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IAQ개선 학술연구 ‘활발’…환기시스템 관심증대 확인

설비공학회 동계학술대회, 환기분야 논문 10여편 발표



대한설비공학회(회장 김민수)가 11월19일 개최한 동계학술발표대회에서는 환기와 관련된 10여편의 논문이 발표돼 최근 실내공기질(IAQ)에 대한 관심이 증가하는 현상이 반영됐다.

주로 환기장치의 성능개선, 건물용도별 최적 환기방식, 재실자 환기시스템 가동 행태개선 등의 주제였으며 특히 부침을 겪었던 학교환기 도입사업과 관련해 교실의 IAQ 개선을 위한 연구도 눈에 띄었다.

환기장치 효율, ‘10년째 제자리’
강윤호 부산대 회원이 발표한 ‘열회수형 환기장치의 운전풍량별 에너지성능 변화에 관한 연구’는 2010~2020년 사이 성능평가를 수행한 50~800CMH 풍량대의 824개 열회수형 환기장치에 대한 △효율 △누설률 △에너지계수 등의 성능분포를 분석했다.

분석결과 냉방 시 전열교환효율은 매년 꾸준히 성능이 향상됐다. 그러나 난방의 경우 현재는 소멸한 고효율기자재인증기준인 70%를 3~5% 웃도는 수준에서 연도에 따른 개선효과가 거의 없는 것으로 나타났다.

강윤호 회원은 “당초 고효율기준 제정은 시장에 보급되는 제품성능을 일정 수준 이상으로 유지하고 기술개발을 통해 제품효율을 향상시키기 위한 목적”이라며 “그러나 고효율 기준이 냉방 45%, 난방 70%로 명시된 이후 상당한 시간이 지난 지금도 대부분의 제품이 이 기준만 넘어서는 형태로 출시되고 있어 더 높은 효율의 제품이 우대받을 수 있는 다양한 제도적 장치가 필요하다”고 지적했다.



김석준 서울과기대 회원은 ‘열회수형 전열교환기 덕트시스템의 급기구별 풍량예측’ 논문을 통해 덕트·급기구 조합에 따라 급기구별 풍량예측의 자료를 확보하는 방안에 대해 발표했다.

KS B 6311에서 제시한 시험장치 기준을 기반으로 실험장치를 제작, 실험을 실시했으며 임의의 풍량을 강·중·약 3단계로 나눠 진행한 결과 평균전압은 △강 1.456V △중 1.411V △약 1.365V 등으로 측정됐으며 측정값을 환산해 동압을 측정한 결과 △강 17.1Pa △중 15.4Pa △약 13.7Pa 등으로 나타났다.

김석준 회원은 “풍량이 증가할수록 동압도 증가하는 결과를 확인했으며 동압만을 측정해 덕트시스템 각 급기구별 풍량을 예측할 수 있는 자료로 활용가능함을 확인했다”라며 “전열교환기 자체풍량은 제조사 제품특성 및 제원에 상세히 표시됐음에도 실제 시공되는 덕트시스템은 현장사정에 따라 여러 형태로 설치되고 있어 급기구별 풍량을 정확히 확인할 수 없는 실정을 해소하기 위한 연구”라고 설명했다.



건물용도별 최적환기 제안
최연비 서울과기대 회원은 ‘실내공기 오염물질 저감을 위한 1인 사무공간의 최적환기스케줄 제안’ 논문에서 제연 시뮬레이션을 이용, 1인 규모의 업무공간 내 환기시간에 따른 PM2.5 유입률과 CO₂ 감소율을 비교해 환기스케줄을 도출했다.

제연 시뮬레이션 분석결과 적절한 공기질을 유지하기 위해 CO₂는 남녀 평균 호흡량인 0.00665kg/s를 기준으로 재실 시 172분 경과 후 국내 IAQ 기준인 1,000ppm을 초과하는 것으로 나타났다.

최연비 회원은 “적절한 공기질을 유지하기 위해 CO₂는 33분 이상의 환기가 필요한 것으로 도출됐다”라며 “실내오염물질을 제거하고 적절한 CO₂ 농도를 유지하기 위해서는 2시간30분마다 30분 안팎으로 환기하는 스케줄을 제안한다”고 밝혔다.



현규섭 HDC현대산업개발 그룹장은 ‘코로나시대 공동주택 최적 환기방식’ 연구를 통해 공동주택에서 많은 시간 거주하는 안방과 실내공기가 쉽게 오염되는 주방을 대상으로 최적 공기질을 유지할 수 있는 방안을 모색했다.

