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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.19 No.4 pp.400-413
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2020.19.4.400

Evaluation of indoor air quality improvement effect by using IoT-based green wall system in classrooms

Ho-Hyeong Yang1, Min-Jung Kwak2, Na-Ra Jeong3, Ho-Hyun Kim1,4,5*
1Life & Indutsry Environmental R&D Center in Pyeongtaek University
2Department of Data Information and Statistics, Pyeongtaek University
3Department of Urban Agriculture, National Institute of Horticultural and Herbal Science
4Department of Information, Communication and Technology Convergence, ICT Environment Convergence, Pyeongtaek University
5School-Based Enterprise PTU Tech in Pyeongtaek University
*Corresponding author Tel : +82-031-659-8308 E-mail : ho4sh@ptu.ac.kr
19/11/2020 11/12/2020 29/12/2020

Abstract


In this study, the effect of improving indoor air quality according to the installation of plants was evaluated in classrooms where students spend much time. The purpose was to prepare sustainable and eco-friendly measures to improve the indoor air quality of school classrooms. A middle school in Bucheon was selected as an experiment subject, and IAQ monitoring equipment based on IoT was installed to monitor indoor air quality. After measuring the basic background concentration, plants and air purifiers were installed and the effects of improving indoor air quality using plants and air purifiers were evaluated based on the collected big data. As a result of evaluating the effects of indoor air quality improvement on the installation of plants and air purifiers, the reduction rates of PM10 and PM2.5 in descending order were plant- and air purifier- installed classes, air purifier-installed classes, and plant-installed classes. CO2 levels were reduced in the classrooms with only plants, and increased in two classrooms with air purifiers. The increase in CO2 concentration in the classrooms with plants and air purifiers was lower than in those with only air purifiers.


Classroom , Indoor air quality (IAQ) , IoT , Plants , School

IoT 기반 교실 내 벽면 녹화를 통한 실내공기질 개선 효과 평가

양호형1, 곽민정2, 정나라3, 김호현1,4,5*
1평택대학교 생활 및 산업 환경 R&D센터
2평택대학교 데이터정보학과
3국립원예특작과학원 도시농업과
4평택대학교 ICT융합학부 ICT환경융합전공
5평택대학교 학교기업 PTU 테크

초록

    Rural Development Administration(RDA)
    PJ0154982020 Ministry of Education(Ministry of Education of the Republic of Korea)
    No.2020SBE022
    © Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1. 서 론

    도시화로 인해 녹지가 감소하고 도시에 인구가 밀집 되고 교통량이 증가함에 따라 도시지역의 대기오염은 더욱 악화되었으며. 산업화로 인한 건물의 밀폐화 등에 따라 실내공기질이 악화되면서 국민들의 실내공기질에 대한 관심이 증대하고 있다(Sawada and Oyabu, 2008). 자연정화가 가능하고 희석률이 큰 대기오염과 달리 실 내공기오염은 한정된 공간 속에서 인공적 설비를 통해 오염된 공기가 계속적으로 순환되거나 설비가 없는 밀 폐된 공간에서 시간이 지날수록 오염물질이 누적되어 점점 농도가 증가한다. 이로 인해 실내공기오염은 대기 오염보다 2~5배에서 때로는 100배 이상 높아질 수 있 다(Lee et al., 2013). WHO의 조사에 따르면 실내공기 오염에 의한 연간 사망자는 280만 명에 이르며, 실내 공기오염물질이 대기 중 오염물질보다 폐에 전달될 확 률이 약 1,000배 가량 높다고 추정하고 있다.

