2.1 분석 대상건물 개요

시뮬레이션 대상지는 서울시 종로구에 위치한 A어린이집으로 데크층(지하 1층), 총 3개의 지상층, 옥탑층으로 구성되어 있고, 냉난방설비, EHP, 환기설비가 설치되어 있다. 데크층에는 보육실 2개와 조리실이 있다. 대상지는 최대 8.1 m의 레벨차가 있는 대지 내에 건축되었기 때문에 데크층 조리실의 경우 지하층과 같이 창문이 없다. 따라서 조리실의 후드장비는 데크층에서부터 1층까지 덕트로 연결하여 외기와 연결되어 있다. 하지만, 데크층의 보육실은 중앙 선큰을 통해 데크층과 1층을 연결하여 자연채광 및 환기가 가능하도록 설계되어 있다. 지상 1층, 2층, 3층 모두 각각 1개의 보육실이 있으며, 데크층의 보육실 2개를 포함하여 Table 1과 같이 총 5개의 보육실로 구성되어 있다.

2.2 시뮬레이션 조건

시뮬레이션 분석은 멀티존 오염물질 이동 및 농도 분석이 가능한 CONTAM을 이용하였다. 본 연구를 수행하기 위한 시뮬레이션 모델링은 대상건물 공간 모델링, 실내외 온도 설정, 기밀성능(누기면적) 입력 및 공기유동 경로 지정, 환기시스템 및 필터 모델링, 공기청정기 및 필터 모델링, 주방 후드 모델링, 마지막으로는 오염물질(미세먼지) 특성치 정의로 구성되어 있다. 시뮬레이션 모델링은 건물의 공간을 각각의 존으로 구분하여 동일 존의 온도, 압력, 오염물질 농도는 공간 내 균일, 완전혼합으로 가정하고 있기 때문에 단일 값을 가진다. 실내는 난방을 하고 있으며, 외부 기상조건은 기상청 데이터를 참고하여 분석 대상건물 주변의 외기 미세먼지가 높은 날인 2019년 3월의 평균 외기온도로 설정되었다. 어린이집 기밀성능의 경우, 관련 연구가 이루어지지 않았기 때문에 일반 주거 건물에 주로 사용되고 있는 1층 주출입문, 외피, 엘리베이터문 등의 기밀성능 자료를 활용하였다.⁽¹¹⁾ 본 연구에서 활용한 기밀성능 데이터는 환기시스템 풍량은 건축물의 설비기준에 관한 규칙 [별표 1의 6]⁽¹²⁾에 해당하는 어린이집의 1인당 요구 풍량인 36(㎥/인․h)을 기준으로 각 보육실의 인원수에 해당하는 공급 유량으로 설정하였다. 환기시스템의 필터효율은 선행 연구를 참고하여 설정하였다.⁽¹³⁾ 공기청정기의 풍량은 보육실의 최대 면적에 해당되는 청정면적 57 ㎡에 대한 풍량을 기준으로 시중에 판매되고 있는 모델로 적용하였고, 필터효율은 기존 연구의 결과를 참고하였다.⁽¹⁴⁾ 주방 후드는 정격풍량이 약 330 ㎥/h로 제시되어 있지만, 실제 가동조건에서 측정된 풍량은 정격풍량의 약 38%로 보고한 기존 연구결과⁽¹⁵⁾를 참고하여 적용하였다. 오염물질인 미세먼지는 조리실에서의 조리 활동, 보육실에서의 어린이들의 활동으로 인한 미세먼지 발생율⁽¹⁶⁾과 실내 침착률⁽¹⁷⁾은 선행연구를 참고하여 적용하였으며, Source/Sink Model을 이용하여 구현하였다. 또한, 외기 미세먼지가 외피와 개구부 틈새를 통해 실내로 침투되는 현상은 필터효율을 이용하여 구현하였고, 경계면 침입계수는 기존 연구결과를 참고하여 모델링하였다.⁽¹⁸⁾ 외기 미세먼지 농도는 측정 대상지 주변의 미세먼지 농도가 가장 높은 날의 에어코리아 측정 데이터⁽¹⁹⁾를 활용하였다. 본 시뮬레이션 분석은 공기유동 및 오염물질에 대해 정상상태 해석을 수행하였으며, 각 항목에 해당되는 시뮬레이션 조건은 Table 2와 같다.

