녹색건축인증의 주거용건축물 자연환기성능항목 개선방안

신축 공동주택 100세대 이상은 입주 전 포름알데히드, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌, 스티렌, 라돈 등의 오염물질을 측정하고, 측정결과서 원본을 첨부하여 주민 입주 7일 전까지 특별자치시장ㆍ특별자치도지사ㆍ시장ㆍ군수ㆍ구청장에게 제출해야 한다. 또한 측정결과 보고(공고)를 주민 입주 7일 전부터 60일간 공동주택 관리사무소 입구 게시판, 각 공동주택 출입문 게시판, 시공자의 인터넷 홈페이지에 공고하여야 한다. 2024년 3월 15일 이후에는 공동주택 공기질 측정과정에 입주예정자가 입회함으로써 측정결과에 대한 분쟁을 방지하고 있다. 이는 시공사의 오염물질 저방출자재 사용을 독려할 뿐 아니라 입주자에게는 공기질에 대한 정보를 공유함으로써 거주자의 건강증진에 기여하고 있다는 것을 알 수 있다.

Table 1.

Recommended standards for indoor air quality in newly built apartment buildings: indoor air quality management act enforcement rules

벽체(기둥 및 칸막이벽 포함), 천장, 바닥에 사용하는 최종마감재, 접착제, 내장재등에 대해서 TVOC, 포름알데히드를 평가한다.

Table 2.

Health-friendly housing construction standards

G-SEED, LEED, BREEAM, WELL 등 국내외의 친환경인증제도에서는 환기에 대한 평가를 진행하고 있으며, 그 중 자연환기성능에 대한 평가는 G-SEED와 WELL인증에서 자연환기창의 개구부 면적을 통하여 환기성능을 평가하고 있다. Table 3.과 같이 G-SEED에서는 바닥면적 대비 자연환기창의 설치비율을 8% 이상을 기준으로 하고 있으며 WELL에서는 4% 이상을 기준으로 하고 있다.

Table 3.

Natural ventilation window installation ratio for domestic and international eco-friendly building certification for residential building

측정은 앞서 제시하였던 녹색건축인증 분석 결과에서 실내재료마감으로 가장 많이 적용하였던 바닥-강마루, 벽체-석고보드 및 벽지, 천정-석고보드 및 천정지를 적용한 수도권 건축물 3곳을 대상으로 진행하였다. Table 8.과 같이 모두 천정고가 2.3m로 동일하였으며 마감재 시공에 따른 TVOC 농도 특성 분석을 위해 가구재가 없는 미서기창이 설치된 침실에서 측정을 진행하였다.

Table 8.

TVOC measurement progress building construction information

본 연구의 TVOC 농도 측정 방법은 2가지 Case로 진행하였으며 Case 1의 경우 TVOC 방출량 특성을 분석하기 위해 동절기 및 하절기에 20시간 장시간 밀폐와 6시간 자연환기에 따른 TVOC 농도 측정을 진행하였다[2].

Table 9.

Indoor air quality measurement points of B1, B2, and B3

Case 2의 경우 각 세대 내 침실에서 창문을 개방하고 30분 사전환기 후 5시간 밀폐하여 방출량을 측정하였으며, 이후 30분 환기하여 감소량을 측정하였다.

측정 위치 선정은 국내 실내공기오염물질 측정 기준을 참고하여 침실의 벽 또는 창문으로부터 1m를 이격하고, 바닥면으로부터 1.2~1.5m 높이를 기본 측정점으로 하였다(SPS-C KACA0038). 주거용 건축물의 실시간 TVOC 농도 변화량 측정을 위해 Table 10.과 같이 CMOSens® 플랫폼과 금속 산화물 기반 센서 기술을 결합한 Sensirion의 SEK-SVM4x을 활용하였다. 실내 온도·습도 변화와 외부 기류 영향 분석을 위해 Testo 405i 장비를 활용하였으며 측정결과의 오차를 개선하기 위해 SKT-9300(TVOC)로 추가 측정을 진행하였다.

Table 10.

TVOC concentration simple measurement equipment and sensor

본 연구는 주거용 건축물에 대한 녹색건축인증 기준의 타당성 확보를 위한 간이측정 실험으로 냉난방이 가동되지 않는 입주 전 건축물을 대상으로 하며 방출량 특성분석을 위한 동절기와 하절기의 실험조건은 Table 11.과 같다.

Table 11.

