植物의 室內空間 揮發性有機化合物(VOCs) 濃度 低減效果에 關한 硏究

Abstract

건축자재와 실내가구 재료의 변화로 인하여 건물의 실내공간에서 수백 가지의 휘발성유기화합물(VOCs, Volatile Organic Compounds)이 발생하고 있다. 그 밖에도 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 라돈, 곰팡이, 미생물 등 건축물의 실내에는 다양한 종류의 오염원이 있다. 이 중에서 휘발성유기화합물의 발생은 ‘건물병증후군 또는 새집증후군(SBS, Sick Building Syndrome)’을 일으키는 원인으로, 실내공기오염의 위험성을 인지하고 이를 줄이는 방안의 모색이 필요하다. 실내의 공기오염을 줄이는 일반적인 방안으로 현재 많이 사용하고 있는 것은 공기조절장치로 환기를 실시하거나, 실내의 마감재를 오염물질이 적게 발생하는 친환경적인 재료를 사용하는 방법 등이 있다. 공조장치나 환기를 이용한 기계환기는 효과적이기는 하지만 운영비 등 비용적인 문제가 발생된다. 기계환기에 추가적인 방법으로 비용도 절감하고 아름다움도 동시에 느낄 수 있는 공기정화식물을 사용하는 것이 바람직하다. 식물에 의한 실내공기환경 개선효과는 미 항공우주국 NASA에서 1980년부터 진행되어 식물이 밀폐된 공간에서 공기정화의 능력을 갖고 있다는 사실을 확인하였으며(NASA. 1980), NASA의 존 C. 스테니스 우주센터에서 실내식물이 밀폐된 실험실에서 폼알데하이드를 제거하는 효과가 있다는 연구결과를 발표했다(NASA. 1984). 최근 우리나라에서도 웰빙(Well-being)에 대한 관심이 높아지면서, 공기정화식물을 이용하여 깨끗한 공기를 만들고 주거환경을 향상시키고자하는 움직임이 일어나고 있다. 식물에 의한 공기정화 능력은 조경 분야에서도 연구가 진행되어, 식물의 정화능에 관한 연구(이진희. 2004), 식물의 실내환경 조절효과에 대한 연구(최윤정 외. 2005) 등이 진행되고 있는 실정이다. 또한 실내공기조절을 위한 실내조경계획(장성수 외. 2001), 파키라가 실내 온습도 변화에 미치는 영향(손기철 외. 1998) 등 활발한 연구가 이루어지고 있다. 이와 같이 기존의 연구에서는 소형챔버에 식물을 설치하여 단일식물의 오염물질 개선능력만을 제시하였으며, 실제 공간에 대한 적용은 그 예가 많지 않다. 본 연구에서는 기존연구의 문제점을 보완하여 실내공기질 공정시험방법에 의거하여 실험을 실시하였으며, 실제 건축공간을 축소화한 인공환경실험실을 제작하여 실내공간에 식물을 설치한 경우의 효과를 파악하였다. 본 연구의 실험은 크게 두 부분으로 나누어 진행되었다. 식물의 VOCs 농도 저감효과를 파악하기 위한 기본실험으로는 소형 풍동챔버를 제작하여 단일식물과 식재용 토양의 오염물질 저감효과를 파악하였다. 소형 풍동챔버 실험에서는 식물과 토양으로 나누어 식물실험에서는 식물의 종류, 식재량, 오염물질 농도, 풍량에 의한 효과를 파악하였고, 토양실험에서는 토양종류, 토양량, 오염물질 농도에 의한 저감효과를 파악하였다. 또한 식물을 이용한 실내공간 VOCs 농도 저감효과를 파악하기 위한 실험에서는 식물의 종류, 식재량과 식재 배치방법, 계절에 따른 오염물질 농도 저감효과를 파악하였으며, 실제 아파트현장에 식물을 적용하여 그 효과를 입증하였다.

본 논문은 총 7장으로 구성되어 있으며, 각 장의 내용은 다음과 같다.

제 1 장에서는 연구의 배경, 필요성, 목적과 범위 및 방법에 대한 내용을 기술하여 연구의 방향을 설정하였다.

제 2 장에서는 이론 고찰로서 실내공기오염, 휘발성유기화합물(VOCs)의 정의, 특징 및 국내․ 외 기준과 식물의 공기정화 기능에 대한 내용을 기술하였다.

