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[ Research Article ]
The International Journal of The Korea Institute of Ecological Architecture and Environment - Vol. 20, No. 5, pp.151-157
Abbreviation: J. Korea Inst. Ecol. Archit. And Environ.
ISSN: 2288-968X (Print) 2288-9698 (Online)
Print publication date 31 Oct 2020
Received 14 Sep 2020 Revised 26 Sep 2020 Accepted 05 Oct 2020
DOI: https://doi.org/10.12813/kieae.2020.20.5.151

CFD를 이용한 소형 공동주택 내 톨루엔 흡착자재 시공 위치에 따른 성능 평가
최하늘* ; 장닝** ; 김동현*** ; 김태연****

Performance evaluation according to the construction location of toluene adsorption materials in small apartments using CFD
Haneul Choi* ; Ning Zhang** ; Donghyun Kim*** ; Taeyeon Kim****
*Main author, Integrated PhD student, Dept. of Architecture & Architectural Engineering, Yonsei Univ., South Korea (chn7960@yonsei.ac.kr)
**Coauthor, Researcher, Shenzhen Junye Building Technology Co.Ltd, China (zhangning95@yonsei.ac.kr)
***Coauthor, Master student, Dept. of Architecture & Architectural Engineering, Yonsei Univ., South Korea (wibewhale@yonsei.ac.kr)
****Corresponding author, Professor, Dept. of Architecture & Architectural Engineering, Yonsei Univ., South Korea (tkim@yonsei.ac.kr)

ⓒ 2020 KIEAE Journal
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Abstract
Purpose:

Recently, the adsorption removal of pollutants to improve indoor air quality has attracted attention. Nevertheless, there are no guidelines in Korea that specifies the construction location of adsorption materials. There have been related studies conducted in offices or large apartment houses, but no studies have been carried on small apartment houses yet. Therefore, the purpose of this study is to evaluate the toluene reduction performance according to the construction location of an adsorption material in a small apartment house.

Method:

First, the adsorption simulation method using CFD was validated. Next, various case studies were performed on a typical small apartment floor plan using the validated simulation method. The adsorption material construction locations are the wall behind the cabinets of the sink, the wall behind the built-in clothes cabinet, and the wall behind the shoe cabinet.

Result:

When an adsorption material was installed on the back wall of the built-in furniture, the toluene reduction performance was good in the order of the cabinets of the sink, the clothes cabinet, and the shoe cabinet. In addition, the results were found to significantly reduce the indoor toluene concentration when installed in all locations.


Keywords: Adsorption materials, Toluene, Construction location, CFD
키워드: 흡착자재, 톨루엔, 시공 위치, CFD

1. 서론

건강에 관한 국민적 관심이 높아지면서 실내공기질의 중요성이 강조되고 있다. 주택 내에서 실내공기질 문제를 일으키는 대표적인 물질로 건축자재에서 방출되는 휘발성 유기화합물이 있다[1]. 휘발성 유기화합물은 실내 농도에 따라 새집증후군, 복합 화학물질 과민증 등의 문제를 일으켜 재실자의 건강을 위협할 수 있기 때문에 반드시 관리되어야 한다[2]. 이에 국내에서는 휘발성 유기화합물의 농도를 “실내공기질 관리법”의 신축 공동주택의 실내공기질 권고기준과 비교하고, 기준 농도 이하로 규제하는 방식으로 관리하고 있다.

휘발성 유기화합물의 제어를 위한 전통적인 방법으로 베이크 아웃, 환기 등이 있으나, 최근에는 공기청정기, 흡착자재와 같은 제거제어 연구도 활발하다[3]. 특히 흡착자재는 실내 오염물질 농도를 저감시킬 뿐만 아니라, 환기 장치 가동에 따른 에너지 부하를 줄이는 이점도 있기 때문에 주목받고 있다[4].

한국공기청정협회에 따르면 2008년도 들어 시장에서 흡착자재와 같은 기능성 건축자재가 큰 폭으로 증가하였다[5]. 이에 따라 흡착자재에 관한 연구·개발도 활발히 진행됐다[6-8]. 최근에는 활성탄을 기반으로 한 톨루엔 흡착자재가 개발되었으며, 그 성능 또한 실험적으로 검증되었다[9]. 정부도 2014년부터 “건강친화형 주택 건설기준”을 두어 흡착자재의 시공을 권장하고 있다[10].

