2.1 대상건물의 개요

시뮬레이션 대상 어린이집은 서울시 종로구에 위치하고 있는 국공립 어린이집이다. 대상건물은 도심 주거지에 위치하고 있으며, 최대 8.1 m의 레벨차가 있는 삼각형 모양의 작은 대지에 위치하고 있다. 벽의 한 면이 지면에 접하고 있는 지하 데크층, 지상 1층~3층으로, 층별 구성은 Table 1과 같다. 경사지로 인해 1층에 원생들의 주출입문이 있으며, 조리실은 지하 데크층에 위치하고 있다. Fig. 1과 같이 분석 대상건물은 삼각형 대지조건을 이용하여 중간에 선큰 가든을 두고 실이 배치되어 있는 평면 형태를 가지고 있다. 평면구성은 삼각형 한쪽 변은 수직동선과 복도, 나머지 두 변은 보육실 또는 외부공간으로 구성되었다. 모든 보육실은 남측 채광이 가능하며, 2면 이상 외기에 접하도록 하여 자연환기가 가능하도록 계획하였다.

Fig. 1 Analyzed child-care building spaces.

Fig. 2 Airflow behavior of the analyzed building.

Fig. 2의 사전 분석결과, 분석 대상건물의 외부 미세먼지 농도가 높은 3월에 대한 실내외 공기유동 시뮬레이션 결과, 지하 1층, 1층을 통해서는 외부에서 실내로 공기가 유입되며, 2층, 3층, 옥탑층에서는 실내에서 외부로 공기가 유출되는 결과를 나타내었다. 중성대는 2층에서 형성되며, 실내 공기는 계단실, E/V 샤프트를 통해 이동하였다. 공기유동에 따라 미세먼지가 동반되어 이동하였다.

2.2 방풍실, 에어커튼의 이론적 고찰

방풍실은 문 등을 추가 구획하여 해당 구획에 작용하는 압력이 분산되어 각각의 문에 작용하는 압력을 저하시켜 문의 개폐를 용이하게 하고 해당 문을 통한 외기의 침입을 방지하는 역할을 한다. 방풍실을 설치한 후 출입문의 압력은 Fig. 3과 같이 약 절반씩 양쪽 도어에 분담된다. 그러나 외벽 및 샤프트의 압력에는 큰 영향을 미치지 않는다.

Fig. 4와 같이 에어커튼은 상한 압력차(Puc)와 하한 압력차(Plc)를 기준으로 3가지의 거동을 한다. 에어커튼을 기준으로 경계면의 실내외 차압이 하한 차압과 상한 차압 사이에 위치할 경우에는 에어커튼의 제트 기류가 문을 밀봉시켜 내외부 공기이동을 방지한다. 실내외 차압이 하한 차압보다 작은 경우 공기 유동은 실내에서 실외로 누기(exfiltration)되며, 상한 차압보다 큰 경우에는 침기(infiltration)가 발생한다.

Fig. 3 The meaning of wind break room on pressure difference at the entrance door.

Fig. 4 The three operation conditions of air-curtains.(11)

에어커튼을 통한 공기 유동량은 오리피스 방정식에 의해 식 (1)과 같이 표현될 수 있다.

에어커튼의 공기유동은 모든 압력 범위에서 에어커튼의 사용빈도와 밀접한 관계가 있고, 이에 대한 이론적 고찰은 Wang⁽⁸⁾과 Goubran⁽¹²⁾의 논문에 자세히 제시되어 있다. i는 ΔPoi ≥ 0일 경우 I = 0, ΔPoi < 0일 경우 I = 1을 사용한다. 선행연구⁽¹²⁾에서 C와 D는 에어커튼 토출각도 20°, 풍속 20 m/s에 대해 optimum condition의 경우 C = 0.095, D = -0.42를 사용하고(Fig. 4(a) 참조), 침기가 발생할 경우, C = 0.73, D = -2.59를 사용하며 (Fig. 4(b) 참조), 누기가 발생할 경우, C = 0.73, D = 0.94를 사용한다(Fig. 4(c) 참조).

