기호설명

1. 서 론

학교 교실 내부의 공기질은 학생들과 교사들의 건강과 학습 환경에 직접적으로 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나이다. WHO에 의하면 실내 공기오염에 의한 건강의 위험성이 실외 대비 5배 이상 높은 것으로 보고되었다. 그 외 많은 연구에서 학교 교실 내 미세먼지와 이산화탄소 농도의 증가가 미세먼지 취약계층인 성장기 학생들의 건강과 학습 능력에 부정적인 영향을 미치고 있음이 밝혀졌다.^(1,2)

미세먼지는 대기 중 부유하는 입자로, 일부는 실내에서 발생할 수도 있지만 주로는 실외에서 창문 등을 통해 교실 내부로 유입된다.⁽³⁾ 미세먼지 농도가 높아지면 호흡기 및 안구 질환, 알레르기 증상 등으로 인한 집중력 저하 및 학습 성과 하락 등의 문제가 발생할 수 있다. 이산화탄소는 학교 교실 내 공기 중에 포함된 기체로, 일정 수준 이상의 이산화탄소 농도는 호흡에 영향을 미쳐 학생들의 피로와 두통을 유발할 수 있으며, 학습 능력을 감소시킬 수 있다.^(4-6)

이러한 문제를 방지하기 위해 학교 교실 내부에 미세먼지와 이산화탄소량 제어를 위한 공기정화장치 (공기청정기 및 환기장치)를 도입하는 것이 의무화되고 있다.⁽⁷⁾ 이러한 공기정화 장치들은 운전 방법에 따라 내부 공기질 제어 성능에 확연한 차이가 존재하기 때문에⁽⁸⁾, 설치 위치, 수, 공기 토출 방향 등의 영향 확인 및 최적화 연구가 필요하다.^(9-12) 하지만 다양한 공기정화장치의 복합 운전 시 효과적인 운영을 위한 연구 사례 및 기준 정립이 현재까지는 미흡한 실정이다.

본 연구에서는 학교 교실 환경 내 공기청정기와 환기장치 2종류 공기정화장치의 설치 및 운전 성능 실증을 통하여 각 효과를 검증하고, 효과적인 운영 방법(운영 대수, 설치 위치) 도출을 위한 연구를 진행하였다.

2. 연구 방법

경기도 소재 초등학교 교실 환경을 대상으로 연구를 진행하였다. 학교의 특징으로는 그 위치가 시내 및 미세먼지 측정소와 다소 거리가 존재하는 산골에 둘러싸인 점이었다. 교실의 크기는 2.85(가로)×7.04(세로)× 8.55(높이) = 171.5 ㎥였고, 구형 창호 및 목재 출입문으로 구성되었다.

교실 재실자인 학생들이 존재하지 않는 수업 중과 수업 이후 빈 교실을 대상으로 측정을 진행하였다. Fig. 1은 실험에 사용된 장비들의 실제 설치 모습을 나타낸다. Fig. 1(a)는 측정 대상 교실의 전경을, Fig. 1(b)는 내부에 프리필터, 활성탄필터, 미디움필터, 헤파필터 등 다단계 여과 시스템이 구성되어 있어 미세먼지 및 이산화탄소를 동시에 제거할 수 있는 스탠드형 환기장치를, Fig. 1(c)는 미세먼지 제거 및 탈취 기능을 갖춘 공기청정기를 각각 보여준다. 풍량계(TAB Master mini Model 6750, Kanomax), 실내/실외 입자 측정기(PI model A and B, Grimm), 이산화탄소 측정기(AF-001, AIRLAB)를 활용하여 환기장치와 공기청정기의 풍량, 미세먼지 (PM10, PM2.5) 및 이산화탄소 제거 성능의 다방면 실증 및 운영 기준 마련을 위한 실험이 수행되었다.

