실내공기질 모델 적용을 위한 NO 2 의 발생강도 및 감소상수 평가기법 개발에 관한 연구
정 순 원 양 원 호
⋅
1)⋅
손 부 순2)*국립환경과학원 환경보건연구과, 1)대구가톨릭대학교 산업보건학과
2)순천향대학교 환경보건학과
Soon Won Jung Won Ho Yang⋅ 1)⋅Bu Soon Son2)*
Environmental Epidemiology Division, National Institute of Environmental Research
1)
Department of Environmental Health Science, Soonchunhyang University
2)
Department of Occupational Health, Catholic University of Daegu
Abstract
The purpose of this study was to assess an alternative method to characterize indoor environmental factors by multiple indoor and outdoor measurements. Using a mass balance model and regression analysis, penetration factor and source strength factor were calculated using multiple indoor and outdoor measurements. This study was performed in 30 selected apartments in Seoul, Asan, and Daegu area which were constructed within 4 years and over 4 years, to measure the concentration of NO
2from July, 2004 to September.
The results of this study are as follows. The average concentration of NO
2in Seoul, Asan, and Daegu area in the apartment constructed within 4 years are nitrogen dioxide 48.01 / ㎍ ㎥ and in the apartment over 4 years are nitrogen dioxide 46.54 / . Mean ratios of indoor to outdoor NO ㎍ ㎥
2concentrations are Seoul 0.99, Asan 0.83, Daegu 1.18. The deposition constant and the source strength of NO
2were 0.97±0.55 hr-1 and 16.33±12.30 ppb/h, respectively. In conclusion, indoor environmental factors were effectively characterized by this method using multiple indoor and outdoor measurements.
Keywords ： NO
2, Deposition Constant, Source strength
* Corresponding author. Tel +82-41-530-1270, E-mail [email protected] ： ：
서 론 1.
현대사회는 인구의 도시화 및 밀집화 실내공간, 의 밀폐화 등으로 도시의 집중화가 증가될수록 실 내공기오염이 심화되고 있다 현대 사회인은 가정. 이나 사무실 음식점 공공시설과 같은 실내공간, , 에서 대부분의 시간을 보내고 있기 때문에 실내공 기오염의 중요성은 더 크다고 할 수 있다. 2009년 환경부에서 2004년 통계청 생활시간조사 자료를 이용하여 평일 참여자19,025명을 분석한 결과에 의하면 하루 약87%의 시간을 실내 집 사무실 공( , , 공시설 등 에서 보내고 있는 것으로 보고되었다) . 특히 실내환경 중에서도 주택은 하루, 24시간 중 약 59%이상 체류하는 것으로 가장 많은 시간을 보내는 공간으로 조사되었다 환경부( , 2009). 이는 재실자가 실내에서 보내는 시간이 길기 때문에 실 내공기질은 건강측면에서도 더욱 중요한 의미를 가지고 있다 조장제 등( , 2004). 실내공기질은 재실 자들의 구성특성 재실자 수 건물의 형태 및 용도, , , 실내가구의 종류 및 특성 등 많은 요인에 영향을 받기 때문에 이의 평가는 매우 어렵다고 할 수 있 다 실내공기질의 중요성에 대한 인식의 증대와. 의식의 고조는 실내공기질 관리의 필 Well-being
요성이 제기되게 되었고 이는 실내공기중의 오염 물질의 분포특성 파악 및 이들 오염물질의 농도 수준의 파악 및 평가를 위한 다양항 예측 평가 기･ 법들의 개발을 가져오게 되었다 이들 다양한 예. 측 평가기법 중 물질수지(mass balance)를 이용한 은 완전 혼합된 하나의 공간으로 공기 Box model
의 유입 및 유출 사이의 관계를 기술하며 실내공 기질을 설명하기 위해 자주 이용된다(Tichenor et 물질수지에 의한 실내공기질 모델은 대 al., 1990).
기에서 유입되는 공기오염물질 실내환경에서 공,
기오염물질의 발생량 실외로 유출되는 공기오염, 물질 실내환경에서 반응으로 감소되는 양으로 표, 현할 수 있으며(Ott et al., 1996),관련 변수들 사이 의 관계를 나타낼 수 있는 유용한 방법이다 실내. 공간에서 발생강도 및 감소상수를 직접적으로 측 정 및 평가하는 것은 불가능하며 그 대안으로서, 실내 및 실외 농도 및 환기율 등의 값을 측정해서 물질수지 모델을 이용하여 실내공기질을 평가할 수 있다 본 연구의 목적은 준공 년 이전의 공동. 4 주택과 년 이후의 공동주택을 대상으로 물질수4 지 모델과 회귀분석을 이용하여 NO2의 발생량 발( 생강도 및 감소량 감소상수 을 동시에 추정함으) ( ) 로써 대기환경조건이 다른 지역의 실내공기질의3 특성을 파악하고 실내공기질 모델의 검증 및 발, 전에 기여하고자 한다.
