2.1 화장실 오염의 특성 및 확산 방법

기존의 설계 관행과는 달리, 화장실은 습기 제거뿐 아니라 화학적․생물학적 오염원 제어가 동시에 요구되는 공간이다. Sato et al.⁽¹⁾은 사람의 배설물에서 다양한 휘발성 성분이 방출됨을 보고하였으며, 확인된 성분 중 황과 질소를 포함하는 화합물, 특히 H₂S와 NH₃를 주요 악취 성분이자 고농도로 검출되는 성분으로 제시하였다. 이들 물질은 매우 낮은 농도에서도 특유의 냄새가 쉽게 인지되는 특성을 가지며, 대표적으로 H₂S는 약 0.005 ppm⁽²⁾, NH₃는 약 0.05 ppm⁽³⁾ 수준에서도 후각적으로 감지되는 것으로 보고된 바 있다.

아울러 생물학적 오염원인 곰팡이․세균 등 바이오에어로졸은 습기와 유기물이 결합된 욕실 환경에서 번식이 촉진되어 곰팡이 문제와 악취 배출로 이어질 수 있음이 지적된 바 있으며, 공기 중으로 확산된 이후 벽․바닥․위생기기 등 실내 공기와 접촉이 잦은 표면에 부착․축적됨에 따라 표면 오염, 악취, 바이오에어로졸이 함께 관측될 수 있음이 보고되었다⁽⁴⁾.

이러한 오염물질은 변기 물을 내리는 과정에서 미세 입자 형태의 에어로졸로 순간적으로 방출될 수 있으며, 실험적으로 수백에서 수천 개 수준의 호흡 가능 크기 입자가 생성되어 실내 공기 흐름을 따라 이동․체류할 수 있음이 보고된 바 있다⁽⁵⁾. 또한, 변기 물 내림 시 최대 약 1.5 m 이상까지 상승하는 난류 플룸이 형성되며, 속도가 2 m/s를 초과하는 난류와 고에너지 와류 구조를 통해 주변 공기와 빠르게 혼합․확산되는 것으로 실험을 통해 확인되었다⁽⁶⁾. 더 나아가 Paddy et al.⁽⁷⁾은 변기 물을 내리는 과정에서 생성된 바이오에어로졸이 실내 공기 중으로 확산되어 공기 매개 병원체 전파 및 교차 오염에 기여할 수 있음을 보고하였다.

2.2 인체 열기류와 호흡선

한편, 인체 표면에서 형성되는 열기류(Thermal plume)가 사용자의 몸을 따라 상승하는 현상은 Craven and Settles⁽⁸⁾에 의해 규명되었으며, Yang et al.⁽⁹⁾은 이러한 열기류와 치환 환기가 결합될 때 인체를 따라 상승하는 기류 구조를 CFD 해석을 통해 보였다. 이러한 기류 구조는 오염물질이 호흡선 영역에 직접 도달할 가능성과, 그 결과 호흡선에서 더 높은 농도가 형성될 수 있음을 시사한다.

2.3 기존 화장실 환기 관련 연구

이와 같이 화장실 오염원의 발생 특성과 인체 노출 경로가 복합적으로 작용하지만, 기존 연구들은 주로 환기 설계 요소 자체의 성능 평가에 초점을 맞추어 왔다. Kim and Yang⁽¹⁰⁾은 문의 개폐 여부, 환기 시스템 구성, 그리고 샤워실 구성에 따라 실제 배기 성능이 연구에서 지정한 일정 수준을 충족하는지를 실험적으로 분석하였으며, Ham⁽¹¹⁾은 공급 기구 설치․확대와 배기팬 풍량 증가에 따라 환기 성능이 향상되며, 72 m³/h 조건에서 환기횟수가 6.0에서 최대 13.0 회/h로 증가함을 확인하였다. Ham and Lee⁽¹²⁾는 급기구를 출입문 하부에 크게 설치하고 배기팬과의 거리를 확보할수록 환기 효과가 향상되며, 환기횟수는 6.0–14.5 회/h로 나타났다고 보고하였다. 이러한 연구는 급기구 크기와 설치 높이, 급․배기구 간 이격 거리와 같은 설계 조건에 따라 환기 효과가 유의미하게 달라질 수 있음을 보여주었으나, 환기 성능을 오염물질 노출 관점에서 직접적으로 평가하는 데에는 한정적인 범위를 가진다.