2.3 분석 케이스

분석 케이스는 총 6가지이며, Base case는 어린이집의 미세먼지 농도가 높았을 시 원생들의 활동이나 조리에 의한 미세먼지 발생원이 없고, 환기시스템이나 공기청정기 등 미세먼지를 제거하기 위한 대책 안이 없는 상황을 모사한 조건이다. Case 1은 어린이들이 취침 시 활동에 의한 미세먼지 발생이 없는 경우 데크층의 위치한 조리실에서 조리를 하고 있는 상황을 모사하여 조리 시 발생하는 미세먼지 농도의 변화량을 검토하였다. 또한, 조리실에서 발생된 미세먼지가 조리실 외에 보육실로의 이동 여부도 검토하였다. 아울러 Case 1은 후드를 가동하지 않은 상황이다. Case 2는 Case 1에서 후드를 가동하는 경우이며, 후드의 미세먼지 저감 성능을 검토하였다. Case 3은 어린이집의 실내 미세먼지 농도가 가장 높게 형성될 수 있는 상황으로 점심시간에 데크층 조리실에서 조리를 실시하고, 보육실에서 어린이들의 활동을 통해 미세먼지 농도가 상승하는 상황에 대해 검토하였다. Case 4는 보육실 내의 미세먼지 제거를 위해 환기시스템을 가동한 조건이며, Case 5는 미세먼지 제거 대책안 중 환기시스템 대신 공기청정기를 가동한 경우이다. 마지막으로 Case 6은 환기시스템과 공기청정기를 병용하여 가동했을 때 보육실 내 미세먼지의 제거 성능을 검토한 경우이다. 분석 케이스 조건은 Table 3과 같다.

3.1 주방 조리 시 미세먼지 증가 특성 및 후드 가동에 의한 제거 특성 분석

데크층에 위치한 조리실에서 조리 시 발생된 미세먼지가 실내 미세먼지 농도 수준을 상승시키며, 이 상황에서 후드를 가동하여 미세먼지를 제거하는 성능을 검토한 것이다. Fig. 2는 어린이집의 분석대상 기간인 3월의 건물 내 공기유동을 분석한 것이다. Fig. 3은 Base case와 조리실에서 조리를 하는 상황인 Case 1, 조리를 할 때 후드를 가동하여 미세먼지를 제거하는 Case 2에 대해 분석 대상 어린이집의 각층의 수평, 수직적 공기유동과 그에 따른 실내 미세먼지 농도를 나타낸다. 즉, 조리 시 발생하는 고농도의 미세먼지가 건물 내 공기유동에 따라 인접실 또는 다른 층으로의 이동을 검토하였다. 화살표는 공기유동 방향을 나타내는 것이며, 해당 실에 표기되어 있는 숫자는 미세먼지 농도를 의미한다. Fig. 4, Fig. 5는 각각 주방에서 조리하는 경우 그리고 이 상황에서 후드를 가동하는 경우의 조리실 및 인접실의 미세먼지 농도 변화를 보이고 있다.

