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[ Research Article ]
The International Journal of The Korea Institute of Ecological Architecture and Environment - Vol. 20, No. 1, pp.143-149
Abbreviation: J. Korea Inst. Ecol. Archit. And Environ.
ISSN: 2288-968X (Print) 2288-9698 (Online)
Print publication date 28 Feb 2020
Received 04 Feb 2020 Revised 14 Feb 2020 Accepted 19 Feb 2020
DOI: https://doi.org/10.12813/kieae.2020.20.1.143

실내공기질 관리 및 제어를 위한 학교 특성별 오염물질 현황 조사
김성은* ; 양영권** ; 김민영*** ; 최성호**** ; 박진철***** ; 문진우******

Survey on Pollutants Status by School Characteristics for Indoor Air Quality Management and Control
Seong Eun Kim* ; Young Kwon Yang** ; Min Young Kim*** ; Sung Ho Choi**** ; Jin Chul Park***** ; Jin Woo Moon******
*Main author, Graduate Student, School of Architecture and Building Science, Chung-Ang University, South Korea (asteria03@naver.com)
**Coauthor, Postdoctoral researcher, School of Architecture and Building Science, Chung-Ang University, South Korea (dora84@naver.com))
***Coauthor, Researcher, School of Architecture and Building Science, Chung-Ang University, South Korea (kmyhg@naver.com)
****Coauthor, Graduate Student, School of Architecture and Building Science, Chung-Ang University, South Korea (c_sh0601@naver.com)
*****Coauthor, Professor, School of Architecture and Building Science, Chung-Ang University, South Korea (jincpark@cau.ac.kr)
******Corresponding author, Professor, School of Architecture and Building Science, Chung-Ang University, South Korea (gilerbert73@cau.ac.kr)

ⓒ 2020 KIEAE Journal
Funding Information ▼

Abstract
Purpose:

The purpose of this study is to develop a control technology for air-clearing ventilation system considering the characteristics of school facilities, and to investigate, classify, compare, and analyze data that can consider general environment and school characteristics.

Method:

The current and characteristic of school facilities and the status of management of pollutants were investigated using government public data and the resulting environment variables were derived. The concentration of fine dust and carbon dioxide, which are the main causes of human activity and breathing, was selected as the main factors to analyze the correlation with general school facilities, such as locality, establishment date and coeducation status.

Result:

First, the standard classrooms in Korea are located in Seoul and Gyeonggi-do, with a total of 23 students or less. Second, the survey on the concentration of fine dust by age of school facility showed no significant difference, but in the case of carbon dioxide, the average concentration decreased as the age of school facility grew older. Since the age of school facility is related to the building’s confidential performance, it is considered that the building’s airtight performance is highly correlated with the concentration of carbon dioxide. Third, according to the analysis of indoor air quality according to the sex ratio of students, this ratio is also a major factor for indoor air quality, and it was deemed necessary to consider this when applying the air-cleaning ventilation system.


Keywords: School Facility, Indoor Air Quality, Ventilation System, Particulate Matter
키워드: 학교시설, 실내공기질, 환기시스템, 미세먼지

1. 서론
1.1. 연구의 배경 및 목적

실내 공기 오염물질에 장시간 인체가 노출될 경우 건강유해성은 매우 높아지기 때문에[1-4], 쾌적한 실내공기질의 유지 및 관리는 매우 중요하다. 특히, 어린이나 노약자의 경우 노출에 따른 건강유해성이 더욱 높아지기 때문에 면밀한 관리가 필요하다[5-7].

학교시설은 상대적으로 건강상의 위험에 취약한 계층인 미성년이 일평균 6시간 이상 거주하는 특성을 가지고 있어 학교 실내공기질의 유지 및 관리가 특히 중요하다고 할 수 있다.

이에 따라 국내·외에서 실내공기질 개선을 위하여 가이드라인 및 정책 마련 등 다양한 노력이 증가하고 있으며[8, 9], 국내의 학교시설의 실내공기질 개선을 위해 교육부에서는 학교 미세먼지 기준 강화, 신축학교에 대한 기계환기 시스템 의무설치, 전 학교 공기정화장치의 단계적 설치를 포함하는 ‘학교 고농도 미세먼지 대책(2018.04.06.)’을 발표하여 관리하고 있다[10].

