1. 서 론

실내공간에는 다양한 오염물질이 발생한다. 그중 조 리 행위는 airborne particulate matter, black carbon, CO, PAHs (Polycyclic Aromatic hydrocarbon), formaldehyde 그리고 VOC 성분 등을 발생시켜 장기간 실내에 머무 는 가정주부와 노약자, 어린이 등에 지속적인 악영향을 미친다(Liu et al., 2017;Du et al., 2017;Kim et al., 2017). 조리를 통해 발생하는 오염물질의 종류와 발생 량은 사용하는 연료, 조리 방법과 재료에 따라 매우 다 양하다. 미세먼지는 조리하는 과정에서 가장 많이 발생 하는 물질로 indoor air quality (IAQ)를 심각하게 저해 하는 오염물질 중 하나이다. US EPA (United States Environmental Protection Agency)는 particle total exposure assessment methodology (PTEAM) study를 통해 조리 행위를 실내 미세먼지 발생의 주요 원인이 라고 발표하였다(Wallace, 1996). 또한, 비흡연자들이 거주하는 주택(non-smoking residential)을 대상으로 한 미세먼지 연구에서도 조리 방법에 따라 정도의 차이가 있으나 조리 행위가 실내 미세먼지 농도 증가의 가장 주요한 원인이라고 발표하였다(Abdullahi et al., 2013). 또한 조리로 발생하는 미세먼지는 비흡연자인 가정주 부의 암 발병과 상관관계에 있다는 것이 밝혀지고 있 다(See and Balasubramanian 2008). 아시아 지역 국가 에서의 조리 방식에는 정도의 차이가 있으나 상대적으 로 더 많은 미세먼지를 발생시켜 인체에 악영향을 미 치는 것으로 나타났다(Kang et al., 2019).

국내에서는 1989년 지하공간의 실내 공기질을 개선 하기 위한 법을 제정한 이래 실내 공기질에 문제를 해 결하기 위하여 환기설비 설치 기준, 실내 오염물질 농 도 기준 설정 등과 같이 큰 노력을 기울여 왔으며, 이 러한 노력에 의한 결과로 실내 공기질 문제는 많이 해 소되었다(Kim and Lee, 2018).

그러나 실내 공기질 중 실내 미세먼지 증가에 대한 대책은 현재 미비한 상황이다. 이러한 상황에서 최근 국내에서는 대기 미세먼지뿐만 아니라 실내 환경과 환 기에 대한 국민적 관심이 높아지고 있다.

환기는 조리로 급격하게 증가하는 실내 오염물질 농 도를 낮추는데 가장 일반적으로 사용하는 방식으로 현 대화된 주택에서는 대부분 레인지 후드와 같은 기계식 환기를 사용하여 조리 시 발생하는 미세먼지를 제거한 다. 그러나 레인지 후드의 보급률과는 별개로 후드의 성능에 대한 문제점이 최근 지속해서 제시되고 있다 (Kang et al., 2019).

국내 공동주택의 레인지 후드 풍량을 측정한 결과 기존 공둥주택에 설치된 후드의 풍량은 정격 풍량 대 비 50% 이하로 성능 저하가 뚜렷한 것으로 나타났다 (Kang et al., 2017). 이러한 문제를 해결하기 위하여 레인지 후드를 개선하고 적절하게 운전할 수 있는 가 이드라인 요구가 매우 증가하고 있다. 또한, 상업용 주 방에 설치된 환기설비 또한 유사한 경향을 보인다. 주 방 후드 시스템을 가동한 조건에서 조리를 한 결과 미 세먼지 농도를 기준으로 좋은 실내 공기질을 유지하기 에 충분하지 못하는 것으로 밝혀졌다(Li et al., 2012). 또한 실내에서 시간당 6회 풍량으로 레인지 후드를 운 영하였음에도 불구하고 조리 시 발생한 미세먼지가 조 리를 한 cooking zone에서 non-cooking zone으로 확산 하여 실내공기질을 악화시킬 수 있는 것을 확인하였다 (Poon et al., 2016). 이처럼 조리 과정 중 단순하게 가 동하는 레인지 후드로는 공기질 유지가 어려운 것으로 판단된다.