“건강친화형 주택 건설기준”에서는 일정 기준의 흡착률·적산 흡착량을 만족하는 건축자재를 사용하도록 하고 있으며, 거실과 침실 벽체 총면적의 10% 이상을 시공할 것을 권장하고 있다. 그러나 아직까지 관련 기준에서 흡착자재의 시공 위치에 대한 고려는 없다. 건축공간은 넓고 복잡해서 기준을 만족하는 자재라 하더라도 시공 위치에 따라 성능이 크게 달라질 수 있다. 특히, 흡착자재는 주변 기류가 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다[11]. 따라서 흡착자재의 균일하고 효율적인 성능 구현을 위해서는 시공 위치에 따른 영향을 밝힐 필요가 있다.

과거 몇몇 연구자들이 흡착자재와 시공 위치에 관한 연구를 수행한 바 있다. Park(2015)은 사무실에서 벽, 책상 등 네 곳의 흡착자재 시공 위치에 따른 톨루엔 농도 분포를 해석하고, 환기 효율과 환기 에너지 저감 효과를 분석하였다[12]. 또한 김다영(2017)은 드레스룸과 같은 비 공조 공간에서는 인체 발열을 가정했을 때 실 천정에 흡착자재를 시공하는 것이 가장 효과적임을 보고하였다. 나아가, 공조되는 대형평면 공동주택에는 재실자가 오래 거주하는 영역과 벽 혹은 공기순환이 잘 되는 곳에 흡착자재를 시공할 것을 제안하였다[11].

그러나 위 선행연구들은 사무실, 드레스룸, 대형 공동주택을 대상으로 수행된 연구이며, 소형 공동주택(통상적으로 전용면적 59m2 이하)에서는 관련 연구가 수행된 바 없다. 사무실·대형 공동주택과 다르게 소형 공동주택에는 기계환기설비가 아닌 자연환기설비가 설치되는 사례가 많다. 자연환기설비는 천정이 아닌 창 또는 문에 설치되기 때문에 다른 실내 기류가 형성된다. 기류가 흡착 성능에 영향을 준다는 점을 고려하면 소형 공동주택을 대상으로 추가적인 분석이 요구된다. 또한 소형 공동주택은 2017년 기준 대한민국 주택의 34%를 차지하고 있다는 점[13], 앞으로 수요 및 공급이 점점 확대될 전망[14, 15]임을 고려할 때 소형 공동주택에서의 흡착자재 시공 위치에 대한 검토가 시급하다.

이에 본 연구는 소형 공동주택에서 흡착자재의 적정 시공 위치를 검토하고, 시공 위치에 따른 오염물질 저감 성능을 평가하는 데 목적이 있다. 본 연구에서 흡착 대상 오염물질은 “건강친화형 주택 건설기준”에 따라 톨루엔으로 한정하였다. 톨루엔은 페인트, 니스, 벽지, 실런트 등에서 방출되는 대표적인 휘발성 유기화합물이다[16].

본 연구의 진행 절차는 Fig. 1.과 같다. 먼저 전산 유체 역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)을 이용한 흡착 시뮬레이션 방법의 타당성을 검증하였다. CFD는 실내 오염물질의 농도분포를 해석하고, 다양한 케이스를 효과적으로 비교하는데 활발하게 사용되는 툴이다. 이전 연구에서 수행된 실물 실험[17]을 모델링하고, CFD를 수행하여 실험 결과와 시뮬레이션 예측값을 비교·검증 하였다. 다음으로, 검증된 흡착 시뮬레이션 방법을 이용하여 대표적인 소형 공동주택 평면에 대해 흡착자재 시공 위치 별 성능을 시뮬레이션하고, 결과를 분석하였다.


Fig. 1. 
Flow Chat of the Study


2. 흡착 시뮬레이션 방법 검증
2.1. 해석 조건

본 장에서는 3장 케이스 스터디에 사용할 흡착 시뮬레이션 방법의 타당성을 검증하였다. 이를 위해 김동현 외(2019)의 톨루엔 흡착 성능 실험[17]을 CFD 모델링하여 해석하고, 결과를 실험값과 비교하였다.

