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Indoor and Outdoor Levels of Particulate Matter with a Focus on I/O Ratio Observations: Based on Literature Review in Various Environments and Observations at Two Elementary Schools in Busan and Pyeongtaek, South Korea

실내 외 농도 비(I/O ratio)에 기반한 주변환경과 실내 미세먼지 농도분포 특성: 선행연구 리뷰와 여름철 부산과 평택 초등학교에서의 측정 결과를 중심으로

  • Kang, Jiwon (Master Student, Atmospheric Science Major, Division of Earth Environmental System Science, Pukyong National University) ;
  • An, ChanJung (Master Student, Atmospheric Science Major, Division of Earth Environmental System Science, Pukyong National University) ;
  • Choi, Wonsik (Assistant Professor, Department of Environmental Atmospheric Sciences, Pukyong National University)
  • 강지원 (부경대학교 지구환경시스템과학부 환경대기과학전공 석사과정생) ;
  • 안찬중 (부경대학교 지구환경시스템과학부 환경대기과학전공 석사과정생) ;
  • 최원식 (부경대학교 환경대기과학과 조교수)
  • Received : 2020.12.14
  • Accepted : 2020.12.18
  • Published : 2020.12.31

Abstract

We measured PM2.5 and PM10 (particulate matter less than 2.5 ㎛ and 10 ㎛ in diameter, respectively) simultaneously at 16 locations around an elementary school and classrooms in Busan and Pyeongtaek, South Korea. In this study, we compared the results of this field intensive with those in the literature (144 cases of 30 studies), focusing on I/O (Indoor/Outdoor) ratios. We also reviewed the results of previous studies, categorizing them into related sub-categories for indoor-activities, seasons, building-uses, and the surrounding environment. We conclude that indoor PM10 is affected more by indoor-sources (e.g., physical activities) than PM2.5 in the absence of combustion sources like smoking and cooking. Additionally, PM10 and PM2.5 likely have different indoor-outdoor infiltration efficiencies. Conclusively, PM10 in classrooms can be more sensitively affected by both indoor activities and ambient concentrations, and mechanical ventilation can be more efficient in reducing PM concentrations than natural ventilation.

본 연구에서는 평택과 부산의 초등학교를 대상으로 학교 주변과 교실 내를 포함하여 총 16개 지점에서 PM2.5(particulate matter less than 2.5 ㎛ in diameter) 및 PM10(particulate matter less than 10 ㎛ in diameter)을 동시에 측정하였고, 이 결과를 여러 국외 선행연구 리뷰를 통해서 획득한 실내·외 PM2.5 및 PM10 측정 농도 및 I/O ratio(Indoor/Outdoor ratio)와 비교하였다. 선행연구는 총 30건의 연구에서 144건의 사례를 수집하여 이를 실내활동, 측정 계절, 건물용도, 주변환경에 대해 다양한 항목별로 분류하여 본 연구의 측정결과와 비교하였다. 선행연구 결과에서 PM2.5는 흡연활동이나 요리활동 등의 실내 연소작용이 없는 환경에서는 외기농도가 실내농도에 중요한 영향을 미치는 반면, PM10은 외기농도와 함께 물리적 활동에 따른 재 비산이 중요한 실내 배출원일 것으로 보인다. 평택과 부산의 초등학교에서의 측정결과도 선행연구 리뷰 결론을 뒷받침하는 양상을 보였고, 공기청정기 사용이 미세먼지 저감에 효율적인 것으로 나타났다. PM2.5와 PM10은 실내 배출원 및 외기와의 상호작용 영향이 다를 수 있으며 환기방식에서는 강제환기가 자연환기보다 PM2.5와 PM10의 실내농도 감소에 더 효율적일 수 있는 것으로 보인다.

Keywords

요약

본 연구에서는 평택과 부산의 초등학교를 대상으로 학교 주변과 교실 내를 포함하여 총 16개 지점에서 PM2.5(particulate matter less than 2.5 μm in diameter) 및 PM10(particulate matter less than 10 μm in diameter)을 동시에 측정하였고, 이 결과를 여러 국외 선행연구 리뷰를 통해서 획득한 실내·외 PM2.5 및 PM10 측정 농도 및 I/O ratio(Indoor/Outdoor ratio)와 비교하였다. 선행연구는 총 30건의 연구에서 144건의 사례를 수집하여 이를 실내 활동, 측정 계절, 건물용도, 주변환경에 대해 다양한 항목별로 분류하여 본 연구의 측정결과와 비교하였다. 선행연구 결과에서 PM2.5는 흡연활동이나 요리활동 등의 실내 연소작용이 없는 환경에서는 외기농도가 실내농도에 중요한 영향을 미치는 반면, PM10은 외기농도와 함께 물리적 활동에 따른 재 비산이 중요한 실내 배출원일 것으로 보인다. 평택과 부산의 초등학교에서의 측정결과도 선행연구 리뷰 결론을 뒷받침하는 양상을 보였고, 공기청정기 사용이 미세먼지 저감에 효율적인 것으로 나타났다. PM2.5와 PM10은 실내 배출원 및 외기와 의 상호작용 영향이 다를 수 있으며 환기방식에서는 강제환기가 자연환기보다 PM2.5와 PM10의 실내농도 감소에 더 효율적일 수 있는 것으로 보인다.

1. 서론

전세계적으로 산업화와 도시화가 가속화되면서 전세계 인구의 55%가 도시 지역에 살고 있으며 도심 거주인구 비율은 2050년 68%까지 증가할 것으로 예상된다(United Nations, 2019). 이러한 도심 인구 비중은 개발된 나라일수록 더욱 커지며, 한국과 같은 고소득 국가의 경우 도심 인구 비중은 81.5%에 이른다(United Nations, 2019). 이에 따라 더욱 많은 사람들은 도시활동과 산업활동을 통해 배출되는 다양한 대기 유해물질로부터 직접적으로 노출되고 있다(Kumar et al., 2014). 특히 세계 보건기구(WHO)에서 초미세먼지(PM2.5; 직경 2.5 µm 미만의 입자상 물질)와 미세먼지(PM10; 직경 10 µm 미만의 입자상 물질)로 대표되는 입자상 물질은 1급 발암물질로  지정되었으며(WHO, 2005a), 대기질 예보의 중요한 지표로 사용되고 있다. 대부분의 사람들은 하루 중 80% 이상을 실내에서 보내기 때문에 (Choi and Ko, 2013), 대기 오염물질로부터 피해를 줄이기 위해서는 실내 공기질 관리가 중요하다. 실내는 환기를 통한 희석 과정이 실외에 비해 비효율적이기 때문에 고농도의 대기 오염물질 환경이 만들어질 경우 실내 공간 내 인원들의 건강을 위협할 수 있다(Lee et al., 2005). 예를 들어, PM2.5보다 작은 입자상 물질은 폐 깊은 곳까지 침투하여 심혈관 질환 및 호흡기 질환을 야기시키거나 기대수명을 감소시킬 수 있으며 (Kang and Kim, 2014; Myong, 2016; Choi and Kim, 2018), CO는 세포의 화학적 장애를 유발시킬 수 있다(Hoskins, 2003). 따라서, 환경부는 2018년 이후 PM2.5 의 기준 농도를 50 µg·m-3에서35 µg·m-3로 낮추어 미세 먼지에 대한 규제를 강화하고, 다중이용시설에 대한 기준을 마련하여 실내 공기질 개선을 위한 노력을 하고 있으나, 아직 기준 농도를 초과하는 사례가 많다(Hong et al., 2011; Kim, 2006; Chung et al., 2007).

