전 세계적으로 라돈에 대한 관심이 증대되면서 실내 라돈 농도를 저감하기 위한 노력이 여러 분야에서 진행 중이다. 실내 라돈의 저감 기술 개발을 위해서는 라돈의 실내 유입 및 방출 차단에 대한 예측 및 평가방법에 대한 기술 개발이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 건축자재에서 방출되는 라돈의 실내 확산을 전산모델링 하여 해석적 방법과 비교하였으며, CFD 해석을 통하여 환기조건, 환기량, 건축자재 변화에 따른 건물 내 기류 특성과 라돈 농도를 평가하였다. 실내 라돈 농도는 실내 기류의 재순환 영역이 형성되는 곳에서 높게 분포하였으며, 환기량이 증가할수록 감소하였다. 건축자재별 실내 라돈 농도는 시멘트 벽돌이 가장 높았으며, 그 다음 에코카라트, 석고보드 순으로 나타났다. 본 연구의 결과는 실내 라돈 저감을 위한 건축재료의 선정과 실내 라돈 예측 및 평가 방법으로 적용이 가능할 것으로 판단된다.
전 세계적으로 라돈에 대한 관심이 증대되면서 실내 라돈 농도를 저감하기 위한 노력이 여러 분야에서 진행 중이다. 실내 라돈의 저감 기술 개발을 위해서는 라돈의 실내 유입 및 방출 차단에 대한 예측 및 평가방법에 대한 기술 개발이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 건축자재에서 방출되는 라돈의 실내 확산을 전산모델링 하여 해석적 방법과 비교하였으며, CFD 해석을 통하여 환기조건, 환기량, 건축자재 변화에 따른 건물 내 기류 특성과 라돈 농도를 평가하였다. 실내 라돈 농도는 실내 기류의 재순환 영역이 형성되는 곳에서 높게 분포하였으며, 환기량이 증가할수록 감소하였다. 건축자재별 실내 라돈 농도는 시멘트 벽돌이 가장 높았으며, 그 다음 에코카라트, 석고보드 순으로 나타났다. 본 연구의 결과는 실내 라돈 저감을 위한 건축재료의 선정과 실내 라돈 예측 및 평가 방법으로 적용이 가능할 것으로 판단된다.
Growing concerns about harmful influence of radon on human body, many efforts are being made to decrease indoor radon concentration in advanced countries. To develop an indoor radon reduction technology, it is necessary to develop a technology to predict and evaluate indoor inflow and emission of ra...
Growing concerns about harmful influence of radon on human body, many efforts are being made to decrease indoor radon concentration in advanced countries. To develop an indoor radon reduction technology, it is necessary to develop a technology to predict and evaluate indoor inflow and emission of radon. In line with that, the present study performed computational modelling of indoor dispersion of radon emitted from building materials. The computational model was validated by comparing computational results with analytical results. This study employed CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis to evaluate the radon concentration and the airflow characteristics. Air change rate and ventilation condition were changed and several building materials having different radon emission characteristics were considered. From the results, the indoor radon concentration was high at flow recirculation zones and inversely proportional to the air change rate. For the different building materials, the indoor radon concentration was found to be highest in cement bricks, followed by eco-carats and plaster boards in the order. The findings from this study will be used as a method for selecting building materials and predicting and evaluating the amount of indoor radon in order to reduce indoor radon.
Growing concerns about harmful influence of radon on human body, many efforts are being made to decrease indoor radon concentration in advanced countries. To develop an indoor radon reduction technology, it is necessary to develop a technology to predict and evaluate indoor inflow and emission of radon. In line with that, the present study performed computational modelling of indoor dispersion of radon emitted from building materials. The computational model was validated by comparing computational results with analytical results. This study employed CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis to evaluate the radon concentration and the airflow characteristics. Air change rate and ventilation condition were changed and several building materials having different radon emission characteristics were considered. From the results, the indoor radon concentration was high at flow recirculation zones and inversely proportional to the air change rate. For the different building materials, the indoor radon concentration was found to be highest in cement bricks, followed by eco-carats and plaster boards in the order. The findings from this study will be used as a method for selecting building materials and predicting and evaluating the amount of indoor radon in order to reduce indoor radon.
