[기획특집: 실내공기질 개선을 위한 기술 및 정책 동향] 대중교통 실내공기질 기술 동향

(1)

1. 서 론

1)

현대인은 삶의 90%를 실내에서 보내고 있다[1].

또한, 한국인의 일일 시간별 활동양상을 조사한 결과 (환경부, 2010)에 의하면 집안에서 14.23시간, 기타 실내(직장, 학교, 교제관련 기타 실내환경)에서 6.80 시간을 소비하고, 실외에서 1.26시간, 교통차량 실내 (이동)에서 1.75시간 머물고 있는 것으로 보고되었 다. 대중교통차량(지하철, 버스 등)은 밀폐된 좁은 공 간에 다수 이용객이 밀집되어 있어 환기가 적절히 이 루어지지 않을 경우 실내공기질 악화로 이용객의 건 강 피해가 발생할 수 있다[2].

최근 대중교통의 수송 분담률은 2003년 36.8%에 서 2016년 42.8%로 지난 10년 동안 6% 증가하였고 [3], 평균 통근시간은 1995년 29.6분에서 2015년 35.4분으로 지난 20년간 6분가량 늘었다[4]. 반면에,

저자(E-mail: [email protected])

열차 및 버스와 같은 대중교통차량의 경우 구조적으 로 창문을 열 수 없는 형태로 설계가 되어있어 실내 공기의 오염도가 높은 경우 이를 해소하기 위해 주기 적으로 외부공기를 유입시키는 방식으로 운영되고 있다. 그러나, 최근 상황과 같이 일반대기 중의 오염 도가 높은 경우에는 외부공기 유입이 차단되어 밀폐 된 공간으로 운영이 되게 되고, 또한, 여름철이나 겨 울철에는 냉·난방기의 가동으로 인한 에너지 비용을 최소화하기 위해 외부 공기 유입 없이 내부 공기를 순환시키는 방식으로 운행하게 된다. 서울교통공사 에서 측정한 전동차 내부의 공기질 측정결과는 다음 Figures 1, 2와 같다.

전동차의 미세먼지(PM10) 및 이산화탄소(CO2)는 권고기준보다는 낮게 유지하고 있으며, 매 해마다 그 평균 농도가 낮아지고는 있지만, 일정 농도 이상 발 생하고 있으므로 대중교통차량 객실 실내에 오염물 질이 축적되어 승객과 운전자의 쾌적성을 저하시킬 뿐만 아니라 건강에 영향을 줄 수도 있다. 이에 따라

대중교통 실내공기질 기술 동향

박 미 정ㆍ최 진 식ㆍ박 병 현^† 주식회사 애니텍 기술연구소

Technology Trends of Indoor Air quality for Public transportation

Mijeong Park, Jinsik Choi, and Byung Hyun Park^†

Anytech Co., Ltd., 88, Sinwon-ro, Yeongtong-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do 16681, Republic of Korea

Abstract: 수년간 고농도 미세먼지 발생으로 인한 실내공기질 관리방안에 관한 논의가 계속되고 있다. 특히, 시민들이 하루 에 1.75시간 이상 지하철 및 버스 등의 대중교통 내에서 머물고 있는 것으로 발표되고 있어 환경부에서는 2019년 대중교통 에서의 공기질 관리 방안을 강화하는 것으로 발표한 바 있다. 최근 철도차량 등의 대중교통 차량에서 공기질 개선장치가 도입되고 있는 추세이긴 하나, 대부분의 기존 대중교통차량에서는 공기질 개선장치가 적용되어 있지 않고 대기질이 나쁨인 경우 실내 환기가 어려워 이용 시민들의 건강을 해칠 수 있는 상황이다. 이러한 상황에서 강화되는 실내공기질관리법을 만족 하기 위해서는 다양한 대중교통 차량에서의 공기질 관리기술을 토대로 신규차량 뿐만 아니라 기존차량에서 적용할 수 있는 실제적인 논의가 필요하다. 본 기고문에서는 대중교통에서의 공기질 현황을 알아보고 효율적인 공기질개선을 위한 미세먼지 및 이산화탄소 저감에 관한 연구동향을 정리하고자 한다.

