Indoor Air Quality Management Methods Considering Airborne Pathogens and Fine Particulate Matters in Elementary School

Seok-Ho Hwang; Chang-Heon Cheong

doi:10.22696/jkiaebs.20220011

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Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 April 2022. 119-131
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20220011

Indoor Air Quality Management Methods Considering Airborne Pathogens and Fine Particulate Matters in Elementary School

초등학교 교실 내 공기전파감염원과 미세먼지 농도를 고려한 실내 공기질 관리 방법 분석

Seok-Ho Hwang¹

Chang-Heon Cheong²^*

황 석호¹

정 창헌²^*

¹Associate Professor, School of Architecture, Kyungnam University, Changwon, Korea

²Associate Professor, School of Architectural Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea

¹경남대학교 건축학부 부교수

²경상국립대학교 건축공학부 부교수

^{*Corresponding Author}

ABSTRACT

This study evaluated the fine particulate matter concentrations and airborne infection risks in the classroom of elementary school due to various environmental and behavioral conditions. Simulation model was established by mass-balance equations and Wells-Riley equation. The indoor air pollutants are CO₂, PM2.5, PM10, SARS-CoV-2. The ventilation system with HEPA filter and air purification system are set to air cleaning devices. In addition, occupants mask types are considered. To remove particulate matters (PM 2.5 and PM 10), ventilation system showed limited effects, and air purification system with HEPA filter can be good solution. Airborne infection risk by SARS-CoV-2 can be reduced by wearing masks and adopting ventilation system and air purification system. Wearing N95 mask showed drastic infection risk reduction. Ventilation system that already installed to classroom also good performance to reduce infection risk. Air purification system also shows marginal infection risk reduction, in current classroom setting.

Keywords

Airborne infection

Wells-Riley equation

Fine particulate matter

Indoor air quality

Elementary school

키워드

공기전파감염

웰스-라일리 수식

미세먼지

실내공기질

초등학교

MAIN

서 론
연구의 목적
연구의 목표 및 범위
이론적 배경
실내공기오염물질의 질량 균형식
Wells-Riley Equation
연구의 방법
분석도구의 구축 및 CO₂ 농도 예측을 통한 검증
평가 케이스
결 과
케이스 별 농도 분석 결과
공기전파감염 확률 분석 결과
논 의
결 론

서 론

연구의 목적

초등학교는 어린이들이 장기간 재실하는 공간으로 실내 공기질이 학생들의 건강에 큰 영향을 미칠 수 있다. 초등학교에서는 이와 같은 실내 공기질 개선을 위하여 학교보건법에서 재실 인원에 따른 필요환기량을 규정하고 있으며, 기계환기와 공기청정기가 적극적으로 적용되고 있다. 한편 최근, 이러한 초등학교 내의 실내공기질에 대한 기존의 관점 이외, 최근에는 에어로졸 또는 공기를 매개로하는 감염원의 확산과 관련된 실내공기질의 관리 방안에 대한 마련의 필요성이 요구되고 있다. 2020년 초 전세계적으로 발생하여 확산된 COVID-19의 경우, WHO는 에어로졸에 의한 공기전파 가능성을 인정하고, 학술적으로도 COVID-19의 공기전파에 대해 대체적으로 인정하는 추세이다(Greenhalgh et al., 2021). 이외에도, 공기를 매개로 하여 전파되는 질병은 결핵, 인플루엔자, 수두 등 다양하며, 이러한 공기전파감염과 관련된 고려가 기존의 이산화탄소 농도에 기반한 실내공기질과 미세먼지와 초미세먼지 문제의 해결과 더블어 초등학교의 시설 설계 및 유지관리에 반영될 필요가 있다.

기존 연구들에서는 공기전파감염원 감염확률에 대한 분석만 하거나 미세먼지에 대한 실내공기질에 대한 평가만을 다루고 있다는 한계가 있다. 본 연구에서는 학교 공간에서의 이산화탄소, 미세먼지, 공기전파감염원의 농도와 관련하여 질량균형식을 활용한 분석방법을 제시하고, 다양한 운영조건에서의 결과를 분석하였다. 특히, 미세먼지와 공기점파감염원은 발생원인의 차이가 있어 환기와 공기정화설비에 있어서 대응이 상이할 수 있다. 이에 본 연구에서는 실내 발생 감염원뿐만 아니라 외부에서 유입되는 미세먼지의 영향을 초등학교 교실의 일반적인 운영 조건에서 분석함으로써 실내공기질 관리의 취약점을 분석하였다. 이를 통해 실내 공기 오염원에 따라서 설비시스템의 대응 방법에 차별화가 있어야 함을 분석하고자 한다. 이러한 연구 결과는 실내 공기질 오염원의 상태에 따른 시설 운영방안을 제시할 수 있는 후속연구로 발전할 수 있기 때문에 기존의 논문과 다른 독창성을 가질 것으로 판단된다.

