Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. April 2020. 158-170
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20200015


ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구 방법

  •   초등학교 교실의 기밀도 및 누기면적의 현장실험

  •   CFD 시뮬레이션

  • 기류 및 입자해석모델의 검증

  • 결과 및 고찰

  •   초등학교 교실의 기밀도 및 누기면적

  •   공기청정기 설치위치에 따른 미세먼지의 거동 분석

  •   공기청정기 설치위치에 따른 호흡역에서의 미세먼지 농도 변화

  • 결 론

서 론

대기 중 PM2.5 농도의 증가에 따라 PM2.5 노출에 따른 건강 위해성 문제가 제기되고 있다(Pope et al., 2009; Tzivian, 2011). 대기 중 PM2.5의 농도가 높아지면 PM2.5 환경기준을 초과하는 경우도 발생할 뿐만 아니라, 실내 PM2.5의 농도도 상승시킨다(Cao et al., 2005; Back et al., 2015; Choi and Kang, 2017). 특히, 건강 취약계층인 어린이가 장시간 실내에 재실하는 초등학교 교실의 실내 PM2.5 농도에 주목한 연구들이 다수 수행되고 있다(Diapouli et al., 2007; Stranger et al., 2008; Elbayoumi et al., 2013; Zwozdziak et al., 2013).

우리나라에서도 초등학교 교실 내 미세먼지 관리를 위하여, 교실 내 PM2.5 농도의 유지기준을 35 μg/m3 이하로 강화하였다. 또한, 미세먼지 관리방안 중 하나로 공기청정기를 포함한 공기정화장치 설치를 의무화하였다(Ministry of Education, 2019). 공기청정기의 적정용량 산정 시 참고자료로 활용되는 청정화 능력(Clean Air Delivery Rate, CADR)은 시험챔버 내 0.3 ㎛ 크기의 입자를 발생시킨 후, 시간에 따른 입자농도의 저감율을 통해 평가된다.

이러한 청정화 능력은 실내의 미세먼지를 제거하는 성능을 나타내지만, 밀폐된 시험챔버에서 수행되었기 때문에 실제 건물에서는 누기부위를 통한 실외 미세먼지 침투(Liu and Nazaroff, 2003)로 인해 공기청정기의 미세먼지 제거성능이 예상과 다를 수 있다. 이에 따라 실외 미세먼지의 침투가 실내 미세먼지 농도에 미치는 영향에 관하여 분석할 필요가 있다. Kang and Choi (2015)는 국내 공동주택에서 침기율 추정 및 실내·외 입경별 미세먼지 측정을 통해 실외 미세먼지의 실내 영향도를 분석하였으며, PM2.5의 영향이 높게 나타남을 제시하였다. 특히, Choi and Kang(2018)의 연구에 따르면, 노후 건물일수록 누기면적이 크게 나타났으며, 이에 따라 노후 건물에서 누기부위를 통한 실외 미세먼지 침투가 크게 나타나 실내 미세먼지 농도에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한, 국내 교육시설의 50% 이상이 20년 이상 지난 노후 건물(Park, 2009)이므로 실외 미세먼지의 영향이 클 것으로 예상한다. 이처럼 실외 미세먼지의 침입에 영향을 받는 초등학교에 공기청정기를 설치했을 때, 공기청정기의 미세먼지 제거성능이 달라질 것으로 판단된다.

또한, 공기청정기의 설치위치에 따라 실내공간의 유동 패턴이 달라지므로 미세먼지 제거성능이 달라질 수 있다(Zhang et al., 2010; Jin et al., 2016). Jin et al. (2016)는 공기청정기의 설치 위치 및 토출 각도에 대한 공기청정기의 미세먼지 제거성능을 평가하였으며, Chen et al. (2010)는 공기청정기의 입자상 오염물질의 제거성능을 평가하였으며, 공기청정기의 설치 위치와 기류 토출 방향이 입자 제어에 주요한 변수인 것으로 나타났다.

