KIEAE Journal

에너지 문제가 심각해지면서 건축물의 고기밀, 고단열화가 일반적인 현상이 되었고, 이는 환기가 어려워 실내 공기질이 악화되기 쉽다는 문제점이 있다. 이러한 상황에서 정부에서는 쾌적한 실내 공기질의 유지를 위하여 자연환기를 비롯하여 기계 환기 설비의 설치를 법적으로 의무화하기에 이르게 되었다. 최근 가정어린이집, 쇼핑몰, 오피스텔 사무실 등 사회세태의 변화로 주거용 건물형태를 띈 업무시설이나 다중이용시설이 생겨나기도 하여, 환기 문제는 업무용 빌딩뿐만 아니라 다양한 건물에서 중요한 이슈로 등장하게 되었다.

주거용 건물에서 환기에 대한 노력은 다방면에서 이루어지고 있으나, 주거용이 아닌 다른 용도로 사용되고 있는 주거용 건물에서는 실내 환기에 대한 규정이나 인식이 모호하고, 이에 대한 연구가 부족하다. 따라서 본 연구에서는 바닥난방 시 환기의 유무가 실내 공기질(CO₂)에 미치는 영향과 이때 PMV(예상 평균 온열감) 조사를 함께 실시하여 환기가 실내 쾌적에 어떤 영향을 주는지 연구하고자 한다. 이러한 실험연구를 통하여 주거용 건물의 형태를 이용한 다양한 형태의 환경조건에서 건강한 실내 공기환경을 유지할 수 있도록 환기에 대한 기초적 데이터 마련에 그 목적이 있다.

일반적으로 실내 공기질을 판단하기 위해서는 각종 오염물질의 농도를 측정하여 기준값을 초과할 때 오염공기로 판단한다. 그러나 우리가 공기의 쾌적감을 판단하기 위해서는 오염농도 수치도 중요하지만 실제 재실자가 느끼는 온열감 또한 큰 영향을 준다. 이는 난방이 되고 환기가 적은 경우에 더욱 그러하며, 이에 대한 객관적 자료 수집이 필요하다. 따라서 바닥난방이 이루어지는 실내에서 환기가 실내공기에 미치는 정도에 따라 인체의 반응을 살핌으로서 상관관계를 파악하는 기초적 실험자료가 될 수 있으리라 판단된다. 이러한 목적달성의 위하여 Fig. 1과 같은 순서로 연구가 진행되었다.

Fig. 1 
Flow chart of this study

다만, 본 연구의 실내공기환경에 대한 실험 범위로는 실내 공기질의 객관적 기준인 CO₂ 농도만을 대상으로 하였고, 이외 다른 오염척도를 위한 물질에 대하여는 제외하였다. 본 연구에서 측정을 시행한 실험실 챔버의 경우 실내에서 발생하는 별다른 유기화합물이나 분진 혹은 그 밖에 다양한 오염물질이 발생되지 않는 방으로 D대학교 공조연구실내에 설치된 환경 챔버라는 제한된 공간에서 실험이 이루어졌기 때문이다. 그리고 난방방식에서도 다른 난방방식이나 침기 혹은 자연환기에 대하여는 고려하지 않았다.

실내공기질이란 “실내 공간 거주자의 건강과 평안에 영향을 주는 공기의 질”이라고 정의할 수 있다. 이때 건강이란 WHO의 정의에 따르면 “단순히 질병이 없는 상태가 아닌 육체적, 정신적 및 사회적인 평안함”을 의미한다. 현대인들은 하루 중 80% 이상을 건물 내에서 생활하고 있음을 고려할 때, 쾌적하고 건강한 실내공기질의 확보는 매우 중요하다고 볼 수 있다.¹⁾ 반면, 에너지 절약을 위한 설계 및 시공에 따른 건물의 기밀화와 단열 강화 따른 환기부족 등으로 실내공기 관리 여건이 점점 더 악화되고 있다.

실내 공기의 오염은 외부 공기가 실내로 유입된 결과에 의한 것이거나, 건축자재, 건물의 관리 또는 실내에서의 인간의 활동에 의하여 발생한다. 실내 공기 오염 물질에는 분진(TSP), 흡연, 중금속, 이산화질소(NO₂), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO₂), 라돈(Radon), 포름알데히드(Formaldehyde), 석면(Asbestos), 미생물(Microorganism), 휘발성유기화합물(VOCs), 악취(Odor) 등이 있으며, 외부 공기의 상태, 환기율, 오염원(Source)의 종류 및 차지하는 면적, 실내에서의 미세기후(Microclimate)등의 제 요인이 작용할 수 있다.