    현대인들의 생활양식의 변화로 실내 활동시간이 증 가하여 현대인들은 하루 중 85~90%를 실내에서 보내 고 있어 실내공기질은 매우 중요한 요소로 떠오르고 있다(Shiotsu et al., 1998;Guieysse et al., 2008). 특히, 국내 10대 연령대 학생 집단의 39.6%가 학교 및 학원 등 실내 공간에서 대부분을 보고된 바 있다(Yang et al., 2009). 대부분의 시간을 실내에서 보내는 학생들은 성장과 발육이 가장 활발한 시기이며 질병이나 환경유 해물질의 노출에 상대적으로 민감하기 때문에 보건학 적으로 매우 중요한 집단이다. 학교의 경우, 단위면적 당 재실자 밀도가 높고 학생들이 공동생활을 하고 있 기 때문에 실내공기질 관리가 이루어지지 않을 경우 오염된 실내공기질로 인해 학습능률 저하를 가져올 수 있다. 학생들은 성인에 비해 활동량이 많아 호흡량이 많으며 단위체적당 호흡량이 많으며 신장이 작기 때문 에 공기보다 무거운 오염물질에 노출될 위험성이 있다 (Landrigan, 1998). 이산화탄소는 고농도에서 장기간 노출시 피로감과 졸음을 유발하며(Cetin and Sevik, 2016), 학교 교실 내 이산화탄소 농도가 증가할수록 학 생들의 결석률이 증가한다는 연구결과가 있다(Shendell et al., 2004). 또한, 실내공기질 오염물질이 학생들의 감각 기능에 영향을 줄 수 있다고 보고되었다(Meininghaus et al., 2003). 미세먼지는 호흡을 통해 체내로 유 입되어 인체의 조직세포, 기관 등에 질환을 유발할 수 있고(Kim et al., 1994), PM10 및 PM2.5에 단기노출로 인한 전체 원인과 심혈관계 초과사망위험이 통계적으 로 유의하게 높은 것으로 보고되었다(Bae, 2014). 그러 나 2017년 교육청별 PM10 초과 학교 수에 대한 조사 결과, 전국적으로 1,200개가 넘는 초중고교의 미세먼 지 농도가 ‘나쁨’에 해당하는 것으로 조사되어 학교 내 실내공기질 관리 대책 마련이 시급한 실정이다(Nocut News, 2018).

    실내공기질로 인한 건강 영향에 대한 관심이 높아지 면서 쾌적한 실내공기질을 위해 다양한 형태의 공기정 화 시스템을 복합적으로 사용하며 지속가능한 친환경 적 실내공기 오염 저감 방안이 요구되고 있으며, 이에 대한 대안으로 공기정화 식물을 활용한 저감 효과 평 가 연구 및 시스템 개발이 이루어지고 있다. 식물은 광 합성을 통해 CO2를 흡수하고 O2를 동시에 방출하여 실내공기질을 개선할 수 있고, 잎의 기공을 통해 수증 기를 방출하여 공기 중 습도를 높일 수 있다(Smith and Pitt, 2011). 또한 실내공기오염물질은 식물의 뿌리 와 토양의 표면에 수동적으로 수집되어 효과적으로 제 거될 수 있다(Brilli et al., 2018). 최근 일반적인 실내 공기 오염물질 농도에 대한 식물의 장기 노출 실험 결 과(Fares et al., 2015), 기공으로의 흡수가 잎 표면 침 착을 통해 수동적으로 흡수되는 양보다 30~100배 높 다는 점을 강조했으며(Tani et al., 2010), 이러한 결과 는 식물의 잎을 통해 오염물질이 흡수된 후 일부가 대 사적으로 분해되거나 뿌리, 새싹 등으로 옮겨진다는 것 을 시사한다(Oikawa and Lerdau, 2013). 실내공기질 개선을 위한 식물 활용은 경제적이고 자연친화적이며 공학적 방법에 의한 부작용을 개선할 수 있다는 장점 을 가지고 있지만(Sawada and Oyabu, 2008), 실제 실 내 공기 정화를 위해 식물을 사용하기 위한 기초 자료 가 여전히 부족한 실정이다.

    사물인터넷(Internet of Things, IoT)의 발달로 웹, 모 바일 환경 내에서 능동적으로 데이터를 수집하고 정보 를 생성하는 능력을 통해 사용자에게 새로운 가치를 부여할 수 있게 되었다(Kim and Ryoo, 2017).주요 응 용 분야 중 하나는 대기 환경 모니터링으로, 센서를 기 반으로 실시간으로 오염물질을 모니터링하여 빅데이터 를 생산 및 저장하고 이를 실시간으로 제공하는 형태 로 개발되고 있다. 공정시험방법에 의한 실내공기질 측 정은 장비의 소음과 공간 차지로 인해 재실자에게 불 편을 줄 수 있고 중량법은 데이터 수집에 어려움이 있 으나, IoT 기술을 활용한 실내공기질 측정은 장비로 인 한 불편을 줄일 수 있으며 실시간으로 데이터 수집이 가능하다.

    이에 따라 본 연구는 학생들이 오랜 시간 머무는 학 교 교실을 대상으로 식물을 활용한 실내공기질 개선 방안 마련을 위해 중학교 교실 내에 IoT 기반 실내공 기질 센싱 장비를 설치하여 실내공기질 데이터를 수집 하고, 교실 내 식물 적용에 따른 실내공기질 개선 효과 평가에 목적이 있다.

