Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 June 2024. 211-225
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20240018

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 건물 개요 및 실험 방안

  • 측정장비 및 방법

  • 대상 패시브하우스의 에너지 성능 분석

  • 실내공기질 측정 결과 및 평가

  •   상용센서를 이용한 목조 패시브하우스의 실내공기질 실측 및 비교

  •   공기포집 방법을 이용한 목조 패시브하우스의 실내공기질 실측 및 비교

  •   대상 패시브하우스의 VOCs

  • 결 론

서 론

건물은 전 세계 연간 에너지 소비량의 약 40%를 차지하고 있다(Liu et al., 2010). 1970년대에 발생한 에너지 위기로 인해 건물에너지 절약의 중요성이 대두되면서 전 세계적으로 에너지 손실을 최소화하기 위해 건물의 기밀성과 단열성을 높이는 방향으로 나아가고 있다. 에너지 절약을 위해 외기의 도입량이 감소함에 따라 신선한 공기의 순환이 감소하고, 건축자재와 장식재 등에 쓰이는 합성재료와 화학물질의 사용량이 증가하면서 실내공기질이 저하되고 있다(Shrimandilkar, 2013). 세계보건기구(World Health Organization; WHO)에 따르면, 대기오염에 의한 사망자 수는 연간 최대 600만 명에 육박하며 실내공기 오염에 의한 사망자는 2023년 기준 280만명에 이르는 것으로 보고되었다. 또한, 실내 오염물질이 실외 오염물질보다 폐에 전달될 확률이 약 천 배 높다고 추정하였다. 실내공기 오염에 포함된 입자상 물질과 기타 오염물질은 기도와 폐에 염증을 일으키고 면역 반응을 손상시키며 혈액의 산소 운반 능력을 감소시킨다(WHO, 2023). 통계청 자료에 따르면 현대인은 하루의 약 80~90% 이상을 실내에서 보내는 것으로 보고되었다. 추가적으로, 외부 미세먼지 농도의 증가 및 COVID-19의 영향으로 실내에서 보내는 시간이 길어지면서 실내공기질의 중요성이 점점 부각되고 있다. Figure 1은 앞서 언급한 실내공기오염의 원인을 크게 세 가지로 분류하여 보여준다.

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Figure 1.

Indoor air pollution sources

실내공기질에 대한 관심이 커짐에 따라 주택 및 다중이용시설의 실내공기질의 개선에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. Choi et al. (2023a)은 현재 시행되고 있는 다중이용시설의 실내공기질 제도를 조사하여 제도의 실효성을 살펴보고 실내공기질 개선을 위한 실시간 모니터링과 용도별 특성을 고려한 세부적인 관리의 필요성을 제시하고 있다. Kim et al. (2020)은 페놀폼 단열재의 폼알데하이드(Formaldehyde; HCHO) 방출 및 실내공기질에 미치는 영향을 실증주택을 이용하여 시험 및 분석하였다. 실내공기질 평가 요소는 온도 및 습도를 포함하여 휘발성유기화합물(Volatile organic compounds; VOCs), 미세먼지(Particulate Matter; PM), HCHO, 이산화탄소(Carbon dioxide; CO2), 일산화탄소(Carbon oxide; CO) 등이 있다. 그중에서도 VOCs는 실내공기질에 영향을 끼치는 주요 요인으로 간주되는데, 일반적인 실내공기질 기준에서는 총휘발성유기화합물(Total VOCs; TVOC)로 평가된다. TVOC는 5VOC, 천연휘발성유기화합물(Natural VOCs; NVOC), 기타 VOC로 이루어져 있다. 5VOC는 인체에 유해한 영향을 미칠 수 있는 다섯 가지 대표적인 VOCs로 Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylene, Styrene이 포함된다. NVOC는 식물이 방산하는 휘발성물질인 피톤치드(Phytoncide)와 같이 각종 병균, 해충 및 곰팡이로부터 식물을 보호하기 위해 뿜어져나오는 방향성물질이다. 피톤치드는 인체의 유해균을 선택적으로 살균하여 혈액을 맑게 하며, 두뇌건강 증진, 스트레스 감소를 돕는 등 인체에 긍정적인 영향을 미친다(Min and Kim, 2019). 이와 같은 NVOC는 테르펜과 같은 화합물로 이루어져 있으며 식물로부터 대기 중으로 방산된다(Park et al., 2021). 주요 NVOC 물질로 α-pinene, Limonene, Cymene, 3-Carene, Eucalyptol, β-pinene 등이 있으며, α-pinene은 대기 중에서 가장 많은 비율을 차지하는 테르펜이다. α-pinene과 β-pinene은 식물에서 발견되는 유기 화합물인 모노테르펜이다(Bierkandt et al., 2021). α-pinene과 β-pinene은 항균, 항암, 항염, 항알레르기, 항불안, 진통, 피로회복, 기억력 향상 등의 효과가 인정되었다(Salehi et al., 2019). Limonene은 섭취 후 위장관에서 빠르게 흡수되며 항암 효과가 있는 것으로 보고되었다(Vieira et al., 2018).

