1. 서론

최근 주거건물에서 미세먼지, 황사 등 공기환경의 악화로 인한 건강상의 위해성에 관한 관심이 높아지면서 환기에 대한 관심이 증가하고 있다. 신축 공동주택에 대해서는 환기설비의 설치가 의무화되어 덕트를 통해 열 교환된 외기를 공급하는 전열교환 환기장치, 바닥 온돌 층에서의 열 교환을 통해 외기를 공급하는 바닥열 환기장치, 자연환기와 전열교환 기계환기를 병용하는 하이브리드 환기장치 등 다양한 환기장치가 설치되고 있다.⁽¹⁾ 환기시스템의 환기방식 등에 따른 환기효율의 변화에 관련된 연구가 꾸준히 진행되고 있으며, Kang,⁽²⁾ Lee⁽³⁾에 의한 선행연구에서 급․배기구의 위치 등 환기방식에 따른 환기효율을 실험을 통해 검토한 바 있다. 환기효율에 대한 평가는 대상공간에 신선 외기도입량을 판단하는 환기회수와 실내 각 지점에 대한 신선 외기의 도달, 분포 특성을 나타내는 공기령(Age of air), 국소적 환기효율(Local Air-change Effectiveness)⁽⁴⁾ 등의 방법이 있다.

환기에 따른 실내 신선외기의 분포는 환기방식, 송풍량, 급·배기구의 위치, 실내 형상, 실의 체적 등 실내 공기유동에 영향을 미치는 요인에 따라 변화한다. 따라서 특정 환기시스템의 환기효율을 제대로 평가하기 위해서는 실내 대표점을 기준으로 하는 환기회수와 더불어 국소적 환기효율을 평가할 필요가 있다. 현재 국내 환기관련 현행 법규에서는 시간당 환기회수(0.5회/h)와 각 실 간의 환기량 편차( $<$ 25%)만을 검토항목으로 하고 있어 각 시스템의 실내 각 지점에 대한 환기효율은 평가하지 않고 있다.⁽¹~⁴⁾

본 연구에서는 실내 공동주택에서 환기에 따른 실내 각 지점의 국소적 환기효율을 평가하는 지표와 방법을 고찰하고, 특히 실험적인 방법을 통해 현장에서 국소적 환기효율을 평가하는 방법을 검토하고자 한다.

2. 국소적 환기효율에 관한 기존 연구

환기효율을 정의 하는 방법은 농도비에 의한 정의, 농도감소율에 의한 정의, 그리고 공기령(Age of air)에 의한 정의로 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 하지만 오염원의 위치에 관계없이 실내 기류분포에 의한 환기상태를 정량화하는 방법으로 공기령(Age of air) 개념이 제안되고 있다.⁽⁵⁾

공기령 개념은 Sandberg⁽⁶⁾에 의해 처음 소개되어, 환기효율을 정량적으로 평가하는 개념이다. 급기구를 통하여 실내로 유입된 공기가 실내 임의의 점에 도달할 때까지의 소요시간을 의미한다. 즉, Fig. 1과 같이 급기된 신선외기가 실내 임의의 점 P에 도달하기 까지 소요되는 시간이 짧을수록 공기는 신선하며, 환기효율은 높다고 정의하고 있다.

ASHRAE에서 현재 사용되고 있는 환기효율 및 공기령 개념은 대부분 Sandberg의 연구결과에 근거하고 있다.⁽⁷⁾

일본의 Murakami 등은 평균연령의 개념에 기초한 환기효율을 포함하여 오염물의 시간적 공간적 실내 확산 정도에 근거한 6가지의 환기효율지표(Scale for Ventilation Efficiency, SVE)를 제안하였다.⁽⁵⁾ 이 중 SVE3는 신선외기가 실내 임의의 공간으로 도달하는데 까지 이르는 시간과 경로를 나타내는 공기령을 의미한다. 공간 내 완전확산농도 상태에서 급기구로부터 신선외기의 도입으로 계산된 공간 내 임의의 점의 농도비이다.⁽⁸⁾ 하지만 SVE는 수치시뮬레이션(CFD) 해석을 위해 고안되었기 때문에 현장 측정을 위한 방식으로는 적절치 않다.

국소적 환기효율을 현장에서 실험을 통해 분석할 수 있는 방법으로 ASHRAE standard 129-Measuring Air- Change Effectiveness⁽⁹⁾가 제안되어 있다. 제안하고 있는 방법을 사용하였다. ASHRAE standard 129의 환기효율인 공기교환효율(Air Change Effectiveness)은 식(1)과 같이 정의된다.