Keywords: public transport, air quality, air purifier, reduction of air pollutants, fine dust, carbon dioxade

(2)

서 환경부에서는 대중교통차량을 이용하는 국민의 건 강을 보호하고 환경상의 유해를 예방하고자 ‘실내공 기질 관리를 위한 대중교통차량의 제작⋅운행 관리

지침’에 따라 도시철도와 철도 및 버스에 대하여 객 실 내 미세먼지(PM10) 및 이산화탄소(CO2) 농도를 권 고기준으로 설정하여 관리하고 있다(Table 1) [5].

구분 도시철도 열차, 버스

비혼잡시간대 혼잡시간대 비혼잡시간대 혼잡시간대 비고

이산화탄소(ppm) 2,000 이하 2,500 이하 2,000 이하 2,500 이하 노선 1회 운행 시 평균값¹⁾

미세먼지 PM10 (µg/m³) 200 이하 150 이하 노선 1회 운행 시 평균값²⁾

1) ‘노선 1회 운행 시 평균값’ 이란 해당 대중교통수단 운영주체별 소속차량의 각 노선의 출발지에서 도착지까지 연속 측정한 값의 평균값을 말한다.

2) 혼잡시간대는 도시철도의 경우 주중 07시 30분부터 09시 30분까지 또는 18시부터 20시까지를, 철도 및 시외버스의 경우 주말이나 휴일 또는 성수기를 말하 며, 비혼잡시간대는 혼잡시간대 외의 시간대를 말한다.

*출처: Ministry of Environment (2020).

*출처: Seoul Metro (http://www.seoulmetro.co.kr/).

Figure 1. Air quality (PM

10

) measurement results of Seoul subway.

*출처: Seoul Metro (http://www.seoulmetro.co.kr/).

Figure 2. Air quality (CO

2

) measurement results of Seoul subway.

Table 1. Air Quality Standards for Public Transport Vehicles

(3)

*출처: Hispacold (https://www.hispacold.es/).

Figure 3. Air purification systems of Hispacold in Spain (Purificador de aire ECO3).

이에 따라 본 전망지에서는 대중교통차량 객실 공 기청정 시스템 기술의 동향과 전망을 알아보기 위해 현재 대중교통에서 적용되고 있는 공기청정 시스템 수준과 동향을 고찰한 후 향후 쾌적한 객실 환경을 조성하기 위한 공기청정기 기술의 전망을 제시하고 자 한다.

2. 대중교통차량 내부 공기청정 시스템

스페인 HISPACOD사의 Purificador de aire ECO3는 차량 내부 공기의 악취, 미생물, 세균 및 알 레르겐을 중화시키고 산소농도를 높여 건강한 수준 을 유지하고 공기질을 개선하는 장치이다(Figure 3).

미국 NASA에서 개발하고 싱가포르 Air For Life 사에서 기술 향상시킨 AFL BI-POLAR 이온화는 냉 기 플라즈마 기술을 사용하여 수증기를 공기로 방출 되는 양이온 및 음이온으로 분리시켜 먼지, 꽃가루 및 알레르겐에 부착되어 중력에 의해 제거된다. 또한 악취 및 오염물질은 산소, 수증기 및 이산화탄소로 변환되어 제거하는 장치이다(Figure 4).

(주)퓨어에코텍의 먼지고래는 높은 집진 효율을 갖으면서 기존 복합식 정화장치의 단점을 보완한 광 플라즈마를 사용한 대기정화장치이다. 버스나 대형 차량에 장착하여 도로의 미세먼지를 제거하고, 고정 형으로 인구밀집지역이나 버스정류장 등 오염지역에 배치하여 사용한다(Figure 5).

*출처: AIR FOR LIFE (https://airforlife.sg/)

Figure 4. How BI-POLAR ionization technology works.

*출처: (주)퓨어에코텍(http://pureecotech.com/ko/).

Figure 5. Dust whale image and patent of pure eco tech.

