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표제지

국문초록

목차

1. 서론 17

1.1. 연구의 배경 및 목적 17

1.2. 연구의 범위 및 방법 20

1) SUPDI 평가에 대한 예비적 고찰 20

2) SUPDI 평가를 위한 수치해석 모델 구축 21

3) SUPDI 평가 결과 및 분석 21

2. SUPDI 평가에 대한 예비적 고찰 24

2.1. 실내공간오염입자 특성 25

2.1.1. 실내 미세먼지 특성 25

2.1.2. 실내 미세먼지 거동 27

2.1.3. 실내 미세먼지 노출에 의한 건강 위해성 30

2.2. 실내공간 공기정화 설비 유형 31

2.2.1. 공기정화 설비 유형 분석 사례 32

2.2.2. 공기정화 설비 유형에 따른 환기성능 35

2.3. 실내공간 공기정화 설비 성능평가 38

2.3.1. 공기정화 설비 입자저감성능 평가 38

2.3.2. 입자 위치 데이터 기반 입자분포 균일성 평가 41

3. SUPDI 평가를 위한 수치해석 평가모델 구축 43

3.1. 개요 43

3.2. SUPDI 평가방법 44

3.2.1. 학생 위치 별 입자노출량 편차 기반 SUPDI 평가 44

3.2.2. SUPDI 등급 평가 46

3.3. 전산유체역학 시뮬레이션 48

3.3.1. SUPDI 평가모델[원문불량;p.35] 48

3.3.2. 수치해석 방법 56

3.3.3. 시뮬레이션 경계조건 61

3.4. 해석 모델 검증 64

3.4.1. 격자 독립성 시험 64

3.4.2. 기류 및 입자 해석 결과 검증 66

3.5. 평가지표 74

(1) ADPI (Air Diffusion Performance Index) 74

(2) 입자제거효율 (Particle removal efficiency) 76

(3) 입자노출량 (Particle Exposure) 77

4. 시스템 조합 별 입자노출량 기반 SUPDI 평가 결과 78

4.1. 개요 78

4.2. 시스템 조합 별 기류해석 결과 80

4.2.1. 시스템 조합 별 호흡역에서 실내 기류, 온도분포 결과 80

4.2.2. 실내 기류·온도분포 기반 ADPI 평가 84

4.3. 시스템 조합 별 입자해석 결과 90

4.3.1. 시스템 조합 별 입자농도 결과 90

4.3.2. 입자농도 기반 입자제거효율 평가 93

4.4. 시스템 조합 별 SUPDI 결과 96

4.4.1. 시스템 조합 별 입자노출량 결과 97

4.4.2. 입자노출량 기반 SUPDI 평가 100

4.4.3. 평가지표 간 결과 비교 103

4.5. SUPDI 지표의 활용 110

5. 결론 113

참고문헌 118

부록 128

부록 1. (Case 1~8) 128

부록 2. (Case 9~16) 129

부록 3. (Case 17~24) 130

부록 4. (Case 1~8) 132

부록 5. (Case 9~16) 133

부록 6. (Case 17~24) 134

부록 7. (Case 1~8) 136

부록 8. (Case 9~16) 137

부록 9. (Case 17~24) 139

Abstract 141

표목차

〈표 2-1〉 미세먼지 농도 기준 26

〈표 2-2〉 실내공간 공기정화 설비 유형 분석 사례 32

〈표 3-1〉 SUPDI 등급 평가 범위 47

〈표 3-2〉 전산유체역학(CFD) 해석 조건 56

〈표 3-3〉 입자설정 조건 56

〈표 3-4〉 시뮬레이션 영향요소 61

〈표 3-5〉 시뮬레이션 경계조건 63

〈표 4-1〉 교실 공간 내 시스템 명칭 79

〈표 4-2〉 수치해석 시뮬레이션 Case 79

〈표 4-3〉 시스템 조합 별 성능평가 결과 111

그림목차

[그림 1-1] 연구 흐름도 23

[그림 2-1] 미세먼지 크기 비교 26

[그림 2-2] 미세먼지 거동 매커니즘 29

[그림 2-3] 미세먼지 노출에 따른 학생 건강 영향 31

[그림 2-4] 환기시스템 타입에 따른 감염위험도 36

[그림 2-5] 환기시스템 토출구, 흡입구 위치에 따른 입자노출량 37

[그림 2-6] 공기정화 설비 청정화 능력 평가 시 입자농도 곡선 40

