1. 서 론

국내는 최근 몇 년 사이 대기 미세먼지가 점차 악화 되고 있다. 한국의 대기 미세먼지 농도는 매우 높은 수 준으로 OECD 가입 국가 중 가장 높은 수준을 기록하 고 있으며(OECD 2017), 2005년에 WHO에서 정한 PM₁₀, PM_2.5 가이드라인 기준을 훨씬 초과하고 있다 (WHO 2016). 이에 따라 미세먼지 문제는 전 국민적인 이슈로 떠오르고 있는 상황이며, 실내 환경을 고려함에 있어 가장 중요시되고 있다.

현대인은 생활패턴, 근무형태 등에 따라 정도의 차 이가 있으나 일반적으로 90% 이상을 실내에서 생활하 고 있기 때문에 주택의 실내 미세먼지는 인체건강에 큰 영향을 미칠 수 있다. 외부 미세먼지가 급격히 증가 하는 동절기에는 인체 쾌적 문제로 자연환기가 쉽지 않다. 그러나 정상적인 환기가 이뤄지지 않음에도 불구 하고 대기 미세먼지는 다양한 경로로 실내에 유입되어 실내 미세먼지를 증가시킨다. 현재 국내에서는 법에 따 라 공동주택을 대상으로 환기설비(자연, 기계 등)가 의 무화로 설치되고 있다. 그러나 이러한 신축 공동주택을 제외한 대다수에 해당되는 기존 공동주택은 외부에서 유입되는 미세먼지에 쉽게 노출이 될 수 있다.

과거 실내공기질(IAQ) 문제는 실내발생원이 주요한 문제가 됨에 따라 환기, 오염원 제거 등의 방법을 통해 IAQ 문제를 해결해왔다. 그러나 현재 문제가 되고 있 는 미세먼지는 실외 유입원이 문제가 됨에 따라 기존 과 같은 방식으로 문제 해결이 쉽지 않다.

미세먼지에 대한 연구는 이전부터 다수가 수행되었 다. 서두에 밝힌 바와 같이 겨울철 발생하는 침기는 실 내 미세먼지 농도에 큰 영향을 미치며, 입경에 따라 실 내·외 관계, 인체에 미치는 영향이 다른 경향을 보인다 (Baek et al., 2015). 보육시설에서 실내 미세먼지의 재 실·비재실 구간 별 미세먼지 농도를 분석한 결과, PM_2.5에 해당하는 작은 입자의 경우, 실외의 영향을 많 이 받는 반면, 이보다 큰 입자는 실외의 영향을 거의 받지 않는 것으로 조사되었다(Park et al., 2015). 또한 주거 건물에서는 미세먼지 입경이 작을수록 실외 미세 먼지가 실내로 많이 유입이 되며, 주거 건물의 침기율 과 상관관계가 있는 것으로 나타났다(Kang and Choi 2015). 실내에서 발생한 미세먼지는 실내공간에서 다양 한 작용에 의해 재부유 현상이 발생하며, 실내 미세먼 지 농도가 낮은 경우, 라그랑지언 model을 이용하여 CFD 분석을 통해 실내분포를 예측할 수 있다(Choi and Kang 2013). 선행연구를 종합하면 현재 국내에서 는 미세먼지의 노출정도와 이에 대한 오염원에 연구가 미비한 것으로 판단된다. 그러므로 본 연구에서는 공동 주택에 거주하는 재실자의 미세먼지의 노출 정도를 입 경 별로 평가하였다.

2. 연구 방법

2.1 실험 개요

본 연구에서는 공동주택에 거주하는 재실자의 미세 먼지 노출량을 파악하기 위해 대전시에 위치한 기존 공동주택 2개 세대를 대상 건물로 선정하였다. 대상 주 택은 모두 환기설비가 설치되어 있지 않은 공동주택으 로 환기방식은 자연환기에 의존하는 건물이다. 선행연 구에 따르면 환기설비의 설치 및 운영 방식에 따라 실 내 미세먼지의 농도 경향은 매우 다르게 나타날 수 있 다(Park et al., 2014). 대부분의 공동주택은 실제 환기 설비 기준이 의무화되기 이전에 시공된 건물이므로 본 연구에서는 이를 고려여 대상주택을 선정하였다.