실험과 마찬가지로 톨루엔 흡착자재가 시공된 경우와 시공되지 않은 경우 두 가지를 모델링하였다. 톨루엔 흡착자재가 시공되지 않은 모델은 실 중앙에 오염원이 존재하며, 톨루엔 흡착자재가 시공된 모델은 오염원과 더불어 일부 벽을 흡착조건으로 설정하였다. CFD 모델은 Fig. 2.에 나타내었다.


Fig. 2. 
Validation CFD Model

구체적인 해석 조건은 Table 1.과 같다. CFD 모델의 실내 벽면은 고정 온도 조건으로 설정하였으며, 온도는 실험값을 참고하였다. 오염원은 실 바닥 중앙에 위치한 사각 면(페인트 칠 한 석고보드)을 모델링하여 톨루엔이 방출되도록 하였다. 실험이 진행된 건물은 준공된 지 오래됐기 때문에 벽지나 바닥에서 방출되는 톨루엔은 없는 것으로 가정하였다[19]. 톨루엔 발생량은 흡착자재가 없는 실의 실험값 중 정상상태로 판단되는 28일차 톨루엔 농도를 역연산하여 산출하였다. 침기는 창 위·아래에서 이루어지는 것으로 가정하였으며, 기밀 성능 실험결과에 따라 침기량이 시간당 0.5회가 되도록 급기구의 풍속을 설정하였다. 또한, 급기구의 온도는 실험값을 참고하였다.

Table 1. 
Boundary Conditions for Validation Model
Boundary condition Value
Geometry 4.73m x 4.23m x 2.2m
Toluene source Area: 4.86㎡(0.9m x 1.8m x 3ea)
Value: 0.88μg/㎡s
Adsorption material Area: 16.2㎡(0.9m x 1.8m x 10ea)
Value: 0(Surface concentration)
Inlet 0.194m/s, 32.7℃
Outlet Pressure outlet
Wall temperature 26℃
Turbulence model Realizable k-epsilon
Contaminant model Passive scalar
Mesh type/Number of cells Trimmer/230,000

흡착자재가 시공된 모델의 경우, 흡착 현상 구현을 위해 흡착 면 표면농도를 0으로 설정하였다. 선행연구[11, 20, 21]를 참고하면, 흡착 면의 표면농도를 0으로 설정하는 방법은 흡착 현상을 구현하기 위해 자주 사용되는 방법이나, 아직까지 실 단위 실험 데이터와 비교하여 검증된 바 없다. 본 연구에서는 이를 검증하고자 한다.

시뮬레이션 툴은 상용 소프트웨어인 STAR-CCM+을 사용하였다. 정상해석을 수행하였으며, 해석 유동은 비압축성 난류유동으로 가정하였다. 이때, 지배방정식은 RANS(Reynolds- Averaged Navier-Stokes) 방정식이다. 지배방정식은 유한체적법을 이용하여 이산화하였다. 비압축성 유동해석 시 요구되는 유체의 속도와 압력 연성에는 SIMPLE(Semi-implicit method for pressure-linked equation) 알고리즘이 사용되었다. 또한 부력효과를 모사하기 위해 Boussinesq 모델을 사용하였다. 난류모델로는 실내 오염물질 해석에 많이 사용되는 Realizable k-epsilon 모델을 사용하였다[18]. 오염물질인 톨루엔을 모델링하기 위해 Passive scalar 모델을 활용하였다. 격자는 STAR-CCM+에서 제공하는 Trimmer를 사용하였으며, 생성된 셀의 수는 약 230,000개이다.

2.2. 검증 결과

CFD 예측값과 실험값을 비교한 결과는 Fig. 3.과 같다. 실 중앙 1.2m 높이에서 농도를 해석한 결과, 흡착자재가 시공되지 않은 경우 424 μg/m2, 시공된 경우 137.6 μg/m2로 나타났다. 흡착자재 시공으로 인한 톨루엔 농도 저감율의 경우, 예측값이 67%, 실험값이 60%로 유사함을 확인하였다. 결론적으로 본 연구에서는 CFD에서 흡착 면의 표면농도를 0으로 설정하는 방법이 흡착 현상을 잘 모사할 수 있다고 판단하였다.