[그림 2-7] CCL, CGC, RC 정의 41

[그림 2-8] 입자분포 분석 결과 42

[그림 3-1] 학생 위치 별 개별 호흡영역 45

[그림 3-2] 표본조사 정확도 평가기준 47

[그림 3-3] 해석 대상 교실 평면도 및 재실자 3D 모델 50

[그림 3-4] 교실 내 공기정화설비 3D 모델 53

[그림 3-5] 교실 내 냉난방기 3D 모델 53

[그림 3-6] 교실 내 해석영역 55

[그림 3-7] 환기시스템 유형 별 격자 독립성 시험 결과 65

[그림 3-8] 기류속도 측정실험 측정 위치 및 설치사진 67

[그림 3-9] 기류해석 검증 결과 68

[그림 3-10] 입자농도 측정실험 실험순서 70

[그림 3-11] 입자농도 측정실험 측정 위치 및 설치사진 71

[그림 3-12] 입자농도 측정실험 결과 (Test 1~3) 72

[그림 3-13] 입자농도 측정실험, 입자해석 검증 결과 73

[그림 4-1] 시스템 별 기류유선 81

[그림 4-2] 시스템 조합 별 기류분포 해석 결과 (Standing type ventilation, Z＝0.8 m) 82

[그림 4-3] 시스템 조합 별 온도분포 해석 결과 (Standing type ventilation, Z＝0.8 m) 83

[그림 4-4] 시스템 조합 별 ADPI 분석 결과 (Standing type ventilation) 85

[그림 4-5] 시스템 조합 별 EDT 분석 결과 (Standing type ventilation) 85

[그림 4-6] 시스템 조합 별 ADPI 분석 결과 (Ceiling-mounted type ventilation) 87

[그림 4-7] 시스템 조합 별 EDT 분석 결과 (Ceiling-mounted type ventilation) 87

[그림 4-8] 시스템 조합 별 ADPI 분석 결과 (Window-mounted type ventilation) 89

[그림 4-9] 시스템 조합 별 EDT 분석 결과 (Window-mounted type ventilation) 89

[그림 4-10] 시스템 조합 별 실 전체 입자농도 결과 91

[그림 4-11] 시스템 조합 별 재실영역 입자농도 결과 92

[그림 4-12] 시스템 조합 별 실 전체 입자제거효율 결과 94

[그림 4-13] 시스템 조합 별 재실영역 입자제거효율 결과 95

[그림 4-14] 시스템 조합 별 입자노출량 결과 (Standing type ventilation) 97

[그림 4-15] 시스템 조합 별 입자노출량 결과 (Ceiling-mounted ventilation) 98

[그림 4-16] 시스템 조합 별 입자노출량 결과 (Window-mounted ventilation) 99

[그림 4-17] 시스템 조합 별 SUPDI 분석 결과 (Standing type ventilation) 100

[그림 4-18] 시스템 조합 별 SUPDI 분석 결과 (Ceiling-mounted ventilation) 101

[그림 4-19] 시스템 조합 별 SUPDI 분석 결과 (Window-mounted ventilation) 102

[그림 4-20] 시스템 조합 별 ADPI-SUPDI 결과 비교 (Standing type ventilation) 104

[그림 4-21] 시스템 조합 별 입자제거효율-SUPDI 결과 비교 (Standing type ventilation) 105

[그림 4-22] 시스템 조합 별 ADPI-SUPDI 결과 비교 (Standing type ventilation) 106

[그림 4-23] 시스템 조합 별 입자제거효율-SUPDI 결과 비교 (Ceiling-mounted ventilation) 107

[그림 4-24] 시스템 조합 별 ADPI-SUPDI 결과 비교 (Window-mounted ventilation) 108

[그림 4-25] 시스템 조합 별 입자제거효율-SUPDI 결과 비교 (Window-mounted ventilation) 109

부록그림목차

[그림 부록-1] 시스템 조합 별 기류분포 해석 결과 (Standing type ventilation) 129