실내 공기질은 실내 배출원에 의해 악화될 수 있을 뿐만 아니라 (예를 들면, 조리 활동 등) 외부 공기의 유입에 의해 영향을 받는다(Lim and Sohn, 2010). 대기 중 오염물질은 실내로 유입될 수 있고, 조리 시 발생한 유기 입자상 물질은 대기 중 PM2.5의 중요한 원인으로 작용하기도 하는 등(Zhao et al., 2015) 많은 연구에서 대기 중 오염물질의 농도가 실내 오염물질의 농도와 밀접한 관련이 있음을 제시하였다(Morawska et al., 2017). 실내 외 대기 오염물질 농도의 관계를 나타내기 위해서는 실내 외 농도비(I/O ratio)를 이용하는 방법이 있으며, 이를 통해 건물의 실내 외 중 어느 곳이 대기오염물질에 더 취약한지 알 수 있다 다 (Lee etal., 2016).

현재 국내에서 진행된 선행 연구들은 실내 외 대기 오염물질의 농도를 개별적으로 분석하는데 치중되어있고, 실내와 외부의 대기 오염물질 농도의 동시 측정으로 획득한 I/O ratio를 통하여 다양한 환경에서의 실내 배출에 대한 영향을 비교하는 연구는 아직 많이 부족하다. 특히 학생들의 경우 성인에 비해 대기 오염물질에 더욱 민감한 것으로 알려져 있고 (Son, 2020), 학생들이 하루 중 많은 시간을 학교에서 보내기 때문에 학교 교실에서의 미세먼지 농도와 외부의 미세먼지 농도를 비교함으로써 학교생활을 통한 학생들의 미세먼지 노출도 평가가 요구된다.

이를 위해 외부 환경 및 활동도 기반학교 건물 내 미세먼지 발생 특성 규명 연구의 일환으로 학교 주변과 학교 건물 내에 17 set의 센서노드를 이용한 미세먼지 센서 네트워크를 구성하여 24시간 연속 동시 측정을 수행하였다. 본 연구의 궁극적인 목적은 센서 네트워크 측정 결과에 기반하여 한국 여러 지역의 학교 환경에 대하여 학교생활을 통한 학생들의 미세먼지 노출도를 정량적으로 평가하는 것이다 다. 본 연구의 목적 달성을 위한 발판으로 여기서는 다양한 국가에서 진행된 다양한 목적의 건물을 대상으로 한 실내 외 미세먼지 농도와 I/O ratio 측정 연구 결과를 수집하여 국제적으로 다양한 건물에 대한 실내 외 노출 동향을 파악하고, 이를 본 연구에서 국내학교를 대상으로 측정한 미세먼지 농도 자료와 함께 비교함으로써, 한국 학교에서의 실내 공기 질 현황과 실내 외 대기 오염물질에 대한 노출도를 국외 현황과 비교 평가하는 것을 목적으로 한다.

2. 방법

1) 집중 측정 대상 학교 환경

항만이 인접해 있는 환경일 경우, 다양한 항만 활동과 선박에서 사용되는 연료로부터발생되는 미세먼지 및 가스상 전구물질의 농도가 높아지기 때문에(Zhao et al., 2019; Lee et al., 2011) 다른 지역보다 대기 오염물질에 많이 노출될 가능성이 높다. 따라서, 본 연구에서는 항만이라는 공통된 오염 배출원을 가지고 있으나 주변 환경과 국지적인 기상 조건이 상이하여 항만의 영향이 다르게 작용할 수 있는 평택과 부산을 대상으로 하였고, 두 도시에서 항만에 인접한 초등학교를 중심으로 측정을 수행하였다. 평택의 대상학교는 항구로부터 약 2.3 km 동쪽에 위치하고 주변이 아파트 단지로 둘러싸여 있으며, 약 800 m 동쪽에 산업공단이 위치해 있어 산업 시설의 영향을 받는 환경을 가진다(Fig. 1(a)). 부산에서의 대상 학교는 선박이 지나다니는 항로로부터 약 700 m 북서쪽에 위치하고, 주택 밀도가 높고, 주변에 시장이 존재하며 교통량이 많은 환경을 가진다(Fig. 1(b)).

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Fig. 1. Map of measurement sites and sensor network configuration. (a) Pyeongtaek, (b) Busan. Blue circles denote the locations of sensor nodes placed in classrooms, green circles in gymnasium, purple circles in rooftop (outdoor), red circles in the outside around a school (outdoor), and yellow circles denote the sensor node collocated at air quality monitoring station (AQMS). Reddish-brown stars and cyan squares represent AQMS and 3-D sonic anemometer, respectively.

측정은 평택의 대상학교에서 2020년 6월 10일부터 6월 14일까지, 부산의 대상학교에서 2020년 6월 17일부터 6월 24일까지 이루어졌다. 두 측정 학교 모두 창호 개방을 통한 자연 환기가 실시되었으며, 에어컨이 함께 사용되었다. 또한 교실 내에서 흡연과 요리 활동은 발생하지 않았다. 두 측정 학교에 대한 실내 외 특성은 Table1에 요 약하였다.

 Table 1. Summary of characteristic environments of sampling schools in Pyeong-taek and Busan, South Korea

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2) 센서노드와 센서 네트워크 구성

본 연구의 학교 주변과 건물 내를 포함한 미세먼지 센서 네트워크 구성을 위해 자체 제작한 센서노드를 이용하였다. 센서노드는 PM1, PM2.5및PM10측정센서 (PMS5003, Plantower), 온도/습도 센서(SHT21, Sensirion)로 구성되었으며 외함은 물의 침투에 안전하도록 하였다. PMS5003은 광 산란 방식을 이용하여 측정이 진행되며, 1 µg·m 3의 해상도를 갖는다. SHT21에서 측정되는 온도와 습도의 해상도는 각각 0.01°C, 0.04%이며, 측정 범위는 온도가-40 –125°C, 습도가0 –100%이다. 외부 공기의 흡입은 fan을 이용하며 fan의 환기율은 1분당 20회 이상으로 외부 공기의 유입이 센서노드 내에 오래 머물지 않도록 설계하였다. 센서 측정값은 매 10초 평균값으로 저장이 되었으며 wifi를 이용한 스마트폰 interface를 통해 실시간 센서노드의 이상 여부를 확인할 수 있도록 하였다. 본 센서 드는 센서 네트워크를 구성하여 약 한 달 이상의 모니터링 연구를 수행하는 데 적절함을 선행 연구를 통해 제시한 바 있고(Park et al., 2020), 많은 해외 선행연구들도 본 센서노드에 포함된 센서들이 적절한 센서 수치의 보정이 이루어진다면 실제 대기 조건에서 우수한 성능을 보임을 제시하였다(Park et al., 2020; Bulot et al., 2019; Sayahi et al., 2019; SCAQMD, 2017a).