Fig. 3. 
Comparison of CFD Predictions and Measuremenst for Validation


3. 흡착자재 시공 위치에 따른 성능평가
3.1. 해석 대상
1) 대상 공간

본 장에서는 2장에서 검증된 경계조건을 활용하여 다양한 케이스 스터디를 수행하였다. 대상 공간은 전용면적 29m2의 일반적인 소형 공동주택 평면이며 Fig. 4.와 같다. 대상 공간에는 싱크대 상·하부장, 신발장, 붙박이장 등 붙박이 가구가 시공되어 있다.


Fig. 4. 
CFD Simulation Models for Case Study

대상 공간은 환기를 위해 창과 문 쪽에 자연환기설비가 설치되어 있으며, 신축공동주택 환기설비기준에 따라 시간당 0.5회의 환기가 이루어진다. 한편, 기계환기설비의 급·배기구와 다르게, 자연환기설비에서는 실내외 압력조건에 따라 실내 공기가 나가기도 하고, 실외 공기가 들어오기도 한다[22]. 따라서 설치된 두 자연환기설비 면의 경계조건을 특정하기 어렵다. 흡착 성능이 기류에 영향을 받는 다는 점을 고려할 때, 공간의 기류를 형성하는 자연환기설비의 두 경계조건을 모두 검토할 필요가 있다. 이에, 본 연구에서는 창 쪽이 급기구, 문 쪽이 배기구인 경우(Case 1)와 그 반대인 경우(Case 2)로 크게 해석 케이스를 구분하였다.

2) 흡착자재 시공 위치 선정

흡착자재는 벽, 천정 등 다양한 위치에 시공이 가능하나, 본 연구에서는 흡착자재의 색(본 연구에서는 검정색)을 감안하여 현실적으로 시공이 용이한 몇몇 위치를 선별하였다(Table. 2). 흡착자재의 색을 고려한 이유는 현재 국내에 존재하는 톨루엔 흡착자재의 색은 검정색이 유일하기 때문이다. 선별한 시공 위치는 싱크대 상·하부장 뒤 벽면, 신발장 뒤 벽면, 붙박이장 뒤 벽면으로 모두 거주자 눈에 보이지 않아 흡착자재 색이 상관없고, 원래 도배를 하지 않아 도배지 철거와 같은 추가 공정 없이 즉시 시공이 가능한 곳들이다.

Table 2. 
CFD Simulation Cases
Location of adsorption materials Adsorption area(㎡) Pollutant area(㎡)
a 0 131.6
b 3.5 131.6
c 2.7 131.6
d 7.0 131.6
e 13.2 131.6
f 19.2 124.6

이에 따라, 본 연구에서는 흡착자재를 시공하지 않은 경우(Case a), 싱크대 상·하부장 뒤 벽면(Case b), 신발장 뒤 벽면(Case c), 붙박이장 뒤 벽면(Case d) 등 단일위치에 흡착자재를 시공한 경우와 세 위치에 모두 시공한 경우(Case e)를 해석 케이스로 두었다. 또한 세 위치에 모두 시공하고 추가적으로 방 한쪽 벽면을 더 시공한 경우(Case f)도 해석하였다. 이 경우는 오염물질을 방출하는 도배를 하지 않고 흡착자재로 마감한 경우인데, 실제 국내에서 흡착자재를 시공하는 경우 도배를 대신하여 실내 마감재로 시공하기도 한다는 점을 참고하였다. 최종적으로 본 연구에서는 자연환기설비의 급·배기 조건(2가지) 및 흡착자재 시공 위치 별(6가지)로 총 12개의 케이스를 구분하였다.

3.2. 해석 조건

본 연구의 구체적인 해석 조건은 Table 3.과 같다. 정상해석을 하였으며, 사용한 시뮬레이션 툴과 난류 모델, 오염물질 모델 등은 2장에 사용된 것과 동일하다. 다만, 온도는 20도로 고정하였기 때문에 부력에 대한 고려는 하지 않았다. 격자는 Trimmer를 사용하였으며, 생성된 셀의 수는 평균적으로 약 192,000개이다. 오염원은 벽, 바닥, 천정, 가구 등 이며, 창문은 오염원에서 제외하였다. 오염원의 톨루엔 발생량은 기존 연구를 참고하였다[23]. 오염원의 면적은 Table 2.에 나타냈다. 흡착 면의 경계조건은 2장과 마찬가지로 표면농도 0으로 설정하였다.

