CFD를 이용한 주택시설 주방환기 성능 개선 방안 연구

1.1. 연구의 배경 및 목적

국내 건축기술의 발전과 건축자재의 성능 향상은 주택의 단열 성능과 기밀성은 향상되었으나 침기(Infiltration)에 의한 환기가 거의 없기 때문에 환기에 대한 필요성이 크게 증대되었다.

실내 공기 오염의 원인에는 새집증후군의 일종인 휘발성 유기화합물도 있지만, 우리가 생활하면서 필수적으로 하지 않으면 안 되는 주방의 조리 과정에서도 많은 유해물질이 발생하는데, 전 세계적으로 보면, 음식의 조리 과정에서 발생하는 공기오염에 의해 약 430만명이 사망하고 있으며, 이는 실내 공기오염에 의한 사망률이 실외 공기오염에 의한 사망률보다 높은 것으로 나타났다.

주방에서 발생하는 각종 유해물질은 자연적으로 새나가거나 인위적으로 줄이지 않는다면 집 전체로 확산되는데, 이런 유해한 환경에 장기간 노출되어 생활할 경우에는 건강에 악영향을 줄 수 있다. 따라서 주방의 환기는 거주자의 건강과 매우 밀접한 관계를 갖고 있다고 할 수 있다.

주방이 실내에 있는 대부분의 주거형태에서는 거주자가 거실과 주방 사이를 이동하기 쉽도록 주방과 거실을 인접하여 연결 되어 있기 때문에 음식을 조리할 때 발생하는 냄새 또는 유해물질이 실내공간으로 쉽게 확산될 우려가 있다.

주방은 실내 공기 오염의 주요 원인으로서 그 이유는 음식을 조리할 때 발생하는 미세먼지와 이산화탄소 및 휘발성 유기화합물 등의 유해물질 때문인데, 특히 생선, 고기 등이 타면서 발생량이 크게 증가한다. 따라서 주방 환기는 실내 공기의 질 확보에 크게 영향을 끼치는 중요한 공기환경 요소로써 연소기구 사용 시 연소공기가 부족하면 일산화탄소 중독 등의 위험이 발생할 수 있으므로 주방 환기에 대한 세심한 주의가 필요하다.

주방 환기계획은 조리 시 발생하는 오염물질을 적절히 배기시키는 것이 가장 중요한데, 조리기구의 배치와 발열량을 평가하고 후드의 위치와 종류 그리고 닥트 직경과 경로를 결정하여 적정한 풍량을 제어하기 위한 배기 휀을 선정해야 하나, 일반적으로 실내 공기의 밸런스계획을 시행함에도 불구하고 배기량에 대한 급기량의 고려는 현재 상대적으로 부족한 상태이다.

즉, 일반적으로 주택의 주방 환기는 창문을 통한 자연환기와 후드 및 배기휀 등을 이용한 기계적인 방법이 있는데 창문을 통한 환기는 창문으로 빠져나가기까지 시간도 오래 걸릴뿐더러 확실하게 배출되기가 어렵기 때문에 효과적이지 않으며 별도의 급기가 없이 배기만을 하는 경우가 많다.

본 연구에서는 공기조화설비를 운용하고 거실 및 다른 실내공간과 분리된 주방을 독립공간으로 확보하고 있는 주택을 사례로 하였는데, 이는 주택시설의 주방의 오염된 공기의 확산 저감을 위한 급·배기 방식 및 운용형태 개선 방안을 연구하기 위한 목적을 구현하기 위함이다.

일반적으로 주방 공기 오염원에 대한 고려를 하지 않은 주택의 급·배기 형태에서 주방의 오염된 공기는 거실로 확산되는데, 냄새는 조리 중 뿐만 아니라 조리 후에도 지속적으로 발생되어 실내 공기를 오염시켜 거주자의 쾌적성을 저하시킬 뿐만 아니라 건강에 악영향을 끼치고 있다. 따라서 본 연구의 목적은 주택시설의 주방에서 발생하는 오염된 공기의 실내 확산을 방지할 수 있는 급·배기방식에 대한 성능 개선 방안을 제시함으로써 실내공기의 질과 거주자의 쾌적성을 향상시키는데 있다.

1.2. 연구의 방법 및 범위

본 연구를 진행하기 위한 연구의 방법 및 범위는 다음과 같다.

첫 번째는 주택의 주방 공기의 오염도를 파악하고 주방에서 발생하는 유해물질이 인체에 미치는 영향을 조사한다.