최근, 탄소중립 및 그린뉴딜 정책에 따라 목조 건축과 목질화 리모델링에 대한 수요가 증가하고 있는 것으로 보고되고 있다(Shin and Kim, 2024). Figure 2는 탄소중립과 관련하여 목조 건축의 시공 건수가 매년 증가하고 있는 것을 보여준다. 다만, 목재로 지어진 목구조 주택의 경우나 근방이 산림으로 이뤄진 지역에서는 NVOC가 높게 측정이 될 수 있다(Park et al., 2011; Choi et al., 2023b). NVOC의 경우에는 TVOC에 포함되는데, 실내공간에서 NVOC 농도가 높고 5VOC를 포함한 다른 VOCs의 농도가 낮은 경우에도 TVOC 농도가 높게 측정되는 경우가 발생할 수 있다. 저에너지 건물의 경우, 기밀하게 시공되는 것이 요소기술로써 중요하게 다뤄지고 있으며, 실내공기질의 중요성이 갈수록 중요해지고 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 하지만 현재 패시브하우스와 같은 저에너지 주택이 갖는 고기밀의 특징이 실내공기질에 어떠한 영향을 미치는지에 관한 연구는 미미한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 고기밀의 조건을 갖춘 목조 패시브하우스의 에너지 성능을 평가하고, 실내공기질을 실측 및 분석하고자 한다. 또한, 상용센서를 기반으로 목조 주택, 일반 주택, 다중이용시설 등과 목조 패시브하우스의 실내공기질을 상호비교하였으며, VOCs와 관련한 실내공기질을 심층 분석하였다.

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Figure 2.

Changes in wood supply and demand and wooden house construction starts due to carbon neutrality (Left: Korea Forest Service, 2016. Right: MOLIT, 2018)

건물 개요 및 실험 방안

본 연구는 성남시에 위치한 패시브하우스를 대상으로 진행하였다. Figure 3은 대상 건축물의 전경과 공간의 구성을 보여준다. 대상 건축물은 한국패시브건축협회에서 인증한 건물로써, 지상 3층 규모로 1층 철근콘크리트, 2~3층 경골목구조로 이루어져 있다. 또한, 환기장치로 Zehnder-ComfoAir350을 사용하였으며, 환기율 0.503 h-1, 창문 환기율 1.133 h-1, 기밀성능 0.54 h-1의 성능을 가진다. 평균 풍속은 1.1 m/s이며, 환기설계풍량은 최대 284 m3/h, 표준 219 m3/h, 최소 153 m3/h으로 설계되었다. 환기장치효율(난방효율)은 84%이며, 난방에너지 요구량은 22.49 kWh/m2·a으로 2.2 L 패시브하우스인 것으로 평가된다. 따라서 이 건물을 대상으로 저에너지 주택의 실내공기질을 분석하는 것은 적합하다고 판단하였다.