이러한 선행 연구들을 종합적으로 살펴보면, 화장실 환기와 관련된 기존 연구들은 환기량, 악취 물질, 바이오에어로졸을 각각 분리된 관점에서 다루어 왔으며, 화장실 환기 시스템 내에서 오염물의 발생부터 확산 및 인체 노출에 이르는 과정을 통합적으로 분석한 연구는 충분히 이루어지지 않았다. 이러한 경향은 관련 선행 연구들의 분석 범위와 해석 결과에서도 확인된다. 예를 들어, Lee et al.⁽⁴⁾은 욕실에서 발생하는 곰팡이․세균 등 바이오에어로졸 문제에 대한 개선 방안으로 환기 증가를 통해 공기와 습기를 배출하고, 항오염․항균 성능을 갖는 설비 및 마감재의 적용을 제안하였으나, 이러한 접근은 오염물의 발생 및 노출 경로 자체를 다루기보다는 사후적 완화에 초점을 둔 한계를 가진다. Tung et al.⁽¹³⁾은 악취 제거 거동을 모사하기 위해 추적 가스로서 SF₆를 사용하여, 화장실 환기량과 변기 위치가 농도 저감에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과, 환기량 증가에 따라 SF₆ 농도가 감소하는 경향이 확인되었으나, 최대 감소율은 약 21% 수준에 그쳤다. 이는 추적 가스로 사용된 SF₆의 물성과 실제 악취 물질의 발생 특성 및 인체 노출 특성이 상이함을 고려할 때, 환기량 증가에 따른 저감 효과를 실제 악취 물질의 농도 저감 성능으로, 직접적으로 일반화하기에는 주의가 필요하며, 나아가 환기량 증가만으로 위생 기준 이하의 농도를 안정적으로 달성하기에는 추가적인 검토가 필요함을 시사한다. 또한 변기와 배기구 간 거리 변화에 따른 농도 차이 역시 최대 약 5.7% 수준으로 나타나⁽¹³⁾, 설계 변수로서의 실질적 영향은 제한적인 것으로 평가된다. 이는 환기량 증가나 설비 배치 조정만으로는 화장실 내 오염물질 노출 문제를 충분히 해결하기 어렵다는 점을 보여준다.

2.4 공동 주거의 고기밀화

더욱이 최근 공동 주거의 고기밀화 추세는 이러한 오염물질 노출 위험을 심화시키고 있다. 국내 공동 주거의 평균 기밀 성능은 약 2.47~2.80회(ACH50) 수준으로 보고되고 있으며⁽¹⁴⁾, 에너지 절약을 목적으로 점진적인 기밀화가 진행 중이다. 한국토지주택연구원은 2035년 이후 공동 주거의 기밀 성능을 1.5회 이하로 달성하는 것을 목표로 하고 있다. 이와 같이 기밀 수준이 강화될수록, 화장실과 같이 면적이 작고 밀폐된 공간에서는 의도된 환기량(CMH)이 실제로 확보되지 못할 가능성이 증가하며, 이는 평균 농도 저하뿐 아니라 사용자 호흡선에서의 국부적 노출 위험 증가로 이어질 수 있다. 그럼에도 불구하고 현행 환기 설계 및 성능 평가는 여전히 공간 전체 평균 농도 저감 여부에만 초점을 두고 있다.

이에 따라 본 연구는 습기 제거와 공간 평균 환기량 확보에 국한된 기존 화장실 환기 설계를 확장하여, 실재하는 대변에서 발생하는 악취 오염물질(H₂S, NH₃)의 관점에서 환기량을 평가하고, 이들의 거동 특성과 사용자의 호흡선 노출 위험을 규명하는 데 목적이 있다. 이를 위하여 건물 고기밀화가 오염 농도 제거에 미치는 영향을 분석하고, CFD를 통하여 변기 발생 오염물질이 인체 열기류를 타고 호흡선으로 유입되는 양상을 정량적으로 파악함으로써, 궁극적으로는 사용자 호흡선 농도를 중심으로 한 실질적인 화장실 환기 성능 평가의 방향성을 제안하고자 한다.

