[논문]지상과 지하역사의 실내공기질 특성과 외기영향 평가

남궁형규; 송지한; 김수연; 김희만; 권순박

doi:10.5762/kais.2016.17.5.17

지상과 지하역사의 실내공기질 특성과 외기영향 평가
Characteristics of indoor air quality in the overground and underground railway stations 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.5, 2016년, pp.17 - 25

남궁형규 (한국철도기술연구원 교통환경연구팀) , 송지한 (한국철도기술연구원 교통환경연구팀) , 김수연 (한국철도기술연구원 교통환경연구팀) , 김희만 (한국철도공사 환경경영처) , 권순박 (한국철도기술연구원 교통환경연구팀)

초록
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본 연구에서는 지하역사와 지상역사에서의 실내공기질을 측정하고, 외부 공기에 의한 영향 정도를 확인하고자 하였다. 측정된 물질은 '실내공기질 관리법'상에서 유지기준과 권고기준으로 지정된 항목 중, 농도가 검출되지 않은 석면을 제외한 미세먼지($PM_{10}$), 이산화탄소($CO_2$), 일산화탄소(CO), 이산화질소($NO_2$), 폼알데하이드(HCHO), 오존($O_3$), 총부유세균(TAB), 총휘발성유기화합물(TVOC), 라돈 등 9종이다. 또한 미세먼지, 이산화질소, 오존 등 세 가지 물질은 I/O ratio를 통해 외기에의한 영향을 확인하였다. 공기질 측정결과 지상역사에 비해 지하역사에서 미세먼지, 폼알데하이드, 총휘발성유기화합물, 이산화질소, 라돈 등이 높은 농도로 검출되었으며, 이는 지하역사 내부에 그 오염물질의 발생요소가 존재하기 때문으로 판단된다. 오존 농도는 지상역사에서 지하역사보다 높은 농도로 검출되었으며, 특히 외부로 노출되어있는 지상역사 승강장에서 높은 농도를 보임으로써 외기 유입에 의한 영향이 있는 것으로 확인되었다. 따라서, 외기에 의한 영향을 받는 오염물질은 역사의 기계환기시 제거 과정을 거쳐 오염물질의 실내유입을 차단하고, 지하역사에서 기인한 미세먼지 등의 물질들은 실내에서 그 발생원에 따른 별도의 처리가 필요할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the air quality of underground and overground railway stations was evaluated focusing on the degree of influence of the outside air quality. The measured components were particulate matter ($PM_{10}$), carbon dioxide ($CO_2$), carbon monoxide (CO), nitrogen dioxide ($NO_2$), formaldehyde (HCHO), ozone ($O_3$), total airborne bacteria (TAB), total volatile organic carbon (TVOC), and Radon (Rn), which are included in the maintenance standards and recommended standards of the Indoor Air Quality Management Act. Also, the indoor/outdoor concentration ratios of $PM_{10}$, $NO_2$, and $O_3$ were calculated to estimate the influence of the outdoor air quality. The concentrations of $PM_{10}$ HCHO, TVOC, $NO_2$, and Rn in the underground stations were found to be higher than those in the overground stations. These results indicate that the (present) generation of contaminants are caused by the indoor source of the underground station. The ozone concentration of the overground stations was higher than that of the underground stations, which indicates that the outdoor ozone concentration influenced that of the overground stations directly. Thus, methods of improving the IAQ should take into consideration the types of contamination.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이처럼 기존의 많은 연구에서 실내공기질 농도를 측정하고, 외기와의 연관성에 대해 규명하였다. 본 연구에서는 승강장과 대합실이 지하에 위치한 지하역사와 승강장이 외부로 노출되어 있는 지상역사에서의 실내공기질을 측정하고, 외부 공기에 의한 영향 정도를 확인하고자 하였다. 측정이 실시된 물질은 ‘실내공기질 관리법’상에서 유지기준과 권고기준으로 지정된 항목 중, 농도가 검출되지 않은 석면을 제외한 미세먼지(PM₁₀), 이산화탄소 (CO₂), 일산화탄소(CO), 이산화질소(NO₂), 폼알데하이드(HCHO), 오존(O₃), 총부유세균(TAB), 총휘발성유기 화합물(TVOC), 라돈 등 9종이다.
실내공기질 분석 항목중 Air Korea에서 확보할 수 있는 PM₁₀, NO₂, O₃에 대해서 외기가 역사 실내대기질에 어느 정도의 영향을 미치는지 확인하고자 하였다. 외기 농도는 도시대기측정망 정보를 활용하여 인접구간의 평균 값을 산정하여 적용하였다.