(주)애니텍의 SCAP (subway cabin air purifier) 는 지하철 객실에 최적화된 모듈형 공기정화장치로 객실 천정내부에 설치하여 미세먼지 및 이산화탄소 를 제거하는 장치이다. 대중교통차량의 이산화탄소 권고기준에 부합하는 성능을 확보하기 위하여 이산 화탄소 제거용 흡착소재를 공기정화장치에 응용한 기술로, 평상시 정전필터가 실내 미세먼지를 제어하 며, 이산화탄소 흡착제 필터 카트리지에 설치된 송풍 기는 실내 이산화탄소 농도를 감지하여 설정치를 초 과할 경우에만 가동하도록 중앙제어부를 구성하였 다. 즉, 이산화탄소 모니터링을 통한 선택적 송풍제 어 방식으로 인력에 의한 제어가 필요 없는 자동운전 방식 원리이다. 이산화탄소 흡착제가 포함된 공기정 화장치는 Figures 6 및 7과 같은 구조로 설계되어 있 으며, 내부유로를 형성하며 양측으로 내부유로와 연 통되는 공기 유출입구가 형성된 하우징과, 하우징의 내부에 설치되어 객실의 공기를 공기 유출입구를 통 해 흡입하여 배출시키기 위한 송풍기를 구비한 흡배 기부로 구성되어 있다. 이산화탄소 흡착제 필터 카트 리지인 흡착부는 필터부의 하측에 설치되며, 하우징 내부로 흡입되는 공기 중 가스상 오염물질인 이산화

(4)

탄소의 농도를 측정하기 위한 검출부의 측정값에 따 라 흡배기부와 흡착부에 의해 실내공기를 정화시키 는 원리이다. 검출부를 통해 이산화탄소 농도가 일정 농도(2,000 내지 2,500 ppm) 이상으로 검출될 경우, 흡배기부의 송풍기를 가동 제어함으로써 이산화탄소 흡착제 필터 카트리지에 포함된 흡착소재와 이산화 탄소가 화학적 반응에 의해 실내 이산화탄소 농도를 저감시키는 것을 특징으로 한다. 이로 인해 혼잡시간 대 오염된 객실 공기질을 개선할 수 있는 장점을 가 지고 있다. (주)애니텍 SCAP는 현재 서울교통공사 차량에 벽면 장착형으로 적용되어 사용되고 있다.

3. 공기정화장치의 실증사례

(주)애니텍에서 개발된 지하철 객실 공기정화장치 (SCAP)는 운행 중인 2호선 열차(제224편성)에 장착 되어 시운전과 효율평가 및 유지보수성 평가가 완료 되었다. 공간 활용 및 차량의 운행에 지장을 주지 않 기 위해 천장 라인데리아 부분의 빈 공간을 활용하여 장치를 매립하는 방식으로 제작 및 설치하여 평가하 였다. 즉, SCAP의 설치 시 기존 운행차량에 쉽게 설

Figure 8. The installation process of subway vehicles.

치할 수 있도록 구성함으로써 적용성의 우수성을 높 였다. 지하철 공기청정기(SCAP)를 서울교통공사 운 행차량에 적용/평가하기 위한 설치현장을 보여주고 있다(Figure 8).

SCAP의 성능평가를 위하여 기존 수도권 운행 전 동차의 차량내부구조 조사를 수행하였고(2009. 3~

2010. 2), 서울메트로 2호선 신조차량에 설치(2011.

9. 16)하여 시스템의 안정성 점검 후, 2011년 9월 21 일부터 2012년 1월 18일까지 총 4회에 걸쳐 출근시

*출처: (주)애니텍(http://anytech.co.kr/).

Figure 6. Configuration and operational concepts diagram of SCAP.

*출처: (주)애니텍(http://anytech.co.kr/).

Figure 7. Actual image of SCAP.