학교시설 중 교실은 수업방식 및 내용에 따라 다양한 용도로 활용가능하기 때문에 일반적인 사무공간과 건물 스케줄 및 제어방법이 상이할 수 있다. 따라서 용도에 적절한 환기시스템 제어 기술이 필요하다. 과거에는 실의 용도에 따른 세밀한 개별제어가 쉽지 않았지만 최근 4차 산업혁명에 도래하며 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT), 스마트빌딩(Smart building) 등 다양한 융·복합 기술이 개발 및 발전되어 상대적으로 보다 수월해지는 실정이며 다양한 연구 및 개발이 시도되고 있다[11].

하지만 아직까지 학교시설의 특성에 맞게 적용할 수 있는 공기청정 및 환기 시스템 개별제어 기술은 개발되어 있지 않다. 이를 실현하기 위해서는 우선적으로 학교시설의 다양하고 복잡한 변수를 고려하여 학교의 사용 용도에 최적화된 실내공기질 모니터링 및 제어 기술 개발이 필요하다.

실내공기질 제어 기술 개발을 위해서는 실내·외 온도, 습도, 기류의 방향과 속도 등 실내공기질에 영향을 줄 수 있는 일반적인 환경요소 뿐 아니라 학교의 재실인원 및 시간, 활동량, 성비(性比), 수업일정, 실의 용도, 건축연한 등 학교의 특성을 반영할 수 있는 요소들의 면밀한 조사와 분석 및 고려가 수반되어야 한다. 하지만 실내공기질 제어 기술 개발을 위한 학교의 특성 및 상관성 분석에 대한 기초자료는 전무하다.

따라서 본 연구에서는 학교시설의 특성을 고려할 수 있는 공기청정 환기 시스템의 제어 기술 개발을 위한 기초연구로서 일반적인 환경 및 학교 특성을 고려할 수 있는 데이터를 조사·분류하여 비교·분석하였다.

1.2. 연구의 방법 및 범위

본 연구는 학교시설의 공기청정 환기 시스템 도입 시 고려해야 할 환경변수를 도출하기 위한 기초연구이다. 환경 변수 도출을 위해서는 학교시설의 현황, 특성, 오염물질 관리 현황 등이 필요하며, 데이터는 교육부의 ‘학교알리미’에서 제공되는 자료를 활용하였다[12]. ‘학교알리미’에서 제공되는 정보는 학교 시설 정보(지역, 설립일, 남녀공학여부 등)와 학교장이 ‘학교 고농도 미세먼지 대책’에 따라 매년 의무적으로 실측 조사한 오염물질 자료(미세먼지(PM10), 이산화탄소, 폼알데하이드, 총휘발성유기화합물 등)이다.

폼알데하이드 및 총휘발성유기화합물의 경우 가구구매, 리모델링 등 교실의 세부적인 환경에 따라 다양한 발생원이 있기 때문에 실태조사를 배제한 데이터 분석만으로는 공기청정 환기 시스템의 기초 데이터로 일반화하여 활용하기 쉽지 않다.

따라서 본 논문에서는 인체의 활동 및 호흡이 주발생원인 미세먼지와 이산화탄소의 농도를 주요 인자로 선정하여 지역, 설립일, 남녀공학여부 등 일반적인 학교 시설과의 상관성을 분석하였다.


2. 선행연구 고찰

국내의 학교시설 실내공기질 관련 주요 연구는 교육시설의 환경 실측을 통한 실태조사 중심 연구가 가장 높은 비율을 나타냈다. 특히, 이정재 외(2005)의 연구에서는 부산지역 신축학교를 대상으로 일산화탄소, 이산화탄소, 미세먼지, 폼알데하이드에 대한 실측조사를 수행하였다[13]. 정민희 외(2007)의 연구에서도 겨울철 서울 및 경기지역 학교를 대상으로 동일한 실내공기질 오염물질에 대한 실측조사를 수행하였다[14].

최근 대기의 고농도 미세먼지 발생으로 인한 건강상의 우려와 학교 및 실내공기질에 대한 관리기준 강화에 따라 실내 미세먼지관련 연구가 주를 이루고 있다. 조성민 외(2017)는 공기청정기와 기계환기 시스템의 가동유무에 따른 실내 미세먼지 제거성능을 검토하였으며, 정승민 외(2018)는 외부의 풍속에 따른 미세먼지의 유입 특성에 대한 연구를 수행하였다[15, 16]. 엄예슬 외(2019)는 초등학교 교실을 대상으로 실외 미세먼지 침입특성을 분석하였고, 이윤규 외(2018)는 교실의 미세먼지 저감을 위해 환기시설의 적용방안을 제안하였다[17, 18]. 이와 같이 최근에는 과거보다 미세먼지의 저감을 목적으로 미세먼지의 유입특성, 제거 방법 등에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.