제 3장에서는 소형 풍동챔버에 식물과 식재용 토양을 이용한 것으로, 식물의 VOCs 농도 저감효과에 대한 기본적인 실험으로서 단일식물의 효과를 파악하여 평가하였다. 본 실험에서는 단일식물과 토양의 오염물질 저감효과를 파악하기 위하여, 소형 풍동챔버를 제작하여 식물을 통과하기 전과 후의 오염물질 농도를 측정하였다. 실험을 통하여 식물과 식재용 토양의 오염물질 저감효과를 파악하였고, 이를 바탕으로 다양한 조건에서 식물의 VOCs 농도 저감효과를 파악하기 위한 기초적인 결과를 기술하였다.

제 4장에서는 식물에 의한 실내공간 VOCs 농도 저감효과를 평가하기 위하여 실제 건축공간을 축소화한 인공환경실험실을 제작하여 실험을 실시하였다. 인공환경실험실에 NASA에서 입증한 공기정화식물 중 관엽식물 7종과 자생식물 2종을 대상으로 그 효과를 분석하였으며, 식물의 종류에 따른 VOCs 농도 저감효과에 대한 결과를 기술하였다.

제 5장에서는 식물을 설치한 후 식재량과 배치위치 변화에 따른 VOCs 농도 저감효과를 중심으로 기술하였다. 식물 종류별 실험의 결과, 효과가 우수하였던 아글라오네마, 벤자민 고무나무와 파리카를 대상으로 식재량과 배치변화에 의한 실험을 실시하여 그 결과를 기술하였다. 식재량 변화 실험에서는 인공환경실험실 부피의 3%와 5%, 10%의 식물을 설치한 경우의 효과를 파악하였으며, 배치위치 변화에서는 베란다에 인접하여 배치한 집중배치와 실험실의 세 부분으로 나누어 배치한 분산배치, 음지배치로 나누어 측정을 실시하였다. 그 결과 각 식물별로 식재량과 배치변화에 따라 효과가 우수한 경우를 파악하였으며, 그 결과를 기술하였다.

제 6장에서는 식물의 생육조건에 따른 계절별 VOCs 농도 저감효과와 실제 아파트현장에 식물을 적용한 효과를 중심으로 기술하였다. 계절에 따른 실험에서는 각 계절별로 식물의 오염물질 저감효과를 파악하였으며, VOCs 농도 저감에 유리한 식물을 제안하고 효과적인 방안을 제시하고자 한다. 미리 선발한 공기정화식물 3종인 아글라오네마, 벤자민 고무나무와 파리카를 대상으로, 같은 조건하에 실험을 실시하여 계절별로 많이 저감되는 VOCs 개별물질을 파악하였다. 또한 아파트 현장에 식물을 적용한 실험을 실시하여 실제 현장 적용에 따른 효과를 입증하여 기술하였다.

제 7장에서는 본 연구를 통해 도출된 결론을 기술하였으며, 그 내용을 요약하면 다음과 같다. 1) 소형 풍동챔버에 식물과 토양을 이용하여 오염물질 저감효과를 파악하기 위한 실험을 실시하였다. 본 실험에서는 단위식물의 오염물질 저감효과를 파악하기 위하여 소형 풍동챔버를 제작하여 식물과 식재용 토양을 대상으로 측정 및 분석을 실시하였으며, 오염물질이 단위식물을 통과하기 전과 후의 농도차이를 파악하였다. 그 결과, 식물을 이용한 공기정화의 효과를 파악하였고, 이를 바탕으로 다양한 식물의 효과를 파악하기 위한 기초적인 결과를 얻었다. 폼알데하이드의 경우, 하이드로볼에 의한 저감효과가 가장 우수했으며, 그 밖의 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌, 스티렌의 경우에는 모두 아글라오네마를 설치했을 때 저감효과가 가장 우수한 것으로 나타났다. 본 실험의 결과는 식물과 토양 모두 VOCs 농도 저감효과가 있는 것으로 나타났으며, 특히 식재용 토양보다는 식물을 설치한 경우에 효과가 더 크게 나타났다.

