한 영향을 최소화하기 위해 실험 시작 전, 급·배기팬의 rpm을 조절하여 급·배기량을 동일하게 하고 각 실 FMS 통해 그 값을 확인하였다.

식 (2)에서 CO2 발생량 G는 ASHRAE 62.1 (2019)KS F 2603 (2016)에 따라 성인남자의 경우 18 L/h, 성인여자의 경우 이의 90%인 16 L/h로 계산하였다.

(2)
VCt=QC0-QCi+G

V : space volume (m3)

T : time (h)

Q : air change volume (m3/h)

C : CO2 level (mg/m3)

Co : CO2 level outside (mg/m3)

Ci : CO2 level inside (mg/m3)

G : CO2 generation (mg/h)

실험조건 선정

실험 케이스를 구성하기 위해 2019년 생활시간조사 결과(Statistics Korea, 2020a)에 따라 실 사용 스케줄을 확인하였다. 분석의 편의상 행위의 시간 단위를 30분으로 구분하여 가정하였으며 그 분석 결과는 아래와 같다.

⦁ 부부는 23시에 취침해 오전 6시에 기상하고 자녀들은 오전 7시에 기상한다.

⦁ 오전 7시 30분에 집에서 출발해 9시부터 18시까지 근무 및 학업을 수행하고 19시 30분에 귀가한다.

⦁ 귀가 후, 착의, 샤워 등의 준비시간 30분 후 30분 식사를 하게 되면 약 20시 30분이 된다.

저녁 식사를 마치는 20시 30분부터 취침시간인 23시까지의 2시간 30분 중 30분~1시간 정도를 거실에서 가족과 보낸다고 가정하면 침실에서의 실질적인 연속 거주시간은 최대 2시간 이내일 것으로 추정된다. 이에 2시간을 최대 실험 시간으로 하였다. Figure 3은 실험이 수행된 실 중 하나인 R2의 사진과 거주자 한 명 조건에서의 R2 실험 전경이다.

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Figure 3.

Experimental views of R2

실험을 위한 기계 환기량은 아래 3가지 경우로 설정하였다.

⦁ 환기를 하지 않음(0.0 Air Change per Hour (ACH))

⦁ 법정 최소 환기횟수 0.5 ACH

⦁ 최소 환기횟수의 2배인 1.0 ACH

R1, R2 각각의 공간에 실험 요원을 투입한 후 위의 3가지 환기횟수를 변수로 하여 2시간동안 거주하게 하였다. 본 실험은 케이스별로 각 3회씩 반복되었으며 Table 2의 값은 거주자가 1~2시간 거주했을 때의 CO2 농도 3회 평균값이다.

Table 2.

Comparison of calculated values of CO2 levels and experimental values depending on the occupants and ACHs

ACH Number of Occupants R1
EV (CV)*
(ppm)
Difference* R2
EV (CV)*
(ppm)
Difference*
0.0 1 1002 (1066) -6% 1459 (1396) +5%
2 1875 (1873) -1% 2385 (2372) +1%
0.5 1 806 (856) -6% 980 (1088) -10%
2 1488 (1400) +6% 1732 (1757) -1%
1.0 1 693 (736) -6% 747 (838) -11%
2 1002 (1130) -11% 1476 (1361) +6%

* EV : Experimental Values, CV : Calculated Values, Dif. : Difference between EV and CV

계산값의 오차 범위를 확인하기 위해 측정된 CO2 농도(EV)를 식 (1)(2)에 의해 계산된 값(CV)와 비교분석하여 그 오차범위를 확인하였다.

Table 2의 0.0 ACH 행은 환기를 하지 않는 경우의 CO2 농도 실험값과 계산값 및 그 오차 범위를 보여준다. 계산값 CV는 실험값 EV와 -6~+5% 정도의 차이를 보이고 있다.

또한, Table 1의 침기량에 기계 환기량을 더하여 식 (2)의 환기량 Q를 산정한 경우, 실험값은 계산값과 -11~+6% 정도의 차이를 보이고 있었다.

실험 결과, R2에서 2인이 2시간 재실하는 경우의 실내 CO2농도는 환기횟수 1.0 ACH에 –11% 오차범위를 감안한 경우에도 1000 ppm을 상회할 것으로 분석되었다. 이에 풍량을 한단계 높인 1.5 ACH 케이스를 수계산에 추가하여 재분석을 수행하였다.

Figure 4는 R2와 R3에서 성인남자 1~2명/ 환기횟수 0.0 ACH~1.0 ACH / 문을 닫은 상태 / 1시간 혹은 2시간 재실시 예측되는 CO2 농도를 분석한 그래프이다.

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Figure 4.