그러나 아직까지 학교시설에 환기 및 공기청정 시설의 설치 시 인공지능을 통한 예측 기술 및 사물인터넷 기술 등을 이용한 시스템 최적제어를 위한 변수 설정 시 필요한 종합적인 학교시설 분석 및 미세먼지 등 오염물질 현황에 대한 자료가 필요한 실정이다. 또한 일부 지역에만 국한된 것이 아니라, 전지역 범위의 초·중·고 실태 분석을 통해 대표성을 갖출 필요가 있다.


3. 국내 학교 관련 실내공기질 기준 현황

국내 실내공기질 관리기준은 건축물 및 공간의 용도에 따라 환경부, 고용노동부, 교육부의 3개 부처에서 각각 관리하고 있다. 유치원, 초·중·고의 학교 시설의 경우, 교육부의 ‘학교보건법’에 따르며, 현재 관리대상인 실내공기질 오염물질은 ‘학교보건법 시행규칙, [별표 4의2] 공기 질 등의 유지·관리기준 (시행 2019. 10. 24.)’에 따라 미세먼지, 이산화탄소, 폼알데하이드 등 총 17개 항목이다[19]. 대상 오염물질은 교실, 급식시설, 기숙사, 체육관, 교무실 등 공간 특성에 따라 항목별로 관리된다.

학생들의 주 거주역인 교실, 급식시설, 체육관 및 강당 등에 대한 실내공기질 유지 및 관리 항목은 초미세먼지(PM2.5), 미세먼지(PM10), 이산화탄소 (CO2), 폼알데하이드(HCHO), 총부유세균(Free-floating bacteria), 낙하세균(Falling bacteria), 일산화탄소(CO), 이산화질소(NO2), 라돈(Radon), 총휘발성유기화합물(TVOC)으로 항목별 기준치는 Table 1.과 같다.

Table 1. 
Indoor air quality maintenance criteria for school facilities
Pollutants Location Criteria by effective date
06.01.01. 18.03.27. 19.07.03. 19.10.24.
PM2.5 Classroom, Cafeteria - 35 ㎍/㎥ 35 ㎍/㎥ 35 ㎍/㎥
PM10 Classroom,
Cafeteria
100 ㎍/㎥ 100 ㎍/㎥ 75 ㎍/㎥ 75 ㎍/㎥
Gym, Auditorium - - - 150 ㎍/㎥
CO2 Classroom,
Cafeteria
1,000 ppm (1,500 ppm, when using mechanical ventilation)
HCHO Classroom
(less than 3 years after construction)
Cafeteria
100 ㎍/㎥ 80 ㎍/㎥
Free-floating bacteria Classroom,
Cafeteria
800 CFU/㎥
Falling bacteria Cafeteria,
Nurse’s office
10 CFU/Room
CO Classroom
(Individual heating or roadside)
10 ppm
NO2 0.05 ppm
Radon Classroom
(1st floor or underground)
148 Bq/㎥
TVOC classroom
(less than 3 years after construction)
400 ㎍/㎥

초미세먼지(PM2.5)는 2018년 3월 27일 추가되어 35 ㎍/㎥의 기준으로 관리되고 있다. 미세먼지(PM10)의 기준치는 기존의 100 ㎍/㎥ 이었으나, 환경부가 ‘실내공기질 관리법 시행규칙’ 의 ‘실내공기질 유지기준(시행 2018.10.18.)’을 통해 유해물질에 대한 민감 계층이 사용하는 다중이용시설인 어린이집의 PM10 기준을 75 ㎍/㎥로 강화시키면서, 학교시설 또한 75 ㎍/㎥ 으로 강화되었으며, 폼알데하이드는 기존의 100 ㎍/㎥에서 80 ㎍/㎥으로 강화되었다(2019. 07.01.)[20, 21].

또한 교육부는 교실의 미세먼지를 관리하기 위해 ‘공기정화장치 설치 및 관리기준’을 마련하고, 기계환기설비를 신축 학교건물에 의무적으로 설치하고 기존 학교도 우선적으로 고려하되 부득이한 경우 공기청정기를 설치하도록 하였다[22]. 교육부는 2019년 12월 기준으로 모든 초·중·고 교실의 88.1%에 공기청정기를 보급하였으며, 2020년 1월까지 100% 보급 추진하였다[23].