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Figure 3.

Panoramic view and floor plan of the target passive house

Figure 4는 본 연구의 전반적인 흐름도를 나타내며, 연구의 각 단계가 어떻게 연결되고 진행되는지를 보여준다. 본 연구에서 측정한 값을 비교하기 위한 대조군으로써 타 연구의 사례를 분석하였으며, 타 연구에서 실내공기질을 측정한 각 건물의 실험방안은 다음과 같다. 신축목조주택은 현장직독식(또는 자동기록) 측정기기를 사용하여 거실에서 거주자의 생활을 수용한 상태로 수치를 측정하였다(Choi et al., 2015). 기숙사의 경우 현장측정은 방의 중앙부에 측정기기를 설치하여 30분 간격으로 자동 기록하였다(Choi and Kim, 2010). 다중이용시설은 실내공기질 공정시험방법에 따라 주변시설에 의한 영향과 측정 장애가 없고, 대상 시설의 오염도를 대표할 수 있는 2개 지점을 선정하여 내벽 및 천정에서 1 m 이상 이격시키고 바닥 면으로부터 1.2~1.5 m의 높이에서 측정하였다(Lee et al., 2010). 신축 소규모 주택의 경우, 측정 당시 모든 주택은 입주 전의 상황을 고려하였으며 환기설비로써 화장실에 80-90 (㎥/h)의 풍량을 갖는 환기팬이 설치되어 있었다. TVOC는 거실 중앙에서 바닥으로부터 1.5 m의 높이에서 공기포집에 의한 방식으로 측정되었다(Park et al., 2019a). 도서관의 경우에는 흡입성 먼지 채취기 등 다양한 측정도구를 사용하여 유해인자를 측정하였다. 미세먼지(PM10) 농도는 외기 미세먼지 농도가 높은 날과 보통인 날 각각 측정하여 실외 미세먼지가 내부 열람실 미세먼지 농도에 미치는 영향을 평가하였다(Lee, 2019). 기밀성능 시험을 진행한 학교는 실링(Sealing) 작업으로 강의실 내 개구부를 인위적으로 밀봉하여 동일 실에 서로 다른 기밀 상태를 구현하였다. 이후, 실링 작업 전/후 강의실의 기밀성능을 측정하고 밀봉 상태를 유지하여 실내 이산화탄소 농도를 측정하는 방식으로 실내공기질을 평가하였다(Park et al., 2019b). 이처럼 본 연구에서 비교하고자 하는 연구들은 각각 대상 건물 및 측정조건이 다르기 때문에 이로 인한 오차가 있을 수 있다는 한계가 있음을 밝힌다. 본론으로 돌아가 본 연구는 대상 패시브하우스의 전반적인 에너지 성능 수준을 평가한 후, 기존에 연구된 주택·다중이용시설·교육시설 등의 실내공기질 현황과 패시브하우스의 실내공기질 실측값을 비교 및 분석하고자 한다. 이에 대한 자세한 수치는 3장에서 다루고자 한다.

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Figure 4.