이산화탄소(CO₂)는 무색, 무미, 무취의 기체로 일반적으로 대기 중에 0.04% 정도 포함하고 있다. 탄소를 함유하는 물질의 연소, 생물의 호흡, 화산의 분화 등에 의해 소비되기 때문에 거의 일정량을 유지하고 있다. 사람의 호흡에 의해 주로 배출되고 연료의 연소 시 발생되는 물질로서 실내 환기조건을 CO₂를 기준으로 우리나라와 일본의 경우 1000PPM을 기준으로 하고 있다.²⁾(Table 1)

CO₂는 실내공간에서 농도가 증가하면 호흡에 필요한 산소의 양이 부족하게 되어 일산화탄소와 함께 중요한 실내오염물질 중의 하나로 취급되며 실내 공기질의 오염 척도로 이용된다.(Table 2)

최근 실내에서 발생하는 각종 오염에 대한 인체의 영향이 과학적으로 점차 규명되면서 거주환경의 실내공기질에 대한 규정 또는 규제가 선진국을 중심으로 지속적으로 진행되고 있다.(Table 3)

2006년 발표한 환경부의 “다중이용시설 등 실내공기질 관리법”에서 실내공기를 10가지 오염물질(미세먼지(PM10), CO₂, CO, NO₂, O₃, 포름알데하이드 (HCHO), 총부유세균, Radon(Rn), 휘발성유기화합물(VOCs), 석면)의 농도가 기준값 이하인 공기를 오염공기로 지칭하였다. 그러나 실제 우리가 느끼는 공기는 오히려 이런 오염물질의 농도가 아닌 열적 쾌적성(thermal comfort)에 크게 영향을 받는다. 따라서 우수한 실내공기의 유지를 위해서는 오염물질 뿐 아니라 열적 쾌적성에 관하여도 반드시 고려해야 한다. 열적 쾌적성은 실내온도, 습도, 기류속도, 복사온도의 외부환경과 우리가 입고 있는 의복과 신진대사에 따른 인체 발열량 사이에 적절한 평형이 이루었을 때 느끼는 쾌적한 상태를 말한다. 이러한 열적쾌적성을 학문적으로 연구한 Fanger(1982)는 이를 수치화하여 이것을 PMV라고 하였다. PMV = 예상평균온열감, 예상온열감반응, 예측평균투표, 평균예열온열수치, 온열지표 즉 -3(매우 춥다)에서 +3(매우 덥다)까지로 사람들의 온열냉감을 분류하는 것이다.

본 실험은 부산 D대학교 연구실 내에 설치된 환경 챔버에서 2013년 3월25일∼4월5일까지 실험하였고, 12시∼20시까지 8시간 동안 이루어졌다. 바닥 난방을 각각 20℃, 30℃로 설정하고 환기를 0회실시, 0.7회 실시하여 각 실험 시 1시간마다 서모스탯을 이용한 인체 4곳(이마, 손등, 복부, 정강이)의 온도와 CO₂ 농도, 온도 및 습도를 측정하였다. 측정기기의 사양은 Table 5와 같으며, Fig.3은 측정기구 설치 사진이다.

Fig. 2 
Experimental flow chart

Fig. 3 
Equipment Installation

바닥 난방의 설정온도가 20℃이고 입실인원이 1명일 때 환기를 하지 않은 경우는 22.2℃에서 시작하여 입실 한 시간가량 지났을 때 온도가 23.5℃로 상승하는 온도 변화 폭을 보이다가 실험시작 후 8시간이 지난 뒤 다시 처음시작 온도가 되었다. 이때 습도는 지속적으로 증가(24%→41%)하였다. 그러나 환기를 시행하였을 때에는 온도가 21.5±2℃로 별다른 특이한 징후 없이 지속적인 온도를 나타냈다. 습도도 역시 28+1%으로 큰 변화 없이 지속적으로 유지되었다. 같은 조건에서 바닥 난방의 설정온도가 30℃이고 환기를 하지 않은 경우 24.5℃에서 점차적으로 온도가 증가하는 추세를 나타냈고 실험 8시간 후 25.7℃까지 상승하였다. 습도 역시 점차적으로 증가하는 양상을 나타냈고 그 변화 폭이 실험 시작 때에는 27%에서 종료 때 40%를 나타내어 크게 변화하는 것을 알 수 있다. 환기를 실시하였을 때는 실험 1시간 경과 후 21.9℃에서 23.7℃로 온도가 상승하였으나. 이후 24±0.3℃로 일정하게 유지되었다. 습도역시 30.5±0.2%에서 일정하게 유지되었다.

바닥 난방의 설정온도가 20℃이고 입실인원이 2명일 때 환기를 하지 않은 경우 온도는 입실인원이 1명인 경우와 크게 다르지 않았으며, 습도는 역시 상승하는 모습을 나타냈지만 다소 높은 습도를 보였다. 환기를 시행 하였을 때는 입실인원이 1명인 경우와 온습도 모두 비슷한 양상을 나타냈다. 같은 조건에서 바닥 난방의 설정온도가 30℃일 때는 입실인원이 1인 일 때와 온습도의 변화폭이 큰 차이가 없었다. 아래의 Fig.4는 이러한 온습도 변화를 보여주는 그래프다.