    2. 연구방법

    2.1 연구대상 및 기간

    본 연구는 2019년 5월부터 2020년 1월까지 약 9개 월간 경기도 부천시에 위치한 중학교에서 5개 교실을 선정하여 실내공기질 모니터링을 수행하였다. 각 교실 의 창가측과 복도측에 IoT 기반 IAQ 모니터링 플랫폼 을 구축하였으며 5개 교실을 식물 적용 교실 1개, 식물 및 공기청정기 적용 교실 1개, 공기청정기 적용 교실 1 개, 미적용 교실 2개로 나누어 측정하였다(Table 1).

    2.2 측정방법

    2.2.1 측정물질 선정

    학교보건법 시행규칙 상 학교 건물 중 교사에서의 공기질에 대한 유지·관리기준 항목인 PM10, PM2.5, CO2를 대상으로 측정하였으며 센서로 측정 가능한 온 도와 습도 또한 포함하여 총 5개 항목을 대상으로 교 실 내 실내공기질 모니터링을 진행하였다.

    2.2.2 IoT 센싱 장비 설치 정보 및 오차 검증 방안

    본 연구에서는 학생들이 장시간 머무는 교실을 실험 대상으로 선정하였으며, 이에 따라 실시간 및 장기간 데이터 수집을 위해 실시간 센싱이 가능한 IoT 기반 IAQ 센싱 장비를 측정에 사용하였다. 각 센싱 장비를 교실별로 각 창가측과 복도측에 설치하였으며 1분 단 위로 오염물질을 측정하였다. 오염물질 발생원의 분포 및 실내 기류를 고려하여 주변 시설 등에 의한 영향과 부착물 등으로 인한 측정 장애가 없고 대상 시설의 오 염도를 대표할 수 있다고 판단되는 곳을 선정하였으며, 학생들의 수업에 방해가 되지 않는 위치에 설치하였다 (Fig. 2). 사용된 장비는 미세먼지 간이측정 성능인증 평가에서 1등급을 받은 장비이며, 국가공인시험기관 인증을 받은 기준장비와 Grimm사 장비를 활용하여 기 준장비 대비 사용장비의 데이터를 교정하여 설치하였 다. 설치한 IoT 센싱 장비의 각 오염물질 센서별 세부 사항은 Table 2에 나타내었다.

    2.2.3 학교 교실 내 식물 및 공기청정기 적용

    5개 교실의 면적은 63.45 m2로 동일하며 식물 및 공 기청정기 적용 교실의 경우 약 두 달 반 동안 식물 및 공기청정기 없이 내부 센서를 통해 적용 전 배경농도 수집 후 식물과 공기청정기를 설치하였다. 식물 모델에 적용된 식물은 선행 연구를 통해 미세먼지 및 이산화 탄소 저감 효과가 있는 것으로 보고된 스킨답서스 (Epipremnum aureum)를 선정하였다(Suhaimi et al., 2016;Kim et al., 2016;Cao et al., 2019). 식물 모델의 설치 위치는 학생들의 생활과 수업에 영향을 미치지 않는 위치를 고려하여 복도측 벽면과 뒤쪽 벽면에 설 치하였다. 선행 연구 결과에서 공간대비 3% 내외의 식 물을 적용한 결과, 실내공기 오염물질농도의 감소 효과 를 관찰할 수 있었던 것으로 보고된 바(RDA, 2011;Gwak et al., 2015), 본 연구에서도 각 식물 적용 교실 의 면적 대비 3% 내외의 식물이 적용되도록 A형 6대 및 B형 2대를 설치하였다(Fig. 3, Table 3). 공기청정기 의 경우 교실 앞쪽 칠판 옆에 각 공기청정기 적용 교실 에 1대씩 설치하였으며 상세 정보는 Table 4에 나타내 었다.

    3. 결 과

    3.1 식물 및 공기청정기 적용 전 교실 내 실내공기질 평가

    3.1.1 PM10 및 PM2.5

    학생들이 등교하는 학기 중 식물 및 공기청정기 적 용 전에 수집된 기초 배경농도를 분석하였다. 각 교실 별 PM10의 평균 농도는 식물 및 공기청정기 미적용 교 실(A, E)에서 47.5~73.1 μg/m3 범위로 나타났다. 식물 적용 교실(D)은 복도측 57.1 μg/m3, 창가측 75.3 μg/m3 이었고 식물 및 공기청정기 적용 교실(C)은 복도측 53 μg/m3, 창가측 50.6 μg/m3이었으며 공기청정기 적 용 교실(B)은 복도측 45.4 μg/m3, 창가측 51 μg/m3으로 나타났다(Table 5).