Fig. 2는 각 장치의 설치 대수, 위치 및 풍량을 제어하며 최적 운전 조건을 도출하기 위한 공기청정기(A), 환기장치(B), 입자 측정기(C)의 배치를 나타낸다. 공기청정기(A)는 교실의 네 구석(A1, A2, A3, A4)에 배치되었는데, 이는 공간 전체에서 고르게 공기 정화를 수행하고, 공기 순환의 사각지대를 최소화하기 위한 것이다. 각 장치의 공기 흐름 방향은 낮은 환기횟수에서 효과적이라고 보고된⁽¹³⁾, 재실자들인 학생들이 주로 존재하는 교실 중앙 책상 방향 직접 송풍으로, 주요 공간의 공기질 제어 성능을 높이고자 하였다. 환기장치(B)는 외기 유입 및 배출을 통한 원리상 교실 외벽 방향 창문 근처(B1, B2) 모서리 위치에 설치되어 교실 복도 문 방향으로 공기가 토출되었다. 공기청정기와 환기장치의 복합 운전 케이스에선, 동일 위치에 두 장치를 동시에 설치하지 않고 각기 다른 위치에 설치하였다. 이러한 위치 선정은 환기장치와 공기청정기의 각 내부 공기질 제어 성능 및 토출 기류 간 상호 작용을 만들어 공간 내 오염물질 제거를 더욱 효과적으로 수행하기 위한 것이다. 두 장치의 공기질 제어 성능 평가를 위한 입자 측정기(C)는 공기질 변화를 정확히 측정하기 위해 교실 중앙(C1, C2)과 후면 벽 근처(C3)에 설치되었다. 중앙(C1, C2)은 공기 흐름이 가장 집중되는 지점으로, 장치들의 공기질 개선 효과를 실시간으로 모니터링할 수 있는 최적의 위치이다. 후면(C3)은 상대적으로 중심 영역에 비해 공기 순환이 덜 이루어지기 쉬운 사각지대가 생길 수 있는 영역으로, 공간 내 정화 효과의 전체 교실 영역 내 균일성을 평가하기 위해 설정되었고, 공기청정기 및 환기장치의 각 배치 케이스마다 송풍 방향의 반대 방향에 위치한 지점에 입자 측정기를 설치하였다.

이산화탄소의 경우 운전 30분 후 실내 농도 감소율을 확인하여 비교하였고, 미세먼지의 경우 20분 후 실내 농도 감소율을 공기정화장치의 성능 지표인 청정화능력(Clean air delivey rate, CADR)⁽¹⁴⁾과 이를 공간 체적으로 나눈 입자청정횟수(Particle cleaning per hour, PCH)⁽¹⁵⁾로 계산하여 비교하였다. 청정화능력(CADR)은 아래 식(1)에 따라 계산되며, 입자청정횟수(PCH)는 식(2)와 같이 구한다.

Fig. 1 Classroom photos: (a) a classroom, (b) ventilation device, (c) air purifier.

Fig. 2 Placement of ventilation devices, air purifiers, and particle counters in a classroom.

3. 연구 결과 및 고찰

3.2 공기정화장치 운전 케이스 별 성능 평가

Table 2, Fig. 3은 Fig. 2에서 설명한 공기청정기, 환기장치의 설치 및 운영 케이스 별로 측정된 미세먼지 농도 및 제거율, 그리고 외기 농도 대비 교실 내부 농도의 비를 나타낸다. 케이스 별 공기정화장치 운전 시작 후 30분 후 측정된 값 기준, 공기청정기가 포함된 운전 케이스들의 경우 학생들의 재실 유무에 관계없이 세계보건기구(WHO) 건강 농도 기준 10 ㎍/㎥ 이하 수준이 달성되었고, 공기청정기 없이 환기장치만이 운전된 케이스들의 경우 평균 약 16 ㎍/㎥ 수준으로 건강 농도 기준이 달성되지 않음을 확인하였다. 또한 같은 풍량으로 두 대를 동시 운전 시 공기청정기의 경우 한 대의 운전 시보다 공기정화 성능이 약 두 배 수준으로 증가함에 비해, 환기장치의 경우 공기정화 성능의 증가가 크지 않은 결과가 확인되었다.