안방의 경우 △공기청정기 △급기전용 전열교환기 △각실제어 전열교환기 등을 비교한 결과 미세먼지 저감률은 공기청정기가 비교적 높았지만 CO₂에 대한 저감률이 현저히 낮았다. 각실제어 전열교환기 방식이 상대적으로 모든 오염물질에 대한 높은 저감률을 나타냈으며 CO₂에 대해서도 높은 저감률응ㄹ 보여 쾌적공기질 유지에 유리한 것으로 나타났다.

주방은 △레인지후드 △레인지후드 및 전열교환기 급기 등을 비교한 결과 두 방식 모두 미세먼지, CO₂ 저감률이 크게 차이나지 않았지만 급·배기를 함께할 경우 VOCs에 대한 높은 저감률을 보였다.

현규섭 그룹장은 “미세먼지와 코로나19시대에 맞는 최적환기방식은 모든 오염물질 및 CO₂에 대한 높은 저감률을 확보한 각실제어 전열교환기”라며 “HDC현대산업개발은 고객에게 쾌적한 실내환경을 제공하기 위해 올해 초부터 살균과 탈취기능을 탑재한 각실제어 전열교환기를 개발, 신규분양하는 공동주택 단지에 적용하고 있다”고 밝혔다.



조진균 한밭대 교수는 ‘교차감염 방지를 위한 비접촉 COVID-19 선별진료소 환기성능 평가’ 연구논문에서 비접촉식 모듈형 선별진료소(NCMSC: Non-Contact Modular Screening Center) 개발에 따라 코로나19 바이러스 교차감염 방지효과와 환기성능 평가를 수행했다.

NCMSC는 기존 천막, 컨테이너 선별진료소의 한계를 극복하기 위해 생물안전 캐비닛과 음압부스를 사용한다. 검사수요에 따라 필요지역으로 이동·설치할 수 있으며 기존 이동식 컨테이너나 스틸하우스 대비 에너지성능, 기밀성, 안전성이 우수하다.

건축적 공간분리 및 구조체 기밀성능 확보로 실간 교차감염 위험을 줄이며 문진과 체온측정, 검체운송 등 검사 전 과정에 비접촉 자동화장비를 적용함으로써 감염가능성을 차단한다. 환기횟수는 음압병실 기준인 12ACH(Air Changes per Hour: 시간당 공기교환율) 이상이며 실간차압은 20Pa 이상 유지토록 설계됐다.

연구는 NCMSC의 검체 채취실, 전실, 검사실 등의 급기풍량을 6ACH, 배기풍량을 12~30ACH로 설정한 뒤 CFD해석을 통해 차압에 따른 기류속도 분포, 실간 기류이동 가능성을 살폈으며 안정적인 차압제어가 가능한지 여부를 점검했다.

조진균 교수는 “NCMSC는 모든 검사가 비접촉식으로 가능토록 공간구성과 기밀성을 확보토록 해야한다”라며 “연구결과 검체채취실의 음압유지, 의료진과 피검사자 간 교차감염 방지를 위해 환기량은 30ACH, 실간차압은 –25Pa 이상을 유지하는 것이 바람직하다는 결론”이라고 밝혔다.



임태규 힘펠 상무는 ‘소규모 다중이용시설 집단감염 확산방지 대응 직립형 열회수환기장치 실증 운영사례’ 논문에서 소형 다중이용시설에 시제품을 운영한 결과를 토대로 IAQ 개선효과 및 부유 미세입자 제거효과를 실증했다.

현재 소규모인 생활밀착형 다중이용시설의 경우 환기설비 설치의무가 없는 경우가 대부분인 상황이어서 마스크를 벗어야만 하는 식당, 카페 등 업소의 경우 실내공기 품질관리 적용대상 시설로 법제화가 필요하다는 지적이 제기되고 있다.

업계에서는 이러한 다중이용시설에 적합한 고성능 필터 및 살균기능이 추가된 시제품 개발이 이뤄지고 있다. 이번 실증에 사용된 열회수형 환기장치는 400CMH 풍량의 직립형(스탠드형) 기기 시제품이다. 실증은 PC방, 댄스학원, 합창단 연습실, 식당 등 4곳에서 원격모니터링으로 진행됐다.