Experimental conditions for emission characteristic analysis

Fig. 5.에서 동절기의 20시간동안 방출량 분석에서 기상청 상세 관측자료의 외기온도를 활용한 실내온도 및 외기온도를 분석할 결과 실내의 평균온도는 5.74℃였으며, 외기의 평균온도는 14.67℃였음을 알 수 있으며, 하절기의 20시간동안 방출량 분석에서 실내온도 및 외기온도를 분석할 결과 실내의 평균온도는 27.22℃였으며, 외기의 평균온도는 33.15℃였음을 알 수 있어, 냉난방을 가동하지 않는 준공 전 건축물의 동절기 실내외 온도차가 하절기 실내외 온도차보다 크다는 것을 알 수 있다[17].

Fig. 5.

Measurement data of outdoor/indoor temperature in winter and summer season

Fig. 6.은 측정 전 창문을 열어 30분 환기를 진행한 다음 20시간 동안 장시간 창과 문을 닫고 2월 28일에 측정한 TVOC 결과이다. 이때의 온도분포는 14~15°로 일정하였으며, 습도는 40~48%를 유지하였다. TVOC 농도 변화의 경우 16시 25분부터 16시 45분까지 약 20분간 농도가 0.1ppm 구간에서 정체하였으며 농도가 16시 45분부터 증가하여 21시 25분까지 평균 0.0027ppm/min으로 상승하였다. 농도 증가 이후, 21시 25분부터 12시 30분까지 -0.0008ppm/min으로 감소하였다. 감소 이후에는 농도가 0.1~0.2 ppm 사이로 유지되는 특성이 나타났다.

Fig. 6.

Indoor air quality measurement results on February 28th

TVOC농도 방출량 특성 분석에서 온도 및 습도의 영향을 고려하여 동절기와 하절기의 특성비교를 위해 추가로 9월 3일~4일 20시간동안 방출량 특성을 분석하였다. Fig. 7.의 온도분포는 30~33°로 일정하였으며, 습도는 47~64%를 유지하였다. TVOC 농도 변화의 경우 13시 30분부터 16시 20분까지 약 50분간 농도가 0.1ppm 구간에서 정체하였으며 농도가 16시 20분부터 증가하여 20시 30분까지 평균 0.0042ppm/min으로 상승하였다. 농도 증가 이후, 20시 30분부터 11시 30분까지 -0.0011ppm/min으로 감소하였다. 이는 동절기(2월 28일 측정)의 4시간30분의 농도 증가 후 점차 감소되는 특성과 달리 하절기(9월 3일 측정)에는 약 4시간의 농도 증가 후 감소되는 특성을 보여 동절기보다 온도가 높은 하절기에 TVOC방출량이 좀 더 빠르게 나타남을 알 수 있으나, 방출량 특성곡선은 거의 비슷함을 알 수 있다.

Fig. 7.

Indoor air quality measurement results on September 4th

이처럼 ‘Huangfu 2020’와 ‘Xu et al 2022’에서 제시한 실험 결과 그래프와 같이 장시간 창과 문을 닫고 TVOC 농도를 분석한 결과, 2월 28일에는 약 4시간 30분 정도, 9월 3일에는 약 4시간 농도 증가 후 농도가 점차 감소하는 특성을 확인하였다[2, 15].

동절기 TVOC농도의 경우 2월 28일 12시 30분부터 2월 29일 16시 00분까지 0.1~0.2 ppm 사이로 유지되었으며 창문을 열어 환기를 진행한 16시부터 농도가 급격히 줄어 16시 32분에는 0.023ppm으로 감소하였다가 이후 0.05ppm이하로 유지되는 특성이 분석되었다(Fig. 8.). 하절기 TVOC농도의 경우 9월 4일 11시 30분부터 15시 20분까지 0.2 ppm 이하로 유지되었으며 창문을 열어 환기를 진행한 15시 30분부터 농도가 급격히 줄어 16시에는 0.056ppm으로 감소하였다가 이후 0.02ppm이하로 유지되는 특성이 분석되었다(Fig. 9.).

Fig. 8.

Indoor air quality measurement results on February 29th

Fig. 9.

Indoor air quality measurement results on September 4~5th

동절기 및 하절기의 장시간 창문을 통해 자연환기에 따른 TVOC 농도를 분석한 결과, 자연환기를 진행한지 약 30분만에 0.06ppm이하로 유지됨을 확인하였다.

동절기의 Fig. 6.와 Fig. 8.의 데이터 분석 결과, Fig. 6.의 최대 농도는 21시 05분의 0.90ppm이였으며 최소농도는 12시 25분의 0.17ppm으로 분당 -0.0008ppm/min으로 감소하였다. Fig. 8.의 경우 16시 10분에 최대 농도인 0.091ppm으로 측정되었으며 16시 32분에 최소농도인 0.023ppm으로 분당 -0.0031ppm/min으로 농도가 감소하였다.

