STEAM R&E 연구결과보고서
(재건축에 따른 교실 내 미세먼지 측정 및 상관관계 분석)
2016. 11. 30.
과천고등학교
< 연구 결과요약 >
과 제 명 재건축에 따른 교실 내 미세먼지 측정 및 상관관계 분석
연구목표
○ 미세먼지 측정기를 제작하여 과천 고등학교 교실 내 미세먼지 농도를 측정한다.
○ 측정한 데이터를 비교 분석한다.
○ 학교 옆 재건축 공사에 따른 학교 내 미세먼지의 상관관계를 분석한다.
연구내용
○ 미세먼지 센서 PMS3003과 원칩 컴퓨터 atmega328p를 활용하여 미세먼지 측정기 4대를 제작하였다.
○ 미세먼지 측정기에서 측정한 데이터는 서버로 실시간 전송하여 그래프로 나타내었다.
○ 실험군(수학과교실)과 대조군(컴퓨터실)에서의 그래프를 비교하여 재건 축으로 인한 미세먼지 농도의 변화 유무를 알아보았다.
○ 미세먼지 측정을 통해 얻은 데이터를 분석하고, 미세먼지의 특성 및 미세먼지 농도에 영향을 주는 요인에 대해 알아보았다.
연구성과
○ 재건축 공사 진행에 따른 과천 고등학교의 교실 내 미세먼지 농도를 측정하고 분석하였다.
○ 미세먼지 농도에 영향을 주는 다양한 기상 요인들을 분석하였다.
○ 재건축 공사과정과 교실 내 미세먼지의 상관관계를 분석하였다.
주요어
(Key words) 미세먼지 , 데이터 분석 , 재건축 , 상관관계
< 연구 결과보고서 >
1. 개요
□ 연구목적
○ 재건축 공사에서 발생한 미세먼지의 영향 연구
○ 미세먼지의 특성 연구
○ 실내 미세먼지 경보 시스템 구축
□ 연구범위
본 연구는 미세먼지 측정기를 통해 과천고등학교 교실 내에서 수집한 데이터를 기반으로 미세먼지와 관련된 데이터 분석에 초점을 두었다.
미세먼지를 다룬 다는 점에서 환경과 관련이 있고 미세먼지 측정기를 제작하고, 실시간 데이터를 전송하기 위한 환경구축을 필요로 하는 소프트웨어를 제작한다는 점에서 정보과학 분야와 관련이 있다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 미세먼지
미세먼지란 우리 눈에 보이지 않는 아주 작은 물질로 오랫동안 대기 중을 떠다니거나 바람에 날려 내려오는 직경 10㎛ 이하의 입자상 물질을 말한다.
미세먼지의 발생은 우선 자연적 발생과 인위적 발생으로 나뉜다. 자연적 발생은 흙먼지, 바닷물에서 생기는 소금, 식물의 꽃가루 등이 있다. 인위적 발생은 1차 적으로 석탄, 석유 등의 화석연료가 연소될 때 또는 제조업, 자동차 매연 등의 배출가스에서 발성되며 2차적으로 는 1차적 발생에서 생성된 물질들의 공기 중의 다른 물질과 화학 반응을 일으켜 미세먼지가 되어 발생된다.
미세먼지의 구성 성분은 미세먼지의 발생 지역이나 계절, 기상조건 등에 따라 달라질 수 있지만 일반적으로는 대가오염물질이 공기 중에서 반응해 형성된 황산염, 질산염과 석탄, 석유 등 화석연료를 태우는 과정에서 발생한 탄소류와 검댕, 흙먼지에서 생기는 광물 등으로 구성된다.
미세먼지는 지름이 10㎛ 보다 작은 미세먼지인 과 지름이 2.5㎛ 보다 작은 미세먼지인
로 나뉜다. 미세먼지의 크기가 몹시 작기 때문에 신체에 들어갈 경우 신체에 해로운 영향을 미칠 수 있다.
대부분의 공기 중의 이물질들은 코털이나 기과지 점막에서 걸러져 배출되지만 미세먼지는 그 크기가 매우 작기 때문에 걸러지지 않고 우리 몸속으로 침투 할 수 있다. 미세먼지가 우리 몸속에 들어오면 면역 세포들이 먼지를 제거하게 되는데, 이 때 염증반응이 발생하면 천식, 호흡기, 심혈관계 질환 등이 유발될 수 있다.
○ 미세먼지 측정법
미세먼지를 측정하는 데는 여러 가지 방법이 있다. 우선 미세먼지 측정법은 크게 미세먼지 의 질량을 직접 측정하는 방법인 수동 측정법과 방사선 또는 빛의 물리적 특성을 이용해 간접적으로 측정하는 자동 측정법이 있다.
수동 측정법은 우리가 흔히 중량법이라고 알고 있는 방법으로 무게를 직접 측정하기 때문 에 정확한 질량을 알 수 있는 장점이 있다. 하지만 실시간 측정이 어렵고 포집 전후 여과지 무게 측정 과정에서 다른 요인들에 의해 오차가 발생할 수 있다는 단점이 있다.