4. 학교 시설 및 특성별 오염물질 현황 조사
4.1 조사 개요

학교 교실의 미세먼지 및 이산화탄소 등 실내공기질의 주요 영향 인자는 환경적, 건축적, 인체적 요인으로 분류 가능하다. 환경적 요인은 실내 온·습도, 실외 환경 등이 있으며, 건축적 요인은 기밀성능, 건축연한, 리모델링(Remodeling) 여부, 환기장치 등이 있다. 인체적 요인으로는 재실자 수, 성비(性比, sex ratio), 활동량 등이 있다.

본 논문에서는 교육부의 공개 데이터를 이용해 재실자(학생) 수, 환기시스템 설치유무, 건축연한에 따른 미세먼지(PM10) 및 이산화탄소(CO2) 농도를 분석하였다. 공개 데이터는 교육부의 ‘학교보건법 시행규칙 제3조(환경위생 및 식품위생의 유지관리)’의 하위 행정규칙인 ‘학교 환경위생 및 식품위생 점검기준’에 따라 측정 및 수집된 결과이다. 각 학교별 대표 교실 2개소 이상, 학생이 거주하는 수업시간대에 측정한 일평균 결과이다. 미세먼지 측정 장비는 광산란법 또는 광투과법이 적용된 분진측정기기, 이산화탄소 측정장비는 비분산적외선분석법이 적용된 측정기기를 이용한다[24].

해당 데이터의 조사기간은 2016년(2015.3.1.~2016.2.29.), 2017년(2016.3.1.~2017.2.28.), 2018년(2017.3.1.~2018.2.28.), 2019년(2018.3.1.~2019.2.28.)이다.

4.2 일반현황조사

특수학교를 제외한 일반 학교 수는 Table 2.와 같이 2019년 기준 11,870개로, 초등학교 6,279개(52.9%), 중학교 3,236개(27.3%), 고등학교 2,355개(19.8%)이다. 각 지역별로는 경기도 2,419개, 서울 1,307개로 전체의 31.4%가 서울 및 경기지역에 위치하고 있다.

Table 2. 
Status of elementary, middle and high schools(as of 2019)
Region Elementary school Middle school High
school
Subtotal
Gangwon-do 377 (6.0%) 162 (5.0%) 116 (4.9%) 655 (5.5%)
Gyeonggi-do 1,309 (20.8%) 635 (19.6%) 475 (20.2%) 2,419 (20.4%)
Gyeongsangnam-do 519 (8.3%) 266 (8.2%) 190 (8.1%) 975 (8.2%)
Gyeongsangbuk-do 508 (8.1%) 269 (8.3%) 184 (7.8%) 961 (8.1%)
Gwangju 156 (2.5%) 90 (2.8%) 67 (2.8%) 313 (2.6%)
Daegu 229 (3.6%) 125 (3.9%) 93 (3.9%) 447 (3.8%)
Daejeon 150 (2.4%) 88 (2.7%) 62 (2.6%) 300 (2.5%)
Busan 304 (4.8%) 172 (5.3%) 142 (6.0%) 618 (5.2%)
Seoul 602 (9.6%) 385 (11.9%) 320 (13.6%) 1,307 (11.0%)
Sejong 49 (0.8%) 24 (0.7%) 18 (0.8%) 91 (0.8%)
Ulsan 122 (1.9%) 63 (1.9%) 57 (2.4%) 242 (2.0%)
Incheon 260 (4.1%) 135 (4.2%) 125 (5.3%) 520 (4.4%)
Jeollanam-do 465 (7.4%) 254 (7.8%) 142 (6.0%) 861 (7.3%)
Jeollabuk-do 423 (6.7%) 209 (6.5%) 133 (5.6%) 765 (6.4%)
Jeju 118 (1.9%) 45 (1.4%) 30 (1.3%) 193 (1.6%)
Chungcheongnam-do 420 (6.7%) 188 (5.8%) 117 (5.0%) 725 (6.1%)
Chungcheongbuk-do 268 (4.3%) 126 (3.9%) 84 (3.6%) 478 (4.0%)
Total 6279 3236 2355 11870

Table 3.은 전국 초·중·고의 학급수 및 학급당 평균 학생 수이며, 초등학교 123,752개, 중학교 51,717개, 고등학교 58,016개 학급이 운영 중 이다. 학급당 평균 학생 수는 초등학교 21.4명, 중학교 24.0명, 고등학교 24.3명이다.

