1. 서 론
2. 실 험
2.1 연구대상공간
2.2 라돈 연속측정장비
2.3 실험절차 및 조건
3. 결과 및 토의
3.1 기밀성능에 따른 실내 라돈 변화
3.2 창호 개방 면적에 따른 맞통풍 조건에서의 실내 라돈 변화
3.3 욕실 배기팬 가동에 따른 실내 라돈 변화
4. 결 론
기호 및 약어 설명
η : 일정 시간이 경과한 후의 실내 라돈 제거율(%)
C0 : 변수 적용 이전의 실내 라돈 농도(Bq/m3)
Ct : 변수를 적용하고 일정 시간(t)이 경과한 후의 실내 라돈 농도(Bq/m3)
1. 서 론
실내공기질은 재실자의 건강에 미치는 명백한 영향으로 인하여 다양한 실내공기오염물질에 대한 연구와 조사가 활발히 이루어지고 있다. 더욱이 코로나19 팬데믹을 계기로 일과 중 실내에 머무르는 시간이 늘어나면서 쾌적하고 안전한 실내 환경 조성에 대한 사회적 요구가 증대되었으며, 이에 국내에서도 정부 주도 하에 교육시설에서의 공기정화장치 설치 의무화, 다중이용시설 실내공기질 측정 관리, 주거환경 개선 지원 등의 다양한 정책이 실시1)됨은 물론, 민간부문에서도 공기청정기 시장이 급속 성장하여 2019년을 기준으로 가구당 공기청정기 보급률이 80%에 달하였다2).
공기정화 기술이 발달하면서 다양한 오염물질에 대한 적용성과 제거효율이 향상되었으나, 일부 물질들은 여전히 실내외 공기교환으로 제어하는 것이 보다 효과적이다. 대표적으로 라돈은 활성탄 필터를 이용하여 입자상 물질에 부착된 라돈 및 붕괴생성물을 흡착 제거하는 방식이 연구개발 중에 있으나3,4), 아직 성능 평가 및 상용화되기에는 부족한 실정이다. 라돈은 2018년 침구류 매트리스와 같은 생활용품으로부터의 방출이 미디어에 보도되면서 국민적 불안감이 급속히 확산된 실내공기오염물질로써, 흡연을 제외하면 폐암의 가장 중요한 원인으로 꼽히는 1급 발암물질(human carcinogen)로 잘 알려져 있으며, 전 세계적으로 폐암 발병의 3 ~ 14%에 관여하는 것으로 추정되고 있다5).
공기 중에 존재하는 라돈 및 붕괴생성물은 호흡을 통하여 인체에 유입될 경우, 비강과 기관지, 폐 깊숙이 침투할 수 있으며, 방사성 핵종의 붕괴과정에서 최종 생성물이 될 때까지 반복적으로 부정적인 영향을 미치기 때문에 실내 라돈농도를 가능한 한 낮은 수준으로 유지하여야 한다6). 라돈의 주요 발생원은 지반 암석, 토양, 지하수 등 주변 환경으로, 지각 어디에나 존재하는 자연기원 방사성 물질(naturally occurring radioactive material, NORMs)이기 때문에 발생원에 해당하는 선원 자체를 제어하는 일은 거의 불가능하며, 건축자재나 생활용품과 같이 실내에 위치하는 방출원 또한 실내 라돈에 영향을 미친다.
라돈은 무색, 무취, 무미의 물리적 특성을 가지므로 노출자가 이를 감각적으로 인지할 수 없어 선제적이고 지속적인 관리가 필수적이며, 여러 실내 공간 중에서도 대부분의 사람들이 장시간 체류하며 휴식을 취하는 공간인 주거환경의 실내 라돈 저감은 인체 위해성을 낮추기 위하여 특히 중요한 요소라고 할 수 있다. 실내 라돈 농도를 제어하는 가장 효과적인 방법은 외부공기를 실내로 적극 유입하여 희석하고, 실내 공간에 축적된 라돈을 외부로 배출하는 환기이다. 국내에서는 2013년 이후 준공된 건축물에 시간당 0.5회 이상의 환기성능을 확보할 수 있는 자연환기 및 기계환기설비 도입이 의무화되었으나, 실거주자의 인지 및 활용도가 낮거나7,8), 기축 공동주택에는 여전히 환기설비가 설치되지 않은 사례 역시 드물지 않다. 따라서 본 연구는 환기설비를 갖추지 않은 공동주택에서도 라돈 관리에 활용 가능한 기존 요소, 즉 창호 개방, 그리고 욕실 배기팬을 이용한 실내 라돈 저감효과를 정량적으로 파악하기 위하여 수행되었다. 또한, 본 연구에서는 공동주택의 기밀성능에 따른 실내 라돈농도 변화를 관측하여 기초자료를 생산하고자 하였다.