자동 측정법은 크게 베타선 측정법, 광산란법 등이 있다.
베타선 측정법은 방사선인 베타선이 물질을 통과할 때 그 물질의 질량이 클수록 더 많이 흡수되는 서질을 이용해 미세먼지를 채취한 필터에 흡수된 베타선 양을 측정하여 미세먼지의 농도를 구하는 방식이다. 자동 측정이 가능해 쉽고 편하게 측정할 수 있다는 장점이 있지만, 입자 표집 시간이 필요하므로 실시간 측정은 할 수 없다는 단점이 있다.
광산란법은 물질에 빛을 쪼이면 충돌한 빛이 여러 방향으로 산란하는 원리를 이용하여 산란광의 양을 측정해 미세먼지의 농도를 구하는 방식이다. 광산란법은 실시간 측정이 가능 하고 휴대하면서도 측정이 가능하다는 장점이 있지만 측정하여 이를 질량 농도로 전환하는 과정에서 오차가 발생할 수 있는 단점이 있다.
○선행연구
“풍속과 풍향이 미세먼지 농도에 미치는 영향(채희정,2009)”에서는 풍속이 높을수록 미세 먼지 농도가 낮아지나 오염도가 높은 서풍 계열의 바람이 불 경우 높아진다는 것을 알아내고 배출량 산정의 정확도를 높여야 한다고 주장하였다.
“최근 8년(2001-2008)간 서울지역의 미세먼지 고농도 사례 연구(이승민, 허창회,2009)”에서 는 서풍 계열의 바람이 불때와 풍속이 작을 때 미세먼지 고농도 현상이 나타난다는 것과 강수 시 세정효과에 의해 미세먼지 농도가 낮아진다는 것을 밝혔고 미세먼지 고농도 사례에
대한 역 궤적 분석을 통해 중국의 영향이 크다고 추론하였다.
“장기간(5일 이상) 지속된 서울 지역 미세먼지 고농도 사례 연구(이승민, 허창희)“에서는 미세먼지 고농도 사례를 분석하여 고농도 사례의 경우 중국의 영향이 상당하다는 것을 밝혔다.
“주거건물의 실내외 미세먼지 측정에 의한 실외 미세먼지의 실내 영향도 평가 기초 연구(강동화 최동희,2015)”에서는 미세먼지의 직경이 작을수록 실외 미세먼지가 실내 미세먼지에 미치는 영향이 높아짐을 알아내었다.
“서울지역 고농도미세먼지 발생원인(정권, 이준복, 강미혜, 안미진, 김주형, 김민영,2007)”
에서는 박무 발생 시 고농도 미세먼지 영향은 외부유입원보다 내부요인이 더 크게 작 용함과 는 박무 뿐 만아니라 출퇴근시간에도 영향을 받음을 밝혔다.
“서울 수도권지역에서 미세먼지 고농도 발생의 근본 원인은 무엇인가?(박일수,2016)”
에서는 미세먼지 고농도 발생은 높은 습도와 기온 그리고 낮은 혼합고도와 안정한 대 기로 인한 약한 풍속 등 안개형성에 유리한 국지적인 기상 조건과 깊은 관련이 있다는 점을 밝혀내며 이 경우 대기의 확산과 이동이 약화되어 중국의 영향을 받지 않아도 150μg/m3까지 증가할 수 있다고 주장하였다.
“연구원 실내공기 중 미세먼지 측정조사(김병억, 사영삼, 김현구,2004)”에선 실내 미 세먼지 농도를 조사하여 전반적인 실내 공기 질 수준을 파악하여 실내 미세먼지에 대 한 참고자료가 되었다.
“수도권 지역의 비산먼지에 의한 미세먼지 ()배출량 추정에 대한 연구(장영기, 김정, 김필수, 신용일, 서영화,2008)”에서는 수도권에서 도로, 건설활동, 농업활동으로 인한 비산먼지가 46509ton/y나 달하는 것으로 추정하며 국내 미세먼지 배출량의 신뢰 도 개선을 위하여 비산먼지에 대한 배출량이 고려되어야 함을 강조하였다.
“도시규모 미세먼지 예보를 위한 고해상도 기상-대기화학 모델링 구축 연구(서울 대,2009)”에서는 풍향, 풍속 등의 기상조건에 따른 미세먼지 농도 변화에 대해 조사하 거 기존의 연구결과와 비슷한 결론을 얻고 역궤적 조사를 통해 중국의 영향을 많이 받 음을 밝히고 이를 기반으로 황사, 산불, 장마, 연무에 대한 대기오염물질 배출 모델링 을 실시하였다.