측정 실험 결과의 원인으로는 공기청정기의 경우 기본적으로 더 높은 여과 성능을 가진 필터가 사용되고 실내에서 재순환하는 공기 중 미세먼지를 지속적으로 제거하지만, 환기장치의 경우 외기를 사용하여 실내외 공기를 교환하는 방식으로 작동하기 때문에 외기의 오염도에 영향을 받고 적정 환기량 이상 조건에서는 교실 내부 공기정화 성능이 감소될 수 있다. 또한 장치의 장기간 사용으로 인한 노후화 및 성능 감소로 인한 영향도 원인이 될 수 있다.

Table 3은 환기장치, 공기청정기의 설치 대수 및 설치 위치 별 측정된 미세먼지 농도 감소율로 청정화 능력을 및 입자 청정횟수를 계산하여 정리한 결과이다. 먼저 앞선 결과와 같이 경우 환기장치보다 공기청정기가 사용된 케이스에서 미세먼지 청정화 능력이 다소 높은 값을 보이는 것을 확인하였다. 그 원인으로는 두 종류 공기정화장치의 원리 및 사용 기간에 따른 성능 감소가 원인이 될 수 있을 것이다. 각 공기정화장치의 설치 대수 및 설치 위치 영향의 경우, 교실 바닥면 기준 대각선 방향으로 두 공기청정기가 서로 마주보는 방향으로 설치하는 것보다 교실의 면을 따라 옆 구석 위치에 배치하는 것이 더 우수한 청정화능력을 보이는 것을 확인하였다. 두 공기청정기의 대각선 방향 배치는 두 토출 기류의 정면충돌로 인해 상호 공기 흐름의 간섭과 에너지 손실을 야기할 수 있다. 따라서 이를 방지함으로써 더 균일한 내부 기류 분포 및 공기질 제어 효과를 낳을 수 있다. 교실 외부 창 측 모서리에서 반대편 벽면 방향으로 고정된 환기장치와 공기청정기를 동시에 운전할 시에는 대각 방향에 공기청정기를 설치할 때 미세한 성능 향상 효과가 확인되었다. 이는 마찬가지로 다른 모서리 영역 배치 대비 두 토출 기류의 상호 간섭 최소화 및 전체 교실 영역 순환이 원활히 이루어졌기 때문일 것이다.

Fig. 4는 환기장치, 공기청정기 운전 케이스에 따른 교실 내 이산화탄소량 측정 실험 결과를 나타내는 그래프이다. 장치를 운전하지 않을 시에도 우리나라 실내 이산화탄소량 위험 기준치(1,000 ppm) 이하를 충족하나, 건강한 환기 시의 기준치(450 ppm 이하)를 상회하여 재실자가 불쾌감을 느낄 수 있는 수치에 근접하였다. 공기청정기 운전 시, 장치 내부 시스템 중 이산화탄소 제거 기능을 하는 요소가 없어 그 감소 효과가 없었다. 환기장치의 경우 내부 시스템 중 활성탄 필터의 작용으로 인한 이산화탄소 제거 성능이 확인되었고, 풍량 및 운전 대수에 따라 그 성능이 변화하였다. 측정 결과 중 특이사항은 설치 대수가 두 대로 늘어남에 따라 그 이산화탄소 제거 성능이 비례하여 증가하지 않았다. 이는 미세먼지 측정 결과와 같이, 설치 위치에 따른 영향이 존재하고 장치의 복합 운전 시 교실 내 발달 기류의 상호 영향으로 인해 복잡하고 불균일한 기류를 형성하기 때문일 것이다.

Fig. 3 Graph of initial and final PM2.5, PM10 concentrations by case.

Fig. 4 Graph of carbon dioxide removal performances by case.

