본 연구는 고농도 미세먼지 및 대기 오염물질 대응으로 활용도가 높아지고 있는 학교 내 다목적활동공간과 장시간 교사가 머무는 공간인 사무공간을 대상으로 실내 공기질 진단을 위한 프로그램 개발과 효과 검증을 진행하였다.
본 연구의 프로그램 개발을 위해 Microsoft Excel의 개발 도구인 VBA와 매크로를 활용하였으며 교사 및 학교 관리자 등 비전문가도 쉽게 접근하여 실내공기질을 예측할 수 있도록 하였다. 또한, 프로그램에서 도출한 진단 결과를 바탕으로 사용자의 초기계획과 공기정화설비 적용 결과를 비교하여 실내공기질 개선을 위해 프로그램을 활용할 수 있도록 하였다.
특히, 본 연구에서 제시한 프로그램은 재실자의 건강에 영향을 주는 PM2.5와 재실자 집중도에 영향을 주는 CO₂를 진단 오염물질로 선정하였으며 PM2.5와 CO₂ 농도 변화 특성을 고려하여 입력조건을 구성하였다.
프로그램 개발과 효과 검증을 위한 주요 연구 과정은 다음과 같다.
첫째, PM2.5와 CO₂ 농도변화에 영향을 주는 영향요인 도출을 위해 선행연구를 진행하였다. PM2.5와 CO₂ 영향요인 분석을 위한 선행연구는 현황조사, 실내공기질 측정, 시뮬레이션 분석, 지역적 특성분석 등으로 진행하였다.
둘째, PM2.5와 CO₂ 농도변화에 영향을 주는 다양한 요소들의 특징을 고려하여 건축적 요소, 설비적 요소, 환경적 요소로 구분하고 카테고리를 선정하였다. 해당 카테고리 중 작은 카테고리는 프로그램 입력조건으로 적용되었으며 문헌 조사를 통해 작은 카테고리 요소들이 PM2.5와 CO₂ 농도 예측 식에 적용될 수 있도록 하였다.
셋째, 앞서 도출한 입력조건에 질량 및 농도 보존방정식을 활용하여 활동 및 시간 경과에 따른 PM2.5와 CO₂ 농도 예측식을 도출하였고, VBA 코드와 매크로를 활용하여 프로그램을 구성하였다.
넷째, 개발된 프로그램의 효과검증을 위해 프로그램 계산 결과와 실내공기질 측정 데이터를 비교하였다. 측정된 실측데이터의 PM2.5 농도와 프로그램 결과인 Simulation-1의 농도를 비교 분석한 결과, 평균 RMSE는 2.92 ㎍/m³이고 RMSE 백분율은 21.35%였다. 측정된 실측데이터의 CO₂농도와 Simulation-1을 비교한 결과, RMSE는 154.11 ppm, RMSE 백분율은 21.17%였다.
다섯째, 개발된 프로그램의 신뢰성 향상과 정확도 개선을 위해 PM2.5 침착률과 부유율 보정작업을 진행하였다. PM2.5 침착률은 0.204 1/h로 적용하였으며 PM2.5 부유율은 0.036 1/h·person으로 적용하였다. 다양한 활동을 진행한 7일의 PM2.5 실측데이터와 프로그램 초기 결과인 Simulation-1, 프로그램 보정에 따른 결과 Simulation-2 를 비교한 결과, Simulation-1과 실측데이터를 비교한 RMSE는 평균 3.97 ㎍/m³이였으며 MAPE는 평균 35.49%였다. Simulation-2와 실측데이터를 비교한 RMSE는 평균 2.67 ㎍/m³이였으며 MAPE는 평균 12.42%였다.
본 연구에서 제안한 실내공기질 간이진단 프로그램은 비전문가도 활용할 수 있도록 다양한 공간의 정보와 인원 등을 입력 또는 선택할 수 있도록 구성하였으며 다양한 활동을 진단에 적용할 수 있도록 프로그램을 제안하였다. 또한, 본 연구의 신뢰도와 정확성 향상을 위해 프로그램 효과에 대한 검증 작업과 보정을 진행하였다.