이와 유사한 문제의식을 바탕으로 실외 미세먼지 침투를 고려한 공기청정기의 설치위치에 따른 미세먼지 제거성능에 관한 연구가 일부 수행된 바 있다. Novoselac and Siegel (2009)는 실외 미세먼지 침투를 반영한 수치해석모델을 통해, 주거 건물에서 실외 미세먼지 침투를 고려하였을 때 공기청정기의 설치 위치에 따라 공기청정기의 미세먼지 제거성능이 최대 2.5배 차이가 발생함을 결과로 제시하였다. 하지만 앞서 언급한 연구는 연구대상이 주거건물이며, 미세먼지 노출에 따른 건강 위해성이 크고 한정된 크기의 교실에서 20~30명의 어린이가 생활하는 초등학교 교실에 관한 연구는 미흡한 상태이다.

따라서 초등학교 교실의 기밀도 및 누기면적을 분석하고 실외 미세먼지의 침투를 고려하여 교실 내 공기청정기의 설치위치에 따른 미세먼지 저감성능을 평가함으로써, 초등학교 교실의 기밀성능에 따른 공기청정기의 성능평가 및 적정용량 산정을 위한 공기청정기의 설치 및 운영지침 수립에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구의 목적은 (1) 초등학교 교실의 기밀도 및 누기면적에 대한 현장실험을 통해 교실의 기밀성능을 분석하고, (2) 전산유체역학(Computational fluid dynamics, CFD)을 이용하여 누기부위를 통한 실외 미세먼지 침입의 영향이 크게 나타난 교실에 대하여 공기청정기의 설치위치에 따른 미세먼지 제거성능에 관한 사례연구를 수행하는 것이다.

연구 방법

초등학교 교실의 기밀도 및 누기면적의 분석과 공기청정기의 설치 위치에 따른 미세먼지 제거성능을 평가하기 위하여, 현장실험과 CFD 시뮬레이션 평가를 수행하였다. 서울에 있는 3개의 초등학교 교실의 기밀도 및 누기면적을 측정하였으며, 미세먼지 침투에 관한 CFD 해석모델을 구축하였다. 또한, CFD 해석모델의 검증을 위하여 기류 및 입자 모델의 검증을 수행하였다. 현장실험과 검증모델을 바탕으로 실외 미세먼지 침입의 해석방법을 수립하고, 실외 미세먼지 침입의 영향이 크게 나타나는 1개의 교실을 선정하여 공기청정기의 설치 위치에 따른 미세먼지 제거성능에 관한 평가를 수행하였다.

초등학교 교실의 기밀도 및 누기면적의 현장실험

교실의 기밀도 및 실외 미세먼지의 유·출입경로별 누기면적을 분석하기 위하여 서울에 있는 3개의 초등학교의 일반 교실을 선정하였다. Table 1은 초등학교의 개요를 나타낸다. 대상 초등학교의 건축 연도는 차이가 크지만, 교실의 크기 및 책상과 의자의 배치는 유사하였다. Figure 1은 A 초등학교의 평면도, 외피 및 복도 측 입면도를 나타낸다.

Table 1. Description of test elementary schools

A B C
Construction year (years) 1988 1937 1989
Number of floors 3F (1~4F) 3F (1~4F) 3F (1~4F)
Floor area (m2) 60.72 61.60 61.41
Ceiling height (m) 2.6 2.8 2.8
Number of students in a class 24 16 22
Exterior window area (m2) 8.64 10.36 8.92

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Figure 1.

(a) floor plan and (b) elevation A (exterior wall), (c) elevation B (corridor) of elementary school A

기밀도 및 실외 미세먼지의 침입경로를 분석하기 위하여 블로어도어 가·감압법(ASTM E779)을 준용하여, 실내·외 압력 차가 10, 20, 30, 40, 50 Pa인 조건에서의 공기 유량을 측정하였다. 미세먼지의 주요 침입경로로 예상되는 외피 및 복도 측 창호 시스템을 대상으로 밀폐와 개방을 통해 총 6 차례의 블로어도어 가·감압 실험을 수행하였다. 측정 장비는 블로어도어(Retrotec EU6101 with DM32 Blower-Door System, Retrotec, USA)를 이용하였다. Figure 2는 A 초등학교에서 수행된 기밀성능 측정 시의 모습을 나타낸다.

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Figure 2.