임태규 상무는 “소규모 다중이용시설에 대한 장기적 IAQ 모니터링을 통해 기축건물에 실내 무덕트·스탠드·열회수형 환기장치를 운영할 경우 감염성 부유비말, 실내 미세먼지, CO₂ 등 농도저감이 가능함을 확인했다”라며 “다만 환기장치의 운영방식, 환경에 따라 결과가 달라지는 점이 확인돼 안전하고 쾌적한 실내공기품질을 위해서는 해당 환기시스템에 대한 정확한 운영에 대한 설정이 필요한 것으로 나타났다”고 밝혔다.



학교환기 개선연구 활발
성호진 서울과기대 석사과정은 ‘교실 공기환경 시뮬레이션모델의 베이스라인 구축’ 논문발표에서 “빠듯한 과업시간 내 대상건축물의 실제 공기환경거동을 측정, 시뮬레이션으로 모델을 구축하고 보정해 신뢰성 있고 합리적인 베이스라인을 작성하는 실용적 방법에 대한 실행도구 마련을 위해 이번 연구를 진행했다”고 밝혔다.

집을 제외하고 아동과 청소년이 가장 많은 시간을 보내는 장소인 학교는 환경성능 진단·개선에 대한 필요성이 높다. 이에 따라 그린스마트 미래학교사업, 공기정화장치 보급사업 등 다양한 프로젝트가 추진되고 있어 산업계에도 영향력이 큰 분야다.

학교 환경성능은 건축·설비 개보수를 통해 향상시킬 수 있다. 건축적으로 천장 및 바닥마감재 교체, 외피 기밀성 향상, 문·창호교체 등을 통해 외부 오염원을 줄이고 냉난방기 교체, 공기청정기·환기장치 등을 설치하면 실내공기품질을 크게 향상시킬 수 있다.

그러나 모든 학교가 동일한 외부환경, 노후도, 예산을 가지지 않으므로 특정 개보수 패키지의 일률적 적용이 어렵기 때문에 내·외부 환경조건, 실내환경 상태변화 등을 파악해 현장환경에 적합한 설비용량 및 제어방식 산정 등 개보수방식을 선택하는 과정이 필요하다.

다만 현장의 빠듯한 과업시간 내에 이러한 과정을 보다 효율적으로 진행할 필요가 있으며 이를 위해 신뢰할 수 있는 시뮬레이션 베이스라인 구축이 필요한 실정이다.

이번 연구에서는 학교건축물의 운영특성, 환기설비 제원을 반영한 교실의 공기환경 및 환경특성을 수식으로 표현한 뒤 멀티존 IAQ 및 환기분석용 프로그램 CONTAM을 활용했다.

베이스라인 모델을 제작한 뒤 검증을 위해 실제 교실의 침기, 문·창호개방 등 자연환기에 의한 자정능력과 공기청정기, 환기장치 등의 효과를 측정해 베이스라인 모델과 대조한 결과 대부분 실제현상을 반영했다. 다만 기계환기의 경우 변수가 한정적이어서 비교적 실측을 정확히 표현한 반면 자연환기의 경우에는 오차가 큰 것으로 나타났다.



박정민 성균관대 회원은 ‘교실 내 오염물질(비말) 발생위치 및 에어컨 기류에 의한 실내확산 및 감염위험률 검토’ 연구를 통해 학교교실을 대상으로 실내에서 비말이 발생했을 때 발생위치 및 에어컨 기류에 따라 오염물질 확산과 감염위험률을 검토했다.

검토는 실제 교실 내 실험을 통해 이뤄졌으며 비말은 실내기류에 의해 수동적으로 확산되는 특성을 반영, 비말을 모사할 수 있는 추적가스로 CO₂를 발생시켜 확산특성을 분석했다.

에어컨 기류는 발생지점의 비말농도를 실 전체로 확신시켰다. 실내비말 발생위치는 실내확산에 큰 영향을 미치는데 에어컨의 토출 및 리턴기류가 멀리 떨어진 오염물질을 실 중앙으로 모이게 하는 결과가 나타났다. 

에어컨의 재순환기류가 실 중앙에 정체된 기류를 형성시켜 높은 오염물질 농도를 야기함에 따라 밀폐된 실내환경에서 에어컨은 실내 감염위험률을 높이는 결과가 있는 것으로 나타났다.




