1. 서 론
교육부 자료에 따르면 2022학년도 기준 전국 초·중· 고·특수학교 11,987개교 모두 급식을 제공하고 있다 (MOE, 2023).
전국의 모든 학교들이 급식을 제공하기 때문에 학교 급식실 및 주방의 실내공기질의 중요성은 증대되고 있다. 학교 조리실 내 적절한 환기설비 설치는 매우 중요한데 이는 조리실 내 정화된 공기를 충분히 공급하여 조리시 발생한 열과 수증기 및 공기오염물질을 원활하게 배출시키기 위함이다. 현재 대부분의 학교 조리실은 전체 환기 시스템이 제대로 갖추어져 있지 않다. 경남 및 제주 지역 학교 조리실 대상 조리실 환경 평가 실시 결과 전체 환기설비 부족으로 조리시 발생하는 실내공기오염물질과 열이 배출되지 못하여 조리실 상부에 정체되는 현상이 관찰되었다. 조리실에 설치되어 있는 후드 성능 및 설치 형태는 대부분 환기설비 설치 기준에 적합하지 않았으며, 후드 배기량이 부족하거나 설치가 제대로 되어있지 않아 작업자들이 조리흄에 그대로 노출되었다(Ha, 2021). 또한, 안전보건공단이 ‘안전한 급식실 조성을 위한 기준’에서 제시한 조리설비 배치 기준에 따라 국솥, 튀김기 등 열이 많이 발생하는 조리 기구는 벽면에 배치해야 하지만(KOSHA, 2012), 대부분의 조리실에서 튀김기 등이 조리대와 함께 조리실 중앙에 놓여있다. 조리 흄이 다량으로 발생하는 조리대와 튀김기를 한곳에 집중적으로 설치하여 하나의 후드를 공유하여 사용함으로써 환기 문제가 발생하였다(Ha, 2021). 2011년 경기도 학교 급식실 문제점 개선을 위한 학교급식 시설·설비 현황 및 급식담당자의 만족도 설문 조사에서도 저조한 급기 개선을 위한 공조시설 설치에 대한 요구가 있었다(GOE, 2011). 조리실 내 적절한 전체환기설비를 설치하여 정체되는 실내공기오염물질과 열기를 환기하는 것은 매우 중요하다.
서울특별시교육청에서는 급식실 내 조리과정에서 발생할 수 있는 조리흄 제거 등을 위하여 2023년부터 2027년에 걸쳐 환기시설 개선을 추진하였다(SMOE, 2023). 2023년 급식실 환기시설 개선 시범사업(41교)을 근간으로 ‘서울형 급식실 환기시설 개선 가이드라인’을 마련하였으며, 가이드라인 내 주요 3대 추진방안은 미사용 후드 차단, 조리종사원을 고려한 흄 방지기 부착, 후드 기준 세분화이다(SMOE, 2024). 이는 학교 급식실 조리종사자의 건강과 안전을 위한 환경 조성에 부응하기 위함이다.
실제로 급식실 조리종사자의 건강은 급식시설 내 실내공기질에 영향을 받는다. 고온의 조리과정으로 인하여 미세먼지(PM10, PM2.5), PAHs, 일산화탄소, 이산화질소, 휘발성유기화합물 등 다양한 오염물질이 발생한다 (Kim and Kim, 2016). 이뿐만 아니라 고온의 기름에 튀기는 요리 과정에서 발생하는 유해 가스상 물질에도 노출될 수 있다(Oh et al., 2022). 울산지역 24개교 급식실 작업환경평가 및 69개 학교 조리사 대상 설문조사 결과 사무직군과 조리직군의 일반 혈액학적 검사를 통한 면역 수준 비교 평가 결과 사무직군에 비해 조리직군에서 알레르기 질환자에게서 높게 나타나는 호산구 수 및 그 비율이 높게 나타났다(Lee et al., 2019). 이처럼 급식시설 내 실내공기질은 조리종사자의 건강에 영향을 끼치기 때문에 개선되어야 한다.