대상건물의 공기유동을 분석한 Base case의 결과, 데크층과 1층에서 외부에서 실내로 유입된 공기는 계단실을 통해 상층부로 이동하여 2층, 3층, 옥탑층의 보육실을 통해 외부로 유출되었다. 공기의 유입 및 유출 방향이 전환되는 건물의 중성대는 2층에서 형성되었다. 외부의 고농도 미세먼지(138 μg/㎥)가 데크층과 1층을 통해 유입되기 때문에 그 층에 위치한 보육실, 복도, 계단실 모두 국내 기준치(35 μg/㎥)를 초과하는 결과를 보였다. Base case에서 조리실의 미세먼지 농도는 조리를 하지 않은 상황으로 7.4 μg/㎥의 낮은 농도가 형성되었으며, 이는 조리실이 외기에 면하는 창이 없고 실내 미세먼지는 1층으로 연결된 후드를 통해 배기되기 때문이다.

Base case에서 보육실 2의 경우 같은 층에 위치한 보육실 3에 비해 외기에 직접 면하는 창문 개수가 적고, 창 면적도 보육실 3에 비해 작기 때문에 고농도 외기 미세먼지 유입량이 적어 36 μg/㎥의 분포를 보인 보육실 3에 비교하여 20 μg/㎥의 낮은 미세먼지 농도를 나타냈다. 2층의 경우 공기 유출입량이 적은 중성대이기 때문에 가장 낮은 미세먼지 농도 분포를 보였으며, 3층과 4층은 복도와 계단실의 미세먼지 농도가 외기 고농도 미세먼지에 비해 상대적으로 낮은 농도의 미세먼지가 보육실로 유입되어 외기로 배출되기 때문에 그 층에 위치한 보육실은 국내 기준을 만족하는 낮은 미세먼지 농도 분포를 보였다. Case 1의 주방 조리 시 주방의 미세먼지농도는 Base case 대비 약 364배, 국내 기준치의 약 77배를 상회하는 고농도 미세먼지가 형성되었다(Fig. 4참조). Fig. 3과 같이 조리에 의해 발생된 고농도 미세먼지로 인해 데크층 복도의 미세먼지 농도가 Base case 대비 2배 이상 증가하는 결과로 나타났다. 또한, 증가된 미세먼지가 계단실로 이동하여 모든 층의 계단실 미세 먼지 농도는 Base case 대비 약 2배 정도 증가하였다. 하지만 데크층의 주요 공기유동 경로는 외기 → 보육실 → 복도 → 계단실 순으로 이동하고 데크층에 위치한 조리실의 경우는 조리실 → 복도 → 계단실로 이동되기 때문에 조리 시 발생된 고농도의 미세먼지가 데크층에 위치한 보육실로 유입되지 않아 보육실의 미세먼지 농도는 Base case와 동일한 수준을 유지하였다(Fig. 4참조). 1층 또한 공기유동 경로가 외기 → 보육실 → 복도 → 계단실 순으로 형성되기 때문에 1층에 위치한 보육실 및 복도도 Base case와 동일한 수준의 미세먼지 농도 분포를 보였다. 2층에서 4층까지는 저층부 조리실 발생 미세먼지가 상층부로 유입되어 Base case 대비 복도와 보육실의 미세먼지 농도가 2배 정도 증가하였다.

Case 2는 주방 조리 시 후드를 가동했을 때 미세먼지 제거 특성에 대해 분석한 결과이며, 조리실의 미세먼지 농도는 후드 가동에 의해 약 64.3% 제거되었다(Fig. 3참조). 하지만, 여전히 그 농도는 국내 기준치의 약 27배를 상회하는 높은 수치를 나타내었다. 주방의 후드를 가동하게 되면 조리실 문에 약 8.4 Pa의 부압이 형성되어 복도에서 조리실로 공기가 유입되는 현상이 관찰되었다(Fig. 2참조). 또한 조리실 후드 가동에 따라 데크층의 전체 공기유동에 변화가 발생하여, 중성대 이하의 데크층과 1층의 외부에서 보육실로 유입되는 공기량이 증가하여 결과적으로 보육실의 미세먼지 농도가 Case 1 대비 다소 증가하는 결과를 초래하였다(Fig. 4참조). 2층의 경우도 후드를 가동하면 공기유동 방향이 외기 → 보육실 → 복도 → 계단실로 이동되는 현상이 나타났으며, 공기유입량이 Case 1 대비 2.36배 증가된 약 17 CMH의 공기 유동력을 보여 보육실의 미세먼지 농도가 Case 1 대비 약 7.8배 증가된 결과를 보였다(Fig. 4참조). 아울러 복도에서 조리실로 공기가 이동되었기 때문에 계단실의 수직 공기 유동량이 Case 1 대비 약 50% 줄어들어 결과적으로 계단실의 미세먼지 농도도 Case 1 대비 약 50% 감소하였다. 3층 및 옥탑층 보육실의 미세먼지 농도는 Case 1 대비 약 50% 저감되었다(Fig. 5참조).