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문제 정의
현재 건설된 일반주택은 형태와 규모가 다양하여 모델링에 일반화된 주택 형태를 적용하기에는 많은 어려움이 따른다. 따라서 본 연구에서는 국민주택 규모의 상한면적으로 공공과 민간에 가장 많은 공급량을 보이고 있는 전용 면적 85 m2 규모의 일반주택을 대상으로 전산해석을 수행하였다.12) 해석 대상 주택 구조는 Fig.
본 연구에서는 건축자재에서 발생하는 라돈의 실내 확산에 대한 모델링 및 전산해석을 통하여 건축자재별 실내 라돈 방출 및 확산 특성과 환기 조건에 따른 실내 라돈 농도 분포에 대한 연구를 수행하였다. 라돈은 실내 재순환 영역이 형성되는 곳에서 높게 분포하였으며, 맞통풍(cross ventilation) 형태의 환기 조건에서 라돈 농도가 낮았다.
4% 감소한다. 본 연구에서는 실내 라돈 권고치를 초과하는 실내 환기량에서의 공간별 라돈 농도를 평가하기 위하여 Fig. 11과 같이 실내 환기량이 1인 조건에서 환기 조건과 건축자재에 따른 공간별 라돈 농도를 비교하였다. 그림에서 보는 바와 같이 공간별 라돈 농도는 모든 환기조건에서 실내 벽면이 시멘트 벽돌인 경우가 가장 높게 나타난다.
본 연구에서는 외부공기의 실내 유입 및 유출 방향에 따른 실내 기류 특성과 환기량, 건축자재에 따른 라돈 농도를 평가하기 위하여 Table 3과 같이 환기방식, 환기량, 건축자재를 변수로 설정하여 계산을 수행하였다. Case1 계산조건은 외부공기가 주택 전면 창에서 유입되어 후면 창으로 유출되는 조건이며, Case2 계산조건은 후면 창에서 유입되어 전면 창으로 유출되는 조건이다.
본 연구에서는 전산해석 결과의 검증을 위하여 실내 환기량 변화에 따른 건축자재별 실내 라돈 농도를 이론값과 비교하였다. 실내 라돈 농도의 경우 실측한 자료가 상당히 적고 또한 이를 적용할 수 있는 범위가 매우 제한적이어서 본 연구에서는 라돈 농도의 이론값과 비교하여 계산의 정확성을 평가하였다. 실내 라돈 농도에 대한 이론식14)은 식 (5)와 같으며, 식에서 E는 건축자재 라돈 방출량(Bq/m2·h), A는 라돈 방출 면적(m2 ), V는 실내 체적(m3), λRn는 라돈 붕괴 상 수(1/h)이며, λv는 실내 환기량(1/h)이다.
2와 같이 정렬 격자를 이용하여 계산 격자를 구성하였다. 전산해석의 정확도는 계산영역 격자수의 영향을 받기 때문에 본 연구에서는 계산을 수행하기 전 격자수에 의한 계산결과의 오차를 차단하기 위하여 격자 의존성 연구를 수행하였다. Fig.
가설 설정
본 연구에서는 실내 라돈 확산에 대한 유동해석을 위하여 정상상태 비압축성 층류 유동을 가정하였다. 계산영역 내의 정상상태 유동에 대한 지배 방정식은 식 (1)의 연속방정식과, 식 (2)의 운동량 방정식이 사용되었으며, 실내 라돈의 확산 해석을 위하여 물질 전달 방정식을 사용하였다.
실내 환기량(Air change rate per hour)은 식 (4)와 같이 정의되며, 식에서 Q는 실내로 유입되는 공기의 유량(m3/h), V는 주택의 체적(m3 )이다. 실내 환기량은 시간당 1~4회로 가정하여 계산을 수행하였다.