(5)

간대에 서울메트로 2호선에서 객실의 공기질 개선효 과를 측정, 평가하였다. 지하철 2호선 10량 중에 2호 칸에 설치하였으며, 설치하지 않은 3호칸에 대한 실 내공기질 비교평가시험을 수행하였다. 측정시간은 출 근시간대인 오전 7시부터 오후 2시에 실시하였으며, 신도림역을 기준으로 순환하면서 CO2 농도 및 정차 역별 탑승객수를 산정하였다. 즉, 국내 최초 실제 운 영 차량에 설치하여 연속적으로 운영함으로써 본 기

술에 대한 안전성 여부를 운영처인 서울메트로와 함 께 확인한 결과 이상이 없음을 확인하였다.

국내 최초 운행 중 설치 대상 차량인 서울메트로 2호선 신조차량에 장착하여 2011년 9월 21일부터 2012년 1월 18일까지 출근시간대에 객실의 공기질 개선효과를 측정 평가하였다. 실증테스트 결과는 Table 2와 Figure 9에 나타내었다. 개발 CO2 흡착소 재의 흡착제 카트리지가 적용된 공기정화장치인

SCAP 운행차량 평가 2011.9.28.

(07:25∼09:10)

2011.10.07.

(07:27∼09:25)

2011.11.03.

(07:10∼08:42)

2012.01.18.

(07:36∼12:15) SCAP

설치 차량

CO2 농도 (ppm) 2,634 2,446 2,437 2,418

승객수 124 169 130 132

SCAP 미설치 차량

CO2 농도 (ppm) 2,795 2,473 2,591 2,581

승객수 125 127 91 130

Figure 9. The effect of improving CO

2

pollution on SCAP installation vehicles.

Table 2. Operation Vehicle Schedule and Measurement Data

(6)

SCAP의 실증테스트 결과, 설치차량의 4회 평균 출 근시간대 개실 농도가 2,610 ppm으로 측정되었으며, 미설치 차량 대비 설치차량의 평균측정값은 2,498 ppm으로 4.8%의 개선효과를 보여주었다. 객실 내 CO2 농도는 탑승 승객 수에 의존하기 때문에 비교차 량과 설치차량의 평균승객수를 산정하여, 측정된 CO2

농도로 나누어준 값, 즉 인당 CO2 농도를 분석할 경 우 SCAP의 개선효과는 더욱 명확하게 제시되었다.

그 결과, 비교차량의 인당 CO2 농도는 평균 22.5 ppm/person으로 설치차량의 18.2 ppm/person에 비 하여 SCAP설치로 인한 개선효과가 평균 19.1%로 나타났다.

흡수기술을 적용하여 CO2를 회수하는 공정에서는 폐수가 발생하게 되며, 이를 처리하기 위해 폐수처리 공정이 추가되어 에너지 및 자원이 소요되는 반면 본 기술은 건식 흡착기술로써 폐수가 발생하지 않아 에 너지 및 자원 절약효과로 인해 경제적이다. Table 3 에는 SCAP 장착 시 연간 운영비용을 나타내었다.

현재 실내공기질 개선 방법으로는 환기에 의한 방 법을 채택하고 있으며, 환기를 위한 방법으로는 실내 공기 중 CO2 농도를 감지하는 센서로 모니터링하여 외부 공기의 유입량을 증대시키는 방법이나, 이 방법 은 대기 중의 공기질이 좋은 경우에만 가능한 방법이 므로 대도심지역이나 지하공간에서 적용되기에는 현 실적으로 어렵다. 또한, 환기를 시킬 경우에 실내의 적정 온도를 유지하기 위하여 추가적으로 발생되는 냉⋅난방비용이 발생되어, 부담이 가중된다.

한국경제연구 ‘다중이용시설 실내공기질 개선의

경제적 가치 추정: 서울시 지하역사를 중심으로’ 연 구결과에 따르면 지하역사 공기질 개선을 위해 지불 할 의사가 있는 금액은 가구당 연평균 5,314원, 서울 시 전체에 대해서는 약 177억 6,000만원으로 추정(산 출근거: 177억 6,000만원 = 5,314원 × 334만 1,352 가구(2005년도 인구주택 총 조사: 총 가구수 334만 1,352가구로 추계)되었으며, 장시간 지하역사에 근 무하는 지하철 직원들의 경우 이보다 훨씬 높은 2만 3,208원의 지불 의사액을 갖는 것으로 나타났다[6].

