교실 미세먼지 제거시간 30% 이상 단축하는 공법 개발

미세먼지 저감과 에너지 효율 제고한 교실 모델 개발

학교 교실의 공기 기류 제어를 최적화해 미세먼지 제거시간을 30% 이상 단축하는 공법이 개발됐다.

에너지·환경 통합형 학교미세먼지관리 기술개발사업단(사업단장 신동천 연세대 의대 교수)은 에너지 효율을 높이는 동시에 미세먼지를 빠르게 제거하는 교실 시스템을 개발했다고 밝혔다. 이번 사업은 과학기술정보통신부 및 교육부의 범부처 합동사업으로 국가연구개발사업의 예산을 지원받아 수행됐다. 

에너지·환경 통합형 학교미세먼지관리 기술개발사업단은 학교 고농도 미세먼지 대책의 일환으로 지난 2019년에 출범했다. 기초·원천, 통합관리, 진단·개선, 법·제도 개선 등 4개 연구 그룹을 구성해 5년간 학교 미세먼지의 과학기술적 개선 사업을 진행한다.

미세먼지는 학생들에서 염증반응을 일으켜 천식, 호흡기, 심혈관계 질환 등을 유발하며 세계보건기구(WHO)는 2013년에 1군 발암물질로 분류하는 등 학생들의 건강에 매우 유해한 물질이다. 질병관리청에 따르면 미세먼지 입자크기가 2.5㎍/㎥ 이하인 초미세먼지(PM2.5)는 농도가 10㎍/㎥ 증가할 때마다 폐암 발생률이 9% 증가한다. WHO에서는 연평균 10㎍/㎥로 대기환경 권고기준을 제시하고 있다. 

사업단 소속 장춘만 박사(한국건설기술연구원 선임연구위원) 연구팀은 학교 교실의 미세먼지를 저감시키고 에너지 공급 다변화를 위해 미세먼지 제거 필터가 설치된 고성능 공기조화기, 유량제어 디퓨져, 덕트 시스템, 태양광/지열 시스템, 통합제어시스템 등을 개발했다. 

개별 시작품의 성능평가를 위해 학교 교실 2실과 클린룸 1실, 그리고 복도 및 방풍실을 합친 ‘학교 실환경 성능 테스트베드’를 구축했다. 테스트베드는 학교 교실의 에너지 부하 및 외부 미세먼지의 유입을 최소화하기 위해 고단열 벽체, 고기밀고단열 창호, 고기밀 도어 등 패시브 설계를 기반으로 제작됐다. 

개별 시작품 외에도 테스트베드에는 실내 기류 분포를 최적화하는 모델도 도입됐다. 학교 층별로 설치된 공기조화기로 6~10개 교실에 공기를 공급하는 중앙공조시스템에서 교실 내부의 공기 공급 및 배기를 담당하는 디퓨져의 최적 위치를 도출했다. 기존에는 상부 천장에 설치된 디퓨져가 실내 공기를 외부로 내보냈다. 연구 결과, 상부 천장보다 복도측 하부면에 배기 디퓨저를 설치하는 것이 더 효율적이었다.

연구팀은 개발한 모델에서 미세먼지 제거시간을 기존 모델과 비교했다. 전국 초등학교 1학급당 평균 학생 수 21.8명을 기준으로 1개 교실당 적정 환기량은 약 800CMH(m3/hour, 시간당 공급량)이다. 새로 개발된 모델은 환기량 800CMH에서 초미세먼지(PM2.5)의 제거시간을 기존 모델에 비해 30% 이상 줄였다. 

개발된 공법은 향후 초등학교 외에도 다중이용시설, 사무실 등 공기정화장치를 사용하는 다양한 시설에도 활용될 수 있을 전망이다.

신동천 사업단장은 “성장기 학생들이 많은 시간을 보내는 학교는 미세먼지로부터 안전해야 한다”며 “과학적 근거에 기반한 안전한 학교 실내 환경 조성을 위해 계속해서 노력하겠다”고 밝혔다.