서 론

최근 미세먼지 등 대기 오염이 악화됨에 따라 창 개방 등을 통한 자연환기가 어려워 기계 환기의 중요성은 점차 부각되고 있다. 국내에서도 ‘건축물의 설비기준 등에 관한 규칙’(국토교통부, 2020)에 의거하여 교육시설을 포함한 주거시설, 업무시설, 다중이용시설 등에 의무적으로 기계 환기를 설치하도록 규정하고 있으며 특히 재실인원이 많은 교육시설을 대상으로 기계 환기의 효과 및 중요성을 다루는 상당수의 연구가 수행되었다(Shendell et al., 2004).

교육시설은 한정된 공간을 많은 재실인원이 사용하는 재실밀도가 높은 공간이다. 이러한 공간은 재실인원의 호흡으로 인해 실내 CO₂ 농도가 급격히 증가하기 때문에, 학교보건법 시행규칙(교육부, 2019)에 따르면 교실 내 1인당 필요 환기량은 21.6 CMH 이상이 되도록 하고 있으며 이를 충족할 수 있는 용량의 환기 설비를 설치하도록 권고하고 있다. 또한 교실 내 CO₂ 농도는 자연환기를 하는 경우 1000 ppm 이하, 기계 환기가 설치된 경우 1500 ppm 이하를 유지하도록 규정하고 있다. 이러한 실내 CO₂ 기준을 유지하고자 환기장치 제조사는 CO₂ 농도에 따라 급·배기 풍량을 자동으로 제어하는 자동 제어모드를 제공하고 있다. 자동 제어모드를 교육시설에서 사용하는 경우 높은 재실밀도로 인해 대다수의 경우 최대 풍량으로 가동된다.

그러나 교육시설 환기 설비 설치 이후 장치 가동 시 발생하는 소음으로 인해 당초 설치 의도대로 환기장치를 사용하지 않는다는 문제가 대두되고 있다. 장치 가동 시 소음 발생으로 인한 수업 중 교사의 음성 전달의 명료도 저하로 인해 장치의 가동을 중지하여 발생하는 문제이다. 수업시간 중 환기장치 운전 중단은 곧바로 실내 공기질을 악화시키게 되며 교실 내 CO₂ 농도의 급격한 상승은 인해 집중력 저하 등 학업 성취도에 부정적인 영향을 미치는 것 또한 잘 알려진 사실이다(Branco et al., 2015).

교실은 수업 도중 적정한 CO₂ 농도를 유지해야하며 동시에 소음에 대한 피해를 최소화하여야 하는 공간이다. 수업 중 명료도 저해를 이유로 수업 시간 중 환기장치를 사용하지 않는 경우 실내 CO₂ 농도를 기준치 범위에서 유지할 수 없다. 선행 연구(Lee et al., 2018)에서는 교실의 배경소음 적정 범위를 43.4 - 51.1 dBA으로 제안하고 있다. 본 연구에서는 소음에 대해 민감한 수업시간 중에는 선행 연구에서 제시하는 소음 범위 내에서 운전되며 이외 시간에는 적극적으로 최대 풍량으로 가동하여 실내 CO₂ 농도를 일정 수준이하로 유지할 수 있는 운전 방법을 제안하고자 한다.

소음 저감을 위한 환기장치 제어방안

선행 연구(Lee et al., 2018)에서는 수업 중 교사의 음성레벨 50 dBA 인 경우 언어명료도를 저해하지 않는 적정 배경소음은 43.4 - 51.1 dBA인 것으로 제안하고 있다. 해당 연구에서는 국내 초·중·고등학교 12개 샘플을 대상으로 창문 개방 시 교실 내 배경 소음이 교사의 음성을 비교적 저해하지 않는 범위를 제안하였다. 이러한 연구 결과를 참조하여 본 연구에서는 수업 중 환기장치에 의한 배경소음 또한 최대 51.1 dBA 이하인 경우 환기장치로 인한 배경소음이 수업 중 교사의 언어명료도를 저해하지 않는다는 가정하에 수업시간에는 발생 소음을 최소화하고 쉬는 시간을 이용하여 적극적으로 환기장치를 운전하는 제어 방안을 제안하고자 한다.