Measurements of airtightness in elementary school A

측정결과를 바탕으로 초등학교 교실의 기밀성능을 공기교환율(Air Change per hour at 50Pa, ACH50)과 유효누기면적(Effective leakage area at 4Pa, ELA)를 산출하여 분석하였다. 블로어도어를 통해 얻은 풍량을 식 (1)에 대입하여 공기유동계수와 공기유동지수를 산출하였으며, 이를 바탕으로 침입경로별 유효누기면적을 산정하였다. 식 (2)는 유효누기면적의 산출 식을 나타낸다.

$$Q_{}=C(\triangle P)^n$$ (1)
$$ELA=C\triangle P_r^{n-1/2}\sqrt{\frac\rho2}$$ (2)

여기서, Q 는 풍량(m3/h), ELA 는 유효누기면적(cm2), C 는 공기유동계수(m3/h·Pan), n는 공기유동지수(-), P는 실내·외 압력차(Pa), Pr는 기준 압력차[4 Pa](Pa), ρ는 공기의 밀도(kg/m3)이다.

CFD 시뮬레이션

초등학교 교실의 경로별 누기면적의 데이터를 활용하여, 교실의 외피 및 창문 등의 틈새(Leakage)를 통해 미세먼지가 실내로 침입되는 상황을 CFD 시뮬레이션을 활용하여 모사하였다. CFD 시뮬레이션은 상용프로그램 중 Ansys Fluent 17.0을 이용하였다.

Figure 3은 실외 미세먼지 침입을 모사한 CFD 해석모델의 개념도와 대상 교실의 형상을 나타낸다. 본 해석에서는 측정한 3개의 초등학교 교실 중 기밀성능이 낮아 실외 미세먼지의 영향을 많이 받을 것으로 예상되는 초등학교의 교실을 해석 대상으로 선정하였다. 또한, 실외 미세먼지 침입경로 및 누기면적의 측정결과를 해석모델에 반영하였다. 공기청정기의 CADR은 12.7 m3/min, 공기청정기의 토출구는 상부와 중앙부에 있으며, 상부의 토출 각도는 60°이며, 중앙부는 전 방향으로 기류가 토출된다. 기류 및 미세먼지가 실외로부터 실내로 이동하는 것으로 모사하기 위하여 교실의 외피 측 창문(Inlet)을 정압(Positive pressure)으로, 복도 측 창문(Outlet)은 부압(Negative pressure)으로 가정하였다.

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Figure 3.

(a) Schematic diagram and (b) geometry of CFD modeling

본 연구에서 기류해석은 3차원 정상상태 지배방정식을 사용하였으며, 난류 모델은 실내 기류예측에 적합한 것으로 보고된 바 있는 RNG k-ε turbulence model(Chen, 1995)을 적용하였다. 공기청정기와 학생의 발열에 의한 부력을 해석에 고려하기 위하여 Buoyancy Driven Flow model을 채택하였다. 입자해석은 비정상상태로 틈새를 통해 미세먼지가 주입(Injection)되는 것으로 가정하였으며, Lagrangian 접근법 기반의 DPM(Discrete Phase Model) 방정식을 이용하였다. 해석모델의 격자는 Tetrahedral Mesh와 Prism Layer를 사용하여 약 5,200,000개를 생성하였으며, 유입구와 유출구의 격자를 조밀하게 생성하였다.

공기청정기의 상부와 중앙부에서 기류가 토출되므로 속도입구(velocity inlet) 조건을 설정하였으며, 흡입구는 압력출구(pressure outlet) 조건을 설정하였다. 교실의 외피 측 창문의 틈새를 velocity inlet, 복도 측 창문의 틈새를 pressure outlet 조건으로 설정하였다. 입자의 경계조건은 교실의 바닥, 책상 및 인체의 표면에 입자가 침착됨을 가정하여 트랩(trap) 조건으로 설정하였으며, 실내공간에서 입자의 침착을 과다하게 해석하지 않기 위하여(Novoselac and Siegel, 2009) 벽면 및 천장은 리바운드(rebound)조건으로 설정하였다.

공기청정기의 토출 기류 속도는 5.02 m/s(상부), 4.28 m/s(중앙부)이며, 토출풍량은 0.26 m3/s(상부), 0.16 m3/s(중앙부)이다. 토출온도는 23.6℃이며, 흡입풍량은 0.42 m3/s이다. 흡입된 공기는 정화되어 청정공기가 토출되는 것으로 가정하였다. 틈새의 기류속도는 0.98 m/s (110.45 m3/h, 0.67 ACH), k는 6.0E-03 m2/s2, epsilon은 7.0E-02 m2/s3이다. 공기청정기의 소비전력(45 W)과 학생 1인당 인체발열량을 48.8 W/m2(Teli et al., 2012)을 발열조건으로 설정하였다. 대상 교실의 표면온도 측정결과를 활용하여, 표면의 경계조건은 천장, 바닥 및 벽은 12.2℃, 복도 측과 외측 창문은 각각 7.0℃, 13.9℃로 설정하였다.