센서노드의 측정 수치 보정을 위하여 센서 네트워크 모니터링 기간 동안 도시 대기 측정소의 기준 장비(Federal Reference/Equivalent Instruments)와 비교 측정을 함께 수행하였고, 센서 네트워크 모니터링 전과 후에 17 set의 센서노드를 한 지점에 모아 센서 사이의 비교 측정을 수행하였다. 센서 네트워크 모니터링 기간과 유사한 대기환경 조건에서 도시 대기 측정소의 기준기기와의 비교 측정 및 센서노드 사이의 비교 측정 결과를 이용하여 2단계 보정기법을 이용하여 QA/QC를 확보하였다. 보다 자세한 보정기법은 Park et al. (2020)에제 시되었다.

두 가지 측정 항목에 대한 AQMS 기준 기기와 보정된 센서노드의 농도는 전반적으로 일치하는 농도 수준과 변화경향상을 나타내어 센서노드의 측정값을 기준기기의 농도에 대응하도록 보정하면 실제 대기 조건에서 기준 기기에 상응하는 농도를 측정할 수 있는 것으로 판단된다(Fig. 2). 보정된 농도는 일반적으로 PM2.5에서 PM10보다 좋은 상관성을 보여준다. 일반적으로 광 산란 방식의 입자상 물질 측정기기는 고가의 기준 장비(FRM/FEM기기)에 비해 높은 측정값을 나타내는 특성이 있고(Park et al., 2020), 입자에 의한 빛의 산란 강도를 이용하여 농도를 결정하기 때문에 입자의 크기와 구성성분에 영향을 받는다. 따라서 광 산란 방식의 입자상 물질 측정기기는 특정 환경에서 PM10에 대한 정확도가 낮아지는 경향이 있다 (예를 들면, PM2.5/PM10비가 낮은 환경).

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Fig. 2. Scatter plot of concentrations measured with a sensor node and FRM/FEM instruments at air quality monitoring stations for (a) PM2.5, (b) PM10.

평택의 학교를 대상으로는 두 대의 3차원 풍향 풍속계와 17대의 센서노드를 이용하여 센서 네트 워크를 구성하였다. 센서노드는 3개의 교실에 각 한 대씩 설치하였고, 학교 옥상에 1대, 학교 주변 외부에 12대, 센서노드 측정값의 QA/QC를 위한 비교 측정을 위해 도시 대기 측정소에 1대를 설치하였다(Fig. 1(a)). 부산의 학교를 대상으로는 한 대의 3차원 풍향 풍속계와 16대의 센서노드를 이용하여 네트워크를 구성하였다. 4개의 교실에 각 한 대씩 설치하였고 학교 옥상에 한대, 체육관에 한 대, 학교 주변 외부에 9대, 비교 측정을 위해 도시 대기 측정소에 1대를 설치하였다(Fig. 1(b)). 본 연구에서는 지상농도를 바탕으로 한 선행연구 결과와의 비교를 위해 도시 대기 측정소 및 학교 옥상을 제외한 센서노드의 측정 결과를 분석 데이터로 사용하였다.

센서를 통해 측정한 자료는 10초 간격으로 저장되며, 이를 1시간 평균하여 분석자료로 활용하였다. 또한 센서에서 수집된 실내 외 농도를 활용하여 각 항목별 실 내외농도비(I/O ratio)를 산출하였다. I/O ratio는 다음 의식을 통해 구할 수 있다.

\(I / O \text { ratio }=\frac{C_{i n}}{C_{o u t}}\)       (1)

여기서 Cin와 Cout은 각각 실내, 실외 농도를 의미한다. I/O ratio는 1에 가까울수록, 실내 외 농도가 서로 균질하다는 것을 의미한다. 만약 I/O ratio가 1보다 낮으면 실외 농도가 더 높고, 실내로 대기 오염물질이 유입될 수 있다는 것을 의미한다. 반면, I/O ratio가 1보다 높으면 실내 농도가 더 높고, 실내 배출원이 존재할 수 있음을 의미한다.

3) 선행연구 수집

전 세계적으로 실내 외 공기질을 대상으로 진행된 선행연구를 조사하였다. 비교 대상 항목은 집중 측정 항목과 동일하며, 수집된 선행연구 중 현장 측정을 통해 진행한 연구가 아닐 경우 비교분석 대상에서 제외하였다. 최종적으로 총 30건의 선행연구와 144건의 사례가 수집되었으며, 선행연구의 측정 기간은 1994 –2019년이다. 본 연구에 사용된 선행연구에 대한 자세한 정보는 Table 2에 제시하였다. 세계보건기구(WHO)에서는 입자상 물질에 대한 국제적으로 적용 가능한 지침을 제공하고 있다 (WHO, 2005a). 본 연구에서는 국내의 일반시설에서 PM10의 기준과 동일한 값을 가지는 Interim Target-2(IT- 2: PM10<100 µg·m –3, PM2.5<50 µg·m –3)를 실내 기준농도로 선정하여 선행연구 및 본 연구와 비교하였으며. 수집된 선행연구에서 측정한 입자상 물질을 총 4가지 특성(실내활동, 측정 계절, 건물 특성, 주변 환경)에 따라 그룹화하고 각 그룹별 포함하고 있는 사례와 기준농도를 초과한 사례의 수를 Table 3에 제시하였다. 입자상 물질을 포함한 대기 오염물질의 농도는 측정연도와 계절 등의 시간적 요소와 측정 국가와 주변환경 등의 공간적 요소에 따라 변화 범위가 크다. 따라서 Table 3에 제시한 각 사례별 평균 농도는PM10이 PM2.5보다 작은 경우가 나타나기도 하고 두 개 이상의 활동이 복합적으로 발생한 경우의 평균 농도가 단일 활동에 의한 평균 농도보다 낮게 나타나기도 한다. 이는 측정 당시의 시간/공간적 환경의 차이에 기인하였기에 외부 대기의 농도를 포함한 심층적 분석 없이 표상적인 직접적 비교는 잘못된 결론을 도출할 수 있다.