3.2 주방 조리 및 원생 활동 시 보육실 내 미세먼지 증가 특성 및 대책안 적용 시 제거 특성 분석

Fig. 6은 주방 조리실에서 조리를 하면서 동시에 원생들이 보육실에서 활동을 하고 있어 보육실 및 실내 미세먼지 농도가 가장 높게 올라가는 상황의 조건(Case 3)과 이를 제거하기 위해 환기시스템을 가동(Case 4), 공기청정기를 가동(Case 5), 마지막으로 Case 6은 환기시스템과 공기청정기를 병용하여 가동했을 때, 주요 수평, 수직 공기 유동 경로와 주요 공기 유동 경로의 미세먼지 농도 및 공기유동량을 분석한 결과이다. Fig. 7, Fig. 8은 주방 조리 및 원생들의 활동에 의해 보육실 내 증가된 고농도 미세먼지를 환기시스템, 공기청정기, 환기+ 공기청정기 병용 가동했을 시 제거 성능에 대해 검토한 결과이다.

점심시간에 조리실에서 조리가 이루어지고 상황에서 원생들이 보육실에서 활동할 때를 모사한 Case 3의 결과, 조리실의 경우 미세먼지 농도가 Case 2와 비교했을 시 큰 차이가 나타나지 않았다. 가장 높은 미세 먼지 농도를 보인 곳은 1층 보육실이었으며, 이는 1층의 주출입문을 통해 다량의 외기 미세먼지 유입과 어린이들의 활동으로 인한 미세먼지 발생이 동시에 작용했기 때문이다. 1층 보육실의 미세먼지 농도는 약 190 μg/㎥으로 국내 기준치의 약 5.4배를 상회하는 수치였으며, 이를 제거하기 위한 대책이 필요할 것으로 판단되었다.

Case 4는 Case 3 조건에서 환기시스템을 가동하여 보육실 및 실내의 상승된 미세먼지에 대한 제거 성능을 검토한 것이다. 분석 결과, 환기시스템을 가동하면 보육실 내 미세먼지 농도는 평균적으로 76%가 제거되었 으며, 1층의 보육실 1을 제외한 모든 보육실에서 국내 기준치를 만족하는 결과를 나타내었다. 1층 보육실 1에서 미세먼지 농도가 국내 기준치를 초과한 것은 1층 주출입구와 인접한 곳으로 고농도의 외기 미세먼지 유입이 상대적으로 많았기 때문으로 사료된다.

Case 5는 Case 4와 동일한 조건에서 환기시스템 대신 공기청정기 가동을 통한 미세먼지 제거 성능을 검토한 경우이다. 분석 결과, 공기청정기 가동을 통해 실내 미세먼지 농도가 평균 56%의 제거되었으며, 옥탑층의 다락방인 보육실를 제외하고 모든 보육실에서 국내 기준치를 높게 상회하는 결과를 나타냈다. 옥탑층 다락방의 경우 3층의 보육실에서 간이 계단을 통해 올라갈 수 있는 구조로 되어 있어 3층의 보육실에서 원생들의 활동에 의해 증가된 미세먼지 농도의 이동 특성 및 영향을 검토하기 위함이었다. 따라서 다락방에 대해서는 원생들의 활동이 이루어지지 않는다고 가정하였기 때문에 옥탑층의 다락방 미세먼지 농도는 25 μg/㎥로 나타나 국내 기준치 이하로 형성되었다. 원생들의 활동이 없는 옥탑층을 제외한 모든 층의 보육실에서 국내 기준치를 초과하는 결과가 나타나 공기청정기의 필터효율을 고효율로 유지하거나 현재 적용된 평형 보다 더 큰 평형의 대용량 공기청정기를 가동하여 보육실 내 미세먼지를 제거해야 할 것으로 판단되었다.