[그림 부록-2] 시스템 조합 별 기류분포 해석 결과 (Ceiling-mounted ventilation) 130

[그림 부록-3] 시스템 조합 별 기류분포 해석 결과 (Window-mounted ventilation) 131

[그림 부록-4] 시스템 조합 별 온도분포 해석 결과 (Standing type ventilation) 133

[그림 부록-5] 시스템 조합 별 온도분포 해석 결과 (Ceiling-mounted ventilation) 134

[그림 부록-6] 시스템 조합 별 온도분포 해석 결과 (Window-mounted ventilation) 135

[그림 부록-7] 시스템 조합 별 입자노출량 분석 결과 (Standing type ventilation) 137

[그림 부록-8] 시스템 조합 별 입자노출량 분석 결과 (Ceiling-mounted ventilation) 138

[그림 부록-9] 시스템 조합 별 입자노출량 해분 결과 (Window-mounted ventilation) 140

초록보기

 대기 중 미세먼지 농도는 실내 미세먼지 농도에 영향을 줄 수 있으며, 오랜 시간 재실하고 미세먼지 장기 노출에 의한 건강 위해성이 높은 학생들이 재실하는 교실의 경우, 실내 미세먼지 농도 관리는 매우 중요하다. 2018년 교육부는 학교 교실 공간의 미세먼지 농도 관리를 위해 '학교 고농도 미세먼지 대책'을 발표하였으며, 20년 3월 기준 전국 교육시설에 공기정화설비 보급을 완료하였다. 교육시설에 설치된 공기정화 설비의 경우, 공간 전체의 입자농도 저감에 초점을 두고 성능 평가가 되는 경우가 많다. 국부적인 관점에서, 공간 내 입자가 정체되어 오랜 시간 고농도를 유지하는 구간이 발생하여 학생들에게 노출이 되는 경우, 학생들에게 미치는 건강 위해성이 커질 수 있다. 이에 공간 내 국부 영역에서의 농도 평가 방안이 요구되고 있다.

본 연구는 교실 내 적용되는 시스템 조합 별 장치 가동에 따른 공간 내 입자분포 균일성(SUPDI, Spatial Uniformity of Particle Distribution in Space Index, 이하 SUPDI) 평가를 목적으로 한다. 재실자 위치 별 입자노출량 편차 기반 변동계수를 활용하여 환기설비 단독가동 상황과 공기청정기, 냉난방 설비의 동시가동 상황에서의 SUPDI를 평가하고자 하였다. 본 연구 결과를 바탕으로 교실 공간 내 적용되어 있는 시스템들의 입자저감성능 평가 시 국부적 입자노출량 데이터를 반영한 평가가 가능할 것으로 판단되며, 교실 공간에서 효과적으로 미세먼지 농도를 저감 할 수 있는 적정 시스템 선정에 참고할 수 있는 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

본 연구의 주요 결과는 다음과 같다.

1) 시스템 조합 별 장치가동에 따른 ADPI 분석 결과, 바닥설치형 환기시스템은 SV+PAC가 여름철 91.67%, 겨울철 83.33%로 가장 높게 평가되었다. 천장매립형 환기시스템은 CV+PAC가 여름철 83.33%, 겨울철 66.67%로 가장 높게 나타났으며, 창문 부착형 환기시스템은 WV+HPS가 여름철 91.67%, 겨울철 70.83%로 가장 높게 평가되었다. 시스템 조합에 따른 ADPI 결과 차이가 있음을 확인하였으며, 시스템 조합 별 기류분포 차이에 따른 입자분포 균일성 차이도 있을 것으로 판단된다.

2) 시스템 조합 별 장기가동 상황에서의 입자제거효율 평가 결과, Ventilation+PAC를 제외한 나머지 시스템 조합의 입자제거효율 차이가 1% 이내로 유사한 수준에서 평가되었다. Ventilation Only와 Ventilation+ HPC, Ventilation+HPS의 입자제거효율 결과 차이가 작은 이유는 냉난방기가 입자저감성능이 없는 재순환기류 발생장치이기 때문인 것으로 판단된다. 실 전체와 재실 영역에서의 입자제거효율 결과 차이를 비교한 결과, 차이가 작게 나타난 것을 확인할 수 있다. 이는 재실영역이 국부적 관점에서 입자저감성능 평가에 한계가 있음을 의미하며, 국부적 입자농도를 반영할 수 있는 해석영역이 필요한 것을 의미한다.