Table 2. List of previous studies used in this study

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Table 3. Summary of previous studies (and cases) grouped by indoor- and surrounding-environmental characteristics

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한편, 실내환경은 실내의 배출원에 직접 영향을 받기도 하지만 실외의 영향도 받기 때문에 환기가 실내 공기질에 중요한 역할을 한다. 환기는 창호를 개방하여 환기를 진행하는 자연 환기와 환기팬 및 송풍기를 이용하여 환기를 하는 강제환기, 자연 환기와 강제환기를 모두 활용하는 복합(하이브리드) 환기로 나눌 수 있다. 자연 환기의 경우, 실외가 실내보다 대기 오염물질의 농도가 더 높을 때 실시하면 실외 대기오염물질의 유입으로 실내 농도가 증가할 수 있으며, 반대로 실내 농도가 높을 때 실시하면, 실내 대기 오염물질의 유출로 인해 실내 농도가 감소할 수 있다. 한편 강제환기를 실시할 경우 강제력을 통해 환기가 가 실시되며, PM10의 저감에 효과적인 것으로 알려져 있다 (Jeong and Lee, 2010). 본 연구에서는 선행연구의 사례를 환기 방식에 따라라 구분하여 실내 공기질에 대한 외부 영향을 함께 비교하였다(Table4).

Table 4. Number of previous study cases grouped by ventilation types

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3. 결과 및 고찰

1) 실내 활동 별 PM 농도와 I/O ratio 비교

실내요리 활동이 발생하면 연료 연소와 주방기기 및 요리로부터 다양한 입자상 물질이 배출되어 PM10 및 PM2.5의 농도가 증가한다. 흡연 활동이 존재하면 담배 연기로로 인하여 고농도의 입자상 물질이 배출된다(Meier, et al., 2015; Hoet al., 2004). 물리적 활동에는 실내 구성원의 이동, 실내 바닥 혹은 벽에 가하는 물리적 충격, 파쇄가 모두 포함되어 있으며, 해당 활동이 발생할 경우 비산하는 입자상 물질로부터 특히 실내 PM10의 농도가 증가하는 특징이 있다(Jones et al., 2000). 이는 PM10의 경우 비산먼지나 해염 등의 물리적 작용이 주요한 발생원이기 때문이다 (Seinfield and Pandis, 2016).

따라서, 선행연구 결과는 실내 활동기준에 따라 요리(cooking), 흡연(smoking), 물리적 활동(physical activities)의 3가지 항목과 두 가지 이상의 실내활동이 복합적으로 작용한 복합활동(mixed) 및 취침 시간 혹은 실내 구성원이 없어 실내 활동이 거의 없는 미활동(No/less)으로 분류하였다. 본 측정의 결과는 학교 활동이 발생한 9 15시 사이는이는 물리적 활동, 그 외의 시간은 미활동에 포함된다.

선행연구 결과에 서PM2.5실내 농도는 요리, 물리적 활동, 흡연, 복합활동, 미활동 순으로 높았다 (Fig. 3(a)). 그러나 측정 당시 외기의 PM2.5농도에서 큰 차이를 보였기 때문에 단순한 농도의 비교는 실제 실내 배출 효과를 고려하는데 오류를 야기할 수 있다. 따라서 외기의 영향을 고려하기 위해 I/O ratio를 비교하는 것이 실내 활동의 영향을 평가하는데 유용하다. I/O ratio는 복합활동이 가장 높았고 흡연이 두 번째로 높았으며 두 활동 모두 1 이상으로 실내의 농도가 더 높았다. 그 외의 활동에서는 I/O ratio가0.72 –0.79로 유사하게 나타났다(Fig. 3(a)). I/O ratio에는 환기의 유무와 환기의 종류가 영향을 줄 수 있다. 따라서 Table 4에서 제시한 환기 유무와 환기 종류를 I/O ratio의 결과와 함께 비교하여 환기의 영향을 고려하였다. 그러나 흡연을 제외한 모든 분류 항목에서 90% 이상의 연구 사례가 환기를 실시하였기 때문에 복합활동이 이루어진 환경에서는 그 외의 활동에 비해 실내 배출의 영향이 더 중요하게 작용함을 제시한다. 흡연 활동에서의 환기는 전체 사례의 50%로 다른 분류 항목에 비해 낮았다. 따라서 담배 연기로부터 발생한 실내 입자상 물질의 환기 효율의 저하로 인해 I/O ratio가 높게 나타나는데 영향을 줄 수 있다. 그럼에도 불구하고 흡연 활동이 있는 실내 환경에서의 농도가 외기와 유사한 것은 흡연 활동이 짧은 기간에 이루어지기 때문에 장시간의 농도를 평균하였을 경우 그 영향이 상대적으로 적을 수 있음을 고려하면 실제 흡연 활동이 발생한 기간의 I/O ratio는 평균보다 매우 높을 수 있다.

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Fig. 3. Indoor and outdoor concentrations categorized by indoor-activities and corresponding I/O ratios. (a) PM2.5, (b) PM10. Gray horizontal short-dashed line represents the I/O ratio of 1, and red horizontal dashed line represents the IT-2 reference concentration.

집중 측정기간의 실내와 외기의 PM2.5농도는 선행연구 결과에 비해 전반적으로 낮았는데 (Fig. 3(a)), 측정 기간이 연중 PM2.5농도가 가장 낮은 계절이었음을 고려해야 한다. 본 연구의 측정 결과는 학생의 물리적 활동 기간 (9 –15시)과 미활동기간(15 –9시와 주말)으로 구분하여 Fig. 3에 선행연구 결과와 함께 제시하였다. I/O ratio는 부산의 대상학교에서는 물리적 활동 및 미활동 기간 모두 1에 근접하였고 (각각 0.96±0.07 와 0.90±0.10), 평택의 대상학교에서는 물리적 활동 기간은 0.82±0.13, 미활동 기간은 0.71±0.23로 부산의 대상학교보다 낮은 특성을 보였다. 평택과 부산의 대상학교 모두 COVID- 19 확산으로 인해 학생의 물리적 활동 기간(9 –15시)에는 창문을 전면 개방한 자연 환기를 실시하였으나, 평택 대상학교의 일부 교실에서는 공기청정기를 가동하였을 기간에는 창문이 닫혔다(1 –1.5 시간 기간). 부산의 대상학교는 창문의 전면 개방으로 인한 외기의 직접적 유입과 학생들의 물리적 활동으로 인해 I/O ratio가 1에 근접하였고, 평택의 대상학교는 일부 교실의 공기청정기 가동으로 인해 상대적으로 낮은 I/O ratio가 나타난 것으로 보인다. 실제로 물리적 활동 기간에 공기 청정기를 가동한 교실에서의 PM2.5농도는 그렇지않은 교실에 비해 35.7% 낮은 농도를 기록하였고 농도의 시간적 변화 경향 역시 큰 차이를 보였다.

