외기 오염이 높으면 실내도 따라 높아지는 이유: 침기·자연환기·기계환기 경로와 필터가 실내/실외 농도비를 정한다

실내 발생원이 없을 때 실내 공기는 외기를 묽히고 늦게 따라가는 사본이다. 외기 오염물은 침기(틈새 누기), 자연환기(창·문), 기계환기(급기 덕트) 세 경로로 들어온다. 앞의 두 경로는 필터를 거치지 않는다. 정상상태 실내 농도는 경로별 유입량에 침투율(P)과 필터 통과율(1−η)을 곱해 더한 값을, 전체 환기율과 침착률(k)의 합으로 나눈 값으로 정해진다. 그래서 필터 없이 환기량만 늘리면 실내 농도는 외기에 더 가까워진다. 외기 도입을 필터를 거치는 기계환기로 모으고, 실을 약간 양압으로 유지해 침기를 줄여야 실내/실외 농도비가 내려간다. 입자와 달리 오존은 실내 표면과 반응해 줄어들고, 입자 필터 등급(MERV, KS B 6141 계수법 효율)으로는 제거 성능을 판단할 수 없다.

짧은 답: 실내 공기는 외기를 묽히고 늦게 따라가는 사본이다
외기가 실내로 들어오는 세 경로
실내 농도를 정하는 식: 유입, 희석, 침착의 균형
경로별 비교: 같은 외기, 다른 실내
PM2.5, 황사, 오존이 서로 다르게 움직이는 이유
필터 숫자를 읽을 때 주의할 점
기밀성과 침기: 필터 없는 통로를 줄이는 방법
기록부에 남길 판단 근거 문장

짧은 답: 실내 공기는 외기를 묽히고 늦게 따라가는 사본이다

실내에 담배 연기나 조리, 공사 같은 발생원이 없으면 실내 오염물은 모두 바깥에서 들어온 것이다. 그러므로 외기 농도가 오르면 실내 농도도 오르는 것이 물리적으로 자연스럽다. 관리자가 조절할 수 있는 것은 두 가지다. 하나는 실내가 외기의 몇 퍼센트까지 따라가느냐(실내/실외 농도비, I/O)이고, 다른 하나는 얼마나 빨리 따라가느냐(시간상수)다.

이 두 값은 외기가 어느 경로로 들어오는지, 그 경로에 필터가 있는지, 들어온 입자가 실내 표면에 가라앉거나 반응해 사라지는 속도가 얼마인지로 결정된다. 아래에서는 이 관계를 식 하나로 정리하고, 가상 시나리오로 경로별 차이를 비교한다. 이 글은 외기 오염이 높은 날의 운전 조치가 왜 필요한지를 설명하는 이론 부분이다.

외기가 실내로 들어오는 세 경로

1) 침기(누기): 창틀, 문틈, 배관·전선 관통부, 외벽 접합부의 틈새로 압력차나 온도차 때문에 공기가 스며든다. 관리자가 직접 켜고 끌 수 없고 필터도 없다. 다만 좁은 틈을 지나는 동안 일부 입자가 벽에 붙어 걸러지는데, 이 통과 비율을 침투율(penetration factor, P)이라 한다. Chen과 Zhao(2011)의 리뷰는 침투율을 건물 외피의 틈과 누기를 통과하는 입자 침투 메커니즘에 가장 직접 관련된 지표로 정리했다. 국가과학원(NAP) 보고서에 따르면 조대입자는 외피 틈새나 섬유질 필터를 통과하기 어렵고, 0.1~1 µm 영역인 축적모드 입자가 실내로 가장 잘 들어오고 오래 머문다.

2) 자연환기: 열린 창과 출입문으로 들어오는 큰 흐름이다. 개구부가 커서 입자가 거의 걸러지지 않으므로 이 글의 계산에서는 침투율을 1로 가정한다. 유량이 크기 때문에 창을 열면 실내 농도는 빠르게 외기에 수렴한다.

3) 기계환기: 외기 흡입구, 필터, 송풍기, 급기 덕트를 거쳐 들어온다. 세 경로 가운데 유일하게 필터를 지나는 경로다. 필터의 1회 통과 제거효율을 η라 하면 외기 농도의 (1−η)만 실내로 들어온다. 필터가 낮은 등급이거나, 프레임 틈으로 공기가 우회(바이패스)하거나, 필터가 빠져 있으면 η가 작아져 이 경로도 외기를 거의 그대로 들여온다.