대기 미세먼지 수준이 가장 악화되는 시기는 통상적 으로 겨울철에 해당하므로 본 연구에서는 겨울철(12월) 에 측정을 진행하였으며, 대상 세대에서 1일간 실내·외 미세먼지 계수농도를 측정하였다. 측정은 optical particle counter (OPC) 방식을 활용하였으며, 측정 장 비는 TSI사의 OPS 3330을 사용하였다. 측정 시 측정 간격은 30초로 하였는데, 이는 실내에서 발생하는 미 세먼지를 보다 정밀하게 측정하기 위함이다. 또한 측정 channel은 입경별 분석을 위하여 4개(0.3-0.5, 0.5-0.7, 0.7-1.0, 1.0-10.0 μm)로 설정하였다. 측정 채널은 보다 다양하게 세분화가 가능하나, 반복적인 측정결과 1.0 μm을 초과하는 입경의 미세먼지는 실내·외 계수농 도에 미치는 영향이 낮기 때문에 위와 같이 통합하여 측정을 진행하였다.

실내 종합측정기(testo 480, Testo)를 활용하여 측정 기간 동안의 실내 온·습도 측정하였다. 이산화탄소는 멀티가스 모니터를 이용하여 각 실 측정을 통해 평균 값을 도출하였다(Multi-gas monitor, INNOVA). 이산화 탄소는 재실자 유무를 파악하는 보조 자료로 활용하였 으며, 측정기간 동안의 실내환경을 파악하기 위해 측정 하였다. 또한 대상 세대의 재실 조건과 환기, 조리 등 의 특정활동을 함께 파악하여 실내발생원과 미세먼지 농도를 파악하였다. 대상세대는 겨울철 재실 중 밀폐된 조건에서 생활하였으며, 주·야간 간헐적인 환기와 청소, 조리 등을 하였다. Fig. 1은 현장측정에 대한 사진이다.

2.2 실내 미세먼지 노출량

실내 미세먼지 노출량은 mass balance equation에 기 반을 두어 평가하였다. Mass balance equation은 실내 공 간이 well-mixed 조건으로 정상상태에서 실·내외 미세먼 지 농도를 측정하는 방식이다. 실내 미세먼지를 평가하 는 기본 원리로 실외에서 침투(penetration), 실내에서 일 어나는 침착(deposition), 실내발생(indoor emission) 등을 고려한 평형 방정식이다. 본 연구의 대상 건물은 환기 설비 및 별도의 air filtration이 없는 공동주택으로 이 를 고려하여 mass balance equation을 정리하였으며, 실내에서의 재부유(air resuspension) 현상을 제외한 식 에 기반을 두었다(Mullen et al., 2011). 해당 식은 실외 에서 유입되는 침투(P), 환기와 침기를 포함하는 공기 유동(a), 실내에서의 침착(K_d) 그리고 실내발생(Q_s)을 고려한 식이다.

여기서 해당 식은 실내와 실외의 평균농도를 반영하 여 식 (2)와 같이 정리할 수 있으며, 식(2)에서 실내발 생원(Q_S)이 없는 조건에서 식 (3)과 같이 정리할 수 있 으며 식(2)를 식(4)와 같이 정리할 수 있다.

Infiltration factor(f)는 실내에서 외부의 미세먼지가 실내로 유입되는 정도를 나타내는 지표이며, 식(3)으로 정의된다. Infiltration factor와 식(2)를 활용하면 실외 유입원과 실내발생원을 구분할 수 있는데 이는 식 (5) 와 같이 정리할 수 있다.

여기서 재실기간에 실내활동에 의한 미세먼지의 발 생 정도를 파악하기 위해 decay rate constant(a+K_d)를 산정하여야 한다. 이를 위해 식 (6)을 활용하여 그 값 을 도출하였다. 여기서 decay rate constant (K)는 공기 유동(a)과 침착(K_d)을 포함한다.

Infiltration factor는 외부의 미세먼지가 실내에 미치 는 정도를 파악하기 위한 지표로 공기유동, 미세먼지 의 침투, 침착 등의 현상을 반영한 지표로 실내발생원 이 없는 조건(Q_s= 0)에서 명확한 관계를 파악할 수 있다(Mullen et al., 2011). 본 연구에서는 infiltration factor와 실내/외 동시 측정 데이터를 활용하여 미세먼 지의 실내발생원과 실외유입원을 정량적으로 평가하 였다.

측정기간이 동절기이었기 때문에 본 연구에서는 청 소, 조리와 같이 미세먼지가 다량으로 발생되는 특정 행위(indoor peak event) 시기에만 창문개방, 후드 가동 등과 같이 환기 유형이 변경되었으며, 이외의 기간은 실내가 밀폐된 상태였다. 이러한 측정 조건을 반영하여 재실 중 미세먼지의 발생량을 평가하기 위해서 decay rate constant를 식(6)을 활용하여 도출하여 특정 시기 에 발생한 실내에서의 행위에 대한 미세먼지 발생량을 분석하였다.

