신축공동주택에서 가구의 VOCs 방출특성과 엔탈피를 이용한 농도 예측

Abstract

최근 우리나라에서는 재실자의 건강과 쾌적한 실내 환경을 위하여 실내 공기질에 대한 관심과 요구가 증가하는 추세에 있다. 특히 신축건물의 경우 에너지 절약을 위하여 기밀성 및 단열성을 위해 고기밀성 건축내장재의 사용과 다양한 공법의 적용으로 건물의 단열화와 기밀화에 많은 성과를 이루었다. 그러나, 주택의 고기밀화 및 실내 내장재로 사용되는 석유화학계 건축자재에서 발생하는 화학물질에 의한 실내 공기 오염이 점차 심각해지고 있다. 이러한 복합재료로 구성되어있는 건축내장재로부터는 휘발성유기화합물 (VOCs, Volatile Organic Compounds)을 비롯하여 다양한 유해화학물질 (HAPs, Hazardous Air Pollutants)들이 방출되고 있다. 실내에 방출된 화학물질들은 인체의 건강에 미치는 영향이 크고 재실자에게는 두통, 현기증, 메스꺼움, 졸음 및 집중력 감퇴 등을 일으켜 새건물증후군(SBS, Sick Building Syndrome 새집증후군)등의 건강상 장애를 일으킨다. 지금까지의 실내공기질(IAQ, Indoor Air Quality)에 대한 연구는 대부분이 환기, 분진, 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)등에 관한 연구가 대부분이었으나, 최근 문제가 되고 있는 휘발성유기화합물의 주요 발생원인 건축자재에 대한 관련 규제는 점차 강화되어가는 추세에 있으나, 자재에 대한 관련 연구 및 신축공동주택의 휘발성유기화합물 연구는 단기간의 측정 실태조사가 대부분인 실정이다. 또한, 우리나라의 경우 대부분의 공동주택에서는 붙박이 가구가 많이 사용되고 있는데, 이러한 주거용 건물은 사무용건물에 비해 체적에 대한 붙박이 가구의 표면적이 커서 상대적으로 내장재가 실내 공기의 질(IAQ)에 대해 미치는 영향이 크다. 이러한 목재의 심재 및 표면 마감재는 석유화학계 도료에서는 실내공기를 오염시키는 물질(톨루엔 / 폼알데히드)이 많이 발생한다. 따라서 본 연구에서는 기존의 휘발성유기화합물에 대한 연구가 어떻게 진행되어 왔는지 조사하고, 이에 대한 연구 분야를 분류하였다. 이를 통하여 신축공동주택의 주요 휘발성유기화합물의 발생원인 및 시공단계별 오염물질 방출특성을 도출하고, 주요 원인인 붙박이 가구에 대하여 자재 등급(E1, E0) 및 표면마감재료에 따른 휘발성유기화합물 방출특성을 경시변화에 따라 측정/평가 하였다. 이와 더불어 2006년부터 2009년까지 준공된 신축공동주택의 휘발성유기화합물 측정을 실시하고, 측정년도별, 측정물질별 발생특성을 분석하여 관련기준을 초과하는 주요물질에 대하여 조사하고, 측정환경(건구온도/상대습도) 조건에 따른 오염물질 방출특성을 분석하였다. 측정환경 조건에 영향을 받는 것으로 확인된 톨루엔, 폼알데히드에 대한 농도 예측을 위하여 환경조건에 따른 상관성 분석을 실시하고, 별도의 환경지표인 엔탈피(Enthalpy)를 이용한 평가/분석이 가능한지 여부를 파악하여 휘발성유기화합물의 농도를 예측할 수 있는 기법 및 예측식을 개발하였다.

본 논문은 총 6장으로 구성되어 있으며, 각 장의 내용은 다음과 같다.

제 1장에서는 연구의 배경, 목적, 범위 및 방법, 기존의 연구동향에 대하여 기술하였으며 연구의 방향을 설정하였다.

제 2장에서는 본 연구의 기본 이론에 대한 기본검토로 건축재료의 휘발성유기화합물 방출물질 조사, 휘발성유기화합물의 발생원과 방출강도(Emission Factor)에 관련한 사항을 조사하고, 기존의 연구 및 건축자재의 휘발성유기화합물 관련 국내외 기준에 대한 내용을 기술하였다.