하절기의 Fig. 7.와 Fig. 9.의 데이터 분석 결과, Fig. 7.의 최대 농도는 20시 30분의 1.15ppm이였으며 최소농도는 11시 30분의 0.16ppm으로 분당 -0.0011ppm/min으로 감소하였다. Fig. 9.의 경우 15시 30분에 최대 농도인 0.19ppm으로 측정되었으며 16시 40분에 최소농도인 0.02ppm으로 분당 -0.0024ppm/min으로 농도가 감소하였다.

이렇게 창문개패를 통한 농도감소율이 침기에 의한 자연감소보다 동절기에 약 4.3배 하절기에 약 2.2배 높음을 확인하였다. 실내공기질 실험을 바탕으로 본 연구는 창과 문을 닫은 경우 약 4시간에서 4시간 30분 정도 TVOC 농도가 급격히 증가하는 경향을 확인하였으며 창문을 통한 자연환기 진행 시 약 30분 만에 TVOC 농도가 급격히 감소함을 확인하였다.

이를 바탕으로 본 연구는 TVOC 농도가 급격히 상승한 경우 창문을 통한 자연환기가 TVOC 농도 감소에 효과가 있는지 여부 파악을 위한 창문 스케줄 반영 실내공기질 실험을 추가적으로 진행하였다.

본 연구의 창문 스케줄을 반영한 TVOC 농도 측정의 경우 앞서 진행한 실험 결과의 TVOC 농도 증가 경향과 자연환기에 따른 TVOC농도 감소 효과를 반영하여 Fig. 10.과 같이 진행하였다.

Fig. 10.

Measurement of indoor air quality in residential building B1, B2, B3 - window opening/closing schedule

Table 9.에 제시된 B1, B2, B3 주거시설의 TVOC 농도 측정을 Fig. 10.의 창문 스케줄을 적용하여 측정한 결과는 Fig. 11.과 같이 분석되었다.

Fig. 11.

TVOC concentration measurement results in residential facilities B1, B2, B3

B1 주거시설의 경우 실내온도 13.1°습도 58%로 Fig. 11.과 같이 창과 문을 닫고 5시간 30분 동안 TVOC 농도를 분석한 결과, 0.60ppm까지 농도가 증가하였으며 창문을 열고 자연환기를 30분 진행한 결과, 0.01ppm이하로 유지됨을 확인하였다. B2 주거시설의 경우 실내온도 18°습도 45%로 Fig. 11.과 같이 16시 55분에 최고 농도 0.69ppm까지 증가하였으며 창문을 통한 자연환기를 시작하기 전까지 0.69~0.68ppm을 유지하였으며, 이후 창문을 열고 자연환기를 30분 진행한 결과, 0.022ppm이하로 유지됨을 확인하였다. B3 주거시설의 경우 실내온도 15°습도 59%로 B1와 B2 주거용 건축물의 농도보다 약 0.2ppm 정도 낮게 측정되었다. Fig. 11.과 같이 14시 45분에 최고 농도 0.40ppm까지 증가하였으며 창문을 통한 자연환기를 시작하기 전까지 0.40~0.30ppm을 유지하였다. 이후 창문을 열고 자연환기를 30분 진행한 결과, 0.010ppm이하로 유지됨을 확인하였다.

본 실험 결과를 바탕으로 TVOC 농도의 경우 농도가 높은 경우에도 30분간의 단기간 환기에서도 농도 감소 효과가 나타남을 확인하였다. 따라서 본연구에서는 단기간 환기에서도 큰 효과를 보였던 창문을 통한 자연환기 진행 시 바닥면적 대비 적정 크기의 창호 선정을 위해 추가로 시뮬레이션 분석을 진행하였다.

실측에 따른 TVOC 시뮬레이션 분석 과정은 CONTAM 입력조건에 대해 입력조건과 실험 결과 분석으로 진행하였으며 이를 통해 분석된 시뮬레이션 결과를 실측데이터와 비교 검증분석을 진행하였다. 또한, TVOC 농도변화에 영향을 주는 풍속, 침기에 대한 고려를 위해 CONTAM의 Airflow Element model은 2개를 적용하였으며 Table 12.의 입력조건을 활용하여 Two Opening 모델을 적용하였다. 또한, 침기로 인한 농도변화 반영을 위해 ‘ASHRAE Fundamental’과 ‘Blower Door Test를 이용한 공동주택의 기밀성능에 관한 연구’(임연영 2023)에서 제시한 EqLA 데이터를 적용하였다. 외부 풍속의 경우 Fig. 12.와 같이 TESTO 405i 측정데이터를 활용하였다[1, 11].

