한국실내환경학회(회장 김명운)는 5월18일 전남 여수에 위치한 소노캄 여수에서 ‘2023 한국실내환경학회 춘계심포지엄’를 개최했다고 밝혔다.
이날 심포지엄은 ‘건축물의 에너지와 공기질 유지관리 기술’이라는 주제로 △실내외 공기질 관리기술 △친환경 에너지빌딩 관리기술 △건물 실내공기질유지 관리기술 등 세션별 주제로 진행됐으며 총 8명의 연사가 발표했다.
ACH와 CADR 등가 기준 필요
노광철 에어랩 박사는 ‘실내 공기질 개선을 위한 가스 및 입자 청정횟수 연구’ 주제발표를 통해 환기의 기본 정의를 중심으로 △ACH(Air Changes Per Hour: 시간당 환기횟수) △CADR(Clean Air Delivery Rate: 청정 공기 공급 비율) △PCH(Particle Cleaning per Hour: 입자 청정횟수) △CCH(Chemical Cleaning per Hour: 화학물질(가스) 청정횟수) 등을 정의했다. 이를 통해 공기청정기 등 실내공기질 개선 시 필요한 집진면적 등을 분석했다.
ACH는 시간당 한 실내공간에 있는 총 공기의 양이 완전히 제거되거나 대체되는 시간상 횟수를 의미한다. ACH는 오염물질 제거를 의미하지 않으며 실내공기와 외기가 변경되는 것을 뜻하며 내부공간의 면적을 고려해 계산한다.
ACH는 △외부 공기 환기 △MERV13필터를 통한 공기 재순환 △헤파필터를 장착한 휴대용 공기 청정기 등에서 한계가 있다. 미국 내 학교 환기 기준상 최소 하루 4번 이상 시행이 필요하며 헤파필터를 장착함으로써 실내 환기 시 공기질 개선효과가 향상된다.
CADR는 작동 감쇠율과 연계 시험 챔버 크기를 측정해 산출된 공기청정기에 의해 운반되는 청정공기 흐름량을 의미한다. 즉 여과된 청정 공기를 공급하는 것에 중점을 둔다.
CADR 에너지효율은 공기청정기로 오염 물질을 제거하고 희석하게끔 가해지는 힘에 비례한다. CADR 에너지효율이 클수록 탄소중립적이며 ESG에 부합한 기술로 인정받는다. 공기정화정치에 따라 입자 CADR과 가스 CADR이 다르다. 또한 환기와 공기청정기의 조화기술이 필요하다.
PCH는 실내에서 공기정화장치를 이용해 공급되는 정화된 공기입자량을 시간당 횟수로 계산한 값을 의미한다. 여기에는 오염물질 입자의 여과 효과의 개념을 포함한다. 또한 PCH는 공간 크기당 CADR의 개념과 동일하게 정의된다.
CCH는 실내 공기정화장치를 이용해 공급되는 정화된 화학물질을 시간당 횟수로 산출한 값을 뜻한다. 이 또한 화학물질에 대한 여과 효과를 나타낸다. 이와 함께 공간 크기당 c-CADR를 의미한다.
특히 이를 활용해 공기정화장치, 빌트인 장치에 적용하는 것이 실내공기질 개선 효과를 높이는데 중요하다.
공기청정기 CADR을 이용한 실내 적용면적 환산은 챔버실험을 통해 이뤄진다. 공기청정기 성능시험과 같은 완전 밀폐조건에서 공기청정기만 30분 동안 가동시켰을 때 초기 PM2.5 농도의 20% 수준까지 낮출 수 있는 청정화능력을 이론적으로 계산한다.
산출된 계산식에 따르면 입자청정횟수는 시간당 3.2회로 현재 KACA(한국공기청정협회) 표준을 만족한다. 이때 침기는 시간당 1회를 고려한다. 실제 환경 제어 목표는 기존 30㎍/m³에서 10㎍/m³으로 초기 농도대비 33% 수준으로 설정한다.
챔버실험조건은 30분 운전 감소 후 초기 농도대비 20% 수준으로 떨어뜨린다. 적용면적 산출은 △시간당 3.2회의 적정 입자청정횟수 △아파트 높이 2.4m △적용면적 산출식 등을 만족시켜야 한다.
집진 적용면적은 미세먼지 ‘나쁨’ 조건을 적용한다. 실제 환경 제어 목표는 50㎍/m³에서 10㎍/m³으로 조정하며 이는 초기농도의 20% 수준이다. 침기는 시간당 1회, 적정 입자청정횟수는 시간당 4.2회로 각각 설정한다.
챔버실험조건은 30분 운전 감소 후 초기농도대비 12.2%로 조정한다. 적용면적 산출 시 △시간당 4.2회의 적정 입자청정횟수 △아파트 높이 2.4m △적용면적 산출식 등이 필요하다.
노광철 박사는 “각기 다른 실내공간을 제어하기 위한 시간당 적정 청정입자와 관련 공기입자 오염을 제어 시 시간당 약 4.0의 PCH가 요구된다”라며 “실내 감염위험 감소를 위해 PCH는 음압상태의 클린룸의 ACH와 유사한 시간당 6.0 이상 돼야 한다”고 밝혔다.
EM 활용 실내공기질 융복합시스템 개발 목표
이상민 한국에너지기술연구원 박사는 ‘유용 미생물을 이용한 실내외 공기질 개선 융복합시스템 개발’을 주제로 유용 미생물을 이용한 연구추진 배경과 연구목표 및 개요 등을 소개했다.