2. 실 험
2.1 연구대상공간
본 연구는 한국건설기술연구원 본원에 위치한 실물실험주택의 단위세대에서 수행되었다. 해당 세대는 침실 3개와 욕실 2개, 그리고 거실 및 주방으로 구성되며, 국민주택규모인 85 m2 면적의 공동주택 형태를 가지고 있다. 실내 라돈 측정 위치는 실내공기질 공정시험기준 ES 02130.f9)를 준용하여 거실 중앙점에서 바닥면으로부터 1.5 m 높이, 그리고 천정으로부터 0.5 m 이상 떨어진 지점으로 선정하였다(Fig. 1). 또한, 본 실험에 앞서, 단위세대의 기밀성능은 ISO 9972:201510)에 따라 Blower door system (Retrotec, USA)을 이용하여 가압법으로 측정하였다. 그 결과, 해당 세대는 한국건축친환경설비학회11)에서 제시하는 제로에너지건축물 기준(1.5 ACH50) 이하인 1.32 ACH50의 우수한 기밀성능을 갖는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 사전실험을 통하여 개구부를 미세하게 개방하면서 가압법으로 반복 측정하여 실험조건에 부합하도록 기밀성능을 조절하였다.
2.2 라돈 연속측정장비
실내 라돈 농도 변화는 연속측정이 가능한 RAD7 (Durrige, USA)를 사용하여 10분 간격으로 관측하였다. RAD7은 동력 펌프로 시료 공기를 내부 챔버로 흡인하고, 공기 중 포함된 라돈이 붕괴과정에서 방출하는 알파입자를 실리콘 반도체 검출부에서 계수하여 라돈 농도를 측정한다(Table 1). 이때, 챔버 내부의 습도는 측정 감도에 영향을 미치므로 시료 공기가 장치로 유입되기 전에 흡습건조제(Drierite, Indicating)를 거치도록 구성하여 상대습도 10% 미만의 조건을 유지하였고, HEPA 필터 및 0.45 μm membrane syringe 필터로 미립자를 제거하여 장치 내부 오염을 방지하였다. 또한, 측정의 정도관리를 위하여 고순도 질소(99.999%)로 측정한 바탕농도가 표출값을 기준으로 0.0 Bq/m3 수준임을 확인하였고, 실험 전후로 장치에 고순도 질소를 10분 이상 흘려주어 측정부에 라돈 및 붕괴생성물이 잔류하지 않도록 하였다.
Table 1
Basic information of continuous radon measurement
2.3 실험절차 및 조건
본 연구의 실험은 실내공기질 공정시험기준9)의 신축공동주택 라돈 측정절차를 기본으로 다음의 3단계에 걸쳐 진행되었다. 첫째, 단위세대에서 외부에 면한 모든 개구부를 30분 이상 전면 개방하여 환기함으로써 실내 바탕농도를 제어하였다. 둘째, 개방한 개구부를 모두 닫아 공기유동을 최소화한 상태로 5시간 이상 지속하였다. 셋째, 실내 농도에 영향을 줄 수 있는 환기설비 및 레인지후드 등을 전면 정지한 채로 48시간동안 라돈 농도를 연속 측정하였다. 단, 실험 변수인 창호와 욕실 배기팬은 개방 및 가동조건 전후로 10시간 이상 측정하여 변화를 관측하였다. 또한, 비의도적으로 이루어지는 침기 및 누기에 의한 공기교환은 온도, 풍향, 풍속, 기압차 등의 기상환경에 영향을 받으므로12,13), 강수량이 0 mm이고 기상조건의 변화가 적은 시기(2023.05.07. ~ 2023.05.26.)에 집중적으로 실험을 실시하였다.