제 3장에서는 공동주택 붙박이 가구에 대한 휘발성유기화합물 방출 실험을 통해 방출특성을 시험체 구성 Type별로 방출특성을 비교․ 분석하여 그 결과를 기술하였다.

제 4장에서는 2006년부터 2009년까지 준공된 신축공동주택의 휘발성유기화합물 실태조사를 하였으며, 측정년도별, 물질별 방출특성을 분석하고, 각 물질별 농도분포를 파악하였다.

제 5장에서는 휘발성유기화합물 농도 예측 모델을 제시하고, 환경지표에 따른 휘발성유기화합물 농도 분포를 파악하여 각 물질별 상관관계를 분석하였다. 각 환경지표 및 세대면적에 따른 농도 분포를 조사하여 예측 모델에 따른 각 물질의 농도 예측식을 도출하여 비교/분석하였다. 이를 통하여 엔탈피를 이용한 농도 예측식을 제안하였다.

제 6장에서는 본 연구를 통해 도출된 결론을 기술하였으며, 그 내용을 요약하면 다음과 같다.

(1) E1의 심재를 사용한 목가구의 경우, E0의 심재를 사용한 가구 보다 포름알데히드 농도가 높게 나타났으며, 오염물질이 감소되는 시간도 오래 걸리는 것으로 나타났다.

(2) 가구의 영향만을 고려하였을 때, E1을 사용한 가구의 경우 실내공기중 포름알데히드 농도가 기준치 이하로 감쇄되는데 40～60일의 경과일이 소요되는 것으로 나타났다.

(3) “다중이용시설등의실내공기질관리법” 시행이후 휘발성유기화합물은 톨루엔과 폼알데히드가 권고기준을 초과하는 주요 물질인 것으로 나타났다. 특히 폼알데히드의 경우 각 측정년도 별로 기준을 초과하는 사례가 발생하였으며, 평균농도도 약 2.5배 상승한 것으로 나타났다. 이는 법 시행이후 시공되어진 신축공동주택의 실내 붙박이 가구(주방, 거실, 방)의 설치 면적이 증가함에 따라 폼알데히드 방출량이 증가한 것으로 판단된다.

(4) 벤젠, 에틸벤젠, 스티렌, 자일렌의 경우 하절기 준공현장을 제외하면 '다중이용시설등의실내공기질관리법'상의 규제대상 물질의 권고 기준을 만족할 것으로 예상된다.

(5) 실내공기질 측정 당시의 환경조건(온도, 상대습도)를 이용하여 환경조건 변화에 따른 방출특성을 분석한 결과 톨루엔과 폼알데히드가 지수함수적인 상관관계가 있는 것으로 나타났으며, 건구온도 20℃, 상대습도 40%를 기점으로 크게 증가하는 것으로 나타났다.

(6) 그러나 측정환경의 다양성으로 인하여 단일화된 평가 지표를 이용한 농도 예측방법이 필요하게 되어, 온도 상대습도를 통합하여 평가할 수 있는 엔탈피를 이용하여 톨루엔과 폼알데히드를 평가한 결과, 엔탈피 40kJ/kg 이상에서 크게 증가하는 것으로 나타났으며, 보다 높은 상관성을 가지는 것으로 나타났다.(엔탈피>건구온도>상대습도)

(7) 엔탈피를 이용한 분석방법이 건구온도 및 상대습도로 평가한 결과보다 높은 상관성을 나타 연관성이 보다 크게 나타났다.(엔탈피>건구온도>상대습도) 따라서 이를 사용하여 “다중이용시설실내공기질관리법”에서 규정하고 있는 톨루엔과 폼알데히드의 예측이 가능한 것으로 나타났다.

(8) 신축공동주택이 제한되어지지 않는 환경조건을 가지고 있음에도 환경지표를 이용한 톨루엔 및 폼알데히드의 농도가 상관성을 나타내었으며, 그중 엔탈피를 사용한 톨루엔 예측식은 y=205.2037×e0.0224X(R2=0.1647)으로 표현할 수 있는 것으로 나타났으며, 폼알데히드 예측식은 y=12.5406×e0.0540X(R2=0.5772)로 표현할 수 있었다.