1. 서 론

라돈(Rn-222)은 우라늄(U-238)의 자연 방사능 붕괴 계열에서 파생되는 불활성 기체로, 모핵종인 라듐(Ra- 226) 기체가 알파 붕괴하면서 발생되며, 라돈이 3.8일 의 반감기로 붕괴되는 과정에서 방출되는 알파입자가 인체에 유입됨으로써 유해한 영향을 미친다. 라돈의 노출경로는 대부분 호흡에 의한 것으로, 라돈이 호흡기 계통을 통하여 인체에 유입되면 라돈 기체 그 자체는 반감기 이전에 체외로 배출되기도 하지만, 라돈 의 붕괴생성물인 단수명 딸핵종(Po-218, Po-214)이 방출하는 방사능에 의한 내부 피폭이 세포나 유전자 변 형 등의 문제를 유발한다(Lázár et al., 2003;UNSCEAR, 2009;ICRP, 2014). 세계보건기구(WHO)에서는 라돈 및 라돈붕괴생성물을 인체발암물질(Group I)로 규정 하였고, 라돈 피폭이 폐암 발병에 약 3%~14% 가량 기여하며, 라돈 흡입이 흡연에 이어 두 번째로 주요한 폐암 원인으로 제시하고 있다(WHO, 2009;WHO, 2021). 또한, 장기간의 라돈 피폭에 의한 영향은 라돈 농도가 100 Bq/m³ 상승하면 초과상대위험(ERR, excess relative risk)이 약 16% 증가하고(WHO, 2010), 폐암 사망률도 15% 증가한 것으로 보고되어(NRC, 1999) 라돈 관리의 필요성이 매우 강조되었다.

라돈은 자연계에 흔히 존재하는 천연방사성물질로, 오염원으로부터 공기중으로 방출되어 빠르게 희석 되어 외부 환경대기 중에서는 낮은 농도 수준으로 존 재하기 때문에 일반적으로 대 중 라돈 피폭에 의한 영향은 무시할 수 있다. 그러나 실내공간에서는 계절 특성, 지하공간 유무, 건축연도, 건축자재, 주변환경, 공기순환율 등 다양한 요인에 의하여 실내로 유입된 라돈 기체가 축적될 가능성이 높다(Lee et al., 2016;Jeong et al., 2017). 더욱이 건축물은 단열과 에너지 효 율 제고를 목적으로 기밀성능이 향상되어 왔기 때문에 기밀성능이 우수할수록 라돈과 같이 실내에 유입된 오염물질의 외부 배출이 억제되어 실내공기질을 악화시킬 수 있다. 라돈에 의한 건강 영향은 농도 수준, 노출경로, 노출시간, 노출빈도, 흡연여부 등 다양 한 요인에 따라 복합적으로 나타나고, 노출시간과 빈도가 가중될수록 피폭정도 또한 누적된다.

국제방사선방호위원회에서 제시하는 일반인 피폭의 개념에 의하면, 대부분의 사람들은 가정에서 주로 많은 시간을 보내기 때문에 공중보건학적 관점에서는 가정에서의 라돈 피폭이 가장 중요하다(ICRP, 2014). 따라서 라돈의 영향을 최소화하기 위해서는 실내 라돈 농도를 낮추어야만 하는데, 라돈은 시간이 경과함 에 따라 자연적으로 방사성 붕괴하지만, 환기를 통하여 외부공기를 적극적으로 유입시킴으로써 실내공기 중 농도 수준을 관리할 수 있다. 이에 국내에서는 2020 년 7월, 실내공기질 공정시험기준 중 라돈 측정 방법을 개정하였고(국립환경과학원고시 제2020-23호), 환기설비 가동조건 추가에 따른 라돈 측정결과 표시 및 평가방법을 신설하여 라돈 저감수단으로써의 환기설 비 활용성을 증대를 꾀하였다. 본 연구는 일반인이 공통적으로 장시간 체류하는 공간인 주택을 대상으로, 자연환기설비에 의한 실내 라돈 저감효과를 확인하고자 수행되었다.