Table 3. 
Boundary Conditions for Case Study
Case 1 Case 2
Geometry 29㎡ x 2.3m
Toluene sources Area: Table 2.
Value: 0.32mg/㎡h
Adsorption surfaces Area: Table 2.
Value: 0(Surface concentration)
Inlet Area: 0.0135㎡ Area: 0.0102㎡
Value: 0.5775m/s Value:0.7644m/s
Outlet Pressure outlet
Time Steady state
Mesh type Trimmer
Number of cells 192,000

자연환기설비의 급기구는 풍속 조건으로, 배기구는 압력 조건으로 설정했다. 실제 자연환기설비는 실내외 압력조건에 따라 매 순간 환기량이 변화하나, 본 연구에서는 평균적으로 시간당 0.5회 환기가 된다고 가정하였다. 이에 따라 급기구의 풍속을 산정하여 입력하였다. Case 1과 Case 2의 급기구 면적이 다르기 때문에, 급기구의 풍속이 다르게 설정되었다. 배기가 되는 곳은 압력조건으로 설정하였다.

3.3. 해석 결과
1) 흡착자재 시공 위치 별 톨루엔 농도 분포 비교

Fig. 5.은 케이스 별로 단면 AA’(Fig. 4-(b))의 톨루엔 농도를 비교한 결과이다. 흡착자재가 시공되지 않은 Case 1-a의 경우 싱크대 상·하부장, 신발장, 붙박이장과 뒤 벽면 사이 톨루엔 농도가 상당히 높은 것으로 나타났다. 이는 가구와 벽면 사이 기류가 활발하지 못하여 가구에서 방출된 톨루엔이 확산되지 못했기 때문으로 판단된다.


Fig. 5. 
Comparison of Toluene Concentration Distribution by Case in Section AA’

한편, Case 1-b,c,d의 결과를 통해 흡착자재를 시공하면 시공된 벽 주변의 농도가 크게 저감 되는 것을 확인하였다. 그러나, 단일 부위에 시공하는 것만으로는 실(주방과 방)의 농도에는 큰 영향을 미치지는 못하는 것으로 나타났다. 반면, 모든 가구 뒤쪽에 시공한 Case 1-e와 벽면에 추가시공까지 한 Case 1-f는 Case 1-a,b,c,d에 비해 실 전반적으로 농도가 크게 저감됐다.

흡착자재 시공과 관계 없이 전체적으로 방의 농도가 주방 농도보다 높은 경향을 보였다. 특히, 방 남서쪽 벽 주변의 농도가 크게 높은 것을 확인할 수 있었다. 이는 벽 근처의 기류가 정체되었기 때문으로 판단되며, 남쪽 창문에서 북쪽 문으로 한 방향의 기류를 만드는 창문부착형 자연환기설비의 특징인 것으로 보인다. 이에 대한 대응으로는 기류가 정체되어 톨루엔 농도가 높은 벽면에 흡착자재를 시공하는 것이 될 수 있다. 남서쪽 벽면에 흡착자재를 시공한 Case 1-f의 경우, 실 전반적으로 톨루엔 농도가 저감된 것으로 나타났다.

Case 2-a의 경우 Case 1과 유사하게 가구 뒤쪽 벽 농도가 매우 높은 것으로 나타났다. 또한, 흡착자재를 시공하면 시공된 가구 뒤쪽 벽 농도가 크게 낮아졌다. 시공면적이 큰 Case 2-e, 2-f는 Case 2-a에 비해 농도 분포가 크게 낮아지는 것을 확인하였다. 한편, Case 1과 다르게 방보다 주방 농도가 전체적으로 높은 경향을 보였다. 특히, 방 남서쪽 벽이 아닌 주방 서쪽 벽 주변의 톨루엔 농도가 상당히 높았으며, 오히려 방 남서쪽 벽은 농도가 낮고 고르게 분포되는 것으로 나타났다. 주방의 싱크대 상·하부장 뒤 벽에 흡착자재를 시공한 Case 2-b의 경우 주방 전체의 농도를 크게 저감하는 것으로 나타났다. Case 2-b와 Case 1-f의 결과는 기류가 정체되는 곳 주변에 흡착자재를 시공하는 것이 실 전체의 농도 저감에 매우 효과적이라는 것을 시사한다.

