열환경(Thermal Comfort)

IAQ(Indoor Air Quality)

 

열환경(Thermal Comfort)

 

1. 열환경 중요성

 

사무실내에서 대부분의 시간을 보내는 현대인들에게 있어 근무 환경의 쾌적성은 일의 효율성을 증대시키고 나아가 건강을 유지하는 데 매우 중요한 요소이다. 최근 정보화 시대로의 급속한 변화에 따른 사무 자동화와 지가 상승에 따라 일반 사무실에는 인간과 각종 사무기기들이 매우 조밀하게 배치되어 있다. 이러한 사무실내 근무자에게 쾌적한 환경을 제공하기 위해서 실내의 기온, 습도 등을 제어할 수 있는 공조시스템이 사용되고 있다. 그러나 인간은 주위환경으로부터 상당히 복잡한 과정을 거쳐 쾌적한 상태를 느끼므로 공조시스템을 통하여 쾌적한 실내환경을 구현하기 위해서는 먼저 인간이 가장 직접적으로 느끼는 실내의 기온, 습도, 기류, 복사와 같은 물리적 환경과 인간의 쾌적감간의 상관성을 밝혀내는 것이 중요하다.

인간의 쾌적감과 온열환경간의 관계를 파악하기 위한 연구는 일찍이 19세기 말부터 미국, 유럽 등지에서 시작되었으며 현재 쾌적한 실내공간에 대한 계측, 평가 및 예측 기술에 대한 연구가 세계적으로 활발히 수행되고 있다. 국내에서는 1970년대 후반부터 일부 대학, 연구소에서 실내 온열환경의 쾌적성에 연구를 시작하였는데, 이들은 주로 아파트나 단독 주택과 같은 주거시설을 대상으로 연구를 수행하였다. 최근에는 환경 실험실을 사용하여 한국인의 온열감을 밝히려는 연구도 수행되고 있다.

실내 열환경의 복합적인 요소가 인체의 온열감 및 쾌적성에 미치는 영향을 정량적으로 파악하기 위하여 많은 열환경 평가지표들이 개발되어 왔다. 일반적으로 열환경의 물리적인 요소로는 온도, 습도, 기류, 복사 등 4 요소가 고려되며 이 외에 대사량과 착의량 등이 고려되고 있다. 현재 사용되고 있는 열환경 지표에 대하여 표 1에 나타내었다.

 

 

1열환경 지표

           열환경 요소

열환경 지표

온도

습도

기류

복사

대사량

착의량

대류

열교환

복사

열교환

방열

열방출

유효온도

(Effective temperature)

 

 

 

 

 

 

수정유효온도

(Corrective effective T.)

 

 

 

 

 

신유효온도

(New effective T.)

작용온도

(Operative T.)

 

 

 

 

 

 

흑구온도

(Globe T.)

 

 

 

 

 

 

불쾌지수

(Discomfort index)

 

 

 

 

 

 

 

예상온열감

(PMV)

 

 

 

 

2. 작동온도, 예상온열감 및 예상불만족도

 

2.1 작동온도

 

작동온도(Operative Temperature)는 재실자가 실제 비균일 환경에서 복사와 대류에 의해 열교환하는 양을 균일 등온 흑체의 온도로 환산하였을 때의 온도이다. 재실자가 쾌적하다고 느끼는 작동온도는 여름철의 경우 26℃정도, 겨울철의 경우 24℃정도이다.

 

2.2 예상온열감

 

예상온열감(PMV : predicted mean vote)은 인간과 주위 환경의 6가지 열환경 요소들(기온, 습도, 기류속도, 평균복사온도, 대사량, 착의량)을 측정하여 인체의 열평형에 기초한 쾌적방정식이다. 예상온열감은 1970년 덴마크 공과대학의 Fanger 교수에 의해 개발된 지표로 인체가 느끼는 온열감을 예측하였다. 이 지표는 실내 열환경의 온열감 및 쾌적성과 관련하여 현재 가장 많이 사용되고 있다. 예상온열감은 온열감 7단계 척도를 기준으로 -3은 춥다, +3은 덥다, 그리고 0열적으로 중립적인 상태로 나타내며 자세한 사항을 표 2에 나타내었다. 일반적으로 재실자가 쾌적하다고 느끼는 예상온열감은 -0.5 +0.5의 범위이다.