2. 연구방법

2.1 연구대상 및 실험환경 조성

본 연구는 일반적인 공동주택의 구조를 가진 84 m² 면적의 실물실험주택 단위세대를 대상공간으로 선정 하였다. 해당 세대는 방 3개와 욕실 2개, 그리고 거실 과 주방으로 구성되며, 블로우 도어 시스템(Retrotec, USA)으로 측정한 결과, 1.32 ACH (at 50 Pa)의 우수한 기밀성능을 갖는 것으로 나타났다. 단, 해당 세대의 실내공간은 완전교반되는 닫힌계가 아니므로 자연환기 효과가 공간 내에서 불균일하게 나타날 수 있고, 환기설비를 설치할 수 있는 면적이 한정적이므로, 연구 결과의 재현성을 위하여 실험 대상체적을 공용공간인 거실과 주방으로 한정하였다. 이에 자연환기설비는 건축물의 설비기준 등에 관한 규칙 제11조 별표1 의3 (MOLEG, 2021)에 따라 대상체적에서 환기기준 0.5ACH 이상을 충족하는 유효개구부 길이가 되도록 아래의 수식에 따라 가중치(F)를 1로 하여 설치길이를 계산하였다. 그리고 외부에 면하는 거실과 주방의 발코니 창호에 개폐플립 방식의 자연환기설비를 시공하여, 대상체적에 대한 환기회수는 개폐플립을 완전개방한 경우에 0.58ACH, 부분개방하면 0.29 ACH가 되도록 하였다. 라돈 측정 위치는 공용공간인 거실 중 앙에 triangle stand를 두고, 재실자의 호흡 고도를 고려하여 바닥면으로부터 1.5 m 높이로 하였다(Fig. 1). 매회 실험시, 실내 온도 및 상대습도를 측정하였고, 외부 기상자료는 실물실험주택 인근의 기상청 상세 관측자료를 참조하였다(Table 1).

여기서,

2.2 실험조건 설정

전 세계적으로 공동주택 실내 라돈 농도는 약 40 Bq/ m³ 이나, 토양, 지하수, 건축자재, 공기순환, 재실패턴 등 다양한 조건에 따라 10³ Bq/m³ 이상인 경우도 있다 (ICRP, 2014). 국내의 경우, 공동주택 실내 라돈 농도는 수십 Bq/m³ 수준으로 분포하고(Kim et al., 2013;Yoo et al., 2016), 국립환경과학원에서 전국 8,000여 호의 주택을 대상으로 장기(90일) 측정한 결과, 산술평 균 72.4 Bq/m³, 전체 표본의 9.6%가 실내공기질관리법 권고기준(148 Bq/m³)을 초과하였으며, 시도별 최댓값 이 300~1500 Bq/m³에 달하였다(NIER, 2018). 즉, 보편 적인 국내 주택의 실내 라돈은 148 Bq/m³ 이하이나, 지역 및 지점 차에 의하여 이의 2배 혹은 그 이상의 고 농도가 실내공간에 전개되기도 한다. 따라서 본 연구 에서는 실내 라돈 농도를 주요 실험인자로 하고, 목표 범위를 다음의 3단계로 설정하여 공동주택 실내 농도를 조성하였다. 목표 농도 범위는 148 Bq/m³을 기본으로 1) 고농도(기준의 약 3배 이상), 2) 중간농도 (기준의 약 2배 수준), 3) 저농도(기준과 유사한 수준) 로 설정하였다.

라돈 방출원은 라돈이 함유된 토양 시료를 확보하 여 단위 중량당 방출강도(Bq/kg)를 확인한 후, 실내 체 적을 고려하여 라돈 농도가 목표 범위에 도달할 수 있 는 시료량을 산출하여 대상공간에 배치하였다. 단, 실제 환경에서의 라돈 방출량은 온습도 등 다양한 인자 들의 영향을 복합적으로 받기 때문에 실내 라돈을 특정 농도로 고정하기 어려우며, 본 연구에서는 예비 실험을 통하여 조건 형성에 필요 시료량을 경험적으로 조절하였다.