선행 연구를 종합해보면 기존에 보편적으로 사용하 는 레인지 후드에 의한 환기 방식은 조리로 발생한 미 세먼지를 제거하는 데 한계를 가진다. 그러므로 본 연 구에서는 공동주택에 설치된 레인지 후드의 성능을 개선하기 위해 레인지 후드 연동 보조 급기 장치 (range hood with make-up air supply system)를 추가 로 적용하여 조리 시 발생하는 미세먼지 제거효율을 평가하였다.

2. 연구 방법

2.1 레인지 후드와 레인지 후드 연동 보조 급기 환기장치

레인지 후드는 조리 시 발생하는 오염물질을 신속히 제거하기 위해 조리 공간에 설치하는 배기 장치이다. 공동주택은 과거 시간당 0.7회 이상의 환기가 이뤄질 수 있도록 환기설비기준(현재 0.5회)이 설립되었다. 법 이 적용된 이후 최근 건물들은 다양한 타입의 환기설 비가 설치되어 의무 환기 기준을 만족하고 있다. 그러 나 레인지 후드는 설치 기준과 관계없이 주방이 구획 된 공간에 설치되어 있다. 기존에 설치된 레인지 후드 는 서두에서 밝힌 바와 같이 성능저하가 뚜렷하다. 후 드의 성능저하는 단순한 풍량 뿐만 아니라 소음을 증 가시켜 이용자로 하여금 후드의 사용을 제한하게 만드 는 원인이 되고 있다.

기존 공동주택의 주방 환기는 개별 배기 방식이 가 장 일반적이다. 이후 건물이 고층화 되면서 중앙 공용 덕트를 구획하여 배기시키는 공동 배기 방식이 설치된 사례도 늘어났다. 레인지 후드와 연동된 보조 급기 환 기장치 또한 개발 및 설치된 사례가 있으나 기존의 단 순한 레인지 후드 방식과 비교하면 가격, 시공 측면에 서 유리하지 못하며 해당 시스템의 운영방식에 관한 연구 또한 미비하여 결론적으로 해당 시스템은 공동주 택에 적용하는 것이 어려운 상태이다.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 기존 방식인 레인지 후드의 성능을 증가시키기 위하여 레인 지 후드와 연동한 보조 급기 환기장치를 공동주택에 적용하였다. 해당 급기 장치는 레인지 후드와 별도의 팬을 이용해 외부 공기를 실내로 공급하는 방식이다. 보조 급기 장치는 레인지 후드 가동 시 동일하게 가동 되어 조리 시 발생한 오염물질의 실내 확산을 막으며 레인지 후드의 미세먼지 제거 효율을 증가시키는 역할 을 한다.

보통 국내에 설치되는 레인지 후드의 배기 덕트의 크기는 지름 125 mm (0.0123 m²) 이다(Kang et al., 2017). 이에 보조 급기 환기장치의 덕트 크기와 팬 용 량 등을 종합적으로 고려하여 보조 급기 장치는 풍량 은 최대 200 CMH (m³/h)으로 설정하였다.

레인지 후드 연동 보조급기 장치의 성능을 평가하기 위해서 Table 1과 같이 3개의 case를 분류하여 실험을 수행하였다.

2.2 실험 개요

경기도 고양시에 있는 8층 규모의 실험용 공동주택 의 7층에서 실험을 수행하였다. 계절적 변화에 따른 외 부 미세먼지 도입 시 문제가 될 수 있으나 본 연구에서 외기도입 시 별도의 필터에 대한 사안은 고려하지 않 았다. 이에 주로 외부 미세먼지 농도가 미비한 시기인 8~9월로 한정하여 실험을 수행하였다. 외부 미세먼지 농도는 실내 미세먼지 농도를 형성하는 중요한 요소이 다(Kang et al., 2020). 그러므로 본 연구에서는 실내와 실외 미세먼지 농도를 동시에 측정하여, 실시간으로 변 화하는 실외 미세먼지 농도를 반영하였다.