오염물질에 대한 노출은 인체가 물리적, 화학적 작 용과 접해있음을 의미한다. 일반적으로 현장측정에 기 반한 연구에서 오염물질에 대한 노출을 정량적으로 평 가하는 것은 이전부터 다수의 연구가 이뤄져 왔다. 오 염물질을 정량적으로 평가하는 것은 오염물질과 각 개 인 간의 접촉에 초점이 맞추어져 왔으며, 식(7)으로 정 리된다.

3. 측정 결과 및 고찰

3.1 실내 재실 조건 및 I/O ratio 변화

실내외 농도비(I/O ratio)는 실내·외 미세먼지의 관계 를 파악할 수 있는 기본적인 지표에 해당한다. 본 연구 에서는 재실 조건에 따른 I/O ratio의 변화를 입경별로 분석하였다. 분석결과 재실 조건이 I/O ratio에 큰 영향 을 미치는 것으로 나타났는데 그 내용은 Table 1과 같 다. 입경별 분석 결과 대상건물 1(B1), 2(B2)는 각각의 값이 차이가 있으나 두 세대 모두 취침기간과 활동 기 간의 차이가 뚜렷하게 나타났다. 취침기간의 평균 I/O ratio는 B1은 0.60, B2는 0.55인 반면 활동 기간의 I/O ratio는 1.83, 0.94로 크게 증가하였다. 취침기간 중의 I/ O는 실내발생원이 “0”에 가까우므로 공기 유동에 인한 외부 유입원이 실내농도에 결정적인 역할을 하였다. 활 동 기간 중에는 다양한 활동에 의한 실내발생원으로 인해 I/O ratio의 증가 하였다. B1 건물의 재실활동은 B2에 비해 실내발생원의 강도가 높으므로 I/O ratio가 더 크게 증가하는 것으로 나타났다.

B1의 경우, 활동 기간과 취침기간의 I/O ratio가 뚜 렷한 차이를 보였다. 활동 기간 중 재실 조건(청소, 요 리) 등 indoor source를 다량으로 발생시키는 활동에 따라 I/O ratio가 1을 넘는 구간이 3곳에서 발견되었다. 특히 점심 요리의 경우, 고기 굽기와 같이 고농도의 실 내 미세먼지를 발생시켜 조리 후에도 실내 미세먼지가 쉽게 제거되지 않는 것으로 나타났다(Fig. 2).

미세먼지의 입경 별(μm) B1에서는 자연환기 및 청 소 시에 0.3-0.5 < 0.5-0.7 < 0.7-1.0 < 1.0-10.0 순으로 I/ O가 높게 측정되었다. 이는 개별 실내 활동에 따른 미 세먼지 발생량의 차이로 판단된다. 반면 요리에 따라 발생한 미세먼지는 실내농도를 일시적으로 증가시키는 것으로 나타났다.

이러한 실내농도의 증가는 레인지 후드 사용 및 자 연환기에 따라 감소하는 경향을 보였다. 비재실 조건과 야간 취침 구간에서는 I/O ratio가 재실기간에 비해 감 소하였다. 이는 실내발생원이 없거나 야간 취침에 따라 미비한 조건이기 때문으로 판단된다. 분석 결과 Fig. 2 와 같이 재실조건이 비재실에서 재실에서 재실로 전환 된 후 I/O ratio가 공통으로 증가하는 것으로 나타났다.

B2는 B1과 유사한 경향을 보였다(Fig. 3). 그러나 환 기 및 청소 활동에 따른 I/O ratio는 입경 별로 0.3-0.5 < 0.5-0.7 < 1.0-10.0 < 0.7-1.0 순으로 다른 경향을 보였 다. 이는 청소 활동과 실외 대기 조건에 따른 차이로 판단된다. 오후 중 알 수 없는 활동(unknown)에 따라 0.3-0.5 > 0.5-0.7 > 0.7-1.0 > 1.0-10.0 순서로 I/O ratio가 변화하였다. 이후 실내에서의 조리에 따라 I/O ratio가 증가하였으며, 2회 조리와 환기를 반복함에 따라 I/O ratio가 최대 4.5까지 증가하였다. 반면, 비재실 조건과 취침 구간에서 I/O ratio가 상대적으로 낮은 것으로 분 석되었다.

3.2 실내 활동에 의한 미세먼지 증가

서두에서 밝힌 바와 같이 다양한 재실활동에 의해 미세먼지가 발생한다. 본 연구에서는 재실자의 활동을 설문조사를 통해 수집하였다. 해당 결과를 토대로 측정 기간 중 뚜렷하게 미세먼지 농도가 증가하는 실내활동 을 분석하였다(Table 2). 공동주택에서는 실내 활동 중 조리에 의해 실내 미세먼지가 크게 증가하기 때문에 이 시기에는 실외 미세먼지 농도의 영향보다 실내 발 생량을 주로 고려하여 미세먼지를 평가하는 것이 필요 하다(Kang et al., 2019). 그러므로 조리와 청소 중 발 생한 미세먼지를 분석하기 위해 실내·외 미세먼지 농도 와 함께 측정기간 동안 변화한 미세먼지의 감소상수 (Particle decay rate constant or decay constant, 1/h)를 식 5를 활용하여 분석하였다. 여기서 감소상수는 실내에 서 발생한 공기유동량(a), 침착(k_d)를 포함한 개념이다.