실험 절차는 실내공기질 공정시험기준의 실내공기 오염물질 시료채취 및 평가방법 ES 02130.d을 준용하여, 매회 실험 시 1) 외부에 면한 모든 개구부를 전면 개방하여 30분 이상 환기하고, 2) 모든 개구부를 닫아 밀폐한 상태로 5시간 이상 유지한 이후, 3) 실내 농도 수준이 목표 범위에 부합함을 확인하고 24시간 동안 실험을 수행하였다. 또한, 환경시료는 측정간격이 조밀한 경우 값의 변화가 매우 불규칙한 경향을 보이므로, 본 연구에서는 일정시간이 경과한 후의 실내 라 돈 농도와 저감율은 해당 시점(t=3h, 6h) 전후로 총 30 분간 측정된 라돈의 산술평균 농도를 기준으로 계산 하였다.

2.3 라돈 측정방법

실내 라돈 농도는 실내공기질 공정시험기준의 부시험방법 ES 02901.1c (MOLEG, 2020)에 부합하는 연속측정장비인 RAD7 (Durridge, USA)을 이용하여 10 분 간격으로 운용하였다. RAD7은 실리콘 검출법을 원리로 하는데, 장치 내부 챔버로 흡인된 기체상 시료중 라돈 및 라돈붕괴생성물이 붕괴과정에서 방출 하는 알파입자를 실리콘 반도체 검출기로 계수하여 측정하는 방식이다. 이때 기체상 시료는 장치로 유입 되기 전에 HEPA필터를 거쳐 미립자를 제거함으로써 내부오염을 방지하고, 제습제로 시료중 수분량을 상대습도 10% 미만으로 제어하며 습도보정 알고리즘을 적용하여 측정결과의 신뢰성을 유지한다. RAD7은 다 양한 습도 범위에서 ±5% 수준의 측정 정확도를 갖고, 저농도 범위에서도 7.4% (95%신뢰구간) 이하의 정밀 도를 가지며, 4.0~750,000 Bq/m³ 범위를 측정할 수 있 으므로 실내 라돈 측정에 적합하다. 본 연구에서는 정 도관리의 일환으로, 예비실험을 통하여 기기의 바탕 값을 확인하였다. 즉, 라돈이 매우 희박하게 존재할 것 으로 예상되는 지상 20 m 높이의 옥외 지점에서 실험과 동일한 조건으로 가동한 장비의 측정값을 기록하였고, 그 결과 RAD7의 측정바탕값은 0.0 Bq/m³ 수준 임을 확인하였다. 또한 장비는 실험 종료 즉시 purging 하여 내부 챔버에 라돈 기체가 잔류하지 않도록 관리 하였다.

3. 결 과

3.1 대상공간에서의 실내 라돈 자연감쇄 경향

실내 라돈의 자연감쇄 경향은 별도의 환기를 실시 하지 않은 조건에서의 실내 라돈 농도를 24시간 동안 측정하여 파악하였다. 그 결과, 고농도 조건에서는 실내 방출량이 높은 상황에서는 기밀성능이 우수한것이 실내 라돈 농도를 크게 부유시킬 수 있음을 보여 준다(Fig. 2(a)). 실내 라돈 농도는 초기(t=0h)와 24시 간 경과 후를 단순 비교하였을 때, 약 2배 수준으로 부 유되었다. 이는 겨울철과 같이 환기량이 줄어드는 계 절에 고강도 라돈 발생원이 실내에 존재한다면 고농 도 수준으로 축적될 가능성이 매우 높으며, 이에 따른 재실자의 건강상의 악영향 또한 급상승할 수 있음을 시사한다.

