2.1 분석 대상건물의 개요

분석 대상건물은 서울시 종로구 도심지에 위치한 4층 규모의 어린이집이다. 분석 대상건물은 최대 8.1 m 레벨차가 있는 대지 내에 건설되어, 지중공간에 면해있는 데크층의 일부 실들은 창문이 없지만 데크층과 1층이 수직적으로 연결되어 있는 선큰을 통해 자연채광과 환기가 가능하도록 설계되어 있다(Fig. 1 참조). 또한, 모든 보육실은 남측 채광이 가능하며, 2면 이상 외기에 접하여 자연환기에 유리하도록 설계되어 있다. 1층의 주출입구가 있으며, 계단실은 문이 없고 데크층부터 3층까지 오픈되어 있는 구조이다. 각 층의 정보는 Table 1과 같다. 구조는 철근콘크리트조이며, 냉난방설비로 EHP, 천정형 환기설비가 설치되어 있다. 데크층에는 조리실, 보육실 2개가 있고, 1층부터 3층까지 각 층마다 보육실이 있어 총 5개의 보육실로 구성되어 있다.

Fig. 1 Plan (B1F) of the analyzed building.

2.2 분석방법

본 연구에서 어린이집의 실내 미세먼지 농도에 대한 분석은 시뮬레이션 분석을 통해 이루어졌다. 시뮬레이션 분석은 다중구역(Multizone)을 가진 건물 내 공기유동 및 실내 공기질 분석에 널리 사용되는 CONTAM을 이용하였다.⁽¹⁷⁾ 본 연구의 목적에 따른 시뮬레이션 모델링은 대상건물의 공간 모델링 및 실내외 온도 설정, 각 건물 부위에 대한 기밀성능(누기면적) 입력 및 공기유동 경로 지정, 환기시스템 및 필터 모델링, 공기청정기 및 필터 모델링 그리고 오염물질의 특성 정의 및 발생량 입력이 필요하다. CONTAM은 환기시스템 컴포넌트가 있어서 모델링이 가능하지만, 공기청정기 컴포넌트가 없기 때문에 이에 대한 모델링이 필요하다.

해당 시뮬레이션에서 존의 온도는 난방 조건으로 실내 온도 24℃로 설정하였으며, 외기온도는 어린이집 주변의 외기 미세먼지가 가장 높은 시기인 2019년 3월의 평균 외기온도 조건을 기상청 데이터를 참고하여 8.25℃로 설정하였다.

각 존 간의 공기유동을 지정하기 위해 공기유동 경로 상의 있는 문, 외피 등의 기밀성능(누기면적)에 대해 기존 논문을 참고하여 설정하였다.^(18-21)

환기시스템의 공급 유량 조건은 건축물의 설비기준에 관한 규칙 [별표 1의 6]에 해당하는 1인당 요구 풍량인 36(㎥/인․h)을 기준으로 각 보육실의 인원수에 해당하는 공급 유량을 설정하였다. 환기시스템 미세먼지 필터효율은 기존 연구결과⁽²²⁾를 참고하여 88%로 설정하였다.

CONTAM 내 공기청정기 컴포넌트의 부재로 공기청정기는 본 연구에서 추가적인 모델링을 통해 구현하였다. 공기청정기는 환기시스템과 다르게 하나의 존에서 공급과 리턴 두 가지 노드의 재순환이 반복되며, 그 과정에 필터가 제거효율을 가지고 미세먼지를 제거하게 된다. 따라서 공기청정기는 하나의 존에서 공급과 리턴이 재순환되도록 공기 유동경로를 설정하였다. 공기청정기 풍량은 각 보육실의 청정면적에 해당하는 시중에 판매되고 있는 S사의 청정면적 57 ㎡의 풍량을 적용하였다. 공기청정기 필터효율은 기존 연구결과⁽²³⁾를 참고하여 80%로 하였으며, 필터를 교체주기에 따른 필터 효율이 달라지는 점을 감안하여 필터 교체주기가 적절하여 초기의 높은 필터 효율을 유지하는 경우의 95%의 필터효율도 적용하였다. 또한, 공기청정기의 용량(풍량)을 변경하여 청정면적 87 ㎡ 공기청정기를 적용하는 경우도 분석하였다.

