멀티존 모델을 활용한 건물에서의 외부 미세먼지 유입 및 이동 평가

Abstract

외부 미세먼지 농도가 증가함에 따라 미세먼지는 한국뿐만 아니라 중국, 인도, 대만 등 동아시아 국가에서 주요한 사회문제로 급부상하였다. 대기 중 미세먼지 오염도가 심각한 지역에서의 실내 공기질은 외부 미세먼지 영향이 크게 작용할 수 있으며, 이는 재실자의 건강위해도와 관련된다. 특히 단독주택이 우세한 서양과 달리 국내 건물 형태는 다양한 존과 층으로 이루어졌기 때문에 복잡한 공기 유동 특성이 발생하며, 이를 고려한 외부 미세먼지의 실내 유입 평가가 요구된다.

따라서 본 연구에서는 건물에서의 미세먼지 유입 및 이동 평가를 목적으로 멀티존 모델을 활용하여 건물 내 위치에 따른 외부 미세먼지의 실내 기여도 분석을 실시하였다. 이를 활용하여 초기 건축설계단계에서 외부 미세먼지 유입으로 인한 실내 공기질 문제 발생 여부를 검토할 수 있다. 또한 건물에서의 위치별 미세먼지 침입률을 추정하여 외부 미세먼지의 실내 기여도에 대한 유용한 자료를 제공할 수 있다.

이를 달성하기 위하여 미세먼지 유입에 관한 이론적 원리를 고찰하고 외부 미세먼지가 실내 공기질에 미치는 영향을 파악하였다. 또한 국내·외 기존 연구문헌을 조사하여 외부 미세먼지의 실내 영향 평가방법을 분석하였다. 시뮬레이션 프로그램을 활용한 멀티존 모델의 구현을 통해 외부 미세먼지의 실내 유입 및 이동 특성을 규명하고 미세먼지 유입에 영향을 미치는 주요 인자를 도출하였다. 다음으로 실시간 측정 데이터를 활용하여 앞서 규명한 미세먼지 유입 특성에 대한 검증을 실시하였다. 마지막으로 멀티존 모델 및 측정 데이터를 통한 외부 미세먼지 유입 및 이동 특성 파악 결과를 바탕으로 실내 위치에 따른 외부 미세먼지 유입 및 이동을 평가하였다.

본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 미세먼지 유입 특성 분석 결과, 각 계절별 대기 중 미세먼지의 유·출입은 기류 패턴과 유사하게 나타났다. 특히 대기 중 미세먼지 오염도가 높은 겨울에는 연돌효과에 의해 기류가 저층부로 유입되어 상층부로 확산되는 현상이 발생한다. 또한 대기 중 미세먼지가 유입되는 양에 비해 유출되는 양이 적게 나타나는데, 이는 미세먼지가 건물 내를 이동하면서 중간에 소실되는 양이 발생하기 때문인 것으로 추정된다.

2) 입경별 미세먼지의 실내 영향도 비교 결과, 조대입자(Coarse particles)에 비해 미세입자(Fine particles)가 더 큰 비율로 유입되는 것으로 나타났다. 또한 건물 내 수직 위치에 따른 미세먼지 침입률 비교 결과, 중성대를 기준으로 저층부와 고층부의 외부 미세먼지 침입률 특성이 구분된다.

3) 건물 내 수직 위치에 따른 미세먼지 침입률 비교 결과, 중성대를 기준으로 저층부와 고층부의 외부 미세먼지 침입률 특성이 구분된다. 여름철은 미세먼지 입경이 작을수록 저층부보다 고층부에서 높은 값을 나타내며, 겨울철은 이와 상반된 현상이 나타난다. 이는 외부 미세먼지의 실내 유입이 기류 패턴과 유사한 특성을 가지기 때문인 것으로 추정된다.

4) 건물 내 수평 위치에 따른 미세먼지 유입 비교 결과, 다른 공간에 비해 외주부에서 외부 미세먼지 침입률이 높은 것으로 나타났다. 자연 환기 및 기계 환기가 배제된 건물에서의 공기 교환율은 내주부로 갈수록 감소하며, 실제로 다중의 실을 통과하기 때문에 필터를 거치는 것과 유사한 효과를 나타낼 수 있음을 의미한다. 또한 외기가 유입된다고 해서 모든 입자가 동일하게 유입되는 것은 아니다. 미세먼지의 유입량은 그 입경에 따라 차이가 있으며, 이는 미세먼지의 침입계수와 침착률에 의해 발생한다.