 

 

2온열감 7단계

PMV

열적 상태

-3

춥다

-2

서늘하다

-1

약간 서늘하다

0

중립

+1

약간 따뜻하다

+2

따뜻하다

+3

덥다

 

예상온열감을 구하는 방법은 여러 가지 있으나 일반적으로는 ISO (International Organization for Standardization)에서 제안한 식을 이용한다.

 

2.3 예상불만족도

 

예상불만족도(PPD : predicted percentage of dissatisfied)는 실내환경에 대하여 불만족한 사람의 수를 예측하는 것으로서 온열감 반응도에 응답한 사람의 수를 전체 응답자수에 대한 백분율로 환산한 것이다. 일반적으로 재실자가 쾌적하다고 느끼는 예상불만족도는 10%이하이다.

        

 

실내공기환경(Indoor Air Qaulity ; IAQ)

 

1. 실내 공기환경 중요성

 

  최근 환경오염이 심각한 문제로 대두되면서 건물 내부의 실내 환경에 대한 관심도 점차로 높아지고 있다. 그러나 에너지 절약을 위하여 건물의 단열성능 및 기밀성능이 향상되고 있다. 이런 현대 건물의 특징은 자연환기를 어렵게 하여 실내 공기환경을 저해하며, 또한 건물의 에너지 절약을 위한 방안으로 신선 외기도입량을 감소시키므로 실내공기질(Indoor Air Quality, IAQ)을 더욱 악화시키고 있다. 따라서 기계적 설비 등에 의하여 효율적으로 환기를 시키지 않을 경우 실내 공기오염의 정도는 매우 심각한 문제가 될 수 있다. 실제로 환기를 적절하게 실시하지 않는 건물에서 재실자가 장시간 거주할 경우 거주자의 신진대사나 활동, 각종 건축자재와 마감재료, 가구, 조리기구 등으로부터 방출되는 열, 이산화탄소, 먼지 및 휘발성유기화합물 등이 건물증후군(sick building syndrome)을 유발하고, 최근에는 화학물질과민병(chemical Sensitivity)을 유발한다고 알려지고 있다.

  하루의 90%를 건물의 실내 혹은 인공 환경 속에서 생활하는 현대인은 외부의 환경보다 건물 내부의 인공적인 환경에 의해 더 큰 영향을 받고 있어 현대인의 건강과 쾌적한 실내환경을 위한 노력이 절실히 요구되고 있다. 이와 같이 실내공기질에 대하여 지속적인 관심과 관리가 필요함에도 불구하고, 현재로서는 관리기준, 방법 등이 미흡하여 실내공기질 관리에 대한 일관된 정책 수립이 어려운 문제점이 발생하고 있다.

 

2. 실내 공기 오염물질 종류 및 특징

 

  실내공기질(IAQ)은 실내환경의 건축자재, 생활용품 및 거주자활동 등에 의한 오염물질 배출뿐만 아니라 외부공기에서 유입되는 대기오염물질에 의해서도 큰 영향을 받고 있다. 일반적으로 주요 실내공기 오염물질은 미세먼지, 가스상 물질(CO, CO2, SO2, NO2), 석면, 라돈, 포름알데히드(HCHO), 중금속 및 미생물성 물질 등을 포함하며, 이와 같은 물질들이 실내공기 오염에 직접, 간접적인 영향을 미치고 있다. Table 1은 일반적으로 인체에 영향을 미치는 실내의 오염물질의 종류와 특성을 나타낸 것이다. 또한 실내에서 발생하는 주요 오염물질을 발생원에 따라 구분하면 Table 2와 같으며, 오염물질은 건물자체뿐만 아니라 사람의 몸에서도 발생하는 것을 알 수 있다. 실내의 공기환경을 정확하게 파악하기 위해서는 실내 오염물질 발생량의 특성과 오염발생원을 정확하게 파악하는 것이 필요하다. 대표적인 실내 오염원으로서는 조리∙난방용의 각종 기구, 담배연기, 건축자재, 가구, 사무기기, 가정용 공기정화장 및 인체 등을 들 수 있으며 발생 오염물질도 발생원에 따라 수십 종류에 달하고 있다. 실내공기 환경인자 중에 석면, 각종 건축자재 및 내장재에서 발생되고 있는 포름알데히드와 일반인들이 느끼지 못하고 있는 라돈 등이 최근 세계적으로 문제가 되고 있다.