실험 공간은 바닥면적은 86.7m², 층고는 2.3m, 실 체적은 198.2 m³ 규모로 28평형 규모의 주택으로 일반 적인 공동주택 규모에 해당한다. 본 실험 전 사전에 대 상 공간의 기밀성능을 측정하였다. 측정은 ‘KONA Sapporo사의 KNS-4000 K’를 사용하였다. 측정 결과 대상 공간의 기밀성능은 ACH₅₀ 기준 2.9 (1/h)로 측정 되었다.

실험을 위하여 사용한 레인지 후드는 H사의 대표적 인 아일랜드 후드로 해당 후드의 정격 풍량은 320, 390, 510 CMH이다. 실물실험 공간에 후드를 설치한 후 후드의 풍량을 측정하였다. 후드의 풍량은 KS C 9304 (KSA, 2016) 피토관법에 따라 배기덕트 내부의 풍속, 온습도, 압력 등을 측정하여 산정하였다. 후드의 풍량은 Table 2와 같다. 또한 레인지 후드와 보조 급기 장치를 동시에 가동하였을 때, 변화한 레인지 후드의 풍량 및 증가율은 Table 3과 같다. 보조 급기 가동에 따른 레인지 후드의 푸풍량은 11.6~19.5% 증가하는 것 으로 나타났다.

조리 시 발생하는 미세먼지의 주요 입경은 0.1 mm 이하인 ultrafine particle (UFP)이기 때문에 본 연구에 서는 condensation particle counter (CPC) 방식의 TSI 사의 CPS 3007을 사용하였다. 해당 장비의 particle size range는 0.01~1.0 mm로 UFP를 측정하는 장비이다. 추가로 미세먼지의 대표적인 지표 중 하나인 PM_2.5를 함께 측정하여 질량 농도의 변화를 함께 측정하였다. 질량 농도 측정은 TSI사의 DustTrak 8532를 사용하 였다.

측정 간격은 1분으로 하여 조리 시 발생하는 미세먼 지의 농도 변화를 실시간으로 측정하였다. 모든 실험은 사전에 실내를 충분히 환기한 뒤 조리를 시작하였으며, case 별 각각의 환기 조건을 갖춘 후 30분 이상 시간을 가져 실내 농도가 안정화되는 것을 확인한 후 실험을 수행하였다. 측정한 미세먼지는 모두 안정화 기간을 거 친 후의 초기 농도(배경농도)를 제외한 값을 사용하여 조리로 발생한 미세먼지만을 분석하였다.

조리는 예열 1분, 조리 12분, 조리 후 농도 감소 등 의 순서로 진행하였으며 총 2시간을 수행하였다. 실험 은 case 별로 3회 반복 수행하였다. 조리 시 발생하는 미세먼지 측정을 위하여 국내에 유통되고 있는 베이컨 (350 g)을 동일하게 사용하였으며, 가열장치의 가열 강 도 또한 동일하게 하였다. 또한, 실험자 1인이 반복수 행하여 실험적 오차를 줄이고자 하였다.

Fig. 2는 대상공간의 평면에 레인지 후드, 보조 급기 환기장치의 설치 위치, 측정 위치, 환기 경로를 나타내 었다. 대상공간을 대표하는 실내 농도는 거실의 농도를 사용하였다. 반면 주방 측정은 환기설비의 미세먼지 제 거효율(capture efficiency)을 측정하는 용도로 사용하 였다. 레인지 후드의 미세먼지 제거효율은 배기설비의 위치 및 높이, 조리공간의 위치 및 높이에 매우 큰 영 향을 받는다. 그러므로 본 연구에서는 해당 선행연구 (ASTM E3087-17, Lunden et al., 2014)를 참고하여 실 험을 진행하였다.

2.3 조리 시 발생한 미세먼지 제거 성능 평가

레인지 후드의 미세먼지 제거 효율 측정은 미세먼지 발생장치를 활용하여 제거율을 산정하는 방식과 실제 조리를 통한 미세먼지 제거율 산정하는 방법으로 나뉜 다. 본 연구에서는 실제 조리를 수행하는 방식으로 밀 폐 조건에서 3회, 환기방식 별 3회 반복측정을 통해 미 세먼지 제거율을 분석하였다. 레인지 후드 또는 보조 급기 연동 환기장치 가동에 의한 미세먼지 제거율은 이 론적으로 발생한 미세먼지의 양과 배기에 의해 제거된 미세먼지의 양의 관계로 식(1)과 같이 정의할 수 있다.