Figure 4는 실외 미세먼지의 영향을 받는 초등학교 교실에서 공기청정기의 설치 위치에 따른 공기청정기의 미세먼지 제거성능을 분석하기 위한 시뮬레이션 케이스를 나타낸다. 초등학교 교실에서 공기청정기는 학생의 안전을 위하여 콘센트와 인접하여 전기선이 짧게 설치될 수 있는 벽 근처에 주로 설치된다. 이에 따라 실제 공기청정기의 설치 위치를 고려하여, 시뮬레이션 케이스를 설정하였다.

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Figure 4.

Simulation cases considering outdoor particle infiltration

Figure 5는 해석 입자의 크기를 선정하기 위하여 A 초등학교에서 측정한 입경별 실내 미세먼지의 개수농도와 밀도를 가정하여 환산한 질량농도를 나타낸다. 입경별 개수농도는 광산란법 연속측정계인 TSI9306(Optical Particle Counter, TSI, USA)를 사용하였다. A 초등학교의 개수농도 및 환산된 질량농도가 0.3~0.5 μm 범위의 농도에서 가장 높게 나타났으며, 기존연구(Seinfeld and Pandis, 1998)에서 측정한 미세먼지의 질량농도가 0.3 μm의 입경에서 가장 높게 나타났다. A 초등학교의 개수농도 및 환산된 질량농도와 기존연구의 측정결과에서 0.3~0.5 μm 범위의 농도가 가장 높게 나타남에 따라, 해석 입자의 크기를 0.3 μm로 선정하였으며, 해석 입자의 밀도는 1.0 g/cm3로 가정하였다.

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Figure 5.

Particle number concentration and mass concentration in classroom of elementary school A

공기청정기의 설치 위치에 따른 미세먼지 제거성능을 분석하기 위하여 초등학생이 앉아있을 경우의 호흡역의 높이를 고려하여 바닥으로부터 약 920 mm 떨어진 지점에서의 호흡역 농도를 산출하였다. Figure 6은 호흡역 농도를 분석하기 위한 지점을 나타내며, 실내 미세먼지 분포를 분석하기 위해 학생의 앞, 뒤, 중앙과 교실 내 선생님의 위치를 고려하였다. 호흡역 농도는 5개 지점의 농도와 유입된 입자의 농도의 비를 나타내는 무차원 입자농도(Normalized particle concentration)로 산출하였다.

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Figure 6.

Position for estimating the concentration of breathing zone

기류 및 입자해석모델의 검증

기류해석 모델의 검증은 미세먼지 침입실험을 수행한 초등학교 건물에서 현장실험을 통해 수행하였다. 교실의 공기청정기를 가동하였을 때, 기류 속도의 변동이 클 것으로 예상하는 공기청정기 주변의 기류 속도를 측정결과를 활용하였다. Figure 7(a)는 기류해석 모델의 검증을 위한 초등학교 교실 내 기류 속도의 수평·수직 측정 위치를 나타낸다.

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Figure 7.

measurement points of (a) velocity and (b) particle concentration

Figure 8은 공기청정기 주변의 기류 속도의 측정값과 예측값을 비교한 검증결과를 나타낸다. 예측값이 측정값과 유사한 경향을 보이며, 측정값과 예측값의 상관계수(R2)는 평균 0.92로 높은 상관관계를 나타낸다. 또한, 측정값과 예측값 사이의 정밀도를 나타내는 변동계수(Coefficient of Variation of the Root-Mean-Square Error, Cv (RMSE))가 평균 29.7%로 나타나 타당한 해석결과를 제시하고 있다. 이에 따라 본 연구에서 적용한 기류해석모델을 활용하여 유효한 해석결과를 얻을 수 있을 것으로 판단하였다.

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Figure 8.