연구의 목표 및 범위

본 연구에서는 초등학교 실내공기질 관리를 위해 미세먼지와 공기전파감염원의 농도를 분석할 수 있는 분석도구를 구축하고, 이를 활용하여 초등학교 실내 공기질 관리 취약점을 분석하였다. 교실내의 공기전파감염원과 미세먼지 농도를 낮추기 위해 동일한 설비시설(환기, 공기청정)을 활용된다. 하지만 공기전파감염원은 실내에서 발생하여 가능한 외부로 배출되어야 하고 미세먼지는 주로 외부에서 유입되어 외부 공기의 유입을 차단하거나 유입단계에서 필터를 통해 제거하는 것이 효과적인 저감 방법이 된다. 따라서, 본 연구에서는 이러한 실내 공기 오염물질 종류별(이산화탄소, 미세먼지, 공기전파감염원) 농도변화와 이에 대한 실내 설비 시스템의 영향을 평가할 수 있도록 분석도구를 구축하였다. 본 연구에서 사용한 분석 도구는 기존 연구자료를 참고하여 질량 균형식과 Wells-Riley Equation을 활용하여 구축하였다. 이를 이용하여 초등학교의 일반적인 운영조건에서 초등학교 교실 내의 실내공기질 감염원 농도 변화와 미세먼지 농도변화를 분석하였다. 분석도구에 활용된 질량균형식은 이산화탄소, 미세먼지, 공기전파 감염원을 고려하였다. 이산화탄소 농도는 초등학교의 실내 이산화탄소 농도를 모니터링한 기존 연구의 결과를 모사하여, 실내의 환기량 과 침기량을 추정하는 도구로써 활용하였다. 전체 연구 내용 및 범위는 아래와 같다.

① 질량균형식을 바탕으로 한 분석도구 구축

② 초등학교 교사의 일반적 운영 조건에서 미세먼지와 공기전파감염원 농도 분석

③ 초등학교 교사의 실내공기질 관리 취약점 분석 및 도출

이론적 배경

실내공기오염물질의 질량 균형식

실내 공기오염물질의 농도는 실내 오염물질 발생량, 외부로 부터의 유입량 및 환기나 필터 등의 기법에 의해 제거되는 양을 고려하여 결정할 수 있다. 이는 미분방정식의 형태로 표현할 수 있으며, 실내 오염물질의 종류와 무관하게 거의 동일한 형태로 표현 가능하다. 식 (1)은 교실 내 CO₂ 농도를 표현하는 질량 균형식이며, 식 (2)는 미세먼지, 식 (3)은 공기전파감염원의 농도를 각각 표현하는 질량균형식이다(Henriques et al., 2021).

(1)

\frac{d C_{i}}{d t} = \frac{Q}{V} (C_{o} (t) - C_{i} (t)) + \frac{G (t)}{V}

$V$ : volume of target room ( $m^{3}$ )

$C_{i} (t)$ : CO₂ concentration in the target room at time (t) ( $m^{3} / m^{3}$ )

$Q$ : ventilation rate of the target room ( $m^{3} / h$ )

$C_{o} (t)$ : CO₂ concentration of supply air at time (t) ( $m^{3} / m^{3}$ )

$G (t)$ : CO₂ generation in the target room at time (t) ( $m^{3} / m^{3}$ )

미세먼지의 질량균형식(식 (2))의 오른쪽 첫 번째 항은 외부에서 유입되는 미세먼지의 양을 표현하며, 두 번째는 실내에서 발생하는 양이고, 마지막에는 실내에서 제거되는 미세먼지의 양을 의미한다. 외부에서 유입되는 미세먼지는 침기와 환기를 통해 실내로 유입되며, 침기과정에서는 입자의 크기에 따라서 유입경로상에 침착( $P$ )되어 감쇠된 상태로 유입되고, 환기과정에서는 환기필터에 의해 필터효율( $η_{v}$ )만큼 제거되어 유입된다. 실내에서 발생하는 미세먼지( $G_{p} (t)$ )는 조리, 흡연, 연소과정 등의 직적접인 발생원에 의한 것과 재실자의 움직임에 의해 실내에 침착되어 있던 미세먼지가 재부유하는 과정에서 발생하는 것으로 구분할 수 있다. 초등학교 교실에서는 조리, 흡연, 연소과정이 일반적으로 일어나지 않고 재실자의 움직임을 통한 미세먼지의 재부유가 실내 발생원의 주요 원인이다(Son, 2020).