Case 6은 환기시스템과 공기청정기를 동시에 병용하여 운전했을 경우의 실내 미세먼지 제거 성능을 검토한 경우이다. 분석 결과, 평균 80%의 보육실 내 미세먼지가 감소되는 결과가 나타났으며, 모든 보육실에서 국내 기준치 이하로 유지되었다. 환기시스템만을 가동하여 해결되지 못했던 1층 보육실에 대해 Case 6은 환기시스템을 가동하여 외기 고농도 미세먼지가 필터링되고 상대적으로 낮아진 농도에 대해 공기청정기를 병용하여 가동함으로써 낮은 농도의 공기를 순환시켰기 때문에 1층의 보육실에 대해 국내 기준치 이하로 유지시킬 수 있었다.

Case 3의 건물 전체 공기유동 경로는 후드를 가동한 Case 2와 동일하였지만, 후드의 영향으로 보육실 내에서 원생들의 활동에 의해 증가된 미세먼지가 각 층의 복도로 이동되어 Case 2 대비 약 38% 증가되었다. 또한, 복도의 미세먼지는 계단실로 이동되어 계단실의 농도도 Case 2 대비 약 26% 증가되어 복도 및 계단실의 농도는 Case 2 대비 총 31% 증가되었다. Case 3과 공기청정기를 가동하여 보육실 내 미세먼지를 제거한 Case 5의 주요 공기유동 경로는 동일하였지만, 공기청정기의 영향으로 복도 및 계단실의 농도는 Case 3 대비 약 23% 저감되었다. 하지만, Case 4, 6의 환기시스템를 가동하여 보육실 내 미세먼지를 제거하는 조건에서는 Case 3, 5와의 차이점이 존재하였다. Case 4, 6의 경우 환기시스템을 가동하기 때문에 각 보육실 공간이 가압되어 기존 Case 3, 5의 데크층 보육실2와 복도와의 차압이 0.78 Pa에 21 CMH의 풍량으로 보육실에서 복도로 공기가 이동된 것 대비 Case 4, 6은 데크층 보육실2와 복도와의 차압이 2.5 Pa로 형성되어 약 3.2배 증가되었으며, 이에 따라 풍량도 2배 이상이 증가되어 44 CMH의 풍량으로 보육실에서 복도로 공기가 이동되었다. 따라서 최종적으로 복도에서 계단실로 공기가 이동되어 계단실의 수직 공기유동량이 증가되었다. 또한, 이로 인해 계단실 수직 미세먼지 농도는 Case 3 대비 Case 4는 약 34% 저감되었고, Case 6은 약 36% 저감되었다.

본 연구에서는 어린이집에 주요 공기유동 경로 상의 주출입문, 외피, 엘리베이터문, 자동문 등에 관한 기밀성능 실측에 관한 연구가 이루어지지 않았기 때문에 일반적인 주거 건물에 주로 사용되고 있는 기밀성능 데이터를 활용하였다. 또한, 원생의 수, 연령, 활동도에 따른 미세먼지 발생율의 관한 연구도 이루어지지 않았기 때문에 선행연구에서 제시하고 있는 사람의 활동에 따른 미세먼지 발생율을 적용하였다. 따라서 추후 이에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.