3.1 Well-Mixed Model을 이용한 실내 오염물질 농도 해석

화장실 내 오염물질 농도의 시간적 변화를 공기가 잘 혼합된 공간을 가정하는 Well-Mixed Model과 환기 질량수지식을 통해 해석한다. 체적 V = 8.05 m³를 갖는 공간에서 발생률 G, 환기량 Q, 실내 농도 C(t), 외기 농도 C_out 사이의 관계는 식(1)과 같다.

본 연구에서는 체적 V, 발생률 G, 환기량 Q를 시간에 따라 일정한 값으로 설정하여 식(1)을 해석하였으며, 이에 따라 환기량의 크기에 따라 오염물질 농도의 시간적 변화와 희석 속도를 평가하였다. 정상상태 조건에서는 실내 농도 증가분이 식(2)와 같이 표현되어, 목표 농도를 만족하기 위한 필요 환기량을 산정할 수 있다.

H₂S, NH₃, 수증기 발생량을 대상으로 식(2)을 적용하여 현재 화장실 환기팬 성능의 적정성을 평가하였다. 평균 대변 시간은 약 10분으로 가정하여 ODE를 해석하였다. Kim et al.⁽¹⁵⁾은 실내 공기를 외부로 배출하는 감압 조건에서 문 개폐 여부에 따른 환기량 변화를 분석하였으며, 본 연구에서는 해당 연구의 결과를 바탕으로 Fig. 1에 제시된 바와 같이 이를 화장실 배기 조건과 유사한 2 Pa 감압 상태에 적용하여, 문을 닫은 경우 급기 부족으로 환기량이 약 45% 감소하는 것으로 해석하였다. 기준 환기량은 국내 공동주택 공용 욕실에 적용되는 대표 배기풍량인 80 CMH로 설정하였다⁽¹⁶⁾. 이 값은 『설비공학편람』⁽¹⁷⁾의 욕실 배기 기준인 5-10 ACH 중 10 ACH를 대상 체적 8.05 m³에 적용하여 산정한 80.5 CMH와도 부합한다. 이에 80 CMH와 성능 저하를 반영한 44 CMH를 비교하였다. 모델 해석에 사용된 H₂S, NH₃, 및 수증기의 주요 입력 인자들은 Table 1에 정리하였다. Table 1에 제시된 H₂S 및 NH₃ 발생률 G는 Sato et al.⁽¹⁾ 및 Craven and Settles⁽⁸⁾의 배설물 성분 분석 자료를 바탕으로 산정한 대푯값으로, 평균적인 배변 조건을 가정한 것이다. 그러나 실제 화장실 환경에서는 개인의 건강 상태, 식습관, 배변 시간 및 빈도 등에 따라 악취 물질의 순간 및 누적 배출량이 상당히 달라질 수 있음이 보고된 바 있다^{(18, 19)}. 따라서 본 연구의 농도 해석 결과는 대표 조건 하에서의 정량적 평가 결과로 해석되어야 하며, 특수 사용자군이나 사용 패턴에 대해서는 추가적인 발생률 설정이 필요하다. H₂S와 NH₃의 외기 농도 C_out는 청정 외기를 가정하여 0으로 설정하였으며, 수증기의 경우, 대기 중 절대습도가 가장 높은 하절기 조건을 적용하여 환기 요구량이 최대가 되는 보수적 설계 조건을 고려하였다.

Fig. 1 Impact of airtightness-induced door closure on ventilation rate under depressurization.

