서 론
연구의 목적
미세먼지는 공기 중에 부유하는 입경 10μm 이하의 입자이고, 크기에 따라 PM10, PM2.5, PM1.0으로 구분한다. 초미세먼지라고 불리는 PM2.5는 공기역학적 직경이 2.5μm 이하의 입자를 뜻하며, 1997년 공공보건 보호를 위해 미국 환경 보호 단체(USEPA, U.S. Environmental Protection Agency)에서 처음 규명하였다(Li et al., 2017). 최근에는 국내뿐만 아니라 전 세계적인 미세먼지 피해 사례가 급증함에 따라 세계보건기구 산하 국제암연구소(IARC, International Agency for Research on Cancer)에서 미세먼지를 1군 발암물질로 지정하였으며, OECD ‘대기오염 경제적 영향 보고서(The Economic Consequence of Outdoor Air Pollution)’에서는 OECD 국가 중 대기오염으로 인한 경제적 피해비용 1순위를 우리나라로 분석하였다. 실내 공기질은 외부 대기 환경에 큰 영향을 받으며, 특히 입자의 크기가 작은 미세먼지와 초미세먼지의 경우 창문뿐만 아니라 건물의 틈새를 통해 외부로부터 실내로 유입되어 실내 공기질을 악화시킬 가능성이 있다. 사람들은 하루 중 80% 이상의 시간을 실내에서 보내며, 재실자의 건강은 실내 공기에 포함된 미세먼지로부터 위협받을 수 있다(Yoo et al., 2020). 미세먼지는 외부로부터 건물 내부로 유입되기도 하지만 요리, 흡연 등과 같은 활동으로 인해 실내에서 발생하는 경우도 있기 때문에 실내 공기질 관리는 반드시 이루어져야 한다(Berube et al., 2004). 특히 성장기의 학생들은 하루의 대부분을 학교에서 보내기 때문에, 학교의 고농도 미세먼지는 학업과 건강에 악영향을 미칠 가능성이 있다.
바이오월(Bio-wall)은 식물 바이오필터 시스템 중 하나이며, 식물에 의한 흡수 및 흡착 작용, 배양토에 의한 작용 등 다양한 작용을 통해 공기 중 오염 물질을 제거하는 시스템이다. 바이오월은 미세먼지, 포름알데하이드, 톨루엔, 이산화탄소 등을 제거할 수 있으며 인간에게는 스트레스 감소와 정서적 안정 등의 효과를, 공간 내부에 미적 아름다움을 부여한다. 또한 필터 교체가 필요하고 많은 에너지가 소비되는 기계식 환기 설비와는 달리, 식물과 배양토가 필터의 역할을 대신하기 때문에 필터 교체가 필요하지 않고 비교적 적은 에너지를 소비하기 때문에 경제적 측면, 에너지적인 측면에서 이점을 갖는다. 국립원예특작과학원의 과제 보고서에 따르면, 바이오 필터가 공조 시스템과 결합된 바이오 공조 시스템을 개발하였고 이에 대한 현장 실증을 진행한 결과 바이오 필터가 결합되었을 때의 미세먼지 제거율은 평균 61%로 일반적인 필터만 적용한 경우보다 제거율이 우수하다는 점을 알 수 있다(NIHHS, 2019). 최근 국내에서는 요양원, 병원, 학교, 지하역사 등에, 국외에서는 공항, 대학 등에 실내 공기질 향상을 목적으로 공간의 특성에 따라 크기, 형태, 식물 품종 등을 선택하여 바이오월을 설치하는 경우가 증가하고 있다. Koch et al. (2019)의 연구에서는 실험과 전산유체역학 기법(CFD)을 활용하여 다양한 품종의 식물에 대해 공기역학적 특성을 확인하였다. 또한 Qin et al. (2020)의 연구에서는 식물이 미세먼지 농도에 미치는 영향력을 파악하기 위해 CFD를 활용하여 길가에 식재된 가로수의 미세먼지 저감률을 확인하였다. 이처럼 현재까지 식물의 공기 정화 능력 검증 연구는 여러 차례 진행된 바 있으나, 실제 생활공간에 대하여 식물 위치에 따른 공기질 평가와 바이오월 배치 최적화를 통한 성능 극대화에 대한 연구는 미흡한 실정이다.
이에 따라 본 연구에서는 학생들이 생활하는 공간인 학교 교실을 대상으로 CFD를 활용하여 에어컨 가동 여부와 바이오월 배치 및 가동 여부에 따라 교실 미세먼지 저감 효과를 분석하였고, 바이오월의 성능을 극대화 할 수 있는 최적 배치 방안을 제시하고자 한다.