두 번째는 연구 사례 주택을 대상으로 주방 환기에 대한 현실태를 시뮬레이션(STAR-CCM+)으로 모델링하여 주방 공기의 흐름을 파악한다.

세 번째는 주방 공기의 실내 확산 방지를 위한 대안을 판단하고 시뮬레이션을 통해 그 결과를 확인한다.

네 번째는 시뮬레이션 결과를 토대로 주방 공기의 실내 확산 방지를 위한 개선방안을 제시한다.

결론적으로 본 연구는 사례 주택을 대상으로 주방 공기의 실내 확산 방지를 위한 공기조화설비 시스템의 개선방안을 제시함으로써 거주자에게 실내공기의 질 확보와 쾌적하고 위생적인 실내 환경을 조성하는 주방 환기 방안을 계획하였다.

2.1. 주방 공기의 오염

실내공기질의 관점에서 보면 취사행위는 매우 심각한 오염원이 된다. 집에서 행해지고 있는 오염의 가장 큰 원인인 가스레인지 사용에 따라서 연료의 연소에 의해서 이산화탄소와 일산화탄소 등의 가스 상 물질과 일부 입자상 물질이 발생하고 음식물의 조리에 의한 수증기와 기름 및 여러 가지 유기화합물이 방출되며 이때 오염 물질에 의한 냄새가 퍼지게 된다.

일상생활에서 주로 사용하는 석유 가스는 불완전 연소로 인해 다양한 유해가스가 발생하는데 프로판과 메탄의 도시가스는 연소할 때 일산화탄소, 이산화탄소, 이산화질소 등이 발생하는데 특히 요즘처럼 주방이 실내에 있는 대부분의 집 구조에서는 사람이 거실과 주방 사이를 이동하기 쉽도록 연결되어 있기 때문에 음식을 만들 때 발생하는 유해물질이 실내공간으로 쉽게 확산될 우려가 높다. 

주방 공기의 오염도는 취사기구를 켤 때와 끌 때, 음식물이 넘쳐서 불꽃의 온도가 순간적으로 낮아질 때 유해물질을 발생한다. 이러한 주방의 조리방법에 따른 휘발성 유기화합물의 농도를 비교하면, 음식물을 튀길 때는 1,464Ug/㎥, 삶을 때는 456Ug/㎥으로써 음식을 튀기는 것이 삶는 것보다 무려 3배 이상 총 휘발성 유기화합물 농도가 높게 발생되는데, <표1>은 주방 조리 시 발생하는 유해물질과 농도를 나타낸 것으로써 일산화탄소 농도는 가동 전에 비해 가동 후가 약 30% 증가한 반면 이산화탄소 농도는 약 300% 증가하였다.

Table 1

Comparing the concentration of harmful substances generated during kitchen cooking

2.2. 주방에서 발생하는 유해물질이 인체에 미치는 영향

주방에서 음식을 조리할 때 발생하는 연기는 비흡연 여성 폐암의 주요 원인으로써 어류 육류 등 모든 단백질 식품은 탈 때 다환 방향족 탄화수소(PAH) 같은 발암물질이 발생하고 식용유가 탈 때 역시 벤조피렌 같은 발암 가능 물질이 발생하는데 이들 발암물질이 섞인 연기나 그을음이 폐에 침투하게 되면 폐암을 발생시키게 된다.

이를 구체적으로 살펴보면 주방에서는 휘발성 유기화합물을 포함하여 총 5가지의 유해물질이 발생하는데 <표2>와 같다.

Table 2

Types of volatile organic compounds generated in the kitchen

실내에서 항상 발생시키는 이산화탄소 발생원은 두 가지인데 사람의 호흡과 주방에서 조리 시 발생하는 것 등이 있다. 이산화탄소의 농도별 인체에 미치는 영향은 <표3>과 같다.

Table 3

Concentration Influence of CO₂

3.1. 주방 환기에 대한 국내기준

국내에서는 공동주택 등 주거용 시설을 기준하여 필요환기량을 시간당 0.5회로 규정하고 있으나, 이는 주방을 고려한 환기기준이 아니다.

주방환기에 대한 기준은 <표4>, <표5>와 같다. 즉, 주방 크기를 대, 소로 분류하여 환기횟수와 환기량을 규정하고 있는데, 대 소 구분의 기준이 없으며, 기계환기를 하는 주방도 유사하여 주방의 오염된 공기량에 대한 확산 방지를 위한 급·배기 운영형태와 오염도를 저감시킬 수 있는 급·배기량의 산정기준이 부재한 실정이다.