또한 △슬러지 분해 및 악취 제거 △IoT(사물인터넷)센서 기반 실시간 공기질 데이터 측정 △EM(Effective Microorganisms: 유용 미생물) 생활방역 항균제 제작 △미생물 제제 배양조건 및 배지조성 최적화 △미생물 제제 악취 저감 성능 평가 등 미생물을 활용해 실내외 공기질 개선연구 사례를 선보였다.
국내 악취 민원은 지속적으로 증가해 2013년 1만3,103건에 불과했지만 3년 뒤인 2016년 2만4,748건으로 2배 이상 증가했다. 이와 관련 축산시설의 폐유기성 슬러지(분뇨, 사체 등)가 가장 큰 원인으로 작용했다.
정부는 축산환경 개선사업에 매년 1,500억원 이상 예산을 투입하고 있으나 아직까지 부분적인 해소에만 국한된 현실이다.
악취의 주성분은 암모니아이며 전국적으로 축산시설 다음으로 생활 악취가 주요 원인으로 꼽힌다. 암모니아는 배기가스 내 질소‧황산화물과 결합해 미세먼지도 유발한다.
또한 2000년대 이후 신종 바이러스의 지속적인 출현으로 인류의 생존이 위협받고 있다. 현재 살균 분사 방역에 주로 사용되는 화학적 살균제는 인체의 세포벽을 손상시켜 바이러스가 원활히 침입하게 하는 부작용을 초래한다.
이상민 박사는 “자연계에 존재하는 인체에 무해한 유용 미생물 자원을 활용해 악취 저감 및 공공 방역에 적용할 계획”라며 “지역 주민들의 안전과 건강을 책임지는 AI 기반 친환경 고성능 EM기술을 개발하고 있다”고 밝혔다.
실제 축산 슬러지 처리 현장에서 샘플을 채취해 신규 유용 미생물 탐색 연구를 수행했다. 이를 통해 △축산 슬러지 자체 미생물만을 이용한 퇴비 발효사 △축산 슬러지와 폐목재 부산물을 첨가한 퇴비 발효사 △축산 슬러지와 발효 왕겨를 첨가한 발효사 등 샘플을 채취했다.
이상민 박사는 “축산 슬러지로부터 신규 유용 미생물 탐색과정에서 약 200종에 달하는 미생물을 분석했다”라며 “문헌조사를 통해 Rhodobacter sphaeroides, Alcaligenes aquatilis 등이 폐수 처리에 이용된 사례가 있으며 신규 발굴종은 보고된 종과 0.8% 염기서열이 상이한 점 등을 발견했다”고 말했다.
특히 이 박사의 연구에서 주목할 점은 소량의 미생물을 사용해 악취 원인균을 흡수해 탄수화물과 단백질로 변환하는 것에 집중했다. 이 과정에서 이용된 광합성균은 일반적으로 알려진 광합성의 개념과 달리 생육에 필요한 에너지원과 탄소원으로 빛, 무기물, 유기물 등을 이용해 토양이나 대기, 수중에 있는 유해 탄소, 질소, 황화합물 등을 제거하는 기능을 가져 환경 정화용 미생물로 연구되고 있다.
악취저감 핵심 종균인 광합성균에 대한 배양조건 및 배지조성 최적화를 위해 생장속도, 암모니아 흡수량, CO₂ 소모량, 유기물 분해 속도 등을 고려해 Rhodobacter sphaeroides 1434로 선정해 온도별, 명암별, 배지 내 C/N 비율, 호기‧혐기, 시간별로 미생물 생장 비교 분석 등을 시행한다. 그 결과 밝을 때보다 어두울 때, 30℃, 48시간, 15:1의 C/N 비율 등 조건에서 배지조성 활성화를 이뤄내는 것으로 나타났다.
슬러지 분해 성능평가 시 총 10L 용기에 슬러지 1.5kg을 집어넣고 미생물 제제와 수분 조절제(농업 부산물) 투입 후 시간 경과에 따른 슬러지 무게를 측정한다. 미생물을 통해 왕겨를 사전 발효시킨 발효 왕겨 투입 시 3일차 0.24kg, 6일차 0.63kg, 9일차 1.35kg 감소량이 측정됐으며 9일차 기준 슬러지 91% 감소율을 나타냈다.
개발된 미생물 제제에 대해 녹색기술 및 녹색기술제품 인증을 획득하고 시제품을 생산했다. 시제품에 대해서는 농축산용미생물산업육성지원센터를 통해 생균수를 측정했다.
6m³ 고속 슬러지 분해 및 악취 제거 장치 제작 시 기본적인 미생물 배합장치에 관련 설비를 추가 제작했다. 고속 슬러지 분해를 위한 온도조절장치를 부착한다. 발효 시 호기 상태 유지를 위한 송풍장치를 설치한다. 고속 슬러지 분해 후 분해 산물 이동을 위한 이동 장치를 설치한다.
IoT센서 기반 실시간 공기질 데이터 측정도 실시했다. 정량적인 악취 및 유해물질 확인을 위한 센서 활용방안을 제시했다. 센서 IoT 플랫폼기술 활용 및 관련 측정 범위를 안내하며 무선 데이터 전송 IoT 복합센서를 활용해 EM 제조 및 적용현장에서의 실시간 환경 데이터를 측정했다.