 

3. 주요 국가의 실내 공기환경 기준

 

미국의 경우는 OSHA(Occupational Safety and Health Administration) ACGIH(AmericanConference of Governmental Industrial Hygienists)에서 주로 작업환경 조건에 대한 환경기준을 규정하고 있으며, EPA에서 대기환경기준을 담당하고 있다. ASHRAE에서는 ASHRAE Standard 55 1992에서 재실자를 위한 온열환경 조건을, 그리고 Standard 62 1989에서 실내공기의 질이 고려된 실내공기환경 유지를 위한 환기규정을 제시하고 있다. ASHRAE Standard 62 1989에서는 허용 공기환경기준을 재실자의 80%이상이 답변한 평가의 결과가 만족스러운 것일 때 허용 가능한 실내 공기환경으로 정의하고 있다. 유럽국가들의 경우 노르웨이, 덴마크를 비롯한 많은 나라에서는 WHO에서 1987년 제정한 유럽의 `실내공기환경 지침서(Air Quality Guidelines for Europe)'에 근거하여 기준을 설정하고 있으며, WHO는 이 기준을 실내공기환경과 건강 측면의 여러 연구결과의 축적된 증거자료를 참고로 1997년 개정안을 제시하고 있다. 점차 많은 나라에서 건강유해평가(Health Risk Assessment)가 기준정립의 기초자료로 채택되고 있다. 우리나라와 유사한 일본의 건축기준법, 빌딩위생관리법 및 학교보건법 등에서 생활환경 기준치가 제정되어 있고 대기환경보전법에 외기환경에 대한 규제방안

 

Table 1 실내의 주요 오염 발생원과 인체에 미치는 영향

종류

발생원

인체에 끼치는 영향

부유분진

먼지

외기, 실내바닥, 담뱃재

규폐증, 진폐증, 탄폐증

섬유상입자

의복, 각종 상품

알러지반응

기타

식료품 등

알러지반응

담배연기

흡연

두통, 피로감, 기관지염, 폐렴, 기관지 천식, 폐암

연소가스

각종 난로(연탄, 가스, 석유),벽난로, 연료연소, 가스렌지 

만성폐질환, 기도저항증가, 중추신경영향

석면

(아스베트로)

단열재, 내화피복재, 방열재

피부질환, 호흡기질환, 석면증,

폐암 등을 유발

진균(곰팡이)

가습기, 냉방장치, 냉장고, 애완동물, 세탁소, 왁스 방향제

알러지 반응 및 피로감, 정신착란, 두통, 구역, 현기증, 중추신경 억제작용

세균

화분

외기, 식물

알러지반응

라돈

콘크리트, , 지하수, 화강암

폐암 등

포름알데히드

각종 합판, 보드, 가구, 단열재, 소취재, 담배연기, 화장품, 옷감, 실험실

, , , 자극증상, 어지러움. 기침, 설사, 피부질환, 정서불안증, 기억력 상실 등

유기용제

페인트, 접착제, 스프레이, 연소과정, 세탁소, 왁스, 방향제

피로감, 정신착란, 두통, 구역,

현기증, 중추신경 억제작용

 