    PM2.5 평균 농도는 식물 및 공기청정기 미적용 교실 에서 25.3~40 μg/m3으로 나타났다. 식물 적용 교실은 복도측 30.4 μg/m3, 창가측 40.2 μg/m3이었고 식물 및 공기청정기 적용 교실은 복도측 28.3 μg/m3, 창가측 27 μg/m3이었으며 공기청정기 적용 교실은 복도측 24.1 μg/m3, 창가측 27.2 μg/m3으로 나타났다. 현행 학 교보건법 상의 미세먼지 유지·관리 기준은 PM10 75 μg/ m3, PM2.5 35 μg/m3으로, 식물 적용 대상 교실(D)의 창 가측과 미적용 교실(E)의 복도측에서 PM10과 PM2.5 평 균 농도가 기준치를 초과하는 것으로 나타났다.

    시간대별 미세먼지 평균 농도는 학생들이 등교하기 전 새벽시간대에 증가하는 양상을 보이며, 학생들의 움 직임이 많은 등교 시간대(08:30~09:00), 쉬는 시간 및 점심시간에 증가하였다가 학생들의 움직임이 줄어드는 수업시간대에는 다소 감소하는 양상을 보였다(Fig. 4).

    3.1.2 CO2

    이산화탄소의 각 교실별 평균 농도는 식물 미적용 교실에서 892~972 ppm 범위로 나타났으며, 식물 적용 교실은 복도측 904 ppm, 창가측 909 ppm, 식물 및 공 기청정기 적용 교실은 복도측 748 ppm, 창가측 738 ppm이었고 공기청정기 적용 교실은 복도측 865 ppm, 창가측 867 ppm으로 나타났다(Table 5).

    각 교실별 이산화탄소 평균 농도가 현행 학교보건법 상 유지·관리기준인 CO2 1,000 ppm을 초과하는 교실 은 없었으나, 전체 시간대에 따른 변화를 볼 경우 시간 이 흐름에 따라 이산화탄소 농도가 증가하여 기준치를 초과하는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 5). 이산화탄소의 시간대별 평균농도는 학생들이 등교하고 수업이 시작 되는 오전 9시경부터 이산화탄소 농도가 증가하기 시 작하여 수업이 끝난 후 쉬는 시간에 다소 감소하고 점 심시간인 12:40~13:40에 감소하였다가 수업이 시작되 면 다시 증가하는 양상을 보였다.

    3.1.3 온도 및 습도

    미국 공조냉동공조학회(ASHRAE)에서는 실내온도 를 19.4~27.8°C, 상대습도를 40~65%로 유지하여 실내 쾌적성을 보장할 것을 권장하고 있는데(ASHRAE, 2013), 식물 및 공기청정기 적용 전 평균 온도는 23.9~ 24.5°C로 나타났으며, 평균 상대습도는 주중 49.1~ 54.5%로 나타나(Table 5) ASHRAE에서 권장하는 온 도 및 습도 범위를 만족하는 수준이었다.

    3.2 식물 및 공기청정기 적용 후 실내공기질 개선 평가

    3.2.1 PM10 및 PM2.5

    식물 및 공기청정기 적용 후에 학생들이 등교하는 학기 중에 수집된 데이터를 분석하였다. 각 교실별 PM10의 평균농도는 식물 및 공기청정기 미적용 교실에 서 44~61.2 μg/m3 범위로 나타났다. 식물 적용 교실은 복도측 52.8 μg/m3, 창가측 71.7 μg/m3이었고 식물 및 공기청정기 적용 교실은 복도측 40.7 μg/m3, 창가측 35.9 μg/m3이었으며 공기청정기 적용 교실은 복도측 35.8 μg/m3, 창가측 42 μg/m3으로 나타났다(Table 6).

    PM2.5 평균 농도는 식물 및 공기청정기 미적용 교실 에서 23.5~29.2 μg/m3으로 나타났다. 식물 적용 교실은 복도측 28.2 μg/m3, 창가측 38.4 μg/m3이었고 식물 및 공기청정기 적용 교실은 복도측 21.8 μg/m3, 창가측 19.2 μg/m3이었으며 공기청정기 적용 교실은 복도측 19.2 μg/m3, 창가측 22.5 μg/m3으로 나타났다.

    각 교실에 설치된 센싱 장비에서 수집된 학기 중 미 세먼지 농도를 식물 및 공기청정기 적용 전과 후로 나 누어 비교한 결과, 식물 및 공기청정기가 적용된 교실 에서 미세먼지가 감소한 것으로 나타났다(Fig. 6, 7). 식물 및 공기청정기 적용에 따른 미세먼지 저감율을 분석한 결과, 식물 및 공기청정기 적용 교실, 공기청정 기 적용 교실, 식물 적용 교실 순으로 PM10 및 PM2.5 저감율이 높은 것으로 나타났다(p<0.05)(Table 7, 8).

