1. 서 론
현대인은 많은 시간을 교통수단을 이용하여 이동 하는데 보내는데 국토교통부와 한국교통안전공단의 2020년 보고서에 따르면 지난해 출근시간대 수도권 대중교통을 이용하여 이동한 시간은 평균 1시간 27분 에 달하는 것으로 나타났다(KOTSA, 2021). 서울시의 2020년 대중교통 이용객 수는 일간 7,767,000 명이며 그 중 지하철을 이용한 사람은 3,791,000 명으로 지하 철 이용객 수는 대중교통 이용자 중 48.8% 정도로 높 은 비율을 차지한다(Seoul Metropolitan Government, 2022). 코로나–19 팬데믹이 발생하기 전인 2017년부 터 2019년까지 일간 지하철 이용객 수는 증가하는 추 세를 보였으며 이와 같은 현상의 원인은 지하철의 편 리성 및 정시성으로 보인다(Lee et al., 2017). 다양한 장 점으로 인해 지하철 이용객 수가 증가하는 반면, 도 시철도의 경우 레일의 마찰로 인한 마모와 보수작업 등으로 입자상 오염물질이 지속적으로 생성되며 폐 쇄적인 구조와 부족한 환기로 인하여 오염물질이 터 널 내에 축적되고 있다. 터널 내 축적된 입자가 열차 풍으로 확산되어 역사 또는 차량 내부로 유입되는 현 상이 발생하며 이것으로 승객들의 건강이 위협받고 있는 실정이다(Lee et al., 2015). 특히 지하에 위치한 역 사의 경우 지상의 역사에 비해 PM10과 PM2.5 (직경이 각각 10 μm와 2.5 μm 이하인 먼지)의 농도가 상당히 높은 것으로 보고되어 역사 내 공기질의 철저한 관리 가 필요한 실정이다(Kim et al., 2008).
현재는 전국 대부분의 지하역사에 실내공기질 자 동측정기기가 설치되어 PM2.5의 농도가 측정되고 있 으며 이와 더불어 승강장 내 공기질을 개선하기 위해 살수차, 환기 장치, 그리고 다양한 집진기가 가동되고 있다(Kim et al., 2016;Park et al., 2020). 이 뿐만 아니 라 승강장에 설치된 스크린도어의 경우 열차풍에 따 른 초미세먼지 유입을 차단하여 승강장의 공기질 개 선에 도움을 주고 있다(Son et al., 2013). 전동차 객실 의 경우 PM10과 이산화탄소 농도가 실내공기질관리 권고기준을 대체적으로 만족하지만 오염원이 존재하 거나 탑승자가 많은 일부 구간에서는 권고기준치를 초과한다(Lee et al., 2014). 특히 전동차가 지하를 통과 하는 경우 지상에서보다 객실 내 오염물질의 농도가 높게 나오는 등 외부 유입에 의해 실내공기질이 악화 된다(Cheng et al., 2012). 최근에 제작되는 차량에서는 공기질개선장치가 장착되어 객실 내 입자상 오염물 질을 물리적으로 여과하여 제거하고 있으며 무필터 방식의 전기집진 등 다양한 집진 방법이 연구되고 있 다(Park et al., 2020). 오염물질의 객실 내 유입을 보다 적극적으로 차단하기 위하여 에어커튼(air curtain)을 활용하여 객실 내로 유입되는 미세먼지를 차단하는 아이디어가 2019년 서울글로벌챌린지에 제시되었으 며, 서울교통공사에서는 2021년부터 2022년까지 지 하철 7호선의 일부 차량에 에어커튼을 설치하여 시 범운용하고 있다. 주로 건물의 출입구 가장자리에 설 치되어 출입구 방향으로 기류를 발생시켜 열과 오염 물질의 교환을 막는데 사용되는 에어커튼은 지하철 터널 공간의 환기량을 향상시키는 방안으로 제시된 바 있으며 오염물질의 전동차 내 유입을 차단하는데 활용될 수 있다(Han et al., 2011). 특히 에어커튼은 장 치의 구조가 간단하며 외부 오염물질의 유입을 물리 적으로 차단하므로 오존의 생성 등 2차 오염을 유발 하지 않는다는 장점이 있다. 이러한 장점들로 에어커 튼이 객실 내 PM2.5 농도를 낮추어 실내공기질을 개 선할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
본 연구에서는 7호선 에어커튼 시범운용 차량의 객 실에서 PM2.5와 이산화탄소 농도를 측정하고 에어커 튼과 공기질개선장치의 가동 조건에 따른 객실 간 농 도의 차이를 분석하여 에어커튼이 전동차 내 공기질 에 미치는 효과를 파악하고자 한다.