(2)

\frac{d C_{p i}}{d t} = C_{p o} (t) (P λ + (1 - η_{v}) \frac{Q}{V}) + \frac{G_{p} (t)}{V} - C_{i} (t) (λ + \frac{Q}{V} + k + η_{f} \frac{Q_{f}}{V})

$C_{p i} (t)$ : fine particulate matter concentration in the target room at time (t) ( $μ g / m^{3}$ )

$Q_{f}$ : airflow rate through filter of air purifier ( $m^{3} / h$ )

$C_{p o} (t)$ : fine particulate matter concentration of supply air at time (t) ( $μ g / m^{3}$ )

$G_{p} (t)$ : fine particulate matter generation of target room at time (t) ( $μ g / h$ )

$P$ : particle penetration rate (-)

𝜆 : infiltration rate of the target room ( $1 / h$ )

$η_{v}$ : particle removal efficiency of filter at room ventilator (-)

$η_{f}$ : particle removal efficiency of filter at air purifier (-)

$k$ : deposition rate of fine particulate matter at target room ( $1 / h$ )

공기전염감염원 농도의 질량균형식(식 (3))의 오른쪽 첫 번째 항은 감염자에 의해서 발생하여 실내에 유입되는 감염원이며, 두 번째 항은 각각 외부로의 배출(침기와 환기)에 의한 감소( $λ_{A C H}$ ), 중력에 의하여 표면에 침착됨으로써 줄어드는 영향( $λ_{d e p}$ ), 생물학적 반감기에 의한 감소( $λ_{b i o}$ )와 실내에 설치된 감염원 제거 장치(공기청정기, 자외선살균기 등)에 의한 감소율( $λ_{H E P A}$ )을 나타낸다.

(3)

\frac{d C_{q}}{d t} = \frac{I q}{V} - C_{q} (t) (λ_{A C H} + λ_{d e p} + λ_{b i o} + λ_{H E P A})

$I$ : number of infectors

$q$ : quantum generation rate by an infector ( $q u a n t a / h$ )

$C_{q} (t)$ :concentration of airborne quanta of the target room at a specific time (t)( $q u a n t a / m^{3}$ )

$λ_{A C H}$ : airborne quanta removal rate by room ventilation ( $1 / h$ )

$λ_{d e p}$ : airborne quanta removal rate due to gravitational settlement ( $1 / h$ )

$λ_{b i o}$ : airborne quanta removal rate due to biological decay ( $1 / h$ )

$λ_{H E P A}$ : airborne quanta removal rate due to filter at air purifier ( $1 / h$ )

Wells-Riley Equation

공기전파감염원에 의한 감염 확률은 식 (4), (5), (6)의 Wells-Riley equation으로 평가 가능하다(Wells, 1955; Rudnick and Milton, 2003). 식 (4)는 Wells-Riley equation의 일반적인 표현이며, 공간의 오염도에 따른 공기전파감염 위험도를 청정공기의 공급량에 비해 공기 중 감염원 농도가 높아짐에 따라 위험도가 증가하는 것을 모델링한 수식이다. 반면 식 (5)는 Wells-Riley equation을 개선하여 비감염자를 감염시킬 수 있는 체내 침투되는 감염원의 농도를 이용하여 위험도를 평가하는 수식이다. 식 (6)은 실내 공기 중의 공기전파감염원 농도를와 비감염자의 호흡량 및 비감염자가 착용하는 마스크의 효과를 여과효율( $η_{m}$ )를 통해 비감염자가 호흡하는 감염원의 양을 식 (5)에 반영한다.

(4)

P_{I} = \frac{C}{S} = 1 - e^{- \frac{I q p t}{Q}}

$P_{I}$ : airborne infection probability of a susceptible person (%)

$S$ : number of susceptible person

$C$ : number of infection cases

$p$ : breathing rate of a susceptible person ( $m^{3} / h$ )

(5)

P_{I} = \frac{C}{S} = 1 - e^{- q D}

(6)

q D = \int_{t_{1}}^{t_{2}} C_{q} (t) d t \cdot p \cdot (1 - η_{m})

$q D$ : quantum dose inhaled

$t_{1}, t_{2}$ : start and end exposure time ( $h$ )