3) 시스템 조합 별 장치가동에 따른 입자노출량 평가 결과는 다음과 같다. 바닥설치형 환기시스템에서는 여름철 SV Only의 입자 노출량 최대, 최소 값의 차이가 5.89E-10 μg/h로 가장 크게 나타났으며, 겨울철 SV+PAC가 1.69E-10 μg/h으로 가장 작은 입자노출량 최대, 최소 값의 차이를 보였다. 천장매립형 환기시스템과 창문부착형 환기시스템의 입자노출량 최대, 최소 값의 차이 또한 Ventilation Only가 가장 크게 나타났으며, Ventilation+PAC에서 가장 작은 차이를 보였다. 3가지 시스템 모두 Ventilation+HPC, Ventilation+HPS의 입자노출량 차이가 1.0E-10 μg/h 이내로 차이가 적게 나타났으며, 입자노출량의 평균값도 1.0E-10 μg/h 이내로 차이가 작게 나타났다.

4) 시스템 조합 별 장치가동에 따른 SUPDI 평가 결과는 다음과 같다. 바닥설치형 환기시스템은 SV+HPC가 여름철 0.83, 겨울철 0.86으로 가장 높은 SUPDI 값을 나타냈다. 천장매립형 환기시스템은 CV+HPS가 여름철 0.77, 겨울철 0.75로 가장 높게 평가되었으며, 창문부착형 환기시스템은 WV+HPS가 여름철 0.82, 겨울철 0.80으로 평가되었다. 3가지 환기시스템의 입자노출량 평가 결과에서 Ventilation+PAC의 입자노출량이 다른 시스템 조합에 비해 가장 작게 평가되었음에도 SUPDI 값이 다른 시스템 조합에 비해 낮게 평가 된 것을 확인할 수 있다. 이는 입자노출량이 작게 평가되더라도 평균 대비 편차가 클 경우 SUPDI 값은 낮게 평가 될 수 있음을 의미한다.

5) 기존 환기성능 평가지표인 ADPI 분석 결과, 시스템 조합 별 차이가 존재하는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 시스템 가동 전·후의 입자농도의 비율을 의미하는 입자제거효율의 경우 시스템 조합 별 결과 값의 차이가 1% 이내로 크지 않은 것을 확인하였다. SUPDI와 기존 성능평가 지표 간 비교분석 결과 시스템 조합 별 기존 성능평가 지표의 결과 우위와 SUPDI 지표의 결과 우위가 다른 것을 확인할 수 있다. 이는 기존 성능평가지표로 평가할 수 없던 입자분포 균일성을 평가하고 있음을 의미한다.

6) 본 연구에서 평가한 SUPDI 지표는 재실자 개별 호흡영역의 입자노출량 데이터 집합의 변동계수와 연관이 있다. 변동계수는 표준편차에 평균을 나눈 값으로 두 데이터 집합의 편차를 상대 비교하기 위해 사용된다. 재실자 위치 별 입자노출량이 낮게 평가되더라도 데이터의 평균대비 편차가 클 경우 SUPDI 값은 낮게 평가될 수 있음에 따라 시스템 조합 별 SUPDI 비교평가 시 활용할 수 있는 평가기준이 필요하다. 본 연구에서는 변동계수가 활용되는 사례를 참고하여 SUPDI 등급 범위를 정하고 평가 기준을 확립하고자 하였다. 또한, ADPI, 입자제거효율과 SUPDI 등급 평가 결과를 함께 제시하여 교실 내 적용된 시스템들의 입자저감성능 평가 시 참고할 수 있도록 하였다. ADPI, 입자제거 효율과 SUPDI 등급 평가 결과를 통해 재실자 위치 별 입자노출량 편차가 적은 효율적인 시스템 선정에 유용한 자료로 활용 될 수 있을 것으로 사료된다.

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