공기 중의 오염물질은 다양한 이동 메커니즘에 의해 건물에 확산된다. 본 시뮬레이션에서는 오염물질의 건물로의 유입 및 유출, 필터 및 흡착, 침착에 의한 제거, 생성 등의 다양한 확산 경로를 시뮬레이션하기 위해 먼저 오염물질인 미세먼지를 정의하였다. 건물에서의 미세먼지의 확산을 표현하기 위해 각 존에 대해 미세먼지의 생성, 침착 등의 메커니즘을 소스(source)/싱크(sink) 모델을 이용하여 모델링하였다. 아울러 미세먼지 모델링에 필요한 침입계수,⁽²⁴⁾ 침착률,⁽²⁵⁾ 발생량⁽¹⁴⁾ 등은 기존 논문의 연구결과를 참고하였다. 외기 미세먼지 농도는 에어코리아의 측정데이터 중 어린이집 주변의 대기 미세먼지 농도가 가장 높은 날의 농도를 기준으로 하였다. 본 시뮬레이션 분석은 공기유동 및 오염물질에 대해 정상상태 해석을 진행하였다.

2.3 분석 케이스

분석 케이스는 총 4가지로 구성하였으며, Base case는 어린이들의 활동도를 고려하지 않은 상태, 환기장치, 공기청정기 등을 운영하지 않은 상태에 대해 건물 창호의 기밀성능은 일반적인 수준이며, 외기 미세먼지 농도는 높은 경우이다.

Case 1은 모든 조건이 Base case와 동일하나 어린이들의 활동도를 고려한 조건으로 어린이들의 실내 활동에 의해 실내 미세먼지 농도가 상승하는 상황에 대해 분석하였다.

Case 2는 어린이들의 실내 활동에 의해 보육실 내 미세먼지가 증가된 상황에서 보육실의 미세먼지를 제거하기 위한 방안으로 환기시스템을 가동한 경우이다.

Case 3은 공기청정기를 가동한 경우이며, Case 3-1은 공기청정기 필터 효율(교체주기)에 따른 미세먼지 제거 성능 검토로 청정면적 57 ㎡ 공기청정기의 필터 교환주기가 긴 경우인 필터효율 80%와 필터 교환주기가 짧은 경우 필터효율 95% 두 개로 나누어 분석하였다. Case 3-2는 공기청정기 풍량 증가에 따른 미세먼지 제거 성능 검토로 청정면적 57 ㎡ 외 대용량 제품인 청정면적 87 ㎡ 공기청정기를 적용하여 분석하였다.

Case 4는 환기시스템과 공기청정기를 병용하여 가동했을 때 보육실 내 미세먼지 제거성능을 분석한 경우이다. 본 논문에서 지면 관계로 실내 CO2 농도분포에 대한 내용은 포함하지 않고 있으나 어린이집에서 공기청정기만으로 미세먼지 제거를 하는 경우에 신선외기의 부족으로 실내 공기중의 CO2 농도가 기준치를 상회하는 경우가 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서 검토하는 Case 4는 어린이집에서 실내 미세먼지와 CO2 농도의 상승에 대비한 제어방법에 대한 검토이다. 전체 검토 Case를 정리하면 Table 3과 같다.

3.1 대상건물 내 공기유동

분석대상 어린이집의 분석대상 기간인 3월의 건물 내 공기유동을 분석하였다(Fig. 2 참조). 미세먼지가 공기유동에 동반하여 이동하기 때문에 각 실의 미세먼지 농도 형성을 이해하기 위해서는 건물 전체 공기유동을 이해하는 것이 중요하다. 대상건물의 공기유동 분석 결과, 건물의 공기유입, 유출이 변경되는 중성대는 건물 2층에서 형성되었다. 즉, 데크층, 지상 1층에서는 외부에서 실내로 공기가 유입되고 유입된 공기는 계단실과 엘리베이터 샤프트를 통해 상층부로 이동하여 지상 2층, 3층, 옥탑층의 실내를 경유하여 외부로 공기가 유출되는 결과를 나타내었다.

Fig. 2 Analysis of indoor airflow caused by the stack effect in the analyzed building.

3.2 어린이들의 활동에 따른 실내 미세먼지 농도의 변화

Base 케이스와 비교하여 Case 1은 어린이들의 보육실 내 활동에 따른 실내 미세먼지 농도 변화를 분석한 정상상태 결과이며 Fig. 3과 같다. 보육실 내 어린이들의 활동에 의해 미세먼지 농도가 상승하게 된다.

검토 결과, 보육실에서 어린이들의 활동도를 고려하면 모든 보육실에서 실내 미세먼지 농도는 국내 기준치의 약 1.4배에서 최대 5.5배까지 상승하는 결과를 보였다. 특히 보육실 1의 농도가 194 μg/㎥로 가장 높았다. 그 이유는 1층의 보육실 1은 원생들이 아침에 등교하는 주출입문에 인접하고 있으며, 등교 시에 주출문이 개방된 상태에서 많은 외기가 유입되며 그와 동반하여 외부 미세먼지가 유입되어 실내 잔존 미세먼지 농도가 높았기 때문이다. 보육실 2, 3, 4의 경우는 위 Fig. 1의 건물 내 공기유동 결과와 같이 높은 미세먼지 농도의 외기가 실내로 유입되기 때문에 실내 잔류 미세먼지 농도가 타 실에 비해 높아서 활동에 따른 실내 미세먼지 농도도 비교적 높게 나타났다. 기존 연구에서도 활동에 의해 약 18분 동안에 발생된 실내 미세먼지 농도가 82 μg/㎥로 나타났기 때문에⁽²⁶⁾ 활동이 장시간 이루어졌을 시 현 분석에서 발생된 농도만큼 증가될 것이라고 판단되었으며, 활동이 장시간 이루어졌다고 가정한 것은 실내 미세먼지 농도가 최악의 상황 일 때를 모사한 것이다.