제안 방법

각 역사에서는 2014년 9월25일 - 10월7일, 10월22일- 10월31일에 걸쳐 역사별로 2회씩, 대합실과 승강장에 각각 두 지점씩을 선정하여 실내공기질을 측정하였다. 또한, 실내공기질의 측정은 각 역사 선정지점에서 15:00부터 21:00까지 총 6시간동안 연속으로 이루어졌으며, 동일 시간대 외기의 공기질은 도시대기오염측정망정보 (airkorea)를 활용하였다[16].
권고기준에 속해있는 휘발성유기화합물(TVOCs)은 SIBATA사의 minipump(MP-∑30, SIBATA, Japan)를 이용하여 Tenax tube(Tenax TA, Supelco(Sigma-Aldrich), USA)에 포집하였고, TD-GC/MS(TD-20, MS-QP2010, Shimadzu, Japan)를 이용하여 성분을 분석하였다.
본 연구는 지상역사와 지하역사에서 ‘실내공기질 관리법’상의 유지기준과 권고기준으로 지정된 9가지 물질에 대한 농도 측정과 비교를 수행하였다. 또한 미세먼지, 이산화질소, 오존 등 3가지 물질은 외기와 농도비교를 통해 I/O ratio를 확인하였다.
각 역사에서는 2014년 9월25일 - 10월7일, 10월22일- 10월31일에 걸쳐 역사별로 2회씩, 대합실과 승강장에 각각 두 지점씩을 선정하여 실내공기질을 측정하였다. 또한, 실내공기질의 측정은 각 역사 선정지점에서 15:00부터 21:00까지 총 6시간동안 연속으로 이루어졌으며, 동일 시간대 외기의 공기질은 도시대기오염측정망정보 (airkorea)를 활용하였다[16].
본 연구는 지상역사와 지하역사에서 ‘실내공기질 관리법’상의 유지기준과 권고기준으로 지정된 9가지 물질에 대한 농도 측정과 비교를 수행하였다.
실내공기질은 ‘다중이용시설 등의 실내공기질 관리법’에서 규정한 관리대상 오염물질 항목 중 유지기준 5종(PM10, CO, CO2, HCHO, 총부유세균)과 권고기준 4종(NO2, Rn, TVOCs, O3)을 측정하였다.
에 대해서 외기가 역사 실내대기질에 어느 정도의 영향을 미치는지 확인하고자 하였다. 외기 농도는 도시대기측정망 정보를 활용하여 인접구간의 평균 값을 산정하여 적용하였다. I/O ratio는 외기의 실내공기질 영향 정도를 판단하는 기준으로 사용되며, 1에 가까울 수록 외기에 의한 영향을 많이 받는 것으로 판단 할 수 있다.
이처럼 기존의 많은 연구에서 실내공기질 농도를 측정하고, 외기와의 연관성에 대해 규명하였다. 본 연구에서는 승강장과 대합실이 지하에 위치한 지하역사와 승강장이 외부로 노출되어 있는 지상역사에서의 실내공기질을 측정하고, 외부 공기에 의한 영향 정도를 확인하고자 하였다.
일산화탄소와 이산화탄소는 비분산적외선분석법(IQ-610, TSI, USA)으로 측정되었다. 포름알데히드(HCHO)는 카트리지(2,4-DNPH Cartridge, Top Trading ENG, Korea) 를 이용하여 선택적으로 포집하였으며, HPLC(Series 1100, HP, USA)를 이용하여 그 농도를 분석하였다. 총부유세균은 미생물샘플러(KAS110, KEMK, Korea)를 이용하여 포집하였으며, 한천배지배양법을 이용하여 측정하였다.
해당 오염물질의 농도 비교·분석을 통해 지상 및 지하역사의 쾌적한 공기질을 확보하고, 역사의 공기질 관리 및 유지에 필요한 기초자료로 활용할 수 있도록 심층적인 분석을 실시하였다.

대상 데이터

본 연구에서 실내대기질 측정에 사용된 역사는 총 8곳으로써, 승객 유동량이 많은 지상역사 3곳(O1, O2, O3)과 지하역사 5곳(U1, U2, U3, U4, U5)이 선정되었다. 역사에서의 공기질 측정에 관한 기본 정보를 Table 1에 표기하였다.
포름알데히드(HCHO)는 카트리지(2,4-DNPH Cartridge, Top Trading ENG, Korea) 를 이용하여 선택적으로 포집하였으며, HPLC(Series 1100, HP, USA)를 이용하여 그 농도를 분석하였다. 총부유세균은 미생물샘플러(KAS110, KEMK, Korea)를 이용하여 포집하였으며, 한천배지배양법을 이용하여 측정하였다.
측정이 실시된 물질은 ‘실내공기질 관리법’상에서 유지기준과 권고기준으로 지정된 항목 중, 농도가 검출되지 않은 석면을 제외한 미세먼지(PM10), 이산화탄소 (CO2), 일산화탄소(CO), 이산화질소(NO2), 폼알데하이드(HCHO), 오존(O3), 총부유세균(TAB), 총휘발성유기 화합물(TVOC), 라돈 등 9종이다.