제안 방법
실내 라돈 농도를 변수로 하여 격자수를 증가하며 수치해의 격자 의존성 연구를 수행하였다. 격자 의존성 연구 결과, 실내 라돈 농도는 약 10만개 이상의 격자수에서 수렴하는 경향을 보이며, 본 연구에서는 실내 라돈 농도가 수렴하는 최소 격자수를 선택하여 계산을 수행하였다.
계산영역에 대한 경계조건은 Table 4와 같으며, 주택 입구는 일정속도 조건, 출구는 일정 압력조건으로 경계조건을 설정하였다. 그리고 실내 벽면은 no-slip 조건으로 설정하여 계산을 수행하였으며, 실내 온도차에 의한 부력의 효과는 고려하지 않았다.
라돈은 실내 벽면에서 일정한 방출량으로 방출된다는 조건으로 해석을 수행하였으며 화장실 벽면은 타일, 나머지 벽면은 석고보드, 에코카라트, 시멘트 벽돌로 설정하여 계산을 수행하였다. 계산영역에 대한 경계조건은 Table 4와 같으며, 주택 입구는 일정속도 조건, 출구는 일정 압력조건으로 경계조건을 설정하였다.
따라서 실내 라돈의 저감 기술 개발을 위해서는 라돈의 자연 오염원과 인위적 오염원에 의한 실내 유입 및 방출 차단에 대해 예측 및 평가 방법에 대한 기술 개발이 필요하다. 본 연구에서는 라돈의 인위적 오염원인 건축자재로부터 방출되는 라돈의 실내 확산을 전산모델링 하여 해석적 방법과 비교하였으며, CFD 해석을 통하여 실내 환기조건, 환기량, 건축자재 변화에 따른 실내 기류 특성과 라돈 농도를 평가하였다.
Case3과 Case4 계산조건은 측면 창에서 유입되어 후면 창과 전면 창으로 유출되는 조건이다. 본 연구에서는 실내 기류의 층류 유동 계산을 위하여 모든 계산 조건을 Re수 2,300 이하가 되도록 실내 환기량을 선정하였다. 실내 환기량(Air change rate per hour)은 식 (4)와 같이 정의되며, 식에서 Q는 실내로 유입되는 공기의 유량(m3/h), V는 주택의 체적(m3 )이다.
본 연구에서는 전산해석 결과의 검증을 위하여 실내 환기량 변화에 따른 건축자재별 실내 라돈 농도를 이론값과 비교하였다. 실내 라돈 농도의 경우 실측한 자료가 상당히 적고 또한 이를 적용할 수 있는 범위가 매우 제한적이어서 본 연구에서는 라돈 농도의 이론값과 비교하여 계산의 정확성을 평가하였다.
1과 같으며, 방 2개와 화장실 2개, 거실, 주방으로 구성되어 있다. 실내 건축자재로 부터 방출되는 라돈의 확산을 전산해석 하기 위하여 Fig. 2와 같이 정렬 격자를 이용하여 계산 격자를 구성하였다. 전산해석의 정확도는 계산영역 격자수의 영향을 받기 때문에 본 연구에서는 계산을 수행하기 전 격자수에 의한 계산결과의 오차를 차단하기 위하여 격자 의존성 연구를 수행하였다.
3은 실내 환기량이 1일 때 격자 의존성 연구를 수행한 결과이며, 실내 환기량은 식 (4)와 같이 정의 된다. 실내 라돈 농도를 변수로 하여 격자수를 증가하며 수치해의 격자 의존성 연구를 수행하였다. 격자 의존성 연구 결과, 실내 라돈 농도는 약 10만개 이상의 격자수에서 수렴하는 경향을 보이며, 본 연구에서는 실내 라돈 농도가 수렴하는 최소 격자수를 선택하여 계산을 수행하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 실내 내장재로 많이 사용되고 있는 타일, 석고보드, 에코카라트, 시멘트 벽돌을 건축자재로 선정하여 계산을 수행하였다. 타일은 점토와 석회석을 이용하여 소성한 건축자재로 바닥이나 벽 등의 표면장식에 사용되며, 석고보드는 이수석고를 소성하여 결정수의 일부를 탈수시킨 소석고를 주원료로 하여 표면을 원지로 피폭 성형한 판재로 건축물의 불연내장재로 사용된다.