환경부 조사에서도 수도권 지하철을 이용하는 승 객을 대상으로 공기질 개선에 관한 비용편익을 조사 한 결과 가구당 연간 지하역사 공기질 개선을 위해 지불할 의사가 있는 금액은 평균 4,706원, 최대 금액 은 51,689원으로 추정되었다. 총 편익은 공기질 개선 에 의해 발생하는 경제적 가치를 산정한 것이므로 지 하역사 공기질 개선에 따른 에너지 비용 절감에 추가 로 이익을 산정하면 국내 신규 시장 생성비용은 약 281억이므로 여기에 약 150억 원을 추가하여 431억 원에 달하며, 지하역사 외에 다중 이용시설 등 규제 를 받는 대형건물까지 포함하면 시장규모는 5배정도 상승할 것으로 예상되어 2,200억 원에 이를 것으로 판단된다. 해외 시장에 적용할 경우 국내 시장규모의 수십 배에 달하므로 그 규모는 10배 정도로만 적용 하여도 22,000억 원에 이를 것으로 예상된다.

4. 결론 및 전망

건강에 대한 국민의 인식 증가로 인하여 실내 공

항목 내역 연간비용 비고

SCAP 2,000,000 원/set - 설치비용 포함

차량대 설치대수 2대 800,000 2,000,000 × 2대/5년

제품수명 5년 - 제품내구성 연한

연간소모품 비용 50,000원/회 600,000 50,000 × 2대 × 6회

(흡착제 필터 카트리지 수명: 2개월) (1일 6시간 운전 기준)

연간 전기료 118,856

⋅일일전력사용량 = 0.08 kw × 24 hr/일 × 2대 = 3.8 4kw/일

⋅전력비 단가: 84.8 원/kwh

⋅연간전력비 = 3.84 kw/일 × 365일 × 84.8 원/kwh

= 118,856 원/년

합계 1,518,856

Table 3. Annual Operating Costs with SCAP

(7)

기질에 대한 관심이 증가하고 있다. 이를 반영하듯, 상주하고 있는 건물 내부뿐만 아니라 잠시라도 머무 는 곳의 실내공기질 향상에 대한 관심이 증가하면서 이에 따른 국민 니즈에 맞는 실내 환기 및 공기청정 시스템이 도입되고 그 성능은 날로 증가되고 있다.

2020년 4월부터 실내공기질 관리법이 강화되면서 대중교통차량의 실내공기질 측정이의무화 되고, 초 미세먼지(PM2.5) 권고기준이 신설되면서 각 제조사 에서는 기술력을 바탕으로 공기청정 시스템은 운전 이 간단하고 저에너지 고효율 장치로 다양한 시설에 간편하게 적용 가능해야 한다. 또한, 대중교통차량의 객실 내부 적용성과 유지보수가 간편하게 제작된다 면, 공기정화장치 설비로 인해 대중교통차량 이용 승 객 및 관련 종사자의 건강증진과 국가적 보건비용 절 감이 기대되며, 대중교통차량 객실의 쾌적성 및 이용 만족도 등을 향상시키고, 친환경 이미지 제고에 이바 지할 것으로 기대된다.

References

1. P. Höppe and I. Martinac, Indoor climate and

air quality, International Journal of Biometeo-

rology, 42(1), 1-7 (1998).

2. Ministry of Environment, Indoor Air Quality Management Guidelines for Public Transpor- tation (2006).

3. Y. K. Gwak, J. H. Lee, B. I. Jeon, H. H. Yang, and H. H. Kim, Study on the movement of volatile organic compounds in public transpor- tation, J. Environ. Health. Sci., 46(2), 204-213 (2020).

4. Statistics KOREA Government Official Work Conference. Commuting time (http://index.go.

kr/).

5. Ministry of Environment, Guidelines for the production and operation of public transportation vehicles for indoor air quality management (2020).

6. J. H. Hogn and H. N. Oh, Economic value of improving indoor air quality of subway stations in seoul metropolitan area, Journal of Korean