h : Removal efficiency of hood (%)

여기서 레인지 후드의 미세먼지 제거 효율은 식(2), (3) 로 정의할 수 있다(Lunden et al., 2014). 레인지 후드 효율은 밀폐조건에서의 조리에 의해 변화하는 실내 농 도의 적분 값과 후드가동 조건에서의 실내 농도의 적 분 값의 관계로 결정된다. 조리에 의한 미세먼지 발생 량이 동일하다는 가정 하에 환기설비를 미가동한 조건 에서 조리에 의해 변화하는 실내농도와 환기설비(후드, 보조급기)를 가동한 조건에서 실내농도의 관계를 활용 하여 제거 효율을 산정한다.

선행연구에서는 식(3)과 같이 배경농도에 도달한 시 점을 tb로 정의하여 효율을 산정하였다. 그러나 본 연 구에서는 밀폐조건 시 2시간이 지나도 실내농도가 배 경농도(C_background) 이하로 감소되지 않아 일관되게 2시 간이 지난 실험 종료 지점을 t_b로 산정하여 효율을 평 가하였다.

여기서 실내농도는 주방조리에 의해 발생된 미세먼 지와 실내 미세먼지를 모두 제거한 환기설비의 효과를 포함한다. 그러므로 배경농도를 제거한다.

여기서 반복하는 조리 실험에 의한 결과 값은 식(4)와 같이 평균 효율로 분석하였다. 본 연구에서 3회 반복한 실험데이터를 식(4)를 적용하여 효율을 산정하였다.

3. 측정 결과 및 고찰

3.1 조리에 따른 PM_2.5 농도 변화

조리와 환기방식에 따라 다르게 변화하는 PM_2.5 농 도 변화는 Fig. 3과 같다. Fig. 3은 조리 시작/종료 시 점을 나타내었으며, 환기장치는 실험기간 중 동일한 조 건에서 진행하였다. Case 1은 조리 시작 후 미세먼지 는 급격하게 증가하여 1.1mg/m3을 초과하였다. 조리 종료 후 레인지 후드 가동을 멈춤에 따라 감소 속도가 매우 느렸다. 자연 감소에 따라 미세먼지는 지속적으로 감소되었으나, 실험 종료지점인 2시간 뒤에도 0.5mg/ m3을 초과하였다. 이를 통해 조리 중 레인지 후드를 단 독으로 가동하는 것은 조리로 인한 미세먼지를 제거하 기에 환기량이 충분하지 않는 것으로 나타났다.

Case 2는 실험기간 동안(2시간) 레인지 후드를 단독 가동한 case로 조리로 인하여 최고 PM_2.5 농도가 0.8 mg/m3을 초과하였다. 조리 종료 후에도 레인지 후드에 의해 지속적으로 미세먼지를 감소시켜 실험 종료 지점 에는 0.1mg/m³ 이하로 감소하였으나, 초기 농도를 회 복하지 못하였다.

Case 3은 조리 중 레인지 후드와 보조 급기를 동시 에 가동한 유형으로 조리 직후 환기 장치의 가동을 멈 춰 case 1과 유사한 감소속도를 보였다. 그러나 조리 중 보조 급기 장치와 연동하여 발생한 미세먼지를 효 율적으로 제거하여 실험 시작 후 20분 지점까지 미세 먼지를 빠르게 감소시켰다. 이는 보조 급기 가동에 따 라 실내로 확산되는 미세먼지를 차단하고 레인지 후드 의 효율을 높였기 때문이다. 조리 시 발생한 미세먼지 는 주방에서 거실로 점차 확산되며 조리 종료 지점 이 후 점차 농도가 증가한 뒤 감소하는 경향을 보인다.

반면 case 4는 조리 직후에도 보조 급기 장치와 레 인지 후드를 가동하여 효율적으로 미세먼지를 제거하 였다. 조리 직후에도 최고농도가 PM_2.5 농도가 0.6mg/ m³ 수준으로 측정되었으며, 지속적인 환기로 인하여 실험 1시간 뒤 배경 농도를 회복하였다.