실내 라돈 농도는 실내공기질관리법 권고기준인 148 Bq/m3을 중심으로, 기준치와 유사한 수준을 저농도 조건으로 하였고, 기준의 2배 이상인 300 Bq/m3을 상회하도록 실내 라돈 농도를 부유시켜 고농도 조건을 조성하였다. 이때, 라돈 방출원은 라듐 함량이 높은 토양 시료를 선별 건조하여 사용하였으며, 예비실험을 통하여 설정 농도 범위에 도달하도록 유도할 수 있는 분량을 분취하여 세대에 배치하였다. 실험 변수는 기밀성능과 창호 개방에 의한 맞통풍, 그리고 욕실 배기팬의 가동이며, 각 변수의 설정 조건은 Table 2에 제시하였다. 단, 창호 개방에 의한 라돈 변화 실험의 경우, 실험 조건을 조성하는 시기에 강수사례가 확인되었고, 방출원으로 활용한 토양 시료의 라돈 방출강도가 다소 감소되어 연구대상공간 전체 체적의 라돈 농도를 고농도 수준까지 축적하기 어려운 현장 상황적 한계가 발생하였다. 이에 고농도 범위의 실험으로 획득한 결과가 유효하지 못하였기에 해당 조건에서는 저농도 범위의 실험만을 본 연구에 포함하였다. 실내 라돈 변화의 정도는 1시간동안 수집된 측정값을 산술평균하여 비교하였다. 또한, 라돈 제거율(η)은 실험 변수를 적용하기 이전에 측정한 10시간 이상의 평균농도를 초기농도(C0)로 하고, 조치를 취한 시점으로부터 일정 시간(t)이 경과한 후의 농도(Ct)와의 차를 비교하여 아래의 수식에 따라 계산하였다.
Table 2
Experimental conditions and parameters for measuring indoor radon variations
3. 결과 및 토의
3.1 기밀성능에 따른 실내 라돈 변화
기밀성능이 우수할수록 시간당 공기교환율이 낮아지므로, 기밀성능 이외의 다른 조건에 변동이 없다고 가정한다면, 우수한 기밀성능을 유지하는 실내 공간에서는 시간이 경과함에 따라 라돈 농도가 점차 증가할 것으로 예상하였다. 그러나 저농도 범위에서는 기밀성능이 가장 우수한 조건(1.5 ACH50 이하)과, 가장 낮은 조건(4.0 ~ 5.0 ACH50)의 실내 라돈 농도가 전체 실험기간 동안 유사한 수준이었고, 실내공기질 관리법의 권고기준을 상회하는 측정사례의 수 역시 61 ~ 70회로 대동소이하여, 48시간 동안 관측된 실내 라돈 변화의 차이가 현저하지 않았다(Table 3(a)).
Table 3
A statistics of indoor radon concentrations with various airtightness performance
이와 달리 고농도 범위의 경우, Fig. 2에 나타낸 것과 같이, 측정기간 동안 증가와 감소를 반복하는 경향을 보였으며, 기밀성능이 가장 우수한 1.5 ACH50 미만인 조건에서 48시간 경과 후의 실내 라돈 농도가 가장 높은 수준인 것을 확인할 수 있었다. 또한 상대적으로 기밀성능이 낮은 조건에서 증감의 변동 폭이 크게 나타났는데(Table 3(b)), 이는 실내 공간에 방출원으로써 배치한 토양 시료로부터의 라돈 방출강도가 관측 초반에 강하게 반영되다가, 실험 중반 이후로 침기 등의 공기 유동에 따라 실내 라돈 농도 변동의 폭이 불규칙하게 나타난 것으로 추정된다. Park et al. (2020)14)은 실내외 온도 및 압력차에 의하여 공동주택에서 계절별로 침기율의 변동이 발생하고 이에 따른 입자상 물질의 유출입이 달라지는 것으로 보고한 바 있는데, 본 연구에서는 기밀성능에 의한 침기 및 누기량에 영향을 주는 기상조건과 실내 라돈 농도와의 상관분석 결과, 통계적으로 유의한 수준의 상관관계가 나타나지 않았다. 해당 결과는 측정 시기의 실내 온도 변화가 미미하였고, 외부 기상자료는 연구대상지점이 아닌 기상청에서 공개하는 인근의 측정 자료를 차용하였기 때문으로 판단되며, 기밀성능이 낮은 조건에서는 침기 및 누기량이 상대적으로 증가하였을 가능성이 높다. 또한, 본 측정 결과는 실내에 고강도의 방출원이 존재하는 경우에는 라돈 흡입으로 인한 인체 영향을 최소화하기 위하여 실내 농도를 제어하기 위한 부가적인 조치가 반드시 필요함을 보여준다.