Comparisons of the measurement and simulation results of velocity profiles

입자해석 모델의 검증은 기존 실측자료(Chen et al., 2006)의 소형 챔버 내에서의 미세먼지 농도 측정 데이터를 이용하여 입자상 오염물질의 농도예측 결과의 유효성을 검증하였다. Figure 7(b)는 소형챔버 내 미세먼지의 측정 위치를 나타내며, 챔버 내 일정량의 미세먼지를 주입하여 x= 0.2 m, 0.4 m, 0.6 m 위치에서 미세먼지 농도를 측정하였다. Figure 9는 미세먼지 농도의 측정값과 예측값을 비교한 검증결과를 나타낸다. 미세먼지 농도의 측정값과 예측값의 상관계수를 비교한 결과 R2는 평균 0.91, Cv (RMSE)는 평균 26.5%로 나타나 본 연구에서 미세먼지 농도해석에 적용한 Lagrangian 접근법 기반의 DPM 해석모델이 미세먼지 농도예측에 적합한 것으로 판단된다.

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Figure 9.

Simulation validation results of particle concentration

결과 및 고찰

초등학교 교실의 기밀도 및 누기면적

교실의 기밀도 및 실외 미세먼지의 유·출입경로별 누기면적을 분석하기 위해 A, B, C 초등학교 교실의 ACH50 및 침입경로에 따른 유효누기면적을 측정하였다. Figure 10(a)는 A, B, C 초등학교 교실의 ACH50를 나타내며, 각각 24.3(h-1), 16.1(h-1), 21.0(h-1)으로 나타났다. 이는 초등학교 교실 창문틀의 교체 여부, 교실 문의 개폐 방식 등의 차이에 의한 것으로 판단된다. A, B, C 초등학교 교실의 준공연도의 차이는 크지만, 실의 크기와 외측 및 복도 측 창의 크기는 유사하게 나타났다. A, B, C 초등학교 교실의 외측 창문은 개·보수된 PVC 창호 시스템이 설치되어있었으나, 복도 측 창은 개보수 여부에 따라 재료의 차이를 보였다. 복도 측 창의 재료는 A와 C 초등학교 교실은 목재 틀이었으며, B 초등학교 교실은 PVC이었다. 교실 문의 개폐 방식도 차이가 있었으며, A와 C 초등학교 교실의 출입문은 목재 틀에 복도 측 벽에 고정된 알루미늄의 단일 미닫이문이었으며, B 초등학교 교실의 출입문은 콘크리트 벽에 고정된 알루미늄의 이중 미닫이문으로 재료는 같지만, 출입문의 면적이 큰 문에서 출입문 틈새의 누기 면적이 클 것으로 판단된다.

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Figure 10.

(a) ACH50 and (b) effective leakage area (ELA) on particle penetration pathways in classrooms

초등학교 교실의 ACH50 결과는 국내 공동주택(신축: 1.85 h-1 노후: 12.9 h-1(Kwon et al., 2010)보다 크게 나타나, 공동주택보다 초등학교 교실에서 실외 미세먼지의 침투에 의한 영향이 더 크게 발생할 가능성이 있음을 시사한다. Figure 10(b)는 초등학교 교실의 실외 미세먼지의 침입경로 및 누기면적 측정결과를 나타낸다. A와 C 초등학교는 실외 미세먼지의 침입경로로 고려될 수 있는 외피 측과 복도 측 창호시스템의 누기면적이 전체 누기면적의 78.3%와 75.6%를 차지하는 것으로 나타났다. 반면에 B 초등학교는 전체 누기면적의 21.4%가 외피 측 및 복도 측 창호시스템의 누기면적에 해당되어, 창호시스템에 대한 기밀성능에서 차이를 나타냈다. 이는 창호시스템이 노후한 교실에서 실외 미세먼지 침입에 의한 실내 미세먼지 농도 상승의 가능성이 높은 것으로 판단된다. 또한, B 초등학교의 그 외 요소에서의 누기면적이 441 cm2으로 나타나, 이는 실간 벽 등의 누기면적을 포함한 것으로 분석된다. 실 간 압력차가 크지 않을 경우, 실간 벽의 누기면적에 의한 공기교환율이 낮아 실내 미세먼지 농도에는 크게 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.

결과적으로, A와 C 초등학교의 경우 복도 측 창틀의 재료가 목재로 되어있어 틈새면적이 넓어 창틀의 누기면적이 크게 나타남을 알 수 있으며, B 초등학교의 경우 Figure 11과 같이 실 간 벽이나 칠판 뒤쪽 벽에 갈라진 틈이 많아 그 외 요소에서의 누기면적이 크게 나타남을 확인할 수 있다.

