[논문]시간활동양상 및 이산화탄소 농도를 이용한 한국 주택 환기량 추정

박진현; 류현수; 허정; 조만수; 양원호

doi:10.5668/jehs.2019.45.1.1

시간활동양상 및 이산화탄소 농도를 이용한 한국 주택 환기량 추정
Estimation of Ventilation Rates in Korean Homes Using Time-activity Patterns and Carbon Dioxide (CO2) Concentration 원문보기

韓國環境保健學會誌 = Journal of environmental health sciences, v.45 no.1, 2019년, pp.1 - 8

박진현 (대구가톨릭대학교 산업보건학과) , 류현수 (대구가톨릭대학교 산업보건학과) , 허정 (대구가톨릭대학교 산업보건학과) , 조만수 (대구가톨릭대학교 산업보건학과) , 양원호 (대구가톨릭대학교 산업보건학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Objectives: The purpose of this study was to estimate the ventilation rate of residential homes in Korea through tracer gas methods using indoor and outdoor concentrations of carbon dioxide ($CO_2$) and $CO_2$ generation rates from breathing. Methods: In this study, we calculated the number of occupants in a home by time through data on the average number of people per household from the Korean National Statistical Office and also measured the amount of $CO_2$ generation by breathing to estimate the indoor $CO_2$ generation rate. To estimate the ventilation rate, several factors such as the $CO_2$ generation rate and average volume of residential house provided by the Korean National Statistical Office, indoor $CO_2$ concentrations measured by sensors, and outdoor $CO_2$ concentrations provided by the Korea Meteorological Administration, were applied to a mass balance model for residential indoor environments. Results: The average number of people were 2.53 per household and Koreans spend 61.0% of their day at home. The $CO_2$ generation rate from breathing was $13.9{\pm}5.3L/h$ during sleep and $15.1{\pm}5.7L/h$ in a sedentary state. Indoor and outdoor $CO_2$ concentrations were 849 ppm and 407 ppm, respectively. The ventilation rate in Korean residential houses calculated by the mass balance model were $42.1m^3/h$ and 0.71 air change per hour. Conclusions: The estimated ventilation rate tended to increase with an increase in the number of occupants. Since sensor devices were used to collect data, sustainable data could be collected to estimate the ventilation rate of Korean residential homes, which enables further studies such as on changes in the ventilation rate by season resulting from the activities of occupants. The results of this study could be used as a basis for exposure and risk assessment modeling.

주제어

표/그림 (5)

표 Table 1. Number of respiratory rate measurement participants
그림 Fig. 1. Percentage of occupants at home and indoor CO₂ concentration.
표 Table 2. Amount of CO₂ generation by breathing per person
그림 Fig. 2. Amount of CO₂ generation and air changes per hour.
표 Table 3. Summary of process to estimate ventilation rate of this study

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 사람의 호흡에 의한 CO₂ 발생량과 실내외 CO₂ 농도를 물질수지식에 적용하여 우리나라 일반 주택에서의 시간에 따른 환기량의 변화와 하루 중 평균 환기량을 추정하고자 하였다.