이론/모형
본 연구에서는 실내 라돈 확산에 대한 유동해석을 위하여 정상상태 비압축성 층류 유동을 가정하였다. 계산영역 내의 정상상태 유동에 대한 지배 방정식은 식 (1)의 연속방정식과, 식 (2)의 운동량 방정식이 사용되었으며, 실내 라돈의 확산 해석을 위하여 물질 전달 방정식을 사용하였다. 식에서 u는 속도, ρ는 밀도, p는 압력, v는 동점성계수, φ는 질량분율, Dφ는 확산계수이다.
본 전산해석 연구는 상용코드인 STAR - CCM + Ver.8.02를 이용하여 수행되었으며, 유한 체적법(Finite Volume Method)을 이용하여 위의 절에 나열한 지배방정식들을 이산화(discretization) 하였다. 이산화시 각 방정식들의 공간미분에 관한 항들은 이차 풍상 차분법(Second Order Upwind Scheme)을 사용하여 차분화 하였다.
이산화시 각 방정식들의 공간미분에 관한 항들은 이차 풍상 차분법(Second Order Upwind Scheme)을 사용하여 차분화 하였다. 압력장의 처리는 연속 방정식을 이용하여 압력 보정 방정식을 유도하고 해를 구하여 그 결과를 제어체적면(control volume)의 질량 보존 법칙에 따라 압력과 속도를 연결시키는 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다.
02를 이용하여 수행되었으며, 유한 체적법(Finite Volume Method)을 이용하여 위의 절에 나열한 지배방정식들을 이산화(discretization) 하였다. 이산화시 각 방정식들의 공간미분에 관한 항들은 이차 풍상 차분법(Second Order Upwind Scheme)을 사용하여 차분화 하였다. 압력장의 처리는 연속 방정식을 이용하여 압력 보정 방정식을 유도하고 해를 구하여 그 결과를 제어체적면(control volume)의 질량 보존 법칙에 따라 압력과 속도를 연결시키는 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다.
성능/효과
2) 또한 미국 환경청(Environmental Protection Agency, EPA)에서는 라돈의 실내 환경 권고 기준치를 148 Bq/m3로 제안하고 있으며, 권고 기준치 농도에 평생 노출될 경우 폐암이 유발되어 사망할 확률을 약 1~2%로 제시하고 있다.3) 주로 토양, 지하수, 건축자재로부터 상당량의 라돈이 실내로 방출된다고 보고되고 있으며,4) 특히 콘크리트, 시멘트 벽돌, 석고보드, 텍스 등의 건축자재에서 방출되는 라돈은 주택에서의 농도가 우려할 수준인 것으로 나타났다.5~7)
건축자재별 실내 라돈 농도는 라돈 방출률이 높은 시멘트 벽돌이 가장 높았으며, 그 다음 에코카라트, 석고보드 순으로 나타났다. 실내 환기량이 증가할수록 실내 라돈 농도는 감소하며, 실내 환기량이 1에서 4로 증가하게 되면 실내 공기 중 라돈 농도는 건축자재별로 시멘트 벽돌 74.
4는 실내 환기량 변화에 따른 건축자재별 실내 라돈농도를 이론값과 비교한 것으로 본 연구의 전산해석 결과는 실내 환기량 변화에 따른 실내 라돈 농도를 잘 예측하는 것을 알 수 있다. 따라서 본 계산에 사용된 격자, 공간 차분법 등의 계산방법이 적절하였다고 판단된다.
앞서 살펴본 바와 같이 실내 라돈 저감을 위해서는 실내환기가 라돈 저감 효율이 우수하지만 여름, 겨울철에는 에너지 손실을 초래한다. 따라서 실내 라돈 발생원이 건축자재일 경우 환기가 절대적으로 필요하지만, 주택 설계 및 건설 단계에서부터 라돈 발생원이 되는 건축자재의 사용을 피하는 것이 에너지 효율 측면에서 더 효과적일 것이라 판단된다.