이에 급식 공간의 문제점을 파악하고 주방 발생 열기 및 연소가스 제거를 위한 실증공사를 통하여 실증 공사 후 실내공기오염물질이 얼마나 개선이 되었는지 평가하고 조리종사자 및 학생의 건강권을 확보하고자 하였다.
2. 연구 방법
2.1 학교 급식실 및 조리실 공간구조, 공조 환경 조사
본 연구에서는 실증 대상으로 선정된 3개 학교 대상 현장 조사를 실시하여 급식실 및 조리실의 공간구조와 공조 환경을 파악하였다. 공간구조와 공조 환경 조사는 Fig. 1과 같이 진행하였다.
공간구조의 경우 급식실과 조리실의 면적, 높이, 출입구 및 창문 배치, 조리 구역과 세척 구역 간의 구획 여부를 확인하였다. 특히, 급식실과 조리실 간의 공기 흐름에 영향을 미칠 수 있는 공간적 특성을 중점적으로 분석하였다.
공조 환경의 경우 각 학교의 급기(공급 공기) 및 배기 (배출 공기) 시스템의 배치 및 운영 상태를 조사하였다. 급기구와 배기구의 위치, 공조 설비의 용량(풍량), 필터 등급, 유지 관리 상태를 포함한 공조 환경의 실질적인 성능을 평가하였다. 특히, 조리실 내부에서 발생하는 오염물질(예: 연기, 기름 입자 등)의 배기 효율성을 확인하였다.
이와 같은 조사를 바탕으로 각 학교의 공간구조 및 공조 환경 특성에 따른 실내 공기 흐름 및 오염물질의 분포를 분석하는 데 필요한 기초 자료를 확보하였다. 이를 통해 CFD 시뮬레이션의 입력값으로 활용할 수 있는 정확한 데이터를 수집하였다.
2.2 전산유체역학(CFD) 분석
학교 급식실 및 조리실의 환기 설비 및 공조 환경 개선에 따른 전후의 효과를 정량적 및 시각적으로 확인하기 위하여 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)을 사용하였다. CFD 해석 대상은 3개교의 급식실, 세척실 및 조리실이다.
각 학교의 조리, 세척 및 급식실의 설계 도면과 현장 조사 결과를 바탕으로 Fig. 2와 같이 공간의 3D 도메인을 모델링하였다. 각 학교의 급·배기구 위치, 세척실과 조리실의 구획, 급식실의 위치를 반영하여 정확한 해석이 가능하도록 유동장을 설정하였다.
CFD 해석을 위한 메쉬(격자)는 공간의 세밀한 흐름을 포착하기 위해 Fig. 3과 같이 공간의 크기에 따라 약 30만 개에서 200만 개의 메쉬를 생성하였다. 메쉬의 밀도는 조리, 세척 및 급식실 등 오염물질이 집중되는 공간과 급·배기구에 세밀하게 생성하였다. C 학교의 경우 문제점이 발견된 세척실을 위주로 해석하였다.
본 연구에서 사용된 CFD 코드는 STAR-CCM+ V.13이다. 메쉬의 경우 Trimmer 메쉬를 사용하였다. Trimmer 메쉬는 복잡한 기하학적 구조에서도 효율적인 해석을 가능하게 하여 선택하였다. 난류 모델은 Realizable k-ε 모델을 채택하였다. 이 모델은 다양한 유동 상황에서 신뢰성 있는 결과를 제공하는 모델로, 특히 실내 공조 환경을 해석하는 모델에 자주 적용된다. 오염물질의 경우 모든 오염물질을 해석할 수 없기에 Passive scalar를 이용하여 오염물질을 해석하고 상대 비교하였다(Lateb et al., 2013;Khalaji et al., 2019;Ainara et al., 2023;Lim et al., 2024).
2.3 실내공기오염물질 조사
환경부 「실내공기질 공정시험기준」에서 규정하고 있는 시험기준에 준하여 오염물질을 측정하고 분석하여 실내공기질을 평가하였다. 시간에 따라 농도변화를 확인해야 하는 오염물질은 부 시험방법(연속측정방법)으로 측정하였으며 항목으로는 미세먼지, 초미세먼지(광산란법), 이산화탄소와 일산화탄소(비분산적외선법), 이산화질소(화학발광법)이다. 오염물질의 정확한 농도 분석이 필요하고 판단한 오염물질은 주 시험방법으로 측정하였으며 항목은 폼알데하이드(2,4-DNPH 유도화 HPLC 분석법), 총휘발성유기화합물(고체흡착관과 GC-MS/FID)이다. 세부 측정 위치와 학교별 실증공사 내용은 Table 1과 같이 진행하였다.
