서 론

신축 및 리모델링 건축물에서는 새집증후군 증상을 겪을 수 있으며, 이는 내부의 마감자재와 가구 등에서 발생하는 폼알데하이드와(HCHO) 휘발성유기화합물(VOCs) 등의 오염물질이 주요 원인인 것으로 알려져 있다(Ando, 2002). 이러한 오염물질들은 각종 호흡기 질환과 피부관련 질환을 야기할 수 있으며, 특히 어린이들은 면역력이 취약하기에 성인에 비하여 건강에 악영향을 미칠 수 있다(EEA, 2023).

새집증후군 증상을 예방하기 위한 정책으로서 정부에서는 ｢건강친화형 주택 건설기준｣을 제정하여 500세대 이상의 신축 및 리모델링 공동주택을 대상으로 오염물질 저방출 자재를 적용하고, 입주 전 대형 팬 또는 기계환기설비 등을 이용하여 플러쉬아웃을 시행하거나 난방장치를 이용하여 실내온도를 상승시킨 후 오염물질의 방출량을 높여 배출시키는 베이크아웃을 의무적으로 실시하도록 하고 있다(MOLIT, 2020). 또한, ｢실내공기질 관리법｣에서는 신축 공동주택 및 다중이용시설에 대한 실내공기질 유지기준을 제시하고 있다(MOE, 2024a).

｢영유아보육법｣에 따르면 500세대 이상의 공동주택 단지에는 의무적으로 국공립 어린이집을 설치해야 하며(MOE, 2024b), 이에 대한 영향으로 국공립 어린이집의 수는 매년 꾸준히 증가하고 있다(MOHW, 2024). 한편으로 실내공기질 기준을 초과하는 신축 공동주택의 세대수가 꾸준히 증가하고 있으며(Yoo et al., 2024), 공동주택 건설현장 특성상 동일한 단지 내의 어린이집에 적용되는 마감자재는 동일한 업체의 제품일 가능성이 크다. 또한, ｢실내공기질 관리법｣에 따라 적용받는 어린이집의 건축자재 오염물질 방출 기준은 HCHO, 0.02 mg/m²·h, TVOC 2.0 ~ 4.0 mg/m²·h로 ｢건강친화형 주택 건설기준｣의 오염물질 방출량 기준치인 HCHO, 0.015 mg/m²·h, TVOC 0.10 mg/m²·h 보다 높아 별도의 기준을 적용할지라도 공동주택 단지 내의 어린이집에서 새집증후군 현상이 유발될 가능성은 높다고 볼 수 있다.

현재 신축 공동주택은 입주 전 실내공기질의 측정 결과를 입주자에게 공개할 의무가 있으나 신축 어린이집의 실내공기질 측정은 법적인 강제사항이 아님에 따라 관련 선행연구와 실험 데이터 등이 부족하여 결과적으로는 신축 어린이집에 대한 실내공기질 현황을 파악하기 어려운 실정이다. 선행연구에 의하면 실제 어린이집 운영단계에서는 환기가 잘 이루어지지 않아 어린이들이 고농도의 이산화탄소에 노출되는 시간이 많은 것으로 보고되었다(Lee, 2024). 이는 개원 전 자재로부터 방출되는 오염물질을 밖으로 배출하지 않는다면 환기가 미비한 어린이집의 특성상, 개원 후 보육실에서 생활하는 어린이들의 호흡 건강에 악영향을 미칠 가능성이 크다는 것을 의미한다. 베이크아웃은 실내 오염물질을 제거하기 위해 효과적인 방법이지만, 온도 상승을 위한 난방비와 계절에 대한 영향, 그리고 급격한 온도 변화로 인해 시공된 마감재들의 균열 및 탈락 등이 발생할 수 있어 주의점이 요구된다(Sohn and Yoon, 1995). 따라서 본 연구에서는 시뮬레이션을 이용하여 오염물질의 기계적 제어 방법 중 하나인 플러쉬아웃을 대상으로 제어 조건에 따른 실내공기질 개선 효과를 비교하여 신축 어린이집에 효과적인 플러쉬아웃 방안을 제안하고자 한다.