Table 1은 환기장치 급기 풍량에 따른 발생 소음을 나타낸 것으로 국내 환기장치 제조기업 A사의 암소음 22-23 dBA 수준의 무향실에서 KS B 6879 (2017)에 따라 측정된 청감 보정회로 A특성에 따른 값이다. 수업 시간 중 최소 및 중 풍량으로 환기하는 경우 모두 선행 연구(Lee et al., 2018)에서 제시하였던 범위 내에 해당하지만 수업 시간 교사 음성을 최대한 명료하게 하기 위하여 수업 시간 중에는 최소 풍량으로 환기하고 쉬는 시간에는 최대 풍량으로 가동하는 제어 모드를 Figure 1과 같이 제안하였다.

Figure 1.

Proposed control algorithm of ventilators for mitigating noise

Figure 1의 제어 알고리즘은 최초 환기장치 작동 시 최소 풍량으로 가동이 시작된다. 가동과 동시에 CO₂ 농도를 측정하여 현재 검출되는 실내 CO₂ 농도 C(t)가 1500 ppm 이하일 경우 최소 풍량의 환기장치 가동만으로 충분한 환기가 이루어지고 있다고 판단하여 풍량 변화 없이 최소 풍량으로 환기한다. 이후 측정되는 CO₂ 농도가 1500 ppm 이상이 되는 경우 현재 검출되는 CO₂농도 C(t)가 이전 시간 단계에서 검출된 CO₂농도 C(t-1)보다 낮은지 판별한다. 이는 현재 쉬는 시간인지, 수업 시간인지를 판별하기 위함이다. 만일 C(t)가 C(t-1)보다 작다면 쉬는 시간이 시작된 것으로 판별하여 설정된 시간(X_set) 동안(본 연구에서는 15분 적용) 최대 풍량으로 운전한다.

수업 시간과 쉬는 시간을 판별하는 방법으로는 사용자가 직접 스케줄을 입력하는 방법, 동작 감지 또는 이미지를 활용한 방법(Kłosowski et al., 2015), CO₂ 농도 변화를 통한 추정 방법(Han et al., 2013) 등이 사용 가능하다. 본 연구에서는 관리자 개입이 필요치 않고 기존 센서로 적용이 가능한 CO₂ 농도 변화 추정 방법을 사용하고자 한다. 교실 및 강의실의 CO₂ 농도는 Figure 2에 나타낸 바와 같이 수업 시간 중 서서히 증가하다가 쉬는 시간 출입문 개폐, 재실인원의 이동 등으로 인해 급격히 감소한다는 특징이 있다.

Figure 2.

Data averaging effect: 10 sec (left) vs. 1 min (right)

CO₂ 농도 변화량을 활용하기 위한 적정 시간 간격을 도출하고자 간단한 데이터 분석을 수행하였다. Figure 2의 좌측 그래프는 환기장치 가동 상태에서 수업시간 및 쉬는 시간의 CO₂ 농도를 10초 간격으로 측정한 데이터이다. 우측의 그래프는 이를 1분 동안의 평균값으로 나타낸 그래프이다. 10초 간격으로 측정한 CO₂ 농도는 수업 중 여러 변수에 의해 순간적인 감소가 빈번하게 나타난다. 샘플링 간격이 지나치게 짧은 경우 순간적인 농도 감소가 수업 종료로 인지 될 우려가 있다. 이를 방지하기 위하여 샘플링 간격은 유지한 채 1분 동안 측정된 CO₂ 농도의 평균값이 이전 1분 동안의 CO₂ 농도의 평균값보다 낮을 때 쉬는 시간으로 인지할 수 있도록 하였다.

제어방안의 효과 실험

대상 강의실

Figure 1의 알고리즘 효과를 실험하기 위해 스탠드형 환기장치가 설치되어 있는 대학교 강의실을 대상으로 선정하였다. Figure 3은 측정 대상 강의실 내부 사진 및 도안을 나타낸 것이다. 대상 강의실은 체적 230 m³, 바닥면적 90.24 m²의 규모로 수용인원은 최대 68명이다. 강의실 앞·뒤에 각각 출입문이 있으며, 측정 기간 동안 창문의 개폐는 없었다.

Figure 3.