Table 3. 
Number of general classes and students of elementary, middle and high schools(as of 2019)
Region Elementary school Middle school High school
Class Student* Class Student* Class Student*
Gangwon-do 4,283 17.66 1,736 22.15 1,902 22.81
Gyeonggi-do 31,148 24.71 12,345 28.67 14,384 25.43
Gyeongsangnam-do 9,161 21.24 3,598 24.77 3,916 24.12
Gyeongsangbuk-do 6,433 20.42 2,880 15.44 3,240 22.19
Gwangju 4,071 21.86 1,798 24.10 1,832 27.10
Daegu 5,458 23.11 2,617 24.05 2,892 24.73
Daejeon 3,888 21.28 1,584 25.82 1,859 24.42
Busan 6,905 22.53 2,963 24.82 3,535 23.24
Seoul 18,690 22.59 8,786 23.64 9,549 24.96
Sejong 1,328 21.00 496 22.58 417 22.72
Ulsan 2,983 22.97 1,233 25.20 1,405 24.24
Incheon 6,995 23.00 2,892 25.80 3,283 24.00
Jeollanam-do 5,151 18.43 2,067 22.23 2,431 21.85
Jeollabuk-do 5,147 18.99 2,073 23.59 2,426 23.54
Jeju 1,805 22.75 721 26.38 717 27.96
Chungcheongnam-do 6,007 20.38 2,235 25.15 2,454 24.83
Chungcheongbuk-do 4,299 20.17 1,693 24.18 1,774 25.07
Total 123,752 21.4 51,717 24.0 58,016 24.3
* the average number of students per class

환기설비(기계) 설치 비율은 Table 4.와 같이 초등학교 58.1%, 중학교 57.8%, 고등학교 56.8%로 평균 57.5%의 설치 비율을 나타낸다.

Table 4. 
Installation ratio of mechanical ventilation(as of 2019)
School Elementary school Middle school High school
Install 3,637 (58.1%) 1,866 (57.8%) 1,337 (56.8%)
Uninstall 2,627 (41.9%) 1,365 (42.2%) 1,018 (43.2%)
Total 6,264 (100%) 3,231 (100%) 2,355 (100%)

학교시설의 건축연한의 경우 준공일자가 표기되어 있지 않은 학교가 상당 수 존재하여 학교 개교일 기준으로 건축연한을 추정하였으며, 리모델링은 고려하지 않았다.

건축연한은 Fig. 1.~3.과 같다. 초등학교의 경우 30년 이상(1989년 이전)인 학교가 전체의 68.8%, 30년 미만 20년 이상(1990~1999년)은 11.7%, 20년 미만 10년 이상(2000~2009년)은 12.9%, 10년 미만(2010년 이후)은 6.6%로 나타났다. 중학교의 경우 30년 이상인 학교가 전체의 66.9%, 30년 미만 20년 이상은 11.3%, 20년 미만 10년 이상은 14.1%, 10년 미만은 7.7%로 나타났다. 고등학교의 경우 30년 이상인 학교가 전체의 68.2%, 30년 미만 20년 이상은 10.9%, 20년 미만 10년 이상은 13.2%, 10년 미만은 7.7%로 나타났다. 이와 같이 초·중·고 모두 30년 이상의 학교가 65% 이상이고, 20년 이상으로 보면, 약 80%에 육박한다.


Fig. 1. 
Construction year of elementary school


Fig. 2. 
Construction year of middle school


Fig. 3. 
Construction year of high school

4.3 학교 유형별 PM10 및 CO2 현황

초·중·고의 학교 유형별 PM10 및 CO2 현황은 Table 5., Fig. 4.~5.와 같다.

Table 5. 
Status of PM10 and CO2 in schools by year
Classification PM10(㎍/㎥) CO2(ppm)
Average concentration Excess
number*
Average concentration Excess
number*
Elementary school 2016 48.1 752 650.7 105
2017 48.7 940 672.0 104
2018 52.8 1,343 703.6 110
2019 49.8 1,216 713.7 90
Avg. 49.9 1,062.8 685.0 102.3
Middle school 2016 48.4 370 664.4 4
2017 49.0 471 684.2 5
2018 52.7 648 712.0 7
2019 49.1 594 730.5 5
Avg. 49.8 520.8 697.8 5.3
High
school
2016 47.8 272 695.0 2
2017 48.6 344 722.7 1
2018 50.8 447 729.6 1
2019 47.4 404 743.7 0
Avg. 48.7 366.8 722.8 1.0
Average of school 49.5 - 701.9 -
* Number of schools exceeding the standard(PM10 75㎍/㎥, CO2 1,000ppm)


Fig. 4. 
Particulate matter(PM10) concentration by year


Fig. 5. 
Carbone dioxide(CO2) concentration by year

초·중·고의 실내 평균 PM10 농도는 학교보건법에서 지정한 75 ㎍/㎥을 만족하고 있었다. 연도별 분석 결과 2017년 미세먼지의 농도는 전년대비 1.4%, 2018년은 6.8% 증가하였으나, 2019년은 6.4% 감소를 나타냈다. 2018년은 미세먼지 저감 대책 및 관리기준 이 강화되고, 공기청정기의 보급이 활성화되기 시작한 시기이다. 기준치를 초과한 비율은 초등학교 17%, 중학교 16.1%, 고등학교 15.6%로 나타났다.

