서 론

실내 주거환경에 대한 관심이 높아짐에 따라 실내 공기질을 쾌적하게 유지하기 위한 다양한 기술 및 연구들이 발표되고 있다(Tham, 2016). 해당 기술 및 내용들은 실내 공기질을 개선하기 위한 방법으로 설비를 통해 오염물질들을 제거하고 실내를 환기하는 방법에 대처하고 있다.

실내 적정 환기량은 1인당 이산화탄소 발생량을 가정하여 산정한다(Claude-Alain and Foradini, 2002; Guo and Lewis, 2007). 이산화탄소는 재실자의 호흡에 의해 발생하므로 재실밀도가 높은 공간에서는 반드시 적정량의 환기를 실시해야 한다. 현재까지도 이산화탄소의 농도 증가가 재실자에게 미치는 영향에 대한 연구(Satish et al., 2012), 재실자 수에 따라 적정량의 환기를 수행하기 위한 연구(Kang, 2013), 이산화탄소 발생량을 예측하기 위한 연구(Lu et al., 2010), 이를 기반으로 알맞은 제어를 통해 실내 공기질을 확보하기 위한 연구(Wang et al., 2017) 등 다양한 연구들이 수행되었다. 그러나 건물의 기밀성능 변화가 실내 공기질에 미치는 영향에 대해 분석한 연구 사례는 매우 드물다.

건물의 기밀성능과 실내 이산화탄소 농도의 관계를 다룬 연구들에서도 건물의 기밀성능에 따른 침기의 영향을 시간 당 환기횟수(Air change per hour)로 가정하여 실내 이산화탄소가 제거되는 것으로 간주하거나(Lu et al., 2011), 환기장치를 가동하는 경우 침기 및 누기에 의한 영향은 무시할 수 있는 것으로 간주하기도 한다(Choi et al., 2018). 이처럼 건물의 기밀성능이 실내 이산화탄소의 농도에 미치는 영향은 단순하게 평가되고 있다.

건물이 기밀할수록 실내 이산화탄소 농도가 높게 나타나는 것은 매우 자명하나, 현재까지도 건물의 기밀성능의 준위, 그리고 그 변화 수준에 따라 실내 이산화탄소의 농도가 어느 정도 영향을 받는지에 대해 보고된 사례는 없었다. 또한, 기밀성능의 변화 및 환기장치의 가동 여부가 실내 이산화탄소 농도에 미치는 영향을 실제 측정한 사례는 많지 않다.

본 연구는 이에 대한 기초 연구로써 현재 사용 중인 대학 강의실을 대상으로 강의실 기밀성능 변화에 따른 실내 이산화탄소 농도 변화 특성을 측정을 통해 살펴보고자 한다.

측정 개요

건물의 기밀성능이 실내 공기질에 미치는 영향을 관측하기 위해서는 같은 공간에 서로 다른 기밀성능을 구현할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 강의실 내 개구부를 인위적으로 밀봉하는 실링(Sealing) 작업을 통해 동일 실에 서로 다른 기밀 상태를 구현하였다.

실링 작업 전/후 강의실의 기밀성능을 측정하고 밀봉을 그대로 유지한 상태에서 실내 이산화탄소 농도를 측정하였으며 다음 날 누기부위 밀봉재를 제거하여 실내 이산화탄소 농도를 측정하였다. 더불어 환기장치 가동 시에도 실내 이산화탄소 농도가 기밀성능에 영향을 받는지 여부를 확인하기 위해 일부 측정 구간에서는 환기장치를 특정 풍량으로 가동하였다.

대상 강의실

Figure 1은 측정 대상 강의실 외부 사진 및 평면을 나타낸 것이다. 강의실은 3층 콘크리트 건물의 옥상에 건식 공법으로 증축된 옥탑 형태의 건축물로 바닥면적 90.24 m², 체적 230.1 m³ , 총 68석 규모이다. 그림의 붉은 삼각형 표시는 측정 기간 동안 이산화탄소 측정 장비가 설치되었던 위치를 표시 한 것으로 2019년 10월 14일 및 15일 각 08시 50분부터 15시까지 이틀 간 외부, 강의실 앞/뒤, 복도 총 4곳을 측정하였다.