두 학교 모두 학생 활동이 없는 미활동 기간의 I/O ratio가 학생의 물리적 활동 기간보다 낮았는데(평택: 0.71 vs. 0.82; 부산: 0.90 vs. 0.96) 이는 미활동 기간에는 모든 창문이 닫혀 외기와의 차단이 이루어졌기 때문으로 보인다. 부산의 경우 미활동 기간에도 I/O ratio는 평택과 선행연구에 비해 상대적으로 높았는데, 이는 부산 측정 기간의 외기농도가 12.9 ±2.3 µg·m–3로 매우 낮았기 때문으로 판단된다. 외부와의 단절로 인해 교실 내의 농도가 같은 속도로 감소하더라도 낮은 농도에서의 농도 감소량은 높은 농도에서 보다 작아 농도의 변화가 크지 않은 반면 외기의 농도는 더욱 빠르게 변화하여 I/O ratio에 큰 영향을 줄 수 있다. 그러나 부산의 대상 학교 건물 구조나 특성상 창문이 닫힌 환경에서도 외기와의 교환이 평택의 대상학교에 비해 활발히 발생했을 가능성을 배제할 수 없다 (예를 들면, 현관이나 옥상 출입문, 창틀 틈을 통한 외기의 유입 등).

그럼에도 불구하고 본 연구는 공기청정기의 사용으로 인한 교실 내 PM2.5농도의 확연한 감소가 있었다는 점과 창문이 닫힌 환경에서 I/O ratio가 낮아졌다는 점에서 대기 중PM2.5의 농도가 높은 환경에서 창문 차폐와 공기청정기의 가동이 학생의 PM2.5노출을 감소시킬 수 있음을 제시한다. 그러나, 본 연구가 연중 PM2.5농도가 가장 낮은 계절에 수행되었으며 COVID-19 확산으로 인해 학생 활동과 창문개폐 등이 평소와 다르게 이루어졌다는 점에서 추가적인 측정이 요구된다.

PM10의 결과는 전반적으로 I/O ratio가 PM2.5에 비해 높은 경향을 보였다 (Fig. 3(b)). 또한, PM2.5가 복합활동과 흡연 활동에 대해 1 이상의 I/O ratio를 보인 반면, PM10 은 복합활동과 물리적 활동에서 1보다 높았고 특히 복합활동에서 1.87의 매우 높은 값을 나타내었다. 그 다음으로는 요리활동, 흡연 활동, 미활동 순으로 1 이하의  I/O ratio가 나타났다(Fig. 3(b)). 따라서 실내 PM10농도는 외기의 유입을 제외하면 PM2.5와 다른 실내활동에 영향을 받으며 물리적 활동이 PM2.5에 비해 중요한 작용을 하는 것으로 보인다. 대기 중 PM10의 주요 발생원이 바람에 의한 재 비산과 같은 물리적 작용임을 고려하면 (Seinfeld and Pandis, 2016), 사람들의 물리적 활동에 의한 피부나 옷, 바닥과 같은 표면에 붙은 입자상 물질의 재 비산이 실내 PM10농도에 유의미한 역할을 할 수 있음을 제시한다. 흡연 활동이 있는 경우, 환기가 이루어진 사례는 33%로 낮음에도, I/O ratio가 0.71로 상대적으로 낮게 나타났다. 이는 PM2.5의 사례에서 제시한 흡연활동이 전체 기간에 비해 짧은 시간 동안 간헐적으로 발생하는 특징에 기인한다는 것과 일치하는 결과이다.

집중 측정 기간의 실내 외 PM10의 농도는 선행연구에서의 측정 결과의 변동 범위내에 속하여 선행연구와 서로 유사한 수준인 것으로 나타났다. I/O ratio는 PM2.5와는 달리 평택과 부산의 대상학교에 대해 물리적 활동기간 모두 1에 근접한 값을 보였다. 이는 외기의 유입이 동일한 조건임을 감안하면 PM2.5에 비해 PM10이 물리적 활동에 더 강한 영향을 받음을 제시하며 PM10의 주요 발생 기작과 일치한다. 두 대상 학교에서 물리적 활동이 있는 기간의 I/O ratio는 선행연구의 결과와 유사한 값을 나타내었다. 미활동 기간에는 평택의 대상학교에서는 I/O ratio의 감소가 약간 나타났으나 부산의 대상학교에서의 감소는 유의미하지 않았다. 부산에서의 미 활동 기간 PM2.5 I/O ratio가 평택의 대상학교에 비해 높았음을 감안하면, 이는 낮은 실내외 농도에 기인하였을 가능성과 부산의 학교 건물이 창문이 닫힌 조건에서도 실내 외 공기 교환이 더 효율적으로 이루어졌을 가능성이 상존한다. 또한, 본 연구에서 사용한 측정기기의 방법이 PM2.5이 높고 PM2.5가 낮은 환경에서는 PM10이 PM2.5의 변동과 유사한 경향을 나타내는 특성이 있음을 고려하면(Park et al., 2020), 본 측정 환경에서 PM10의 정확도가 상대적으로 낮았을 가능성도 배제할 수 없다.

2) 계절별 PM 농도와 I/O ratio 비교

실내 공기질에 외기가 영향을 줄 수 있기 때문에 환기 특성은 실내 공기질을 평가하는 데 중요하다. 그러나 계절에 따라 외기의 농도 수준이 변화하고 실내 환기 패턴 역시 달라질 수 있기 때문에, 계절에 따라 실내외 공기의 상호 작용이 다르게 나타날 수 있다. 실제로 선행연구에서 기온이 낮은 겨울철과 기온이 높은 여름철의 실내의 환기 패턴이 서로 다르다는 결과를 제시한 바 있다(Lai et al., 2018). 따라서, 선행연구 결과를 계절에 따라 여름철(Warm), 봄철 및 가을철(Transition), 겨울철(Cold)과 전체 기간(All)을 대상으로 한 연구로 분류하였다. 본 측정의 결과는 두 대상 학교 모두 여름철에 수행되었기 때문에 선행 연구의 여름철 결과와 비교하였다. 선행연구 결과는 측정연도와 국가, 지역, 주변 환경 등이 상이하여 농도 자체를 비교하는 것은 주의해야 한다.

선행연구의 환기 특성은 여름철이 전체 측정 사례의 93%, 나머지 분류 항목에서는 100%로 높게 나타났다. 환기 방식은 모든 계절에서 자연 환기와 강제환기가 유사한 비율로 사용되어 환기 방식에 대한 차이를 구분하기는 어려움이 있다(Table4). 선행연구의 PM2.5  I/O ratio는 여름철, 전체 기간, 봄철 및 가을철, 겨울철 순으로 높았으며 모든 기간에서 1보다 낮게 나타났다(Fig. 4(a)). 각 측정 기간에서 환기 특성의 차이를 구분할 수 없었기 때문에 이러한 I/O ratio의 차이는 환기방식의 차이보다는 건물 특성과 실내 활동, 외부 환경 특성 등이 더 큰 영향을 주었을 가능성이 있다.

