[논문]국내 아파트의 미세먼지 유입 특성

주상우; 지준호

doi:10.11629/jpaar.2019.15.4.149

국내 아파트의 미세먼지 유입 특성
Infiltration Characteristics of Particulate Matter at a Korean Apartment House 원문보기

Particle and aerosol research = 한국입자에어로졸학회지, v.15 no.4, 2019년, pp.149 - 157

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Infiltration characteristics of airborne particulate matter had been investigated in real-life for about 90 days over 2 years in a Korean apartment building where a 3-person household had lived and the exclusive private area was 84.9 ㎡. Airtightness was measured by fan depressurization, and the ACH50 was 2.41 times per hour. In and outdoor particle concentrations were measured by optical particle counters. Infiltration factors and filtration efficiencies of the house, which reflect the removal of outdoor particles penetrating building envelope and the deposition inside a building, were obtained from data screened based on an empirical evaluation process. Infiltration factor of fine particles showed a range from about 42% at 0.4 m/s of wind speed to 72% at 4.2 m/s of wind speed with closed windows and doors. Filtration efficiency was like a MERV 13 grade filter with an open window outside at a balcony at low outdoor wind speed under 1 m/s. The grade decreased to MERV 11 by opening another outside window at the other balcony. Filtration efficiencies decreased as much as 29% in average at a range of 0.3~2.5 ㎛.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. A layout of the apartment house and the arrangement of research devices.
표 Table 1. Air change rate at 50 Pa of an apartment house and the test conditions.
그림 Figure. 2. Unscreened indoor to outdoor ratio and screened empirical infiltration factor of fine particle at an apartment house corresponding to the wind speed change.
그림 Figure. 3. Filtration efficiencies of an apartment house by particle sizes in different indoor opening conditions under low outdoor wind speeds (< 1 m/s).
표 Table 2. Filtration efficiency compared to minimum efficiency reporting value (MERV).

AI 본문요약
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문제 정의

ASTM의 기준 조건 이외에 발코니 창호와 거실 방문의 개폐에 따라 건물의 기밀성능이 얼마나 변하는지 확인해보았다. 창문과 방문의 개폐조건에 따른 ACH₅₀은 표 1에 표시하였다.

가설 설정

미세먼지 유입 특성은 측정 기간 중 실내외 미세먼지 농도와 외부 풍속이 안정한 구간의 데이터를 추출하여 분석했다. 바깥 미세먼지가 실내로 유입되는 특성을 분석하기 위해 입자 크기에 따른 입경별 실내외 농도비를 분석했고, 바깥 미세먼지가 실내로 유입되는 과정에서 필터가 장착되었다고 가정하여 입자 제거성능에 해당하는 필터성능등급을 추정하였다.
실제 대기입자의 밀도가 대개 1 g/cm³ 보다 크므로 광학 등가 공기역학경에서 크기분포는 광학 등가 입경보다 더욱 큰 입자영역에 나타나게 된다(Hinds, 1998; Ji, 2018). 본 논문에서는 대기입자의 밀도를 1.6 g/cm³으로 가정하였다(Ji and Bae, 2013). 미세먼지가 창틈과 문틈을 통과하면서 제거된 효과를 필터 등급인 American society of heating, refrigerating and air-conditioning engineers (ASHRAE) dust spot efficiency rating과 비교해 보았다(Fisk et al.