이를 위해 Fig. 4와 같이 입경 별 미세먼지 감소 정 도를 분석하였다. 분석결과 1.0 μm 이상의 입자는 발 생량이 미비하여 0.7-10.0 μm로 함께 분석하였다. 미세 먼지의 감소상수는 다수의 실내 활동에서 입경 별 감 소 정도가 일치하였으며, 측정기간 중 감소상수는 0.77-6.49(1/h)로 매우 다양한 것으로 나타났다. 이는 실내활동 중 환기량과 밀접한 관련이 있다. 환기는 조 리 중 후드 가동에 의한 환기, 조리 후와 청소 중은 자 연환기에 의해 미세먼지가 저감되었다.

이를 반영하여 실내활동 중 발생한 총 미세먼지(σ, Total emitted particles)를 분석하였다. 미세먼지의 총 발생량은 0.01-36.15 × 10¹³으로 발생량의 변화폭이 매 우 컸다. 활동에 의한 평균 발생량은 입경별로는 0.3- 0.5 μm이 총 발생량의 55.6%, 0.5-0.7 μm이 25.4%, 0.7-10.0 μm이 19.0%로 분포되었다. 그러나 0.3-0.5 μm의 발생량은 47-95%로 나타났으며, 0.7-1.0 μm은 4-26%, 1.0-10.0 μm은 1-47%로 분석되었다. 이를 통해 재실활동 별 미세먼지의 입경 별 분포는 크게 상이한 것으로 나타났다. 또한, 실내활동에 의한 발생량에 따 른 미세먼지를 제거하기 위한 환기량이 매우 부족한 것으로 나타났다. 이에 따라 실내활동이 끝났음에도 불 구하고 발생한 미세먼지가 제거되지 않았다.

3.3 실내 미세먼지 노출량

본 연구에서는 24시간 연속 측정을 기반으로 실내 재실자의 미세먼지 노출량을 실내·외로 구분하여 평가 하였다. 장기측정에 따른 미세먼지 노출량을 파악하기 위해서는 실내·외 요인을 구분하기 위해서는 건물의 infiltration factor와 재실조건을 파악하는 것이 필요하 다. 비 재실기간 중 장기측정 결과, 두 건물의 infiltration factor는 B1은 0.59-0.76, B2는 0.49-0.75로 유사한 경향을 보이는 것으로 나타났다.

이를 바탕으로 재실자의 입경 별 미세먼지 노출량을 정량적으로 평가하였다. 평가 결과는 Fig. 5와 같다. 미 세먼지 노출량은 입경이 작을수록 큰 것으로 나타났다. 특히 0.3-0.5 μm의 미세먼지 노출량(10¹¹m⁻³h/d)은 실 내가 10.0, 실외가 13.1로 가장 큰 비중을 차지하였다. 실내·외 노출 비율은 43.1, 56.9%로 실외 유입원의 영 향이 더 큰 것으로 나타났다. 재실 중 다양한 행위로 I/ O ratio가 1을 초과했음에도 불구하고 실외 미세먼지가 지속해서 실내로 유입되는 것을 알 수 있다.

반면에 0.5 μm 보다 큰 입경은 모두 실내의 영향이 더 큰 것(53.2, 56.5, 73.5%)으로 나타났다. 이는 실외 유입원보다 실내발생원이 더 큰 것을 의미한다. 특히 1.0-10.0 μm 입경은 실내발생원의 비율이 73.5%로 실 외의 영향이 상대적으로 매우 낮은 것으로 나타났다.

4. 결 론

본 연구에서는 공동주택의 입경 별 실내 미세먼지의 노출량을 파악하고자 하였다. 미세먼지 노출량 분석을 위하여 재실조건에 따른 I/O ratio를 분석하였고 이를 바탕으로 미세먼지의 노출량을 실외 유입원, 실내발생 원으로 구분하여 정량적으로 평가하였다. 분석결과 공 동주택에서 실내발생원과 실외 유입원은 재실 조건에 따른 차이가 발생하였다. 조리, 청소 등 재실자의 다양 한 실내활동에서 발생한 실내 발생은 지속시간 이 짧 으나 강도가 매우 높았다. 또한 오염물질 배출을 위한 환기 그리고 지속적인 미세먼지의 침투됨에 따라 실외 유입원이 결정되었다.

연구결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.