2. 자료 및 방법
2.1 에어커튼
본 연구가 진행된 2021년 2~5월에는 서울교통공사 7호선의 전동차 중 장암행 747편성(8량)이 에어커튼 시범차량으로 지정되어 운영되고 있었다. 7호선은 인 천광역시에서부터 서울 서남부와 강남 그리고 동북 부를 거쳐 의정부시까지 광범위한 지역을 잇는 노선 이다. 그리고 7호선은 다른 역에 비해 평균 심도가 깊 고 지하역사가 차지하는 비율이 92.9%로 매우 높아 오 염물질의 외부 배출이 원활하지 않을 수 있어 객실 내 공기질 관리가 필요하다(Oh et al., 2011). 시범차량에 는 공기질개선장치(dust collector 이하 집진기)를 상 시 가동하여 입자상 대기오염물질을 여과집진하며, 집진기와 함께 전동차가 역사에 정차하여 출입문이 열리고 닫힐 때 객실 출입문 옆 4개의 에어커튼이 작 동되어 외부 대기오염물질의 유입을 차단한다(Fig. 1a). 설치된 에어커튼의 풍속과 풍량은 각각 10 ± 1 m/s와 360 ± 36 m3/h이며 가동 시 67 dB 이하의 소음이 발생 한다. 집진기의 풍량은 150 m3/h이며 각 차량에 4대의 집진기가 설치되어 있다. 에어커튼과 집진기는 운전 실에 설치된 제어 장치에 의해 자동으로 제어되며, 공 기질 측정일에는 시범차량의 8량 중 공기질 측정 대 상인 3, 4, 5, 6호차에서 두 장치의 가동 조건을 달리 하 였다. 3호차에서는 모든 장치를 끄고, 4호차는 에어커 튼 그리고 5호차는 집진장치만 가동하였다. 6호차에 서는 에어커튼과 집진장치를 모두 가동하여 총 4가 지 조건의 객실(CTL, AC, DC, AC/DC)을 측정일에 운 영하였다(Table 1).
2.2 측정 방법
시범차량의 4가지 조건의 객실에서 2021년 2월 26 일, 3월 31일, 4월 30일, 5월 14일 총 4회에 걸쳐 객실 내 PM2.5와 이산화탄소 농도를 측정하였다(Fig. 1b). 측 정 장비는 MSTechEng 사의 ‘IoT 스마트센서-굿에어 VIEW(SGA-0203)’을 사용하였고, PM2.5 농도는 LLS (레이저 광산란법, Laser Light Scattering) 이산화탄소 농도는 NDIR (비분산 적외선법, Non–Dispersive Infrared Gas Analyzers) 방법을 이용하여 측정하였다. 2020년 환경부가 고시한 ‘실내공기질 관리를 위한 대 중교통의 제작 및 운행 관리지침’을 최대한 준수하여 실내공기질을 측정하였다. 혼잡시간(7:30~9:30)과 비 혼잡시간(9:30~11:30)을 포함하는 시간대에 PM2.5와 이산화탄소 농도를 좌석 높이(~1.5 m)에서 30초 간격 으로 측정하였고, 자료 중 오전 7시 30분부터 11시 30 분까지 총 4시간의 자료를 분석하였다. 객실 내 4시간 평균온도는 7.55°C~19.83°C이며, 4시간 평균 습도는 24.33%~56.33%로 2월 20일에는 객실이 다소 건조하 였다. 측정 기간 동안 객실 간의 온도와 습도 차이는 13°C와 32% 이하로 나타났다.