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Figure 11.

Present conditions of leakage and crack of wall in classrooms

공기청정기 설치위치에 따른 미세먼지의 거동 분석

ACH50 및 유효누기면적의 측정결과를 바탕으로 기밀성능이 낮아 실외 미세먼지의 영향을 많이 받을 것으로 예상되는 A 초등학교의 교실을 사례연구의 대상으로 선정하였다. 교실의 크기는 6.9 m (L) × 8.8 m (W) × 2.6 m (H)이며, 24명의 학생이 재실하는 것으로 가정하였다. 외측 창의 틈새로부터 약 9,000개의 입자가 유입된 후 공기청정기가 30분 동안 작동한 후의 해석결과를 바탕으로 미세먼지의 거동 및 농도를 분석하였다.

Figure 12(a)는 공기청정기 설치 위치에 따른 교실 밖으로 누출된 입자(exfiltrated), 침착된 입자(deposited), 공기청정기의 필터에 걸러진 입자의 개수(filtered)를 나타낸다. 공기청정기가 외측 창 뒤(Case 2)에 설치된 경우 미세먼지 침입량(injected) 대비 공기청정기의 필터에 걸러진 입자(filtered)의 비율이 약 0.55로 실외 미세먼지가 유입되는 외측 창과 떨어진 위치에 공기청정기가 설치된 Case 1 (0.21) 및 Case 3 (0.18)에 비해 최대 3.06배 높게 나타났다. 또한, 침입량 대비 실내에 침착되는 입자(deposited)의 비율이 Case 1 및 Case 3에서 각각 0.71, 0.77로 나타나지만, Case 2에서 0.32로 가장 적게 나타났다.

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Figure 12.

(a) Results of exfiltrated, deposited and filtered sample particles and (b) location and number of deposited particles

Figure 12(b)는 공기청정기 설치 위치에 따른 교실 내 침착된(deposited) 입자의 위치 및 개수를 나타낸다. 공기청정기의 설치 위치에 따라 책상의 표면 및 인체에서의 침착은 유사하게 나타났으나, 주요 침입경로로 고려되는 외측 창과 인접하여 설치하였을 경우(Case 2), 침입한 미세먼지가 비교적 짧은 경로로 공기청정기에 흡입되고 그 외의 미세먼지가 교실로 확산하기 때문에 바닥에 침착된 입자의 수가 적게 나타난 것으로 분석된다.

공기청정기 설치위치에 따른 호흡역에서의 미세먼지 농도 변화

Table 2는 공기청정기의 설치 위치에 따른 입경이 0.3 μm인 미세먼지의 호흡역 농도를 무차원 농도로 해석한 결과를 나타낸다. 교실 내 5개 지점에서의 호흡역 농도를 분석한 결과, 공기청정기를 창가 측 뒤(Case 2)에 설치하였을 경우, 모든 지점에서 농도가 가장 낮은 것으로 나타났다. 이는 미세먼지 주요 침입경로로 고려되는 창가와 가까이 공기청정기를 설치하였을 경우, 실외로부터 침입한 미세먼지가 비교적 짧은 경로로 공기청정기에 흡입되고 그 외의 미세먼지가 교실로 확산되기 때문에 교실 내 호흡역에서 미세먼지의 농도가 낮게 나타난 것으로 분석된다.

Table 2. Normalized concentration according to position of air cleaner

Normalized concentration Case 1 Case 2 Case 3
P1 (teacher) 0.84 0.52 0.61
P2 (front-corridor) 0.67 0.64 0.81
P3 (middle) 0.64 0.52 0.86
P4 (rear-corridor) 0.51 0.30 0.61
P5 (rear-window) 0.68 0.44 0.90

