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폐기물수송관로^*는 벽, 천장, 도로 등에 매설된 관로를 통해 고속으로 폐기물이 공기와 함께 집하장 안으로 운반되어 폐기물의 종류에 따라 컨테이너에 자동 적재시키는 운송하는 시스템이다.⁽⁶⁾

Fig. 1에 쓰레기수송관로 흐름도를 나타낸다. 미세먼지 저감을 위해 설치된 폐기물수송관로의 가동시간은 2시간이며, 동력 및 진공압은 각각 15 kW 및 –2,650 mmAq이다. 층별로 설치한 폐기물수송관로의 총 길이는 4.38km이며, 공기 흡입구는 234개이다. 미세먼지를 포집하는 백 필터 구경은 200 mm이며, 19개 필터 내부 분진은 차압에 의한 자동진동으로 저감시킨다.

Fig. 1 
Flow diagram of Waste pipeline system

건물은 계절별로 환기, 냉방, 난방을 위하여 송풍기로 공기를 공급, 배기하는 공기조화기가 사용되고 있다. 공기 공급 방법은 바닥이나 천장의 덕트에서 신선한 공기를 공급하고 다시 천장으로 사용한 공기를 배출시켜 사무공간에 쾌적한 근무 조건을 유지시킨다.⁽⁷⁾

Fig. 2에 공기조화기의 미세먼지 저감 프로세스를 나타낸다. 공조기에서 미세먼지와 초미세먼지를 저감하기 위한 프리 필터와 미디움 필터가 설치되어 있으며, 프리 필터는 1개월마다, 조밀한 미디움 필터는 최소 효율성(MERV^** 14, 평가방법 : ASHRAE 52.2)이상이며, 6개월마다 교체한다. 1일 가동 시간은 12시간이며, 동력 및 운영대수는 각각 643 kW 및 49대이다.

Fig. 2 
Reduction process of fine dust in air conditioner

폐기물수송관로 진공흡입 2시간과 공기조화기 가동 12시간의 중복운전을 고려하여 공기조화기 가동 시간을 조절할 필요가 있다. 2시간 조절 시 에너지와 운전비용을 절감할 수 있다.

실내 공기질 유동해석 프로그램인 솔리드웍^*** 시뮬레이션 2018을 이용하였다. 미세먼지는 유입부분을 거쳐 모델 공간으로 들어와서 배출구로 나오는 유동특성을 시뮬레이션하였다.

건물의 모델 공간 크기는 가로, 세로 높이를 각각 34.69 m, 12.84 m, 2.7 m로 설정하였다.

유동흐름은 사무실 내에서 미세먼지의 유동상태를 나타내는 것으로서 바닥의 수송 관로로 흡입 저감 시 유출량이 증가함에 미세먼지가 양호하게 저감된다.⁽⁸⁾

Fig. 3 및 Fig. 4에 진공흡입 사용 전, 후의 미세먼지 분포를 유동과 함께 나타낸다. 폐기물수송관로를 이용하여 진공흡입한 후에 측정값이 적게 나타나는 것은 야간에 미세먼지 누적과 출근 시 유입되는 높은 농도의 미세먼지를 수송관로의 진공흡입과 공기조화기 가동으로 효율적으로 저감될 수 있음을 수치해석 결과로부터 알 수 있다.⁽⁹⁾ 그러나, 매일 다수의 유동인구와 컴퓨터와 복사기 등 기자재 사용이 많은 사무공간에서는 근본적으로 미세먼지가 없는 크린룸 개념까지 완벽한 저감은 어렵다.⁽¹⁰⁾

Fig. 3 
Behavior of fine dust before the operation of vacuum suction using waste pipeline system

Fig. 4 
Behavior of fine dust after the operation of vacuum suction using waste pipeline system

미세먼지 및 초미세먼지를 월간 측정한 결과를 Table 1에 나타낸다.