측정 결과 환기 방식 및 환기시간에 따라 PM_2.5 농 도 변화가 다양하게 나타났다. 특히 조리 후 후드와 보 조 급기 장치를 가동하는 것은 급격히 상승한 미세먼 지 농도를 신속하게 제거할 수 있는 것으로 나타났다. 조리 종료 후 실내가 환기 없이 실내가 밀폐되는 경우, 미세먼지는 자연 감소함에 따라 본 실험조건인 2시간 이 지남에도 실내농도가 크게 감소하지 못하였다.

3.2 조리에 따른 UFP 농도 변화

별도의 환기설비가 없는 조건에서 UFP의 평균 농도 는 약 102,851 #/cm³으로 고농도의 미세먼지 농도가 형성이 되었으며, 침기에 의한 자연감소로 인하여 실험 종료지점에서도 40,000 #/cm³를 초과하였다. 조리로 변 화하는 UFP 농도 변화는 Fig. 4와 같다. UFP는 PM_2.5 와 농도 경향이 유사하게 나타났다. 모든 실험조건에서 조리 직후 미세먼지가 유사하게 최고농도를 기록하였 으나, 환기방식에 따른 미세먼지의 농도 변화가 컸다. UFP는 조리 종료 후 환기장치 가동을 멈춤에 따라 case 1과 case 3이 조리 종료 후 감소하는 속도가 매우 유사하게 나타났다.

Case 4는 PM_2.5와 마찬가지로 미세먼지를 가장 신속 하게 제거하였다. 특히 조리 직후 미세먼지가 160,000 #/cm³를 초과하였으나, 보조 급기와 레인지후드 가동에 따른 환기로 인하여 미세먼지가 가장 뚜렷하게 감소하 였다. case 4는 실험 종료 직전 약 115분 경 배경농도 를 회복하였다. Case 3은 조리 중 발생한 미세먼지를 레인지 후드와 보조 급기 장치를 동시에 가동함에 따 라 조리 중과 조리 직후 미세먼지 농도가 낮게 형성되 었다. 그러나 조리 종료 후 환기장치 가동을 멈춤에 따 라 약 25분이 지난 시점부터 미세먼지 감소속도가 현 저하게 낮아졌으며, 조리 종료 시에도 배경농도 이하로 농도가 감소하지 않았다.

Case 2는 레인지 후드를 2시간 동안 가동하였음에도 불구하고 감소속도가 case 4에 비하여 현저하게 낮았 다. 이에 따라 조리 종료 시점에도 배경 농도를 회복하 지 못하였다. 이를 통하여 레인지 후드의 단독 가동은 조리로 발생되는 고농도의 UFP를 제거하기에 효율이 부족한 것으로 나타났다. 이에 대한 대안으로 레인지 후드의 풍량 또는 배기 효율을 증가시켜 미세먼지를 신속하게 제거하는 것이 필요하다.

3.3 환기장치의 조리 시 발생하는 미세먼지 제거 효율

미세먼지 농도 변화를 활용하여 환기장치의 미세먼 지 제거 효율을 분석하였다. 분석 결과는 Fig. 5와 같 다. 환기장치의 가동에 따른 미세먼지 제거 효율은 PM_2.5가 UFP보다 모든 case에서 동일하게 더 높은 경 향을 보였다. UFP의 제거효율은 39.7~75.6%로 분석된 반면, PM_2.5 제거효율은 42.4~95.7%로 분석되었다.

레인지 후드와 보조 급기를 동시에 가동할 경우(case 4) 조리에 의해 증가한 PM_2.5의 대부분을 제거할 수 있 는 것으로 나타났다. 이를 미루어볼 때, 동일한 환기 조건으로 조리 시 발생한 미세먼지를 제거하더라도 미 세먼지의 입경에 따른 제거율의 차이가 발생하는 것으 로 나타났다. 특히 UFP의 제거율은 PM_2.5에 비하여 낮 았으며, 이는 조리 시 발생한 오염물질의 실내 확산, 환기 장치에 의한 환기량, 주방 거실과 같은 환기 설비 의 위치 등과 관계가 있을 것으로 추정된다.

