[논문]바닥온도와 실내 환기에 따른 인체반응 및 실내공기질 분석

이지원; 진경일; 김세환

doi:10.12813/kieae.2015.15.1.097

문제 정의

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.
본 논문은 제한된 공간에서 실내 바닥온도 변화에 따른 CO₂ 농도변화를 확인하고자 하였으며, 공동주택 실내 환기기준 0.7회/h을 적용하였을 때와 환기를 하지 않았을 때의 변화량을 비교하여 환기의 필요성을 공감하도록 하였으며, 또한 실내 바닥온도 변화와 신체 부위별 온도 변화, 환기상태에 따른 쾌적감의 변화를 확인하여 주거용 건물에서의 인체의 쾌적감에 영향을 미치는 실내환기와 온도의 상관관계를 제시하고자 하였다.
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.

가설 설정

장점으로는 ① 방열기가 없으므로 바닥면의 이용도가 높다. ② 쾌감도와 온도 분포가 좋아서 천정이 높은 방에서 적합하다. ③ 실내 평균 온도가 낮기 때문에 같은 방열량에 대해서 손실 열량이 적다.
일반적으로 대기중의 이산화탄소 농도는 380ppm을 기준으로 삼고 있으나 대도시 도심지나 주택가의 경우 이 보다 높게 나타나는 것이 일반적이다. 따라서 본 실험에서는 실외 이산화탄소 농도를 값을 500ppm을 가정하여 실험 하였다.

제안 방법

7회 실시하여 실내온습도의 변화, CO₂의 농도 변화, 인체 각 부위별 온도변화를 측정하였다. 또한 매 실험 시 재실자의 주관적 쾌적도를 알기 위하여 PMV를 실시하였다.
실험용 챔버는 외기의 영향을 받지 않는 공조 공간 내에 설치된 공간이므로 외기온의 영향이 없도록 설치한 방이므로 실험 및 측정의 대상에서 제외하였다. 또한 상기의 온도를 각각 유지하기 위하여 바닥 난방 설정온도를 20℃, 30℃로 설정하였다. 이는 예상 실내온도의 유지를 위하여 실내 환기가 이루어지지 않을 때, 설정온도 가동 후 측정된 실내온도를 토대로 설정한 것이다.
정확한 실험을 위해 동일한 의복(가벼운 실내복)을 착용하였으며, 2시간 전부터 금식, 금주, 금연하였다. 또한 피실험자가 입실한 8시간동안 측정자는 1시간마다 실내온습도, 대기 중의 CO₂ 농도, 서모스탯을 이용하여 피실험자의 이마, 손등, 복부, 정강이 4곳의 인체 온도를 측정하였다.
매 실험 실시 때마다 피실험자들에게 실내 온열쾌적감을 알기 위하여, 실내 초기 이산화탄소농도가 약500ppm으로 유지가 되도록 한 다음, 1시간 뒤에 실험자가 앉은 자세를 취했을 때 열적 쾌적성에 대한 PMV를 실시하였다. Table 6은 주관적인 쾌적성 설문 항목을 요약한 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.
바닥온도의 설정조건은 평균을 20℃, 30℃로 설정하고, 실내공기 환경 측정은 법적 기준으로 보는 다중 이용시설 등의 실내 공기질 관리법에 기준을 두고 설정을 하여 예상되는 기준을 적용하였다. 이에 따라 챔버 내에 CO₂ 측정기 및 온습도계를 설치하고, 실험 시작 2시간 전부터 챔버 내 공기를 대기상태로 만들기 위해 플랙시블 덕트 송풍팬을 이용하여 실내공기를 대기와 가장 흡사한 상태로 만든 후 실험을 시작하였다.
상기와 같은 이론에 의하여 본 실험의 경우 주거공간과 같이 재실자가 일반적으로 착의하는 가벼운 의복상태임을 감안하여, 설정 실온을 두 가지로 나누어 17∼21℃, 24∼27℃ 유지시키고자 하였다.
이에 따라 챔버 내에 CO₂ 측정기 및 온습도계를 설치하고, 실험 시작 2시간 전부터 챔버 내 공기를 대기상태로 만들기 위해 플랙시블 덕트 송풍팬을 이용하여 실내공기를 대기와 가장 흡사한 상태로 만든 후 실험을 시작하였다. 실험 시 실내설정온도와 피실험자 입실인원수 변동 때 마다 환기를 0회, 0.7회⁶⁾ 실시하였다.
본 연구는 바닥난방온도를 20℃, 30℃로 설정하고 실내 입실자가 없는 경우, 실내 온도는 각각 약 22℃, 약 26℃가 유지되었다. 이때 실내에 1명, 2명의 인원을 입실 시킨 후 환기를 0회, 0.7회 실시하여 실내온습도의 변화, CO₂의 농도 변화, 인체 각 부위별 온도변화를 측정하였다. 또한 매 실험 시 재실자의 주관적 쾌적도를 알기 위하여 PMV를 실시하였다.
바닥온도의 설정조건은 평균을 20℃, 30℃로 설정하고, 실내공기 환경 측정은 법적 기준으로 보는 다중 이용시설 등의 실내 공기질 관리법에 기준을 두고 설정을 하여 예상되는 기준을 적용하였다. 이에 따라 챔버 내에 CO₂ 측정기 및 온습도계를 설치하고, 실험 시작 2시간 전부터 챔버 내 공기를 대기상태로 만들기 위해 플랙시블 덕트 송풍팬을 이용하여 실내공기를 대기와 가장 흡사한 상태로 만든 후 실험을 시작하였다. 실험 시 실내설정온도와 피실험자 입실인원수 변동 때 마다 환기를 0회, 0.
소규모 회사인 경우 밀집도가 높은 사무공간을 배치하기 때문에 본 실험에서는 해당공간에 성인 남성 2명을 배치하였으며, 1인, 2인이 각각 입실하여 실험을 실시하였다. 정확한 실험을 위해 동일한 의복(가벼운 실내복)을 착용하였으며, 2시간 전부터 금식, 금주, 금연하였다. 또한 피실험자가 입실한 8시간동안 측정자는 1시간마다 실내온습도, 대기 중의 CO₂ 농도, 서모스탯을 이용하여 피실험자의 이마, 손등, 복부, 정강이 4곳의 인체 온도를 측정하였다.