2) 흡착자재 시공 위치 별 톨루엔 농도 비교

Fig. 6.은 케이스 별 방·주방의 톨루엔 농도를 비교한 결과이다. 방·주방의 농도 해석 지점은 실의 중앙에 위치하며 높이는 성인의 호흡영역으로 바닥으로부터 1.2m 떨어진 높이이다(Fig. 4-(b).). Case 1에서 흡착자재를 시공하지 않은 경우(Case 1-a), 방과 주방의 톨루엔 농도가 국내 신축 공동주택의 실내공기질 권고기준인 1000μg/m2 을 크게 상회하는 것으로 나타났다. 방의 농도는 약 1300μg/m2상당히 높았다. 방과 주방을 비교하면, 흡착자재 시공 위치와 관계없이 전반적으로 방이 주방보다 농도가 높은 것으로 나타났다.


Fig. 6. 
Toluene Concentration Comparison by Case

단일 위치에 시공한 경우(Case 1-b,c,d), 흡착자재의 시공 위치와 관계없이 주방과 방의 톨루엔 농도는 권고기준 농도 이하로 저감되지 못했다. 한편 모든 가구 뒤쪽 벽에 흡착자재를 시공한 경우(Case 1-e), 주방과 방 모두 권고기준을 만족하였다. 이는, 원래 도배를 하지 않는 곳에 흡착자재를 시공하는 것만으로도 상당한 효과를 볼 수 있음을 시사한다. 남서쪽 벽에 흡착자재를 추가 시공한 경우(Case 1-f), 방과 주방 모두에서 권고기준 농도보다 약 26% 낮은 톨루엔 농도를 기록하였다.

Case 2에서는 Case 1과 달리 주방의 농도가 방보다 평균적으로 약 10% 높았으며, 전체적인 농도 경향은 유사했다. Case 1과 같이 단일 위치에 시공하는 경우는 권장기준 농도 이하로 톨루엔 농도를 저감 시키지 못했으며, Case 1-e의 경우 권고기준 수준을 만족하였다. Case 1-f의 경우 방은 권고기준 농도보다 약 29%, 주방은 약 20% 낮은 톨루엔 농도를 기록하였다.

Fig. 6. 하단부에 Case 1과 Case 2를 평균한 결과를 나타냈다. 주방과 방의 절대적인 톨루엔 농도가 유사했으며, 흡착자재 시공위치에 따른 농도 변화 경향도 거의 일치했다. 평균적으로, 싱크대 상·하부장, 신발장, 붙박이장 뒤 벽에 모두 흡착자재를 시공해야 실의 농도를 권고기준 농도 이하로 낮출 수 있었다. 또한, 추가로 남서쪽 벽에 흡착자재를 시공한 경우 방과 주방 농도를 800μg/m2 이하까지 크게 낮출 수 있었다.

3) 흡착자재 시공 위치 별 톨루엔 저감율 비교

Fig. 7.는 Case 1에서 흡착자재 시공 위치 별 호흡역 톨루엔 농도 저감율을 비교한 결과이다. 기준 농도는 흡착자재를 시공하지 않은 Case 1-a로 설정하였다. 방과 주방에서 농도 저감율의 경향은 유사했다. 방과 주방 모두 단일 위치 시공 케이스 중 Case 1-b가 저감율이 가장 컸으며, 약 11%로 나타났다. Case 1-d의 경우 저감율은 약 9%로 나타났다. 한편 Case 1-b의 경우 저감율이 약 6%로 가장 낮았다. 세 위치에 모두 시공한 Case 1-e는 Case 1-a대비 약 24%의 톨루엔 농도가 저감 되는 것을 확인했다. 또한, Case 1-f의 경우 약 35%의 톨루엔 농도가 저감 되는 것으로 나타났다.


Fig. 7. 
Toluene Concentration Reduction Rate Result by Adsorption Material Location in Case 1

Fig. 8.는 Case 1에서 흡착자재 시공 위치 별 호흡역 톨루엔 농도 저감율을 비교한 결과이다. 기준 농도는 흡착자재를 시공하지 않은 Case 2-a로 설정하였다. 전반적으로 Case 2의 결과는 Case 1과 크게 다르지 않은 것으로 나타났다. Case 2에서도 방과 주방에서 흡착자재 시공 위치에 따른 톨루엔 농도 저감율의 경향이 유사했다. Case 2-b와 Case 2-d는 약 10%의 농도 저감율을 보였으며, Case 2-c의 농도 저감율은 약 5%로 가장 성능이 떨어졌다. Case 2-e는 약 24%의 저감율을 보였다. 가장 저감율이 큰 것은 Case 2-f로, 약 33%의 저감율을 보였다.