필터가 달린 기계환기가 없는 시설은 1)과 2)만으로 외기를 들인다. 두 경로 모두 필터가 없으므로 외기 오염이 실내로 거의 직접 전달된다.

실내 농도를 정하는 식: 유입, 희석, 침착의 균형

실내를 하나의 잘 섞인 공간으로 보고 실내 발생원과 재순환 공기청정을 0으로 두면, 정상상태 실내 농도는 다음과 같다.

C_in = C_out × (P·λ_침기 + λ_자연 + (1−η)·λ_기계) ÷ (λ_침기 + λ_자연 + λ_기계 + k)

여기서 λ는 경로별 환기율(h⁻¹, 실 체적 기준 시간당 외기 교환 횟수)이고, k는 입자가 바닥과 벽에 가라앉거나 가스가 표면과 반응해 사라지는 속도(h⁻¹)다. 분자는 외기에서 실제로 들어오는 양이고, 분모는 실내에서 빠져나가는 모든 속도의 합이다. Allen 등(2012, MESA Air)도 외기 입자의 실내 잔류 비율(침입계수, F_inf)이 환기율, 입자 손실률, 침투 효율 세 가지로 정해진다고 설명한다.

이 식에서 실무에 바로 쓰이는 결론은 세 가지다.
– 필터가 없는 경로(P≈1이거나 η≈0)의 환기율을 키우면, 분자와 분모가 거의 같은 속도로 커진다. 그래서 C_in/C_out가 1에 가까워진다. NAP 보고서도 능동적 여과가 없으면 환기율이 높을수록 외기 기원 입자의 실내 농도가 높아지는 경향이 있다고 썼다.
– 같은 환기율이라도 외기를 필터 경로로 옮기면 분모는 그대로이고 분자만 줄어 농도비가 내려간다.
– 실내 농도가 외기 변화를 따라가는 시간상수는 τ = 1/(λ합 + k)다. 환기율이 작은 밀폐 상태에서는 외기가 급히 나빠져도 실내가 천천히 오르고, 외기가 좋아진 뒤에도 천천히 내려간다.

문헌 값을 보면 외기가 실내에 미치는 영향의 크기를 가늠할 수 있다. NAP 보고서가 인용한 Riley 등(2002)의 모델 추정에서, 일반적인 환기 구성의 미국 도시 주택은 외기 대비 실내 비율이 PM2.5 질량 약 0.8, 입자 개수 약 0.45, 조대입자 질량 약 0.2였다. Allen 등(2012)이 미국 6개 지역 주택에서 측정한 PM2.5 침입계수는 지역 평균 0.47~0.82였고, 따뜻한 계절에는 에어컨 사용과 창문 개방 빈도가 가장 중요한 예측 변수였다. 이 값들은 미국 주택 사례이므로 국내 다중이용시설에 그대로 적용하면 안 된다. 경로와 운전 상태에 따라 비율이 크게 달라진다는 점을 보여 주는 자료로 읽어야 한다.

경로별 비교: 같은 외기, 다른 실내

아래 계산은 가상(교육용) 데이터다. 외기 PM2.5를 100 µg/m³로 두었다. 모든 시나리오에 공통으로 침기 0.3 h⁻¹, 침투율 0.8, 침착률 0.4 h⁻¹를 가정하고, 경로 구성만 바꿔 위 식에 넣었다. 파라미터와 결과는 표와 막대그래프에 정리했다.

– A 창문 개방(자연환기 3.0 h⁻¹): I/O 0.88로 실내가 외기를 거의 그대로 따라간다. 시간상수가 약 0.27시간이라 외기가 나빠지면 수십 분 안에 실내도 나빠진다.
– B 창문 닫음, 기계환기 정지: I/O 0.34로 가장 낮아 보인다. 하지만 외기 도입이 침기 0.3 h⁻¹뿐이어서 재실자가 있으면 CO₂가 쌓인다. 농도비만 보고 이 상태를 정답으로 삼으면 안 되는 이유다. 최소 외기량 산정은 기존 글에서 다룬다.
– C 기계환기 2.0 h⁻¹, 저효율 필터(η=0.3 가정): 창을 닫았는데도 I/O가 0.61이다. 환기량은 늘었는데 필터가 외기를 충분히 거르지 못하면, 기계환기가 오히려 외기를 실내로 들여오는 통로가 된다.
– D 같은 풍량, 고효율 필터(η=0.85 가정): I/O 0.20이다. 같은 외기량을 확보하면서 농도비는 B보다도 낮다.
– E D에 급기를 배기보다 약간 많게 해 실을 양압으로 유지(침기 0.1 h⁻¹로 감소 가정): I/O 0.15다. 필터를 거치지 않는 침기를 줄인 효과다.