실험방법 2.
연구대상 2.1
환경조건이 다른 지역을 같은 실험방법으로3 실내공기질을 비교하기 위하여 2004년 월부터7 년 월까지 한국의 수도인 서울 대도시인 대
2004 9 ,
구 중도시인 아산 개 지역의 공동주택을 대상으, , 3 로 하여 NO2의 농도를 측정하였다 각 지역에서. 공동주택 건축완공 년 이내 개 주택 및 년 이4 5 4 후 개 주택을 선정하여 총5 30개 주택을 대상으로 실내공간의 대표인 거실 내부 곳과 실외 곳을1 1 선정하여 일 간격으로3 60일 동안NO2 농도를 측 정하였다.
측정 및 분석방법 2.2
이산화질소(NO2)의 채취를 위하여 측정기구는
의 수동식 시료채취기를 사용하였다 수
badge type .
동식 시료채취기는 자연적인 기류를 이용하여 확 산(diffusion)과 투과(infiltration)라는 물리적인 과정 과 반응에 의한 화학적 반응을 이용하여 실내와 실외의 NO2 농도를 측정하는 장치이다. NO2의 농 도분석은 Sulfanilic acid 5g, phosphoric acid (85%) 50㎖과NEDA (N (1 Naphtyl) ethylene diamine dihy‐ ‐ -
을 이용하여
drochloride, 98%) 0.05g color reagent
를 제조하여 를
(azodye forming) 1‐ ℓ Passive sampler NO2가 존재하지 않는 챔버에서 분해하여 셀룰로 우즈 여지를 시험관(16x100 )㎜에 넣고, color re-
를 시험관에 주입하여
agent 10.0㎖ photo-spec-
를 이용하여 에
trometer(Shimabzu UV-1201) 545㎚
서 정량분석을 하였다.
환기량 측정 2.3
수학적 구역모델에 적용될 발생강도(source
및 감소상수 의 값을 구
strength) (decay constant, K)
하기 위해 필요한 환기량을 측정하였다 환기량. 측정은 EPA methods.(Methods for Determination of
를 이용하여
Indoor Air Pollutants) CO2 gas로 각 주 택에서 회 주 간격으로 측정하였다1 /2 .
발생강도 및 감소상수 동시 측정 평가기법 2.4
물질수지(mass balance)를 이용한 box model은 실내환경에서 오염물질의 생성과 제거를 물질보 존의 법칙을 기본으로 수학적으로 설명될 수 있 다 본 연구에 실내환경을 하나의 공간으로 간주. 하면 축적 = 유입+ 발생- 유출- 감소로 나타낼 수 있다 물질수지식은. Yang(2001)이 사용한 방법을 이용하였으며 산출식은 다음과 같다.
Rate of accumulation = ratio of [input + generation - output - sinks]
(1)여기서, Ci= indoor concentration (ppm), Co= out- door concentration (ppm), I= air exchange rate (ACH : Air Changes per Hour, 1/hr), S= source strength ( /hr㎤ ㆍ㎥ = ppm/hr), R= removal rate ( /hr), V=㎤ volume of the space ( ), t= time (hr) and m= mix㎥ - ing factor (0 m 1).≤ ≤
식 (1)에서 은 감소상수R (deposition constant, K 와 실내환경에서 존재하는 오염물질의 질
= 1/hr)
량(VCi = ug)으로 나타낼 수 있다 따라서 식. , (1) 은 다음과 같다.
(2)식(2)을 식(1)에 대입하고 대상 실내공간에서 완전혼합(completely mixed condition, m=1)을 가정 하면 식, (1)은 다음과 같이 식(3)으로 나타낼 수 있다.
(3) 시간t= 0일 때 초기농도를C0라면 식, (3)에서 시간에 따른 농도변화는 미분방정식을 이용하여 식(4)로 나타낼 수 있다.
(4) 하나의 공간모델에서 실내공기오염물질의 농도 가 평형상태(t= )∞에 도달할 때 시간에 따른 농도 변화는 정상상태(dCi/dt= 0)로 가정할 수 있으며, 실내 외 실내공기오염물질의 농도에 적용하여ㆍ 식 에 나타내었다(5) .