“중량법에 의한 광산란법 보정계수에 관한 연구(김정호, 오준, 최진수, 안준영, 윤관훈, 박진수,2014)”에서는 광산란법을 이용한 특정을 보다 정밀하게 하기 위해 중량 법, 베타선법 측정값과 비교하여 광산란법의 보정계수를 산정하고 광산란법 측정결과 를 다른 측정방법을 기준으로 보안할 필요가 있음을 강조하였다.
“미세먼지 관리 기준과 발생원별 관리 방안(박해우 조영민,2013)”에서는 미세먼지 주 요원인이 화력발전소, 시멘트 제조시설, 제철소, 폐기물 소각장, 자동차로 추론하고,
에 관한 국가 관리가 시행되므로 새로운 융합형 제어기술의 개발이 필요하다고 주장하였다.
□ 연구주제의 선정
최근 미세먼지가 대기오염의 주범으로 꼽히고 있다. 미세먼지는 감기, 천식, 기관지염 등의 호흡기질환은 물론 심혈관질환, 피부질환, 안구질환 등 각종 질병을 일으킬 수 있는 아주 유해한 물질이다. 이에 따라 많은 사람들이 미세먼지에 큰 관심을 가지고 있고, 그 때문에 시청, 기상청 등에서는 미세먼지의 농도를 측정하여 발표하고 일정수준 이상일 경우 경보를 하고 있다.
과천고등학교의 경우 인근 아파트 단지의 재건축 공사로 인하여 미세먼지의 발생에 대한 우려가 커지고 있다. 더구나 기상청에서 제공하는 미세먼지 수치는 측정소 인근의 미세먼지 수치일 뿐 과천고등학교의 미세먼지의 농도를 나타내는 데에는 한계가 있다.
이에 따라 재건축 공사로 인해 과천고등학교 교실 내에 유입되는 미세먼지 농도를 측정하 기 위해 미세먼지 측정기를 제작하고 데이터를 수집하였다. 재건축 단지로부터 유입되는 미세먼지 농도를 거리별로 측정 및 분석하여 학교 및 운동장등의 미세먼지의 농도에 대한 정보를 제공, 학생들의 건강 및 대기 환경에 대한 중요성을 인식할 수 있도록 하였다.
□ 연구 방법
○ 미세먼지 측정기
우리는 미세먼지 농도를 구하기 위해서 직접 미세먼지 측정기를 만들기로 했다. 미세먼지 측정기 제작 및 소프트웨어 작성에 있어서는 외부전문가의 도움을 받았다. PMS3003이라는 미세먼지 센서를 이용하여 미세먼지를 측정하였다. PMS3003 센서는 미세먼지를 광산란법을 통해 측정한다. 미세먼지 측정기로 미세먼지를 측정하고 측정한 데이터를 atmega328p를 이용하여 ESP8266이라는 와이파이 모듈로 데이터를 전달하고 ESP8266는 측정한 값을 인터 넷 서버로 보내 그래프로 나타나게 하였다.
<그림 1> PMS3003 <그림 2> ESP8266
<그림 3> 미세먼지 측정기
<그림 4> 미세먼지 측정기의 시스템 구성도
<표 1>은 미세먼지 측정기의 프로그램 코드이다.
#include <SoftwareSerial.h>
SoftwareSerial Serial1(5, 6); // RX, TX SoftwareSerial wSerial(9, 10); // RX, TX
long pmat10=0;
long pmat25=0;
long pmat100=0;
void setup() { Serial.begin(9600);
Serial1.begin(9600);
wSerial.begin(9600);
}
void loop() { int count = 0;
unsigned char c;
unsigned char high;
Serial1.listen();
while (Serial1.available()) { c = Serial1.read();
if((count==0 && c!=0x42) || (count==1 && c!=0x4d)){
Serial.println("check failed");
break;
○ 미세먼지 측정기 설치
재건축 과정에서의 미세먼지 영향을 알아보기 위해 재건축 단지와 10m 떨어진 수학과 교실에 측정기를 실험군으로 설치하였고 재건축 단지와 150m 떨어진 컴퓨터실에 대조군으 로 설치하였다. 오차보정 및 정확도 향상을 위해 각각 2대씩 설치하였다.
}
if(count > 15) break;
else if(count == 4 || count == 6 || count == 8 || count == 10 || count ==
12 || count == 14) high = c;
else if(count == 11) pmat10 = 256*high + c;
else if(count == 13) pmat25 = 256*high + c;
else if(count == 15) pmat100 = 256*high + c;
count++;
}
String dat = "+format=2&items=2-D-"+ String(pmat100)+
",1-D-"+String(pmat25)+ ",0-D-"+String(pmat10);
wSerial.listen();
wSerial.println(dat);
Serial.println(dat);
delay(3000);
while (wSerial.available()) Serial.print((char)wSerial.read());
Serial1.listen();
delay(5000);
}
<표 1> 프로그램 코드
<그림5> 수학과교실에 설치된 미세 먼지 측정기(실험군)
<그림 6> 컴퓨터실에 설치된 미세 먼지 측정기(대조군)
<그림 7> 미세먼지 측정기 설치 장소
□ 연구 활동 및 과정
○미세먼지의 특성 탐구
우리는 미세먼지의 기본적인 특성에 대해 알아보기 위해 여러 조건에 따른 미세먼지 농도 변화에 대해 조사하였다.