측정개요
대상 교실
본 연구를 진행하기에 앞서, 실제 바이오월이 설치된 학교를 대상으로 교실과 바이오월의 치수 및 풍량 측정, 주변 환경 조사 등을 위한 현장 답사를 진행하였다. 현장 조사에는 베인식 풍속계(TESTO 417, TESTO)를 사용하였다. 풍량은 바이오월을 가동한 뒤 평소 운행 조건과 동일한 상태에서 측정하였다. 대상 학교는 두 곳으로, 경기도 부천에 위치한 중학교와 서울에 위치한 초등학교이다.
부천에 위치한 중학교의 경우 총 4개의 교실에 공기 정화 식물 모델이 설치되어 있었고, 이들 중 하나의 교실을 해석 대상(교실 A)으로 선정하였다. 교실 A에는 총 4대의 바이오월이 있었고, Figure 1와 같이 교실 뒤쪽에 2대, 복도 측 창가 쪽에 2대가 배치되어 있었으며, 교실 내에는 천장형 시스템 에어컨 1대가 설치되어 있었다. 해당 교실의 치수는 7.5×9.0×2.6(m)로 일반적인 중학교 교실 크기에 해당한다.
서울에 위치한 초등학교에는 1개의 교실(교실 B)에 4대의 바이오월이 설치되었으며, 교실 A에 설치된 것과 다른 모델이다. 바이오월은 Figure 2와 같이 교실 출입구가 있는 벽면으로부터의 거리가 약 2/3 정도 되는 지점에 일렬로 배치되어 있었고, 교실 A와 마찬가지로 교실 B에도 천장형 시스템 에어컨 1대가 설치되어 있었다. 교실 B에는 공기청정기가 구비되어 있었으나, 실제로 가동한 경우는 거의 없다고 한다. 해당 교실은 사다리꼴의 독특한 형태로 일반적인 교실에 비해 가로 길이가 긴 편에 속한다. 교실의 치수는 가로 길이가 가장 긴 벽면을 대상으로 측정하였을 때 12.08×8.92×2.56(m)이다.
식물 바이오필터 시스템
교실 A에 설치된 바이오월 1대당 식재된 식물 종류와 양은 Table 1과 같으며, 한쪽 면에만 식물이 식재되어 있고 1대당 28개의 식물 팟(Pot)이 설치되어 있다. 하나의 팟에 들어가는 흙의 양은 1.7L이며, 이는 원예용상토 80%, 바이오차 20%의 배합으로 구성되어 있다. 시간당 급수량은 400L/h이며 1일 총 급수 시간은 3분이다. 바이오월의 전면부에는 전원 및 설정을 조절할 수 있는 버튼이 있고 상부에는 식물 성장을 위한 조명 장치가, 내부에는 팬이, 하단부에는 저수조가 설치되어 있었으며, 바이오월에 의해 정화된 공기를 교실로 공급할 수 있는 원형 급기구가 상단에 타공되어 있었다. 창가 쪽에 설치된 바이오월에는 1대당 2개의 급기구가 있으며, 교실 뒤쪽에 설치된 바이오월은 1대당 1개의 급기구가 있다. 교실 A에는 총 6개의 급기구가 있었으며, 급기구의 형태 및 풍량은 Figure 3(a), Table 2와 같다.
Table 1.
Kinds of plants planted on the bio-wall
Table 2.
Air flow rate of bio-wall
| Air flow rate (CMH) | ||
| Class A | Class B | |
| Supply 11) | 25.41 |
0.48 (All the same) |
| Supply 21) | 19.25 | |
| Supply 31) | 24.40 | |
| Supply 41) | 18.99 | |
| Supply 51) | 18.45 | |
| Supply 61) | 18.45 | |
교실 B에 설치된 바이오월 1대당 식재된 식물의 종류와 양은 Table 1과 같으며, 교실 A의 바이오월과는 달리 양면에 식물이 식재되어 있다. 한쪽 면에 28개의 식물 팟이 식재되어 있고, 양면이기 때문에 하나의 바이오월에는 총 56개의 식물 팟이 설치되어 있다. 하나의 식물 팟에 들어가는 흙의 양, 종류, 배합 비율은 교실 A와 동일하다. 시간당 급수량과 1일 총 급수 시간도 마찬가지로 교실 A와 동일하다. 바이오월은 교실 A에 설치된 것과 마찬가지로 스위치, 조명 장치, 팬, 저수조로 구성되어 있으며 급기구의 형태는 Figure 3(b)와 같다. 1대당 4개의 급기구가 있어 총 16개의 급기구가 있고, 풍량은 Table 2와 같이 모든 급기구가 동일했다.