집중 측정기간의 실내 외 PM2.5의 농도는 여름철 선행연구에 비해 뚜렷하게 낮았고, I/O ratio 역시 선행연구에 비해 낮은 특성을 보여주었다. 본 연구는 학교를 대상으로 하였기 때문에 하루 중 66.7%는 실내 활동이 없는 환경에서 외기와의 차단이 이루어졌다 (24시간 중 8시간 창문 개방). 이 차이가 I/O ratio의 차이를 야기한 것으로 판단된다. 부산의 학교에서는 I/O가 평택의 학교보다 크게 나타났는데 이는 건물의 침기율 차이에 기인하였을 가능성과 앞 절에서 논의한 것처럼 평택의 학교에서는 하루1 –1.5시간 정도 공기청정기를 가동한 점, 측정기간 학교 주변의 PM2.5농도가 낮아 실내에 비해 외기의 농도 변화율이 중요하게 작용하였을 가능성, 그리고 낮은 외기농도로 인하여 실내 활동의 영향이 상대적으로 크게 작용하였을 가능성이 모두 존재한다.

PM10은 실내 활동별 분류처럼 PM2.5와는 다른 경향을 보여주었다. I/O ratio는 봄철 및 가을철, 여름철, 전체 기간, 겨울철 순으로 높았으며, 이 중 봄철 및 가을철과 여름철은 1보다 높게 나타났다(Fig. 4(b)). PM2.5의경우와 같이 거의 모든 연구 사례에서 환기를 실시하였고 여름철을 제외한 나머지 계절에서는 자연 환기를 실시하였다 (여름철은 자연 환기(43%)와 강제환기(53%) 실시; Table4). 따라서, 이 결과만으로는 자연 환기와 강제환기의 차이를 구분할 수 없었다. 그러나 모든 계절에 대해 PM10의 I/O ratio가 PM2.5보다 증가한 점, 계절별 I/O ratio 역시 PM2.5와는 다른 경향을 나타낸 점, 특정 계절에서는 1 이 상의 매우 큰 I/O ratio를 보여준 점을 고려하고 앞 절의 실내 활동별 비교 결과를 종합하면, PM10 은 PM2.5보다 실내 배출원의 영향이 크고 실내와 외기의 상호작용이 PM2.5와는 다름을 제시한다.

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Fig. 4. Indoor and outdoor concentrations categorized by season and corresponding I/O ratios. (a) PM2.5, (b) PM10. Gray horizontal short-dashed line represents the I/O ratio of 1, and red horizontal dashed line represents the IT-2 reference concentration.

본 연구의 집중 측정기간 실내 외 PM10농도는 PM2.5 결과와는 달리 선행연구와 유사한 수준이었다. 전반적으로 실내 활동별 비교와 유사하게 PM2.5에 비해 I/O ratio가 증가하였고 부산학교에서의 I/O ratio가 평택보다는 높았다. 그러나 두 지역 학교에서 모두 선행연구의 PM10과 PM2.5차이점과 유사한 경향성을 나타내어  PM10과 PM2.5에 대한 실내 배출원의 영향과 실내와 외기의 상호작용이 다르다는 것을 뒷받침한다.

3) 건물특성에 따른 PM 농도와 I/O ratio 비교

실내 대기질의 경우 측정 건물의 용도 및 특성에 따라 실내 대기 오염물질의 농도 수준이 달라질 수 있다. 실내 배출원과 연관된 활동은 주거 건물에서는 요리, 흡연, 물리적 활동이 모두 발생할 수 있는 공간이며, 사무실 및 상업 건물은 흡연과 물리적 활동이 발생할 수 있으며, 학교와 병원의 경우 주로 학생과 환자 및 보호자의 이동에 의해 물리적 활동이 발생하는 공간이다. 또한, 실내 활동도의 관점에서 학교는 아침·오후 시간대에서는 학생 활동이 있으나 그 외의 시간대에서는 미활동이며 상업건물은 아침·저녁까지 활동이 있을 수 있다. 병원의 경우 24시간 활동이 발생할 수 있으나 물리적 활동이 제한적일 것으로 예상된다. 이에 선행연구를 건물 특성에 따라 주거 건물(Residence), 학교(School), 병원(Hospital), 사무실 및 상업건물(Office& Commercial)로 나누어 분류하였으며 본 측정의 결과는 학교 대상의 선행연구와 비교하였다.

선행연구의 결과에서 PM2.5의 I/O ratio는 주거건물, 학교, 사무실 및 상업건물, 병원 순으로 높게 나타났으며, 모든 항목이 1을 초과하지 않았다 (Fig. 5(a)). 전체 사례 대비 환기를 진행한 사례의 비율은 주거지가 92%, 사무실 및 상업건물이 94%, 학교와 병원은 100%로 높았다. 그러나 학교와 주거지는 자연 환기가 각각 64%와 81%를 차지하였으나 병원과 사무실 및 상업건물은 강제환기+혼합환기가 각각 73%와 83%로 비중이 높았다. 주거건물과 학교의 I/O ratio가 사무실 및 상업건물과 병원에 비해 높은 선행연구 결과는 강제환기가 자연환기에 비해 외기와의 직접 교환을 차단시키는 효과가 클 수 있음을 제시한다. 또한 주거 건물과 학교는 건물의 목적상 사무실 및 상업건물과 병원에 비해 외기와 실내 공기의 상호작용이 상대적으로 많은 면적을 통해 이루어질 수 있다 (예를 들어, 더 많고 밀폐 효율이 적은 창문 등). 그러나 건물 구조와 특성에 따른 정량적인 환기 효율 및 침기율을 평가하기 위해서는 이를 목적으로 특별히 구성한 실험 디자인에 근거한 연구가 수행되어져야 하기 때문에 본 연구 범위를 벗어나 여기서는 다루지 않는다.

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Fig. 5. Indoor and outdoor concentrations categorized by building-uses and corresponding I/O ratios. (a) PM2.5, (b) PM10. Gray horizontal short-dashed line represents the I/O ratio of 1, and red horizontal dashed line represents the IT-2 reference concentration.

본 연구의 집중 측정기간 실내 외 PM2.5농도는 학교를 대상으로 한 선행연구 결과에 비해 현저히 낮은 환경이었다 (Fig. 5(a)). 그러나 선행연구의 측정 계절과 지역 및 국가가 상이하기 때문에 직접 비교를 통한 학교 환경을 평가하는 것은 무리가 있다. 선행연구 결과와 농도의 차이는 컸지만 I/O ratio는 선행연구에 비해 부산의 대상학교는 높고, 평택의 대상학교는 낮았다 (Fig. 5(a)). 본 연구의 부산과 평택의 대상 학교에 대한 측정 결과는 앞 절 3-1에서보다 상세하게 논의하였다.