Figure 1.

External view and schematic plan of the target classroom with measurement spots

측정 기간 동안 강의실의 사용 스케줄 및 재실 인원은 Table 1에 나타냈다. 쉬는 시간과 점심시간을 제외한 나머지 구간에서는 수업이 진행되었다. 강의실 출입문의 개폐 여부는 앞/뒷문에 각각 도어센서를 설치하여 모니터링 하였으며 측정일 동안 외부 창문의 개폐 및 냉·난방기의 동작은 없었다. 복도 외측 출입문은 항시 열림 상태를 유지하였으며 측정 기간 동안 강수는 없었다.

Table 1. Occupancy and ventilator operating schedule for the classroom during the measurements

기밀성능 측정

대상 강의실의 기밀성능은 ISO 9972의 method A (ISO, 2015)에 의거하여 측정하였다. 이 방법은 Blower door를 이용한 가감압법 측정 방법으로 현재 사용 중인 공간에서의 기밀성능 측정 방법에 해당한다.

기밀성능 측정을 위해 Figure 2와 같이 강의실 앞문에 측정 장비를 설치하고 10~60Pa의 압력차 범위에서 10Pa 간격으로 총 6회 측정하여 강의실 실링 작업 전과 후의 기밀성능을 측정하였다. 기밀성능의 변화를 유도하기 위해 본 연구에서는 Figure 3과 같이 바닥 개구부, EHP, 창문 등을 밀봉하여 실링 작업을 수행하였다.

Figure 2.

Installation of the blower door test equipment for the airtightness measurement

Figure 3.

Sealed elements in the classroom (2 EHP boxes, 2 corridor windows, 4 openings on the floor, and 5 outside windows have sealed. Some of sealed elements are not presented in this figure)

실내 이산화탄소 농도 측정

실내 이산화탄소 농도 측정은 실링 작업 후 22.2 h^-1의 기밀성능을 유지한 상태에서 10월 14일(Sealed)부터 진행되었다. 14일 측정은 Figure 3에 나타낸 누기 부위 밀봉을 유지한 채 수행하였고 15일(Normal) 측정은 밀봉을 제거하여 Figure 3의 상단과 같은 본래 강의실 상태에서 수행하였다.

이산화탄소 측정 장비는 TSI-7545를 사용했으며 10초의 샘플링 간격을 두고 Figure 1에 나타낸 4개 지점에 각각 설치하여 측정하였다. 각 지점 측정 장비는 바닥으로부터 1.2 m 높이에 설치하였고 재실자의 날숨에 의한 간섭을 최소화하기 위해 측정 장비 반경 1 m 이내 학생들이 접근하지 못하도록 조치하여 측정을 진행하였다. 또한 실내 이산화탄소 농도 분포를 고르게 하기 위해 수업 시간 동안에는 학생들을 고르게 착석시켰다.

기밀성능 및 실내 이산화탄소 측정 결과

기밀성능 측정 결과

측정된 기밀성능은 Table 2에 나타냈다. 기밀성능 결과 값을 비교하기 위해 실내외 50Pa의 차압 조건에서의 침기량을 나타내는 ACH50 (Air change per hour at 50 Pa)과 외피면적을 통해 유입되는 침기량을 나타내는 Air permeability를 사용하였다.

Table 2. Airtightness test results of the normal and sealed conditions for the classroom at 50Pa pressure difference

실링 작업 전 강의실의 ACH50은 26.8 h^-1 (Air permeability는 22.2m³/h·m²@50Pa)로 측정되었다. 실링 작업 후 강의실의 ACH50은 22.2 h^-1, Air permeability는 18.4m³/h·m²@ 50Pa 로 기밀성능이 개선되었다.

강의실 천장은 텍스로 마감이 되어있으며 텍스 상단의 공간은 설계 스튜디오, 복도 등 인접한 공간의 상부와 연결되어 있어 매우 낮은 기밀성능을 나타낸다. 국내 공동주택의 경우2010년 이후 준공된 239세대의 평균 기밀성능은 ACH50 기준 2.47 h^-1(Ji et al., 2016)이다. 그러나 준공년도가 오래된 건물이 다수인 교육시설의 경우, 최근 조사된 자료(Lee et al., 2017; Jeong et al., 2018)에 의하면 기밀성능은 최저 4.22 h^-1부터 최대 27.58 h^-1로 매우 낮다.