$η_{m}$ : inward effect of face covering

연구의 방법

분석도구의 구축 및 CO₂ 농도 예측을 통한 검증

본 연구에서 사용된 분석도구는 앞서 언급한 식을 바탕으로 1분 간격으로 분석할 수 있도록 구축하였다. 분석도구는 단일존 조건에서 실내공기가 완전 혼합된 상태로 가정하고, 공간에 유입된 질량과 공간에서 유출된 질량의 변화를 계산하였다. 이 분석도구를 이용하여, 도출된 CO₂ 예측값을 초등학교 교실내 CO₂ 농도 변화를 측정한 기존연구의 실측치(Ahn et al., 2004)와 비교 검증하였다. 분석 대상 교실은 Ahn et al. (2004)의 연구에서 실측한 교실을 대상으로 하였으며, 교실의 재실인원은 교사를 포함하여 30명으로 하였다. 건물의 규모와 침기량 및 환기시스템 용량은 해당 문헌을 바탕으로 설정하였다. 연구 문헌의 실측결과는 그래프의 형태를 통해 추출하였으며, 이에 따른 분당 실측결과와 해석결과를 비교 분석하였다. 해석 조건에서 실의 체적과 침기율은 실측대상과 동일하게 입력하였으며, 실내에서의 CO₂ 발생량은 초⋅중⋅고등학교의 이산화탄소 농도를 실측한 논문을 인용하였다(Choe et al., 2020). 또한, 쉬는 시간과 점심시간의 CO₂ 발생량은 재실인원수의 감소와 쉬는 시간의 활동량 증가를 동시에 고려하여 수업시간의 2/3로 하였고, 침기율은 교실문의 개폐와 학생들의 이동 등의 영향을 고려하여 수업시간의 10배로 가정하였다. 기존연구에서 추출된 CO₂ 실측 데이터와 분석도구를 통해 예측된 CO₂농도는 Figure 1에 도시되어 있다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2022-016-02/N0280160201/images/Figure_KIAEBS_16_2_01_F1.jpg

Figure 1.

Validation result of CO₂ concentration

그리고, 실측치와 해석값을 이용해 NMBE (Normalized Mean Bias Error)와 CVRMSE (Coefficient of Variation of the Root Mean Squared Error)를 산출하였다. 이 때 $p_{a}$ 값은 기존문헌을 참고하여, calibration을 위한 NMBE 산정시에는 0의 값을, CVRMSE 산정시에는 1을 적용하였다(Ruiz and Bandera, 2017). 그 결과 NMBE는 –2.7%, CVRMSE는 13.3%로 나타났다. ASHRAE Guideline 14의 경우 시간당 측정치와 예측치의 NMBE 기준은 ±10%, CVRMSE는 ±30%이다(ASHRAE, 2002). 따라서, 분당 예측치를 이용한 분석모델 검증에 있어서도 충분한 정확성을 획득하였다고 판단된다. CO₂이외의 물질의 실내농도치를 예측함에 있어서도 그 기반이 되는 질량 균형식의 형태는 동일하기 때문에, 미세먼지와 공기전파감염원의 해석에 있어서도 충분히 활용이 가능하다고 판단할 수 있다.

평가 케이스

평가 케이스는 Table 1에, 세부 입력 조건은 Table 2에 제시하였다. 전체 평가 케이스에서 활용한 구체적인 입력 조건은 Table 2와 같다. 실내오염물질 종류별로 총 17개 케이스를 설정하였다. Case 1~2는 이산화탄소 농도기준으로 침기 조건(Case 1)과 환기 실시 조건(Case 2)을 비교하는 조건이다. 이산화탄소는 호흡으로부터 발생하는 것으로 하였으며, 수업 중 착석 조건에서는 240 ml/min을, 쉬는 시간에는 걷는 상태의 400 ml/min으로 하였다. 외기의 이산화탄소 농도는 2019년도의 평균값인 417.9 ppm 으로 하였다.

Table 1.

Simulation cases

Cases	Indoor air pollutants	Major variables	Condition 1	Condition 2	Condition 3
Case 1	CO₂	Ventilation rate	Infiltration only	-	-
Case 2	CO₂	Ventilation rate	Infiltration + Ventilation	-	-
Case 3	PM2.5	Ventilation rate +Ventilator filter efficiency	Infiltration only	-	-
Case 4			Infiltration + Ventilation	MERV11
Case 5				MERV13	-
Case 6				MERV11	Air purifier + HEPA filter
Case 7				MERV13	Air purifier + HEPA filter
Case 8	PM10	Ventilation rate +Ventilator filter efficiency	Infiltration only	-	-
Case 9			Infiltration + Ventilation	MERV11
Case 10				MERV13	-
Case 11				MERV11	Air purifier + HEPA filter
Case 12				MERV13	Air purifier + HEPA filter
Case 13	Airborne pathogen (SARS-CoV-2)	Ventilation rate +Air purifier	Infiltration only	-	-
Case 14			Infiltration + Ventilation	-	-
Case 15			Infiltration +Ventilation +Air purifier	Air purifier (792 CMH/ 99.95%)	-

Table 2.