가설 설정

계산된 환기량의 시간에 따른 변화를 관측하였으며, 환기량이 대수 정규분포를 보이는 점을 고려하여 환기량의 일 기하평균을 구하였다. ¹⁵⁾ 또한 시간에 따른 CO₂ 농도 변화량의 변이계수가 1% 미만인 구간은 정상상태(steady-state)로 가정하였다.
7 L/h로 나타났으며 성별 및 연령에 따른 CO₂ 발생량은 아래의 Table 2에 나타내었다. 또한 환기율 추정을 위한 CO₂ 발생량의 행동 부하는 재실 비율이 90% 이상인 23시부터 5시는 수면으로, 그 외 시간은 휴식인 것으로 가정하였다.
이 때, 실내 공간에서 CO₂는 완전히 혼합되며(m=1), 일반 주택에서의 CO₂의 실내 제거인자는 없는 것으로(R=0) 가정하였다. 계산된 환기량의 시간에 따른 변화를 관측하였으며, 환기량이 대수 정규분포를 보이는 점을 고려하여 환기량의 일 기하평균을 구하였다.
CO₂ 발생량은 마스크를 착용하고 호기와 흡기가 새어나지 않도록 한 뒤, Quark b2 (COSMED, Italy)를 통해 측정하였다. 집에서의 활동의 운동 부하 수준은 수면과 휴식 및 가벼운 활동(sedentary) 정도의 운동 부하라고 가정하여 의자에 앉아 5분간 휴식을 취한 뒤 안정 상태에서 10분 동안 CO₂ 발생량을 측정하였다. 또한 수면 시의 호흡량은 EPA에서 제공하는 연령 및 성별에 따른 호흡량의 비를 적용하여 추정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 통계청의 생활시간 조사자료와 우리나라의 평균 주택 체적, IoT 공기청정기의 CO₂ 센서를 통해 측정한 실내 CO₂ 농도와 연평균 대기 중 CO₂ 농도를 물질수지식에 적용하여 일반 주택에서의 환기량을 평가하였다. 주택의 환기량은 재실 인원의 변화와 유사한 경향을 보였으며, 7시부터 감소하는 경향을 보이고 10시에 최저가 되었다.
실외의 CO₂ 농도는 기상청에서 제공하는 우리나라의 2016년 연간 평균 CO₂ 농도를 적용하였다. 실내 CO₂ 농도는 2015년 9월부터 2016년 8월까지 약 1년 동안 7,500 가구를 대상으로 CO₂ 농도 측정 센서가 장착된 IoT(Internet of Things) 공기청정기를 이용하여 CO₂ 농도를 측정하였다. 기기의 정확도는 약 95%였으며, 공기청정기 위치는 사용자의 편의에 따라 설치되었다.
실내의 CO₂ 농도는 실외의 CO₂ 농도에 영향을 받을 수 있으므로, 실외에서의 CO₂ 농도를 고려하여 실내에서의 CO₂ 발생량을 계산하였다. 실외의 CO₂ 농도는 기상청에서 제공하는 우리나라의 2016년 연간 평균 CO₂ 농도를 적용하였다.
일반 주택에서의 호흡에 의한 CO₂의 발생량을 추정하기 위하여 시간에 따른 가구당 평균 재실자 수를 계산하였다. 각 가구당 재실자 수는 통계청에서 제시하는 인구 총 조사의 2016년 ‘주택(오피스텔포함)의 종류 및 주거면적별 가구(일반가구)’에서 비거주용 건물 내 주택을 제외한 단독주택, 아파트, 연립주택, 다세대주택, 오피스텔의 가구 수와 가구원을 이용하여 계산하였다.
¹¹⁾ 통계청 생활시간조사는 5년을 주기로 실시하고 있으며, 12,000 가구의 만 10세 이상 가구원 약 28,000명을 대상으로 하였다. 조사기간은 2014년 7월 16~30일(15일간), 9월 16일~10월 1일(16일간), 11월 25일~12월 10일(16일간)에 조사되었으며, 10분 간격으로 설계된 시간일지에 자신이 한 행동을 일기 쓰듯이 응답자가 2일 동안 직접 기입하는 방식으로 이루어졌다. ¹²⁾

대상 데이터

194명을 대상으로 측정한 호흡에 의한 CO₂ 발생량은 수면 시 13.9±5.3L/h, 휴식 시에는 15.1±5.7 L/h로 나타났으며 성별 및 연령에 따른 CO₂ 발생량은 아래의 Table 2에 나타내었다. 또한 환기율 추정을 위한 CO₂ 발생량의 행동 부하는 재실 비율이 90% 이상인 23시부터 5시는 수면으로, 그 외 시간은 휴식인 것으로 가정하였다.
²⁷⁾ 또한 실내 재실자가 모두 성인으로 가정되어 재실자 중 어린이가 있을 수 있다는 제한점이 있었다. 그러나 일반 주택에서의 환기량 측정이 어려움에도 불구하고 7,500 가구의 실측 데이터를 이용하여 의미있는 실내·외 환기량을 평가하였다고 판단한다. 본 연구의 결과는 우리나라의 거주지에서 공기오염물질 노출평가에 이용될 수 있는 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
발생량을 실측하였다. 연령에 따라 만 19~24세, 만 25~34세, 만35~44세, 만45~54세, 만55~64세의 5개의 연령대로 구분하였으며, 고혈압, 당뇨, 비만, 흡연자는 대상에서 제외한 194명을 대상으로 하였다(Table 1). CO₂ 발생량은 마스크를 착용하고 호기와 흡기가 새어나지 않도록 한 뒤, Quark b2 (COSMED, Italy)를 통해 측정하였다.
재실자의 호흡에 의한 1인당 CO₂ 발생량을 구하기 위하여 만 19~64세 성인을 대상으로 2018년 8월부터 12월까지 CO₂ 발생량을 실측하였다. 연령에 따라 만 19~24세, 만 25~34세, 만35~44세, 만45~54세, 만55~64세의 5개의 연령대로 구분하였으며, 고혈압, 당뇨, 비만, 흡연자는 대상에서 제외한 194명을 대상으로 하였다(Table 1).