Table 2 PM2.5, PM10 reduction rate and ratio of inside and outside by case

Case	Presence of students	PM10 Reduction rate	PM2.5 Reduction rate	PM10 In and out ratio	PM2.5 In and out ratio
1 Ventilation device (3 Level discharge)	O	38.9%	35.1%	1.04	1.10
	X	72.2%	45.8%	0.63	1.08
2 Ventilation devices (3 Level discharge)	O	-112.6%	-6.3%	1.89	1.20
	X	61.7%	59.2%	0.84	0.50
1 Ventilation device (Max level discharge)	O	65.2%	55.7%	0.36	0.65
	X	76.7%	60.7%	0.32	0.51
2 Ventilation devices (Max level discharge)	X	76.1%	74.6%	0.99	0.67
1 Air purifier (3 Level discharge)	O	-24.6%	28.9%	1.34	0.57
1 Air purifier (Max level discharge)	X	82.1%	56.8%	0.26	0.34
2 Air purifiers (2 Level discharge)	O	78.0%	81.3%	0.57	0.30
1 Air purifier (2 Level discharge) + 1 Ventilation device (3 Level discharge)	X	76.5%	51.8%	0.28	0.44

Table 3 Clean air delivery rate(CADR) and Particle cleaning per hour(PCH) by case

Case	Location	Clean air delivery rate (CADR) (CMM)	Particle cleaning per hour (PCH) (1/HR)
1 Ventilation device	Back corner (window side)	6.2	2.2
1 Air purifier	Back corner (window side)	14.6	5.1
2 Ventilation devices	Both ends of a long wall (window side)	13.4	4.7
2 Air purifiers	Diagonally	25.3	8.9
2 Air purifiers	Both ends of a long wall (window side)	35.3	12.4
Simultaneous (1 Air purifier + 1 Ventilator)	Diagonally	17.6	6.2
Simultaneous (1 Air purifier + 1 Ventilator)	Both ends of a long wall (window side)	17.3	6.0
Simultaneous (1 Air purifiers + 1 Ventilator	Both ends of a short wall (window side)	17.2	6.0
Simultaneous (2 Air purifiers + 2 Ventilators)	Diagonally	35.6	12.5

4. 결 론

학교 교실 실환경 공기정화장치(환기장치, 공기청정기 2종류) 실 성능시험 및 기준 마련 목적 연구가 진행되었다. 미세먼지의 경우 공기청정기, 이산화탄소의 경우 환기장치가 그 제거 성능이 우수한 것을 확인하였다. 또한 외기 청정도에 영향을 받고 적정 환기량이 존재하여 설치 대수 증가, 송풍량 증가에도 공기질 제어 성능이 비례하여 증가하지 않았다. 각 공기정화장치 설치 위치에 따른 영향의 경우, 공기청정기를 교실 바닥면 기준 대각 방향 끝 각 2대 설치(CADR 25.3 CMM) 대비 교실의 면을 따라 옆 구석 위치에 배치(CADR 35.3 CMM)하는 것이 정면충돌로 인해 상호 공기 흐름의 간섭과 에너지 손실을 방지하고 교실 내 전체 공간 기류 순환을 원활하게 하여 우수한 미세먼지 제거 성능을 갖는 것을 확인하였다. 하지만 이는 토출 기류의 방향에 따라 결과가 상이하므로, 두 장치의 복합 운전 시 토출 방향에 따른 각 설치 위치 최적화가 필요한 것을 알 수 있었다. 이산화탄소 제거 효과의 경우 미세먼지 저감 효과와 반대로 성능이 미비한 공기청정기 운전 대비 환기장치의 우수한 효과(건강 환기 기준인 450 ppm에 근접한 527 ppm 수준으로의 감소 효과)를 확인하였다. 또한 미세먼지 및 이산화탄소 제거 효과를 모두 고려한 환기장치, 공기청정기의 동시 운전 시, 공기 토출 방향이 고정된 환기장치 대비 설치 위치 선정이 자유로운 공기청정기를 상호 토출 기류가 직접적으로 충돌하지 않는 위치와 방향으로 각 1대씩 배치 후 동시 운전(CADR 17.6 CMM) 혹은 2대씩 배치 후 동시 운전(CADR 35.6 CMM) 중 비용을 고려한 운전 방안을 선택하는 것이 최선의 방안일 것이다.

본 연구의 학교 교실 실환경 내 환기장치 및 공기청정기의 다방면 운전 성능 평가 결과는 대상 환경과 유사한 교실 환경을 대상으로, 운전비용을 고려한 최적의 성능을 갖는 공기정화장치 운전 방안 도출에 활용될 수 있을 것이다.