Input values for the evaluations

Infiltration rate	Class time		0.89	1/h	Room volume : 182.25 m³ (Ahn et al., 2004)
	Rest and lunch		8.9
	After class		1.78
Mechanical Ventilation rate			650	m³/h	21.6 m³/(person⋅h) × 30 person
CO₂	Outdoor		417.9	ppm	Average value in 2019 (Korea)
	Indoor generate rate per student		240	ml/min	Sitting level*
			400		Walking level*
Particle	Outdoor	PM2.5	150	μg/m³	Enforcement Decree of the Clean Air Conservation Act in Korea, Alerts Level
		PM10	300
	Penetration rate ( $P$ )	PM2.5	0.78	-	Ref. (Tran et al., 2017)
		PM10	0.62
	Deposition rate ( $k$ )	PM2.5	0.32	-	Ref. (Tran et al., 2017)
		PM10	0.69
	Generate rate per student	PM2.5	3.16	μg/min	Ref. (Alshitawi and Awbi, 2011)
		PM10	52.96
Particle removal efficiency	Ventilator filter ( $η_{v}$ )		0.70	-	MERV 11
			0.85		MERV 13
	Air purifier filter ( $η_{f}$ )		0.99	-	HEPA filter
Quantum generation rate	Class time		5.7	quanta /h	Rest, oral breathing
	Break and lunch time		490		Light activity, singing (or speaking loudly)
Quantum removal rate	Ventilation ( $λ_{A C H}$ )		0.89	1/h	Infiltration
			4.46		Infiltration and ventilation (650 CMH)
	Gravitational settlement ( $λ_{d e p}$ )		0.45	1/h	Airborne particle 2.5 μm** (Henriques et al, 2021)
	Biological decay ( $λ_{b i o}$ )		0.63	1/h	Mid/high humidity regime, half life of 1.1**
	Particulate filtration ( $λ_{H E P A}$ )		4.35	1/h	Air purifier flow rate 792 CMH (99.95%)
Breathing rate	Light activity		0.95	m³/h	Light define as walking (1.5~3.0 mph)*
	Sedentary activity		0.47		Sedentary define as sitting and standing*
Deposition in respiratory tract ( $f_{d e p}$ )			0.6	-	Ref. (Henriques et al, 2021)
Mask inward efficiency ( $η_{m}$ )	No mask		0
	Surgical mask		0.5	-
	N95/FFP2		0.87		consider 8% inward leakage

*:Ref. (Catholic University of Daegu, 2013)

**:Ref. (Henriques et al, 2021)

Case 3~7은 PM2.5의 농도조건을 분석하는 케이스이며, 침기 조건(Case 3), 미세먼지 제거 가능한 필터를 적용한 환기장치를 가동하는 조건(Case 4: MERV 11, Case 5 MERV 13 적용), 미세먼지 제거 가능한 필터가 적용된 환기장치와 HEPA 필터가 적용된 공기청정기를 가동하는 조건(Case 6~7)을 고려하였다. Case 8~12는, Case 3~7과 동일한 조건에서 오염원 종류만 PM2.5에서 PM10으로 변경한 케이스이다. 내부 미세먼지 발생량은 PM2.5의 경우 3.16 μg/min, PM10의 경우 52.96 μg/min으로 하였다(Alshitawi and Awbi, 2011). 외기의 미세먼지 농도는 경보발령 조건¹⁾으로 설정했으며, 이 때 PM2.5는 150 μg/m³ , PM10 농도는 300 μg/m³ 이다. 환기장치에 설치된 필터 성능은 MERV11의 경우 70%를, MERV13은 85%로 하였다. 공기청정기에 적용된 HEPA 필터의 미세먼지 제거성능은 99%로 가정하였다.

Case 13~15는 공기전파감염원 농도를 분석대상으로 하며, 감염자 1명이 재실하는 조건이며, 일반적인 초등학교 정규수업시간을 고려하여 6시간 노출 조건에서 공기전파감염확률을 산정하였다. 또한, 실내 공기전파감염원의 확산방지를 위한 시설 기준을 수립하기 위해서는 실내 감염원 농도 조건의 허용농도를 결정해야 한다. 그러나 이러한 내용은 기존 연구문헌에서 찾기 어려웠으며, 본 연구에서는 교실 내 재실인원을 30명으로 가정하였을 때 1명 미만이 감염되는 확률(3% 이하)을 유지하는 것을 목표로 하였다. 또한, 비감염자의 감염확률을 분석하기 위하여 비감염자만 마스크를 착용하고, 감염자는 마스크를 착용하지 않은 조건으로 해석하였다. 이 때 환기를 실시하지 않고 침기만을 가정한 상태(Case 13), 법정 환기량의 환기장치를 가동한 조건(Case 14), 환기장치와 공기청정기(792 CMH, 99.95%)를 적용한 조건(Case 15)을 고려하였다. 공기전파 감염원은 SARS-CoV-2이다. 이 때, 수업 중 학생들의 SARS-CoV-2 배출량은 5.7 quanta/hr, 쉬는 시간의 학생들의 SARS-CoV-2 배출량은 490 quanta/hr로 하였다. 이는 SARS-CoV-2의 배출량에 대한 최근 연구에서 제시하는 쉬고 있는 상태에서 대화하는 조건의 값의 95퍼센트 상위값인 5.7 quanta/hr과 경작업(노래하거나 시끄럽게 대화) 조건의 상위 95퍼센트 값인 490 quanta/hr을 반영한 것이다(Buonanno et al., 2020). 그리고 Case 15~17의 실내 SARS-CoV-2농도를 이용하여 비감염자 마스크 착용 조건에 따른 공기전파감염확률을 평가하였으며, 이 때 마스크의 효율은 수술용 마스크는 50%, N95는 87%로 가정하였다.