Overview of the test classroom and the location of the energy recovery ventilator

소음저감을 위한 제어 알고리즘 실증

강의실 내의 CO₂ 농도는 TSI-7545를 이용하여 2019년 10월 16일 10시 30분부터 13시 30분까지 강의실 앞, 뒤 총 2곳에 각각 설치하여 측정하였다. 측정기는 바닥으로부터 1.2 m 높이에 설치하였고 수업 시간 동안에는 학생들을 고르게 착석시켰으며 날숨에 의한 직접적인 영향을 줄이기 위하여 측정기로부터 반경 1 m이내 학생 접근을 제한하였다. 측정 기간 동안 강의실의 스케줄 및 재실 인원은 Table 2와 같다.

측정일 강의실 재실인원(36명)에 알맞은 환기량은 학교 보건법의 인당 필요 환기량 21.6 CMH 기준 778 CMH 이다. 그러나 설치된 환기장치는 1대이며 최대 환기량은 400 CMH 이다. 통상적인 환기장치는 필요 환기량에 상응하는 급기량을 중풍량으로 감당할 수 있도록 설치하기에 실증 환경의 환기장치 용량은 매우 부족하다. 따라서 수업 시간에 최소 풍량(150 CMH)으로 환기하는 경우 충분한 환기가 이루어지지 않는다고 판단하여 수업 시간 풍량은 중 풍량(250 CMH)으로, 쉬는 시간 풍량은 최대 풍량(400 CMH)으로 설정하였다.

시뮬레이션을 통한 제어 방안 검증

대상 강의실에 설치된 환기장치의 용량이 부족하였기에 환기장치의 용량이 재실인원에 충분히 알맞게 설계되었다는 가정 하에 식 (1)을 기반으로 시뮬레이션을 실시하여 추가적으로 제안 알고리즘의 실효성을 검토하였다.

식 (1)은 질량 보존의 이론식을 기반으로 유도된 CO₂ 농도 예측 식을 나타낸 것이다. 여기서, C는 실내 CO₂ 농도(ppm), C_i 는 초기 실내 CO₂ 농도(ppm), C_ext 는 외기의 CO₂ 농도(ppm), n은 환기 횟수 (h^-1), V는 실의 체적(m³), E는 1인당 CO₂ 발생량(ppm), N은 재실자 수, t는 시간(h)을 의미한다. 시뮬레이션 분석을 위해 C_ext 는 470 ppm으로 일정하다고 가정하였으며, C_i 는 최초 측정 농도인 680 ppm으로 설정하였다. 쉬는 시간 재실인원수는 Table 2에 나타낸 평균값으로 하였고 이 외에 각 인자들의 입력 값은 Table 3에 나타냈다.

대상 강의실의 CO₂ 농도를 식 (1)을 통해 시뮬레이션하기 위해서는 실측 상황과 동일한 조건에서 인당 CO₂ 발생량을 확인하여야 한다. 이를 위해 ASHRAE 62.2 (ASHRAE, 2013) 및 활동량에 따른 인당 CO₂ 발생량에 관한 선행연구(Dougan and Damiano, 2004)를 참고하여 최초 0.02 CMH의 값을 식에 대입하고, 측정값을 가장 근접하게 묘사하는 인당 CO₂ 발생량을 추정하여 시뮬레이션을 진행하였다.

측정 및 시뮬레이션 결과

측정 결과

Figure 4는 제어 알고리즘을 적용한 대상 강의실 내부의 CO₂농도를 시간에 따라 나타낸 그래프이며 A, C, E는 수업 시간, B, D, F는 쉬는 시간이다.

Figure 4.

CO₂ measurement results according to the proposed control method for the ventilation equipment

A 구간 재실인원은 12명으로 수업 종료 시까지 CO₂ 농도는 1500 ppm 이하였기에 B 구간에서 급기량의 변동은 없었다. C 구간은 28명이 재실하여 급격하게 CO₂ 농도가 증가하였고 수업 도중 실내 CO₂ 농도가 1500 ppm을 초과하여 D 구간에서 15분 동안 최대 풍량으로 환기되었다. E 구간에서는 최초 농도가 이미 기준치를 초과하여 수업 시작 전 교실모드가 작동하였고 이로 인해 E구간에서 15분간 최대 풍량으로 가동되었다.

실험 종료 후, 상대적으로 적은 인원이 재실 했던 A 구간을 제외하고 강의실의 CO₂ 농도는 실내 권고기준을 만족하지 못하였다. D, E 구간에서 환기장치는 400 CMH의 최대 풍량으로 가동되었으나 환기장치의 용량부족으로 재실 인원에 비해 충분한 환기량을 제공하지 못했기 때문이다. 이에 본 연구에서는 환기장치의 급기량이 충분한 경우 제안 알고리즘을 통해 실내 CO₂ 농도 권고기준을 확보할 수 있는지를 시뮬레이션 및 케이스 스터디를 통해 확인하였다.