이론/모형

라돈 (Rn)은 부착형 연속모니터측정법(Rn-1027, Sun Nuclear, USA)을 이용하여 1시간 동안 연속 측정하였다. 그 밖에 NO₂는 화학발광법(KN-210, KENTEK, Korea), O₃는 자외선흡광광도법(KN-410, KENTEK, Korea) 으로 농도를 측정 및 분석하였다.
권고기준에 속해있는 휘발성유기화합물(TVOCs)은 SIBATA사의 minipump(MP-∑30, SIBATA, Japan)를 이용하여 Tenax tube(Tenax TA, Supelco(Sigma-Aldrich), USA)에 포집하였고, TD-GC/MS(TD-20, MS-QP2010, Shimadzu, Japan)를 이용하여 성분을 분석하였다. 라돈 (Rn)은 부착형 연속모니터측정법(Rn-1027, Sun Nuclear, USA)을 이용하여 1시간 동안 연속 측정하였다. 그 밖에 NO₂는 화학발광법(KN-210, KENTEK, Korea), O₃는 자외선흡광광도법(KN-410, KENTEK, Korea) 으로 농도를 측정 및 분석하였다.
먼저 미세먼지 농도는 광산란법과 중량법으로 측정하였다. 미세먼지의 광산란법 측정은 Optical Particle Sizer(Model 3330, TSI, USA)을 이용하였으며, 중량법 측정은 MiniVol-TAS(Airmetrics, USA)를 이용하여 샘플을 포집하고 저울을 이용하여 무게를 측정하였다.
먼저 미세먼지 농도는 광산란법과 중량법으로 측정하였다. 미세먼지의 광산란법 측정은 Optical Particle Sizer(Model 3330, TSI, USA)을 이용하였으며, 중량법 측정은 MiniVol-TAS(Airmetrics, USA)를 이용하여 샘플을 포집하고 저울을 이용하여 무게를 측정하였다. 일산화탄소와 이산화탄소는 비분산적외선분석법(IQ-610, TSI, USA)으로 측정되었다.
미세먼지의 광산란법 측정은 Optical Particle Sizer(Model 3330, TSI, USA)을 이용하였으며, 중량법 측정은 MiniVol-TAS(Airmetrics, USA)를 이용하여 샘플을 포집하고 저울을 이용하여 무게를 측정하였다. 일산화탄소와 이산화탄소는 비분산적외선분석법(IQ-610, TSI, USA)으로 측정되었다. 포름알데히드(HCHO)는 카트리지(2,4-DNPH Cartridge, Top Trading ENG, Korea) 를 이용하여 선택적으로 포집하였으며, HPLC(Series 1100, HP, USA)를 이용하여 그 농도를 분석하였다.