Fig. 3 Indoor PM2.5 concentration changes according to the children’s activities in child-care room.

3.3 환기시스템 가동에 따른 실내 미세먼지 농도의 변화

Case 2는 Case 1에서 어린이들의 실내 활동으로 인해 보육실 내 미세먼지 농도가 증가된 상태에서 환기 시스템을 가동하여 보육실 내 미세먼지 제거 성능을 검토하였다(Fig. 4 참조). 분석 결과, 환기시스템을 가동하면 실내 미세먼지 농도는 평균적으로 77% 정도 낮아지는 효과를 보였다. 1층에 위치한 보육실 1을 제외한 나머지 모든 보육실에서 국내 기준치 이하로 유지되었다. 1층에 위치한 보육실 1의 PM2.5 농도는 여전히 기준치를 상회하는 51 μg/㎥의 결과를 나타냈다. 이는 환기시스템은 외기를 도입하는 시스템이기 때문에 외기 미세먼지 농도가 높은 상황에서 환기시스템 가동 시 일부 고농도 외기 미세먼지가 유입될 수 있다. 즉 외기 미세먼지 농도가 높은 상황에서는 실내 공기청정기와의 병용 운전도 필요할 것으로 판단된다.

3.4 공기청정기 가동에 따른 실내 미세먼지 농도의 변화

Case 3은 보육실 내 증가된 미세먼지 제거를 위해 공기청정기를 가동하여 보육실 내 미세먼지 제거성능을 검토한 경우이다. 분석 케이스는 크게 두 가지로 구분되며, 공기청정기 필터의 미세먼지 제거 효율(80%, 95%), 공기청정기 용량 증가(청정면적 57 ㎡, 87 ㎡)에 따른 미세먼지 제거성능을 분석하였다.

Case 3-1은 분석대상 어린이집 보육실 규모에 맞도록 청정면적 57 ㎡ 공기청정기 용량으로 하고 공기 청정기의 필터 효율(80%, 95%)에 따른 분석이다. 분석 결과는 Fig. 5와 같다. Case 3-1-1은 공기청정기의 필터 효율이 80%로 어린이집 등 공공건축물의 필터 교환주기가 다소 길어서 필터 효율이 다소 저하된 상황을 묘사 하고 있다. Case 3-1-2는 공기청정기의 필터 효율이 95%로 필터 교환주기가 짧아서 필터 효율이 높은 상황을 묘사하고 있다.

분석 결과, 원생들의 실내 활동에 따라 실내 미세먼지 농도가 높아진 상황에서 공기청정기를 가동하면 실내 미세먼지 농도는 필터효율 80%일 때는 57%의 실내 미세먼지 제거성능을 보였다. 필터 효율이 95%인 경우에는 실내 미세먼지 제거성능이 61%까지 향상되었다. 그러나 미세먼지 제거효율이 95%인 필터를 적용한 공기청정기를 가동했을 시에도 초기 미세먼지 농도가 높은 1층의 보육실 1과 데크층의 보육실 3은 여전히 국내 24시간 평균 기준치인 35 μg/㎥를 약간 상회하는 결과를 나타냈다.

이에 대한 해결방안으로 Case 3-2에서는 공기청정기의 용량을 기존 청정면적 57 ㎡에서 대용량의 청정면적 87 ㎡로 변경, 가동 시의 보육실의 미세먼지 농도 변화를 검토하였다. Case 3-2-1은 공기청정기의 필터 효율이 80%인 경우이며, Case 3-2-2는 공기청정기의 필터 효율이 95%인 경우이다. 분석결과는 Fig. 6과 같다.

Fig. 4 Indoor PM2.5 concentration changes in child-care room by operating the ventilation system.