연구방법

시뮬레이션 모델링

본 연구에는 미국 NIST 사에서 개발한 CONTAMW 프로그램을 이용하였으며, ｢영유아보육법｣에 따라 원아 1인당 2.64 m² 바닥 면적 계산을 통해 약 15명이 이용할 수 있는 40 m² 면적의 보육실 1개 실을 시뮬레이션의 대상 공간으로 설정하였다. 천장고의 높이는 2.4 m, 보육실에 설치된 창문과 출입문, 그리고 외벽의 누기면적은 기존 선행연구에서 측정한 값을 활용하여 적용하였다(Chun et al., 2020). 보육실은 자연상태에서 외기의 영향으로 침기가 발생하므로 외기 데이터는 기상청에서 제공하는 서울·경기 지역의 30년 (1990~2020) 평년값을 사용하였다(KMA, 2025). 연 평균 풍속은 2.3 m/s, 풍향은 국내에서 잦은 빈도로 나타나는 서풍으로 가정하였으며, 일정 수준의 침기량을 유지하기 위해 실내·외의 온도는 프로그램의 기본 값인 20℃로 설정하여 온도차에 의한 침기 영향을 배제하였다(Table 1). 이를 바탕으로 모델의 창호 면적을 조절하여 선행연구에서(Yeo and Kim, 2019) 실측한 어린이집 보육실의 침기량 수준에 해당하는 0.28 ACH 으로 설정하였다.

실내 마감자재의 오염물질 방출량

실내에 적용된 마감자재에서 발생하는 오염물질은 시간에 따라 다시 흡착되거나 환기 등을 통해 외부로 배출되며, 오염물질의 종류와 실내외 환경조건 등에 따라 방출량의 감쇄율(Decay rate) 또한 달라질 수 있다. 실내의 오염물질 농도는 아래 식 (1)로 표현할 수 있으며, 여기서 마감자재로부터 발생하는 오염물질 방출량(M)은 식 (2)와 같이 지수형태로 감소하는 것으로 가정하였다.

C₀ : 실외 오염물질 농도 (㎍/m³)

C_s : 초기 실내 오염물질 농도 (㎍/m³)

C : 실내 오염물질 농도 (㎍/m³)

Q : 환기량 (m³/h)

V : 실내 용적 (m³)

M₀ : 마감자재 초기 오염물질 방출량 (㎍/h)

M(t) : 실내 오염물질 방출량 (㎍/h)

t : 시간 (h)

k : 오염물질 방출량 감쇄율 (Decay rate) (1/h)

대상 보육실의 마감은 한쪽 벽면에 0.7 m × 6.0 m × 2.2 m 규모의 MDF (Medium-Density Fiberboard) 수납장, 천장과 벽은 벽지 및 바닥재로 구성하였으며, 시뮬레이션에 적용되는 복합 마감자재의 면적과 구성은 Table 2와 같다. 실제 건축물 내에 시공되는 마감자재는 접착제, 벽지, 바닥재, MDF 등의 결합으로 복합적으로 시공되며, Kwon (2007)의 연구에 따르면, 각각의 마감재 내부에서 물질 전달에 따른 확산과 흡·탈착과정을 통하여 오염물질이 방출된다. 따라서 본 연구에서는 폼알데하이드(HCHO)와 톨루엔을 대상 오염물질로 선정하고 복합 마감자재로부터 발생하는 오염물질의 방출량 감쇄율(k)은 선행 연구(Park, 2006)에서 30일 동안 9회에 걸쳐서 측정한 복합 마감자재의 오염물질 방출량 데이터를 적용하였다 (Table 2). 또한 식 (2)의 초기방출량(M₀)은 Table 3과 같이 한국공기청정협회의 친환경 건축자재의 인증기준(KACA, 2025)의 최우수 등급 기준에 해당하는 방출량을 활용하였다.