Research flow chart

측정장비 및 방법

실내공기질 측정은 휴대용 입자/먼지 모니터 TEMPTOP M2000와 SKT-9300를 사용하여 온습도, CO2, PM, HCHO 농도를 측정하였다. TVOC의 경우에는 2가지 방법을 통해 측정하였다. 첫 번째 방법은 상용 센서를 활용하여 측정하는 방법이다. TEMPTOP M2000에서 물질의 측정범위는 PM의 경우 0-999 ㎍/m3이며, CO2의 경우 0-5000 ppm, 온도는 0-50℃, 습도는 0-99.9%RH이다. 정확도와 관련하여 PM2.5는 ±10 ㎍/m3(0-100 ㎍/m3), ±10%(>100 ㎍/m3), PM10은 ±15 ㎍/m3(0-100 ㎍/m3), ±15%(>100 ㎍/m3), CO2는 ±50 ppm +5% reading(400-5000 ppm), 온도는 ±1℃, 습도는 ±5%RH의 정확도를 갖는다. SKT-9300의 측정범위는 0.01-100 ppm이며, ±2~3%의 정확도를 가진다. 두 번째 방법은 실내 및 건축자재에서 방출되는 VOCs를 측정하는 방법으로 고체흡착관을 통해 VOCs를 흡착하고 기체크로마토그래프(GC/MS)를 활용하여 분석하는 방법이다. 흡착제의 열적 안정성을 고려하여 Tenax-TA와 Carbotrap 2B를 조합한 Stainless Steel 소재의 튜브(MarkersTM, USA)를 바닥면으로부터 1.5 m 높이에 설치해 흡착관으로 사용하였다. 측정은 일정한 유속(0.1 L/min)으로 30분/1회씩 3 L의 패시브하우스 거실의 공기를 채취한 후 열탈착장치(TDS2, Agilent, USA)가 연결된 가스크로마토그래프/질량분석기(GC-6890N, MSD-5975, Agilent, USA)를 통해 구분하였으며, 이후 각 유기화합물의 구성 및 농도를 분석하였다. Table 1은 실내공기질 계측 센서 관련 정보를 제공한다.

Table 1.

Indoor air quality measurement device

Measuring instrument Measurement Measuring Range Precision
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M2000
PM 0-999 ㎍/m3 PM2.5 : ±10 ㎍/m3
(0-100 ㎍/m3)
±10%
(>100 ㎍/m3)
PM10 : ±15 ㎍/m3
(0-100 ㎍/m3)
±15%
(>100 ㎍/m3)
CO2 0-5,000 ppm ±50 ppm + 5% reading (400-5000 ppm)
HCHO 0-2 mg/m3 ±0.03 mg/m3 (0-0.3 mg/m3) ±10%
(>0.3 mg/m3)
Temperature 0-50℃ ±1℃
Humidity 0-99.9%RH ±5%RH
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https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2024-018-03/N0280180304/images/Figure_KIAEBS_18_3_04_T1-3.jpg Tenax-TA VOCs C6~C29 -

대상 패시브하우스의 에너지 성능 분석

패시브하우스의 에너지 성능은 Energy# 2016 v1.1을 통해 분석되었다. Energy#은 ISO 13790을 기반하며, 중소형 건축물 해석에 적합한 단일 존(Zone) 기반의 해석이 가능한 건물에너지 시뮬레이션 프로그램이다. 에너지 요구량, 냉·난방부하, 1차 에너지 소요량을 중점으로 에너지 성능 평가를 진행하였다. 에너지 성능과 관련된 연구결과로써, 대상 패시브하우스의 난방에너지 요구량은 22.18 kWh/m², 냉방에너지 요구량은 22.41 kWh/m², 난방부하는 18.3 W/m², 냉방부하는 13.8 W/m², 1차 에너지 소요량은 85 kWh/m²로 나타났다. 또한, 1차 에너지 소요량은 85 kWh/m2, 창호 전체 열관류율은 0.971 W/m2K, 현관문 열관류율은 0.987 W/m2K, 외벽 열관류율은 0.167 W/m2K, 지붕 열관류율은 0.13 W/m2K, 바닥 열관류율은 0.179 W/m2K로 친환경주택 설계기준을 만족하고 있다. 이와 관련하여 Table 2는 친환경주택의 설계조건을 나타내며, Figure 5는 Energy# 시뮬레이션의 결과로써 월별 난방에너지 요구량 그래프와 난방부하의 구성을 보여준다.

Table 2.