Table 4

Ventilation Amount of each Kitchen

Table 5

Innet Amount of Out Air by Mechanical Ventilation

3.2. 연구 대상시설

본 연구대상은 서울 한남동 ○○주택으로서 주방과 거실이 인접하여 구분되어 있는 평면 형태를 갖고 있는데 [그림1]과 같다.

Fig. 1.

Plan(Kitchen and, Living Room Part)

또한 주방과 거실의 바닥면적은 각각 40㎡ 과 65㎡ 이며 조리를 위한 가스레인지 2개소(가스버너 : 개소별 5개)와 각각의 배기를 위한 후드가 설치되어 있으며 주방과 거실은 미닫이문으로 분리되어 있는데 조리 시 주방 냄새의 실내 확산을 예방하기 위해 문을 닫고 생활하고 있다.

<표6>은 주방과 거실의 공기조화설비 운영 형태를 나타낸 것으로서 환기구는 총 8개소인데 배기로만 운영을 한다.

Table 6

Ventilation System of Kitchen and Living Room

3.3. 수치해석에 의한 주방 공기의 확산 분석

2) 시뮬레이션 모델링

주방 냄새가 거실로 확산되는 문제점을 분석하기 위하여 [그림1]을 토대로 계단실, 주방, 거실, 출입구를 분석영역으로 설정하여 3D 모델링을 하였다.

Auto CAD에서 만들어진 3D 모델을 Star-CCM+에서 생성하였으며, 격자(Mesh) 생성 항목은 비구성격자계의 Polyhedral Mesher, Surface Remesher, Prism Layer Mesher를 사용하였으며, 격자 조건은 <표7>와 같이 기본 격자 크기(Base Size)는 0.2m, 급(배)기 팬의 격자 크기는 0.02m로 설정하였다. 또한 주방에서 발생되는 냄새 및 기류는 조리대를 모델링하였으며 공기조화를 위한 급(배)기 환기시스템인 팬의 위치는 원형 기둥형태로 천정에 모델링하였으며 [그림2]와 같다.

Table 7

Mesh Condition

Fig. 2.

Mesh Modeling

시뮬레이션 신뢰성 확보를 위해 설계도면과 동일하게 덕트너비, 각 실의 크기를 모델링 하였으며, 시뮬레이션 모델링에 대한 검증은 실측데이터와 검증하는 것이 가장 좋으나, 본 연구에서는 실측과 CFD시뮬레이션 비교한 태양복사열에 따른 지표면 온도와 열, 기류 환경 시뮬레이션 연구를 근거로 하였다¹⁾.

3) 경계조건

기류가 생성되는 곳은 총 3곳인데, 첫 번째는 굴뚝현상으로 인해 계단실에서 불어오는 기류, 두 번째는 배기구에서 토출되는 기류, 세 번째는 주방의 음식 조리로 인한 열원 및 기류 생성이다.

<표8>은 시뮬레이션 입력조건을 나타낸 것인데, 계단실 침기는 기류속도(0.2 m/s ~ 2.0 m/s)의 중간치인 1.0 m/s 로 하였으며, 실내에서 기류가 빠져나가는 환기구를 outlet으로 하여 flow-split outlet으로 지정하여 실내의 생성되는 기류 대비 환기되는 비율(=1.0)을 입력하였다.

Table 8

Inlet and Outlet Condition

4) 시뮬레이션 해석조건

주방 조리시 발생하는 냄새의 농도를 분석하기 위하여 시뮬레이션 상 NOx의 물리 값을 설정하였다.

시뮬레이션 해석조건은 <표9>에서 보는 바와 같이 해석 공간은 3차원, 해석 물질은 복합 물질 기체, 유동 흐름은 분리된 흐름, 레이놀즈 난류해석은 k-ε(케이-엡실론), 시뮬레이션 횟수는 Residual의 Tke값이 0.001이하로 떨어지면 안정되었음을 의미하므로 약 300회까지 실행하였다.

Table 9

Simulation Analysis Condition

5) 시뮬레이션 결과

[그림3]과 [그림4]는 각각 주방 및 거실의 바닥 높이 1m와 2m 에서의 수평면에 대한 기류 형태를 시뮬레이션으로 나타낸 것으로써 평면 형태로 제시하였다.

Fig. 3.

Air Flow of Floor Level 1m(Plan)

Fig. 4.