평균 CO2 농도의 경우 일부 학교를 제외하고 초·중·고 대부분이학교보건법 기준인 1,000ppm 미만의 농도를 만족하는 것으로 나타났다. 연도별 분석결과 2017년 미세먼지의 농도는 전년대비 3.4%, 2018년은 3.2%, 2019년은 2.0% 증가하였다. 기준치를 초과한 비율은 초등학교 1.6%, 중학교 0.2%, 고등학교 0.04%로 나타났다.

4개년도 합산 평균 농도를 비교하면, PM10은 초등학교 49.9 ㎍/㎥, 중학교 49.8 ㎍/㎥, 고등학교 48.7 ㎍/㎥로 나타났으며, CO2의 경우 초등학교 685.0 ppm, 중학교 697.8 ppm, 고등학교 722.8 ppm로 나타났다.

4.4 건축연한별 PM10 및 CO2 현황

학교시설의 건축연한에 따른 초·중·고의 PM10 및 CO2 현황은 Table 6.과 같다. PM10의 경우 학교 건축연한에 따른 평균 농도 차이는 미미하였으며, 기준치인 75 ㎍/㎥ 초과하는 학교 수는 Table 7.과 같이 20년 이상과 20년 미만의 학교시설 간 큰 차이를 보이고 있었다.

Table 6. 
Concentration of PM10 and CO2 according to the age of school facilities
Classification PM10(㎍/㎥) CO2(ppm)
2016 2017 2018 2019 Avg. 2016 2017 2018 2019 Avg.
Elementary
school
More than 30 years 47.8 47.9 52.0 48.6 49.1 641.7 662.9 693.9 700.0 674.6
29~20 years 48.4 50.0 53.1 50.7 50.6 663.2 678.8 713.9 744.2 700.0
19~10 years 49.2 50.7 56.1 52.2 52.1 676.2 703.5 730.3 740.8 712.7
Less than
10 years
49.8 51.9 55.6 56.4 53.4 682.3 701.7 740.2 750.1 718.6
Avg. 48.8 50.1 54.2 52.0 51.3 665.9 686.7 719.6 733.8 701.5
Middle school More than 30 years 47.8 47.6 51.8 47.8 48.8 656.4 672.7 704.8 723.6 689.4
29~20 years 49.8 51.8 54.2 51.4 51.8 687.7 690.2 715.3 739.6 708.2
19~10 years 50.6 52.9 55.2 51.6 52.6 672.5 717.7 727.1 743.1 715.1
Less than
10 years
46.0 50.4 54.1 52.9 50.9 702.2 728.9 752.1 757.6 735.2
Avg. 48.6 50.7 53.8 50.9 51.0 679.7 702.4 724.8 741.0 712.0
High school More than 30 years 46.6 47.5 49.5 46.8 51.0 685.2 716.0 723.8 733.9 714.7
29~20 years 49.5 48.4 54.5 48.1 47.6 717.8 740.3 752.9 771.0 745.5
19~10 years 51.0 51.7 53.9 48.3 50.1 718.7 736.4 734.9 758.1 737.0
Less than
10 years
52.0 53.9 51.9 50.1 50.2 712.3 735.0 739.6 767.2 738.5
Avg. 49.8 50.4 52.5 48.3 50.2 708.5 731.9 737.8 757.6 733.9

Table 7. 
Number of schools exceeding standard of PM10 and CO2 according to age of school facilities
Classification PM10(㎍/㎥) CO2(ppm)
2016 2017 2018 2019 2016 2017 2018 2019
Elementary
school
More than 30 years 544 644 922 771 86 87 91 72
29~20 years 621 760 1071 927 10 9 10 10
19~10 years 96 131 182 186 9 8 8 8
Less than
10 years
35 49 90 103 0 0 1 0
Middle school More than 30 years 269 312 433 373 4 5 7 4
29~20 years 304 367 513 454 0 0 0 0
19~10 years 52 80 92 93 0 0 0 0
Less than
10 years
14 24 43 47 0 0 0 1
High school More than 30 years 186 232 292 267 2 1 0 0
29~20 years 219 271 357 317 0 0 0 0
19~10 years 34 47 66 52 0 0 0 0
Less than
10 years
19 26 24 35 0 0 1 0

CO2의 경우 건축연한이 오래된 학교일수록 대체적으로 평균 CO2의 농도가 감소하는 것으로 나타났으며, 기준치인 1000ppm을 초과하는 학교 수는 30년 이상인 학교가 대부분으로 나타났다.