여기서, E는 공기교환효율, τ_n은 명목환기시간, Aavg는 측정 대상공간 내 호흡역에 대한 평균 공기령을 나타낸다. ASHRAE standard 129는 공기령에 기초한 환기효율만을 대상으로 하고 있다. 또한 여기서 실내에서 오염물질 발생의 불균일성은 고려하지 않고 있다. 식(1)은 시간개념으로 표현하고 있으나 이 식을 평균농도의 개념을 이용하여 표현하며, 식(2)가 된다.

여기서, C_p는 완전혼합을 가정한 경우의 오염물질 농도, C_a는 실제의 오염물질 혼합 상태에서의 호흡역 평균농도이다. 도입 외기의 오염물질 농도는 0으로 가정한다.

ASHRAE standard 129의 식(1)에서 이용하고 있는 호흡역 평균공기령 Aavg는 트레이서 가스법에서 측정하는 방법을 상세히 설명하고 있다. 호흡역 평균 공기령은 다음에서 설명하는 트레이서 가스 감쇠법, 또는 Step-Up법에 의한 농도 측정 결과에 기초하여 산출된다.⁽⁹⁾ 본 연구에서는 테스트 공간의 초기 확산농도(initial uniform tracer gas concentration)를 측정하기 유리하기 때문에 감쇠법을 사용하였다.⁽⁹⁾ 감쇠법을 통해 국소적 환기효율을 산출하기 위한 관련 수식은 Table 1과 같다. 국소적 환기효율은 1.0에 가까울수록 완전 확산된 신선공기가 해당 지점에 도달된 것을 의미하며, 1.0보다 큰 경우는 해당 지점에 침기 또는 실내 공간에서 생길 수 있는 공기유동형상 중 하나인 변위유동(displacement)의 존재를 시사한다.⁽⁷⁾ 명목환기시간(nominal time constant, τ_n)은 실내 전체 체적만큼의 공기를 공급하는 데 걸리는 시간을 의미한다.

측정 대상공간의 체적(V, m³)과 환기량(Q₀, CMH)이 측정된다면 이를 통해 Table 1과 같이 산출할 수 있다. 이는 시간당 공기교환 회수를 나타내는 공기교환율의 역수이다.

각 점의 공기령(Age of air at location i)은 샘플링시간, 각 지점의 시간평균농도, 초기농도에 의해 계산되며 이는 급기된 공기가 실내 임의의 점 i에 도달한 시간을 의미한다.

상기의 방법으로 산출된 실내 각 지점에서의 평균연령의 평균을 통해 실평균 연령을 정의함으로써 실 전체 환기의 효율을 나타내는 지표로서 이용할 수 있다. 하지만 시간이 너무 많이 소요된다는 단점이 있으므로 배기 덕트 내에서의 추적 가스의 농도 변화를 측정하여 실 전체의 환기효율 및 평균연령(room mean age)을 산출하는 간이방법도 사용되고 있다.⁽¹¹⁾

3. 실험을 통한 국소적 공기령, 국소적 환기효율의 산출

4. 결 론

본 연구에서는 기존 환기효율의 개념을 이해하고 통상적으로 수치적 시뮬레이션을 통해 해석되는 실내 각 지점의 공기령 및 국소적 환기효율을 실험을 통해 규명하고자 하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다.

(1) 국소적 환기효율은 공기령 개념을 바탕으로 실내 각 지점의 환기효율을 나타내는 지표이며, 신선외기의 확산정도를 의미한다. 본 연구에서는 추적가스 감쇠법(step-down method)을 통한 실내 6개 지점에서의 국소적 환기효율을 산출하였다.

(2) 실측 결과 동일한 실에서 급/배기구의 위치 등에 따라 각 지점의 국소적 환기효율은 다르게 나타났다. 특히 배기구의 위치가 국소적 환기효율에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

(3) 실내 대표점을 기준으로 환기효율을 나타내는 환기회수가 크다고 해서 각 지점의 국소적 환기효율이 높게 나타나는 것은 아니었다. 실내 각 지점의 환기효율을 제대로 평가하기 위해서는 종래의 환기회수 보다는 국소적 환기효율을 평가하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

(4) 향후 연구로써 공기유동 해석 시뮬레이션인 CFD (Computational Fluid Dynamic)을 통해 다양한 환기방식에 대해 국소적 환기효율 평가의 필요성에 대해 검토할 예정이다.