4% 감소하였다. 실내 라돈 저감을 위해서는 실내 환기가 라돈 저감 효율이 우수하지만, 이에 따른 에너지 손실을 초래하기 때문에 주택 설계 및 건설 초기 단계에서부터 건축자재의 라돈 방출량을 평가하여 라돈이 다량 방출되는 건축자재의 사용을 피하는 것이 에너지 효율 측면에서 더 효과적일 것이라 판단된다.
건축자재별 실내 라돈 농도는 라돈 방출률이 높은 시멘트 벽돌이 가장 높았으며, 그 다음 에코카라트, 석고보드 순으로 나타났다. 실내 환기량이 증가할수록 실내 라돈 농도는 감소하며, 실내 환기량이 1에서 4로 증가하게 되면 실내 공기 중 라돈 농도는 건축자재별로 시멘트 벽돌 74.2%, 에코 카라트 74.1%, 석고보드 72.4% 감소하였다. 실내 라돈 저감을 위해서는 실내 환기가 라돈 저감 효율이 우수하지만, 이에 따른 에너지 손실을 초래하기 때문에 주택 설계 및 건설 초기 단계에서부터 건축자재의 라돈 방출량을 평가하여 라돈이 다량 방출되는 건축자재의 사용을 피하는 것이 에너지 효율 측면에서 더 효과적일 것이라 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
라돈은 어떤 물질이며 인체에 어떤 악영향을 끼치는가?
라돈(Rn-222)은 우라늄(U-238) 방사능 계열의 원소로서 라듐(Ra-226)의 알파(α) 붕괴시 자연 생성 되는 가스상 물질로 기준치 이상의 라돈을 흡입했을 경우 치명적인 폐암을 유발시킨다고 알려져 있다.1) 국제암연구센터(International Agency for Research on Cancer, IARC)에서는 건강 및 인체 유해성 측면에서 석면과 더불어 라돈을 1급 발암물질로 규정하고 있으며, 흡연 다음으로 폐암을 유발하는 물질로 분류하고 있다.
미국 환경청에서 지정한 라돈의 실내 환경 권고 기준치는 얼마인가?
1) 국제암연구센터(International Agency for Research on Cancer, IARC)에서는 건강 및 인체 유해성 측면에서 석면과 더불어 라돈을 1급 발암물질로 규정하고 있으며, 흡연 다음으로 폐암을 유발하는 물질로 분류하고 있다.2) 또한 미국 환경청(Environmental Protection Agency, EPA)에서는 라돈의 실내 환경 권고 기준치를 148 Bq/m3로 제안하고 있으며, 권고 기준치 농도에 평생 노출될 경우 폐암이 유발되어 사망할 확률을 약 1~2%로 제시하고 있다.3) 주로 토양, 지하수, 건축자재로부터 상당량의 라돈이 실내로 방출된다고 보고되고 있으며,4) 특히 콘크리트, 시멘트 벽돌, 석고보드, 텍스 등의 건축자재에서 방출되는 라돈은 주택에서의 농도가 우려할 수준인 것으로 나타났다.
최근에 많이 사용되는 라돈의 농도분포를 파악하는 방법은?
즉, 정확한 농도분포의 예측은 보다 신뢰성 있는 평가 방법의 개발이 기본이 된다고 할 수 있다. 이러한 농도분포의 예측에는 기초 실험, 실측 및 전산해석 방법이 이용되어질 수 있다. 특히 최근에는 경계조건의 제어와 해석 비용이 저렴한 전산해석 방법이 많이 사용되고 있으며 이 중 CFD (Computational Fluid Dynamics)는 실내 공기유동, 온도분포의 예측뿐만 아니라 실내공기 오염물질 농도 분포의 예측에도 널리 이용되고 있다. 특히 실험, 실측에서 발생 특성 등을 제어하기 힘든 오염물질의 예측이나 저 농도에서도 많은 문제점을 유발시키는 오염물질의 예측에도 탁월한 성능을 발휘하고 있어 미국, 일본 등과 같은 선진국에서도 많이 사용되고 있다.
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