4.5 학생 성비(性比)에 따른 PM10 및 CO2 현황

성비에 따른 실내공기질 현황분석은 남학교, 여학교, 남녀공학으로 분류하여 중, 고등학교를 대상으로 하였다.


Fig. 5. 
Particulate matter(PM10) concentration by type of school


Fig. 6. 
Carbone dioxide(CO2) concentration by type of school

분석결과 중학교와 고등학교 모두 PM10 농도는 남학교>남녀공학>여학교 순으로 높게 나타났다. 그러나 CO2 농도는 중학교의 경우 여학교>남학교>남녀공학 순으로 나타났으며, 고등학교의 경우 여학교의 CO2 농도가 대체적으로 높았으나, 2018년, 2019년에는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 그러나 학급당 평균 학생수는 남학교 25.6명, 여학교 25.3명, 남녀공학 22.9명으로, 남학교와 여학교의 학생수는 유사한 수준이었으나 남녀공학은 재실인원의 2명 이상 차이가 있었다. 따라서 재실인원이 유사한 남학교와 여학교만 비교하면, 4개년 평균 PM10은 남학교 49.8 ㎍/㎥ , 여학교 47.3 ㎍/㎥ 으로 남학교의 농도가 높았으며, CO2는 남학교 711.2 ppm, 여학교 722.2 ppm으로 여학교의 농도가 높았다.


5. 분석결과

국내 학교시설에 대한 일반적인 현황 조사 및 특성에 따른 미세먼지(PM10), 이산화탄소(CO2)분석 결과를 요약하면 다음과 같다.

2019년 기준으로 일반 학교수는 총 11,870개로, 이중 초·중·고의 비율은 각각 52.9%, 27.3%, 19.8%이다. 지역별로는 전체의 31.4%가 서울 및 경기지역에 위치하고 있었다. 나머지 지역에 위치한 학교수는 전체의 10% 미만이다.

학급당 평균 학생수는 초등학교 21.4명, 중학교 24.0명, 고등학교 24.3명으로 전체 학급당 재실인원은 평균은 23.2명인 것으로 나타났다. 환기설비(기계)는 57.5%의 학교시설에 설치되어있었고, 건축연한이 30년 이상인 초·중·고의 비율은 각각 68.8%, 66.9%, 68.2%으로 매우 높은 비율을 차지했으나, 10년 미만의 비율은 각각 6.6%, 7.7%, 7.7%로 조사되었다.

PM10 및 CO2 현황은 학교 유형, 건축연한, 학생 성비 특성에 따른 분석결과이다. 초·중·고 유형별 구분에 따른 실내 평균 PM10, CO2 농도는 기준인 75㎍/㎥, 1,000ppm을 모두 만족하고 있었다. 그러나 기준을 초과하는 학교 수가 일부 발생했다.

연도별 PM10은 매년 증가하다 2018년 기간 동안 감소하는 모습을 보였다. 2018년은 미세먼지 저감 대책 실시 및 관리기준 강화가 시행된 해이다. CO2은 PM10과 반대로 매년 증가하고 있었다.

4개년도 합산 평균 농도를 비교하면, PM10은 초등학교 49.9 ㎍/㎥, 중학교 49.8 ㎍/㎥, 고등학교 48.7 ㎍/㎥로 초등학교와 중학교는 유사하였고, 고등학교가 제일 낮았다. 그러나 농도값이 가장 큰 초등학교 49.9 ㎍/㎥와 고등학교 48.7 ㎍/㎥과의 차이는 1.2 ㎍/㎥이었다. CO2의 경우 초등학교는 상급 학교일수록 농도가 증가하였다. PM10과는 반대되는 양상을 보였다.