2.4 실증공사 실시
2.4.1 A 학교
A 학교는 급식실에 설치된 ERV(Energy Recovery Ventilator; 에너지 회수 환기장치)가 외기 도입과 배기 덕트가 없어 환기장치로의 역할을 제대로 하지 않으므로(Rasouli et al., 2010;KATS, 2022) 외기 도입과 배기가 원활하게 이루어질 수 있도록 덕트 시공을 진행하였다. 또한, 주방의 경우 천장 냉방기의 흡입구가 플레넘 공간에 노출되어 있어, 주방 내부에 별도의 흡입구와 필터 박스를 설치하였다.
2.4.2 B 학교
B 학교는 2024년 2월 27일부터 29일까지 실증공사를 실시하였다. B 학교는 급식 공간에 ERV가 없어 급식실 내부의 공기가 원활히 환기되지 않고 있었다. 이에 따라 천장 속에 ERV 4대와 급·배기구를 설치하였다. 주방 및 세척실의 설비 상태도 함께 점검하였다.
2.4.3 C 학교
C 학교는 실증공사를 1차로 2024년 2월 26일부터 27일까지 진행하였으며, 추가로 2월 27일부터 4월 23일에 걸쳐 공사를 완료하였다. 세척실에 문제가 있었으며, 식판 세척 유닛에서 발생하는 증기가 제대로 배기되지 않는 상황이었다. 이는 기존 배기구의 위치가 교체된 식판 세척 유닛에서 증기가 나오는 부분과 일치하지 않아 발생한 문제이며, 배기구와 증기 배출 위치의 불일치로 인해 세척실 내부에 증기가 쌓여 불편함을 초래하고 있었다. 이네 식판 세척 유닛의 증기 배출 위치를 확인하고 이에 맞추어 배기구를 확장하여 설치 하였다. 이를 통해 증기가 효율적으로 배기되도록 조치 하였다.
3. 연구결과 및 고찰
3.1 학교 급식실 및 조리실 공간구조, 공조 환경 조사
3.1.1 A 학교
A 학교는 조리실과 세척실이 독립적인 환기시스템이 구성되어있는 일체형 구조이며, 배기구가 오염원 상단에 배치되어 있다. 또한, 신선한 공기의 공급을 위한 급기구가 배치되어 있으며, 조리실 및 세척실 급기와 배기의 풍량이 풍량이 10,200 CMH, 배기 풍량은 유증기용 13,920 CMH, 수증기용 10,920 CMH로 두 공간의 압력이 동일하게 유지되고 있었다.
3.1.2 B 학교
B 학교는 조리실과 세척실이 분리되어 있다. 조리실은 오염원 상단에 배기구가 있으며, 급기는 토출 방향을 변경할 수 있는 형태다. 외부의 배기 유닛이 조리실 및 급식실에 근접하게 설치되어 배기된 오염공기가 조리실 또는 급식실로 재유입될 가능성이 있었다. 조리실의 급기 풍량은 4,200 CMH, 배기 풍량은 유증기용 19,200 CMH, 수증기용 20,580 CMH 이며, 세척실은 급기는 없고 배기 풍량은 4,980 CMH 이었다.
3.1.3 C 학교
C 학교는 조리실과 세척실이 분리되어 있으며, 식사 공간에 위층으로 연결되는 연결로가 있었다. 세척실의 세척기 교체로 인하여 일부 배기구가 증기가 발생하는 곳과 다른 위치에 배치되어 있었다. 세척실과 조리실의 바닥이 식사 공간보다 높게 설계되었으며, 조리실 급기 풍량은 14,400 CMH 이며 배기 풍량은 유증기용 10,400 CMH, 수증기용 11,040 CMH, 세척실은 급기 2,400 CMH, 배기 4,000 CMH이었다.