Fig. 8. 
Toluene Concentration Reduction Rate Result by Adsorption Material Location in Case 2

Fig. 9.는 Case 1과 Case 2를 평균 낸 결과이다. 두 케이스의 경향이 거의 유사하기 때문에, 평균을 낸 결과가 흡착자재 시공 위치에 따른 농도 저감율을 대표하는 결과라고 봐도 무방하다. 우선, 주방과 방의 농도 저감 성능은 흡착자재 시공 위치와 관련 없이 거의 유사했다. 세 위치에 모두 시공하는 경우 평균 23%의 성능을 보였으며, 남서쪽 벽면에 추가 시공하는 경우 평균 34%의 톨루엔 저감 성능을 보였다.


Fig. 9. 
The Averaged Toluene Concentration Reduction Rate Result by Adsorption Material Location


4. 결론

본 연구는 소형 공동주택 평면에서 흡착자재의 시공 위치에 따른 톨루엔 저감 성능을 평가하였다. 신뢰성 있는 시뮬레이션을 위해 CFD의 흡착 면 경계조건 설정이 타당한지 검증하는 과정이 선행되었다. 이후 실내 기류와 흡착자재의 시공 위치에 따라 케이스를 분류하고, 케이스 스터디를 수행하였다. 본 연구를 통한 결과를 요약하면 다음과 같다.

첫째, 본 연구에서 해석한 소형 공동주택 평면에서는 자연환기설비의 급·배기 조건을 반대로 하더라도 흡착자재의 성능에는 큰 영향이 없는 것으로 나타났다. 이는 본 연구의 흡착자재 시공 위치가 자연환기설비에 의한 기류에 크게 영향을 받지 않는 곳이기 때문으로 판단된다.

둘째, 붙박이 가구 뒤쪽 벽에 흡착자재를 시공한 경우, 싱크대 상·하부장 뒤, 붙박이장 뒤, 신발장 뒤 순서로 톨루엔 저감 성능이 좋았다. 신발장보다는 싱크대 상·하부장과 붙박이장의 경우가 성능이 우수한 이유는 시공 위치가 재실자가 생활하는 공간(실 중앙 주변)과 더욱 인접하기 때문으로 판단된다. 다만, 상·하부장 뒤 벽에 시공한 경우와 붙박이장 뒤 벽에 시공한 경우의 성능 차이는 크지 않았다. 따라서, 해석 평면과 유사한 평면에서 시공 면적이 제한되는 경우 신발장보다 싱크대 상·하부장 또는 붙박이장 뒤 벽에 흡착자재를 시공하는 것이 추천된다.

셋째, 모든 붙박이 가구 뒤쪽 벽에 흡착자재를 시공한 경우, 흡착자재를 시공하지 않은 경우 대비 약 23%의 톨루엔 농도가 저감됐다. 또한 방 벽면에 추가적으로 흡착자재를 시공한 경우, 약 34%의 톨루엔 농도가 저감됐으며, 오염도가 특정 위치에 집중되는 현상이 개선됐다. 이 같은 결과는 흡착자재가 에너지를 소비하지 않고도 실내공기질을 향상시킬 수 있는 효과적인 방법임을 시사한다.

본 연구는 그동안 다뤄진 적 없던 소형 공동주택에서 흡착 성능을 평가했다는 점에서 선행 연구와 차별된다. 또한, 흡착자재의 시공 위치에 대한 가이드라인을 구축하는 데 참고자료로 활용될 수 있다는 점에서 가치가 있다. 다만, 본 연구는 다양한 평면 및 계절적 특성을 다루지 못했다는 한계를 지닌다. 향후 연구에서는 이를 보완할 필요가 있다.


Acknowledgments

본 연구는 국토교통부 주거환경연구사업의 연구비 지원 (20RERP-B082204-07)에 의해 수행되었습니다.


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