Calculated CO2 levels and error range analysis of the rooms according to the experimental conditions

이 값은 실험을 통해 산정된 침기율 값과 수식 (2)에 의해 계산되었으며 Table 2의 실험값과의 비교에 의한 오차범위인 –11% ~ +6%를 그래프에 포함하여 실제 현장에서의 CO2 농도 범위를 예상할 수 있게 하였다.

Figure 4의 분석 결과는 아래와 같다.

⦁ 실험 공간에서 환기를 하지 않는 경우 CO2 농도는, 2인이 1시간 거주시 1000 ppm을 넘을 것으로 분석되었고, 2인이 2시간 거주할 때는 2000 ppm을 넘을 것으로 분석되었다.

⦁ 실험 공간에서 법정 환기횟수인 0.5 ACH의 환기를 실시할 경우 CO2 농도는, 2인이 2시간 거주시 1000 ppm을 초과할 것으로 분석되었다. 오차범위를 –11% ~ +6% 반영할 때 R1, R2 각각 1247 ppm~1485 ppm, 1563 ppm~1862 ppm으로 나타났다.

⦁ 실험 공간에서 법정 환기횟수의 2배인 1.0 ACH의 환기를 실시할 경우 CO2 농도는, 2인이 2시간 거주시 역시 1000 ppm을 초과할 것으로 분석되었다. 오차범위를 –11% ~ +6% 반영할 때 R1, R2 각각 1006 ppm~1198 ppm, 1211 ppm~1443 ppm으로 나타났다.

⦁ 0.0~1.0 ACH 실험 조건에서 산출한 오차범위를 적용하여 1.5 ACH 조건에서의 CO2 농도를 유추한 결과, R2에 2인이 2시간 거주하는 조건을 제외하면 모두 1000 ppm 미만을 유지할 것으로 예상되었다. R2에 2인이 2시간 거주하는 경우의 CO2 농도는 오차범위 –11% ~ +6%를 반영할 때 1002 ppm~1193 ppm 정도일 것으로 분석되었다.

법정 최소 기준인 0.5 ACH의 환기로는 R1, R2 모두 2인이 1시간만 머물러도 CO2 농도 1000 ppm을 초과할 것으로 분석되었다. 특히 R2는 1인이 2시간을 거주한 경우도 CO2 농도 1000 ppm을 초과했으며 이는 평일에 비해 거주시간이 길어지는 휴일의 경우 0.5 ACH를 초과하는 환기가 필요할 수 있음을 보여준다.

또한, 1.0 ACH와 1.5 ACH로 환기를 실시해도 CO2 농도 1000 ppm을 초과하는 경우가 있었는데, 전 실을 동일한 환기횟수로 환기하는 현재의 시스템으로는 실별로 달라질 수 있는 공기질에 대응하기 어려울 것으로 분석된다.

결 론

본 연구에서는 85 ㎡ 공동주택 유닛에서의 거주자 재실 조건을 검토하고 재실 조건별로 기계 환기을 통한 실내공기질 개선 효과에 대해 CO2를 중심으로 검토해보았다. 이를 위해 실험으로 측정한 침기율을 조합한 수식을 통하여 케이스별 CO2 농도식을 구성하고 이 수식에 의한 값과 실험 값의 오차범위를 분석하였다.

법에서 정한 최소환기인 0.5 ACH의 환기를 수행하는 경우, 실험대상실 모두 2인이 1시간 이상만 머물러도 CO2 농도 1000 ppm을 초과하였는데 이는 평일 스케줄에 따른 실험 결과로 휴일의 경우 0.5 ACH를 상회하는 환기량이 필요할 수 있을 것으로 분석된다.

또한, 침기율이 절반 수준으로 낮고 방 부피가 약 14% 작은 R2의 CO2 농도가 더 높게 올랐으며 1.5 ACH를 초과하는 환기가 가능해야 2인이 2시간 이상 거주하는 경우에도 CO2 농도 1000 ppm 이하를 유지할 수 있을 것으로 분석되었다.

본 실험 결과는 침실 문을 닫은 상태에서 관련 법이 제시하는 수준의 CO2 농도를 유지하기 위해서는 0.5 ACH을 초과하는 풍량이 요구될 수 있음을 보여줌과 동시에 주택의 경우도 실별 환기 제어가 필요함을 보여준다. 하지만 전 세대를 고풍량으로 환기하는 것은 불필요한 에너지의 소비를 유발하기 때문에 에너지절약적 기술에 대한 연구가 필요하다.

최소의 에너지로 최적의 실내 공기 환경을 제공하기 위한 추후 연구로 실별 제어를 활용한 실내공기질 유지 전략을 제시할 예정이다.

Acknowledgements

이 논문은 2021년도 산업통상자원부의 재원으로 수행한 연구과제 결과의 일부임(과제번호: 20009795).

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