3.2 CFD 분석
3.2.1 A 학교
개선 전, 시뮬레이션 결과로 조리실에서 발생한 오염 물질이 급식실로 확산되며, 실내 전반적으로 확산하는 것으로 나타났다. 특히, 세척실과 조리실의 경계가 분명하지 않아 교차 오염이 발생하는 것으로 나타났다.
개선 후, ERV(에너지 회수 환기장치)를 설치하고 배기구 및 급기구를 최적화한 결과, Fig. 4, 5와 같이 오염 물질이 급식실로 확산되지 않고 신선한 공기가 조리실과 세척실에 원활하게 유입되는 것을 확인하였다. 급식 실의 오염물질 농도는 평균적으로 약 40% 저감 되었다.
3.2.2 B 학교
개선 전, B학교는 조리실과 급식실의 구조가 분리되어 있고 조리실이 음압을 형성하여 급식실 방향으로 오염물질이 확산하지 않는 형상을 보였다. 하지만, 급식실에 환기장치가 없어 세척실로부터 확산한 오염물질이 급식실로 확산되는 형상을 보였다.
개선 후, 4대의 ERV를 급식실에 설치하여 배기 효율을 높인 결과, Fig. 6과 같이 급식실 내 오염물질 농도가 약 11% 감소하였다. 조리실의 음압 형성으로 인해 오염물질 확산이 적은 것으로 나타났다.
3.2.3 C 학교
개선 전, C 학교는 세척실의 배기구 위치가 부적절하여 세척실에서 발생한 증기가 효과적으로 배출되지 못 하고, 세척실과 급식실의 실내공기질을 악화시키는 문제가 있었다.
개선 후, 세척실 배기구의 위치와 크기를 조정한 결과, Fig. 7과 같이 세척실 내 기계로부터 발생한 증기가 바로 배기되어 세척실 내부의 오염물질 농도가 약 19% 저감되었으며, 급식실로의 확산도 방지되었다.
개선 전, C 학교 조리실 옥상에 설치된 배기구가 외기 도입구와 인접하여 조리실에서 배기된 유증기와 수증기가 외기도입구로 재유입될 수 있는 문제점이 발견되 었다.
개선 후, Fig. 8과 같이 배기구의 배기 방향을 위쪽으로 향하게 하는 up-firing 방식을 적용하였다. Up-firing 은 배기된 공기가 외기도입구로 다시 들어가는 것을 방지하여, 기존에는 유증기 48.4%, 수증기 73.5%가 유입 되었으나, Up-firing 설치 이후 유증기는 11.29%, 수증기는 5.23%가 유입되는 것으로 나타나 재유입률이 많이 감소한 것으로 나타났다.
3.3 실증공사 후 실내공기오염물질 조사
3개교 대상 학교 급식실 실증공사 실시 전·후 실내공기오염물질 농도 변화 평가를 실시하였다(Table 2). 측정항목은 미세먼지(PM10), 초미세먼지(PM2.5), 이산화질소(NO2), 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 총휘발성유기화합물(TVOC), 폼알데하이드(HCHO) 7가지 항목이다. 측정 시간은 조리시(10:00~11:55)와 급식시(12:00~14:00)로 나누어 측정하였다.
3.3.1 A 학교
A 학교의 경우 1, 2차 측정시 조리 과정에서 실내공기오염물질이 많이 유발될 수 있는 볶음밥, 덮밥, 튀김이 식단에 포함되어 있었다.
A 학교는 대체로 모든 측정항목이 급식실보다 조리실에서 농도가 더 높았으나, 1차 측정에서 배식 시간의 PM2.5, CO2와 2차 측정에서 조리·배식 시간의 PM10, 배식 시간의 CO2 농도는 급식실에서 더욱 높게 나타났다. 이는 배식 시 재실자 수 증가로 인한 영향이다. 전반적으로 PM10, PM2.5, NO2, CO의 농도는 배식 시간에 비해 조리 시간에 높았고, CO2의 농도는 배식 시간에 증가하였다. 이 또한 재실자 수 증가의 영향이다(Table 3).