3. 결과 및 고찰
3.1 시간 평균 PM2.5와 이산화탄소 농도 비교
에어커튼이 초미세먼지의 유입을 차단하는 효과를 파악하기 위하여 총 4회에 걸쳐 측정한 PM2.5 농도를 각각 4시간 평균하여 Fig. 2에 막대그래프로 나타내었 다. 대조군 차량(CTL)에 비해 에어커튼과 집진기를 따로 또는 함께 작동시켰을 경우 객실 내 PM2.5 농도 가 3 μg/m3에서 최대 12 μg/m3 낮아졌다. 집진기만 가 동한 DC 차량에서는 CTL 차량에 비해 PM2.5 농도가 17%~26% 감소하는 반면, 에어커튼만 가동한 AC 차 량에서는 PM2.5 농도가 15%~18% 감소하였다(Table 2). 시범차량에서 운영한 조건에서는 공기질개선장치의 여과집진 효과가 에어커튼의 차단 효과보다 강한 것 으로 나타났다. 그리고 에어커튼과 집진기를 동시에 가동한 AC/DC 차량에서는 PM2.5 농도가 CTL 차량에 비해 최대 42%까지 감소하였다. Table 2에 제시된 AC 차량과 DC 차량에서의 PM2.5 농도감소량을 산술적으 로 더한 값이 AC/DC 차량에서의 농도감소량과 7%의 오차범위 내로 일치함을 확인할 수 있다. 이를 통해 에어커튼의 차단 효과와 공기질개선장치의 여과집진 효과가 다소 독립적으로 나타난다고 추측할 수 있으 나, 전산유체역학 모델 등을 이용한 추가연구가 필요 하다. 그리고 5월 14일의 객차 내 평균 PM2.5 농도는 배 경농도의 변화로 2월 26일과 3월 31일 PM2.5 농도보다 높은 경향을 보였지만 가동 조건에 따른 PM2.5 농도 의 감소 패턴은 다른 기간과 유사하게 나타났으며, 이 를 통해 외부 환경이 변하더라도 에어커튼의 차단 효 과는 일정하게 나타남을 확인할 수 있다(Fig. 2c,d).
Fig. 3은 4시간 평균된 이산화탄소의 농도를 보여준 다. 초미세먼지와는 달리 이산화탄소는 전동차 객실 내에서 다량 발생하며 객실 내 이산화탄소의 농도는 승객 한 명이 증가함에 따라 약 8 ppm이 증가한다고 보고된 바 있다(Kwon et al., 2007). 따라서 자료 분석 에 앞서 차량 내 승객수에 따른 이산화탄소 발생량을 추정할 필요가 있으며(Park et al., 2006) 각 차량 내 승 객수를 추정할 수 있도록 4월 30일과 5월 14일에 측정 된 해당 차량의 시간(7:30~11:30)평균 중량을 Fig. 3c와 Fig. 3d에 각각 나타내었다. 에어커튼만 가동한 AC 차 량의 이산화탄소 농도는 5월 14일에는 CTL 차량보다 높게 그리고 나머지 기간에는 CTL 차량보다 40 ppm 이내로 조금 낮게 나타났다. AC 차량의 평균 중량이 CTL 차량보다 8.5% 낮은 4월 30일과 1.8% 낮은 5월 14 일에는 AC 차량의 이산화탄소 농도가 CTL 차량보다 1.9% 낮게 그리고 3.5% 높게 나타난 것으로 보아, 두 차량의 중량이 같은 즉 객실 내 이산화탄소 발생량이 같은 경우에는 AC 차량의 이산화탄소 농도가 CTL 차 량보다 높을 것으로 예상된다. 이는 에어커튼이 차량 내에서 발생한 이산화탄소의 외부로의 배출을 차단 하여 CTL 차량보다 AC 차량에 보다 많은 이산화탄소 가 축적된 것으로 보인다. 에어커튼과 집진기를 모두 가동한 AC/DC 차량에서는 평균 이산화탄소 농도가 CTL 차량보다 4월 30일에는 99.16 ppm, 5월 14일에는 53.02 ppm 높게 나타났으며 이 역시 에어커튼의 차단 효과에 의한 것으로 추정된다. 집진기만 가동하는 DC 차량에서는 4월 30일과 5월 14일에 측정된 차량 중량 이 네 차량 중 가장 낮아 이산화탄소 농도가 나머지 차량보다 낮을 것으로 예상하였으나 CTL 차량과 비 교하여 큰 차이를 보이지 않았다. 집진기도 객실 내 기류를 변화시키는 등의 작용으로 객실 내 이산화탄 소 농도에 영향을 미치는 것으로 추정할 수 있으며 이 에 대한 부분은 추가 연구가 필요하다.