전산유체역학 모델
대상 공간은 전산유체역학 소프트웨어(Simcenter STAR-CCM+, Siemens Digital Industries Software)를 사용하여 모델링하였으며, 모델링 및 해석 조건은 Table 3과 같다. Figure 4와 같이 입경 2.5μm의 입자가 실내에 균일하게 분포된 상황을 가정하였고, 실제 측정값을 환산하여 초기 입자 농도를 설정하였다. Time step은 0.01초이며 온도 해석 없이 정상 상태에서 기류 해석을 진행한 뒤 총 3600초 동안 비정상 상태에서 입자 분포 경향을 확인하였다. 교실 A와 B 모두 별도의 배기구나 환기 시스템 없이 입자가 바이오월에 의해서만 제거되도록 하였고, 에어컨 필터에 의해 입자 농도가 제거되지 않도록 모델링 하였다. 본 연구에서는 다른 요인에 의해 영향을 받은 입자 제거율이 아닌, 바이오월의 단독적인 입자 제거율만을 분석하기 위해 입자는 표면에 침착되지 않도록 설정하였다. 에어컨은 중앙 부분에서 공기가 흡입되고 4방향으로 토출되도록 모델링하였으며, 풍량과 급기 풍속은 Table 3과 같다. CFD에 입력된 입자 초기 농도와 바이오월의 미세먼지 제거율은 Yang et al. (2020)의 실제 교실 미세먼지 농도 측정값을 활용하였다(Table 3). 해당 연구에서는 미세먼지 제거 효율을 교실에 설치된 IoT 기반의 실시간 및 장기간 데이터 수집이 가능한 IAQ 센싱 장비를 통해 측정하였고, 1분 단위로 데이터 수집이 가능하도록 설정하였다.
Table 3.
CFD boundary conditions
교실 A와 B에 대한 CFD 시뮬레이션 및 분석을 수행하기 위해 에어컨 가동 여부, 바이오월 설치 위치, 바이오월 가동 여부에 따라 Table 4와 같이 시뮬레이션 해석 case를 나누었고, 해석 case에 따른 바이오월의 위치는 Figure 5와 같으며, 바이오월의 새로운 위치 선정 시에는 학생들의 편의를 고려하지 않고 제거율을 증가가 예상되는 곳을 선택하였다.
Table 4.
Simulation cases
결과 및 토의
교실 A와 B 모두 바이오월의 위치를 기준으로 에어컨 및 바이오월 가동 여부에 따라 입자 농도 감소율을 확인하였다. 시뮬레이션 결과로 도출된 감소율은 교실 내 입자 농도의 총합으로 계산하였으며, 이를 정상화하여 비교하였다. 이후 실제 교실에 설치된 미세먼지 농도 측정 장비의 측정값(Yang et al., 2020)과 CFD 해석 결과를 비교하였다.
교실 A
교실 A의 결과는 Figure 6, Table 5와 같다. 해석 결과 바이오월의 위치와는 관계없이 에어컨을 가동한 경우의 감소율이 더 높았으며, Case A-2에서는 약 42%의 감소율을 보였다. 또한 Table 5와 같이 바이오월이 벽면에 설치된 Case A-1, 2보다 Case A-3, 4의 감소율이 더 높게 나타났는데, 이는 에어컨의 기류가 바이오월에 도달하지 않아 유입되는 입자의 양이 적은 것이 원인인 것으로 판단된다(Figure 7).
Table 5.
Results of CFD simulation (in the class room)
미세먼지 측정기의 측정값과 CFD 결과를 비교하였고(Table 5, 6), 에어컨을 가동하였을 경우의 제거율과 실제 측정값은 3.9%정도 차이가 나는 것으로 나타났다.
교실 B
교실 B의 결과는 Figure 8, Table 5와 같다. 전반적으로 에어컨 가동 여부에 따른 감소율의 차이가 크지 않았는데, 이는 교실 B가 일반적인 교실에 비해 넓어 입자 제거 속도가 느리다는 것이 원인인 것으로 판단된다. 또한 바이오월을 가동하지 않았을 경우에도 침기와 같은 자연적인 현상에 의해 입자가 제거되었으나, 감소율은 거의 0%에 가까웠다. 교실 B도 미세먼지 측정기의 측정값과 CFD 결과를 비교하였고(Table 5, 6), 에어컨을 가동하였을 경우의 제거율과 실제 측정값은 0.47%정도 차이가 나는 것으로 나타났다.
Table 6.