3.3.2 B 학교
B 학교는 대체로 모든 측정항목이 조리실과 급식실에서 모두 높은 경향성을 보였으나 실증공사 이후 전체적으로 농도가 현저히 감소하였다. 대체로 배식 시간에 PM10, PM2.5, CO2의 농도가 증가하였고, 조리 시간에는 NO2, CO의 농도가 배식 시간에 비해 높았다. 이는 배식 시 재실자 수 증가와 식단의 조리 방법에 따른 결과이다. 청소 시간에는 전반적으로 모든 측정항목의 농도가 감소하였다(Table 4).
3.3.3 C 학교
C 학교는 또한 모든 측정항목이 조리실과 급식실에서 모두 높은 경향성을 보였으나 실증공사 이후 전체적으로 농도가 현저히 감소하였다. 조리실의 경우 실증공사 이전에는 PM10, PM2.5, NO2의 농도가 조리 시간에 비해 배식 시간에 증가하였으나, 실증공사 이후에는 조리 시간에 더 높아졌다. 급식실의 경우 대체로 조리 시간에 비해 배식 시간에 PM10, PM2.5, CO2의 농도가 증가하였고, NO2와 CO는 조리 시간과 배식 시간 모두 비슷한 양상을 보였다(Table 5).
4. 결론 및 고찰
본 연구는 학교 급식실 및 조리실의 환기 시스템을 개선하여 실내 공기질을 향상시키기 위한 방법을 CFD 분석을 통해 평가하였다. 실증 대상으로 선정된 학교의 기존 환기 시스템을 분석한 결과, 일부 공간에서 오염 물질의 축적이 관찰되었으며, 특히 ERV의 적절한 배치 및 배기구 설계의 중요성이 부각되었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 각 학교에 맞춘 공조 시스템 개선 방안을 도출하고, 개선 전후의 공기질 변화를 CFD 분석을 통해 정량적으로 평가하였다.
분석 결과, ERV 가동 유무 및 배기구 설계 변경을 통한 공조 환경 개선이 실내 공기질에 미치는 긍정적인 영향이 명확하게 확인되었다. ERV는 누기율이 적어 오염된 공기의 실내 재유입을 방지하는 장소에 주로 사용되며, 최근에는 고성능필터를 장착하는 등 미세먼지 차단 및 집진 기능을 적용하고 있다(Kim et al., 2020). 각 학교에서의 실내 공기질 향상률은 최소 11%에서 최대 40%까지의 범위로 나타났으며, 이는 기존 환기 시스템 대비 획기적인 실내공기질 개선을 시사한다. 특히 배기구의 위치 및 배출 방향 최적화가 조리실로의 오염물질 재유입을 방지하여 실내공기질 개선에 기여한다. Kim et al. (2022)의 교사 및 학생 대상 학교 ERV 설치에 따른 실내환경 개선 만족도 조사 결과에서도 학생과 교사의 60% 이상이 ERV 적용 이후 실내공기질이 개선되었다고 응답하였다.