표에서와 같이 미세먼지 및 초미세먼지는 사계절 발생되고 있었으며, 특히 겨울철과 봄철에 많이 발생되고 있다. 본 연구를 통해서 대기 환경기준을 초과한 날을 살펴보면 겨울철과 봄철에 많이 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 특히 3월에 가장 많이 대기 환경기준을 초과 발생하였으며 봄철에 남서풍, 서풍의 영향을 많이 받은 것으로 사료된다.

측정한 결과 미세먼지는 겨울철과 봄철에 많이 발생 되고 있으며 환경기준 이내나 연중 내내 발생되고 있다. 초미세먼지도 미세먼지와 같은 유동 흐름이 나타나고 있고 미세먼지를 줄이는 방법이 필요하였다.

Fig. 5 및 Fig. 6은 연간 초미세먼지 및 미세먼지 농도분포를 나타낸다. 그림에서와 같이 미세먼지는 보통 이상이 87.3%가 발생되었으며 매우 나쁨은 1.6% 정도 발생되었다. 연구 기간 중 213일이 보통이상이고 나쁨과 매우 나쁨이 31일 발생되었다. 미세먼지 발생일보다 초미세먼지 농도가 환경기준을 초과한 일수 7일 많았다. 미세먼지 농도는 3월 중에 최대 190 ㎍/㎥로 높게 발생되었으나 실내에서는 대기오염 기준의 보통 기준보다 낮게 처리하였다.

Fig. 5 
Dust concentration of PM2.5

Fig. 6 
Dust concentration of PM10

초미세먼지는 83.6%가 보통 이상으로 발생되었고, 매우 나쁨이 1% 이하로 발생되었다. 연구 기간 중 보통 이상이고 204일이고 나쁨이 40일 발생되었다.

Fig. 7은 연간 미세먼지 및 초미세먼지 농도변화를 나타낸다. 그림에서와 같이 초미세먼지 농도는 3월에 가장 높게 발생되었으나 실내에서는 수송관로의 진공흡입과 공기조화기의 필터(MERV 14)영향으로 대기오염 기준의 보통 기준보다 낮게 처리되었다. 대기기준 초과는 맑은 날에 많이 발생 되었으며, 습도가 높은 날에 초미세먼지가 적어진 것은 초미세먼지가 에어로졸의 전구물질로 일부 흡수되어 빗물을 만드는 역할을 한다.⁽¹¹⁾ 또한 봄철의 계절풍인 서풍의 영향으로 남서해안의 석탄화력 발전소와 인근 외국의 영향을 많이 받는 것으로 추정된다. 전구물질에 의한 2차 생성 PM2.5 생성 화학식은 다음과 같다.

Fig. 7 
Annual dust concentration of PM2.5 and PM10

본 실험에서 계절별, 월별 측정한 결과 연평균 초미세먼지는 19.8 ㎍/㎥와 미세먼지는 43.5 ㎍/㎥로 나타났다. 동일시권역의 비교대상 시료인 J시 S 주민센터에서 연평균 관측한 초미세먼지 농도(16.2 ㎍/㎥)와 미세먼지 농도(42.9 ㎍/㎥)는 본 실험결과와 유사함을 알 수 있다. 또한 한중일 공동으로 측정한 연평균 초미세먼지 농도(20.1 ㎍/㎥)와 미세먼지 농도(40.6 ㎍/㎥)와도 유사⁽¹¹⁾하다. 지역에서 측정한 미세먼지 및 초미세먼지의 측정기의 값과 본 실험의 자동측정기로 측정한 값이 유사하며 본 실험 장비의 신뢰성이 있었음을 확인하였다.

