★..한국실내환경학회 KOSIE

지하철 공조실 여과성능 개선을 위한 비용편익 산출

김승호

¹⁾

^*

경희대학교 환경응용과학과 및 환경연구센터,

¹⁾

Seung Ho Kim

¹⁾

^*

Dept. of Env. Sci. & Eng., Kyunghee University, Center for Env. Studies, Gyeonggido, Korea

1)

Dept. of Env. Eng., Kangwon Universtiy, Samcheok, Kangwondo, Korea Abstract

In order to meet the national standard and public needs for Seoul Metro subway, air purification has been taken into a consistent consideration with the addition of high quality control facilities. This work focuses on the review of the cost effectiveness to improve the air filtration of an MVAC (mechanical ventilation & air conditioning) in a field subway. The inflow PM

and PM

into the test MVAC chamber were 19.4 kg/yr and 8.9 kg/yr respectively. It corresponds to the environmental cost of 5,857,000 won for PM

and 6,608,000 won for PM

every year. While the current filtration system collects approximately 55% of the inlet PM

and 35% of PM

, a new lay-out showed 80% for PM

and 55% for PM

. The new design presented the environmental benefit for PM

with 1,464,000 won, whilst the additional cost required 3,192,744 won. In the future, however, the increase of environmental benefits for the indoor dust over the atmospheric aerosols will more or less compensate the potential cost.

Keywords : Indoor air quality, Filtration, Environmental benefit, Subway, MVAC

서 론 1.

현대시민들은 실외보다는 실내공간에서의 생 활량이 크게 증가하고 있으므로 실내공기질의 중요성이 강조되는 추세이다 대표적인 다중이. 용실내공간인 수도권 지하철 지하역사 역시 많 은 사람들이 이용하고 있고 이로인해 지하역사, 공기질의 중요성이 점차 강조되고 있다 지하공. 간의 공기질은 황사나 건설현장 등과 같은 외 부환경 변화에 따라 크게 좌우 될 수 있다 김진( 경, 2004). 최근 스크린도어 설치로 인해 승강 장과 선로와의 공기 유동을 차단함으로써 터널 에서 기원하는 미세먼지의 유입량은 현저히 감 소하고 있다 따라서 외부에서 실내로 유입되는. 공기와 실내공간을 순환하는 공기를 철저히 관 리함으로써 승강장이나 대합실의 공기질을 향 상시키는 방향이 고려되고 있다 본 연구에서는. 환기설비의 여과필터를 단으로 설치하여 미세2 먼지의 효과적인 제어와 운영방안을 모색해 보 고자 하였다 이러한 새로운 시스템을 적용하기. 위해서는 대기오염의 피해와 설비개선에 따른 건강편익을 경제적 가치로 환산하여 평가하는 것이 필요하다 그러나 환경질 개선에 따른 사. 회적 편익을 정량적으로 추정하는 것은 쉬운 일이 아니다.

국내에서 대기오염 가치를 표준화시킨 계량 적 방법으로 평가한 연구는 임영식전영섭․ 의 속성가격접근법이 있었다 즉 환경의

(1992) . ,

질과 같은 비시장적 특성의 가치를 간접적으로 추정하는 방법으로 서울지역에서의 아황산가스 및 오존농도 변화가 주택가격에 미치는 영향을 분석하였다 그러나 주요대기오염물질인 부유.

먼지(TSP)를 분석대상에서 제외하고 있는 것이 아쉬움으로 나타났다 조준모유완식. ․ (1996)은 이 산화질소와 호흡기질환과의 연계성을 중심으로 사회적비용을 추정하였고 엄영숙, (1998)은 조건 부가치평가법(Contingent Valuation Method)을 이용하여 환경오염이 인체에 미치는 영향을 추 정하는 것으로 질병에 따른 직접적인 비용지출 뿐만 아니라 불쾌감 고통 등과 같은 간접적인, 비용을 반영하는 방법으로 우리나라 소비자들 의 대기오염 감소에 대한 지불의사액을 추정하 였다 이와같이 기존 연구들은 호흡기계 질환에. 영향을 미치는 복합 대기오염물질을 고려하여 일반적인 사회적 편익 혹은 비용을 추정하여 산정하였다.