PM10은 선행연구 결과에서 학교와 주거건물에서  I/O ratio가 1보다 큰 값을 보였다. 병원에서의 I/O ratio는 1보다 작았지만 PM2.5보다는 큰 값을 보였다(Fig. 5(b)). 학교와 주거 건물 외기의 농도가 각각 59.3±29.9µg·m –3와 38.2±27.3 µg·m –3로 낮은 농도가 아니었음에도 학교와 주거 건물 실내 농도가 더 높았다는 것은 외기의 유입에 더해 실내에서의 배출원이 존재함을 의미한다. 주거 건물의 경우 요리 활동과 물리적 활동, 학교는 물리적 활동이 주요한 PM10의 배출원으로 지목될 수 있다. 병원에서도 사람들의 물리적 활동이 발생하며 이로 인해 I/O ratio가 PM2.5보다 컸던 것으로 보인다. 이는 앞 절에서의 논의하였던 실내 외 PM10과 PM2.5의 분포 특성과 일관성을 보여준다.

집중 측정기간의 실내 외 PM10의 농도는 선행연구와 유사한 수준이었으며, I/O ratio는 두 대상학교 모두 선행연구에서의 학교보다 낮았다. 그러나 본 연구의 집중 측정 기간은 COVID-19의 확산으로 인해 정상적인 교육 활동이 이루어지지 않았고 학생 활동이 있는 시간대에는 창문의 전면 개방이 이루어졌다는 점에서 보다 확증적인 결론을 위해서는 보다 많은 학교를 대상으로 정상적인 교육환경에서의 추가 측정이 요구된다. 다만, COVID-19확산으로 인해 정상적인 교육활동이 이루어지지 않은 환경에서도 PM10의 경우 PM2.5에 비해 I/O ratio가 높았다는 점과 선행연구 결과에서 학교 주변 외기의 농도가 59.3 µg·m–3로 보통인 환경에서도 교실에서의 농도가 더 높았다는 점에서 학교 교실에서의 PM10 농도의 지속적인 모니터링 필요성이 제기된다.

4) 주변환경에 따른 PM 농도와 I/O ratio

주변 환경이 도심 지역에 속할 경우, 많은 유동인구와 교통량에 의해 실외 대기 오염 물질 배출원이 많은 지역이며, 밀집된 고층 건물은 도심 캐노피 상층의 공기의 흐름을 변형시켜 지상 풍속의 감소를 야기할 수 있다 (Stull, 1998). 지상 풍속의 감소는 지표면에서 배출된 대기 오염물질의 확산 효율을 감소시킴으로써 농도가 증가할 수 있다(Choi et al., 2016). 반면 교외 지역은 도심지역 수준의 유동인구와 교통량을 가지지는 못하지만, 여전히 차량 배기가스와 같은 실외방출원이 존재하며, 주로 낮은 건물이 밀집되어 있는 환경에 속한다. 전원 지역은 교통량과 유동인구가 가장 적은 지역으로 도심 배출원이 가장 적은 환경적 특성을 가지고 있다. 그러나 PM2.5의 관점에서는 축산/농업지역의 경우 암모니아의 주요 배출원이기 때문에 암모니아와 인근 도심지역의 질소 산화물이 반응하여 PM2.5가 효율적으로 생성될 수 있는 환경이 될 수도 있다 (Seinfeld and Pandis, 2016).

측정 지점의 주변 환경에 따라 실내로 유입되는 대기 오염물질의 특성이 달라질 수 있기 때문에 이러한 요소를 함께 고려해 주어야 한다다. 본 연구에서는 선행연구의 주변 환경에 따라 도심지역(Urban), 교외 지역(Suburban), 전원 지역(Rural)으로 분류하였으며, 본 집중측정의 결과는 도심지역에 포함시켜 선행연구와 비교를 하였다.

선행연구에서는 PM2.5의 I/O ratio가 교외지역, 전원 지역, 도심지역 순으로 높게 나타났으며, 교외 지역은 1을 초과하였다 (Fig. 6(a)). 실내 환기는 도심지역이 97%, 교외 지역이 100%, 전원 지역이 75%로 높은 수준으로 나타났다. 교외 지역의 실내 환기 비율이 가장 높음에도 가장 높은 I/O ratio를 보였기 때문에 교외 지역의 건물에서 다른 지역과는 다른 실내활동이 발생하였을 가능성이 있다 (예를 들면, 주거 건물에서의 벽난로 난방 등). 그러나 선행연구에는 다른 국가에서의 연구 결과가 포함되었기 때문에 이를 한국 환경에 적용시킬 수는 없다. 환기 방식은 도심지역에서 자연 환기와 강제환기가 동일하게 높았고 (42%), 교외 지역은 복합환기(55%)와 강제 환기(55%)의 비율이 높았으며, 전원 지역은 자연 환기가 63%로 가장 높았다. 자연 환기가 우세한 전원 지역의 경우 I/O ratio가 1과 가깝고 강제환기가 우세한 도심지역에서는 가장 낮은 I/O ratio를 보였다는 것은 앞 절 (3-3)의 건물 특성에서 토의하였던 결과와 일치하여 실내의 PM2.5농도 감소에는 강제환기가 더 효율적일 수 있다는 것을 제시한다.

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Fig. 6. Indoor and outdoor concentrations categorized by surrounding environment and corresponding I/O ratios. (a) PM2.5, (b) PM10. Gray horizontal short-dashed line represents the I/O ratio of 1, and red horizontal dashed line represents the IT-2 reference concentration.

본 연구 집중 측정기간 PM2.5의 실내 외 농도는 두 대상학교에서 모두 선행연구보다  낮았다. I/O ratio는 평택의 대상학교에서는 선행연구와 유사하였고 부산의 대상학교에서는 높게 나타났다. 앞 절 3-3에서 학교 건물은 주거 건물과 함께 가장 I/O ratio가 높은 건물로 분류되었고 COVID-19 확산에 따라 학생활동이 있는 기간에는 창문의 전면 개방이 이루어졌음을 고려하면 평택과 부산의 대상학교의 I/O ratio와 선행연구도심 지역의 건물에 대한 I/O ratio에 큰 차이가 없는 것으로 판단된다. 대상학교 결과에 대한 자세한 토의는 앞절에서 다루었기 때문에 여기서는 다루지 않는다.