저농도 범위의 경우, 시간 경과에 따른 자연감쇄 경향이 매우 미비함을 Fig. 2(b)에서 확인할 수 있다. 해당 세대에서 24시간 경과후 실내 라돈 농도는 138 Bq/ m³ 이었으며, 이를 토대로 저농도 범위의 라돈이 실 내에서 발생하거나 유입되는 경우를 가정하여 보면, 기밀성능이 우수한 주택에서는 실내공기질관리법 권 고기준 이하의 수준일지라도 실내 라돈이 비교적 일정한 농도로 유지될 수 있으며, 자연 감쇄 효과만으 로는 실내 라돈 피폭선량을 제어하기 어렵다.

3.2 자연환기구 부분 개방 조건에서의 라돈 변화 (약 0.3 ACH)

실내 라돈 농도가 실내공기질관리법 권고기준의 3 배 수준으로 부유될 수 있는 경우, 법정 환기회수를 충족하지 못하는 약 0.3 ACH의 조건에서는 자연환기구 개방에 의한 라돈 저감효과가 미비하였고, 환기구 를 닫는 즉시 실내 라돈 농도가 다시 상승하는 경향을 보였다. 구체적으로, 초기 농도(398.7 Bq/m³) 대비, 자연환기구를 개방한 이래 3시간과 6시간 경과 후의 농도는 각각 361.3 Bq/m³ 과 353.7 Bq/m³ 로, 환기에 의한 저감율은 10% 안팎에 불과하였다. 이는 고강도 라돈 발생원이 실내에 존재하는 경우 실내에 잔류하는 라돈의 양이 자연환기 효과에 의하여 실외로 배출되는 양보다 많을 수 있으며, 본 실험조건과 같이 부족한 환기량으로는 높은 수준으로 전개된 실내 라돈 농도에 적절히 대응할 수 없음을 보여준다. 특히, Fig. 3(a) 는 0시~9시 사이에 밀폐된 실내 공간의 라돈 농도 증가 추세가 매우 가파르다는 점에서 발생원으로부터의 라돈 단위방출량(Bq/m²·h)이 상당하였던 것으로 추정할 수 있으며, 이로 인하여 해당 조건에서는 자연환기에 의한 라돈 저감효과가 상쇄되었을 가능성 이 있다.

권고기준의 2배, 즉 중간농도 범위에서는 0.3ACH 의 자연환기에 의한 실내 라돈 저감효과가 고농도보 다 상대적으로 큰 것으로 나타났다. 측정 결과, 자연 환기구를 개방한 시점으로부터 약 2시간 이내에 기준 이하의 농도가 일시적으로 관측되었으나, 이러한 현상이 유지되지는 못하였다. 그리고 3시간 경과 후에 215.7 Bq/m³ (21.5%), 6시간 후에는 170.0 Bq/m³ (38.1%)의 농도 수준을 보였다(Fig. 3(b)). 그러나 이때 의 실내 농도 역시 권고기준을 초과하는 수준이며, 추가적인 저감 조치가 필요하다는 것을 보여준다.

저농도 조건의 실험 결과는 Fig. 3(c)에 나타낸 바와 같이, 실내 농도 변화가 자연환기 실시 전후로 뚜렷 하게 나타나지 않았다. 구체적으로, 실험과정을 3단 계로 구분하였을 때, 1단계(목표 농도 조성, 0시~7시) 의 평균 농도는 106.0 Bq/m³, 2단계(자연환기구 개방, 7 시~18시)에 90.6 Bq/m³, 3단계(밀폐, 18시~24시)는 107.5 Bq/m³ 이었다. 24시간 동안 관측한 변화 경향은 환기를 실시하지 않은 자연감쇄 상황(Fig. 2(b))과 비교적 유사하며, 본 실험조건에서의 농도 변화가 자연 감쇄에 따른 것인지, 혹은 자연환기 효과에 의한 것 인지 다소 명확하지 않다.