본 연구에서는 기존의 연구와 달리 미세먼지 여과를 위한 시스템 개선에 따른 비용을 고려 하고 공기질 개선에 따른 사회적 편익을 추정, 함으로써 설비 개량의 당위성을 비교 해보고자 하였다 이를 위해 현장실험의 일환으로 서울. 메트로 관할 D-역사의 환기실에 여과필터를 다 단으로 설치하여 미세먼지 포집효율을 측정하 고, EU에서 적용하고 있는 환경적 편익 모델을 적용하는 접근을 시도하였다.

연구방법 2.

현장장치 및 측정 2.1.

서울 강남지역에 소재한 D-역사의 환기실내 에 설치되어있는 공조설비로 유입되는 외부공 기와 실내순환공기에 포함되어있는 PM

10

2.5

미세먼지의 실시간 정량분석은 독일 Grimm사 의 입자계수기인 Portable Aerosol Spectrometer

를 사용하였다 기존의 여과필터 (1.108) . (Pre-fil-

급 와 후단에 추가 설치한 정전필터

ter ) (EPF,

의 유입부와 중간부 후단부의 EGIS MERV13) ,

공기흐름에 존재하는 미세먼지량을 PM

10

2.5

비용 및 편익 산출 2.2.

환기실내부로 유입되는 미세먼지의 무게

(W

PM10,

PM2.5

하였다 계산에 사용된 미세입자. (PM

10

2.5

W

PM10

PM10 · · · ·

PM2.5

PM2,5 · · · ·

는 시험대상 역사의 환기실 내부에 설치되 Q

어있는 공조기의 연간 가동시간을 기준으로 산 출하였다. C는 개별먼지입자의 농도값으로서 실측값을 사용하였다 또한 환경비용은 식 과. (3) 같은 기본 개념을 적용하여 책정하였다(김지현, 최미희, 2002 즉 공기중에 포함된 미세먼지의). , 양에 따른 사회적 한계비용으로부터 여과장치 의 설치 및 운영에 관한 총 비용을 산출하였다.

기본적인 참고자료는 EU에서 제시하는 대기오 염에 대한 비용편익 산출방식을 적용하였다 강( 광규, 2003).

사회적비용 오염물질별 대기오염의 사회적= 한계비용 오염물질 배출량×

· · · ·

설치비용과 운영비용산정은 기존설비에 대한 비용과 신규설비의 추가설치에 따른 비용으로 나누어서 산정하였다 기존비용과 신규설비에. 대한 추가비용은 필터비용과 필터교체에 따른 신규필터의 재료비 및 교체 용역비 인건비 그, , 리고 폐필터에 대한 처리비용을 합산하여 계산 하였다.

결과 및 고찰 3.

공조실 유입미세먼지 현황 3.1.

은 측정기간동안 공조실로 유입되는 미 Fig. 1

세먼지의 농도변화를 PM

10

2.5

10

년도 인

(2010 ) 47 /m

³

³

2.5

³

공조실로 유입되어 차 여과필터를 거친 후1 ,

대합실로 공급되는 공기량은 평균 900 m

³

⁴

³

10

2.5

공조실 여과구조개선 3.2.