Results of CFD simulation (in the class room)
| Classroom | Removal rate (%) | Classroom | Removal rate (%) | ||
| Class A | Field measurement | 45.86 | Class B | Field measurement | 9.32 |
| CFD result1) | 41.96 | CFD result1) | 8.85 | ||
이처럼 교실 B의 경우, 교실 전체 보다는 학생들이 앉아서 수업을 듣는 공간의 입자 감소율을 확인하는 것이 더 의미 있다고 판단되어, Figure 5(c)와 같이 책상과 의자가 위치한 영역(Region 1)의 감소율을 별도로 확인하였다. Region 1의 시간에 따른 입자 감소율은 Figure 9, Table 7과 같으며, region 1의 감소율은 변동이 잦아 경향이 일정하지 않기 때문에 Table 7에는 정상화된 감소율의 최고점과 최저점의 차이를 사용하였다. 이전의 결과들과 마찬가지로 에어컨을 가동한 경우의 감소율이 더 우수한 것으로 나타났고, Case B-6에서는 최댓값인 24.19%를 달성하였다. 이러한 현상은 에어컨 가동 시 에어컨 기류(Figure 10)에 의해 바이오월 방향으로 더 많은 양의 입자가 이동하여 유입량이 증가하는 것이 원인인 것으로 판단된다.
Table 7.
Comparison of results of class B according to air conditioning (at region 1)
| Case | Removal rate (%) | Case | Removal rate (%) |
| Case B-1 | 14.48 | Case B-2 | 21.95 |
| Case B-3 | 10.39 | Case B-4 | 20.12 |
| Case B-5 | 13.35 | Case B-6 | 24.19 |
| Case B-7 | 14.04 | Case B-8 | 14.77 |
에어컨 가동 여부를 기준으로 바이오월 위치에 따른 감소율도 비교하였고, Figure 11(a), (b)는 교실 전체, (c), (d)는 region 1의 감소율을 나타낸다. 교실 전체 입자 감소율은 에어컨을 가동하지 않았을 경우 Case B-1, 가동한 경우에는 Case B-6에서 가장 높았으나, 에어컨을 가동하지 않은 경우의 위치에 따른 감소율의 차이는 매우 작았다. Region 1의 감소율은 최고점과 최저점의 차이를 통해 확인하였고(Table 7), 에어컨을 가동하지 않은 경우에는 Case B-1, 가동한 경우에는 Case B-6에서 가장 높았다.
결 론
본 연구에서는 서로 다른 규모를 가진 학교 교실을 대상으로 바이오월의 설치 위치 및 가동 여부, 에어컨 가동 여부에 따른 교실 내 입자 감소율을 확인하였다. 교실 A와 B의 모든 case에서 에어컨을 가동한 경우의 입자 감소율이 가동하지 않은 경우보다 높은 것으로 나타났다. 교실 B에서는 에어컨을 가동하지 않은 경우에 교실 뒤쪽, 가동한 경우에는 교실 중앙에 바이오월을 설치한 경우의 감소율이 가장 높았으나, 에어컨을 가동하지 않았을 때의 바이오월 위치에 따른 차이는 미미하였다. 이렇듯 에어컨을 가동한 경우의 입자 감소율이 더 우수한 원인은 에어컨 가동 시 형성되는 기류에 의해 바이오월에 식재된 식물 방향(공기 유입구)으로 더 많은 양의 입자가 이동하여 그만큼 바이오월에 의해 정화되는 입자의 양이 증가한 것으로 판단된다. 또한 두 교실 모두 실제 미세먼지 농도 측정을 통해 산출된 제거율과 CFD 결과로 도출된 입자 농도 감소 사이에 큰 차이가 없었다.
이처럼 바이오월을 통한 미세먼지 정화는 실내 기류 방향에 따라 변동되므로 실내 기류 형성에 영향을 미치는 요소들을 반영한 바이오월 위치의 중요성을 알 수 있었으며, 본 연구를 통해 CFD를 활용하여 바이오월 설치 이전에 최적화된 위치를 선정할 수 있음을 규명하였다. 에어컨을 가동할 때에는 더욱 많은 양의 미세먼지가 정화될 수 있도록 에어컨 기류가 바이오월의 공기 유입구에 가장 빠르고 직접적으로 도달하는 곳에 바이오월을 설치하는 것이 효율적이다. 또한 교실 B와 같이 규모가 큰 공간 내에서는 사전에 미세먼지 농도 저감이 필요한 구역을 결정하고 에어컨, 공기청정기와 같은 실내 기류에 영향을 미치는 요소들을 고려하여 바이오월을 배치해야 한다. 또한 실제 바이오월의 효율 증대를 위한 재배치를 실시할 경우에는 학생 및 학교 관계자들의 편의를 반영한 위치 선정도 필요하다.
본 연구에서 바이오월에 자체의 제거 성능은 분석 대상이 아니었으나 향후 연구에서는 바이오월의 성능에 영향을 미치는 요소에 대한 검토가 필요하다. 또한 CFD 해석에서 입자의 침착이나 에어컨 필터에서의 제거 영향 등을 고려하지 않았기 때문에 추후 이러한 요소를 고려한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