3.3 자연환기구 완전 개방 조건에서의 라돈 변화 (0.5 ACH 이상)

환기횟수 0.5 ACH 이상의 경우, 고농도 라돈 농도 조건에서도 환기구를 개방한 시점으로부터 5시간 이내에 실내공기질 권고기준에 근접한 수준까지 실내 라돈 농도가 감소되었고, 3시간 경과 후에 49.6%, 6시간 후에는 76.3%의 저감율을 보였다. 단, 자연환기는 온도, 습도, 풍속, 압력 등의 물리적 환경인자의 영향 에 따라 환기 효과가 일정하지 않으므로, 고농도 발생원이 실내에 존재하는 경우, 환기에 의한 제거속도 보다 발생원으로부터의 방출속도가 빠를 수 있다. Fig. 4(a)에 제시된 16시~20시 사이의 증가 추세는 이러한 사유에 의한 것으로 추정되며, 자연환기구를 닫은 시점인 20시 이후로 실내공간에 라돈 축적이 지속적으로 이루어지고 있음을 확인할 수 있다.

실내 라돈 수준에 따른 자연환기 효과를 확인하기 위하여 중간농도 범위로 실내 라돈 농도를 조성하여 자연환기 실험을 실시한 결과는 Fig. 4(b)에 나타낸 것 과 같다. 즉, 초기 농도(287.3 Bq/m³) 대비, 3시간과 6시간 경과 후의 저감율은 각각 28.4% (205.7 Bq/m³)와 56.8% (124.0 Bq/m³)로 나타났고, 고농도 환경과 유사 하게 약 4~5시간 이내에 실내공기질관리법 기준을 충족하는 농도 수준을 보였다.

마찬가지로, 권고기준과 유사한 수준의 실내 라돈 농도의 경우, 법정 환기횟수를 충족하는 자연환기를 실시하면 환기 이전 대비 농도 저감효과를 얻을 수 있 음을 확인하였다(Fig. 4(c)). 구체적으로, 자연환기 3시 간 경과 후의 실내 농도는 72.9 Bq/m³, 6시간 후에는 65.4 Bq/m³ 로 나타나, 자연환기에 의하여 초기농도 (133.8 Bq/m³) 대비 최대 51.1%의 저감효과를 나타내 었다. 단, 저감효과가 환기 지속시간에 따라 비례적으 로 증가하지 않았는데, 이는 자연환기가 일정한 급/ 배기량을 유지하는 방식이 아니며 자연환기 설비의 개방으로 도달할 수 있는 최저 농도 수준이 한정적이기 때문인 것으로 판단된다.

4. 고 찰

자연환기 설비의 환기회수가 증가하면 실내 라돈 농도가 희석효과에 의하여 감소하게 된다. 고농도 범위의 0.5 ACH 이상 환기량 조건에서 자연환기 6시간 후의 라돈 저감율이 76.3%로 가장 높았으나, 이는 외부 요인에 따라 환기량이 달라지는 자연환기의 특성 에서 기인하였을 것으로 추정된다. 또한, 중간농도 범 위의 0.5 ACH 이상 조건에서 3시간 후의 저감율이 다른 조건보다 높지 않은 것은 자연환기에 의한 환기량 이 일정하지 않기 때문에 비교적 단시간(3시간) 내에 달성할 수 있는 라돈 저감효과 또한 균일하지 않은 것 으로 판단된다.