결 과

케이스 별 농도 분석 결과

Figure 2는 주어진 조건에서 이산화탄소 농도에 대한 분석한 Case 1~2의 분석 결과를 도시하고 있다. 전반적으로 학생들이 재실하는 수업시간 중에는 이산화탄소 농도가 증가하고, 문이 개방되어 자연환기량이 증가하는 쉬는 시간에는 감소하는 패턴을 보인다.

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Figure 2.

CO₂ concentration (Case 1~2)

환기장치를 가동하지 않는 침기량 조건에서는 학교보건법 시행규칙 상 이산화탄소 기준농도인 1,000 ppm을 초과하는 것으로 나타났으나, 법정 기준의 환기를 수행하였을 때에는 기준치 이하의 이산화탄소 농도로 유지됨을 확인할 수 있었다.

Figure 3은 실내의 PM2.5 농도분석결과를, Figure 4는 PM10 농도분석결과를 보여준다. 두 그림에서의 전반적인 경향은 유사하며, 환기장치를 통하지 않는 개문을 통한 침기량이 증가하는 쉬는 시간과 점심시간에 미세먼지 농도가 증가하는 양상을 확인할 수 있다. 수업시간 중에는 침기량보다 환기량이 많아 환기장치에 의해 미세먼지가 제거됨으로써 미세먼지 농도가 지속적으로 감소하며, 환기장치에 MERV 11, MERV13 필터를 적용할 경우 외부로 부터의 미세먼지 유입을 차단하여 실내미세먼지 농도가 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 외기미세먼지 농도가 경보수준에 도달하는 조건에서 환기장치 가동만으로는 실내 미세먼지 농도를 기준치 이하로 낮추기는 어려웠으며(Case 5-6, Case 11-12), HEPA 필터를 적용한 공기청정기를 가동하였을 때(Case 7-8, Case 13-14), 수업기간 동안 실내 기준치를 충족하는 것으로 확인되었다.

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Figure 3.

PM2.5 concentration (Case 3~7)

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Figure 4.

PM10 concentration (Case 8~12)

Figure 5는 실내 공기전파감염원(SARS-CoV-2)의 농도를 보여주고 있으며, 이 경우, SARS-CoV-2는 실내에서만 발생하기 때문에, 환기를 시행함에 따라 실내 농도는 지속적으로 감소한다. 그러나, 쉬는 시간 동안 감염자의 활동량 증가로 SARS-CoV-2 배출량이 5.7 quanta/hr에서 490 quanta/hr 급격히 증가함에 따라 실내 농도 역시 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 비록 쉬는 시간 동안 교실 환기량이 개문에 의해 수업시간 동안 환기량의 10배로 증가하였지만, 이 시간 동안 SARS-CoV-2 배출량도 약 86배 더 많이 증가했기 때문이다. 이러한 결과치는 실내 공기전파감염확률은 감염자의 활동량에 따른 바이러스 배출량 변화에 따라 매우 민감하게 변화할 수 있다는 예측을 가능하게 한다.

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Figure 5.

Airborne pathogen concentration (Case 13~15)

공기전파감염 확률 분석 결과

Table 3은 Case 13~15의 실내 SARS-CoV-2 농도결과를 바탕으로 비감염자의 마스크 착용조건에 따른 공기전파감염확률을 분석한 결과이다. 초등학교 내 6시간 노출을 가정한 것이며, 다양한 환경적 조건하에서 마스크 착용 조건에 따른 공기전파감염확률을 산정하였다. 앞서 언급한 바와 같이 수업시간과 쉬는 시간의 행동적 패턴도 반영되어 있다.

Table 3.

Evaluated infection risk (Scale: %)

Exposed time (h)	Infiltration only			Infiltration and Ventilation			Infiltration and Ventilation with Air purifier
Exposed time (h)	No mask	Surgical mask	N95	No mask	Surgical mask	N95	No mask	Surgical mask	N95
1	8.60	4.39	1.16	5.28	2.68	0.70	3.92	1.98	0.52
2	16.2	8.48	2.28	9.51	4.87	1.29	6.76	3.44	0.91
3	22.9	12.2	3.33	13.0	6.74	1.80	9.07	4.64	1.23
4	27.5	14.8	4.09	15.8	8.21	2.20	11.1	5.70	1.51
5	33.4	18.4	5.14	19.9	10.5	2.85	14.4	7.46	2.00
6	38.9	21.8	6.20	23.5	12.5	3.41	16.8	8.80	2.37

침기만을 가정한 경우 마스크 미착용 시 38.9%의 매우 높은 공기전파감염확률을 보였으며, 수술용 마스크 착용 시 21.8%, N95 마스크 착용 시 6.20%로 감염확률이 낮아졌다.