Eco-friendly housing design conditions (Eum et al., 2016)

Item Condition Details
Building Energy Efficiency Grade 1+ grade or higher Primary energy consumption
less than 120 kWh/m²·yr
Balcony Outer Window U-value ≤ 2.4 W/m²K
Window U-value ≤ 0.9 W/m²K When directly facing the outside
Front Door U-value ≤ 1.4 W/m²K When directly facing the outside
≤ 1.8 W/m²K When indirectly facing the outside
Living Room Exterior Wall U-value ≤ 0.17 W/m²K When directly facing the outside
Roof U-value ≤ 0.15 W/m²K When directly facing the outside
Living Room Floor U-value ≤ 0.17 W/m²K For the lowest floor, when directly facing the outside
Inter-floor U-value ≤ 0.81 W/m²K For floor heating

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Figure 5.

Energy performance analysis results of passive house

기존에 연구된 타 연구로써, Lee et al. (2015)은 전라북도 고창군에 위치한 제로에너지하우스의 A, B, C타입 세대의 에너지 성능 평가를 진행하였다. 연구에서는 열교방지, 기밀화를 포함하여 고단열, 고효율 3중 창호, 외부차양, LED 조명 등의 기술이 주택에 적용되었다. Figure 6은 3가지 실증주택의 전경과 에너지 부하율을 제시하고 있다. 이 그림은 각각의 주택이 에너지 효율 측면에서 어떻게 운영되었는지를 시각적으로 설명해준다. 3가지 타입의 실증주택에서의 난방에너지 소요량과 냉방에너지 소요량의 평균값은 각각 5,320 kWh, 527 kWh이었고, 본 연구에서 분석한 패시브하우스의 난방에너지와 냉방에너지 소요량은 각각 4,312 kWh, 1,056 kWh로 분석되었다. 이 값을 단위면적으로 나누어 연간 총 에너지 소요량을 비교한 결과, 제로에너지하우스는 128.3 kWh/m², 패시브하우스는 59.4 kWh/m²로, 패시브하우스가 제로에너지하우스에 비해 단위면적당 에너지 소비량이 더 작음을 확인할 수 있다.

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Figure 6.

Photo&Bird’s-eye view of zero energy house (Lee et al., 2015)

실내공기질 측정 결과 및 평가

상용센서를 이용한 목조 패시브하우스의 실내공기질 실측 및 비교

Table 3은 상용센서를 이용하여 측정한 대상 주택의 실내공기질 실측값을 보여준다. 실내공기질 관점에서 휴대용 입자/먼지 모니터를 통해 측정한 결과 환기장치를 가동하지 않은 상태의 거실 CO2 농도는 실내공기질 유지기준인 1,000 ppm의 약 3배 이상의 수치인 3,179 ppm의 값을 가졌다. HCHO의 경우에는 116 ㎍/m3으로 신축 공동주택의 실내공기질 권고기준인 210 ㎍/m3 이내의 수치는 만족하지만 다중이용시설의 유지기준인 100 ㎍/m3을 초과하고 있다. 이를 제외한 항목은 모두 실내공기질 유지 및 권고기준을 충족하고 있다. 2층 거실의 측정 수치를 보면 환기장치를 가동하지 않았을 때의 실내공기질은 기준 수치를 넘는 항목이 환기장치를 가동한 후 수치가 기준 이하의 수치가 되었다. 이는 기밀과 단열이 강조된 건물이지만 환기장치의 적용으로 인해 실내공기질을 유지할 수 있는 것으로 추측할 수 있다.

Table 3.

Target Passive House indoor air quality measurement results using a simple measuring device

Temperature
(℃)
Humidity
(%RH)
PM2.5
(㎍/m3)
PM10
(㎍/m3)
CO2
(ppm)
HCHO
(㎍/m3)
TVOC
(㎍/m3)
Standard - - 50 100 1000 100 500
Outside - - 3.1 5 436 32
1F Entrance 26.9 62 - - - - 250
2F Living room
(Ventilator operation)
26.5 64 0.8 1.1 573 94 250
Living room
(Ventilator not operating)
- - 1.8 2.9 3179 116 -
Bedroom 28.5 59 - - - - 200
Dining room
(Ventilation1)
26.5 64 3.8 2.9 572 91 250
Dining room
(Ventilation2)
- - 0.7 1 722 90 -
Bathroom 28.2 59 - - - - 200
Boiler room 27.2 63 - - - 71 320
3F Bedroom 29.1 56 - - - 77 170
Master bedroom 28.7 60 - - - 75 150
Master dressing room 28.8 59 - - - 74 200
Master bathroom 28.9 62 - - - 84 320
Dressing room 29.1 57 - - - 73 200
Bathroom 29.1 58 - - - 71 200
Multipurpose room 29.0 58 - - - 75 250