공기청정기 용량을 청정면적 87 ㎡으로 적용하여 운전하면, 실내 미세먼지 농도는 필터의 미세먼지 제거효율이 80%인 조건에서 평균 75%의 미세먼지 제거효율을 보여 청정면적 57 ㎡일 때 보다 약 18%의 제거성능이 향상되었다. 필터효율이 95%인 조건에서는 약 78%의 실내 미세먼지 제거효과를 보여 청정면적 57 ㎡ 대비 약 17%의 제거성능이 향상되었다. 필터효율이 80%인 조건에서 공기청정기의 용량을 청정면적 87 ㎡로 증가시켜도 대부분 보육실의 실내 미세먼지 농도가 기준치를 상회하는 결과를 보였다. 이에 반하여 필터효율이 95%인 경우에는 공기청정기 용량을 청정면적 87㎡로 증가시키면 모든 보육실의 실내 PM2.5농도는 기준치 이하로 유지되었다. 즉 원생들이 실내 활동을 실시하는 상황에서 상승된 실내 미세먼지 농도를 기준치 이하로 유지하기 위해서 공기청정기를 가동한다면, 공기청정기의 용량은 최소 청정면적 57㎡ 이상이 되어야 하고, 필터효율도 95% 이상이 되는 것을 적용해야 한다는 것을 의미한다.

Fig. 5 The removal of PM2.5 concentration in child-care rooms by operating the air cleaning unit(CADR-57 ㎡) according to the filter removal efficiency

Fig. 6 The removal of PM2.5 concentration in child-care rooms by operating the air cleaning unit(CADR-87 ㎡) according to the filter removal efficiency

Case 2와 3을 종합적으로 분석하였을 때, 환기시스템은 1인당 필요 환기량에 따라 용량이 결정되어, 본 연구의 분석대상 보육실에서는 평균 640 CMH 용량의 환기시스템이 설치되며, 이는 4 ACH의 환기횟수(신선외기 교환율)에 해당한다. 이에 반해, 공기청정기는 청정면적에 따라 용량이 결정되며, 현 분석에 사용된 요구 풍량은 평균 174 CMH였고, 평균적으로 1.2 ACH의 상당신선외기공급량(CADR)에 해당한다. 따라서 신선외기 공급량에 대한 미세먼지 제거 효율은 공기청정기가 환기시스템에 비해 우수한 결과를 나타냈다.

한편 환기시스템은 외기를 도입하여 실내 공기와의 혼합을 통해 실내 공기 오염농도를 낮추는 방식으로 외기 미세먼지 농도에 따라 환기에 따른 실내 미세먼지 농도는 변화한다. 따라서 외기 미세먼지 농도가 높은 경우 고농도의 미세먼지 일부가 실내로 유입되기 때문에 실내 미세먼지 제거 효율이 떨어질 수 있다. 반면, 공기청정기는 내부의 미세먼지를 필터를 통해 포집하여 제거하기 때문에 필터 효율에 따라 결과가 달라질 수 있다.

따라서 외기 미세먼지 농도의 변동, 공기청정기 필터 효율의 변동, 그리고 미세먼지 제거뿐만 아니라 실내 CO2 농도를 고려하면 환기시스템과 공기청정기를 병용하여 운전하는 것이 바람직하다.

3.5 환기시스템과 공기청정기 동시 가동에 따른 실내 미세먼지 농도의 변화(Fig. 7 참조)

Case 4는 각 보육실의 환기시스템과 공기청정기를 동시에 병용하여 운전했을 경우의 보육실 내 미세먼지 제거 성능을 검토한 경우이다. 적용한 공기청정기는 청정면적 57 ㎡이며, Case 4-1은 필터의 미세먼지 제거효율은 80%, Case 4-2는 필터 효율 95%의 경우에 대해 분석하였다.

분석 결과, 환기시스템 및 공기청정기를 동시에 가동 시 Case 4-1의 공기청정기 필터효율이 80%인 경우에는 평균적으로 79%, 공기청정기 필터효율이 95%인 Case 4-2의 경우는 평균적으로 81%의 실내 미세먼지 제거효율을 보였다. 공기청정기 필터효율이 80%인 경우에는 보육실 1의 미세먼지 농도가 국내 기준치를 약간 상회하는 결과를 보였지만, 필터의 제거효율을 95%로 높이면 기준치인 35 μg/㎥로 낮출 수 있었다.

환기시스템과 공기청정기를 동시에 가동하면 모든 보육실에서 실내 미세먼지 농도를 각각 개별적으로 운전하는 케이스와 비교하여 가장 낮은 실내 미세먼지 농도를 유지할 수 있었다. 그러나 환기시스템과 공기청정기를 동시에 병용하여 가동한다고 하여도 공기청정기 필터를 교체주기에 맞게 교체하여 필터효율을 고효율로 유지하지 못하면 국내 기준치를 상회하는 결과를 보일 수 있어, 필터의 주기적인 교환이 중요함을 시사하고 있다.

Fig. 7 The removal of PM2.5 concentration in child-care rooms by operating the ventilation and air cleaning unit.