환기량의 감소는 불규칙한 라돈 농도 변화를 야기 하고, 실내 라돈 농도는 공기교환율에 반비례하는 경향을 보인다. 라돈은 환기량이 부족한 경우 실내에 높은 수준으로 축적되기 쉬운데, Chao et al. (1997)는 0.2 ACH 자연환기 조건에서 실내 라돈이 오히려 증가할 수 있고, 외부에 면한 모든 문과 창문을 개방하면 라돈 농도가 즉각적으로 감소하나 밀폐한 시점으로부터 급격히 상승하여 12시간 이내에 개방 이전 시점의 수준까지 축적되는 일변화 경향을 보고하였다. 또한, 동 연구결과에 의하면 외기 풍속이 강할수록 자연환 기량이 증가하여 실내 라돈이 외부로 배출되므로 실 내외 라돈 농도비(Rn_in/Rn_out)가 1에 근접하는 반면, 환 기회수 0.2 ACH에서는 실내외 농도비가 5.97로 상승 하였다. Andersen et al. (1997)는 117개의 주택을 0.5 ACH 미만과 0.5 ACH 이상의 그룹으로 분류하여, 0.5 ACH 이상의 조건을 갖는 주택에서 평균 농도가 64 ± 2.0 Bq/m³인 반면, 미만의 경우 122 ± 2.2 Bq/m³이었으며, 0.5 ACH 이상에서는 200 Bq/m³를 초과하는 사례가 현저하게 적음을 보고한바 있다. 본 연구의 약 0.3 ACH 환기량 및 고농도 조건에서의 결과는 라돈 발생 원의 방출속도가 자연환기에 의한 실외 배출속도를 상회하여 저감효과가 둔화된 것으로 추정되며, 실험 당시의 외부 풍속이 0.6~1.2 m/s로, 환기설비의 기대 환기량보다 실제의 환기량이 적았을 것으로 예상할 수 있다.

마지막으로 저농도에서의 약 0.3 ACH 저감효과는 초기 농도 대비 최대 43.6%의 저감율을 보이는 것으 로 계산되었다. 그러나 실내 라돈은 저농도와 고농도 범위에서의 변화가 다소 상이하게 나타나기도 하며, 침기량, 누기량, 환기량이 실내 라돈 유입 및 축적에 복합적으로 영향을 줄 수 있다(Nazaroff et al., 1985). 따 라서 본 연구의 실내 라돈 자연감쇄 일변화 경향을 고 려하면 0.3 ACH 및 저농도 조건에서 나타난 환기효과는 유의미하지 않을 가능성이 있다. 단, 해당 결과 는 본 연구에서 설정한 각각의 조건 변수별로 1회에 한정하여 수행된 것이므로, 결과의 재현성 확보를 위해서는 추가적인 연구가 필요하다.

5. 결 론

본 연구는 공동주택 실내에 전개될 수 있는 다양한 농도 범위의 라돈에 대하여 자연환기설비 활용이 실내공기질 개선에 미칠 수 있는 영향을 확인하고자 수행되었다. 연구 결과, 법정 환기횟수를 충족하는 자연 환기를 실시하면 고농도(실내공기질관리법 권고기준 의 약 3배)와 중간농도(기준의 약 2배)의 실내 라돈을 자연환기구 개방 시점으로부터 약 6시간 이내에 권고기준인 148 Bq/m³ 에 근접하는 수준까지 저감할 수 있었다. 실내 라돈이 저농도 범위(권고기준과 유사) 인 경우 역시 자연환기에 의한 저감율이 최대 51.1% 인 것으로 확인되었다. 그러나 약 0.3 ACH의 환기횟수 조건에서는 자연환기를 실시하여도 실내공기질관 리법 권고기준에 부합하는 수준까지 실내 라돈 농도 를 제어하지 못하였고, 저농도 범위에서는 저감효과 가 미비한 것으로 나타났다. 본 연구결과를 종합하면, 공동주택에서 실내에 라돈이 높은 농도까지 축적될 수 있는 조건, 즉 실내에 라돈 발생원이 강도높게 존재하는 경우, 환기량이 감소하는 즉시 실내 라돈 농도가 빠르게 상승하였으며, 기밀성능이 우수한 주택 에는 실내에 고농도 라돈이 축적될 가능성이 높은 것 으로 분석된다. 또한 실내 라돈은 자연환기 설비를 이 용하여 법정 환기횟수 이상의 환기량이 확보될 경우, 저농도부터 실내공기질관리법 권고기준의 3배에 달하는 고농도 조건에서도 약 3~6시간 이내에 권고기 준과 유사하거나 그 이하로 저감되어 양호한 실내 환경을 조성할 수 있을 것으로 판단된다.