Table 2 실내의 주요 오염 발생원과 오염물질

구분

발생원

오염물질

인간

활동

대화, 재채기, 기침

세균 및 바이러스

피부

비듬, 암모니아, 악취

의류

섬유, 모래먼지, 세균, 곰팡이, 취기, 포름알데히드

화장품

각종 미량물질, 휘발성유기화합물

흡연

먼지, 타르, 니코틴, 각종발암물질, 휘발성유기화합물

가스

CO2, CO, 암모니아, NO2, NO, 탄화수소류, 취기

보행등의 동작

모래먼지, 섬유류, 세균, 곰팡이

연소기구

CO2, CO, 암모니아, NO2, NO, 탄화수소류, 취기, 휘발성유기화합물

사무기기

암모니아, 오존 용제류, 휘발성유기화합물

건축

자재

합판류, 내화재, 단열재,시공, 발생물

HCHO, 유리섬유, 석면, 접착제, 라돈자핵종, 곰팡이, 진드기

외기

자동차 배기가스

CO, CO2, NO2, SO2, PAHs휘발성유기화합물, 중금속

연료의 연소

먼지, NO2, SO2

생활

용품

작업재료

모래먼지, 먼지, 세제, 곰팡이, 세균

직접

적사제(불화탄화수소), 살충제, 소독제, 방충제

재비산

살충제, 살균제, 소독제, 분사제, 방충제

이 있으며, 노동안전위생법 및 사무소 위생규칙 등에는 노동환경 기준치가 제정되어 있다. 이와같이, 공기환경기준은 그 대상을 일반실내환경, 대기(외기) 그리고 작업환경으로 구분하여 설정되는 경향이 있는데, 그 이유는 각각의 환경적 특성에 따라 오염물질의 발생 특성과 재실자에 미치는 영향 정도가 다르기 때문이다. 특히 작업환경의 경우 작업수행에 방해를 주지 않으며, 작업자의 건강에 유해하지 않는 수준에서 오염물질의 농도를 제한하게 된다. 오염물질의 농도는 시간에 따라 변하기 때문에 기준농도는 노출시간과 함께 고려된다. 미국의 OSHA는 시간가중평균농도(TWA : Time Weighted Average conce- ntration), 단기노출농도한계(STEL : Short Term Exposure Limits), 허용노출농도한계(PEL : Permissible Exposure Limits)를 사용하고, ACGIH에서는 최대허용한계치(TLV : Threshold Limit Value)를 적용하며, NIOSH (National Institute for Occupational Safety and Health)에서는 권장노출농도한계(REL : Recommended Exposure Limits)로 표기한다. 독일은 최대작업농도(MAK : Maximile Arbeitplatz Konzentrationen)를 제시하고 있다. 통상적으로 비산업용 건물에서 기준이나 지침이 마련되지 못한 오염물질의 경우, 대개 TLV 농도의 1/10 또는 1/100을 임시 지침으로 채택하는 것이 일반적인 경향이다. 최근 주요한 실내공기 오염물질로 그 관심이 크게 증대되고 있는 휘발성 유기화합물(VOCs : Volitile Organic Comounds)에 대한 비산업용 실내공기환경 기준을 갖고 있는 나라는 아직 거의 없는 실정이다. 핀란드의 FISIAQ(Finish Society of Indoor Air Quality and Climate)에서 1995년 실내 환경기준치로 제시한 0.20.6mg/㎥이하(총 휘발성유기화합물기준;Total VOCs) 정도가 있을 뿐이며, 통상적으로 일반 주거용 건물에서 VOCs의 허용 최대평균농도는 20/㎥이하가 되어야 하는 것으로 보고되고 있다다만, '90년대 후반에 들어서 선진각국에서 이에 대한 집중적인 연구가 이루어지고 있으며, 가까운 일본의 경우에도 건설성 건축연구소와 동경대 생산기술연구소 등이 주축이 되어 기준제정을 위한 기초연구가 수행되고 있어 향후 23년후에는 관련기준이 갖추어 질 수 있을 것으로 판단되고 있다.

 

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