데이터처리

의 실내 제거인자는 없는 것으로(R=0) 가정하였다. 계산된 환기량의 시간에 따른 변화를 관측하였으며, 환기량이 대수 정규분포를 보이는 점을 고려하여 환기량의 일 기하평균을 구하였다. ¹⁵⁾ 또한 시간에 따른 CO₂ 농도 변화량의 변이계수가 1% 미만인 구간은 정상상태(steady-state)로 가정하였다.
또한 통계청에서 제공하는 2014년 생활시간조사 자료를 분석하여 시간당 주택 재실 비율(%)을 계산하였고, 이것을 우리나라 가구당 평균 인구수에 적용하여 각 가구의 시간당 평균 재실자 수를 구하였다. ¹¹⁾ 통계청 생활시간조사는 5년을 주기로 실시하고 있으며, 12,000 가구의 만 10세 이상 가구원 약 28,000명을 대상으로 하였다.
환기량 및 시간당 공기 교환 횟수의 산출을 위하여 통계청 자료 및 국립환경과학원 고시의 일반 노출계수에 명시된‘생활공간별 면적 및 부피’를 이용하여 2016년의 가구당 체적을 계산하였으며, 공기청정기의 주 설치 장소가 거실임을 고려하여 거실의 체적을 계산하였다.

이론/모형

집에서의 활동의 운동 부하 수준은 수면과 휴식 및 가벼운 활동(sedentary) 정도의 운동 부하라고 가정하여 의자에 앉아 5분간 휴식을 취한 뒤 안정 상태에서 10분 동안 CO₂ 발생량을 측정하였다. 또한 수면 시의 호흡량은 EPA에서 제공하는 연령 및 성별에 따른 호흡량의 비를 적용하여 추정하였다. ¹³⁾
일반 주택에서의 환기량을 추정하기 위하여 실내 공기질의 물질수지식(식 1)을 적용하였다. ¹³⁾

성능/효과

본 연구결과 계산된 휴식 시 성인의 호흡에 의한 CO₂ 발생량은 15.1±5.7 L/h로, ASHRAE에서 제공하는 미국 성인의 앉아있을 때의 호흡에 의한 CO₂ 발생량 18.6 L/h (=0.31 L/min)보다 낮은 것으로 나타났다. Persily와 Jonge(2016)는 기초대사량과 MET(metabolic equivalent of task)를 이용하여 CO₂ 발생량을 계산하는 공식을 제시하였다.
농도 또한 증가하였다. 시간에 따른 CO₂ 농도의 증가 및 감소는 재실 인원의 증가 및 감소보다는 시간적으로 조금 늦은 경향을 보였으며, 농도 및 재실 인원이 증가할 때 보다는 감소할 때 시간적인 차이가 더 나타났다. 그 이유는 일반적으로 외출 시에 문단속으로 인하여 공간이 밀폐되어 환기량이 줄어들기 때문에 CO₂ 농도의 감소에 걸리는 시간이 짧기 때문인 것으로 판단되며, 실제로 재실자 인원이 감소함에 따라 시간당 공기 교환 횟수가 감소하는 것이 관측되었다.
1). 실내 CO₂ 농도는 22시부터 8시에는 실내 CO2 농도가 900 ppm 이상이 었으며, 해당 시간대의 CO₂ 농도 변화량은 평균 923 ppm 표준편차 7.9 ppm으로 나타나 변이계수가 0.86%로 농도가 일정하게 유지됨을 확인할 수 있었다. 또한 14~16시에는 평균 726 ppm, 표준편차 1.
실내공기질 물질수지식(식 1)을 이용해 산출한 한국 주택의 평균 환기량은 42.1 m³/h로 추정되었으며 거실의 평균 공기 교환 횟수는 0.71 ACH로 산출되었다. 최대 환기량은 21시에 69.
본 연구결과를 Table 3에 요약하여 나타내었다. 우리나라의 가구당 인구수 2.53명을 2014 생활시간조사 자료를 이용한 주택 재실 비율에 적용한 결과, 하루 중 22~6시에는 가구당 평균 재실 인원이 2명 이상이었으며, 7~8시, 18~21시의 가구당 평균 재실 인원은 1~2명, 9~17시에는 1명 이하인 것으로 나타났다. 가구당 평균 재실 인원이 아침 7시부터 2명 이하로 감소하는 것은 직장의 출근 및 등교를 위해 집을 떠나기 때문인 것으로 판단되며, 11시까지 계속 감소하다 12시에 다소 증가하는 경향을 보이는데, 이것은 오전 근무자의 귀가 또는 점심 식사를 위한 방문으로 판단할 수 있다.
주택의 환기량은 6시부터 감소하는 경향을 나타내었는데, 이것은 출근 및 등교 등으로 인하여 집을 떠날 경우 문단속 등의 실내 밀폐로 인한 환기량 감소로 유추할 수 있으며, 12시에 평균 재실 인원의 증가와 동시에 환기량이 증가함이 관찰되는데, 사람의 출입에 의한 환기량의 증가로 판단된다. 일 평균 환기량은 42.
농도를 물질수지식에 적용하여 일반 주택에서의 환기량을 평가하였다. 주택의 환기량은 재실 인원의 변화와 유사한 경향을 보였으며, 7시부터 감소하는 경향을 보이고 10시에 최저가 되었다. 이후 증가하는 추세를 보이다 21시에 최고가 되었다.
71 ACH로 산출되었다. 최대 환기량은 21시에 69.8 m³/h, 최대 공기 교환 횟수는 1.18 ACH, 최소 환기량과 최소 공기 교환 횟수는 11시에 각각 9.9 m3 /h, 0.17 ACH로 나타났다(Fig. 2).