제안 방법

OPC로 직접 측정한 대기 미세먼지 농도와 추세를 환경공단 관측소의 초미세먼지 농도와 비교하였다.
미세먼지 유입 특성은 측정 기간 중 실내외 미세먼지 농도와 외부 풍속이 안정한 구간의 데이터를 추출하여 분석했다.
본 측정은 재실자 3명이 실제 거주하는 조건에서 이루어졌다. 2년에 걸쳐 90일 간 주택 내 미세먼지와 초미세먼지 및 입자크기분포를 측정하였다. 미세먼지 유입 특성은 측정 기간 중 실내외 미세먼지 농도와 외부 풍속이 안정한 구간이면서 재실자의 활동이 없는 기간의 데이터를 추출하여 분석하였다.
ASTM 규격에 해당하는 조건 외에도 발코니 창호와 거실 방문의 개폐조건이 다른 5가지 경우의 침기량을 측정하였다. 조건 A는 발코니 창호와 거실 방문 모두 닫은 경우이고, 조건 B는 주방 발코니 외벽 창문(그림 1의 I) 열어 둔 조건이다.
Minimum Efficiency Reporting Value (MERV) 필터 등급과 주택의 미세먼지 제거효율을 비교해 보았다. MERV는 설치 초기의 최소 필터효율을 나타낸다.
E와 같이 발코니 내부 창호를 열 때는 활짝 열었다. 각 개폐조건의 기밀성능은 실내외 압력차를 10~50 Pa 범위에서 10 Pa 단위로 변경하면서 풍량을 측정한 후, 계산하여 추정하였다(ASTM, 2010).
공동주택에서 발코니 창호와 거실 방문의 개폐조건에 따른 기밀성능을 측정하였다. 해당 세대는 20층 아파트의 꼭대기 층이었으며, 높이는 지상으로부터 약 50m, 체적은 202.
공동주택에서의 미세먼지 유입 특성을 확인하기 위해 실증 측정 데이터로부터 실내외 농도비를 분석하였다. 실내외 농도비로부터 유입계수를 추정하기 위해서는 실증 데이터가 다음과 같은 조건을 만족해야 한다.
안정된 시점 전후로 외부 풍속이 일정한지를 확인하였고, 각각의 평균 외기 풍속이 일정한 조건을 선택하여 풍속의 편차를 함께 나타냈다. 두 번째로 주택 내 미세먼지 농도가 재실자 활동에 영향을 받지 않았는지를 작성한 에피소드 기록지에 근거하여 확인했다. 에피소드 기록지에는 사람의 출입, 실내 창호의 개폐와 자연환기, 조리, 청소, 취침, 후드와 화장실 팬의 사용 등을 분 단위로 기록했기 때문에 실내외 입자의 농도 데이터와 기록지를 확인하면 재실자 활동 영향을 확인할 수 있다.
마지막으로 바깥 미세먼지가 실내로 유입되는 특성으로 입자 크기에 따른 입경별 실내외 농도비를 분석하였고, 바깥 미세먼지가 실내로 유입되는 과정에서 필터를 통과한다고 가정하여 입자제거성능에 해당하는 필터성능등급을 추정하였다. 주방 발코니 외벽 창문이 열리고 외부 유속이 0.
9m²의 아파트의 미세먼지 유입 특성을 조사하였다. 먼저 건물 기밀성능을 확인하기 위해 발코니 창호와 거실 방문의 개폐에 따른 주택의 공기누설율인 ACH₅₀을 측정하였다. 실증 측정은 2년에 걸쳐 90일 간 진행되었다.
9m²이며 재실자가 3명인 아파트의 미세먼지 유입 특성을 파악하였다. 먼저 바깥의 미세먼지가 실내로 유입되는 건물의 특성인 기밀 특성을 분석하였다. 대상 주택의 ASTM 규격 기밀성능은 감압법으로 측정한 결과 ACH₅₀이 2.
2년에 걸쳐 90일 간 주택 내 미세먼지와 초미세먼지 및 입자크기분포를 측정하였다. 미세먼지 유입 특성은 측정 기간 중 실내외 미세먼지 농도와 외부 풍속이 안정한 구간이면서 재실자의 활동이 없는 기간의 데이터를 추출하여 분석하였다. 창과 문이 잘 닫힌 공동주택의 초미세먼지 유입계수는 바깥에 바람이 거의 없는 0.
6 g/cm³으로 가정하였다(Ji and Bae, 2013). 미세먼지가 창틈과 문틈을 통과하면서 제거된 효과를 필터 등급인 American society of heating, refrigerating and air-conditioning engineers (ASHRAE) dust spot efficiency rating과 비교해 보았다(Fisk et al., 2002). 주택의 입경별 제거효율은 일반적인 필터의 효율곡선과 유사하게 나타났다.