3.2 환기량 조건별 농도 변화와 배출 한계

환기량 산정 결과, 각 물질을 배출하기 위해 요구되는 환기량은 Fig. 2(a)에 제시된 바와 같으며, H₂S와 수증기가 충분히 제거되지 못하고 실내에 잔류한다. 특히 기밀화로 인해 환기량이 약 45% 저하된 경우, 수증기 제거를 위해 요구되는 환기량(126.7 CMH)의 약 35% 수준에 불과하다. 또한 H₂S의 경우 요구 환기량이 301.8 CMH로 산정되어, 해당 환기량 저하 조건에서는 사용 시간 동안 오염물질 농도가 충분히 저감되지 못하고 실내 농도 축적이 불가피함을 시사한다.

식(1)의 해석 결과, 비정상상태에서 t = 10 min 시점의 농도 차이는 다음과 같다.

- H₂S: ΔC ≈ 0.0105 mg/m³ - NH₃: ΔC ≈ 0.0340 mg/m³

이는 기밀화로 인한 환기량 저하로 인해 오염물질의 제거 속도가 감소하면서 실내 농도가 상대적으로 더 크게 누적됨을 의미한다. 이로 인해 44 CMH 조건에서의 H₂S 농도는 80 CMH 대비 약 1.34배 높게 형성되었으며, 사용 시작 후 2분이 지나기 이전에 위생 기준(Hygiene Specification Limit, HSL)⁽²²⁾을 초과하는 것으로 나타났다. 또한 약 10분 이내의 짧은 사용 시간에서도 H₂S 농도는 위생 기준을 최대 4배까지 초과하였다. 해당 농도 증가 양상은 Fig. 2(b)에 제시하였다.

반면, 대변으로부터 발생하는 NH₃는 상대적으로 발생량이 적어, 요구 환기량이 약 33 CMH로 상대적으로 작은 수준으로 평가되었다. Fig. 2(b)에 나타난 바와 같이, 환기량이 44 CMH로 저하된 조건에서도 NH₃ 농도는 위생 기준(0.3 mg/m³)의 약 44% 수준에 머물러, 건강에 위해를 줄 수 있는 농도까지 누적되지 않는 것으로 나타났다. 이에 따라 본 연구에서 고려한 발생 조건 및 사용 시간 범위 내에서는 NH₃가 위생 기준을 지배하는 제한 인자로 작용하지 않는 것으로 평가된다. 다만, 소변 기원 NH₃ 발생을 포함할 경우에는 NH₃의 발생 특성과 농도 수준이 달라질 수 있으므로, 본 연구 결과는 대변 기원 오염물질을 중심으로 한 조건에서 해석된다.

이러한 결과는 환기팬의 정격 성능만을 기준으로 설계하는 기존 접근이 실제 기밀 조건과 급기 부족 상황을 충분히 반영하지 못함을 보여준다. 이에 따라 기존 화장실 환기 설계는 평균 농도 제어의 관점에서도 충분하지 않아 악취 및 위해 오염물의 축적을 초래하고, 결과적으로 사용자에게 후각적으로 체감 가능한 농도 차이를 유발할 가능성이 있다.

Fig. 2 Required ventilation rates to meet clean outdoor reference concentration (a) and comparison of malodor concentrations between 80 CMH and 44 CMH (b).

4.1 CFD 시뮬레이션 경계조건 및 Setup

CFD 시뮬레이션에 사용된 주요 설정 조건은 Table 2에 정리하였으며, Fig. 3(a)~(c)에 제시된 화장실 모델링 도식을 통해 해석에 사용된 공간 형상, 경계조건, 그리고 격자 구성을 확인할 수 있다. 또한 격자 독립성 검증을 수행하여, 격자 수 증가에 따른 주요 평가 지표(평균 농도)의 변화가 수렴함을 확인한 후 최종 격자 체계를 선정하였다.

Fig. 3 CFD simulation setup: (a) bathroom geometry with occupant, (b) boundary condition definitions, and (c) computational mesh configuration.

4.2 CFD 시뮬레이션 분석을 통한 기류 및 호흡선 농도 평가

먼저 화장실 내부의 유속 분포를 분석하였으며, 해석 결과는 Fig. 4(a)와 같다. 천장 배기구의 영향으로 공간 전반에는 하부에서 상부로 향하는 배기 흐름이 형성되었고, 이 과정에서 인체 표면에서 발생하는 열기류가 상승 흐름을 강화하여 변기에서 발생한 오염물질이 인체 표면을 따라 흉부–안면부, 즉 호흡선 방향으로 이동하는 경로가 관측되었다.