초미세먼지와 미세먼지 농도는 겨울＞ 봄＞ 여름＞ 가을 순으로 발생되었다. 연중 겨울철이 가장 많은 총량이 발생되고 있으며, 그 중에서도 3월에 가장 높은 농도가 발생되고 있었다. 3월 평균 농도는 39.5 ㎍/㎥로 높게 발생되어 환경기준인 보통 이상의 기준을 초과하였으나, 연평균 농도는 9.1 ㎍/㎥로 낮았다. 3월의 미세먼지 농도는 1,704 ㎍/㎥. 초미세먼지 농도는 789 ㎍/㎥로 가장 높게 관측되었다. 폐기물수송관로와 공기조화기를 운용하였을 때 미세먼지 농도가 사무공간에서는 12.9 ㎍/㎥, 비업무공간에는 19.1 ㎍/㎥로 관측된 것으로 보아 남해안의 화력발전소의 미세먼지와 해외에서 발생된 미세먼지의 영향이 큰 것으로 판단된다. 환경부에서도 계절 관리제를 도입하여 12∼3월 특별 관리를 도입하는데 본 실험에서 많이 발생된 시점과 유사하였다.

초미세먼지와 미세먼지의 최소감지 농도를 통해 먼지지수를 산출하였다. 기여도는 비업무용공간이 58%로 높았고, 초미세먼지보다 미세먼지가 52%로 약간 높은 것으로 나타났으며 사무 공간 48%로 상대적으로 적게 나타났다. 기여도는 초미세먼지보다 미세먼지가 9% 높게 나타났다. 폐기물수송관로가 없는 곳은 초미세먼지와 미세먼지 농도가 높았다. 이로서 정부의 국내배출량 30%를 감축 목표를 충분히 달성가능하리라 사료된다.

실험기간에 건물 내의 초미세먼지는 보통이 37일, 좋은 날이 201일, 나쁨이 1일 각각 발생되었다. 건물 연평균 농도는 9.2 ㎍/㎥로 대기 환경기준 35 ㎍/㎥보다 74% 낮은 농도를 유지하고 있었다. 초미세먼지 농도가 높은 옥외광장에서 초과된 경우에도 사무공간은 대기 환경기준 이내로 초미세먼지를 저감하였다. 사무공간은 더 낮은 평균 초미세먼지는 7.5 ㎍/㎥ 이하로 처리하고 있었으며, 비 사무실은 평균 10.4 ㎍/㎥로 관리하였다. 사무공간의 농도가 더 낮아진 것은 바닥에 쌓인 초미세먼지 및 미세먼지가 스마트 폐기물수송관로에 의해 저감된 것으로 추정된다.

사무실에서 발생 된 초미세먼지와 미세먼지는 폐기물수송관로로 흡입하여 집하장 송풍기의 백 필터로 안전하게 처리되고 있으며 필터의 압력이 높으면 자동으로 백(bag)을 진동시켜 부착된 미세먼지를 제거한다.

Table 2에 폐기물수송관로와 공기조화기에 의한 저감효과를 나타낸다. 표에서와 같이 폐기물수송관로와 공기조화기를 함께 사용하여 저감한 초미세먼지(PM2.5) 처리효율은 63.2%로 높으며, 공기조화기만 사용할 경우 48.9% 정도로 저감됨을 알 수 있다. 미세먼지(PM10)도 두 시스템을 사용한 경우의 처리효율이 62.8%이고 공기조화기만 사용 시에는 49.2%를 처리하고 있었다. 폐기물수송관로에 의한 초미세먼지 및 미세먼지 저감능력은 각각 14.3% 및 13.6% 이다.

Fig. 8 및 Fig. 9는 옥외와 옥내의 초미세먼지와 미세먼지 농도의 상관관계를 나타낸다. 그림에서와 같이 초미세먼지와 미세먼지의 옥외농도와 사무실 농도의 상관관계를 회귀 분석한 결과, 초미세먼지 및 미세먼지의 상관도(R²)는 각각 0.9014 및 0.8679로 높게 나타났다. 각각의 상관관계식은 다음과 같다.