지하철 공조실의 여과장치는 외부로부터 유 입되는 공기와 역사 및 터널 내부의 순환공기 의 미세먼지 처리능력을 향상 시키고자 하는 것이다 따라서 공조실 내의 여과챔버로 유입되. 는 공기질에 따라 최적의 대응이 가능하도록 설계함으로써 대합실과 승강장으로 공급되는 미세먼지의 양을 감소시키고자 한다 지하역사. 의 경우 외부대기환경 조건에 따라 내부의 공 기질이 크게 영향을 받기 때문에 여과챔버 내 부에 장착되어있는 필터의 중요성이 크다고 할 수 있다 기존에 설치되어있는 여과필터는. 에서 볼 수 있듯이 부직포 재질의 판넬 Fig.2(a)

형 프리필터(pre-filter)이다 이러한 차형. 1 pre- 는 의 장기시험결과에서 보듯이 필터 filter Fig. 3

를 교체한 초기 3~4일동안 여과효율이 매우 낮 은 상태에 머물다가 최소( 30%) 먼지입자가 필

터 내부에 적체되면서 여과효율이 서서히 증가 한다. PM

10

80% .

동시에 압력강하도 먼지 여과량과 연동하며 변 화하는 것을 알 수 있다 따라서 본 연구의 궁. 극적인 목적은 기존의 pre-filter에서 나타나는 초기 여과성능을 개선하고자 후방에 저정압 정 전필터를 장착하여 최소한의 압력손실 하에서, 최대의 초기여과효율을 얻고자 하는 것이다.

는 후방 정전필터의 후면모습이다

Fig. 2(b) .

환기챔버 내부 용적은 약 59.5 m

³

의 개략도에서 보듯이 외부로 유입되는 공 2(c)

기와 역사내부에서 순환되는 공기는 별도의 정 화과정없이 댐퍼작동에 의해 외부로 유출되거 나 전단부 pre-filter를 거쳐 먼지입자들이 포집 되도록 구성되어있다 후단부 절곡형 정전필터. 의 여과면적은 약 40 m

²

²

는 현장에 설치한 여과필터 구조에 대 Fig. 4

한 성능시험결과이다 개별입자효율을 표시한. 결과 에서 볼 수 있듯이 추가로 설치한 정전(a)

Operation parameter Pre-filter Pre-filter + Electret filter Avg. dust collection

efficiency(PM10)(%)

Initial 32% 66%

Final 69% 80%

Filter life time (week) 2 2 & 8~10

Pressure loss(mmAq) 7~15 12~22

Filtration velocity(m/s) 2~3 2~3

필터(EPF)는 10 이하의 미세부분에서 일정한 정도의 포집효율 상승효과가 있음을 알 수 있 다 특히. PM

2.5

10

의 포집효율 향상이 발견되어 평균 의

15% 80%

효율을 유지하였다 한편 필터의 추가 장착으. , 로 인한 압력손실을 미세먼지입자의 단위 면적 당 포집되어 있는 양을 기준으로 비교하여 보 았다 (Fig. 4(b) 참고 사용하지 않은 신규). EPF 에서 약 5 mmAq의 압력손실이 발생하고 있음 을 알 수 있다 그러나 먼지 입자가 적체됨에. 따라 pre-filter에서 발생하는 압력손실량은 크게 증가하는 반면, EPF는 상대적으로 매우 낮은 값을 유지하고 있다 여과가 계속 진행되어 단. 위 면적당 먼지포집량(areal mass collection)이 0.6 kg/m

²

한편 개별입자의 효율과 압력손실 값의 비로, 표현되는 필터성능 (filter quality, q

F

에 본 연구에서 계획한 여과구조의 Table 1

성능을 요약하였다 미세먼지. (PM

10

한 필터의 수명을 비교해보았을 때 후단부, 는 주에서 주간의 교체주기가 예상되었 EPF 8 10

다. EPF를 설치함으로써 발생하는 추가 압력손 실은5-7 mmAq이지만 궁극적으로 총괄 처리유 량이나 유속에는 별로 영향이 크지 않은 것으 로 나타났다.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 20 40 60 80

Sampling time (day) In le t c o n c .( ㎍ /m

)

PM10 PM2.5

(a) Pre-filter (b) Pleated electret filter

(c) Schematic diagram of filtration unit

여과장치에 따른 비용 산출 3.3

지하철 공조실 공기여과장치의 공기질에 따 른 설비비용과 환경편익산출을 위해 설비변경 전 후의 고정비 및 운영비를 산출하였다 또. 한 지하철 공조실 환기챔버로 유입되는 외부공, 기의 오염도로 인해 발생하는 건강상의 피해를 화폐가치로 환산되는 비용을 산출한 사회적비 용은 식 에서 정의한 계산식을 사용하였다(3) .