후속연구

본 연구는 우리나라의 거주용 주택 전체를 대상으로 하여 노출 및 위해성 평가를 위한 모델링을 위한 기초자료로 활용될 수 있다. 또한 생활 양식 변화로 인한 계절에 따른 환기량 변화량 연구와 같은 추가적인 연구가 이루어져야 할 것이다.
이후 증가하는 추세를 보이다 21시에 최고가 되었다. 본 연구는 우리나라의 거주용 주택 전체를 대상으로 하여 노출 및 위해성 평가를 위한 모델링을 위한 기초자료로 활용될 수 있다. 또한 생활 양식 변화로 인한 계절에 따른 환기량 변화량 연구와 같은 추가적인 연구가 이루어져야 할 것이다.
본 연구에서 사용된 CO₂ 농도는 시중에 상업용으로 판매되는 공기청정기의 데이터를 사용했다는 점에서 여러 한계가 있다. 공기청정기를 구매하기 어려운 빈곤계층이 고려되지 못한 점과, 측정 지역이 명확하지 않고 무작위로 선정된 점, 설치 장소가 거실로 가정되었다는 점과 실내 한 곳에서만 측정되었다는 점의 한계가 있다.
그러나 일반 주택에서의 환기량 측정이 어려움에도 불구하고 7,500 가구의 실측 데이터를 이용하여 의미있는 실내·외 환기량을 평가하였다고 판단한다. 본 연구의 결과는 우리나라의 거주지에서 공기오염물질 노출평가에 이용될 수 있는 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적절한 환기가 이루어지는지 측정하는 방법은 무엇인가?	주로 사용되는 환기량의 측정방법은 실내 기체의 시간에 따른 농도 감소율을 이용하는 추적가스법이 있으며, 주로 사용되는 추적가스는 과불화탄소(perfluoro carbon, PFCs), 육불화황(SF6), 이산화탄소(CO2) 등이 있다. 8) PFCs나 SF6를 이용할 경우 인위적으로 추적가스를 실내에서 발생시켜야 한다는 단점이 있다.
	환기는 어떻게 구분되나?	환기는 동력을 이용하여 강제로 외기와 내기를 순환시키는 기계적인 환기와 대류에 의한 자연환기로 구분할 수 있다. 기계적 환기는 사용자가 환기장치를 조절하여 환기량을 조절할 수 있으나 자연환기는 창문의 개폐 여부, 날씨, 외기의 풍속, 기온 등 많은 요소에 의해 영향을 받기 때문에 기계적 환기에 비해 변동이 심하며, 환기량의 예측에도 많은 어려움이 있다.
	환기상태가 불량할 경우의 영향은?	2) 또한 사람들은 실외의 공기를 마시고자 하는 욕구가 있으며, Ring 등(2008)에 따르면 창문을 개방하여 환기할 경우 정화되지 않은 외부 공기가 유입되더라도 실내공기질에 대한 만족도가 높아졌음을 알 수 있다. 3) 그러나 환기상태가 불량할 경우에는 실내 공기오염물질을 효과적으로 제거하지 못할 수 있어 사람의 건강에 악영향을 야기할 수 있다. 4) 실내 공기 오염물질은 뇌졸중, 허혈성 심장 질환, 만성 폐색성 폐질환, 급성 상기도 감염 및 폐암 등을 유발할 수 있으며, 5) 세계보건기구(World Health Organization, WHO)에 따르면 매년 수백만 명의 사람들이 실내 공기오염물질로 인하여 사망한다고 보고하였다.

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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