특별한 환경적 조절이 없이 N98마스크만을 착용하는 경우에도 공기전파 감염확률이 6.20%로, 마스크 미착용 대비 84%까지 감소하는 것이 주목할 만하다. 이는 완전확산농도를 가정한 것으로, 실제 상황에서는 감염자에 인접한 학생의 감염확률은 더 높아 질 수 있다. 침기와 환기를 동시에 수행한 환경 조건에서 감염 확률은 마스크 미착용 시 23.5%, 수술용 마스크 착용 시 12.5%, N95 착용시 3.41%로 낮아졌다. 침기와 환기 및 공기청정기를 동시 적용한 경우에는 마스크 미착용 시 16.8%, 수술용 마스크 착용 시 8.80%, N95 착용 시 2.37%이다.

논 의

본 연구에서는 현재 초등학교의 환기설비 운전조건을 바탕으로, 실내공기오염원의 농도를 예측·분석하고, 이를 바탕으로 초등학교 실내공기질 관리 측면에서 유의해야할 항목들을 도출하고자 하였다.

가장 먼저 이산화탄소의 경우, 법정 수준의 환기장치 실시만으로도 기준치 이하의 농도를 유지할 수 있는 것으로 나타났다.

미세먼지의 경우 실내 발생량과 경보발령조건의 외기 농도 조건을 고려하였으며, 이 경우, 환기장치 필터 성능이 MERV11, MERV13 조건인 경우에도 실내 PM2.5, PM10 모두 기준치를 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 외기 미세먼지 농도가 매우 높은 경보발령 조건에서는 HEPA필터를 적용한 공기청정장치를 가동하는 것이 필요하다는 결과를 도출할 수 있었다.

SARS-CoV-2에 의한 공기전파 감염확률의 경우, 침기와 환기 그리고 공기청정기를 모두 적용하고 N95마스크를 착용한 경우 2.37%의 감염확률로 목표한 공기전파감염확률인 3%이하 값을 보였다. 그러나, 침기와 환기만을 적용하고 N95마스크를 착용한 경우에도 3.41%의 감염확률을 보여 공기청정기를 적용한 상황과 큰 차이를 보이지 않았다. 즉, N95 마스크를 착용한 조건에서는 환기장치를 적절히 가동한 조건에서도 목표한 감염확률과 근소한 효과를 달성할 수 있는 것으로 판단된다. 한편, 학생들이 N95 마스크는 착용이 불편해서, 일반 수술용 마스크를 착용한다고 가정하였을 때, 침기와 환기만 작용하는 조건에서 6시간 노출 시 감염 확률은 12.5%, 침기와 환기, 공기청정기를 모두 가동한 조건에서는 8.80%로 나타났다. 즉, 수술용 마스크를 적용한 경우 공기청정기 적용에 따라 공기전파감염확률은 3.7% 감소했다. 공기전파감염확률 도구별로는 마스크 착용이 가장 큰 감염확률 감소효과를 보였다.

실내공기전파감염원인 SARS-CoV-2 의 경우 실내에서만 발생원이 존재하기 때문에, 침기와 환기 모두 실내 SARS-CoV-2 농도 저감에 도움이 되었으나, 침기의 경우 누출되는 SARS-CoV-2 의 경로를 특정할 수 없기 때문에, 환기장치를 통한 SARS-CoV-2 농도 저감이 바람직한 것으로 나타났다. 또한, 완전확산농도를 가정한 본 연구의 결과에서 바이러스 제거율 99.95%의 성능을 가진 792 CMH 용량의 공기청정기(실체적 182.25 m³)를 적용하여 추가적인 실내 SARS-CoV-2 농도 감소를 유도할 수 있었다.