선행연구에서의 PM10 I/O ratio는 전원지역이 가장 높았으며, 교외 지역, 도시지역 순으로 나타났다. 또한 모든 주변 환경 지역에 대해 I/O ratio가 1을 초과하였다 (Fig. 6(b)). 전체 사례에 대해 환기를 실시한 비율은 도심지역 97%, 교외 지역 100%, 전원 지역 83%로 높게 나타났으며, 전원 지역에서는 모두 자연 환기를 나머지 지역에서는 자연 환기 67%, 강제환기 31 –33%를 실시하였다. 주변 환경에 대한 분류에서도 앞 절 3-1과 3-3에서 의결과와동일하게PM10의 I/O ratio는PM2.5보다높 았고, 자연환경의 비율이 높은 전원 지역에서 I/O ratio가 높았다. 그러나, 모든 지역에서 I/O ratio가 1보다 크기 때문에 실내배출의 영향이 실내농도에 미치는 영향이 PM2.5보다 컸음을 제시한다.

집중측정 기간의 PM10실내 외 농도는 선행연구에서의 전원 지역보다 높았고, 도심과 교외 지역보다는 낮았다. 본 연구는 선행연구 결과에서 PM10 I/O ratio가 가장 높은 학교 건물을 대상으로 했음에도 선행연구의 모든 주변 환경에서의 I/O ratio보다 낮았다. 이는 학교의 주요 실내 배출 원인 학생의 물리적 활동 기간 외의 미활동 기간(주중 기간의 2/3와 주말)이 길고, COVID-19 확산에 의해 학생의 물리적 활동이 정상적인 인 환경에 비해 제약된 것이 원인이었을 가능성이 있다 (등교 인원 제약 등). 따라서 보다 명확한 결론을 위해서는 PM10고농도 시기를 포함한 정상적인 교육 활동이 이루어진 환경에 대한 추가측정 연구가 요구된다.

4. 결론

본 연구에서는 다른 국가에서 수행한 실내와 주변 외기에서의 미세먼지(PM2.5 또는 PM10) 동시측정에 기반한 실내외 미세먼지 농도 분포 연구 결과를 실내 활동별, 측정계절별, 건물 용도별, 주변 환경별로 분류하여 실내외 농도와 I/O ratio를 비교함으로써 실내 미세먼지 개선을 위한 기초자료를 확보하였다. 또한 본 연구에서는 2020년 6월 평택과 부산의 초등학교를 대상으로 학교 주변과 교실 내 총 17개 지점에서 미세먼지 집중 측정을 수행하였다. 이에 본 논문에서는 수집한 다양한 환경에 대한 선행연구 결과를 본 연구의 측정 결과와 비교함으로써 한국의 학교 실내 공기질 현황을을 살펴보고자 하였다.

선행연구 결과를 통해 PM2.5의 경우 I/O ratio가 1을 초과한 경우는 실내활동에서의 복합활동과 흡연 활동, 주변 환경에서의 교외 지역으로 제한된 반면, PM10의 경우 실내 활동에서 복합활동과 물리적 활동, 계절별에서 Transition과 Warm 환경, 건물 용도에서 학교와 주거 건물, 주변 환경에서 도심, 교외, 전원 지역 모두 1을 초과하였다. 또한, 모든 분류 항목(실내활동, 계절, 건물용도, 주변환경)에 대해 PM10의 I/O ratio가PM2.5보다 높은 값을 보였다. 이는 PM10과 PM2.5가 건물 외기와 실내와의 교환 특성과 실내 배출원의 영향이 다르게 작용함을 제시한다. 대기 중 PM10의 주요 생성 기작이 물리적 작용이고, PM10의 I/O ratio가 실내 활동별 분류에서는 물리적 활동에서, 건물 용도별 분류에서는 학생들의 물리적 활동이 주요특성인 학교에서 1을 초과함을 고려하면 실내 PM10은 외기와의 교환과 더불어 물리적 실내활동 (또는 복합활동)에 의한 재 비산이 중요한 실내배출원으로 보인다.

PM2.5의 경우 대부분의 분류에서 1보다 작은 I/O ratio를 보였고, 흡연 활동과 복합활동에서만 1을 초과하는 값을 나타낸 점에서 실내에서 연소를 통한 입자상 물질의 배출이 없다면 외기와의 교환이 중요한 실내 농도 결정요소인 것으로 판단되며, 실내 배출의 영향이 외기와의 교환에 비해서는 상대적으로 적은 것으로 보인다. 이는 환기 방식에서(창문 등을 통한)자연 환기의 비중이 월등히 높은 주거 건물과 학교의 PM2.5와 PM10 I/O ratio가 모두 강제환기 비율이 높은 다른 용도의 건물에 비해 높았다는 점에서 강제환기가 자연 환기에 비해 외기와의 직접 교환을 차단 시켜 실내농도를 감소시키는 효과가 클 수 있음을 제시한다. 환기 방식의 영향은 자연 환기 비율이 높은 교외 지역의 I/O ratio에 비해 강제환기 비율이 높은 도심 지역에서의 낮은 I/O ratio에 의해 뒷받침된다.

본 학교 주변과 교실에서의 집중 측정은 대기 중 PM2.5 의 농도가 가장 낮은 여름에 이루어져 선행연구에 비해 외기의 PM2.5농도가 낮은 환경이었다. 그러나 두 학교에서 모두 PM2.5보다 PM10에서의 I/O ratio가 높았다는 점, 창문이 개방되고 학생활동이 있는 환경에 비해 창문이 닫힌 미활동환경에서 PM2.5 I/O ratio가 감소한 점에서 외기와의 교환이 PM2.5의 실내농도를 결정하는 중요한 요소라는 선행연구분석 결론을 뒷받침한다. 또한 평택의 학교에서는 공기청정기 가동한 교실에서 그렇지 않은 교실에 비해 35.7% 낮은 PM2.5농도를 나타내어 공기청정기의 가동을 통한 실내 농도 저감의 효율성을 보여주었다. 학교 주변과 교실에서의 PM 집중 측정 결과에 대한 세부적인 논의는 후속 연구에서 제시하고자 한다. 다만 집중측정이 여름에 수행되어 외기의 농도가 낮았고, COVID-19확산에 따라 정상적인 학교 활동이 이루어지지 않았기 때문에 보다 명확한 결론을 위해서는 고농도의 미세먼지가 발생하는 겨울을을 포함한 다양한 계절에 대해 정상적인 학교 활동이 이루어지는 환경에서의 추가적인 측정이 요구된다.

사사

본 연구는 ‘에너지 환경 통합형 학교 미세먼지 관리 기술 개발’과 정부(과학기술정보통신부, 교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구이며 (2019M3E7A1113103), 이에 감사드립니다. 또한, 센서노드 보정을 위한 도시대기측정소 기준기기와의 비교 측정을 위해 장소와 상세 측정자료를 제공해준 경기도 와 부산광역시 보건환경연구원에게 감사드립니다.

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