지금까지 수행한 결과를 토대로 AI 기반 플랫폼 솔루션을 개발했다. 지역 악취 저감 및 생물 방역 기업 연계를 통한 산업 기술 고도화가 목표다. 이를 위해 △EM 제조공정에 다양한 머신러닝 기법 시범 적용 △최적화 알고리즘을 통해 고활성을 장시간 유지할 수 있는 EM 제제 반응 시스템 확립 △유해물질(VOCs, 암모니아 등) 저감을 위한 EM 제제 생산조건 최적화 및 배양장치 scale-up 방안 등이 제시됐다.
친환경 EM 생활방역 항균제 제작 시 현재 주로 시행되는 살균 분사 방역에 포함돼 있는 화학적 살균제는 인체의 세포벽을 손상시켜 바이러스가 원활히 침입하게 하는 부작용이 있다. 또한 방역 직후 수시간이 지나도 살균제 악취가 남아 있어 2차 피해를 야기한다. 특히 이러한 부작용은 어린이집, 유치원, 초‧중‧고교 등 아이들에게 더 치명적일 수 있다. EM 방역은 효모, 유산균 등으로 구성돼 있으며 인체에는 무해하고 유해한 바이러스를 소멸시키는 친환경 방역 방법으로써 현재 전국적으로 이용이 확산되고 있다.
에너지기술연구원의 발효공정 노하우가 접목된 대용량 고효율 유용 미생물 생산장비 시제품을 제작한다. 이어 미생물의 고활성을 오래 유지시키고 경제성을 높일 수 있는 최적의 상업용 배지 조합 및 발효조건을 도출한다. 항암, 항균 효과가 있는 자연계에 존재하는 기능성 물질을 첨가하는 신제품 개발 연구가 진행됐다.
2018년 기준 글로벌 농축산물 미생물제품시장 규모는 26조원에 이른다. 친환경 제품 수요 및 온실가스 감축 필요성 등이 증가하는 추세와 맥을 같이한다. 국내 생물산업 원재료 67%를 해외 생물자원에 의존하고 있으며 그중 60%는 미생물에 해당한다. 국내 미생물 제품 산업화 기반이 매우 열악하다.
지역 중소기업 연계 기술 사업화 시 △EM을 활용한 고성능 미생물 제제 시제품 생산 및 현장 적용 △기업 제품 품질 개선 및 생산공정 고도화 △AI 연계 EM 기술분야 신규 사업 확장(의료, 에너지산업 등) △연구 성과를 지역 내 공유함으로써 중소기업의 신제품 개발 및 신시장 개척의 기회 제공 등을 통해 효과적으로 이행한다.
이상민 박사는 “미생물 악취저감 연구의 최종 목표는 △미세먼지 저감 △살균 방역 △악취 저감 △온실가스 저감 등을 통해 유용 미생물을 이용한 실내외 공기질 개선 융복합 시스템을 개발하는 것”이라고 밝혔다.
이어진 오후 첫 세션은 ‘친환경 에너지빌딩 관리기술’을 주제로 진행됐다.
실내공기질, 재실자 행동에 달려
박준석 한양대 건축공학부 교수는 ‘거주자 중심 실내환경 제어’라는 주제발표를 통해 △제로에너지빌딩(ZEB) 소개 △인적 요소 △필드 모니터링 △재실자 행동 관련 매개변수 △모델링 및 미래 응용분야 등을 소개했다.
지난 30여년간 건물 기술자들과 연구자들은 냉난방을 목적으로 건물의 에너지소비를 절약하기 위해 노력하고 있다. 특히 물리적 특성을 향상시키며 신재생에너지를 활용해 건물 내 에너지소비를 절감하는데 기여하고 자 한다.
건축분야 연구자들은 AI 같은 완벽하게 실내 환경을 조절할 수 있는 스마트한 재실자를 지원하거나 재실자없는 건물의 에너지소비를 가상으로 시험해봤다. 재실자는 신기술에 익숙치 않은 상태에서 실내공기질을 조절할 경우 중요한 부분을 놓칠 수 있다.
인적 요소는 빌딩의 에너지성능에 영향을 줄 뿐만 아니라 건물 자체적인 물리적 특성보다 중요하다.
에너지사용과 관련해 1971년부터 2009년 사이 지어진 128개 단지에 대한 조사에 따르면 난방에너지소비는 지난 40년간 상당히 감소된 것으로 나타났다. 2009년 한 해 동안 난방에너지소비는 1975년의 40% 수준에 해당하는 것으로 나타났다. 건물 내 열에너지를 증가시키기 위한 전략은 매우 성공적으로 추진돼 왔다.
냉난방, 재실, 환기 등에 대한 변환점과 같은 재실자의 행동 영향은 무시할 수 없다. 시험대상인 건물 간 에너지소비의 차이점은 지난 40년간 형성돼온 요소들과 동등하게 형성된다. 재실자는 실제 건물의 에너지성능을 결정하는 중요한 요소다.
집에서의 환기와 관련된 강력한 규제는 2003년에 최초로 화제가 된 바 있다. 실내에 외기를 공급할 수 있는 기계환기시스템은 일반적으로 신축건물에 설치된다. 최초의 환기 관련 규제가 시행된 후 신축건물 중 약 70%는 열회수 유니트를 장착한 기계환기시스템을 채택했다.