대상 데이터

본 실험은 부산 D대학교 연구실 내에 설치된 환경 챔버에서 2013년 3월25일∼4월5일까지 실험하였고, 12시∼20시까지 8시간 동안 이루어졌다.
그러나 주거용 업무공간임을 감안하고, 업무공간의 특성상, 개인별 근무용 비품 및 사무기기의 배치와 동료 간의 동선 확보를 위한 공용공간을 포함하는 하는 것을 고려한다면 이보다 훨씬 적은 공간이 1인당 제공되지만 실제로 1인당 제공되는 공기체적은 조금 여유가 있을 수 있다. 소규모 회사인 경우 밀집도가 높은 사무공간을 배치하기 때문에 본 실험에서는 해당공간에 성인 남성 2명을 배치하였으며, 1인, 2인이 각각 입실하여 실험을 실시하였다. 정확한 실험을 위해 동일한 의복(가벼운 실내복)을 착용하였으며, 2시간 전부터 금식, 금주, 금연하였다.

성능/효과

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.
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 경우복부, 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.
7회 실시하였을 때에는 인원수에 관계없이 실내 습도가 일정하게 유지되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 CO₂ 농도 역시 환기를 하지 않은 경우 계속적으로 증가하는 것을 볼 수 있었고 실험시작 후 약 1시간가량이면 허용기준을 초과하는 것을 알 수 있었다. 재실인원이 2명일 경우 더욱 크게 상승하며, 환기를 하였을 때에는 허용기준치 이하로 큰 효과를 볼 수 있었다.
바닥난방온도가 20℃이고 입실자가 1명인 경우를 제외하고 환기의 유무를 떠나 실내 온도가 상승하는 경향을 나타냈으며, 습도는 환기를 하지 않은 경우에는 20℃일 때는 점차 낮아지고, 30℃이고 환기 를 하지 않을 경우, 실험 시작 후 1시간이 경과하자 입실 인원에 관계없이 큰 폭으로 습도가 상승하는 것으로 나타났다. 환기를 0.
이것은 PMV조사에서 환기를 하지 않은 경우 약간 덥고 불쾌함을 느끼고, 환기를 한 경우 다소 춥게 느끼지만 오히려 쾌적함을 느끼는 것과 관련이 있는 것으로 바닥 난방이 30℃인 경우 다소 덥게 느낄 수 있지만, 이로 인하여 환기 시 오히려 춥게 느껴지고 실제로 의복 밖으로 노출된 손등의 온도가 떨어지는 것으로 확인되었다. 바닥온도가 20℃일 때 환기를 실시하여도 약간 춥게 느껴지고, 주관도에 따라 환기를 실시하지 않아도 춥게 느끼는 사람이 있어 온열감은 개인적인 차가 크며, 쾌적감은 20℃일 때 환기를 한 경우가 30℃일 때 환기를 한 경우보다 훨씬 좋은 것으로 나타났다. 이는 겨울철 바닥난방온도 설정과 실내 환기에 결정에 영향을 줄 것이다.
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.
본 연구는 바닥난방온도를 20℃, 30℃로 설정하고 실내 입실자가 없는 경우, 실내 온도는 각각 약 22℃, 약 26℃가 유지되었다. 이때 실내에 1명, 2명의 인원을 입실 시킨 후 환기를 0회, 0.
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.