(5)여기서, Ci(ss)= average steady-state indoor NO2
concentration (ppm), S= average NO2generation rate ( /hr㎤ ㆍ㎥= ppm/hr) and Co= average outdoor NO2
concentration (ppm).
식(4)는 식(5)와 같이 실내NO2농도와(Ci(ss))와 실외 대기오염물질의 농도(Co)의 관계로 재배열 할 수 있다.
(6) 식 (6)에서I/(I+K)를 로 대체하고A , S/(I+K)는 로 대체하면 식 은 수학적으로 환기를 통해
B , (6)
실외 오염물질이 실내로 유입되는 투과요인(A:
과 실내 오염원의 발생요인 penetration factor) (B:
으로 정의될 수 있다 source strength factor) . 식 (6) 은 식(7)과 같이 간단한 실내 및 실외 공기오염물 질의 농도 관계인 일차방정식으로 표현할 수 있 다.
(7)결 과 3.
주택 특성 3.1
서울 아산 대구에서 조사된, , 30개 주택의 건축 년도는 년 이내가4 15 , 4개 년 이후가15개 주택이
었으며 년 이상인 주택에서는, 4 10 , 11 , 25년 년 년 된 주택도 포함되어 있었다 난방장치는 개 주택. 30 모두 가스를 사용하였고 참여자 모두 취사용으로, 가스레인지를 사용한다고 응답하였다(Table 1).
실내 실외
3.2 ･ NO
2농도
NO2 농도측정은 참가자 30명 중에서 명이 중2 도에서 불참하였고 개 주택은 측정과정 중 측정, 1 기의 보관 상태가 불량하여 주택 총27개 주택에 서 농도분석을 하였다 서울 아산 대구에서. , , 60일 동안 일 간격으로 측정된 주택 실내 및 실외의3 NO2 평균농도는 각각 35.93±20.68 ppb 및 21.92±
5.90 ppb, 19.59±11.07 ppb 및 40.99±22.47 ppb,
및 를 나타내었고
27.13±8.25 ppb 22.31±12.67 ppb , 실내 실외/ NO2 농도비는 각각 0.99±0.78, 0.83±
이었다 실내 및 실외
0.16, 1.18±1.10 . NO2 농도의 기하평균은 서울 아산 대구에서 각각, , 28.8±1.25
및 및
ppb 32.9±1.14 ppb, 24.3±1.28 ppb 19.7±1.28
및 를 나타내었다
ppb, 17.4±1.15 ppb 20.0±1.29 ppb (Table 2).
Number of house
Seoul(n= 10) Asan(n= 10) Daegu(n= 10) Total
Built year
1years 2years 3years 4years Over 4years
0 1 3 1 5
4 1 0 0 5
1 0 2 2 5
5 2 2 3 15 Inside smoker
Gas range Gas water heater
Kerosene heater
0 10 10 0
1 10 10 0
3 10 10 0
4 30 30 0
측정대상 지역인 서울 아산 대구의 측정값을, , 비교해 보면 대도시인 서울의 실외 NO2 평균농도 는40.99 ppb로 아산 및 대구보다 높았으며 그 영, 향으로 실내의 NO2 평균농도도 상대적으로 높은 값을 나타낸 것으로 생각된다 대구의 경우는 측. 정 대상 주택에서 주택이 대구와 경북의 경산 근5 접지점인 외각으로 다소 낮은 값을 보였다.
투과요인 및 발생요인 3.3
환기를 통해 실외 오염물질이 실내로 유입되는 투과요인 기울기 과 실내 오염원의 발생요인 절( ) (y 편 을 계산하기 위해서 실내 및 실외) , NO2 농도사 이의 선형회귀 식을 이용하였다 서울의 주택만. 1
이 기울기 값이 이하로 본 연구에서 물질수지식1 과 선형회귀식을 이용한 투과요인 투과요인( (A)은
과 발생요인 발생요인 은 의 추정
0<A<1) ( (B) 0 B)≤ 은 검증 평가방법에 적합한 것으로 볼 수 있었다.
본 연구에서 주택을 제외한 총1 26주택에서 투과 요인과 발생요인을 계산하여Table 3에 나타내었 다 또한 실내 및 실외. NO2 농도의 선형회귀를 서 울 아산 대구로 그림 에 나타내었다 서울 아산, , 1 . , , 대구에서 평균 투과요인은0.52±0.20, 평균 발생 요인은8.78±5.92 이었다.