그러나 많은 재실자는 기계환기시스템을 많이 사용하지 않으며 창문을 개방하는 자연환기방식을 선호하지 않는다. 응답자의 약 34%는 기계환기시스템 사용에 어려움을 느끼며 15%는 기계환기시스템 자체를 잘 모른다. 기계환기시스템이 실내공기질 관리에 유용한 것은 사실이나 응답자들은 기계환기시스템을 사용하지 않는 주요 이유 중 하나로 매월 면적 1m² 당 2달러로 추산되는 난방에너지비용 증가를 이유로 들었다.
‘건강’과 ‘제로에너지’건물간의 상관관계는 재실자의 행동을 이해함으로써 달성될 수 있다. 재실자의 행동 영향과 인과요인을 이해하는 것은 제로에너지건물의 핵심 열쇠다. 에너지소비를 절약할수록 재실자의 행동을 이해하는 것이 더욱 중요하다.
에너지와 연관된 재실자의 행동을 이해하는 것은 건물의 에너지효율성을 향상시킨다. 또한 건물설계 시 에너지시뮬레이션이 작동하면 재실자의 행동과 연계된 불확실성이 감소한다. 인간 중심의 관리는 미래의 스마트건물을 짓는 근본적인 개념이다.
사람과 건물 간 상호작용은 건물 과학 및 시뮬레이션에 있어 중요한 화제이며 건물 설계 시 통찰력을 제공한다. 재실자는 스스로 행동을 조절함으로써 온도조절장치, 창문, 블라인드, 빛, 팬, 쿨러 등을 조정하는 것과 같은 안락함을 추구하기 위한 욕구를 만족한다. ‘창문 수동 제어’는 종합적으로 조정할 수 있는 행동으로써 온열환경 및 실내공기질을 제어한다.
창문 개방 빈도‧시간 등이 샘플 건물과는 다른 조건일지라도 이러한 부분들은 외부 기후조건에 의해 강한 영향을 받는다. 비선형의 변화는 12.5℃, 24.1℃ 및 30.2℃와 같은 계절 사이에서 발견된다. 12.5℃와 24.1℃ 사이와 같은 온화한 계절에는 창문이 빈번하게 온열조건과 실내공기질을 변화시키기 위해 조절된다.
박준석 교수는 “재실자 행동은 비선형적으로 해마다 변화하며 창문을 수동 제어하기 위한 인과요인은 집집마다 다양하다”라며 “모든 샘플 건물에 적용되는 전형적인 인과요인이란 존재하지 않으며 창문을 개방하는데 필요한 매개변수는 창문을 닫는 것과는 다르다”고 밝혔다.
이어 “적어도 7가지의 매개변수가 자연환기와 연관된 재실자의 행동을 예측하는데 필요하다”고 덧붙였다.
재실자는 실내외 환경에 의해 자극받고 확률적이며 비선형적 관계에 의해 이끌어져 가는 경향이 있다. 매개변수는 시간, 날짜, 주 그리고 주말 및 계절 등 사이에서 다르게 나타나며 동일 유형 건물에서의 개별 행동에서도 다양성이 존재한다. 기계학습 알고리즘은 건물 내 재실자 행동을 예측하며 이해하도록 돕는다.
에너지시뮬레이션 도구는 빈번하게 설계 시 건물의 에너지효율성을 비교 및 예측하는데 적용된다. 재실자 없이 시뮬레이션을 실행할 경우 재실자와 관련된 불확실성을 보일 수 있다. 건물의 에너지성능에 대해 가상실험한 결과와 실제 모니터링한 결과 사이 불일치할 수 있다.
자연환기는 온열환경 조절 및 실내공기질과 냉방에너지사용을 조절하는데 매우 유용해 자원을 절약할 수 있다.
건강과 제로에너지건물은 재실자 행동을 이해하는 것으로부터 비롯된다. 실험에 사용된 알고리즘은 온열조건, 실내공기질에 대한 스마트제어에 적용되며 시스템의 원형은 제로에너지건물을 고려해 설계된다.
ZEB, 태양광 등 신재생E 역할 중요
박시현 LH토지주택연구원 박사는 ‘제로에너지건축물(ZEB) 공동주택 사례 및 적용기술’이라는 주제 발표를 통해 △ZEB 개요 △ZEB 공동주택 사례 △ZEB 공동주택 적용기술 등을 소개했다.
2018년 기준 우리나라 탄소배출량 중 24.7%는 건물분야에서 배출됐다. 정부가 관계부처 합동으로 2021년 10월18일 발표한 내용에 따르면 2030 NDC(온실가스 감축) 목표 달성을 위한 건물분야 온실가스 32.8% 이상 감축수단은 ZEB밖에 없다.
해외는 2050 탄소중립정책 추진 영향으로 글로벌 ZEB시장 규모가 2021년 약 520억달러(한화 약 68조1,668억원)에서 2026년 약 1,590억달러(한화 약 208조4,331억원) 규모로 2026년까지 매년 약 25.2%를 상회하는 높은 성장이 예상된다. 국내는 탄소중립 실현을 위해 2030년 민간 신축건축물 제로에너지건축 전면 의무화 달성을 목표로 연구개발 및 정책지원을 시행하고 있다.
LH는 2030 제로에너지 비전에 따라 2030년까지 제로에너지 3등급 12만2,500호, 제로에너지 5등급 23만2,500호 등 총 35만5,000호를 공급한다. 이를 통해 온실가스 13만6,000tonCO₂ 감축이 예상되며 2030 NDC 건물부문 감축목표 1,710만톤대비 0.42% 절감을 이룰 것으로 전망된다.