Fig. 5는 일반적인 에어커튼 도어와 싱글도어의 실내외 차압에 따른 공기량을 비교한 그래프이다. Optimum condition에서 에어커튼을 통한 공기 유출입량이 일반 싱글도어에 비교하여 현저히 낮은 것을 확인할 수 있다. 이때 실내외 압력차 0 Pa에서 공기의 흐름은 에어커튼의 토출각도에 의해 0 m$^{3}$/h로 형성되지 않는다. 또한 실내로 공기유입 진행 조건(inflow breakthrough condition)에서 침기량은 에어커튼이 일반 싱글도어에 비교하여 낮게 형성된다. 이처럼 에어커튼 설치를 통하여 외기의 침입과 내부 공기의 유출을 방지할 수 있으며 동반되는 미세먼지의 유입과 확산을 방지할 수 있다. 본 연구에서는 에어커튼을 시뮬레이션 툴인 CONTAM에서 구현하기 위해 Fig. 3의 데이터를 Cubic Spline Data⁽¹³⁾ 옵션에 적용시켰다. 또한 조리 시 설치되는 에어커튼은 조리자 위치와 조리실을 분할시키기 때문에 두 개의 실과 하나의 노드로 표현하였다.

Fig. 5 A typical Q-ΔP curve for an air-curtain compared to a single door.(7)

2.3 시뮬레이션 개요

본 연구에서는 멀티존 네트워크 시뮬레이션 프로그램 CONTAM을 이용하여 다층, 다실공간의 멀티존 모델링을 통해 각 실간 공기유동과 그에 따른 물질이동을 각 개체 간의 상호작용을 고려하여 분석하였다. CONTAM 시뮬레이션 프로그램은 하나의 존에 대하여 완전확산을 가정하므로 각 존의 기류, 압력 및 오염물질 분포를 묘사하지는 못하지만, 짧은 시간에 많은 수직, 수평기류 및 물질이동을 해석할 수 있는 강력한 수단이다.

조리 시 사용되는 레인지 후드의 풍량은 300 CMH(강), 250 CMH(중), 200 CMH(약)으로 나누어 3단계로 구분하였고, 등원 및 조리 시 주출입문 현관과 조리실의 에어커튼은 토출 각도 20˚, 풍속 20 m/s을 가정하여 2.2절에 기술된 선행연구⁽¹²⁾에서 제시한 유량계수와 공기량 데이터를 입력하였다. 외기 미세먼지 농도는 어린이집 인접 기상청 데이터 중 가장 높은 날을 기준으로 사용하였고,⁽¹⁴⁾ 미세먼지의 칩입계수 및 침착률, 조리 시 미세먼지 발생율은 선행연구들을 참고하여 가정하였다. 본 연구에서 설정한 시뮬레이션 입력 데이터는 Table 2와 같다.

2.4 시뮬레이션 케이스

Case 1, 2는 어린이집에서 원생들이 아침 등원 시 외부 미세먼지가 주출입문을 통해 실내로 유입되는 상황을 모사하고, 방풍실과 에어커튼 유무에 따른 외기 미세먼지 유입 및 차단 효과를 검토하였다. 이때 Case 2의 외측 출입문은 스윙도어로 구성하였고, 내측 출입문은 자동문으로 구성하였다.

Case 3, 4는 지하층 조리실에서 조리 시 레인지후드 유무 및 풍량과 에어커튼 유무에 따른 조리 시 발생하는 미세먼지 제거 및 확산 방지 효과를 검토하였다. 검토 케이스는 Table 3과 같다.

Fig. 6 Wind break room at main entrance in 1F.