Fig. 4 
Temperature and humidity changes

환기가 이루어지지 않은 상태에서 입실 인원이 1명일 때 바닥온도에 따른 CO₂ 농도는 20℃, 30℃ 두 가지 경우 모두 점점 농도가 급격히 증가하다가 20℃는 18시 이후 약 1500ppm이 된 이후부터는 그 변화 폭이 크게 줄어들었다. 동일조건에 환기량을 0.7회 하였을 때 20°C와 30°C 모두 20시에 최고치를 나타냈으며, 그 값은 975ppm 과 985ppm 으로 나왔고 환기를 하지 않았을 때의 최고값(각각 1576ppm, 1586ppm) 과는 약 600ppm 의 차이가 났다. 환기 0.7회도 마찬가지로 바닥온도에 따른 CO₂ 농도 차이는 크게 나타나지 않았다. 그러나 환기를 하지 않은 경우는 실험실시후 2시간이 되지 않아 바닥온도 20℃, 30℃ 모두 기준 농도(1000ppm)을 넘어선 반면 환기가 이루어진 경우 CO₂ 농도가 증가하기는 하지만 실험을 실시하는 8시간 동안은 기준농도를 넘어서지 않았다. 입실인원이 2인이고 환기를 하지 않았을 때에는 바닥난방 설정온도가 20℃,30℃ 모두 20시에 최고치를 나타냈으며 입실 인원이 1인인경우와 마찬가지로 지속적으로 농도가 상승하였다. 같은 조건에서 환기를 실시한 경우 그 농도차이가 크게 나지 않았다. 그러나 환기를 하지 않은 경우 실험실시 후 불과 한시간만에 기준농도를 넘었지만, 환기를 실시한 경우 실험을 실시하는 8시간 기준농도를 넘지 않는 것으로 나타났다.

Fig. 5 
Concentrations of carbon dioxide

1인 입실시 바닥온도가 20℃이고 환기가 이루어지지 않았을 때 복부를 제외한 나머지 측정부위에서 17시에 일시적으로 온도가 떨어졌다가 다시 상승을 하였다. 바닥온도가 30℃일 때에는 20℃인 경우보다 체온이 조금 높았으며, 환기가 이루어지지 않았을 때 바닥온도가 20℃, 30℃ 모두 측정부위의 체온의 순서가 이마, 복부, 손등, 정강이의 순서로 나타났다. 환기가 0.7회 이루어졌을 때는 복부를 제외한 측정부위의 체온이 일정하게 증가하다가 17시부터는 큰 변동을 보이지 않았다. 정강이의 체온은 바닥온도 20℃일 때 보다 오히려 낮게 나타났다. 손등의 체온은 20℃일 때와 비슷한 체온을 나타냈으며, 모두 이마, 복부, 정강이, 손등의 순으로 나타났다.

2인 입실시 바닥온도가 20℃이고 환기를 하지 않았을 때보다 환기를 하였을 때 손등을 제외하고 체온이 다소 높게 나타났다. 환기를 하지 않았을 때에는 이마, 복부, 손등, 정강이의 순이었으나 환기를 하였을 때에는 이마, 복부, 정강이, 손등의 순으로 손등과 정강이의 온도순서가 바뀌었다. 같은 조건에서 30℃일 때 환기를 하지 않은 경우 복부, 이마, 손등, 정강이의 순으로 복부가 가장 높은 온도를 나타냈고, 환기를 실시한 후 정강이와 손등의 순서가 바뀌어 복부, 이마, 정강이, 손등의 순으로 바뀌었다. 1인 입실 시에도 환기를 실시하였을 때 정강이와 손등의 온도 순서가 바뀐 것으로 보아 의복 밖으로 노출된 부위이기 때문에 환기에 영향을 직접적으로 받은 것으로 판단된다. Table 7은 각 조건별 체온의 순서를 정리한 것이다.

Fig. 6 
Temperature and humidity changes

실내상태를 이산화탄소 농도 500ppm 으로 만든 다음 1시간 뒤 실험자가 앉은 자세를 취했을 때 의 평가로써 20°C일 때는 환기를 하지 않은 경우 대체적으로 바닥에 직접 닿은 하체부분보다 실내공기와 닿는 상체부분이 쾌적감이 적었으며, 환기를 0.7회 했을 시 상체와 하체가 전체적으로 쾌적감이 올라갔다. 온열감은 이와 반대로 환기를 하지 않은 경우보다 0.7회 했을 때 온열감이 낮아 졌으며, 바닥온도가 30°C일 때는 20°C 보다 조금 더 나은 온열감을 느꼈지만 쾌적감은 더 떨어졌다. 30℃이고 환기를 하지 않은 경우 다소 덥다는 의견도 있었다. 이처럼 쾌적감은 환기유무에 따라 확연한 차이를 보였으며, 환기로 인해 쾌적감이 달라지는 것을 확인할 수 있다. Table 8~12은 실시한 PMV에 대한 적용 기준척도이다.