성능/효과

오존 농도는 지상역사에서 지하역사보다 높은 농도로 검출되었으며, 특히 외부로 노출되어있는지사역사 승강장에서 높은 농도를 보임으로써 외기에서 유입에 의한 농도 영향이 확인되었다. I/O ratio를 통해 미세먼지는 외기에 의한 영향이 미미하며, 이산화질소는 외기 농도에 의해 결정되는 것을 확인하였다. 또한 외기의 오존 농도는 지하역사의 승강장과 대합실 모두에 큰영향을 끼치지 않지만, 지상역사의 승강장과 대합실의 농도에는 영향을 준다.
지상 역사의 경우 대합실이 214 CFU/㎥ - 320 CFU/㎥이며, 승강장은 141 CFU/㎥ - 187 CFU/㎥의 농도범위를 보였다. O1, O2, O3의 측정값을 살펴보면, 대합실이 승강장에 비해 각각 1.6배, 2.2배, 1.1배 높았으며, 특히 O1과 O2 대합실의 경우 총부유세균 농도가 각각 272 CFU/㎥, 319 CFU/㎥ 로 타 역사에 비해 높은 수치를 보였다.
공기질 측정결과 미세먼지, 폼알데하이드, 총휘발성 유기화합물, 이산화질소, 라돈의 농도가 지상역사에 비해 지하역사에서 높은 농도로 검출되었으며, 이는 지하 역사 내부에 그 오염물질의 발생요소가 존재하기 때문으로 판단된다. 오존 농도는 지상역사에서 지하역사보다 높은 농도로 검출되었으며, 특히 외부로 노출되어있는지사역사 승강장에서 높은 농도를 보임으로써 외기에서 유입에 의한 농도 영향이 확인되었다.
이처럼 승강장의 이산화질소 농도는 외기농도와 통계학적적으로 유의한 상관성을 보여, 역사의 심도, 급기량, 배기량 및 승강장의 용적 등의 변수에 비해 외기가 이산화질소 농도에 지배적인 영향을 미치는 것으로 보고한 바 있다. 본 논문에서도 U5를 제외한 역사의 경우, 외기 농도와 지상, 지하역사의 이산화질소 농도 사이에 유의한 상관성을 보이는 것으로 나타났다.
공기질 측정결과 미세먼지, 폼알데하이드, 총휘발성 유기화합물, 이산화질소, 라돈의 농도가 지상역사에 비해 지하역사에서 높은 농도로 검출되었으며, 이는 지하 역사 내부에 그 오염물질의 발생요소가 존재하기 때문으로 판단된다. 오존 농도는 지상역사에서 지하역사보다 높은 농도로 검출되었으며, 특히 외부로 노출되어있는지사역사 승강장에서 높은 농도를 보임으로써 외기에서 유입에 의한 농도 영향이 확인되었다. I/O ratio를 통해 미세먼지는 외기에 의한 영향이 미미하며, 이산화질소는 외기 농도에 의해 결정되는 것을 확인하였다.
지상역사 평균 오존 농도는 지상 역사의 대합실이 4 - 7 ppb, 승강장이 2 - 13 ppb의 수준으로 조사되었으며, 지하역사의 경우 대합실 오존 농도는 2 - 3 ppb, 승강장은 1 - 2 ppb 수준으로 지점별 오존 농도의 차이가 적게 나타났다. 오존 농도의 결과로 보면 외부로 유출되어 있는 지상역사의 승강장의 오존농도가 일반적인 지하역사의 오존농도보다 약 7 - 10배 높은 것을 확인할 수 있다.
1의 (g) 그래프에 나타내었다. 이산화질소 농도는 지상역사와 지하역사에 관계 없이 약 0.02 - 0.05 ppm 수준을 보였으며, 이는 다중이용시설 등의 실내공기질관리법 시행규칙 상의 이산화질소 권고기준(0.05 ppm)을 만족하는 수준으로 나타났다. Son et al.
1의 (h)는 지상역사와 지하역사의 지점별 오존 평균값을 나타내었다. 지상역사 평균 오존 농도는 지상 역사의 대합실이 4 - 7 ppb, 승강장이 2 - 13 ppb의 수준으로 조사되었으며, 지하역사의 경우 대합실 오존 농도는 2 - 3 ppb, 승강장은 1 - 2 ppb 수준으로 지점별 오존 농도의 차이가 적게 나타났다. 오존 농도의 결과로 보면 외부로 유출되어 있는 지상역사의 승강장의 오존농도가 일반적인 지하역사의 오존농도보다 약 7 - 10배 높은 것을 확인할 수 있다.
4 ㎍/㎥ - 49 ㎍/㎥의 농도범위를 보였다. 지상역사는 외기의 영향으로 역사 내부에 존재하는 폼알데하이드 농도의 편차가 크지 않지만, 지하역사의 경우에는 각 역사 상가 또는 인테리어 공사여부에 따라 폼알데하이드 농도의 차이가 매우 큰 것으로 확인되었다. 지하역사 중, U1, U2의 대합실과 승강장 농도는 지상역사와 큰 차이를 보이지 않았지만, U3역사는 대합실과 승강장 모두에서 40 ㎍/㎥ 이상으로 매우 높은 농도를 보였다.
지상역사에서의 총휘발성유기화합물 농도는 승강장보다 대합실이 평균 1.3배 높은 것으로 나타났으며, O1에서 최대 1.4배 높게 조사되었다. 이는 대합실 내에 위치한 지하상가 등의 매장 인테리어로 인한 목재 및 접착제 사용이 증가함에 따라 분출되는 오염물질이 총휘발성 유기화합물 농도의 증가에 영향을 주는 것으로 보인다.
지상역사와 지하역사를 대상으로 대합실과 승강장에서의 총휘발성유기화합물 농도를 측정한 결과, 전 역사 평균값은 196 ㎍/㎥ 으로 조사되었다. 지상역사의 경우 대합실은 55 - 126 ㎍/㎥ 의 농도 범위를 보였으며, 승강장은 70 - 256 ㎍/㎥ 수준으로 조사되었다.
지하역사 대합실의 총부유세균 농도는 120 CFU/㎥ -229 CFU/㎥이고, 승강장은 157 CFU/㎥ - 220 CFU/㎥ 의 농도 범위를 보였다. 지하역사 승강장 사이의 평균농도는 3.7%의 차이를 보이는 반면에, 지상역사의 대합실과 승강장 평균농도의 차이는 64.4%로 지상역사의 총부유세균 농도 차이가 더 크게 나타났다.
지상역사는 외기의 영향으로 역사 내부에 존재하는 폼알데하이드 농도의 편차가 크지 않지만, 지하역사의 경우에는 각 역사 상가 또는 인테리어 공사여부에 따라 폼알데하이드 농도의 차이가 매우 큰 것으로 확인되었다. 지하역사 중, U1, U2의 대합실과 승강장 농도는 지상역사와 큰 차이를 보이지 않았지만, U3역사는 대합실과 승강장 모두에서 40 ㎍/㎥ 이상으로 매우 높은 농도를 보였다. 반대로 U4, U5 역사 승강장에서의 폼알데하이드 농도는 각각 15.
역사 내 미세먼지는 지상역사의 경우 대합실은 57 - 100㎍/㎥, 승강장은 61 - 84 ㎍/㎥의 범위로 나타났으며, 지하역사의 경우에는 대합실이 59 - 83 ㎍/㎥, 승강장은 76- 119 ㎍/㎥의 범위로 조사되었다. 평균값으로 비교해보면 지상역사에서의 미세먼지 농도는 승강장과 대합실이 비슷한 수준으로 나타났지만, 지하역사의 경우에는 대합실보다 승강장이 약 20 ㎍/㎥ 이상 미세먼지 농도가 높게 나타났다. Park et al.