사용자 운용행태 개선방안 모색
김소연 강원대 회원이 발표한 ‘재실자 환기행동 유도에 적합한 기상정보 취득을 위한 모니터링 위치검토’ 연구는 환기가 냉난방부하 증가의 원인이 되기도 한다는 점을 감안해 재실자에게 적절한 정보를 제공함으로써 에너지효율적인 환기행동을 유도하기 위해 수행됐다.

김소연 회원은 “만약 창호개폐가 단시간 내에 원하는 공기질 수준을 달성토록 적절히 이뤄진다면 IAQ 개선 및 개방감 획득 등 목적을 달성하는 동시에 냉난방을 위해 추가로 소요되는 에너지를 최소화할 수 있다”라며 “또한 재실자의 행동을 유도해 자연환기를 제어할 수 있다면 기계환기에 비해 적은 비용으로 높은 효용을 얻을 수 있을 것”이라고 밝혔다.

연구는 저층 주거단지를 대상으로 단지 내 풍향모니터링의 위치에 주목하고 창문개폐 행동패턴 정보를 생성하기 위한 부지 내 풍향 모니터링의 최적위치를 수치해석을 통해 검토했다. 유효한 모니터링을 위해서는 가능한 한 많은 곳, 높은 위치에 측정장비를 설치하는 것이 바람직하지만 비용 및 유지관리를 고려하면 오히려 비효율적이라는 한계가 있다.

연구결과 CFD를 이용해 주거단지 내 기류장을 분석함으로써 상공풍 풍향을 추정할 수 있는 유효기상 모니터링 위치추정이 가능한 것으로 나타났다. 다만 기존 기상스테이션의 경우 풍향의 유효모니터링을 위해 지상에서 13m 이상 높게 설치해야 하며 부지 내 가장 높은 세대의 지붕인 14m 높이에서도 유효한 모니터링 위치가 일부에 불과해 위치선정에 신중할 필요가 있는 것으로 나타났다.



김경태 케이웨더 과장은 ‘공동주택 및 다중이용시설의 환기장치 실태조사와 IoT 센싱기반 환기장치 운영에 관한 연구’ 발표에서 “공동주택, 다중이용시설의 재실자가 환기장치 설치사실이나 올바른 사용법을 몰라 제대로 환기가 이뤄지지 않는 상황”이라며 “이들 시설의 환기장치 사용실태를 조사하고 IoT 기반의 스마트공기질 관리운영기술을 적용, IAQ 상태에 따라 자동제어가 가능한 환기장치 운영시스템을 구축했다”고 밝혔다.

서초구 공동주택 중 총 70세대 사전설문조사 결과 76% 사용률을 보였으며 미사용 이유는 ‘사용방법을 모른다’가 1위, ‘필터교체가 불편하다’가 2위, ‘효과가 미흡하다’가 3위로 나타났다.

다중이용시설의 환기장치는 70% 시설이 사용한다고 응답했다. 그러나 환기장치 사용방법 인지여부에 대한 조사에서는 60%만 안다고 응답했다. 미사용 이유로는 ‘환기장치를 잘 모른다’가 47%로 가장 많았으며 필터교체, 전기료가 각각 13%, 7%로 조사됐다.

김경태 과장은 “이러한 특성을 감안하면 IoT 센싱기반 환기장치 운영에 따라 자동운전이 가능한 공기질 관리시스템을 구축할 경우 효용이 클 것”이라며 “연구에 사용된 IoT 컨트롤러는 환기장치에 유선으로 연결돼 IAQ 측정에 따른 운전정보를 서버로부터 수신, 환기장치를 구동한다”고 밝혔다.

해당 시스템은 운전방식은 기존과 유사하게 유지하며 IoT 컨트롤러와 IAQ 측정기연동을 통해 자동운전, 에너지절감, 외부원격제어 등이 가능하다.

이번 연구에서는 열회수형 환기장치가 설정된 공동주택 2개 단지와 다중이용시설 30개소를 선정, 사용현황 및 점감상태를 파악하고 사용자 의견을 검토했다.

김경태 과장은 “기존에 사용하지 않는 환기장치의 점검 및 사용법을 공유한다면 보급된 환기장치를 잘 사용할 수 있을 것이며 IoT 컨트롤러를 개발해 적용함으로써 환기장치 사용률이 증가할 수 있을 것”이라며 “IAQ에 따른 환기장치 운영으로 쾌적한 실내환경과 에너지저감을 동시에 이룩할 수 있는 이점을 가질 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.