B 학교와 C 학교의 실증공사 전·후 조리실과 급식실의 조리시와 급식시 실내공기오염물질 농도 저감율은 다음과 같다(Table 6). 공정시험법 측정 결과 B 학교의 조리실의 조리시 실내공기오염물질 농도 저감율은 PM10 (39.73%), PM2.5 (51.01%), NO2 (39.71%), CO2 (3.79%), CO (20.00%), HCHO (11.32%)이다. 급식시 실내공기오염물질 농도 저감율은 PM10 (73.09%), PM2.5 (71.13%), NO2 (32.59%), CO2 (11.19%), CO (20%), HCHO (19.67%)이다. TVOC의 경우 조리시 (–4.19%)와 급식시(–43.24%) 모두 증가율을 보였다. 급식실의 조리시 실내공기오염물질 농도 저감율은 PM10 (53.16%), PM2.5 (56.95%), NO2 (47.79%), CO (50.00%), TVOC (58.65%), HCHO (33.33%)이며, CO2 (–5.13%)는 증가율을 보였다. 급식시 실내공기오염물질 농도 저감율은 PM10 (56.8%), PM2.5 (54.1%), NO2 (39.1%), CO2 (0.4%), TVOC (10.4%), HCHO (36.1%)이며 CO (0.0%)는 변동이 없었다. C 학교의 조리실의 조리시 실내공기오염물질 농도 저감율은 PM10 (16.52%), PM2.5 (25.21%), NO2 (50.69%), CO2 (10.44%), CO (23.08%), HCHO (20.00%)이다. 급식 시 실내공기오염물질 농도 저감율은 PM10 (75.94%), PM2.5 (74.35%), NO2 (67.63%), CO2 (28.66%), CO (36.36%), HCHO (20.59%)이다. TVOC의 경우 조리 시(–151.00%)와 급식시(–129.64%) 모두 증가율을 보였다. 급식실의 조리시 실내공기오염물질 농도 저감율은 PM10 (53.7%), PM2.5 (47.89%), NO2 (67.41%), CO2 (6.12%), CO (25.00%)이다. TVOC (–53.61%)와 HCHO (–30.43%)는 증가율을 보였다. 급식시 실내공기오염물질 농도 저감율은 PM10 (62.69%), PM2.5 (62.14%), NO2 (64.47%), CO2 (15.08%), CO (33.33%), HCHO (20.00%)이며, TVOC (–96.27)는 증가율을 보였다. 농도 증가율을 보인 경우는 측정 당시 일시적으로 일부 음식의 조리 방법 및 내부 환경에 영향을 받은 것으로 판단된다. 실제로 식단에 따라 튀기기, 굽기, 삶기, 볶기, 끓이기 등과 같은 조리 방법에 따라 실내공기 오염물질 농도에 영향을 줄 수 있다. 한 연구에서 가스레인지 사용 여부 및 조리 빈도 기준으로 조리 특성을 구분하여 조리과정에 따른 미세먼지 농도를 측정하였고 ‘굽기’가 미세먼지 발생량이 가장 많은 것으로 조사 되었으며, 그다음으로 ‘볶기’이었다(Joo and Ji, 2020). 사용된 재료에 따라서도 실내공기오염물질 발생량이 달라진다. 낮은 온도에서도 쉽게 휘발되는 불포화지방을 많이 함유할수록 조리 시 다량의 미세먼지가 발생한다(Won et al., 2019).
두 학교 대상 시간대별 실내공기오염물질 농도 변화 추이 분석 결과 B 학교에서는 PM10, PM2.5, CO2 농도가 조리시간과 청소시간 내 실증공사 후 대체로 감소하였다. CO 농도는 조리시간대 대부분은 높은 농도 분포를 보였으며, CO2와 CO, HCHO, TVOC 농도는 급식실이 조리실보다 농도가 높게 나타났다. HCHO와 TVOC 농도는 조리시간이 배식 및 청소시간보다 높게 나타났으며, 실증공사 이후 조리시간, 청소시간에 농도가 대체로 감소하였다. C 학교는 PM10, PM2.5가 실증공사 후 배식시간과 청소시간에 농도가 감소하였으며, CO2, CO, HCHO, TVOC 농도는 조리시간, 배식시간, 청소시간 모두에서 실증공사 후 농도가 감소하였다. 경남 지역 28개 학교에 대해 급식소 환기시설 개선 시범사업 시행 결과에서도 환기시설 개선 이후 조리 시 미세먼지 (PM0.3) 농도가 82% 감소하였고, 일산화탄소 농도는 약 1/4로 감소하였다. 또한 설계단계 및 공사 후 감리를 위한 제도적인 장치 마련을 제안하였고, 조리원 호흡 영역의 농도 측정을 통한 환기설비의 건강 보호 효과 분석에 관한 후속연구의 필요성을 강조하였다(Son et al., 2024).
본 연구에서는 실증공사 후 급식실과 주방의 실내공 기오염물질 농도가 감소한 것을 확인하였으나, 측정 당시 일부 음식의 조리 방법 및 내부 환경 등 일시적으로 발생할 수 있는 모든 변수를 반영하지 못하였다. 따라서 추가적인 실태조사가 포함된 후속 연구가 필요하다.