Air Flow of Floor Level 2m(Plan)

[그림3]을 보면 좌측 계단실에서 주방으로 다량의 공기가 유입되는 것을 알 수 있으며 주방 내부 공기의 거실 유입은 다소 미비한 것을 알 수 있다. 그런데 [그림4]를 보면 [그림3]과는 달리 계단실로부터 주방으로 유입되는 공기의 량은 미비하나 주방 내부 공기의 거실 유입량은 다소 많은 것을 알 수 있다.

[그림5]는 시뮬레이션 결과를 단면으로 나타낸 것으로서 실내 바닥과 천정 및 각각의 배기구를 포함하였다. 이를 보면 실내 층고를 기준하여 1/2 지점 이하인 하부에서는 주방공기의 거실 유입량이 매우 미비한데 비해 상부에서는 많은 량의 주방공기가 거실로 유입되는 것을 알 수 있다. 즉 계단실로부터 외부공기가 매우 빠른 속도로 주방으로 유입되는데 주방 내부 공기와 혼합되어 주방 천정면을 따라 빠르게 거실로 유입되어 확산되는 것을 알 수 있다.

Fig. 5.

Air Flow of Kitchen and Living Room(Section)

3.4. 주방 내부공기의 실내 확산 방지 방안

1) 개요

기계 환기에 의한 주방환기를 하는 다소 규모가 큰 주택을 사례로 주방환기의 문제점을 개선하기 위한 방안으로써 기본개념은 주방 내부공기의 압력을 최대한 감소시켜 거실로 확산되지 않도록 하는 것에 중점을 두었다. 이에 주방내 공기의 거실 유입을 최소화하거나 방지하기 위한 기본 조건으로 2가지 방안을 판단하였는데 <표10>과 같다. 단 현재 환기시스템의 용량을 고려하여 변경 가능한 합리적인 범위를 고려하였다. 즉 주방의 배기구 6개 중 거실과 인접한 배기구 1개소와 거실에 있는 배기구 2개 중 주방과 인접한 배기구 1개소를 용량 변동없이 각각 급기 형태로 전환하여 운영하는 방법 A와 A방법을 적용하되 급기구 용량을 각각 50CMH 증대시킨 방법 B 등을 기본조건으로 가정하여 시뮬레이션을 하였다.

Table 10

Hypothesis and Condition

2) 시뮬레이션 경계조건

현재 상태의 문제점을 해결하기 위한 대안으로써 설정 조건의 기본개념은 주방 내부공기의 압력을 최대한 감소시켜 거실로 확산되지 않도록 하는 것이다. 따라서 주방 좌측 계단실에서 발생하는 공기 유입은 차단하고, 주방 내부에 있는 배기 디퓨져 6곳 중 한곳은 급기 디퓨져로 전환하고 또한 거실 배기 디퓨져 한곳도 급기 디퓨져로 전환하는데, 주방 내부 창문을 통해 자연환기를 함으로써 주방 공기 오염농도를 감소시키는 조건도 포함하여 설정하였는바, 시뮬레이션 경계조건은 <표11>과 같다.

Table 11

Simulation Boundary Condition

3) 시뮬레이션 결과 및 분석

[그림6]과 [그림7]은 각각 주방 및 거실의 바닥 높이 1m와 2m 수평면의 기류 형태에 대한 시뮬레이션 결과를 평면으로 나타낸 것이다.

Fig. 6.

Air Flow of Floor Level 1m(Plan) after Improve

Fig. 7.

Air Flow of Floor Level 2m(Plan) after Improve

[그림6]을 보면 좌측 계단실에서 주방으로 공기 유입이 없으며 창문을 통한 자연환기를 하는데 주방 내부 공기의 거실 유입도 거의 없는 것을 알 수 있다.

[그림7]을 보면 [그림6]과 마찬가지로 계단실로부터 주방으로 유입되는 공기가 없으며 주방공기의 거실 유입도 거의 없는 것을 알 수 있다.

[그림8]는 시뮬레이션 결과를 단면으로 나타낸 것으로서 실내 바닥과 천정 및 각각의 급·배기구를 포함하였는데 [그림8]의 중심부에서 좌우측에 있는 각각 1개소의 환기구가 급기구이다.

Fig. 8.

Air Flow of Kitchen and Living Room(Section) after Improve

이를 보면 주방 내부공기의 거실 유입 및 확산이 거의 발생하지 않는 것을 알 수 있으며, 환기시스템 변경 전인 [그림5]와 비교하더라도 층고의 1/2을 기준하여 상층부와 하층부 모두 주방공기의 확산 현상 및 기류속도 등도 감소된 것을 알 수 있다.