이산화탄소와 SARS-CoV-2는 실내에서 주로 발생하는 물질로, 실내의 발생량을 줄이거나(Source control)과 환기(Ventilation)가 주된 대응방안으로 나타났다. 이산화탄소는 실내 발생량을 조절하기 힘들기 때문에 환기를 통하여 그 농도를 낮출 수 있으며, 학교의 법정 환기량은 이산화탄소 농도를 기반으로 구축되었기 때문에 별도의 추가적인 대응 없이 환기 만으로 충분히 이산화탄소의 농도를 관리할 수 있는 것으로 나타났다. 반면, SARS-CoV-2 는 실내 발생량의 불확실성이 존재하기 때문에 배출되는 바이러스량을 줄이는 마스크 착용과 환기 장치의 가동이 주요한 대응 방안으로 나타났다. 재채기 등을 통한 비말의 다량 배출과 호흡을 통해 배출되는 SARS-CoV-2의 감소를 위해 판데믹(Pandemic) 상황에서 마스크 착용은 필수적이다. 따라서 마스크 착용을 통해 실내 공기로 유입되는 SARS-CoV-2의 양을 줄이고(Source control), 기존에 설치된 환기장치를 가동한다면, 공기청정기 적용(Air purification)의 효과는 상대적으로 낮아질 수 밖에 없는 것으로 판단된다. 반면 미세먼지는 실내 발생과 외부 유입이 모두 주요한 발생 원인이다. 따라서, 외부로부터 유입되는 미세먼지를 제거하기 위한 환기장치 필터의 적용과, 내부 발생 미세먼지와 침기를 통해 유입되는 미세먼지의 제거를 위해 공기청정기의 적용이 필요하다고 판단된다.

결과적으로, 연구결과에 따르면, 미세먼지 제거 측면에서 공기청정기는 그 효용성이 있으나, 마스크 착용 시 공기청정기 추가 설치에 따른 효용 증가는 다소 적은 편으로 나타났다. 한편, 공기 청정기의 경우, 신선외기를 도입할 수 없다는 점, 공기청정기의 흡입구 주변의 공기전파감염원 농도가 높아진다는 점 그리고 공기청정기의 효율과 흡입구, 토출구의 형태, 설치위치 등이 실내 감염원 제거 효과에 영향을 미친다는 점이 추후 적용 시 고려되어야 한다.

결 론

본 연구의 결론은 다음과 같이 요약될 수 있다.

(1)초등학교 교사 내 이산화탄소 농도는 법정 수준의 환기장치 적용으로도 기준치 이하의 농도를 유지할 수 있는 것으로 확인되었다. 향후, 사회적 학생 수 감소를 고려하면, 기존 법규 수준으로 설치된 환기장치의 용량증가 없이 지속적으로 활용가능할 것으로 판단된다.

(2)실내 PM2.5와 PM10 농도는 MERV11과 MERV13 수준의 필터를 적용한 환기장치의 적용을 통해 감소하지만, 외기 미세먼지 농도가 경보발생수준에 이르는 경우 실내 기준치를 초과하였다. 그러나, HEPA필터 성능을 갖춘 공기청정기의 적용을 통해 기준치 이하의 농도로 낮출 수 있어 미세먼지 관리를 위해 공기청정기의 적용이 필요한 것으로 나타났다.

(3)공기전파감염원 관리 측면에서 환기와 공기청정기 적용을 통해 SARS-CoV-2에 의한 공기전파감염확률을 낮출 수 있는 것으로 나타났다. 그러나, 이산화탄소 농도를 기준으로한 법정 수준의 환기와 수술용 마스크 및 N95 수준의 마스크를 착용을 통해, 공기전파감염확률을 상당부분 줄일 수 있었다. 그리고, 추가적인 공기청정기 적용을 통하여 얻게 되는 추가적 공기전파감염확률 감소효과는 크지 않았다. 따라서 공기전파감염원의 관리측면에서 공기청정기의 적용은 보조적으로 고려될 수 있으며, 사전에 그 적용방법을 명확히 해야할 것이다.

(4)쉬는 시간 동안 재실자의 개문을 통해 환기장치를 통하지 않은 외기 유입과, 이에 따른 실내 미세먼지 농도의 증가가 나타난다. 또한, 학생들의 활동량 증가로 인한 공기전파감염원의 농도증가가 발생할 수 있었다. 특히, 쉬는 시간 동안 개문에 의한 환기량 증가보다, 활동량 증가에 의한 바이러스 배출량 증가가 공기전파 감염확률에 더 큰 영향을 줄 가능성이 있었다.

Acknowledgements

이 논문은 2020년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2020R1I1A3052573).

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각주

[3] 대기환경보전법 시행규직 제14조 별표7 [시행 2021. 7. 14.] [환경부령 제922호, 2021. 6. 30., 일부개정]

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems ISSN:1976-6483(Print) 2586-0666(Online) 한국건축친환경설비학회논문집

Preview

Indoor Air Quality Management Methods Considering Airborne Pathogens and Fine Particulate Matters in Elementary School

ABSTRACT

MAIN

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Figure 1.

Validation result of CO2 concentration

Table 1.

Simulation cases

Table 2.

Input values for the evaluations

Figure 2.

CO2 concentration (Case 1~2)

Figure 3.

PM2.5 concentration (Case 3~7)

Figure 4.

PM10 concentration (Case 8~12)

Figure 5.

Airborne pathogen concentration (Case 13~15)

Table 3.

Evaluated infection risk (Scale: %)

Acknowledgements

References

각주

Validation result of CO₂ concentration

CO₂ concentration (Case 1~2)