시뮬레이션 및 케이스스터디 결과

Figure 5는 실측과 동일한 조건에서 식 (1)의 인당 CO₂ 발생량을 추정한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 측정값을 가장 근접하게 묘사하는 인당 CO₂ 발생량을 반복계산을 통하여 산출하였으며, 추정 값은 인당 0.018 ppm 으로 해당 값을 통해 시뮬레이션을 수행하였을 때 실내 CO₂ 농도는 실측값을 매우 근접하게 묘사하는 것을 확인할 수 있다.

Figure 5.

Comparisons between measurement and simulation using a CO₂ emission rate per occupant of 0.018 CMH

추정된 인당 CO₂ 발생량을 토대로 대상 강의실에 30명이 재실하고 해당 인원 규모의 필요 환기량(30×21.6 CMH)을 충족하기 위해 2대의 환기장치가 설치되어 있다고 가정하여 시뮬레이션을 진행하였다. 이 경우 환기장치 최대 풍량 및 최소 풍량은 각각 800 CMH, 300 CMH 로, 소음의 경우 음에너지는 음압의 제곱에 비례하는 원리(Suter, 1992)를 바탕으로 Table 1에 제시된 값에 각 3 dBA씩 증가하는 것으로 간주하였다. 재실 인원이 동일한 75분간의 수업이 세 번 진행되었다고 가정하고 쉬는 시간은 동일하게 15분으로 가정하였다. 쉬는 시간 재실 인원은 평균 10명으로 가정하였다.

Figure 6은 가정한 조건으로 대상 강의실에 제어방안의 알고리즘을 적용한 시뮬레이션 결과이며 음영 처리된 부분은 쉬는 시간에 해당한다. 환기장치를 가동하지 않은 경우의 실내 CO₂ 농도는 침기로 인해 유입되는 공기량을 추정하였다. 침기량은 준공년도 70-90년대의 학교 교실의 기밀성능(ACH50)을 측정한 선행 연구(Lee et al., 2017; Jeong et al., 2018; Kim et al., 2019)에서 보고된 평균 값 16.9 ACH50을 사용하였으며, 해당 값을 20으로 나눈 침기량에 강의실의 체적을 곱하여 194.4 CMH의 환기량을 산정하였다.

Figure 6.

Simulation results with and without the proposed control method when the lowest air volume rate is adopted during classes

환기를 하지 않는 경우 실내 CO₂ 농도는 최초 680 ppm 으로부터 2시간 이내에 2500 ppm 이상 상승하게 된다. 300 CMH의 최소 풍량으로 연속 환기하는 경우 제안한 제어 방법을 적용하는 경우에 비해 최대 593 ppm의 CO₂ 농도 차이를 보인다. 제안한 제어 방법은 비교 대상인 두 가지 시나리오에 비해 비교적 낮은 CO₂ 농도를 유지할 수 있었으나, 쉬는 시간 최대 풍량 운전 시 일부 구간에서만 실내 CO₂ 농도 기준 1500 ppm을 만족하는 것으로 나타났다.

Figure 7과 Table 4는 수업 시간 급기 풍량을 중 풍량으로 환기하는 경우와 급기 가능한 최대 풍량이 600 CMH로 증가되어 총 1200 CMH로 급기가 가능한 경우로 가정을 확장하여 시뮬레이션 케이스 스터디를 수행한 결과를 나타낸 것이다. Figure 7의 케이스 별 급기량 및 발생 소음은 Table 4에 정리하였다.

Figure 7.

Simulation case study for Low-Medium-High flow rates based on the proposed control method

수업 시간 및 쉬는 시간 각각 300, 800 CMH의 풍량으로 제어하는 원안(Proposed)은 수업시간 중 1500 ppm을 초과하여 수업 종료 시 2000 ppm까지 CO₂ 농도가 상승하다가 쉬는 시간 다시 1300 ppm 으로 내려가는 패턴이 반복된다. 쉬는 시간 300 CMH 풍량을 유지하면서 수업 시간 1200 CMH로 환기하는 Case 1의 경우 쉬는 시간 동안의 환기로 원안에 비해 수업 시작 전 실내 CO₂ 농도를 낮출 수 있어 수업 종료 시점의 CO₂ 농도를 보다 낮은 상태로 유지할 수 있으며 원안과 Case 1의 경우 수업 시간 동안의 기기 소음도를 44 dBA로 유지할 수 있는 것으로 분석되었다.