3 m 높이에서 샘플링이 이루어지게끔 설치했다. 바깥의 미세먼지 농도는 OPC를 주방 발코니에 설치하여 외벽 창문을 열고 측정했다. 해당 위치의 측정값이 바깥에서의 측정값과 같은 것은 사전에 확인했다.
41 회/h였다. 발코니 창호와 거실 방문의 개폐에 따른 주택의 공기 누설율을 측정하였다.
세 번째로 실외 초미세먼지 농도 측정값이 정확한지 확인하였다.
먼저 건물 기밀성능을 확인하기 위해 발코니 창호와 거실 방문의 개폐에 따른 주택의 공기누설율인 ACH₅₀을 측정하였다. 실증 측정은 2년에 걸쳐 90일 간 진행되었다. 측정기간 동안 주택에는 재실자 3명이 거주하였고, 미세먼지와 초미세먼지 농도 및 입자크기분포를 측정했다.
먼저 실외 미세먼지 농도와 실내농도가 안정되어 일정하게 유지되는 시점의 데이터를 찾았다. 안정된 시점 전후로 외부 풍속이 일정한지를 확인하였고, 각각의 평균 외기 풍속이 일정한 조건을 선택하여 풍속의 편차를 함께 나타냈다. 두 번째로 주택 내 미세먼지 농도가 재실자 활동에 영향을 받지 않았는지를 작성한 에피소드 기록지에 근거하여 확인했다.
외부 풍속에 따른 초미세먼지의 유입 특성은 실증 측정 데이터로부터 추출된 실내외 농도비로 분석하였다. 장기간 관측한 자료들 가운데서 2.
외부 풍속에 따른 초미세먼지의 유입 특성은 실증 측정 데이터로부터 추출된 실내외 농도비로 분석하였다. 장기간 관측한 자료들 가운데서 2.2절에 제시된 기준들을 만족하는 자료들을 추출하여 분석에 활용하였다. 초미세먼지의 유입 특성은 대기 미세먼지의 입경 분포에 따라 다르게 나타날 수 있다(Wallace, 1996).
주택 내 발코니 창호의 개폐조건에 따른 입경별 미세먼지 제거효율을 그림 3에 나타냈다. 주방 발코니 외벽의 창문만 열고 다른 창문이 모두 닫힌 조건 B(표 1 참조)와 주방 발코니 외벽의 창문과 거실 발코니의 외벽 창문이 열린 조건 D(표 1 참조)의 데이터를 추출하여 분석하였다. 입자의 크기별 실내외 농도비는 실외와 실내의 미세먼지와 초미세먼지 농도, 외부 풍속이 모두 안정되어 일정하게 유지되는 구간의 평균값을 사용했다.
주택 내 미세먼지 농도는 2018년 9월 초부터 11월말까지와 2019년 4월 초부터 5월 말까지, 약 90일 동안 거주자들의 실생활 중에 OPC (Model 11A, Grimm, Germany)를 이용하여 1분 단위로 측정하였다. 실험에 사용한 OPC들은 실험 전에 구입처에서 교차보정을 실시하였다.
해당 위치의 측정값이 바깥에서의 측정값과 같은 것은 사전에 확인했다. 초미세먼지 유입 특성 분석에 쓰인 1시간 단위의 대기 미세먼지 농도는 대상 주택에서 동서남북으로 반경 약 7 km 이내에 위치한 한국환경공단 관측소들 다섯 곳(기흥, 김량장동, 동탄, 영통동, 중부대로)의 건조 질량농도를 관측소 간 비교하고, 농도변화를 살펴 지역의 전반적인 추세에 어긋나는 추세가 없는지를 확인한 후 평균하여 사용하였다. 외부 풍속값은 실외온도의 출처인 기상청 측정소의 자료를 이용했다.
측정 대상 건물의 기밀성능을 구하기 위해 공기 누설율로 ACH₅₀을 측정하였다. ACH₅₀은 50 Pa의 실내외 압력차에서 측정 공간의 체적만큼의 침기 또는 누기량이 한 시간 동안 몇 번 교환되었는가를 표현한 것이다.
실증 측정은 2년에 걸쳐 90일 간 진행되었다. 측정기간 동안 주택에는 재실자 3명이 거주하였고, 미세먼지와 초미세먼지 농도 및 입자크기분포를 측정했다. 미세먼지 유입 특성은 측정 기간 중 실내외 미세먼지 농도와 외부 풍속이 안정한 구간의 데이터를 추출하여 분석했다.