    3.2.2 CO2

    이산화탄소의 각 교실별 평균 농도는 식물 미적용 교실에서 831~886 ppm 범위로 나타났으며, 식물 적용 교실은 복도측 880 ppm, 창가측 780 ppm, 식물 및 공 기청정기 적용 교실은 복도측 775 ppm, 창가측 750 ppm이었고 공기청정기 적용 교실은 복도측 935 ppm, 창가측 899 ppm으로 나타났다. 각 교실별 이산화탄소 의 평균농도는 현행 학교보건법의 유지·관리기준을 초 과하지는 않았으나 전체 시간대로 보았을 때, 모든 교 실에서 기준치를 초과하는 것으로 나타났다.

    각 교실에 설치된 센서에서 수집된 학기 중 주중의 평균 이산화탄소 농도를 식물 및 공기청정기 적용 전 과 후로 나누어 비교한 결과, 식물만 적용된 교실에서 는 이산화탄소가 감소하였다(Fig. 8). 식물 및 공기청정 기 적용에 따른 이산화탄소 저감율을 분석한 결과, 식 물 적용 교실의 경우 식물 적용 전에 비해 식물 적용 후에 이산화탄소 농도가 감소하였으나 식물 및 공기청 정기 적용 교실, 공기청정기 적용 교실의 경우 식물 및 공기청정기 적용 전에 비해 적용 후에 이산화탄소 농 도가 증가하였으며, 식물 및 공기청정기 적용 교실에 비해 공기청정기만 적용된 교실의 이산화탄소 증가율 이 낮은 것으로 나타났다(Table 9).

    3.2.3 온도 및 습도

    식물 및 공기청정기 적용 후 각 교실별 평균 온도는 식물 및 공기청정기 미적용 교실에서 20.4~21.2°C었고, 식물 적용 교실은 복도측 21°C, 창가측 21.4°C으로 나 타났다. 식물 및 공기청정기 적용 교실은 복도측 21°C, 창가측 21.1°C이었으며 공기청정기 적용 교실은 복도 측 21.5°C, 창가측 21.6°C으로 조사되어 식물 및 공기 청정기 적용에 따른 유의미한 차이는 없었다.

    평균 상대습도의 경우 식물 및 공기청정기 미적용 교실에서 45.2~49.2%이었고, 식물 적용 교실에서 복도 측 48%, 창가측 47.8%이었다. 식물 및 공기청정기 적 용 교실에서 복도측 48%, 창가측 46.3%이었으며 공기 청정기 적용 교실에서 복도측 및 창가측 모두 45.8%로 나타났다. 식물 및 공기청정기 적용 이후 수집된 데이 터는 모든 교실에서 ASHRAE에서 권장하는 실내 온 도 및 실내 습도 범위를 만족하는 수준이었으나 모든 교실에서 적용 전 시기에 비해 적용 후 시기에 평균 상 대 습도가 감소하였다. 평균 상대습도 감소율을 식물 적용 여부에 따라 나누어 분석한 결과, 식물이 적용된 교실의 평균 상대습도 감소율이 식물이 적용되지 않은 교실의 평균 상대 습도 감소율에 비해 낮은 것으로 나 타났다(Table 10).

    4. 고 찰

    본 연구에서 중학교를 대상으로 실내 식물 및 공기 청정기 설치 전 교실 내 실내공기질을 평가한 결과, 5 개 교실에 설치된 10개의 IAQ 센싱 장비 중 2개의 장 비에서 현행 학교보건법의 미세먼지 유지·관리 기준 (PM10: 75 μg/m3, PM2.5: 35 μg/m3)을 초과하는 것으로 나타났다. 시간의 흐름에 따른 분석 결과, Choi (2008) 의 연구결과와 마찬가지로 학생들이 활발하게 활동하 는 쉬는 시간 및 청소시간에는 미세먼지 농도가 증가 하다가 활동이 적은 수업시간에는 다시 감소하는 반복 적인 패턴을 보였다(Yang et al., 2005;Choi, 2008). 이 산화탄소의 경우 평균 농도는 현행 학교보건법의 유지 관리 기준인 1,000 ppm을 초과하는 교실은 없었으나 시간의 흐름에 따른 분석 결과, 선행 연구 결과와 같이 이산화탄소 농도가 점차 증가하여 기준치를 빈번히 초 과하는 것으로 나타났다(Cho et al., 2011;Choe et al., 2020). 특히, 수업이 시작되는 9시경부터 점차 증가하 다가 쉬는 시간 및 점심시간에 다소 감소하고 수업이 시작되면 다시 증가하는 반복적인 패턴을 보였다. 특히 식당으로 점심을 먹으러 가고 휴식시간을 오래 가지는 12:40~13:40에 농도가 큰 감소폭을 보였다. 이는 수업 중에 환기 부족으로 인해 학생들이 내뱉는 이산화탄소 가 축적되고 쉬는 시간과 점심시간에 출입문, 창문 등 의 개폐로 환기가 이루어지기 때문으로 판단된다. 온도 와 습도는 ASHRAE에서 권장하는 실내온도 19.4~ 27.8°C, 상대습도 40~65%를 만족하는 수준으로 조사 되었다.