1. 강수
다음은 비가 왔을 때의 미세먼지 농도 그래프와 기상청의 강수 자료이다.
<그림 8> 9월 17일 미세먼지 농도 그래프
시:분 강수 강수6H 강수12H 일강수
12:00 ● 9.5 20.5 20.5
11:00 ● 10.5 20.5 20.5
10:00 ● 11.5 20.5 20.5
9:00 ● 12.5 20.5 20.5
8:00 ● 11.5 18.5 18.5
7:00 ● 14 14 14
6:00 ● 11 11 11
5:00 ● 10 10 10
4:00 ● 9 9 9
3:00 ● 8 8 8
2:00 ● 7 7 7
<표 2> 기상청의 9월 17일 강수 자료
<그림 9> 9월 27일 미세먼지 농도 그래프
시:분 강수 강수6H 강수12
H 일강수
23:00 ● 7 13 13
22:00 ● 7.5 13 13
21:00 ● 7.5 12.5 12.5
20:00 ● 10 12 12
19:00 ● 9.5 10 10
18:00 ● 6.5 6.5 6.5
17:00 ● 6 6 6
16:00 ● 5.5 5.5 5.5
15:00 ● 5 5 5
14:00 ● 2 2 2
13:00 ● 0.5 0.5 0.5
12:00 ● 0 0 0
<표 3> 기상청의 9월 27일 강수 자료
<그림 10> 10월 16일 미세먼지 농도 그래프
시:분 강수 강수6H 강수12
H 일강수
21:00 ● 2.5 3.5 3.5
20:00 ● 3.5 3.5 3.5
19:00 ● 3.5 3.5 3.5
18:00 ● 3 3 3
17:00 ● 2.5 2.5 2.5
16:00 ● 1 1 1
15:00 ● 1 1 1
<표 4> 기상청의 9월 16일 강수 자료
<그림 11> 10월 25일 미세먼지 농도 그래프
시:분 강수 강수6H 강수12
H 일강수
8:00 ● 23.5 24 24
7:00 ● 17.5 17.5 17.5
6:00 ● 14 14 14
5:00 ● 9 9 9
4:00 ● 5 5 5
3:00 ● 2.5 2.5 2.5
2:00 ● 0.5 0.5 0.5
1:00 ● 0 0 0
<표 5> 10월 25일 기상청 강수 자료
강수가 있을 시에는 미세먼지 농도가 큰 폭으로 감소하는 것을 알 수 있다. 비가 오면 공기 중의 미세먼지들이 씻겨 내려가 미세먼지의 농도가 감소한 것으로 추측된다. 강수를 미세먼지를 감소시키는 주요한 요인으로 추측하였다.
2. 풍속
<그림 12>는 풍속에 따른 미세먼지 농도의 분포도이다.
<그림 12> 9월의 풍속과 미세먼지와의 관계
그래프에서 대체적으로 풍속과 미세먼지의 농도와는 반비례 관계가 있다는 것을 확인 할 수 있다. 바람에 의해 미세먼지가 외부에서 유입되기도 하지만, 바람의 속력이 빠르면 대기의 흐름이 원활해지므로 미세먼지 농도가 감소하는 것으로 추측된다.
3. 습도
<그림 13>은 습도별 대조군의 미세먼지의 농도를 나타낸 그래프이다.
<그림 13> 습도별 미세먼지 농도 그래프
습도와 미세먼지가 비례함을 알 수 있다. 공기 중의 물 분자가 많아지면 더 많은 미세먼지들 이 물 분자에 흡착되어 미세먼지의 농도가 증가한 것으로 추측된다.
4. 실내와 실외
<표 6>는 9월, 10월의 과천고등학교와 기상청에서 측정한 미세먼지 농도를 나타낸 표이다.
과천고등학교의 미세먼지 측정기는 대조군(실내)에 설치되어있고 기상청은 문원초등학교의 옥상(실외)에 위치한 미세먼지 측정기를 통해 미세먼지를 측정한다.
날짜 기상청 자료 과천고등학교 날짜 기상청 자료 과천고등학교
9월1일 28 34 10월1일 32 38
9월2일 14 30 10월2일 29 27
9월3일 34 13 10월3일 37 10
9월4일 39 14 10월4일 35 17
9월5일 46 13 10월5일 43 12
9월6일 51 28 10월6일 38 20
9월7일 60 72 10월7일 16 17
9월8일 50 36 10월8일 17 12
9월9일 39 46 10월9일 12 9
9월10일 33 42 10월10일 30 9
9월11일 15 37 10월11일 24 21
9월12일 13 27 10월12일 67 35
9월13일 21 12 10월13일 59 19
9월14일 24 29 10월14일 52 49
9월15일 53 34 10월15일 47 61
<표 6>에서 문원초등학교(실외)가 높게 나온 날이 43일로 전반적으로 실외 미세먼지가 실내 미세먼지보다 높음을 알 수 있다. 이는 미세먼지의 발생원의 대부분이 실외에 존재하고 실내에는 미세먼지의 유입을 막아주는 벽 등의 장애물이 있는 반면 실외는 그렇지 않기 때문이다. 그래서 미세먼지의 유입에 더 취약해 실외의 미세먼지의 농도가 더 높게 나타난 것으로 보인다.