2) 식물의 종류에 의한 실내공간 VOCs 농도 저감효과를 파악하기 위하여 인공환경실험실을 제작하여 관엽식물 7종과 자생식물 2종을 대상으로 실험을 실시하였다. 먼저 관엽식물 7종의 VOCs 및 폼알데하이드 저감효과의 결과, 톨루엔의 경우에는 벤자민고무나무의 효과가 가장 크게 나타났으며, 폼알데하이드의 경우에는 아글라오네마와 벤자민고무나무의 효과가 크게 나타났다. 그 외 VOCs 개별물질의 측정결과, 톨루엔을 제외한 나머지 물질들의 농도저감 효과도 나타났으나, 그 양은 미미한 것으로 나타났다. 자생식물 2종의 실험결과, 산호수를 식재한 경우에는 톨루엔의 저감효과가 우수하였으며, 팔손이를 식재한 경우에는 폼알데하이드의 저감효과가 우수하게 나타났다.

3) 식재량에 변화에 의한 VOCs 농도 저감효과에서는 식재량이 실험실 공간 부피의 5% 이상일 경우에 효과를 나타내었다. 특히 식재량이 가장 많은 10% 배치인 경우에 각 VOCs 개별물질과 폼알데하이드의 저감효과가 우수하게 나타났다. 특히 폼알데하이드와 톨루엔의 농도저감량이 크게 나타났으며, 톨루엔은 아글라오네마를 식재한 경우, 폼알데하이드의 경우에는 벤자민고무나무를 식재한 경우에 농도 저감효과가 가장 우수한 것으로 나타났다.

4) 식물의 배치위치 변화에 따른 VOCs 농도 저감효과 실험에서는 일사를 많이 받을 수 있는 창가 쪽에 집중배치한 경우의 효과가 우수한 것으로 나타났다. VOCs 개별물질 중에서는 톨루엔의 농도 저감효과가 가장 큰 효과를 나타냈으며, 아글라오네마를 설치한 경우의 톨루엔 농도 저감효과가 우수하게 나타났다. 폼알데하이드의 경우에도 큰 농도저감량을 나타냈으며, 벤자민고무나무의 효과가 가장 크게 나타났다. 공동주택에서 각 VOCs의 농도저감은 매우 중요하며, 특히 톨루엔과 폼알데하이드의 위해성이 심각한 것을 고려할 때 실내공간에서 벤자민고무나무와 유사한 특성을 가진 식물을 설치하는 것이 효과적일 것으로 사료된다.

5) 인공환경실험실에 미리 선발한 공기정화식물 3종인 아글라오네마, 벤자민고무나무, 파키라를 식물의 생육조건에 따라 계절별로 실험한 결과, 대부분의 VOCs 개별물질에서 파키라나 벤자민고무나무를 여름에 식재한 경우에 가장 효과가 우수하였다. 톨루엔과 폼알데하이드의 농도저감량이 크게 나타났으며, 폼알데하이드의 경우에는 여름에 벤자민고무나무 식재시 초기농도의 50% 이상이 저감된 것을 알 수 있었다. 톨루엔의 농도 저감효과도 여름철의 VOCs 농도저감 효과가 우수하게 나타났으며, 벤자민고무나무 식재시에 효과가 우수하였다.

6) 실제 아파트 현장에 식물을 적용한 실험에서 폼알데하이드, 벤젠, 톨루엔 모두 농도 저감 효과를 나타내었다. 폼알데하이드의 경우 식물을 설치한 지 3일이 경과한 후에 6.3㎍/㎥의 농도저감량을 나타냈다. 측정당시 겨울철 이었으며, 실내의 온도는 6.3～8.0℃로 낮아서 인공환경실험실 실험의 경우보다 효과가 낮게 나타났다. 벤젠과 톨루엔의 경우에도 미미하였지만 농도 저감효과가 나타났으며, 비교를 위한 미식재 공간에서는 오염물질의 농도변화는 거의 없거나 약간 높아지는 것으로 나타났다.

7) 식물을 이용한 실내 공기질 개선에 대한 실험결과를 바탕으로 통계분석을 실시하였다. 본 연구를 수행하는데 있어서 사용된 구체적인 실증분석방법은 일반적인 특성에 따라 실험결과 값의 차이를 살펴보기 위하여 평균차이 검증인 t-test와 일원변량분석(One way Anova)을 실시하였다. 본 연구의 통계처리는 SPSSWIN 12.0 프로그램을 사용하여 분석하였으며, 실증분석은 모두 유의수준 p<.05에서 검증되었다.