학교시설의 건축연한에 따른 결과, 초·중·고를 합산한 4개년 평균 PM10 농도는 30년 이상 48.5 ㎍/㎥, 20년 이상 30년 미만 50.8 ㎍/㎥, 10년 이상 20년 미만 52.0 ㎍/㎥, 10년 미만 52.1 ㎍/㎥으로 나타났다. CO2 농도는 30년 이상 692.9 ppm, 20년 이상 30년 미만 717.9 ppm, 10년 이상 20년 미만 721.6 ppm, 10년 미만 730.8 ppm이며, 연한이 증가할수록 PM10과 CO2 모두 증가하고 있었다.

중학교와 고등학교를 대상으로 성비에 따른 분석결과, 남학교와 여학교의 4개년 평균 PM10은 각각 49.8 ㎍/㎥ , 47.3 ㎍/㎥로 남학교의 농도가 높았으며, CO2는 각각 711.2 ppm, 722.2 ppm으로 여학교의 농도가 높아 남학교와 여학교 서로 상반되는 결과가 나타났다. 이 중 PM10은 신은상 외(2002)의 연구에서 남학교의 PM10 농도가 여학교보다 높았다고 한 연구와 유사한 결과를 보였다[25]. 이 결과는 PM10의 농도가 교실 내 활동량과 관계가 있다는 최상준(2008)의 연구와 학교에서 남학생의 활동량이 여학생보다 4.54% 더 많다는 강형길 외(2015)의 연구를 종합하여 남녀의 활동량에 따라 이러한 결과가 나타났다고 유추할 수 있다[26, 27].


6. 결론

본 연구의 목적은 학교시설의 특성을 고려할 수 있는 공기청정 환기 시스템의 제어 기술 개발을 위한 기초연구로서 일반적인 환경 및 학교 특성을 고려할 수 있는 데이터를 조사·분류하여 비교·분석하였다. 실내공기질 대상 오염물질은 미세먼지 및 이산화탄소 농도이며, 연구의 결과는 다음과 같다.

첫째, 2019년 기준 일반 학교 시설은 11,870개로 초등학교 52.9%, 중학교 27.3%, 고등학교 19.8%의 분포를 보이고, 전체의 31.4%가 서울 및 경기지역에 위치하였다. 또한 학급당 평균 학생 수는 약 21~25명이다. 또한 학교시설의 건축연한은 초·중·고 모두 30년 이상인 학교가 절반이상으로, 10년 미만의 학교는 전체의 10%미만이다. 이를 통해 서울·경기 지역에 위치하고 있는 교실 당 23명 내외의 교실을 표준교실로 정할 수 있다.

건축연한은 건축물의 기밀성능에 영향을 미치고, 기밀성능은 다시 실내외 오염물질의 유출입, 환기성능 등에 영향을 주기 때문에 공기청정 환기시스템 적용 시 이에 대한 고려가 필요하다고 사료된다.

둘째, 학교시설의 건축연한별 미세먼지와 이산화탄소의 농도 조사 결과, 미세먼지 농도의 경우 연한별로 큰 차이를 발견할 수 없었으나 이산화탄소의 경우 건축연한이 오래될수록 평균 농도가 감소하는 것으로 나타났다. 이를 통해 건물기밀성능과 이산화탄소의 농도 상관관계가 높은 것으로 사료된다.

셋째, 학생 성비(性比)에 따른 실내공기질 분석 결과, 미세먼지 농도는 남학교>남녀공학>여학교 순으로 높았으며, 이산화탄소는 남학교, 남녀공학에 비해 여학교의 농도가 높았다. 이를 통해 남녀의 재실비율 또한 실내공기질에 대한 주요한 요소이며, 공기청정 환기시스템 적용 시 이에 대한 고려가 필요하다고 사료된다.

본 연구는 학교시설의 기초적인 현황분석을 통해 고려해야 할 공기청정 환기시스템 적용 시 이에 대한 고려해야 할 사항을 확인하였다.

공기청정 환기시스템 개발 및 적용을 위해서는 폼알데하이드 및 휘발성 유기화합물 등 기타 실내공기오염물질에 대한 발생 및 거동 분석, 실내외 온·습도, 대기환경, 리모델링, 재실자의 활동량, 건물 스케줄 등의 실태조사가 추가로 필요하다. 따라서 본 연구 결과 자료를 바탕으로 실태조사 대상 학교 및 교실을 선정하고, 추가 연구를 통해 실내공기질 영향인자 도출이 가능하다.


Acknowledgments

이 성과는 정부(과학기술정보통신부, 교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No.2019M3E7A1113095).


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Enforcement Rules of the School Health(Ministry of Education Command No.185, Effective Date: 2019.07.03.)
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