ZEB 인증제도는 △건축물에너지효율 1++등급 이상 △에너지자립률 20% 이상 △건축물에너지관리시스템(BEMS)나 원격검침 전자식계량기 등의 조건을 충족시키며 에너지자립률 등급에 따라 1~5등급까지 부여된다.
ZEB 공동주택 사례로 △노원 이지하우스 △송도 힐스테이트 레이크 △고덕강일 2단지 제로에너지 아파트 등이 소개됐다. 노원 이지하우스는 옥상에 건물 일체형 태양광발전(BIPV)를, 송도 힐스테이트 아파트는 입면과 옥상에 태양광설비를 설치했다.
박시현 박사는 “ZEB 등급 시범사업 시 패시브기술 요소에서 건물외피, 일조, 향, 단열성능, 기밀성능 등이 고려됐으며 액티브기술 요소로 태양광(옥상, 입면 등)과 지열 등이 실제 사용됐다”라며 “ZEB 등급 시범사업 시행 과정에서 남저북고 동배치로 음영 최소화와 태양광설치 면적 최대 확보, 전 세대 남향 등으로 조건이 설정됐다”고 밝혔다.
통합관리시스템, 비용‧E절감‧미세먼지 저감 등 효과
송수원 한국건설기술연구원 연구위원은 ‘실내공기품질 통합관리시스템’이라는 주제 발표를 통해 △실내공기질 연구 필요성 △실내공기질 통합관리시스템 개발 △연계 서비스 △기대효과 및 활용방안 등을 소개했다.
세계보건기구(WHO)에 따르면 전 세계적으로 실내공기오염에 의한 사망자 수는 370만명으로 집계됐다. 미세먼지 등 주요 대기오염물질이 실내공기오염에 미치는 기여도 및 인체 위해성 파악이 미흡하다.
특히 노인요양시설, 요양병원, 어린이집, 대규모 지하 복합시설 등의 취약 및 민감시설은 실내공기질 관리에 어려움이 있다.
시설 유형별 시설특성, 이용행태, 오염물질 농도 및 관리 목표치, 환기설비 구성 등 상이하다. 효율적인 환기설비 제어와 실내공기품질 유지가 가능한 센싱데이터 기반 능동형 통합 관리기술 개발이 필요하다. 저비용‧고수준 실내공기품질 관리를 위한 시설 유형별 합리적인 유지관리 방안도 요구된다.
주요 정책과의 연계성도 중요하다. 환경부 주도의 ‘실내공기질 관리법’, 환경부‧국토부 주도의 ‘G-SEED(녹색건축인증)’, 소방청 주도의 ‘화재예방, 소방시설 설치 유지 및 안전관리에 관한 법률’, 국토부 고시인 ‘건강친화형 건축물 건설기준’과 ‘건축물의 설비기준 등에 관한 규칙’ 등과 연계해 진행됐다.
클라우드 기반 실내공기질 통합관리시스템 개발 시 △통합관리 및 서비스 모듈 △시스템(환기장치 등) 제어 모듈 △외부시스템 연동 모듈 △데이터 수집 모듈 등으로 구성돼 각각 서비스, 제어, 연계, 수집 등의 기능을 수행한다.
실내공기질 통합관리시스템 연계 서비스는 실시간 실내공기질 측정을 위한 다중센서플랫폼을 통한 실시간 모니터링으로 센서 네트워크 기반 다중센싱기술을 활용한다. 건설기술연구원이 개발, 제작한 11종 다중센서플랫폼은 △11종에 걸친 실내공기질 측정 및 실시간 모니터링 가능 △소형‧휴대형 형태 △각 센서 모듈의 탈‧부착 가능 △다양한 유선통신과 무선통신이 모두 가능 △클라우드 서버에 데이터를 전송해 실내공기질 DB 구축 △내부 메모리에 측정 데이터가 저장돼 데이터 손실 방지 등 다양한 기능을 자랑한다.
다중이용시설 맞춤형 실내공기질 다중센싱 활용기술은 Lora 센서 네트워크 기반 클라우드 DB 구축과 Lora 센서 네트워크의 게이트(다중센서플랫폼)와 클라우드 서버 데이터를 전송한다. 시설 맞춤형 다중센서플랫폼은 각 센서 모듈의 탈‧부착이 가능하게 설계됐으며 현재 이전에 개발된 다중센서플랫폼으로 다양한 시설에 맞춤형으로 활용하고 있다. 먼저 개발된 센서모듈 이외에 대상시설 특성에 맞는 센서모듈 추가 활용이 가능하다.
AI 기반 실내공기질 예측 및 운전 솔루션은 빅데이터에 기반한 다중이용시설의 실내공기질 AI 예측모델 및 IAQ통합관리시스템 연동 운전솔루션(행동요령)을 적용한다. AI 특성을 반영한 공기청정기 및 필터시스템은 기술수요자 맞춤형 IAQ센서정보의 3D 가시화시스템 및 극한 상황(폭염, 고농도 미세먼지, 코로나19 등) 등에 대응하기 위한 기술이다.
시설 유형별 맞춤형 실내공기질 개선 및 최적제어기술로 다중이용시설 유형별 맞춤형 실내공기질 개선 실증 및 환기에너지‧실내공기질 등을 고려한 기술을 개발했다. 이에 따라 △다중이용시설의 실내공기질‧에너지개선 실증 △다중이용시설의 실내공기질 개선 및 확보를 위한 제도개선(안) 정립 등이 가능해졌다.