Table 4는 상용센서로 측정한 대상 패시브하우스의 2층 거실 실내공기질과 기존에 측정되었던 목조주택 및 기숙사의 실내공기질을 보여준다. 결과적으로, 기존에 연구된 건물과 대상 패시브하우스의 실내공기질은 유사한 양상을 보이는 것으로 나타났다. 이 중에서 목조주택 C의 경우 대부분의 실내공기질 측정항목에서 기준을 만족하고 있지만 TVOC 농도는 기준을 초과한 것으로 나타났다.

Park et al. (2019b)의 연구에서는 기밀성능이 실내 CO2 농도에 미치는 영향을 분석하였다. 실험이 진행된 강의실의 기밀성능은 실링 작업을 통해 조절되었으며, Figure 7은 실링 작업의 모습을 보여준다. 실링 작업 전 강의실의 기밀성능은 ACH50 기준 26.8 h-1 이었으며, CO2 농도 최대치는 환기장치를 가동하지 않은 경우 2,944 ppm, 환기장치를 가동한 경우 2,119 ppm 이었다. 실링 작업 후 강의실의 기밀성능은 22.1 h-1 이었으며, CO2 농도 최대치는 환기장치를 가동하지 않은 경우 3,783 ppm를 보였으며, 환기장치를 가동한 경우에는 2,350 ppm 으로 기밀성능이 높을수록 CO2 농도가 높다는 결론을 내렸다. 본 연구의 대상 패시브하우스는 0.54 h-1의 기밀성능으로 0.6 h-1 이하의 패시브하우스의 기밀성능 조건을 만족하고 있다. 대상 패시브하우스와 강의실을 비교해 보았을 때, 대상 패시브하우스의 기밀성능이 더 높음에도 CO2 농도가 더 낮게 측정되는 것을 통해 대상 패시브하우스 내 기계 환기시스템이 적절하게 잘 운영되고 있음을 추측할 수 있다.

Table 4.

Comparison of indoor air quality values ​​between existing buildings and passive houses (Choi and Kim, 2010; Choi et al., 2015)

Temperature
(℃)
Humidity
(%RH)
PM2.5
(㎍/m3)
PM10
(㎍/m3)
CO2
(ppm)
HCHO
(㎍/m3)
TVOC
(㎍/m3)
Standard - - 50 100 1000 100 500
Passive house Ventilator not
operation
- - 1.8 2.9 3179 116 -
Ventilator
operating
26.5 64 0.8 1.1 573 94 250
Wooden house A - - - 9.2 457 26.8 339
Wooden house B - - - 14.2 423 26.8 159
Wooden house C - - - 6.2 695 0 618
Residence hall
A
Before ventilation 24.2 - - 37 2515 0.02 -
After ventilation 22.5 - - 61 772 0.01 -
Residence hall
B
Before ventilation 24.6 - - 30 1292 0.009 -
After ventilation 19.7 - - 44 717 0.011 -

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Figure 7.