Case 2와 Case 3은 수업 시간 중 중풍량으로 환기하는 경우에 해당하며 Case 3은 Case 2와는 달리 쉬는 시간 중 1200 CMH로 환기하는 경우이다. 수업 시간 동안의 환기량 만으로도 실내 CO₂ 농도 기준인 1500 ppm 이하를 항시 유지할 수 있는 것으로 분석되었으나, 발생 소음은 49 dBA로 이는 선행 연구(Lee et al., 2018)에서 조사된 창문을 모두 개방한 상태의 배경소음인 49.4 dBA와 유사한 수준이다. Case 4의 경우는 환기장치 1대를 최대 풍량으로 상시 가동하는 경우에 해당하며 이 경우, 발생하는 소음은 54 dBA로 환기장치 가동 시 배경소음으로 인한 수업 명료도 저하가 우려된다.

환기장치 가동을 하지 않은 경우 실내 CO₂ 농도 평균은 2077 ppm으로 기준치 1500 ppm을 큰 폭으로 초과한다. 이에 비해 제시된 원안 및 Case 1은 평균 CO₂ 농도 각 1784, 1649 ppm으로 실내 농도 기준을 상시 만족하지는 못 하나, 수업 중 소음에 의한 명료도 저해를 최소화하며 부분적으로 실내 농도 기준을 만족시킬 수 있다. Case 2-4의 경우는 모든 구간에서 실내 CO₂ 농도 기준은 만족하지만, 증가된 환기장치 배경소음으로 인하여 교사의 언어명료도가 저해될 것으로 사료된다.

결 론

본 연구에서는 수업 시간 중 환기장치 발생 소음을 43.4 - 51.1 dBA 범위 내에서 유지시키면서 실내 CO₂ 농도를 일정 수준 이하로 유지시키기 위한 환기장치 제어 방안을 제안하였다. 수업 시간 중 환기장치 배경소음의 영향을 최소화하기 위하여 최저의 소음 수준을 발생시키는 최소 풍량으로 환기하고, 쉬는 시간을 감지하여 쉬는 시간에는 최대 환기량으로 제어하는 교실에 사용 가능한 제어 알고리즘을 제안하였다. 제안 알고리즘을 검토하기 위해 대학 강의실을 대상으로 실측을 수행하였으며 시뮬레이션을 토대로 실측치를 추정하여 다양한 풍량 조건에서 제안 알고리즘 적용 시 실내 CO₂ 농도 변화에 대한 케이스 스터디를 수행하였다.

수업 시간의 최소 풍량 환기는 수업 중 환기장치에서 발생하는 배경 소음 44 dBA 수준으로 교사의 음성을 명료히 전달 할 수 있을 것으로 사료되나, 실내 CO₂농도는 쉬는 시간 1300 ppm, 수업 시간 2000 ppm으로 해당 실을 기준치 1500 ppm 이하로 상시 유지시킬 수 없다. 반면 수업 시간 중풍량의 환기량은 발생 소음 49 dBA로 창문을 개방한 수준의 배경소음을 발생시키지만 대부분의 구간에서 실내 CO₂ 농도를 기준치인 1500 ppm 이하로 유지시키는 것이 가능한 것으로 분석되었다. 따라서 수업 시간 풍량 설정은 사용자의 선호에 따라 설정이 가능하도록 하여 환기하는 방안이 바람직할 것으로 사료된다. 어떤 선택을 하더라도 환기장치를 가동하지 않는 경우에 비해 실내 CO₂ 농도를 일정 수준 이하로 유지할 수 있다.

한편, 본 연구는 환기장치 발생 소음을 무향실에서 측정한 시험 값을 사용하였으며 실제 장치가 운전되는 동안의 교사 음성이 마스킹(masking)되는 효과 등은 세부적으로 다루지 않았다. 향후 후속 연구에서는 환기장치 배경소음에 대한 등가소음도 및 학생 및 교사의 실질적인 소음 관련 평가 등이 수행되어야 할 것이다.