    식물은 생물학적 대사를 통해 이산화탄소를 흡수하 고 산소를 방출하고, 뿌리와 기공으로의 흡수를 통해 실내공기 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있음이 밝 혀졌으며(Tani et al., 2010;Smith and Pitt, 2011;Brilli et al., 2018), 이러한 생물학적 방법을 통한 실내공기질 개선은 여러 연구에 의해 증명된 바 있다(Lohr and Pearson-mins, 1996).

    본 연구에서는 학생들이 오랜시간 머무는 교실 내 공기질 개선을 위해 공학적인 방법 뿐 아니라 자연친 화적이며 공학적 방법에 의한 부작용을 개선할 수 있 는 식물을 활용하여 실내공기질 개선 효과를 평가하고 자 하였다(Sawada and Oyabu, 2008). 교실 내 식물 및 공기청정기를 설치하고 이에 따른 실내공기질 개선 효 과 평가 결과. 식물 및 공기청정기가 적용된 교실에서 미세먼지가 감소한 것으로 나타났다. Ju (2010)과 Gwak (2015)의 연구결과에 따르면, 식물이 미적용된 실내의 공간보다 식물이 적용된 공간에서 PM10이 감 소하였으며, 이는 본 연구의 결과와 흡사하게 나타났다. 미세먼지 저감율은 식물 및 공기청정기 적용 교실, 공 기청정기 적용 교실, 식물 적용 교실 순으로 높은 것으 로 나타났으며 각 교실별로 23.0~29.1%, 17.3~21.1%, 4.5~7.5%의 저감율을 보였다. 식물만 적용된 교실에서 의 미세먼지 저감율이 가장 낮은 것은 본 연구에서 적 용된 식물 모델은 기류를 형성하지 않는 모델로 능동 적으로 미세먼지를 제거하지 못하기 때문인 것으로 보 인다. 또한, 식물과 공기청정기가 함께 적용된 교실의 경우 공기청정기의 기류 형성으로 인해 식물이 실내 미세먼지를 보다 능동적으로 제거할 수 있어 공기청정 기만 적용된 교실이나 식물만 적용된 교실에 비해 미 세먼지 저감율이 높게 나타난 것으로 판단된다.

    이산화탄소는 식물 및 공기청정기 적용 전과 마찬가 지로 적용 후에도 시간의 흐름에 따라 점차 농도가 증 가하여 기준치를 초과하는 것으로 나타났다. 식물 및 공기청정기 적용에 따른 이산화탄소 저감율을 분석한 결과, 식물 적용 교실의 경우 이산화탄소 농도가 감소 하였으나 식물 및 공기청정기 적용 교실과 공기청정기 적용 교실에서는 오히려 증가한 것으로 나타났다. 또한, 식물 및 공기청정기 적용 교실에 비해 공기청정기만 적용된 교실에서의 증가율이 더 높은 것으로 나타났으 며 이는 선행 연구결과와 마찬가지로 식물을 통한 이 산화탄소 저감 효과가 있었던 것으로 판단된다(Park et al., 2008;Park et al., 2010;Yoon et al., 2011;Cetin and Sevik, 2016). 시간의 흐름에 따른 이산화탄소 농 도의 증가는 냉난방 및 수업 등으로 인한 창문 및 출입 문의 밀폐로 실내 환기가 부족하여 이산화탄소가 축적 된 것이 원인이며, 재실자의 호흡으로 인해 증가하고 식물의 대사과정을 통해 감소하는 것으로 판단된다. 미 세먼지 저감을 위해 공기청정기만 사용할 경우, 실내 냉난방을 위해 환기가 부족한 계절에는 실내 환기 부 족으로 인해 이산화탄소가 축적될 수 있다. 이를 개선 하기 위해 식물을 이용한 벽면 녹화 제품을 설치할 경 우 이산화탄소 저감 효과를 얻을 수 있고, 이를 통해 보다 효과적인 실내공기질 개선이 가능할 것으로 판단 된다.