환기량 측정 3.4
주택의 환기량 측정은 방문시 주택의 현 상태에 Average
(ppb)
Standard deviation
GM
(ppb) GSD Min.
(ppb)
Max.
(ppb) Seoul
(n= 8)
Indoor Outdoor
In/out
35.93 40.99 0.99
20.68 22.47 0.78
28.8 32.9 N.A.
1.25 1.28
6.08 4.23 0.10
93.34 94.18 7.27 Asan
(n= 10)
Indoor Outdoor
In/out
21.92 27.13 0.83
5.90 8.25 0.16
24.3 19.7 N.A.
1.14 1.15
9.60 11.43 0.44
48.33 57.36 1.21 Daegu
(n= 9)
Indoor Outdoor
In/out
19.59 22.31 1.18
11.07 12.67 1.10
17.4 20.0 N.A.
1.28 1.29
1.58 1.96 0.04
78.35 62.30 8.06
Penetration factor (Slope)
Source strength factor (intercept)
Correlation coefficient (R2) M±S.D. Range M±S.D. Range M±S.D. Range Seoul(n=8)
Asan(n=10) Daegu(n=8)
0.65±0.15 0.51±0.20 0.39±0.19
0.47~0.92 0.23~0.92 0.08~0.63
7.44±6.43 7.53±3.76 11.25±5.29
0.05~19.62 2.20~15.11 5.33~19.51
0.65±0.29 0.55±0.22 0.26±0.20
0.08~0.95 0.09~0.81 0.08~0.64 Total 0.52±0.20 0.08~0.92 8.78±5.92 0.05~19.62 0.51±0.28 0.08~0.95
서 측정 계산되었다 측정된 환기량은. 8~9회 수행 되었으며 그 결과를 살펴보면 평균 환기량, (ACH) 은 서울1.51±0.92 ACH(1/hr), 아산0.98±0.62 ACH
대구 나타내었다
(1/hr), 0.71±0.50 ACH(1/hr) (Table 4).
감소상수 및 발생강도 추정 3.5
실내 실외에서 측정된 NO･ 2와 투과요인 및 발생
요인 환기량 측정결과를 총괄하여 물질수지식을, 이용하면 투과요인에서 주택 내, NO2감소상수(K, hr-1)를 계산하고 발생요인에서, NO2 발생강도(S, 추정할 수 있다 본 연구에서 한국의 주택
ppb/h) .
실내에서 NO2 감소상수는 0.97±0.55 hr-1, NO2 발 생강도는 16.33±12.30 ppb/h로 추정 계산되었다 (Table 5).
Region ACH (1/hr, M±S.D.) Range
Seoul(n= 8) Asan(n= 8) Daegu(n= 9)
1.52±0.92 0.98±0.62 0.71±0.50
0.71~3.68 0.28~1.35 0.43~1.52
Total 1.09±0.75 0.28~3.68
고 찰 4.
본 연구는 서울 아산 및 대구지역에서 준공, , 4 년 이내와 4년 이후의 공동주택 총30주택을 선 정하여 NO2에 대한 실내 실외 농도를･ 2004년 월7 부터 월까지 측정하여 실내공기질 모델에 적용9 하여 NO2의 발생량 발생강도 및 감소량 감소상( ) ( 수 을 동시에 추정함으로써 실내공기질의 특성을) 파악하였다 감소상수와 발생강도를 동시에 측정. 하기 위해 적용된 물질수지와 선형회귀 방법은 총
주택에서 주택을 제외하고 투과요인
27 1 (penetra-
이 과 사이에 값을 나타내었으며 발
tion factor) 0 1 ,
생요인(source strength factor)는 이상을 보여 응0 , 용 적용된 방법이 적정한 것으로 나타났다 물질. 수지식을 이용한 서울 아산 대구에서 평균 투과, , 요인은0.52±0.20,평균 발생요인은8.78±5.92 였 다 특히 서울에서 투과요인이. , 0.65±0.15로 아산
과 대구 에 비해 높게 나타났다
0.51±0.20 0.39±0.19 .
이 결과는 환기를 나타내는 투과요인이 서울 참여 주택이 환기의 영향이 높았음을 나타내는 것이다.