○ 재건축 공사와 미세먼지의 상관관계
우리는 재건축 단지에서 발생하는 재건축 단지에서 발생한 미세먼지의 영향으로 과천고등 학교의 미세먼지 농도가 높아질 것이라고 추측하고 <표 7>과 같은 가설을 세웠다.
<가설 1> 재건축 단지와 가까운 실험군의 미세먼지 농도가 상대적으로 거리가 먼 대조군의 미세먼지 농도보다 높을 것이다.
<가설 2> 재건축 단지 쪽인 북풍이 불면 미세먼지의 농도가 증가할 것이다.
<가설 3> 재건축 공사가 실시된 시간대의 미세먼지 농도가 높을 것이다.
<가설 4> 재건축공사 과정에 따라 미세먼지가 농도 추이가 변화할 것이다.
<표 7> 가설
※가설 1 재건축 단지와 가까운 실험군의 미세먼지 농도가 상대적으로 거리가 먼 대조군의
9월16일 40 46 10월16일 51 41
9월17일 38 27 10월17일 71 46
9월18일 29 16 10월18일 69 45
9월19일 36 3 10월19일 44 53
9월20일 42 8 10월20일 49 60
9월21일 49 31 10월21일 40 13
9월22일 47 38 10월22일 26 12
9월23일 47 46 10월23일 18 5
9월24일 73 43 10월24일 21 5
9월25일 55 40 10월25일 26 7
9월26일 33 34 10월26일 36 26
9월27일 25 37 10월27일 24 29
9월28일 20 39 10월28일 33 19
9월29일 29 5 10월29일 17 17
9월30일 63 17 10월30일 27 11
10월31일 45 14
<표 6>
미세먼지 농도보다 높을 것이다.
재건축 과정에서 미세먼지가 발생할 것이기 때문에 발생한 미세먼지가 과천고등학교에 영향을 미칠 것이라 추측하였다. <그림 15>과 <그림 16>는 9월 10월 동안 측정한 미세먼지의 농도이다.
<그림 15> 9월 과천고 미세먼지 농도 <그림 16> 10월 과천고 미세먼지 농도
<그림 15>과 <그림 16>에서 재건축 단지와 가까운 실험군의 미세먼지 농도 그래프가 재건 축 단지로부터 멀리 떨어진 대조군의 미세먼지 농도보다 높음을 확인 할 수 있다. 이는 재건축 단지부터 발생한 미세먼지의 영향이라고 분석된다.
다른 요인들에 의해 미세먼지의 농도가 높게 나올 수도 있다. 하지만 그렇다면 두 교실에서 의 그래프는 다른 경향성을 가지고 있어야 한다. 하지만 두 그래프의 증가하고 감소하는 경향성의 거의 동일했다. 미세먼지의 양의 차이만 있을 뿐이었다. 따라서 재건축 단지에서 발생한 미세먼지의 영향을 받아 과천고의 미세먼지 농도가 높아졌다고 분석하였다.
※ 가설2 북풍이 불면 미세먼지의 농도가 증가할 것이다.
재건축 단지가 과천고등학교의 북쪽에 위치하기 때문에 재건축 단지에서 발생한 미세먼지 가 바람과 함께 날아와 농도가 높아질 것이라 추측하였다.
다음 그래프들은 북풍이 분 시간대의 미세먼지 농도이다.
<그림 17> 9월 3일 미세먼지 농도 <그림 18> 9월 5일 미세먼지 농도
<그림 19> 9월 15일 미세먼지 농도 <그림 20> 9월 16일 미세먼지 농도
<그림 21> 9월 17일 미세먼지 농도 <그림 22> 9월 17, 18일 미세먼지 농도 미세 먼지의 농도가 대체적으로 감소한다는 것을 알 수 있다.
<그림 23> 과천고와 재건축 단지의 위성 사진
○옆의 빨간 테두리가 재건축단지다.
○파란 동그라미가 미세먼지 측정기가 있는 위치이다.
○파란 직선이 창문의 위치이다.
그 이유는 교실 창문의 위치라고 추측이 된다. 창문이 열려있든 닫혀있든 미세먼지는 주로 창문을 통해 교실로 들어올 것이다. 하지만 수학과 교실의 창문은 남동쪽을 향하고 있다. 이 때문에 북풍의 영향을 덜 받지 않았나 하고 추측한다.
※ 가설3 재건축공사가 실시된 시간대의 미세먼지 농도가 높을 것이다.