Table 3과 Table 4는 실외 미세먼지 농도를 보통 수준(35 ㎍/m3), 나쁨 수준(75 ㎍/m3), 매우 나쁨 수준(125 ㎍/m3)으로 분류하여, 공기청정기의 설치 위치에 따른 교실 내 호흡역에서의 질량농도 산출 결과를 나타낸다. 시뮬레이션 해석결과의 개수농도를 바탕으로 밀도를 가정하여 호흡역에서의 질량농도로 환산하였다. 실외 미세먼지 농도가 매우 나쁨 수준인 경우에는 Case 2의 복도 측 창과 인접한 호흡역(P4)에서 학교보건법 기준인 35㎍/㎥ (PM2.5)의 기준농도를 만족시켰으며, 그 외의 호흡역에서는 기준농도를 초과하였다. 반면에 실외 미세먼지 농도가 보통 수준인 경우에는 모든 위치에서 기준농도를 만족시키는 것으로 나타났다. 공기청정기의 설치 위치에 따라 국부적으로 농도가 높은 곳이 발생하였으며, 외피 측 창문에 정압이 가해져 실외 미세먼지 및 기류가 외피 측 창문을 통해 유입되므로 공기청정기가 복도 측 앞과 뒤에 설치된 case 1 및 case 3에서 외피 측 창문과 인접한 호흡역 농도(P5)가 높게 산출되는 것으로 판단된다.

Table 3. Breathing zone concentration according to outdoor particle concentration

particle concentration (μg/m3) Case 1 Case 2 Case 3
Co = 125 μg/m3 P1 (teacher) 88.2 54.6 64.1
P2 (front-corridor) 70.4 67.2 85.1
P3 (middle) 67.2 54.6 90.3
P4 (rear-corridor) 53.6 31.5 64.1
P5 (rear-window) 71.4 46.2 94.5
Co = 75 μg/m3 P1 (teacher) 52.9 32.8 38.4
P2 (front-corridor) 42.2 40.3 51.0
P3 (middle) 40.3 32.8 54.2
P4 (rear-corridor) 32.1 18.9 38.4
P5 (rear-window) 42.8 27.7 56.7
Co = 35 μg/m3 P1 (teacher) 24.7 15.3 17.9
P2 (front-corridor) 19.7 18.8 23.8
P3 (middle) 18.8 15.3 25.3
P4 (rear-corridor) 15.0 8.8 17.9
P5 (rear-window) 20.0 12.9 26.5

Table 4. Results of average breathing zone concentration

particle concentration (μg/m3) Case 1 Case 2 Case 3
Co = 125 μg/m3 Avg (sd) 70.1 (12.4) 50.8 (13.1) 79.6 (14.6)
Co = 75 μg/m3 Avg (sd) 42.1 (7.42) 30.5 (7.89) 47.8 (8.75)
Co = 35 μg/m3 Avg (sd) 19.6 (3.46) 14.2 (3.68) 22.3 (4.08)

결 론

본 연구에서는 현장실험을 통해 초등학교 교실의 기밀도 및 실외 미세먼지 침입경로별 누기면적을 분석하였으며, 실외 미세먼지 침입에 대한 CFD 해석모델을 바탕으로 교실 내 공기청정기 설치 위치에 따른 미세먼지 제거성능에 관한 사례연구를 수행하였다.

초등학교 교실은 일반적인 공동주택에 비해 기밀도가 크게 낮은 것으로 나타났으며, 이는 초등학교 교실이 실외 미세먼지에 의하여 큰 영향을 받을 수 있는 공간임을 의미한다. 또한, 기밀성능이 낮은 초등학교의 경우 실외 미세먼지 유입량이 많아 공기청정기의 제거성능에 큰 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다. 공기청정기 설치 위치에 따른 호흡역 농도를 비교한 결과, 설치 위치에 따라 필터에 의해 걸러진 입자의 비율이 최대 3.06 배의 성능 차이가 나타나, 실외 미세먼지 침입이 많은 초등학교 교실에서 공기청정기 설치 위치에 대한 영향을 고려할 필요가 있는 것으로 판단된다.

본 연구의 결과는 초등학교 교실의 기밀성능에 따라 공기청정기의 설치 위치별 미세먼지 제거성능이 달라짐을 나타낸다. 이러한 결과는 초등학교 교실의 기밀성능에 따른 공기청정기의 성능평가 및 적정용량 산정을 위한 자료로 활용될 수 있다. 본 연구에서 미세먼지 침입 해석을 연구의 목적으로 한정하여, 실내 미세먼지 발생을 고려하지 않았으므로 공기청정기의 미세먼지 제거성능이 실제와 다를 수 있다. 향후, 실외 미세먼지의 침입뿐만 아니라 실내 미세먼지 발생을 고려하여 공기청정기의 설치 위치에 따른 미세먼지 제거성능에 관한 연구를 수행할 예정이다.

Acknowledgements

이 논문은 2018년도 LG전자의 재원으로 지원을 받아 수행된 연구임.

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