시설 유형별 표준운영절차서(SOP) 개발 및 인증제도 연계 방안은 △실내공기질 관리 기준 △시설 운영단계 관리 △건축단계 관리 등으로 분류된다. 실내공기질 인증 시나리오에 따른 오염원, 공기청정, 환기 등의 측정법, 관리법 등 점검 검토기준(SOP 기술기준) 등을 설정한다.
실내공기질 통합관리시스템으로 인한 기대효과 및 활용방안은 △다중이용시설 실내공기질 정보 가시화 및 10분 이내 정보제공기술 구현 △실내공기환경에 대한 국민 만족도 및 실내공기질 수준대비 약 30% 향상 △능동형 통합관리 기법 적용을 통한 환기에너지소비량 약 40% 이상 저감 △안전사고 감지 성능 30% 이상 개선 및 오작동 20% 저감 △‘실내공기질관리법’, ‘건축법’, ‘소방시설법’ 등 실내공기질 및 안전관리 관련 제도와의 연계 등 다양하다.
DEMC필터, 경제성‧편리성 등 경쟁력 갖춰
권순박 나옴 설립자 겸 CTO(최고기술책임자)는 ‘건물 공기조화기용 전처리 필터링 시스템’이라는 주제로 발표했다.
건물 내 공기조화기를 전체적으로 설치하면 비용이 막대하게 투입될 뿐만 아니라 생산성에도 큰 영향을 준다. 공장의 경우 제품의 수율(정상제품 제작비율)이나 분량까지 영향을 미칠 수 있다. 이런 시스템을 꾸준히 유지관리하는 비용이 많이 발생하는데 건강 관련 측면에서 쾌적성이 될 수 있고 근로자의 업무 효율성 및 생산성 등을 고려한다.
권순박 CTO는 “외기에서 실내로 유입되는 부분과 관련해서 우리가 과연 잘하고 있는가를 짚어보고자 한다”라며 “여기서 주의할 점은 외기는 단 1초도 동일한 외기상태로 존재하지 않는다는 점”이라고 지적했다. 이어 “외기와 달리 실내공기는 일관된 모습을 유지하고자 한다”라며 “시시각각 변하는 외기에 따라 실내 공간은 일정하게 유지하기 위한 숙제를 풀기 위해 돈을 쓸 수밖에 없는 상황”이라고 말했다.
또한 “외기상태가 좋지 않으면 내부 유입공기를 막는 프리필터 등 필터시스템은 막히게 되며 풍량이 자연스레 감소하게 된다”라며 “이로 인해 지속적으로 필터 관리가 필요하며 이러한 문제들이 에너지에 굉장히 큰 영향을 끼치게 된다”고 설명했다.
권순박 CTO는 “나옴은 자체 개발한 필터로 외기에 적용하는 것은 물론, 외기에 들어오는 공기질과 밖으로 배출하는 공기에 대한 진단을 통해 에너지효율적 운영하고 있는가를 알 수 있는 계기를 제공할 것”이라고 밝혔다.
대부분의 에너지를 전기를 생성하기 위해 사용하며 전기가 쓰이는 반도체 같은 첨단산업에서는 40~70% 수준에서 AHU(Air Handling Unit)를 위해 에너지를 소모한다.
권순박 CTO는 반도체‧디스플레이 클린룸에 사용되는 공조설비 부품 명칭과 원리 등을 설명했다. 또한 반도체‧디스플레이공장에 유입되는 외기량 추정치를 공개했다.
국내 메이저급 반도체 및 디스플레이 클린룸(제조공장) 외기 도입량은 시간당 2,400만m³/h로 추산되며 국내 전체 규모는 1억m³/h로 예상된다.
외기 유입 먼지량은 PM2.5와 PM10뿐만 아니라 모든 부유먼지가 외기를 거쳐 들어온다. 유입먼지 종류는 비산먼지, 황사, 꽃가루, 초미세먼지 등 다양하다. 실내 유입 부유먼지 총량은 연간 15.3ton에 달한다. 이 수치는 국내 클린룸의 24시간, 365일 가동 기준으로 산출됐다.
외기먼지 15.3톤이 유입되면 기존 프리필터로는 필터 막힘으로 누공이 발생한다. 이럴 경우 7,400장의 프리필터를 연간 261회 교체해야 한다는 산술적인 결과가 나온다. 프리‧미디엄‧헤파필터 등 3단 필터(프리필터 600X600 기준)는 처리유속 2.5m/s, 분진유지용량 30g, 저감효율 60% 등에 불과했다.
나옴이 개발한 DEMC기술필터는 3년 분량의 미세먼지 투입 가혹시험을 실시했다. 시험 결과, 헤파필터는 테스트 7일 만에 미세먼지 뭉침현상으로 필터 기능을 상실했다.
그러나 DEMC필터는 테스트 이후에도 PM2.5 저감율 87% 확보 및 일정 차압을 유지했다. DEMC필터기술은 필터 폐기물이 없으며 DEMC프리필터를 연간 2회 세척할 경우 막힘현상없이 일정한 성능을 유지할 수 있다.
통과먼지가 1.5ton일 때 75% 먼지 저감효과를 보이며 공조기 내 필터 및 클린룸 FFU 부하 감소로 송풍에너지 및 유지보수비용 최소화를 이뤄내는데 성공했다. DEMC필터는 미세먼지 저감성능이 90% 이상, 초기 압력손실이 100Pa 이하이며 100일 사용 시 초기 압력손실의 약 20% 증가하는 수준으로 우수한 성능을 보인다.