3.2 PM2.5와 이산화탄소 농도의 시계열 분석
에어커튼의 객차 내 초미세먼지 유입 차단 효과를 보다 상세히 파악하기 위하여 4월 30일에 측정된 PM2.5 농도 시계열과 전동차가 지나는 역사의 승강장에서 의 PM2.5 농도를 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 2의 4시간 평 균한 PM2.5 농도 자료와 마찬가지로 시계열 자료에서 도 에어커튼이나 집진기를 가동하는 차량에서는 CTL 차량보다 PM2.5 농도가 낮게 나타났다. 그리고 11시 23 분 경을 제외한 모든 측정 시간대에서 에어커튼과 집 진기를 가동한 AC/DC 차량의 PM2.5 농도는 AC 차량 과 DC 차량보다 낮았으며 CTL 차량 내 PM2.5 농도보 다 평균 5 μg/m3 가량 낮게 나타났다. 오전 8시 38분부 터 9시까지 상봉역에서 장암역으로 가는 전동차 내 의 PM2.5 농도가 높아지다가 장암역에서 농도가 현저 히 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 노원역 부근에서 객차 내 PM2.5 농도가 높아지는 현상은 승강장의 농 도가 높아짐에 따라 터널 또는 승강장의 초미세먼지 가 객차 내부로 유입된 것으로 추정되며 실제로 Fig. 4에서 승강장의 PM2.5 농도가 높을수록 객차 내의 농 도가 함께 높아지는 경향을 보인다. 노원역을 지나 장 암역에서는 다시 농도가 낮아졌으며 도시철도공사의 도봉차량기지사업소를 지나 노원역으로 다시 나오는 구간에서는 농도가 다시 증가하다 ~10 μg/m3 수준으 로 감소하였다. 9시 48분 경에는 모든 차량 내 PM2.5 농 도가 다시 증가하였으며 이는 뚝섬유원지역와 청담 역 사이의 전동차가 지상에서 터널로 들어가는 구간 과 일치한다(Lim et al., 2014). 이수역을 지난 이후에 도 PM2.5 농도는 증감을 반복하며 차량 간 농도의 차 이는 에어커튼과 집진기의 가동 조건에 따라 다소 일 정하게 나타난다(Fig. 4).
PM2.5와 마찬가지로 CTL 차량과 다른 세 조건 차량 에서의 이산화탄소 농도 시계열을 비교해보았다(Fig. 5). 차량 내 이산화탄소 발생량을 대략적으로 파악하 기 위해 Fig. 5에 네 차량의 중량을 평균한 시계열 자 료를 제시하였다. 전반적으로 승객수의 증감에 따라 대략 10분에서 20분 사이의 시간차를 두고 차량 내 이 산화탄소 농도의 증감이 나타났다(Cho et al., 2005). 특 히 오전 7시 30분과 9시 30분 사이의 혼잡시간대에는 종점인 온수역과 장암역에서 이산화탄소의 최저 농 도가 나타나며 출근 승객이 많은 이수역–청담역 구 간에는 2000 ppm 이상의 고농도가 나타났다. 오전 8 시 10분 전후로 CTL 차량에서는 3000 ppm 이상의 고 농도가 발생하는 등 나머지 차량보다 이산화탄소 농 도가 유독 높은 경향을 보였는데 같은 기간에 1호 차 량인 CTL 차량의 중량이 나머지 차량보다 대략 25% 높은 것으로 보아 이는 승객수의 차이로 인하여 발생 한 것으로 추정된다. 오전 9시 30분 이후에는 전반적 으로 AC/DC 차량의 이산화탄소 농도가 CTL 차량보 다 높은 것으로 나타났으며 이는 에어커튼이 이산화 탄소의 유출을 차단하는 효과에 기인한 것으로 예상 된다. 4시간 평균 농도(Fig. 3)와 마찬가지로 각 차량 내 승객수와 이산화탄소 발생량의 차이로 인해 이산 화탄소 농도의 시계열 자료에서는 가동 조건에 따른 일관된 농도차를 파악하기 힘들며, 이를 보다 상세하 게 파악하기 위해서는 승객수가 통제된 조건에서 측 정된 자료가 필요하다.