플러쉬아웃 시행 조건과 실내 오염물질 감소 효과

신축 어린이집에서는 플러쉬아웃과 관련된 기준이 없기에 ｢건강친화형 주택 건설기준｣에서 제시한 바닥 면적당 플러쉬아웃 공급 풍량 400 m³/m²를 기준으로 하였다. 시뮬레이션에서는 Figure 1에 표시한 것과 같이 플러쉬아웃을 하지 않은 조건과 함께 시간당 공급풍량을 조절하여 플러쉬아웃 기간에 변화를 주었다. 플러쉬아웃 기간은 14일, 10일, 7일과 5일 등 총 4번의 변화를 주었으며 각각의 조건에서 플러쉬아웃의 공급풍량은 환기횟수로 0.5회/h, 0.7회/h, 1.0회/h, 그리고 1.5회/h 였다. 또한 ｢실내공기질 공정시험기준｣에 따르면(MOE, 2010), 실내 오염물질을 측정하기 전 30분간 환기 및 5시간 동안 밀폐를 유지한 후 측정이 진행되기에 플러쉬아웃 시행 전과 종료 직후에 각각 해당 스케줄을 구성하여 오염물질 농도의 측정 시점을 구성하였다. 플러쉬아웃을 실시하지 않는 경우는(Case 1) 환기설비의 가동 없이 자연 상태의 침기량이 일정하게 이루어지는 조건으로 하였으며 플러쉬아웃을 실시하는 다른 조건과의 비교를 위해 여러 측정 시점을 설정하였다. 플러쉬아웃 시 오염물질 측정 시점과 세부적인 시행 조건은 아래 Figure 1 및 Table 4와 같다. 플러쉬아웃 시행 전 후의 실내 오염물질의 감소 효과는 위의 식 (1), 식 (2)을 이용하여 추정할 수 있다. 이에 따라 각 조건에서 플러쉬아웃 전 후의 실내 오염물질 농도 결과를 이용하여 오염물질 저감 비율(Reduction ratio)을 계산하였고, 이를 실내 오염물질 방출량(M)에 반영하였다. 그 이후, 플러쉬아웃 종료 후 자연 침기가 유입되는 상태를 일주일간 유지한 후에 실내 오염물질 농도를 측정함으로써 각 조건의 플러쉬아웃 효과를 비교하였다.

Figure 1.

Flush-out simulation schedule

결과 및 토의

플러쉬아웃 시행 조건에 따른 실내 오염물질 농도 변화

Figure 2은 플러쉬아웃 시행과 실내 오염물질 농도 측정 시의 오염물질 농도 변화를 나타낸다. 플러쉬아웃 중에는 실내 오염물질의 농도가 지속적으로 감소하나 실내 오염물질 농도 측정 시에는 관련 규정에 따라 플러쉬아웃을 중지하고 실내를 5시간 밀폐함에 따라 농도가 큰 폭으로 상승하는 것으로 나타났다. 플러쉬아웃을 시행하지 않은 Case 1에서는 HCHO 농도는 소폭 증가, 톨루엔은 감소하는 것으로 나타났으며, 플러쉬아웃을 시행한 경우(Case 2~5)에서는 모두 실내 오염물질 농도가 감소하였다. 아래 Table 5에 시뮬레이션 결과를 나타내었으며, 각 조건의 초기농도의 미세한 차이는 실내 오염물질 측정 전 실시되는 30분 환기량의 영향으로 볼 수 있다. 플러쉬아웃 시행 조건에 따라 오염물질 농도 감소 비율은 차이가 있었으나, HCHO의 경우 10.0%~24.4%의 감소 효과가, 톨루엔의 경우 48.0%~78.7%의 감소 효과가 있었다. 이를 통해 보았을 때 바닥면적 당 동일한 환기량을 공급하는 조건에서는 환기횟수가 작지만 시행기간이 긴 경우가 실내 오염물질 농도 감소 효과가 높은 것으로 나타났다.

Figure 2.

Changes in indoor concentrations under different flush out conditions.

플러쉬아웃 종료 후 실내 오염물질 농도

각 조건에서 플러쉬아웃 종료 후 일주일 뒤의 실내 오염물질 농도를 비교한 결과, 아래 Table 6 과 같이 플러쉬아웃을 시행한 모든 경우가(Case2~5) 시행하지 않은 조건(Case 1)보다 오염물질 농도가 낮은 것으로 나타났다. 또한 플러쉬아웃을 시행한 경우에서는 시행 기간이 긴 경우가 플러쉬아웃의 종료 후에도 다른 조건보다 오염물질 감소 효과가 높은 것으로 나타났으며(Case 2 > 3 > 4 > 5), Case 4, Case 5의 경우에는 오히려 HCHO의 농도가 소폭 상승하는 결과가 나타났다.

현재 신축 어린이집에서의 플러쉬아웃 실험을 진행한 사례가 없기에 본 연구 결과와 기존 신축 공동주택 현장에서의 플러쉬아웃 효과를 실험한 연구 사례들과 비교해 보았다. Park (2019)의 연구에서는 3개 단지의 공동주택에서 플러쉬아웃 실험을 수행하였으며, 플러쉬아웃 직후 실내공기질 측정 결과 HCHO는 27%~55%의 농도 저감효과가, 톨루엔은 40%~75%의 저감 효과를 보였다. Lee et al. (2022)의 연구에서는 실내 환경챔버에서 공동주택에 설치된 마감자재를 구현하여 실내 온도 11℃~16℃ 범위에서 플러쉬아웃의 오염물질 저감효과를 실험하였다. 그 결과 HCHO는 13%~31%, 톨루엔은 22% ~43%의 농도 저감 효과가 있는 것으로 나타났다. Kim and Kim (2024)의 연구에서는 신축 공동주택에서 전열교환기와 자연환기를 병행하여 플러쉬아웃 실험을 수행하였으며, 그 결과 HCHO는 45%, 톨루엔은 71%의 농도 감소 효과가 있는 것으로 나타났다. 이를 통해 보았을 때 본 연구의 시뮬레이션을 통한 플러쉬아웃 실내 오염물질 농도 감소 효과는 기존 실험 연구들의 결과와 유사한 범위 내에 있는 것으로 보인다(Figure 3).