3.2 창호 개방 면적에 따른 맞통풍 조건에서의 실내 라돈 변화
창호 개방은 보편적으로 가장 손쉽게 접할 수 있는 환기 조치로, 실내외 기상조건 및 농도 차이에 의하여 공기교환이 단시간 내에 빠르게 이루어질 수 있으며, 맞통풍 형태의 환기 조건에서 실내외 공기교환에 의한 라돈 저감 효과가 더욱 크게 나타날 수 있다15). 본 연구의 측정 결과, 실험 초기 즉, 개방 직후부터 1시간 이내의 라돈 제거율은 창호를 개방한 면적에 비례하여 높은 것으로 산정되었고, 시간이 경과함에 따라 제거효율 또한 상승하였다(Fig. 3(a)). 그러나 창호 개방에 따른 자연환기 효과는 바람이나 온도차 등에 좌우되기 때문에 일정한 공기교환율을 유지할 수 없다는 한계점이 있다16). 본 연구에서도 창호를 개방한 시간이 경과하면서 제거율이 점차 불규칙하게 변하였으며, 이러한 경향은 개방면적이 가장 작은 조건에서 두드러지게 나타났다(Fig. 3(b)). 또한, 밀폐된 상태에서 기준치와 유사하게 상승된 실내 라돈 농도(141.3 ~ 156.6 Bq/m3)가 창호를 개방함으로써 약 절반 수준인 평균 72.0 ~ 86.5 Bq/m3로 감소되었으며, 순간적으로 달성 가능한 최저 농도는 외부공기 중 라돈과 유사한 40 Bq/m3 안팎이었다.
3.3 욕실 배기팬 가동에 따른 실내 라돈 변화
욕실문을 개방한 상태에서 배기팬을 6시간 이상 연속 가동한 결과, 세대 전체의 대표지점에서 측정된 실내 라돈 변화는 10% 이내로 미미하였다. 이는 단위세대의 체적에 비하여 배기팬의 용량이 과소하므로 실내공기 중에 분포하는 라돈을 흡인하여 외부로 충분히 배출하지 못하였기 때문으로 추정할 수 있다. 더욱이 라돈은 일반적인 조성의 공기보다 밀도가 약 7.5배 크므로 실내공기 중 바닥면에 가깝게 가라앉을 가능성이 높으며, 풍량이 작은 배기팬만으로는 외부로의 배출에 어려움이 있다. 따라서 대상 체적을 욕실과 연결된 개별 침실(R3)로 한정하고, 측정지점을 침실 중앙으로 변경하여 동일한 실험을 반복 수행하였다. 통상적으로 욕실 습기 등을 배출하기 위하여 창호를 개방하는 경우가 많으며, 이와 동시에 배기팬을 가동하면 신속한 배출 효과가 극대화될 수 있다. 그러나 욕실 벽면에 외부에 면한 창호가 설치되지 않은 공동주택에서는 배기팬 가동이 유일하게 취할 수 있는 조치이고, 창호 개방과 배기팬 가동을 동시에 실시할 경우, 이종의 변수가 복합적으로 작용하여 개별 변수에 의한 라돈 변화량을 확인하기 어려우므로 본 연구에서는 침실과 욕실의 연결 출입구를 제외한 나머지 개구부, 즉 침실 출입문과 창호를 모두 밀폐한 상태에서 욕실 배기팬 가동에 따른 실내 라돈 변화를 관측하였다.