위에서 산출한 연간 유입 미세먼지량을 기준

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

Mass loading (kg/m²) qF (Pa-1)

Pre-filter Combined(Pre + EPF)

으로 산정한 필터사양과 목표효율에 따른 미세 먼지 포집량은 Table 2에 요약한 바와 같다 기. 존의 pre-filter와 비교하여 후단에 설치할 수 있 는 EPF의 사양별로 포집할 수 있는 잠재 먼지 량을 비교함으로써 후단필터의 교체주기 선정 과 운전비용을 예상할 수 있다 고성능의 필터. 를 적용하면 포집할 수 있는 미세먼지의 양은 증가하지만 그에 따른 압력강하와 운전비용이 동시에 상승할 수 있다 따라서 국가에서 규정. 하는 기준치와 사회적인 통념에 준하여 적절한 사양의 필터 lay-out을 설계하는 것이 바람직하 다.

은 현장의 단가와 교체비용 Table 3 pre-filter

의 실제 집행금액이다 즉 회 사용되는 필터. , 1 와 교체에 따른 폐필터 수집 및 운반비용 그리, 고 최종 처리비용을 산출하였을 때 시험대상, 역사 공조실 내 환기챔버의 여과면적이 6.4 m

²

로 한 달에 두 번 이루어지지만, 2010년의 경우 실제 가동 일수가 342일로서 22회 교체가 된 것으로 나타났다 따라서 연간. 5,936,546원의 설비비용이 발생하는 것을 알 수 있다.

기존여과설비에 대하여 추가적으로 고성능필 터를 삽입함으로써 미세먼지 포집효율을 일정 량 증가시킬 수 있으며 무엇보다 초기여과효율, 의 저하현상을 방지할 수 있음을 알 수 있었다.

그러나 추가적인 시스템 개선에 따른 초기 투 자비 및 운영비의 증가가 예상됨에 따라 총괄 비용을 산정하여 기존설비대비 효용성을 알아 보기 위한 평가의 지표로 사용하려고 한다.

여과효율을 향상시키기 위하여 본 연구에서 실제로 집행한 후단설비의 초기설치비용은 원이었으며 일반적으로 지하철 공조 6,000,000 ,

설비의 수명이 평균 20년인 것을 감안하여 감 가상각하면 연간, 300,000원이 소모되는 것으로

Filter type Dust collection(kg/yr)

PM

PM

EPF Filter rating

Pre - filter 9.7 3.1 -

Proposed efficiency of pre-filter+EPF

70 % 13.5 6.2 MERV 10

80 % 15.5 7.1 MERV 13

90 % 17.4 8.0 MERV 15

필터의 여과성능을 평가하는 지수 MERV (Minimum efficiency reporting values):

※

Item Filter price (won/m

) Labor charge (won/m

) Total field cost of replacement (won)

Filter installation 8,799 3,010 75,578

Waste filter treatment 8,821 56,454

Waste filter disposal 21,533 - 137,811

Total - - 269,843

산정할 수 있다 후단에 장착되는 정전필터의. 경우 한번 교체 시에 소요되는 총 비용이 원으로 요청되었는 바 연간 회를 교체

450,000 , 4

한다고 가정할 경우 총 1,800,000원의 추가비용 이 발생한다 결국 연간 다단필터 구조를 운영. 할 경우 예상되는 비용은 기존 pre-filter의 사용 비용인 5,936,546원과 추가설비의 고정비 원 후단 필터 교체비용인 원 300,000 , 1,800,000 과 작업인건비 317,556 ,원 그리고 폐필터 처리 비용인 775,188원을 합산하여 총 9,129,290원의 비용이 산출된다.