재실인원이 2명일 경우 더욱 크게 상승하며, 환기를 하였을 때에는 허용기준치 이하로 큰 효과를 볼 수 있었다. 인체 부위별 온도를 보았을 때 30℃이고 2인일 경우를 제외하고 모두 이마와 복부 순으로 체온이 높았다. 손등과 정강이는 모든 경우에 환기를 실시시 정강이, 손등 순으로 환기를 미실시 시, 손등, 정강이 순으로 체온이 분포하였다.
또한 CO₂ 농도 역시 환기를 하지 않은 경우 계속적으로 증가하는 것을 볼 수 있었고 실험시작 후 약 1시간가량이면 허용기준을 초과하는 것을 알 수 있었다. 재실인원이 2명일 경우 더욱 크게 상승하며, 환기를 하였을 때에는 허용기준치 이하로 큰 효과를 볼 수 있었다. 인체 부위별 온도를 보았을 때 30℃이고 2인일 경우를 제외하고 모두 이마와 복부 순으로 체온이 높았다.
바닥난방온도가 20℃이고 입실자가 1명인 경우를 제외하고 환기의 유무를 떠나 실내 온도가 상승하는 경향을 나타냈으며, 습도는 환기를 하지 않은 경우에는 20℃일 때는 점차 낮아지고, 30℃이고 환기 를 하지 않을 경우, 실험 시작 후 1시간이 경과하자 입실 인원에 관계없이 큰 폭으로 습도가 상승하는 것으로 나타났다. 환기를 0.7회 실시하였을 때에는 인원수에 관계없이 실내 습도가 일정하게 유지되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 CO₂ 농도 역시 환기를 하지 않은 경우 계속적으로 증가하는 것을 볼 수 있었고 실험시작 후 약 1시간가량이면 허용기준을 초과하는 것을 알 수 있었다.

후속연구

이는 난방이 되고 환기가 적은 경우에 더욱 그러하며, 이에 대한 객관적 자료 수집이 필요하다. 따라서 바닥난방이 이루어지는 실내에서 환기가 실내 공기에 미치는 정도에 따라 인체의 반응을 살핌으로서 상관관계를 파악하는 기초적 실험자료가 될 수 있으리라 판단된다. 이러한 목적달성의 위하여 Fig.
이와 같은 실험연구가 현재 주거용 건축물에서 가장 널리 사용되고 있는 바닥 복사 난방방식에서 환기의 유무가 실내공기질에 미치는 영향과 인체반응을 살펴 달라지는 변화를 데이터화 할 수 있다. 이는 변화되는 사회적 세태에 맞추어 주거용 건물에서의 업무용 사용 시 고려해야하는 인체의 쾌적도에 따른 환기와 온도의 상관관계를 유추하고 추가적인 실험을 거쳐 향후 이와 관련된 데이터 정립 시(예: 주거용 건물의 업무적 사용시 적정 환기 회수) 기초적 실험 자료가 될 수 있다고 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실내공기질은 무엇인가?	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.
	실내 공기 오염 물질로는 무엇이 있는가?	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.
	실내공기질은 실내 공간 거주자의 건강과 평안에 영향을 주는 공기의 질로 정의할 수 있는데, 여기서 건강이란 무엇인가?	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.

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