DEMC필터성능은 공조기 소비전력 감소로 이미 검증됐다. DEMC필터 설치 공조기와 기존 부직포 방식 공조기 사용에 따른 누적 소비전력을 비교했다.
부직포 설치 공조기는 두 모터의 정격풍량합계(160CMH)가 DEMC설치 공조기(105CMH)대비 1.6배 수준으로 높게 나타났다. 풍량차에서 두 필터의 성능이 확연히 갈렸다. 풍량차를 고려해 2배 마진을 적용해 산출 시 약 40%의 소비전력 절감 효과를 거뒀다.
DEMC필터방식은 1년간 교체가 필요없는 DEMC 필터 적용 시 초기 설치비용으로 운영 중 급격한 비용 증가없는 필터 관리가 가능하다. 또한 기존 막힘관리방식대비 연간 30% 이상 비용 절감 효과를 보였다.
실제 국내 한 제약사에 설치된 DEMC필터 설치 공조기는 △프리필터 구매비용 △탈부착비용 △폐기물 처리비용 △전기요금 등을 절감해냈다. 뿐만 아니라 2차적 효과로 △프리필터 교체 소요시간 대폭 절감 △편리성 증대(인건비 등) △생산 차질 횟수 절감 △공장 가동실패율 절감 등 결과를 나타냈다.
권순박 CTO는 “외부에서 유입되는 미세먼지, 황사, 꽃가루, 비산먼지 등에 대한 경제적인 관리가 필요하다”라며 “일반 부직포필터보다 DEMC필터를 사용함으로써 최적 환기를 구현해 생산성 향상, 경제적 효과, 편리성, 건강보호 효과 등을 창출할 수 있다”고 말했다.
건식 세정기술, 압력손실 無‧ 손쉬운 세정성능 뽐내
김학준 한국기계연구원 책임연구원은 ‘다중이용시설 미세먼지 저감 및 유지관리기술’이라는 주제를 통해 △다중이용시설의 미세먼지 현황 및 문제점 △최신 정전방식 대용량 공기청정기술 △다중이용시설 초미세먼지 저감효과 검증방법 개발 연구 등의 내용을 발표했다.
전 세계적으로 미세먼지문제가 시급한 가운데 지하 실내공간의 경우 실내공기질 악화로 최근 지하철 공기질에 대한 규제가 강화됐으며 초미세먼지 규제가 신설됐다. 서울시와 환경부에 따르면 지하철 공기질은 대기질에 비해 몇배나 나쁘며 체류시간이 약 1시간에 달한다. 이에 따라 정부는 역사, 터널, 전동차 등 환기구 및 공조기 측에 집진장치를 설치하고 있다.
정부 주도 지하철 미세먼지 저감사업은 2022년까지 서울시가 공기질 개선사업으로 약 8,000억원 예산으로 공기청정기 및 전기집진기 등을 설치하고 있다. 코레일(한국철도공사)은 약 1,500억원을 투입해 공기청정기 설치 및 공조설비 개량 등 공기질 개선사업을 시행하고 있다.
지하철 공기정화장치 및 설비시장은 환기구 수 역사당 3곳, 공조기 수 역사당 3대, 공기청청기 수 역사당 20대 등으로 가정하고 있다. 환기구당 설비 3억원, 공조기당 설비 1억원, 공기청정기당 200만원으로 추정하고 있다. 현재 지하철 공기질 관련 시장 규모는 약 1조원으로 추정된다.
현재 기술은 설치 중인 공청기, 공조기에는 필터방식이, 터널 환기구에는 전기집진기가 적용되고 있다. 또한 필터는 높은 소요동력과 지속적인 교체비 등이 발생하고 전기집진기는 오존이 실내 기준치인 60 ppb 이상 발생돼 실질적인 가동율이 낮다.
이에 따라 현재 적용 기술은 단기 대처방안으로 매년 수십억원 규모의 지속적인 비용이 발생하기 때문에 향후 보다 저비용이면서 고내구성 장치가 필요한 상황이다.
실내 공간에서 공기청정기 성능을 비교하기 위해서는 CADR(공기정화능력) 성능이 가장 중요하다. CADR은 공기정화기를 작동했을 때 오염원의 농도가 얼마만큼 빨리 떨어지는지를 나타내는 성능이며 K(감쇄상수) X 실내공간 부피이다. 또한 공기청정기 집진효율과 송풍량의 곱의 값에 의존해 CADR이 클수록 넓은 공간에서 빠르게 오염원을 저감할 수 있다. 즉, 필터와 같이 효율과 압력손실이 Trade-Off 관계인 기술은 높은 CADR이 요구되는 대면적 적용에 한계가 있다.
기존 저감기술은 공장, 사무실, 지하철 역사 등 대면적 실내 공간에서는 실내 공기청정기 대신 천장 또는 공조실 내 대형 공조기를 통해 공기질 관리를 한다. 대부분이 필터 방식으로 장시간 이용 시 필터의 물리적, 화학적, 생물학적 오염 등으로 인해 반드시 교체해줘야 한다. 필터가 산업폐기물이기 때문이다.
지하터널 환기구에 적용되고 있는 전기집진기는 많은 양의 공기를 처리하지만 기준치 이상의 오존이 발생한다. 또한 물을 사용하는 세정 기술이 적용돼 폐수와 전기적 스파크가 발생해 동파, 물배관 연결 등 유지관리 측면에서 내구성이 떨어진다. 이에 따라 오존, 폐수 등 2차 오염원이 없는 친환경적이면서 내구성이 우수한 대용량 공기정화기술이 필요하다.