환경편익분석 3.4

환경적 비용편익을 평가하기 위해 사회적인 비용을 먼저 산출하여 보았다 우리나라는 사회. 적으로 합의가 가능한 신뢰성있는 자료와 근거 를 아직 보유하고 있지 못하므로 외국에서 제 시되어 검증된 추정방법을 활용하여 단위 미세 먼지 대비 사회적 비용을 산출하였다(Holland

& Watkiss, 2002). Table 4는 미세먼지에 관한 대기환경기준을 근거로 PM

10

2.5

이것은 EU 15개국 환경보고서나 연구논문결과 를 토대로 산출한 평균값으로서 환경의 이용용 도에 따른 영향을 화폐화시킨 수치이다 즉. , 10 이하의 미세먼지가 대기 중에 존재할

m 1 kg

μ

때 시민보건이나 위생 경제생산성 정서적 피, , 로 등을 간접적인 비용으로 환산하였을 때 약

원이고

301,940 , PM

2.5

는 각 미세먼지의 단위 무게당 사회 Table 5

적으로 치르어야할 대가를 비용으로 환산했을 때의 값이다 즉 사회적 비용 개념을 기초로. , 지하철 공조실 여과설비시스템에 적용하여 금 액으로 산출하여 PM

10

2.5

Pollutants TSP PM

PM

Social cost 458,600 301,940 742,500

Filter Dust PM

PM

w/o-filter 5,857,000 6,608,000

Pre-filter 2,635,000 (58%) 4,295,000 (46%)

Pre-filter+EPF 1,171,000 (54%) 2,973,000 (46%)

안은 투자액 대비 편익 비율

* ( )

때 기존의, pre-filter 여과효율을PM

10

2.5

10

원으로 감소되었으며

1,171,000 , PM

2.5

2,973,000 . PM

10

4,686,630 ,

대비 54%의 효과가 있으며 기존, pre-filter에서 발생하는 투자 대비 편익효과인 58%에 비하여 약간 낮은 수치를 보이고 있다 반면에. PM

2.5

결론 4.

환경오염에 따른 비용과 방지시설의 보완으 로부터 얻을 수 있는 편익을 화폐적으로 계량 화하기 어렵고 불확실성이 큰 경우가 많지만, , 외국의 선행연구결과에서 제시된 가이드라인을 토대로 수도권 지하철의 개 역사에서 미세먼1 지 제어설비를 선정하여 간접적으로 산출해 보 았다 지하역사의 외부에서 내부로 유입되는 미. 세먼지에 대한 사회적비용은 PM

10

개선방향으로 제시한pre-filter와electret pleated 의 단 구조를 가진 시스템을 적용하면 미

filter 2 ,

세먼지 포집효율은 80% 정도를 꾸준히 유지하 면서 궁극적으로4,686,000 원의 환경적 편익이 발생한다 현재의 추세로 보았을 때 여전히 설. 비에 대한 투자비용 측면에서 환경적 편익으로 회수할 수 있는 양은 기존의 pre-filter는 약 이고 신규 구조는 약 로 예측된다 그

58% , 54% .

러나 쾌적한 환경의 요구가 증대하고 미세먼지, 에 대한 위해성 논란으로부터 발생할 수 있는 잠재적인 유무형의 피해를 감안한다면 환경적 가치의 상승이 충분히 기대된다 따라서 실내외. 공간의 미세먼지 및 기타 공기오염물질에 대한 환경비용편익의 지속적인 연구를 통하여 보다 개선된 가치가 설정됨으로써 환경적 투자에 대 한 당위성이 상승할 수 있을 것으로 기대된다.

감사의 글

본 연구는 2007년도 서울시 산학연 협력사 업 기술기반 구축사업 특정과제 지하역사 및( ) 터널의 인공지능형 공기질 제어 및 관리시스템 개발(CS070160)에 의해 수행되었다.

Nomenclature

C

PM10

10

³

C

PM2.5

2.5

³

연간 환기실의 유입유량

Q = (m

³

W

PM10

10

W

PM2.5

2.5

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