공사를 할 때 미세먼지가 발생할 것이기 때문에 공사 시간대인 7시부터 17시까지의 미세먼 지 농도가 다른 시간 때보다 높을 것이라 추측하였다. <표 8>는 시간대별 실험군과 대조군의 미세먼지 농도 평균과 그 차이이다.
시간 대조군 1시간 평균 실험군 1시간 평균 차이
1 33 40 7
2 33 39 6
3 33 39 6
4 33 39 6
5 32 38 6
6 32 37 5
7 31 36 5
8 31 36 5
9 32 37 5
10 36 38 2
11 38 38 0
12 37 37 0
13 35 35 0
위의 표에서는 가설과 정반대의 결과가 나옴을 알 수 있다. 공사 시간대의 농도 차이의 평균은 인데 반해 공사 시간이 아닌 시간대의 농도 차이의 평균은 으로 더 높은 것을 알 수 있다.
결과가 이와 같이 나온 이유는 2가지로 추측이 된다. 먼저 공사 시간대에 만들어진 미세먼지 가 이동하는데 시간이 걸릴 수 있다. 둘째로, 기온역전 현상이다. 일반적으로 뜨거운 공기는 밀도가 낮아져 위로, 차가운 공기는 아래로 이동한다. 그러나 기온역전이 발생하면 고도가 낮은 쪽에는 밀도가 큰 공기가, 높은 쪽에 밀도가 작은 공기가 위치해 무게 차에 의한 공기의 상하이동이 일어나지 않는다. 그러면 지상에서 주로 발생하는 미세먼지 등 대기오염물질이 지상층에 머무르게 되고 계속하여 쌓이면서 그 농도가 높아지게 되는 것이 기온역전 현상이 다. 현재 가을이기 때문에 기온역전 현상이 잘 나타나 미세먼지 온도에 영향을 준 것이라 추측이 된다. 대조군의 경우 시간평균이 대체적으로 일정한데 반해, 실험군의 경우 미세먼지 농도의 변화 폭이 크다. 이는 미세먼지가 상대적으로 많은 실험군에서 새벽에 기온역전 현상이 일어나 미세먼지의 농도가 높게 나왔고, 낮에는 기온역전현상이 해소 되면서 차이가 줄어든 것으로 보인다.
※ 가설4 재건축 공사단계에 따른 미세먼지 농도의 변화가 있을 것이다.
우리는 재건축의 공사단계에 따라 미세먼지 발생의 정도가 다르게 나타날 것으로 추측하였 다. 재건축 공사에는 여러 공사 단계가 있는데 우리는 그 중 땅을 파는 터파기 공사에서 미세먼지가 가장 많이 배출될 것으로 예상하였다. 재건축 단지의 공사현황을 정확하게 알 수는 없었으나 타워크레인이 설치되기 시작한 9월 말 경에 터파기 공사가 마무리 된 것으로 추측하였다.
<그림 24>는 9월 21일 재건축 공사 현장의 사진이다. 타워크레인이 설치되고 지하층 기초 및 터파기 공사가 진행되고 있는 상황이다.
14 34 35 1
15 33 35 2
16 33 35 2
17 33 34 1
18 32 35 3
19 32 35 3
20 33 37 4
21 33 38 5
22 34 39 5
23 34 40 6
24 34 41 7
<표 8>
<그림 24> 9월 21일 재건축 공사 현장
<그림 25>은 10월 18일의 재건축 현장의 사진이다. 타워크레인이 3대가 설치되었고 바닥공 사 및 거푸집 작업 등이 진행되고 있는 현장을 볼 수 있다.
<그림 25> 10월 18일 재건축 공사 현장
타워크레인은 터파기 공사가 끝난 후 설치되므로 9월 21일 처음 타워크레인이 설치되었을 때부터 10월 18일 세 번째 타워크레인이 설치될 때까지 점차 터파기 공사가 마무리 되었다고 추측하였다. 그래서 그 중간지점인 9월과 10월을 경계로 전후의 미세먼지 농도를 비교해보았 다. <표 9>은 9월과 10월의 미세먼지 평균 농도와 그 차를 나타낸 표이다.
실험군 대조군 차
9월 평균 43.97 36.17 7.80
10월 평균 33.00 30.75 2.25
<표 9> 9월과 10월의 미세먼지 평균 농도
9월과 10월의 과천고등학교와 과천시의 미세먼지 농도차가 확연히 다름을 알 수 있다.
이는 9월에 터파기 공사에 의해 미세먼지가 많이 발생하였고 이후의 재건축 공사에서는 미세먼지가 적게 발생함을 알 수 있다.
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
○ 미세먼지의 특성
1. 비가 왔을 때, 미세먼지 농도가 감소함을 알 수 있었다.
2. 풍속이 크면, 미세먼지 농도가 감소함을 알 수 있었다.
3. 습도와 미세먼지에는 대체적으로 비례하는 관계가 있음을 알 수 있었다.