실내 이산화탄소 농도 측정 결과

Figure 4 및 Figure 5는 14일(Sealed), 15일(Normal) 서로 다른 기밀성능 조건에서 측정된 강의실 이산화탄소 농도 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 그래프 하단에는 0과 1로 강의실 앞쪽(청색)과 뒤쪽(적색) 출입문 개방 상태를 표시하였다. 이틀 모두 외부 이산화탄소 농도(Outdoor)는 약 480 ppm으로 측정 기간 동안 일정하게 유지되었다.

Figure 4.

Measured indoor CO₂ (top) and outdoor wind velocity (bottom) at Sep. 14th (Sealed, ACH50=22.2^-1)

Figure 5.

Measured indoor CO₂ (top) and outdoor wind velocity (bottom) at Sep. 15th (Normal, ACH50=26.8 h^-1)

Figure 4 및 Figure 5에서 나타난 복도의 이산화탄소 농도(Corridor)는 측정 초반 외부와 유사한 농도를 보이다가 강의실 출입문이 열린 12시를 기점으로 급격히 증가하였다. 점심시간 동안 강의실의 출입문을 모두 개방한 것은 환기장치 가동 전 자연환기를 통해 강의실 이산화탄소 농도를 낮추기 위해 의도한 것이다. 출입문 개방 시 강의실의 이산화탄소 농도는 급격히 감소하고 복도측 농도와 유사해지는 시점부터 천천히 감소한다. 복도측 외부 출입문은 항시 열림 상태를 유지하였으므로 이산화탄소 농도는 지속적으로 낮아진다.

Figure 4에 나타난 14일 점심시간 강의실 및 복도의 이산화탄소 농도는 외부 농도만큼 떨어지지 않았으며 13시를 전후로 복도의 이산화탄소 농도가 강의실보다 더 높게 나타난 것을 확인할 수 있다. 이는 12시부터 13시 10분까지 강의실 뒤편에 위치한 설계 스튜디오(총 정원 120명)로 지속적인 학생들의 이동이 있었고 복도와 강의실의 이산화탄소 농도가 이에 영향을 받은 것으로 판단된다.

환기장치를 가동하지 않은 시간 동안 강의실 뒤쪽(Rear)이 앞쪽(Front)에 비해 이산화탄소 농도가 약 100~150 ppm가량 높게 나타나는 것은 해당 강의실 뒤쪽이 앞쪽에 비해 바닥높이가 약 25 cm 가량 높은 계단식 구조이기 때문인 것으로 판단된다. 이산화탄소는 공기보다 비중이 커서 바닥으로 가라앉는다고 알려져 있지만 선행 연구(Chao et al., 1998)에 따르면 재실인원이 있는 경우 날숨 온도에 의해 상층부로 Draft가 발생하기 때문에 재실자가 있는 공간에서는 상부 이산화탄소 농도가 더 높게 나타난다.

기밀성능 변화에 따른 실내 이산화탄소 측정 결과 논의

강의실의 기밀성능이 상대적으로 높았던 Figure 4의 14일(Sealed) 측정 결과, 환기하지 않은 자연 상태의 강의실 뒤쪽 이산화탄소 최고치는 3783 ppm으로 15일(Normal) 최고치에 비해 839 ppm 높게 측정되었다. 14일(Sealed)은 15일(Normal)에 비해 보다 적은 인원이 재실 하였고 14일 09시부터 10시 15분까지 강의실 뒤쪽 출입문(적색)이 열려 있었던 것을 감안하면 14일, 15일의 두 상황이 엄밀히 같은 조건이었다면 기밀성능에 따라 실내 이산화탄소 농도는 더욱 큰 차이를 보였을 것으로 사료된다.

또한 강의실 기밀성능이 높았던 14일의 외부 평균 풍속은 Figure 4 하단에 나타낸 바와 같이 1.61 m/sec로 15일 평균풍속보다 1.12 m/sec 더 높았다. 이에 따라 강의실 외피 압력차가 침기와 누기를 빈번히 일으켜 실내 이산화탄소 농도에 영향을 미쳤을 것으로 사료되나 추후 이에 대한 면밀한 검토가 필요하다.