후속연구

또한 외기의 오존 농도는 지하역사의 승강장과 대합실 모두에 큰영향을 끼치지 않지만, 지상역사의 승강장과 대합실의 농도에는 영향을 준다. 따라서, 외기에 의한 영향을 받는 오염물질들에 대해서는 기계환기시 적절한 제거 과정을 통해 실내로의 유입을 차단하고, 지하역사에서 기인한 미세먼지 등의 물질들은 그 발생원에 대한 조사와 처리가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실내공기질법에서 지정한 다중이용시설에서 관리가 필요한 오염물질에는 어떤 것들이 있는가?	실내공기질법에서는 다중이용시설에서의 관리가 필요한 오염물질을 미세먼지(PM10), 이산화탄소(CO2), 폼 알데하이드(HCHO), 총부유세균, 일산화탄소(CO), 이산 화질소(NO2), 라돈(Rn), 총휘발성유기화합물(TVOC), 석면, 오존(O3)으로 지정하였으며, 이는 실내공기질 유지기준항목과 권고기준항목으로 구분된다[3].
	지하철 미세먼지의 시간대별 농도는 어떤 특성을 갖는가?	국내 선행연구에 따르면, 지하철 미세먼지 오염원은 내부발생원 중 철 관련 오염원과 브레이크 마모관련 오염원이 기여도가 매우 높으며, 미세먼지의 농도는 외부대기 < 승강장 < 객차 순으로 높게 나타난다고 보고된 바 있다[7-9]. 또한 시간대별 미세먼지의 농도는 지하철 이용객에 의해 오전 출근시간에 그 농도가 증가한 뒤, 점차 낮아지다가 퇴근 시간에 다시 농도가 높아지는 특성을 갖는 것으로 확인되었다[7]. 환경부에서 발간된 ‘제2차 지하역사공기질 개선 5개년 대책(2013~2017)’을 통해 지하역사 공기질 오염현황을 살펴보면, 전국 소재 지하역사 미세먼지(PM10) 평균값은 96.
	지하철의 실내공기 오염에 대한 우려가 높은 이유는 무엇인가?	전국 도시철도(지하철)는 2014년 기준으로 연간 약 2,527 백만명이 이용하는 대표적인 대중교통 수단이다[1]. 하지만 지하철은 대부분의 역사가 지하공간에 위치 하여 자연환기가 어렵고, 밀폐된 좁은 공간에 다수의 이용객이 밀집되면서 실내공기 오염에 대한 우려가 높아지고 있다. 이에 따라 1996년 12월 30일 지하생활공간을 대상으로 ‘지하생활공간 공기질관리법’(법률 제5224호) 이 제정 되었고 이는 2003년 5월 29일 “다중이용시설 등의 실내공기질 관리법”(약칭: 실내공기질법, 법률 제 6911호)으로 전문 개정되었다[2].

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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