    온도의 경우 식물 및 공기청정기 적용에 따른 유의 한 차이는 없는 것으로 나타났으며, 식물 및 공기청정 기 적용 후에도 ASHRAE에서 권장하는 실내 온도 및 실내 습도 범위를 만족하는 수준으로 나타났다. 교실 내 평균 상대습도는 적용 이전 시기에 비해 적용 이후 시기에 모든 교실에서 감소한 것으로 나타났으며, 이는 식물 및 공기청정기 적용 후 수집된 데이터가 가을 및 겨울철에 수집되어 대기 중 습도가 낮은 것이 영향을 미친 것으로 판단된다. 평균 상대습도의 감소율을 식물 및 공기청정기 적용 여부에 따라 분석한 결과, 공기청 정기 적용 교실 11.9~12.9%, 식물 및 공기청정기 적용 교실 4.2~5.7%, 식물 적용 교실 6.3~7.5%로 식물이 적 용된 교실의 평균 상대 습도 감소율이 공기청정기만 적용된 교실에 비해 낮은 것으로 나타났다. 선행 연구 는 실내 식물의 적용은 실내 상대 습도를 조절할 수 있 다고 보고하였고(Qin et al., 2014;Mangone and Linden., 2014;Davis and Hirmer, 2015;Moya et al., 2018), Son (1998)의 연구에 따르면 관엽 식물의 배치 는 실내 온도에는 영향을 주지 못하였으나 실내 습도 조절이 가능한 것으로 보고되었다. 이에 따라 식물이 적용된 교실의 상대습도가 그렇지 않은 교실에 비해 감소율이 작은 것은 식물로 인한 실내 상대습도 조절 로 인한 것으로 판단된다.

    미세먼지는 인간의 질병, 사망률에 영향을 미치는 것으로 판명되었다(Owen et al., 1992;Pedersen et al., 2001;Tse et al., 2003;Nel, 2005;Chen et al., 2006). 교실 내 이산화탄소 농도가 증가할수록 학생들의 집중 력이 낮아지고, 기억력에 영향을 미치며 결석률이 증가 하는 것으로 보고된 바 있다(Myhrvold et al., 1996;Shendell et al., 2004;Bako-Biro et al., 2012). 본 연구 결과에서 식물을 통한 미세먼지 및 이산화탄소 감소 효과가 있었던 만큼 학생들의 건강 피해 예방을 위해 학교 교실 내 식물을 활용한 실내공기질 개선 방법이 검토될 필요성이 있을 것으로 판단된다.

    실내 미세먼지 발생은 대기 중 미세먼지의 실내 유 입, 실내에서의 직접 발생, 실내외 가스상 물질의 미세 입자로의 전환 등 크게 세 가지로 구분할 수 있다 (Meng et al., 2005;Uhde and Salthammer, 2007;Park, 2018). 그러나 실내 미세먼지 농도에 영향을 미치는 기 여도는 환기율, 주변 대기 오염도, 재실자의 활동 형태, 입자상 물질의 공기역학적 직경 등 다양한 변수에 의 해 좌우될 수 있다(Choi, 2008;Jung et al., 2014). 학 교 교실의 경우에는 흡연, 난방기구 연소, 조리와 같은 실내 발생이 없으므로 실내 미세먼지는 주변 대기 오 염도와 재실자의 활동에 의해 영향을 받을 것으로 판 단된다. 또한, 선행 연구에 따르면 일반 공동주택에 비 해 학교 교실의 기밀도가 크게 낮은 것으로 조사되어, 실외 미세먼지 유입이 실내 미세먼지 농도에 영향을 미칠 수 있다(Eom et al., 2020). 본 연구에서는 실외 미세먼지가 실내 미세먼지에 미치는 영향에 대해 고려 하지 못하였기 때문에 추후 연구를 통해 실외 미세먼 지의 실내 미세먼지 영향을 고려할 필요가 있다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 학생들이 오랜 시간 머무는 학교 교 실의 쾌적한 실내공기질을 위한 지속가능한 친환경적 실내공기질 저감 방법으로 식물을 활용한 방법을 선정 하여 IoT 기반 실내공기질 센싱 장비를 활용하여 실내 공기질 데이터를 수집하고 식물 및 공기청정기를 적용 하여 실내공기질 개선 효과를 평가하였다.

    식물 및 공기청정기 적용 전 교실 내 실내공기질 데 이터 분석 결과, PM10과 PM2.5의 경우 10개(5개 교실) 의 센싱 장비 중 2개에서 현행 학교보건법 상의 미세 먼지 유지·관리기준(PM10: 75 μg/m3, PM2.5: 35 μg/m3) 을 초과하는 것으로 나타났다. 이산화탄소의 경우, 평 균 농도는 기준치인 1,000 ppm을 초과하지 않았으나 모든 교실에서 시간이 흐를수록 이산화탄소 농도가 증 가하여 기준치를 초과하였다. 온도와 습도의 경우 ASHRAE에서 권장하는 실내 온도 19.4~27.8°C, 상대 습도 40~65%를 만족하는 수준이었다.