4. 실내보다 실외의 미세먼지가 높음을 알 수 있다.
○ 재건축과의 관계
재건축의 영향으로 미세먼지의 농도가 증가함을 알 수 있었다. 그리고 재건축 단지에서 발생한 미세먼지가 북풍에 의해 우리 학교에 영향을 많이 줄 것이라 예상 하였지만 창문의 위치 때문인지 아니면 다른 요인들에 의해서인지 영향을 주지 않았다. 풍향의 영향은 다른 요인들에 비해 크게 영향을 끼치지는 못하는 것 같다. 또한 공사시간이 아닌 시간대에 미세먼 지의 농도가 높아짐을 알 수 있었다.
○ 미세먼지에 대한 대처
<표 10>은 학생들이 학교에서 있는 시간인 오전 8시부터 오후 6시까지의 미세먼지의 평균 농도를 나타낸 표이다. 농도가 이 넘는 경우를 표시 해보았다. 평균 농도 의 기준은 WHO에서 제시한 권고 수치이다.
날짜 과천시 과천고등학교 날짜 과천시 과천고등학교
9월 1일 77 57.02 10월 1일 42 56.24
9월 2일 22 42.30 10월 2일 22 33.37
9월 3일 17 17.61 10월 3일 11 12.56
9월 4일 21 22.36 10월 4일 34 23.05
<표 10>에 의하면, 과천에서 제공한 데이터에서는 총 11일이 권고 농도를 넘은 날이었지만, 과천고등학교 기준으론 총 21일 넘었다. 그렇기 때문에 학교 내에서 미세먼지에 대한 대처가 필요하다고 생각하였다.
과천고등학교에는 교실마다 공기청정기가 배치되어있다. 그리고 공기청정기를 작동시킬 시 미세먼지의 농도가 감소함을 실제로 확인하였다. 그래서 이를 미세먼지가 높을시 대처 방안으로 삼았다.
□ 시사점
○ 재건축 단지에서의 미세먼지와 관리의 중요성
과천고등학교의 미세먼지 농도와 과천시의 미세먼지 농도의 차이에서 알 수 있듯이 과천 고등학교 미세먼지의 농도 증가의 주요 원인은 재건축 단지에 의해 영향을 받는 다는 것을 알 수 있다.
9월 5일 31 23.57 10월 5일 24 15.88
9월 6일 50 42.90 10월 6일 34 26.75
9월 7일 77 77.88 10월 7일 25 20.57
9월 8일 46 49.82 10월 8일 25 14.58
9월 9일 54 61.62 10월 9일 16 11.31
9월 10일 48 63.73 10월 10일 25 12.81
9월 11일 31 53.38 10월 11일 43 30.04
9월 12일 30 39.94 10월 12일 49 59.47
9월 13일 24 18.62 10월 13일 42 28.84
9월 14일 39 39.51 10월 14일 76 57.02
9월 15일 38 43.34 10월 15일 70 82.42
9월 16일 50 61.27 10월 16일 54 73.91
9월 17일 13 35.32 10월 17일 51 72.70
9월 18일 20 21.62 10월 18일 53 59.41
9월 19일 15 4.65 10월 19일 64 66.23
9월 20일 17 11.78 10월 20일 80 64.57
9월 21일 33 45.04 10월 21일 24 18.82
9월 22일 37 51.24 10월 22일 30 23.10
9월 23일 46 67.31 10월 23일 9 8.43
9월 24일 55 82.61 10월 24일 17 9.17
9월 25일 46 75.29 10월 25일 12 8.14
9월 26일 48 57.86 10월 26일 36 29.50
9월 27일 40 47.98 10월 27일 37 36.28
9월 28일 32 50.03 10월 28일 33 22.26
9월 29일 13 6.93 10월 29일 36 19.18
9월 30일 28 23.58 10월 30일 23 12.57
10월 31일 33 16.74
<표 10>
실험군에서 측정한 미세먼지의 농도가 대조군에서 측정했던 미세먼지 농도보다 더 높았던 것으로 보아 재건축으로 인하여 미세먼지의 농도가 증가하는 것은 분명한 사실이다.
하지만 재건축 단지에서도 다음과 같은 노력이 있었다.
<그림 26>
<그림 26>은 과천고등학교에서 재건축에 의해 석면이 검출 되지 않았음을 알려주는 테스트 결과이다.
<그림 27> 재건축 공사에서의 먼지발생원인 제거 방법
공사 관리자는 “공사중 발생되는 비산먼지의 발생을 억제하기 위하여 방진망을 설 치하였으며, 공사장 출입구에서 자동 세륜장치로 공사차량의 먼지를 제거하고 있습니 다. 또한, 공사장 내부에는 이동식 살수기를 사용하고 있으며, 살수차량으로 수시로 주 위도로 청소를 실시하여 비산먼지 방지를 위해 노력하고 있습니다.”라고 하였다. 이러 한 재건축단지에서의 노력과 관리가 있어 우려했던 만큼 미세먼지 농도의 영향이 크지 않았다.