대상 데이터

따라서 건물 높이와 실내외 온도차의 곱이 연돌 효과가 크지 않다고 여겨지는 200 m•°C 이내를 만족하였다. 대상주택의 ACH₅₀은 3.0 이하로 에너지절약 건물 수준이었다. 한국건축친환경설비학회에서 제시한 건축물의 기밀성능 기준에 따르면 국내 공동주택의 기밀성능은 1.
5 μm 입자는 1 μm 이하 입경의 입자보다 제거효율이 높기 때문에 일상적인 크기분포와 달리 미세먼지 주의보나 초미세먼지 주의보 시기는 초미세먼지 농도의 차이로 분석하는 것이 적절하지 않다. 따라서 일상적인 입자 크기분포에 해당하는 데이터만을 사용하였다. 특히, 황사와 같은 조건에서는 미세먼지는 물론이고 초미세먼지의 실외 대비 실내 농도가 상대적으로 낮은데, 이것은 초미세먼지 중 황사의 영향을 받아 농도가 높아진 1~2.
본 연구에서는 90일 측정 결과를 분석하여 구간의 다양한 변수의 값이 거의 변하지 않는 준정상상태 시점의 데이터를 추출하였다. 먼저 실외 미세먼지 농도와 실내농도가 안정되어 일정하게 유지되는 시점의 데이터를 찾았다. 안정된 시점 전후로 외부 풍속이 일정한지를 확인하였고, 각각의 평균 외기 풍속이 일정한 조건을 선택하여 풍속의 편차를 함께 나타냈다.
외부 풍속값은 실외온도의 출처인 기상청 측정소의 자료를 이용했다. 미세먼지의 입경별 제거효율은 2018년 9월, 11월과 2019년 4월 초에 주방 발코니의 OPC로 직접 측정한 실외 미세먼지 자료를 이용하여 산출했다.
본 연구는 국내에서 가장 많은 가구가 거주하는 크기인 전용면적 84.9m²이며 재실자가 3명인 아파트의 미세먼지 유입 특성을 파악하였다. 먼저 바깥의 미세먼지가 실내로 유입되는 건물의 특성인 기밀 특성을 분석하였다.
실제 환경에서의 측정 데이터를 사용하기 때문에 다양한 변수들이 일정하게 유지되는 시점을 찾기는 쉽지 않다. 본 연구에서는 90일 측정 결과를 분석하여 구간의 다양한 변수의 값이 거의 변하지 않는 준정상상태 시점의 데이터를 추출하였다. 먼저 실외 미세먼지 농도와 실내농도가 안정되어 일정하게 유지되는 시점의 데이터를 찾았다.
본 연구에서는 국내 많은 가구가 거주하는 유형인 아파트이고, 가장 많은 가구가 거주하는 면적대에 해당하는 전용면적 84.9m²의 아파트의 미세먼지 유입 특성을 조사하였다. 먼저 건물 기밀성능을 확인하기 위해 발코니 창호와 거실 방문의 개폐에 따른 주택의 공기누설율인 ACH₅₀을 측정하였다.
주변 관측소의 초미세먼지 농도값은 10 μg/m³이상 조건이면서, 주변 다섯 군데 관측소의 값이 거의 같은 데이터만을 사용하였다. 실증 측정하는 과정에서 기상 측정소와 실내에서 외기가 유입되는 자연환기 조건에서 실측한 초미세먼지 농도가 같은 조건의 데이터만을 추출하여 사용하였다.
초미세먼지 유입 특성 분석에 쓰인 1시간 단위의 대기 미세먼지 농도는 대상 주택에서 동서남북으로 반경 약 7 km 이내에 위치한 한국환경공단 관측소들 다섯 곳(기흥, 김량장동, 동탄, 영통동, 중부대로)의 건조 질량농도를 관측소 간 비교하고, 농도변화를 살펴 지역의 전반적인 추세에 어긋나는 추세가 없는지를 확인한 후 평균하여 사용하였다. 외부 풍속값은 실외온도의 출처인 기상청 측정소의 자료를 이용했다. 미세먼지의 입경별 제거효율은 2018년 9월, 11월과 2019년 4월 초에 주방 발코니의 OPC로 직접 측정한 실외 미세먼지 자료를 이용하여 산출했다.
41 회/h였다. 주택의 위치는 지상 20층아파트의 20층이었고 건물 높이는 약 50 m였다. 실증 측정 기간 중 기상청에서 얻은 해당 지역의 외기 온도와 실내 실측 온도의 차는 2.
공동주택에서 발코니 창호와 거실 방문의 개폐조건에 따른 기밀성능을 측정하였다. 해당 세대는 20층 아파트의 꼭대기 층이었으며, 높이는 지상으로부터 약 50m, 체적은 202.08m³이었다. 주택의 기밀성능은 블로어 도어(Minneapolis Blower Door™ System with DG-700, TEC, USA)를 현관에 설치해서 ACH₅₀(Air changes per hour at 50 pascals)을 감압법으로 구하였다(ASTM, 2010).