    식물 및 공기청정기 적용 후 교실 내 실내공기질 개 선 효과 평가 결과, PM10과 PM2.5는 식물 및 공기청정 기 적용 교실, 공기청정기 적용 교실, 식물 적용 교실 순으로 저감율이 높은 것으로 나타났다. 이산화탄소는 식물 적용 교실에서 약 11.5~14.2% 가량 저감율을 보 였으며 공기청정기 적용 교실과 식물 및 공기청정기 적용 교실에서는 적용 전에 비해 이산화탄소 평균 농 도가 증가한 것으로 나타났으나 식물과 공기청정기가 함께 적용된 교실이 공기청정기만 적용된 교실에 비해 이산화탄소 증가율이 다소 적은 것으로 나타났다. 온도 의 경우 식물 및 공기청정기 적용에 따른 유의미한 차 이는 없었으며 평균 상대습도의 경우, 가을 및 겨울철 수집된 데이터의 영향으로 식물 및 공기청정기 적용 전에 비해 적용 후에 모든 교실에서 감소하였다. 전체 교실의 식물 및 공기청정기 적용 전·후 상대습도 감소 율을 비교하였을 때, 식물이 적용된 교실의 감소율이 공기청정기만 적용된 교실에 비해 낮은 것으로 나타나 식물로 인한 습도 조절 효과를 확인 할 수 있었다.

    본 연구에서는 식물 및 공기청정기 적용을 통해 교 실 내 미세먼지 저감 효과에 긍정적인 결과를 확인할 수 있었으며, 식물 적용을 통한 이산화탄소 저감과 실 내 상대습도 조절 효과를 관찰할 수 있었다. 본 연굴 결과를 바탕으로 교실 내 식물을 활용한 실내공기질 저감 방법이 적용된다면 학생들의 건강 피해 예방 효 과가 있을 것으로 기대된다.

    본 연구에 적용된 식물 모델은 기류를 형성하지 않 는 수동형 모델으로 능동적인 미세먼지 제거를 하지 못한다는 한계점이 있으며, 향후 기류를 형성하는 능동 형 식물 모델의 적용과 식물의 추가 적용을 통해 식물 모델 유형과 식물 양 등에 따른 식물의 실내공기질 개 선 효과를 연구할 필요가 있다. 또한, 실외 미세먼지 유입이 실내 미세먼지 농도에 미치는 영향을 고려하지 못하였기 때문에 향후 실외 미세먼지 영향을 고려한 추가 연구가 필요하다.

    감사의 글

    본 연구는 농촌진흥청 연구사업(과제번호: PJ015498 2020)과 교육부와 한국산업기술진흥원의 3단계 학교기 업 지원사업(과제번호: No.2020SBE022)의 지원에 의 해 이루어진 것이며, 이에 감사드립니다.

    Figure

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    Research process flow chart.

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    Location of equipment installation in classrooms.

    JOIE-19-4-400_F3.gif

    Installation of plants and air purifiers (A: plants, B: air purifier).

    JOIE-19-4-400_F4.gif

    Average concentration of PM10 and PM2.5 over time.

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    Average concentration of CO2 over time.

    JOIE-19-4-400_F6.gif

    Comparison of PM10 according to installation of plants and air purifier (A, E: control group, B: with only air purifier, C: with plants and air purifier, D: with only plants, H: Sensors installed on the hallway side, W: sensors installed on the window side).

    JOIE-19-4-400_F7.gif

    Comparison of PM2.5 according to installation of plants and air purifier (A, E: control group, B: with only air purifier, C: with plants and air purifier, D: with only plants, H: Sensors installed on the hallway side, W: sensors installed on the window side).

    JOIE-19-4-400_F8.gif

    Comparison of CO2 according to installation of plants and air purifier (A, E: control group, B: with only air purifier, C: with plants and air purifier, D: with only plants, H: Sensors installed on the hallway side, W: sensors installed on the window side).

    Table

    Detailed conditions of the classrooms to be measured

    Detailed specification of IoT sensing device

    Detailed specifications of installed plants

    Detailed specifications of the air purifier installed to the classroom

    Concentration of pollutants by classrooms before installation

    Concentration of pollutants by classrooms after installation

    Reduction rate of PM10 due to installation of plants and air purifier

    Reduction rate of PM2.5 due to installation of plants and air purifier

    Reduction rate of CO2 due to plants and air purifier installation

    Reduction rate of humidity due to installation of plants and air purifier

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