환기장치를 250 CMH로 가동한 13시 30분 이후에는 강의실 내부 기류 유동에 의해 강의실 앞쪽과 뒤쪽의 이산화탄소 농도가 서로 비슷한 준위에서 검출되었다. 기밀성능이 상대적으로 높았던 14일의 강의실 농도 최대치는 2350 ppm, 기밀성능이 낮은 15일은 2119 ppm으로 기밀한 조건에서 강의실 이산화탄소 농도가 231 ppm 높게 나타났다. 환기장치를 가동하지 않은 구간의 농도 최대치 차이가 839 ppm이었던 것에 비해 환기장치를 가동한 구간에서 근소한 차이만을 보였던 이유는 환기장치 가동 시 건물의 기밀성능보다는 급·배기량의 영향이 지배적이기 때문인 것으로 사료된다.

그럼에도 불구하고 환기장치 가동 시에는 침기 및 누기에 의한 실내 이산화탄소 농도 영향이 매우 미미한 것으로 간주하였던 기존 연구들의 가정과는 달리, 본 연구에서는 다소 유의미한 차이가 관측되었다. 이 차이가 오롯이 기밀성능의 차이에서 비롯된 것이라고 판단하기에는 어렵다.

첫째, 환기장치 제조사에서는 장치 가동 시 실내를 가압상태로 유지시키기 위해 정격 풍량에서 장치 급기량을 배기량보다 약 20~30 CMH 더 높게 설계한다. 이로 인해 실내가 정압상태를 유지할 경우 건물 외피가 기밀할수록 누기량이 적어지므로 14일(Sealed) 농도 최대치가 15일(Normal)보다 높게 검출되었던 것으로 판단할 수 있다. 이는 건물 기밀성능의 차이가 유도한 현상으로 설명이 가능하다.

둘째, 14일(Sealed) 12시 이후 복도측 강의실의 농도는 외부 농도보다 높은 준위를 유지하였던 반면 같은 구간 15일(Normal) 복도측 이산화탄소 농도는 외부와 유사한 수준에서 유지되었다. 이로 인해 14시를 전후로 강의실 뒤쪽의 출입문(적색)이 일시적으로 열려 있었기에 강의실의 농도가 복도의 농도에 영향을 받았을 것으로 사료된다.

복도측 강의실 뒷문 개방으로 인해 강의실 이산화탄소 농도가 영향을 받았다면 본 연구의 결과만으로 환기장치 가동 시에도 기밀성능의 차이가 실내 이산화탄소 농도에 영향을 미치는지를 판단하긴 어렵다. 향후 이에 대한 추가적인 측정 및 면밀한 분석이 수행되어야 한다.

결 론

본 연구는 대학교 강의실을 대상으로 건물의 기밀성능이 실내 이산화탄소 농도에 미치는 영향을 측정을 통해 분석하였다. 자명하게도, 환기장치를 가동하지 않는 경우 기밀성능이 좋을수록 강의실 이산화탄소 농도는 높게 나타났다. 기존 강의실의 ACH50이 26.8 h^-1에서 22.2 h^-1로 개선됨에 따라 실내 이산화탄소 농도는 2944 ppm에서 3783 ppm으로 최대 839 ppm의 차이를 보였다. 반면 환기장치를 가동하는 경우 기밀성능에 대한 영향보다는 급·배기에 의한 영향이 지배적이기에 이산화탄소 농도 최대치는 서로 유사한 수준을 보였으나, 다소 유의미한 차이가 관측되었다.

본 연구의 대상 강의실 기밀성능은 실링 작업을 통해 기밀성능의 개선을 유도하였더라도 기밀성능이 매우 낮다. 우리나라 교육시설이 준공년도가 오래된 낡은 건물이 많은 점을 감안하면 해당 강의실은 기밀성능이 매우 낮은 예외적인 표본이라고 일반화하기는 어렵다. 그러나 우리나라 공동주택 등의 일반적인 건축물 기밀성능 수준에서도 침기 및 누기에 의한 실내 이산화탄소 농도가 본 연구의 결과만큼 차이를 보일 것인가에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다.