Fig. 8 
Correlation between indoor and outdoor concentration of PM2.5

Fig. 9 
Correlation between indoor and outdoor concentration of PM10

여기서 Y₁, Y₂, X는 각각 초미세먼지 옥내농도, 미세먼지 옥내농도 및 옥외 측정 농도값이다.

건물에서의 초미세먼지 농도는 “1층＞ 19층＞ B 1층＞ 7층＞ 14층” 순으로 높게 발생되며, 비업무공간은 겨울철과 봄철에 환경기준보다 일부 초과되었다. 1층은 유동인구가 가장 많이 발생 되고 있어 농도가 높은 것으로 추정되고, 14층은 외기차단과 유동인구가 작은 것으로 추정된다. 초미세먼지가 실내에서 일부 높은 원인은 불특정 다수의 출입자가 출입문을 개방 출입하고 헬스장은 창문을 열고 운동을 하고 있어서 농도가 높아진 것으로 생각된다.

Fig. 10에 폐기물수송관로 백필터와 공기조화기 배출구 농도를 나타낸다. 그림과 같이 공조기 배출구의 초미세먼지 농도 및 미세먼지 농도는 각각 7.5 ㎍/㎥ 및 17.3 ㎍/㎥이다. 집하장 배출구에서의 초미세먼지 농도 및 미세먼지 농도는 각각 4.8 ㎍/㎥ 및 11.3 ㎍/㎥로 나타났다.

Fig. 10 
Outlet concentration of bag filter and air conditioner

본 연구에서 실증조건으로 실험한 건물 공기조화기의 초미세먼지와 미세먼지는 약 49% 정도 저감됨을 알 수 있었다. 기기분석을 통해 조사된 공기조화기의 초미세먼지 및 미세먼지 저감율은 각각 44% 및 42%로 유사한 성능을 나타낸다. 실험에서는 공기조화기 1차 필터는 매월 세척하고 2차 필터는 6개월마다 교체하여 사용하였다.

건물의 폐기물수송관로는 소음이 많이 발생되어 아침 일찍 2시간만 가동으로 하고 있다. 공기조화기는 건물 내부의 쾌적한 환경 조성을 위하여 가동하며, 근무자에게는 신선한 공기 및 냉난방열을 공급하기 위하여 주말을 제외하고 오전 6시부터 오후 6시까지 가동하고 있다.

건물의 폐기물수송관로의 송풍기는 총 3대로 1대는 예비이고 2대를 교대운전으로 이용하고 있다.⁽¹²⁾ 송풍기 동력 유량 및 압력은 각각 15 kW, 710 ㎥/hr 및 2,650 mmAq이다. 공조기 가동대수는 95대이며, 동력은 643.3 kW이다. 연간 가동일 수는 244일이며 주말과 공휴일은 운전하지 않는다. 고압인 22,000 V로 전력을 인입하며, kWh당 평균 전력비는 100원이다. 폐기물수송관로의 연간동력은 14,640 kW이며, 공기조화기의 연간동력은 18,835,824 kW가 사용되었다.

폐기물수송관로 가동 시 공기조화기를 가동하면 안정화된 사무공간에 공기조화기의 외부공기 공급으로 미세먼지와 초미세먼지의 난류유동이 발생되어 ‘2.3 모델링을 이용한 미세먼지 처리’에서 기술한 바와 같이 미세먼지 처리효율이 떨어질 수 있으므로 폐기물수송관로 가동시간과 공기조화기의 가동시간이 서로 중복되는 2시간을 제외하여 공기조화기는 10시간만 가동하여야 한다. 따라서 폐기물수송관로 가동시간과 공기조화기 가동에 따른 중복시간인 2시간에는 공기조화기의 가동을 정지하는 것이 바람직하다. 공기조화기의 중복 운전되는 2시간을 줄이면, 동력은 연간 314,000 kW가 절약되고 전력비는 31,390,000원이 절감되었다.