3.1 등원 시 미세먼지 농도 변화

Fig. 7은 등원 시 방풍실과 에어커튼 유무에 따른 실내 보육실 미세먼지 농도 및 공기유출입량을 나타낸다. 본 대상건물의 중성대는 2층에 형성되고, 에어커튼이 미설치 시 지하층과 1층에서는 외부에서 실내로 공기가 유입되며 지상 2층, 3층, 옥탑층에서는 실내에서 외부로 공기가 유출된다. 따라서 원생들이 등원 시에 1층 현관문이 열린 상태가 되면 외부에서 실내로 공기가 유입된다. 결과적으로 현관문에 방풍실이나 에어커튼이 없는 경우(Case 1-1)에는 다량의 외기가 실내로 유입되며 이와 동반하여 외부 미세먼지가 실내로 유입되어 1층 현관의 미세먼지 농도는 58.1 μg/m$^{3}$, 그리고 1층 보육실(childcare 1)의 농도는 36.9 μg/m$^{3}$으로 나타났다. Case 1-1에 대해서 1층 주출입 현관문에 에어커튼을 설치한 경우(Case 1-2), 1층 보육실의 미세먼지 농도는 30.8 μg/m$^{3}$으로 Case 1-1 대비 약 29.6% 감소되는 효과를 보였다. 주 출입문에 방풍실을 설치한 경우(Case 2-1)는 1층 보육실의 미세먼지 농도가 Case 1-1 대비 약 16.6% 감소되는 결과를 보였다. 즉 1층 주 출입문을 통해 유입되는 외기량, 이와 동반한 미세먼지 유입을 차단하는 효과는 방풍실 보다는 에어커튼이 더 크게 나타났다.

방풍실과 에어커튼을 동시에 설치한 경우(Case 2-2), Case 1-1 대비 1층 보육실 미세먼지 농도가 약 45.4% 낮아져 두 가지 대책을 모두 적용하는 경우가 주 출입문을 통한 외기도입, 미세먼지 유입을 저감하는 효과가 매우 높게 나타났다.

Fig. 7 Indoor PM2.5 concentration and inflow rates of outdoor air when entrance door is opened.

3.2 조리 시 미세먼지 농도 변화

Fig. 8과 Fig. 9는 지하 1층 조리실에서 조리 시 레인지 후드 가동과 에어커튼 설치 유무에 따른 조리자 위치 및 인접실(보육실 2, 3)의 실내 미세먼지 농도 및 공기유출입량을 나타낸다. Fig. 9과 같이 조리 시 조리실의 미세먼지 농도는 저감 대책이 마련되지 않은 경우(Case 3-1), 국내 기준치의 약 45배 이상 초과하는 고농도를 나타내었다. 여기에 조리자와 가스레인지 사이에 에어커튼을 설치하는 경우(Case 3-2), 조리실의 미세먼지 농도가 13.3% 저감되었지만 여전히 높은 농도를 나타내었다. 조리 시에 레인지후드를 가동하면 조리실 미세먼지 농도를 73%~80% 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다. 레인지후드의 풍량에 비례하여 감소효과는 크게 나타났다. 그러나 이 경우의 조리실 미세먼지 농도는 기준치의 약 9~12배에 해당하는 높은 농도를 나타내었다.

조리 시에 레인지후드와 함께 에어커튼을 동시에 가동하는 경우는 조리실의 미세먼지 농도를 96~97% 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다. 이 경우에도 조리실의 미세먼지는 여전히 높아서 기준치의 약 1.6~2배의 높은 농도를 나타내었다.

Fig. 8 Indoor PM2.5 concentration and airflow rates according to the cooking conditions(cooking room).

Fig. 9 Indoor PM2.5 concentration according to the cooking conditions(childcare room 2 and 3).

Fig. 9는 조리 시 조리 조건에 따른 조리실의 미세먼지 농도가 인접한 보육실 2와 3의 실내 미세먼지 농도 형성에 미치는 영향을 검토하였다. 전반적으로 조리실에 인접한 보육실 3의 미세먼지 농도가 높게 나타났다. 그러나 보육실 3의 미세먼지 농도도 조리실에서 발생한 미세먼지가 직접적으로 전달되었다기 보다는 조리실에서 후드의 가동에 따라 보육실 3에 음압이 형성되어 외부에서 미세먼지가 유입되는 경향을 나타내었다. 조리실에서 레인지후드를 가동하면 에어커튼 미가동 시 외피에서 유입된 공기는 일부 조리실의 레인지 후드로 이동하였고, 일부는 복도를 지나 보육실로 이동하였다.