4. 결 론
본 연구에서는 7호선 에어커튼 시범운용 차량에서 측정된 PM2.5와 이산화탄소 자료에서 에어커튼과 집 진기의 가동 조건에 따른 농도의 변화를 비교하여 에 어커튼이 전동차 내 공기질에 미치는 효과를 파악하 였다. CTL 차량과 비교하여 에어커튼을 가동한 AC 차 량과 집진기를 가동한 DC 차량에서는 PM2.5 농도가 각각 최대 18%와 26% 감소하였고, 에어커튼과 집진 기를 동시에 가동한 AC/DC 차량에서는 PM2.5 농도가 최대 42%까지 감소하였다. 초미세먼지와는 다르게 이 산화탄소는 전동차 객실 내에서 다량 발생하므로 승 객 수에 따른 이산화탄소 발생량의 차이도 고려해야 하는데, CTL과 AC 두 차량의 평균중량(차량 내 이산 화탄소 발생량)이 비슷한 경우에는 AC 차량의 이산 화탄소 농도가 CTL 차량보다 높게 나타나며 이는 에 어커튼이 이산화탄소의 외부로의 배출을 차단한 것 으로 보인다. 4월 30일에 측정된 PM2.5 농도의 시계열 과 전동차가 지나는 역사의 승강장에서의 PM2.5 농도 를 확인한 결과, 승강장의 PM2.5 농도가 높을수록 객 차 내의 농도가 함께 높아지는 경향을 보였으며 에어 커튼이나 집진기 또는 둘 모두를 가동하는 차량에서 는 CTL 차량보다 PM2.5 농도가 낮게 나타났다. 네 차 량에서의 이산화탄소 농도의 시계열을 비교해보았을 때, 전체적으로 승객수의 증감에 따라 대략 10분에서 20분 사이의 시간차를 두고 차량 내 이산화탄소 농도 의 증감이 나타났지만 차량 간 승객 수와 이산화탄소 발생량의 차이로 인하여 가동 조건에 따른 차량 간의 일관된 농도차는 확인할 수 없었다. 9시 30분 이후의 비혼잡시간대에서는 차량 간 승객 수의 차이가 줄어 들었고 전반적으로 AC/DC 차량의 이산화탄소 농도 가 CTL 차량보다 높게 나타났다. 이러한 차이는 에어 커튼이 이산화탄소의 유출을 차단하는 효과에 기인 한 것으로 예상된다.
본 연구를 통해 전동차 내 에어커튼을 가동할 경우 초미세먼지의 유입이 차단되어 PM2.5농도는 저감되 었으나 이산화탄소의 농도는 다소 증가함을 확인하 였다. 이는 에어커튼이 환기를 차단하여 발생한 것으 로 추정되며 나아가 전동차 내 휘발성유기화합물 등 의 유해물질의 배출을 방해할 것으로 예상된다. 그리 고 에어커튼 등의 장치는 객차 내 기류를 바꾸어 온 도 분포에 영향을 미치는 것으로 보고된 바 있으며 유 해물질의 수평 그리고 연직 분포에도 영향을 미칠 것 으로 예상된다(Ahn, 2004). 따라서 에어커튼을 운영 하는 차량에서의 실내공기질에 대하여 전산유체역학 모델을 활용하는 등 보다 체계적인 연구가 필요하며, 에어커튼과 집진기 그리고 환기시스템을 효율적으로 운영하고 제올라이트계 흡착제나 활성탄 필터를 사 용하여 객차 내 이산화탄소와 각종 유해물질을 제거 하는 방안을 마련할 필요가 있다(Cho et al., 2011).