Sealed elements in the classroom (Park et al., 2019b)

공기포집 방법을 이용한 목조 패시브하우스의 실내공기질 실측 및 비교

실내 VOCs의 농도를 분석하기 위한 방식으로 고체흡착관과 기체크로마토그래프를 사용한 공기 포집은 최소 1시간 동안 자연환기를 금한 상태에서 진행되었다. Figure 8은 대상 패시브하우스의 5VOC 농도를 측정한 값을 보여준다. 거실 VOCs의 5VOC는 Benzene 1.18 ㎍/m3, Toluene 22.44 ㎍/m3, Ethylbenzene 18.39 ㎍/m3, Xylene 7.11 ㎍/m3, Styrene 20.14 ㎍/m3로 총 69.25 ㎍/m3의 수치를 나타냈다. 이 측정값을 실내공기질 권고기준과 비교해 보면 Benzene은 30 ㎍/m3이하, Toluene은 1,000 ㎍/m3이하, Ethylbenzene은 360 ㎍/m3이하, Xylene은 700㎍/이하, Styrene은 300㎍/m3이하의 농도를 모두 만족할 뿐만 아니라 기준 수치의 5%보다도 더 낮은 수치를 보이는 것으로 나타났다. 하지만, TVOC의 경우 간이측정기로 확인한 수치보다 3~4배 높은 값을 보였으며, 실내공기질 권고기준인 500 ㎍/m3를 초과하는 727.36 ㎍/m3의 값을 보이는 것으로 나타났다. 이는 실제 정밀한 측정을 통한 도출된 농도가 상용센서를 통해 측정된 값과 비교해 상당한 오차가 있음을 보여준다. 따라서, 이와 관련한 다양한 연구 및 검증을 통해 명확한 실내공기질을 분석해야 할 필요성을 확인할 수 있다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2024-018-03/N0280180304/images/Figure_KIAEBS_18_3_04_F8.jpg
Figure 8.

5VOC concentration measurement results in the target passive house

Table 5는 공기포집 방식으로 측정한 패시브하우스의 5VOC와 다중이용시설, 신축 주택, 도서관의 5VOC 측정값을 보여준다. 기존 건물과 비교했을 때, 패시브하우스의 5VOC 농도는 유사한 수치를 갖는다. 그러나 도서관의 경우 5VOC 농도가 비슷한 수치임에도 패시브하우스의 TVOC 농도가 훨씬 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 측정 방식에 따른 오차로도 볼 수 있으며, 앞서 언급하였듯이 VOCs와 관련하여 명확한 실내공기질을 평가하는 것이 필요하다는 것을 뒷받침하는 결과라고 해석할 수 있다.

Table 5.

Comparison of 5VOC concentrations between existing buildings and passive houses (Lee et al., 2010; Lee, 2019; Park et al., 2019a)

Benzene
(㎍/m3)
Toluene
(㎍/m3)
Ethylbenzene
(㎍/m3)
Xylene
(㎍/m3)
Styrene
(㎍/m3)
TVOC
(㎍/m3)
Standard 30 1000 360 700 148 500
Passive house 1.18 22.43 18.39 7.11 20.14 727.36
Large-scale store 1.86 33.34 4.12 5.39 0.56 -
Indoor car park 3.53 16.85 3.36 7.37 0.54 -
Medical institution 1.25 15.31 1.81 2.53 0.71 -
Childcare facility 2.24 10.37 1.93 2.6 0.25 -
Underground station 1.12 8.61 1.46 2.82 0.36 -
Newly built small
house A
Min 1 20 10.5 30 5.7 -
Max 7 >1000 385 193 >1000 -
Mean - 403.7 127.2 - 396.9 -
Newly built small
house B
September 1 96 24 36 9 -
October 2 120 15 52 10 -
Library Restoration room - 104.2 12 12.7 - 314.4
Reading room 1.95 21.7 6.8 3.5 - 154.8