일정기간 동안 일 간격으로 실내 및 실외의3 NO2
농도 사이의 관련성은 실내 NO2 발생원이 높은 주택과 낮은 주택은 차이가 있을 것으로 생각하여 발생요인을 추정한 결과 대구가, 11.25±5.29로 서 울 7.44±6.43 및 아산7.53±3.76에 비해 높게 나타
났다 발생요인이 높은 대구의 결정계수. (R2)는 을 나타내었으며 발생요인이 낮은 서울은
0.26 ,
를 나타내었다 이것은 실내환경에 오염물질
0.65 .
발생원의 유 무, ( ,有 無) 또는 발생원의 높고 낮음 은 일정 기간 동안 다중측정에 의해 실내 외 상관･ 성을 분석할 때 차이를 보여 환기가 잘되는 주택 은 외부농도가 유입되어 실내 농도가 높아지는 것 으로 나타났다 또한 높은 결정계수 값을 나타낸. , 서울은 환기를 나타내는 투과요인의 값이 0.65±
로 아산 과 대구 에 비해
0.15 0.51±0.20 0.39±0.19 상대적으로 높아 실외의 영향을 그 만큼 많이 받 은 것으로 해석할 수 있다 물질수지와 선형회귀. 방법으로 대상 공기오염물질의 감소상수(depo- si- tion constant, h-1)와 발생량(ppm/h또는ppb/h)을 동 시에 계산 추정한 결과 감소상수는･ , 0.97±0.55 hr-1, 발생강도는16.33±12.30 ppb/h로 나타났다 본 연. 구에서 추정한 NO2 감소상수 값은 미국 등의 서 구국가의 감소값으로 보고된 0.8 hr-1보다 다소 높 은 값을 나타내었고(Wike et al., 1996), 일본의 감 소율 0.99±0.19 hr-1와 비슷한 결과를 나타내었다 이 결과는 서구와 동양의 주택 (Yamanaka, 1984).
구조의 차이로 설명할 수 있을 것이다 본 연구의. 평가방법은 환기량 실외공기농도 실내공기농도, , 를 이용하여 실외 오염물질이 실내로 유입되는 투 과요인과 실내 오염원의 발생요인등을 고려한 것 Region Deposition constant(K, hr-1) Source strength(S, ppb/h)
M±S.D. Range M±S.D. Range
Seoul(n=8) Asan(n=10) Daegu(n=8)
0.73±0.41 0.85±0.4 0.98±0.17
0.32~1.41 0.08~1.39 0.77~1.23
16.42±15.48 11.33± 6.29 19.93±10.99
0.08~46.24 1.42~16.29 9.99~41.04 Total 0.97±0.55 0.08~1.41 16.33±12.30 0.08~46.24
으로 위해성평가에 따른 노출량 산정시 실내공기 질의 특성을 고려해야 하는 것을 나타내고 있다.
본 연구결과를 통해 향후 실내공기질 모델(IAQ 개발 연구 및 실내공기질 관리 방법 등에 model)
도움이 될 것으로 생각된다.
결 론 5.
본 연구는 물질수지 모델과 선형회귀식을 이용 하여 발생강도 및 감소상수를 동시에 추정하고, 대기환경조건이 다른 지역의 실내공기질 특성을3 파악하고자 하였다. 2004년 월부터 월까지 서울7 9 , 아산 대구지역에서 준공 년 이내와, 4 4년 이후의 개 공동주택을 대상으로 물질수지모델에 적용 30
할 실내 및 실외 NO2 농도와 환기량을 측정하였 다 발생강도 및 감소상수를 동시에 측정하기 위. 한 물질수지식은 투과요인이 과 사이 발생요인0 1 , 이 이상을 보여 응용 적용된 방법이 적정한 것으0 , 로 나타났고 일정 기간동안 실내 외 오염물질을, ･ 계속 측정함으로써 물질수지식과 선형회귀 방법 을 이용하여 발생강도와 감소상수를 동시에 추정 할 수 있는 것을 확인하였다 본 연구에서 추정된. 감소상수는 0.97±0.55 hr-1, 발생강도는 16.33±
로 미국 등의 서구국가의 감소값으로 12.30 ppb/h
보고된 0.8 hr-1보다 다소 높은 것으로 나타났으나 일본의 감소율 0.99±0.19 hr-1와 비슷하게 나타났다.
실내공기질의 주요 영향 요인은 실외 대기오염, 실내오염원 오염물질 반응에 의한 감소 건물의, , 침투성 환기 등으로 실내오염 정도를 보다 더 정, 확히 예측하기 위해서는 본 연구에서 고려되지 못 한 결정인자들과 이들이 미치는 영향 정도를 파악 할 수 있는 방안들이 보완되어야 할 필요가 있다.
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