Fig. 4(b) 및 Fig. 4(c)에 나타낸 농도 분포 해석 결과, NH₃의 경우 전체 평균 농도는 위생 기준을 만족하였으나, 호흡선 위치에서 상대적으로 높은 농도가 형성되는 경향이 확인되었다. 반면 황화수소(H₂S)는 위생 기준인 0.01 mg/m³를 전반적으로 초과하였으며, 특히 호흡선 영역에서 국부적으로 더 높은 농도가 나타나 사용자 노출 위험이 집중되는 양상을 보였다. 위생 기준을 초과한 H₂S를 기준으로 측정 지점별 농도를 분석한 결과, 공간 내 농도 분포는 측정 위치에 따라 뚜렷한 차이를 보였다(Fig. 5(b), Table 3). 화장실 공간 전체 평균 농도 (Room_avg)는 0.0488 mg/m³로 산정되었으며, Fig. 5(a)에 나타난 호흡선 높이에 위치한 대부분의 측정 지점(R0, R1, R2, R4, R5)은 이 값을 상회하는 농도를 나타냈다. 특히 R0는 사용자가 변기에 착석해 용변을 보는 동안 형성되는 호흡선 위치에 해당하는 지점으로, 0.0686 mg/m³의 가장 높은 농도가 관측되었으며 이는 공간 전체 평균 대비 약 40.6% 높은 수준이다. 반면, 변기에서 가장 멀리 위치한 샤워부스 유리벽 인근의 R2 지점에서는 0.0480 mg/m³로 가장 낮은 농도가 측정되었으며, 이는 공간 평균보다 낮은 값이었다. 이러한 결과는 변기와의 거리와 함께 샤워부스 유리벽에 의한 기류 차단 효과 때문으로 해석된다. 이는 외부 공기의 제한적 유입으로도 국부적 농도 저감 효과를 유도할 수 있음을 시사한다.

Fig. 4 Velocity field (a), H2S concentration (b), and NH3 concentration (c) at section A-A.

Fig. 5 Numerical comparison between the volume average of seated breathing zone and room average.

주목할 점은, 본 연구에서 선정한 모든 측정 지점이 사용자의 호흡선 높이에 위치함에도 불구하고, R2를 제외한 대부분의 지점에서 공간 전체 평균을 상회하는 농도가 관측되었다는 점이다. 이는 황화수소가 공간 평균적으로는 일정 수준 이하로 희석된 상태를 유지하더라도, 변기에서 발생한 오염물이 배기구로 이동하는 과정에서 사용자의 호흡선 영역을 관통하는 기류 경로를 따라 이동하며 국부적으로 농축될 수 있음을 시사한다. 이러한 결과는 인체 열기류와 배기 흐름의 상호작용으로 인해 실제 사용자 노출이 공간 평균 농도보다 높게 형성될 수 있음을 보여주며, 공간 평균 농도만을 기준으로 한 환기 성능 평가는 실제 노출 위험을 과소평가할 가능성이 있음을 의미한다.

이와 같이 CFD 해석에서는 기류 구조에 의해 형성되는 국부적 농도 편차, 특히 호흡선 영역에서의 농도 집중이 명확히 확인되었다. 이러한 결과를 Well-Mixed Model과 비교한 결과, 전체 공간 평균 농도는 두 방법 간에 거의 동일한 수준으로 일치하였다. 그러나 CFD에서 나타난 바와 같이, 인체 열기류와 천장 배기구에 의해 형성되는 기류 구조는 오염물질을 호흡선 영역으로 유도하여 국부적 고농도 영역을 형성할 수 있으며, 이러한 노출 특성은 평균 농도 기반 모델만으로는 포착되기 어렵다. 이는 기존의 천장 배기 중심 환기 설계가 실내 평균 농도 희석에는 기여할 수 있으나, 실제 흡입 농도 측면에서는 구조적 한계를 가질 수 있음을 시사한다.