대상 패시브하우스의 VOCs

Figure 9는 대상 패시브하우스의 NVOC 구성 비율과 TVOC내 5VOC, NVOC 및 기타 VOCs의 농도 비율을 보여준다. 결과적으로 NVOC의 많은 물질 중 상위 5가지 물질은 Limonene(77.01 ㎍/m3), α-pinene(26.24 ㎍/m3), cymene(21.92 ㎍/m3), 3-Carene(10.8 ㎍/m3), Eucalyptol(10.37 ㎍/m3)으로 나타났다. 기타 물질은 나머지 30가지 종류의 물질 수치가 더해진 값으로 25.09 ㎍/m3의 수치를 보였다. 각 항목의 수치는 TVOC는 727.360 ㎍/m3 5VOC는 69.254 ㎍/m3 NVOC는 171.44 ㎍/m3를 보였으며 TVOC 중 5VOC보다 NVOC의 비율이 더 큰 것으로 나타났다. 기타 VOCs 물질은 해당 포집 시험에서 존재의 유/무만 확인 가능하며, 이중 상위 5개 물질은 ‘작업환경측정 대상 유해인자’에는 포함되지 않는 것으로 확인하였다. 결과적으로 5VOC의 수치가 높지 않음에도 NVOC가 높은 수치를 가지면서 TVOC 농도가 실내공기질 기준을 초과한 것으로 나타났다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2024-018-03/N0280180304/images/Figure_KIAEBS_18_3_04_F9.jpg
Figure 9.

VOC ratio of passive house

결 론

본 연구는 목조 패시브하우스의 기본적인 에너지 성능을 평가하고 실내공기질을 VOCs를 중심으로 실측하였다. 대상 패시브하우스는 2.2리터로 패시브 요소기술들이 집약되어 에너지 저감성능이 우수한 것을 확인하였으며 특히, 고기밀화 및 열회수환기장치 설치 등의 조건을 갖추고 있어 기밀한 건축물에서의 실내공기질 연구에 적합하였다. 실내공기질 관련 연구의 주요한 결과는 다음과 같다.

(1)실내공기질 항목 중 TVOC 수치는 간이측정기와 공기 포집 측정 결과에서 약 3~4배의 차이를 보였다. 간이측정기는 실내공기질 권고기준 이하의 수치를 나타냈지만, 공기 포집 측정은 권고기준 이상의 수치를 보였다.

(2)환기장치 미가동 시에는 HCHO와 CO2를 제외한 모든 항목에서 실내공기질 기준을 만족하였다. 환기장치를 가동했을 때는 우수한 실내공기질을 유지하는 것으로 나타났다. 대상 패시브하우스는 단열성과 기밀성을 갖춘 건물이지만 환기시스템의 적용을 통해 우수한 실내공기질을 유지하고 있다.

(3)TVOC와 NVOC의 경우, 목조 패시브하우스의 TVOC 수치가 다른 건물에 비해 높게 나타났다. 이는 목재 등의 NVOC가 TVOC에 포함되어 오염물질로 취급되기 때문이다. TVOC 수치가 높더라도 NVOC에 대한 권장기준이 없어서 TVOC 수치만으로 쾌적성을 판단하기 어렵다.

(4)본 연구에서는 간이측정기와 공기 포집 측정 방식의 정확도에 차이가 있음을 확인하였다. 또한, 현재 NVOC에 대한 명확한 권장기준이 없어 TVOC 수치만으로 실내공기질을 평가하는데 한계가 있었다. 기타 VOCs 중 상위 5개 물질이 ‘작업환경측정 대상 유해인자’에 포함되지 않았으나, 정량적인 양을 판단하기 어려웠다.

본 연구를 통해 TVOC와 NVOC를 체계적으로 분류하는 기준의 제시를 위한 연구가 필요함을 확인할 수 있다. 또한, TVOC 허용 기준 외에도 건강에 영향을 미치는 일부 개별 VOCs에 대한 기준 설정과 관리가 필요하며 간이측정기와 공기 포집 측정 방식의 정확도에 대한 추가 고찰이 필요함을 확인할 수 있다. 최종적으로, 패시브하우스와 같은 고기밀 건축물의 특성을 고려한 실내공기질 기준 정립과 명확한 측정 및 분석이 필요할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

이 연구는 산림청(한국임업진흥원) 산림과학기술 연구개발사업 ‘(FTIS 2023493 A00-2325-AA02)’의 지원으로 수행한 연구임.

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