Table 12.

TVOC concentration simple measurement equipment and sensor

Fig. 12.

Wind speed measurement data when windows are open in residential building B1

시뮬레이션 결과의 신뢰성과 적정성을 판단하기 위해 본 연구에서는 실측데이터와 시뮬레이션 결과에 대해 비교 검증분석을 진행하였다[8].

따라서 실측과 비교하여 Table 13.과 같이 낮은 RMSE와 MAPE 결과가 나타난 B1, B2, B3 시뮬레이션 모델을 활용하여 창문 개구부 크기변화에 따른 예측분석과 적정 개구부 크기 제시 분석을 진행하였다.

Table 13.

RMSE and MAPE analysis results based on comparison of actual measurements and simulations of B1, B2, B3 residential buildings

자연환기성능 평가 기준상 측정을 진행한 B1, B2, B3 주거용 건축물의 환기창 비율은 Table 14.의 Actual 데이터와 같으며 가장 환기창의 비율이 크게 시공된 현장은 C주거용 건축물이었다. 녹색건축인증에서 제시한 환기창 비율 등급을 확인하면 B1의 경우 4급에 해당하며 B2는 3급, B3는 1급에 해당하는 것으로 확인되었다. 따라서 본 연구에서는 Table 14.의 1~10% 환기창 비율에 따른 B1, B2, B3 각각의 창문 크기를 적용하여 건축물별 개구부 크기변화에 따른 11개의 시뮬레이션 TVOC 농도 예측을 진행하였다.

Table 14.

Ratio of windows to actual floor area of residential buildings B1, B2, B3 and window size according to 1~10%

CONTAM을 통해 B1, B2, B3 주거용건축물 각각의 11개 비율의 창문을 적용하여 예측분석을 진행한 결과, B1 주거용건축물의 경우 바닥면적 대비 5% 이하에서의 환기창 비율 적용시 0.078ppm으로, Table 5.에서 제시한 TVOC 농도 기준의 IAQ level 1(0~0.065ppm)을 벗어났다. 하지만 자연환기창의 면적을 늘려 6% 비율의 환기창 적용 시 0.059ppm으로 IAQ level 1에 부합함을 알 수 있었다.

B2 주거용 건축물의 경우 바닥면적 대비 3% 이하의 환기창 비율을 적용하였을 때 0.084ppm으로, IAQ level 1을 벗어났으며 바닥면적 대비 자연환기창의 면적 비율이 4% 시 0.053ppm으로 IAQ level 1에 부합함을 알 수 있었다.

마지막으로 실측 농도가 가장 낮게 측정되었던 B3 주거용 건축물의 경우 바닥면적 대비 4% 이하의 환기창 비율 적용 시 0.072ppm으로 IAQ level 1을 벗어났으며, 바닥면적 대비 자연환기창의 면적 비율이 5%의 환기창 적용 시 0.055ppm으로 IAQ level 1에 부합함을 알 수 있었다.

따라서 바닥면적 대비 환기창 비율을 분석하여 시뮬레이션 분석을 진행한 결과, 0.065ppm이하의 농도분포를 가지기 위해서는 바닥면적 대비 최소 6% 이상의 환기창을 적용하였을 때 30분의 단기간 자연환기만으로도 TVOC 농도 기준에서 제시한 IAQ level 1까지 환기가 가능함을 확인하였다.

본 연구는 TVOC 시뮬레이션 예측분석 결과를 바탕으로 녹색건축인증 항목 중 자연환기성능확보(7.2항목)의 자연환기창 비율 변경 안을 제시하려고 한다. 자연환기성능확보(7.2항목)의 경우 2016년부터 적용된 공동주택 확장면적 대비 환기창 비율 적용으로 8% 적용이 어려운 실정이었다. 따라서 녹색건축인증에서 주거용 건축물의 자연 환기창 비율에 대한 적정 크기 안을 TVOC 농도 분석결과를 반영하여 제시하였다.

자연 환기창은 앞서 시뮬레이션 분석 결과와 같이 바닥면적 대비 최소 6% 이상의 환기창을 적용하였을 경우 TVOC 농도가 30분의 단기간 자연환기만으로도 감소 효과가 나타남을 확인하였다.

따라서 TVOC 농도 개선 효과 분석을 바탕으로 자연환기창 비율을 조정한다면 Table 15.와 같이 설치 기준안을 고려할 수 있으며, 자연환기창의 바닥면적 대비 설치비율을 최소 8%에서 최소 6%로 변경하는 안을 제시한다.

Table 15.

Proposal of standards for installing natural ventilation windows in residential buildings that reflect TVOC concentration analysis results