그 결과, 개구부를 밀폐한 조건에서 24시간동안 측정한 침실의 실내 라돈은 상대적인 저농도 범위에서도 163.6 ± 21.0 Bq/m3 (122.5 ~ 196.8 Bq/m3)로, 실내공기질관리법의 권고기준을 초과하는 수준이었다. 욕실 배기팬을 가동하면 저농도와 고농도 범위에서 모두 1시간 이후로 실내 농도가 점차 감소하였으나, 배기팬을 정지하자 다시 상승하는 경향을 보였으며, 특히 고농도 범위에서 가파른 상승세를 보임을 확인할 수 있었다. 라돈 제거율은 저농도 범위에서 27.1 ~ 44.4%, 고농도 범위에서는 32.9 ~ 60.8%로 산정되었는데, 보편적으로 환경오염물질은 고농도 물질을 제거하는 것보다, 저농도를 보다 낮은 수준까지 제거하는 것이 어렵기 때문에 이러한 경향이 나타난 것으로 추정된다. 또한, 고농도 범위에서는 실내 라돈 농도가 욕실 배기팬을 연속 가동하여도 세계보건기구5)에서 권고하는 100 Bq/m3 이하로 유지되지 못하였고, 저농도 범위에서도 최저 농도는 배기팬을 가동하지 않은 초기 농도의 절반 수준인 86.7 Bq/m3에 불과하였다.
4. 결 론
라돈은 발생원을 제어하기 어렵고, 노출의 정도를 감각적으로 인지할 수 없음에도 장기적이고 반복적으로 인체에 유해한 영향을 미치는 실내공기오염물질로, 적극적인 실내외 공기교환을 통하여 실내에 고농도로 축적되지 않도록 조치하는 것이 가장 바람직하다. 따라서 본 연구에서는 환기설비가 부재한 공동주택에서 대안적으로 활용할 수 있는 요소로써 창호 개방, 욕실 배기팬을 활용한 실내 라돈 제어 가능성을 정량적으로 확인하고자 하였고, 기밀성능에 따른 실내 라돈 변화를 관측하였다. 첫째, 기밀성능이 가장 우수한 조건에서 48시간이 경과한 후의 실내 라돈이 가장 고농도로 축적되었고, 상대적으로 기밀성능이 낮은 조건에서는 증감의 변동 폭이 컸으며, 기준치와 유사한 수준의 실내 라돈 범위에서는 기밀성능에 따른 라돈 농도 변화가 유의미하지 않았다. 둘째, 창호 개방에 따른 맞통풍 조건에서는 개방 직후 라돈 농도가 급감하였고, 초기 1시간 동안은 창호 개방면적이 클수록 제거효율 또한 비례적으로 상승하였으나, 시간이 경과함에 따라 제거율이 점차 불규칙하게 변하여 일정한 환기효과를 유지하지 못하였다. 셋째, 욕실 배기팬은 용량의 한계로 단위세대 전체의 실내 라돈 변화를 유도하지 못하였으나, 대상 체적을 개별 침실로 한정하면 욕실 배기팬을 연속 가동함으로써 고농도로 전개된 실내 라돈을 약 100 Bq/m3 수준으로 낮출 수 있었다. 이러한 결과는 욕실 배기팬은 환기가 아닌 국소범위의 습기와 냄새 배출을 위한 설비이므로 환기 목적으로 사용하기에 적합하지 않지만, 환기설비가 부재한 공간에서는 실내에 축적된 라돈을 외부로 배기하는 보조적 환기 수단으로 활용 가능함을 보여준다. 단, 욕실 배기팬을 장시간 연속 가동하여 획득할 수 있는 라돈 배출 효과는 실내 라돈 농도가 고농도 범위는 물론, 기준치와 유사한 범위로 전개된 경우에도 충분하지 않으며, 라돈 축적이 우려되는 실내 공간에서는 보다 적극적인 조치가 필요하다.