데이터처리

주방 발코니 외벽의 창문만 열고 다른 창문이 모두 닫힌 조건 B(표 1 참조)와 주방 발코니 외벽의 창문과 거실 발코니의 외벽 창문이 열린 조건 D(표 1 참조)의 데이터를 추출하여 분석하였다. 입자의 크기별 실내외 농도비는 실외와 실내의 미세먼지와 초미세먼지 농도, 외부 풍속이 모두 안정되어 일정하게 유지되는 구간의 평균값을 사용했다. 풍속은 B가 0.

이론/모형

주택의 기밀성능은 블로어 도어(Minneapolis Blower Door™ System with DG-700, TEC, USA)를 현관에 설치해서 ACH50(Air changes per hour at 50 pascals)을 감압법으로 구하였다(ASTM, 2010).

성능/효과

거실 발코니와 주방 발코니 외벽 창문이 모두 열린 경우 입자 제거효율은 MERV 11등급 수준으로 낮아졌으며, OPC의 0.3~2.5μm 크기의 입자를 측정하는 13개 채널에서 19~40%까지, 평균 29%의 차이를 보였다.
거실 방문의 기밀성능에 대한 영향은 상대적으로 작았다. 거실로 연결된 방문이 모두 열린 ASTM 조건에 비해 방문이 모두 닫힌 A 조건의 ACH₅₀은 0.06 회/h 낮았다.
먼저 바깥의 미세먼지가 실내로 유입되는 건물의 특성인 기밀 특성을 분석하였다. 대상 주택의 ASTM 규격 기밀성능은 감압법으로 측정한 결과 ACH₅₀이 2.41 회/h였다. 발코니 창호와 거실 방문의 개폐에 따른 주택의 공기 누설율을 측정하였다.

후속연구

실내 초미세먼지 농도 특성은 주택의 종류, 구조, 건축시기 등에 따라 달라지는 주택의 기밀 특성에 따라 달라질 수 있다. 기밀도가 상대적으로 낮을 것으로 추정되는 오래된 단독 주택이나 기밀도가 높은 신축 공동주택 등의 미세먼지 유입 특성 등에 대해서도 추가 연구가 필요하다고 생각한다.
상대적으로 기밀 성능이 낮은 조건 D의 경우는 거실과 주방쪽 내외부의 창호 4개를 모두 닫은 조건 A의 외부 풍속이 센 경우와 비슷할 것으로 추정된다. 이와 같이 모든 변수를 제어하여 데이터를 취득하기 어려운 것은 실증연구의 한계이므로, 향후 많은 시간의 실증 데이터를 확보할 수 있는 추가 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ACH50은 무엇인가?	측정 대상 건물의 기밀성능을 구하기 위해 공기 누설율로 ACH50 을 측정하였다. ACH50 은 50 Pa의 실내외 압력차에서 측정 공간의 체적만큼의 침기 또는 누기량이 한 시간 동안 몇 번 교환되었는가를 표현한 것이다. ASTM E779-10 “Standard Test Method for Determining Air Leakage Rate by Fan Pressurization” 의 규격에 따라 감압법으로 측정한 해당 주택의 ACH50 은 2.
	대기 미세먼지의 실내 유입 특성은 입자크기에 따라 어떻게 다른가?	대기 미세먼지의 실내 유입 특성은 입자크기에 따라 달라진다. 창과 문이 닫힌 공동주택 거실에서 미세먼지 중 상대적으로 큰 입자(PM10-2.5 ,입경이 2.5에서 10 μm 사이인 입자)는 거의 유입되지 않으나 초미세먼지는 상당량이 유입되는 것으로 보고되었다(Joo and Ji, 2019). 국내의 경우 대기 미세먼지에 대한 연구가 주로 활발하게 이루어지고 있지만, 주택 내와 같은 주거환경에서의 심층적인 미세먼지나 초미세먼지 관련 연구는 부족한 실정이다(Bae and Kim, 2017).
	주택 내 미세 먼지나 초미세먼지의 농도가 인체 노출의 관점에서 중요한 이유는 무엇인가?	2019년에는 상반기에만 1월 14일 129, 3월 4일 117, 3월 5일 135, 3월 6일 101 μ g/m3 로 2018년 최대 농도를 능가하였다. 사람들이 오랜 시간 주택 내에 머무르기 때문에 주택 내 미세 먼지나 초미세먼지의 농도는 인체 노출의 관점에서 중요하다. 통계청의 2014년 한국인의 생활시간조사 자료를 분석한 결과에 따르면 한국 성인은 평일에 14.

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저자의 다른 논문 :

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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