본 연구에서는 향후 검증된 시뮬레이션 방법을 활용하여 신축 공동주택과는 공간적 구성이 다른 어린이집을 위한 플러쉬아웃의 다양한 시행방법과 그 효과를 검토하는데 활용하고 이를 토대로 어린이집의 특성에 부합하는 플러쉬아웃의 기준 또는 가이드라인을 개발하고자 한다. 현재 ｢실내공기질 공정시험기준｣에 따르면 신축 공동주택에서는 세대 내부의 개구부를 모두 개방한 후 거실 중앙에서 실내공기질을 측정하게 되어있지만 플러쉬아웃 시행 이후 입주 단계에서는 세대 내부에 설치된 붙박이가구나 마감재 등의 비중에 따라 거실과 각 구역의 실내 오염물질 농도는 달라질 수 있다. 그러나 우리나라의 어린이집 내에서의 각 보육실 내부 환경은 대부분 유사하며 하나의 출입문을 둔 닫힌 공간으로 구성되어있는 만큼 다른 구역에서 유입되는 실내 오염물질의 영향이 적을것으로 예상되며, 플러쉬아웃 이후 보육실 내부의 실내공기질의 변화 경향은 본 연구의 결과와 유사할것으로 판단된다.

Figure 3.

Comparison of reduction ratio of flush out

한편, 본 연구에서 플러쉬아웃을 실시하지 않는 경우에도 톨루엔 농도가 지속적으로 감소하였는데 이는 시뮬레이션 기간 동안 실내의 침기량을 지속적으로 유지하였기에 적은 환기횟수의 플러쉬아웃 유사한 상태가 된 영향으로 볼 수 있다. 실제 환경에서는 건물의 침기량은 일정하지 않으며, 외기의 풍속과 풍향, 그리고 건물의 기밀성능 등에 따라 영향을 받는다. 본 연구에서 설정한 보육실의 침기량은 0.28 회/h로서 다소 기밀하지 못한 건축물로 볼 수 있지만(5.6 ACH 50), 에너지 절약을 위해 기밀성을 높인 건축물은 침기로 인한 환기횟수가 낮기에 플러쉬아웃을 실시하지 않는 경우 본 연구 결과보다 실내 오염물질 농도가 상승하거나 적게 감소할것으로 예상된다. 또한 본 연구에서 플러쉬아웃 종료 후 일주일이 경과하였을 때 Case 4, Case 5의 경우 HCHO 농도가 오히려 상승하였는데 이는 플러쉬아웃 종료 후 실내의 환기횟수가 침기량 수준으로 줄어든 영향과 시간에 따른 HCHO의 오염물질 방출량 감쇄율(k)의 값이 톨루엔에 비해 낮아 마감자재의 HCHO 방출량이 감소하기엔 충분하지 않은 시간으로 보인다. 이를 통해 보았을 때, 효과적인 플러쉬아웃 시행을 위해서는 마감자재의 오염물질 방출량 감쇄율 또한 고려할 필요가 있다.

결 론

본 연구에서는 시뮬레이션을 통하여 신축 어린이집의 보육실에서 플러쉬아웃 시행 조건에 따른 실내 오염물질의 변화를 확인해 보았으며, 그 결과 플러쉬아웃을 통해 도입한 환기량이 동일한 조건에서는 장기간 플러쉬아웃을 시행하는 경우가 실내 오염물질 감소율이 높은 것으로 나타났다. 따라서 신축 어린이집에서는 마감 공사가 끝난 후에는 입주 전까지 장기간 플러쉬아웃을 실시하는 것이 신축 어린이집의 실내공기질 개선에 더 도움이 될 것으로 판단된다. 또한, 향후 신축 어린이집과 관련하여 플러쉬아웃 관련 제도가 도입이 된다면, 총 도입해야할 환기량도 중요하지만 마감자재로부터 발생하는 오염물질 방출량의 감쇄 경향을 고려하여 플러쉬아웃 최소 시행 기간 기준을 마련하는 것이 좋을것으로 판단된다.