○ 미세먼지 측정의 중요성
기상청에서는 특정지역의 미세먼지 수치나 그 지역의 평균으로 미세먼지 농도를 예측하는 데, 미세먼지의 농도는 주변 환경에 영향을 많이 받으므로 특정지역이나 그 지역의 평균치로 는 우리가 생활하는 공간에서의 미세먼지 농도를 알 수 없다. 기상청에서 예보되는 미세먼지 는 특정 지역에서 미세먼지 농도가 높을수록 적중률이 낮으므로, 예보가 정확하다고 볼 수 없다. 따라서 기상청에서 제공되는 수치를 맹신하면 안 되고, 우리가 실제로 생활 하는 장소의 미세먼지를 측정할 필요가 있다.
○ 실내 미세먼지 농도 기준
실내의 미세먼지 농도에 대한 확실한 규정이 필요하다고 생각한다. 기상청에서 예보 되는 미세먼지는 실외의 미세먼지일 뿐 이고, 학생이 주로 활동하는 실내의 미세먼지 농도는 예보하지 못한다. 2014년 세계보건기구 발표 자료에 따르면 전 세계에서 700만 명이 공기 오염으로 사망하는데, 그중 61%에 해당하는 430만 명이 실내의 오염된 공기 탓에 사망하는 것으로 나타났다.
그래서 실내 미세먼지에 대한 실외와는 다른 새로운 기준이 필요하다고 생각이 되며 실내 미세먼지 경보 시스템도 필요하다 생각한다.
4. 홍보 및 사후 활용
○ 미세먼지 측정기는 측정한 데이터를 서버에 올려 그래프를 그린다. 우리는 오픈소스로 인터넷에 게재하여 많은 사람들이 미세먼지에 관심을 가질 수 있도록 노력하고 있다.
○ 과천고등학교의 미세먼지 농도를 측정하면서 미세먼지의 농도가 위험 수준에 다할 경우 경보를 해주는 시스템을 고안해 보았다. 각 교실마다 공기 청정기가 있다는 점을 고려하 여 위험수준에 이를 경우 경보를 해주고 공기 청정기를 작동시키는 방안을 생각했다. 미세먼 지 측정기를 이용하여 RGB LED를 이용한 경보 시스템 제작이 가능하다. 우리는 미세먼지 측정기의 코드를 일부 변경하여 미세먼지 농도에 따라 LED의 색깔이 달라지도록 하였다.
코딩은 다음과 같다.
#include <SoftwareSerial.h>
SoftwareSerial Serial1(5, 6); // RX, TX SoftwareSerial wSerial(9, 10); // RX, TX long pmat10=0;
long pmat25=0;
long pmat100=0;
int RedLed =6;
int GreenLed=7;
int BlueLed=8;
void setup() { Serial.begin(9600);
Serial1.begin(9600);
wSerial.begin(9600);
pinMode(RedLed,OUTPUT);
pinMode(GreenLed,OUTPUT);
pinMode(Blue,OUTPUT);
}
void loop() { int count = 0;
unsigned char c;
unsigned char high;
Serial1.listen();
while (Serial1.available()) { c = Serial1.read();
if((count==0 && c!=0x42) || (count==1 && c!=0x4d)){
Serial.println("check failed");
break;
}
if(count > 15) break;
else if(count == 4 || count == 6 || count == 8 || count == 10 || count ==
12 || count == 14) high = c;
else if(count == 11) pmat10 = 256*high + c;
else if(count == 13) pmat25 = 256*high + c;
else if(count == 15) pmat100 = 256*high + c;
count++;
}
<그림 28> 미세먼지 농도가 이상일 때 <그림 29> 미세먼지 농도가 미만일 때 미세먼지의 농도가 이상일 경우 빨간색, 그 미만일 경우 초록색 LED를 밝히게 하였다. 하지만 경보 시스템을 직접 학생들에게 전달하는 방법은 고안하지 못했기 때문에 학생들에게 경보를 해주어 공기 청정기를 작동시키도록 하는 방안을 고안할 수 있을 것이다.
String dat = "+format=2&items=2-D-"+ String(pmat100) +",1-D-"+String(pmat25)+ ",0-D-"+String(pmat10);
wSerial.listen();
wSerial.println(dat);
Serial.println(dat);
delay(3000);
while (wSerial.available()) Serial.print((char)wSerial.read());
Serial1.listen();
delay(5000);
if(pmat100>=50)
digitalWrite(RedLed,HIGH);
digitalWrite(GreenLed,LOW);
digitalWrite(BlueLed,LOW);
else if(pmat100>0) digitalWrite(RedLed,LOW);
digitalWrite(GreenLed,HIGH);
digitalWrite(BlueLed,LOW);
}
<표 11> 미세먼지 경보 프로그램 코드
5. 참고문헌
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○ 환경부. 미세먼지 도대체 뭘까요