한국기계연구원에서 0.6X0.6m급 모듈 상태에서의 성능 실험을 수행했다. 초저전력 성능은 1개 모듈 하전부 운전 전압 12kV 소모전력 10W 이하, 집진부는 5kV 및 전기소모 0W다.
오존 무배출과 관련 운전 전압조건에서 오존 6ppb 이하로 거의 발생하지 않는다. 대기 오존 ‘좋음’조건은 0~30ppb이다. 집진효율은 2m/s에서 0.3㎛ 극초미세먼지 기준 90% 이상이며 필터와 달리 간단한 인가전압 조작으로 자유롭게 효율을 변경할 수 있다.
가장 단순한 구조의 영통역과 유성온천역에서의 면적 및 부피도 약 2,000m², 6,000m³로 매우 크다. 전국 역사의 초미세먼지 농도 모니터링은 승강장 한 곳에서 Beta-ray 방식으로 30분간 측정해 모니터링하고 있다.
지하철 대면적 공간에서의 공기질 평가방법 개발과 관련 기존의 경우 승강장 또는 대합실 내부 몇 곳에 측정장치를 설치해 성능을 평가한다. 이는 지하철과 같은 초대면적 역사의 전체 공기질을 평가하는 방식으로 매우 부적합하다. 한국기계연구원에서는 고가의 실시간 측정장치로 정밀하게 교정된 수십개의 초미세먼지센서를 지하철 역사 전체와 외부 등에 설치해 각종 변수에 따른 내부공기질 변화를 검증했다.
미세먼지 간이측정기 성능인증평가제도 중 ‘실내성능 평가방법’을 준용해 센서의 측정정확도, 반복재현성, 자료획득률, 변동계수 등을 측정한다. 실험실 챔버 측정평가 기준 1등급에 해당한다.
김학준 책임연구원은 “평가결과 GRIMM OPC 설치위치로 대합실 안쪽에서 멀어질수록 OPC와 PM센서간 상관관계가 떨어졌다”라며 “대합실 안쪽대비 방풍문 근처는 이용객 출입으로 인한 외기와의 빈번한 기체교환으로 공조‧공기청정기 효과가 감소했다”고 밝혔다.
전처리통합시스템, 외기유입 감소‧오염물질 저감 효과
박영철 한국에너지기술연구원 단장은 ‘공조기 부하 저감을 위한 건식흡수제 기반 실내 CO₂ 관리기술’을 주제로 연구 배경 및 기술개발 내용 등을 소개했다.
연구 배경으로는 건물부문 공조(HVAC) 에너지사용량과 관련 2030년 국가 온실가스 감축목표(NDC) 상향안이 발표돼 2030년 온실가스 배출량이 2018년대비 40% 이상 올랐다.
또한 2050 탄소중립 시나리오에 따라 2018년 건물부문에서 52.1%의 탄소배출량에서 2050년이 되면 6.2%의 비율로 대폭 감축되는 목표를 설정했다. 탄소중립위원회 NDC 검토반은 정책제언을 통해 제로에너지빌딩 인증대상 확대 및 에너지감축 인증 범위를 확대하기로 했다.
실내 생활 증가 및 생활수준 향상에 따라 실내공기질에 대한 관심이 증가하고 있다. 외부 공기유입으로 냉난방에너지소비가 증가하는 부분도 연구개발의 배경이 됐다. VOCs(휘발성 유기화합물) 발생으로 실내가 실외보다 더 위험한 공간이 되고 있으며 실내공간에서 CO₂ 농도가 1,000ppm 이상으로 상승할 경우 집중력 저하, 졸음, 두통, 현기증 등을 유발할 수 있다.
이런 여러 이유로 인해 연구개발이 이뤄졌으며 국민생활문제 해결로 △공조시스템과 연계 설치해 실내공기질 개선 △냉난방에너지절감 가능 고효율 공조기술 △어느 공간에서든 사용 가능한 저농도 유해가스 처리 기술 등 효과를 기대할 수 있다. 또한 국가온실가스감축목표 달성에 기여할 수 있다. △제로에너지빌딩을 위한 에너지절약기술 △환기량 저감으로 냉난방에너지절감 △에너지효율 향상을 통한 건물부문 주요 감축수단 활용 등으로 개선 가능하다.
건물 공기조화시스템을 이용해 외부 공기저감 유도로 냉난방 부하 절감할 수 있다. 외부공기 유입이 감소하면서 오염물질을 동시에 저감하는 전처리통합시스템(Integration System)기술이 도입된다.
이와 관련 국외 연구개발은 벌써 완성단계다. 미국회사인 enVerid는 내부순환공기 중 CO₂, VOCs, PM2.5 등을 제거할 수 있는 HLR(HVAC Load Reduction) 모듈을 개발했다.
최대 85%의 외기량 저감으로 HVAC시스템 투자비 절약과 HLR 모듈 도입으로 최대 40% 가량 HVAC 에너지절감을 달성했다. 실내공기질 개선 및 오염된 외부 공기의 흡입을 줄일 수 있다.
박영철 단장은 “건물은 전 세계 탄소배출량의 약 40%를 차지하며 냉난방은 단일 최대 에너지소비로 배출량에 기여한다”라며 “기술 적용을 통해 궁극적으로 건물부문 탄소배출량을 줄일 수 있다”고 말했다.
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