조리 기간에만 레인지 후드와 보조 급기를 동시에 가동한 case 3은 레인지 후드를 2시간 동안 가동한 case 2와 유사한 미세먼지 제거 효율을 나타내었다. 일 반 가정에서 조리 종료 후 환기장치의 가동을 멈추는 것이 일반적인 것을 고려하였을 때, 조리 중 보조 급기 장치를 연동하여 레인지 후드를 가동하더라도 미세먼지 제거 효율을 크게 증가시킬 수 있는 것으로 나타났다.

레인지 후드의 효율측정은 측정 조건에 따라 미세먼 지의 제거효율의 차이가 발생할 수 있다. 선행 연구의 경우 Chen et al. (2018)은 다양한 조건에서의 조리 조 건의 반복실험을 통해 조리에 의한 미세먼지의 발생량 과 후드의 제거효율을 측정하였다. 선행연구에서의 미 세먼지 제거 효율은 PM_2.5가 52~63%, UFP가 46~53% 인 것으로 분석되었다. 이는 본 연구에서의 미세먼지 제거효율의 경향이 유사한 것으로 나타났다. 특히 UFP는 기계환기 설비에 의한 제거가 PM_2.5보다 낮게 나타났다. 이는 본 연구에서 여러 유형의 환기조건에서 의 실험 결과와 일치하였다.

또한 보조 급기 장치에 대한 선행연구(Huang et al., 2011)에서는 미세먼지가 아닌 SF₆ 가스를 활용하여, 보 조 급기 장치(air curtain)을 활용할 경우, 오염물질을 실내로 확산시키는 것을 막으며, 후드의 압력손실 측면 에 유리하므로 에너지 소비량이 50% 수준으로 감소된 다고 평가하였다. 본 연구에서는 레인지 후드 단독가동 과 후드와 보조 급기의 병행 운전간의 풍량 비교를 통 하여, 보조급기를 병행 가동할 시 풍량이 증가하는 것 을 확인하였다. 또한, 미세먼지와 가스성 물질의 경향이 다를 수 있으나 보조급기를 추가 운영함에 따라 실내 미세먼지 농도가 일관되게 저감되는 것을 확인하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 기존의 공동주택에 레인지 후드와 보 조 급기 장치를 실치 및 가동하였다. 이에 따라 조리를 통해 2시간 동안 실내·외 미세먼지의 농도 변화를 연 속 측정하였으며, 이를 통하여 제거 효율을 분석하였다. 이를 위하여 조리 중 환기 유형(case 1, 3)과 조리 중- 후까지 환기(case 2, 4)로 환기설비의 운영을 4 case를 구분하여 분석하였다. 조리에 의해 실내 미세먼지 농도 는 급격하게 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 PM_2.5, UFP가 정도의 차이가 있으나 유사하게 농도가 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 환기방식에 따라 미 세먼지가 감소하는 경향은 다소 다른 것으로 분석되었 다. 레인지 후드를 단독으로 가동한 경우, 실내로 확산 되는 미세먼지를 충분히 제거하지 못하여 실내 미세먼 지를 크게 증가시켰으며, 조리 종료 후 지속적으로 가 동하더라도 실내 농도를 배경 농도 이하로 감소시키지 못하였다.

UFP와 PM_2.5의 농도 변화는 증가/감소에 대한 경향 은 일치하였으나, 미세먼지 제거 효율은 다소 차이가 나타났다. 모든 case에서 동일하게 UFP의 제거효율이 PM_2.5에 비해 낮았다. 환기장치 가동에 따른 미세먼지 제거효율은 입경 별로 효율의 차이가 발생하는 것으로 나타났다.

조리 중 레인지 후드와 보조 급기 장치를 동시에 가 동할 경우, 신속하게 미세먼지를 제거할 수 있는 것으 로 나타났다. 또한 레인지 후드만 2시간 단독 가동 (case 2)하면 조리 중에만 레인지 후드와 보조 급기를 병행하는 환기 방식(case 3)과 미세먼지 제거 효율이 유사하였다. 실내 미세먼지 농도 변화와 제거 효율 등 을 종합적으로 고려하였을 때, 조리 후에도 환기 장치 를 가동하여 미세먼지를 제거하는 것이 필요하다.