실내 공기질 관리법 시행규칙 별표2의 PM2.5 유지기준은 일반 다중이용시설이 50 µg/m³ 이하, 의료기관·산후조리원·노인요양시설·어린이집이 35 µg/m³ 이하다. 이 가상 계산에서는 A와 C가 일반 시설 기준을 넘는 수준으로 나온다. 하지만 이것은 모델 예측이며, 유지기준 충족 여부는 법정 방법으로 측정한 실내 농도로만 판정한다. 여기서 η는 해당 오염물(여기서는 PM2.5 질량)에 대한 실제 운전 상태의 제거효율이다. 필터 등급표의 숫자와 같은 값이 아니다.

PM2.5, 황사, 오존이 서로 다르게 움직이는 이유

PM2.5: 축적모드 입자는 틈새를 잘 통과하고 실내에서 잘 가라앉지 않는다(P가 크고 k가 작다). 그래서 위 식의 분자는 크고 분모는 작아져 실내/실외 농도비가 높게 유지된다. 외기 PM2.5가 높은 날 실내 PM2.5가 가장 끈질기게 따라오는 이유다.

황사(조대입자 중심): 입자가 크면 틈새 통과가 어렵고(P 감소) 실내에서 빨리 가라앉는다(k 증가). 그래서 같은 조건에서도 PM10 질량의 농도비는 PM2.5보다 낮아지는 경향이 있다. 앞의 Riley 등 추정에서 조대입자 비율이 약 0.2였던 것과 같은 방향이다. 다만 창을 열면 큰 개구부로 침투 손실 없이 유입되고, 바닥에 쌓인 먼지는 보행 때 다시 날린다. 그러므로 조대입자라도 자연환기를 열어 두는 것은 불리하다. 별표2의 일반 다중이용시설 PM10 유지기준은 100 µg/m³ 이하다.

오존: 가스이므로 입자 필터의 대상이 아니다. 미국 EPA 설명에 따르면 MERV 등급은 0.3~10 µm 입자 포집 능력을 나타내는 값이어서 가스 제거 성능은 알 수 없다. 대신 오존은 실내 표면이나 공기 중 일부 휘발성유기화합물과 빠르게 반응해 사라진다(위 식에서 k가 큰 경우). 그래서 실내 발생원이 없으면 실내 오존은 대체로 외기보다 상당히 낮다(LBNL). NAP 보고서는 외기에서 유래한 실내 오존이 흔히 외기의 20~70% 수준으로 줄어든다고 정리했다. 다만 그 반응 과정에서 폼알데하이드나 초미세입자 같은 부산물이 생길 수 있다고 함께 지적했다. 환기율이 클수록 반응할 시간이 짧아져 실내가 외기에 가까워지므로, 오존주의보가 내린 날에는 창문을 통한 대량 외기 도입이 가장 직접적인 유입 원인이 된다. 참고로 실내공기질 유지기준 항목(미세먼지(PM-10), 초미세먼지(PM-2.5), 이산화탄소, 폼알데하이드, 총부유세균, 일산화탄소)에 오존은 없다.

필터 숫자를 읽을 때 주의할 점

국내 법정 기준: 「건축물의 설비기준 등에 관한 규칙」 제11조 제5항은 기계환기설비를 설치해야 하는 다중이용시설(별표 1의6 대상)에 바깥공기를 공급하는 계통의 공기여과기 요건을 정한다. 한국산업표준 KS B 6141에 따라 계수법으로 측정한 입자 포집률이 60% 이상이어야 한다. 신축공동주택등의 기계환기설비에도 별표 1의5에 같은 취지의 요건이 있다. 이 기준은 신축 등 설치 단계의 설비 기준이며, 운영 중인 모든 시설에 일반적으로 적용되는 교체 기준이 아니다.

해외 등급: 미국 EPA 설명에 따르면 MERV는 ASHRAE 시험법에 따른 1~16 등급(및 HEPA)이다. MERV 13은 0.3~1.0 µm 입자 50% 이상, 1.0~3.0 µm 85% 이상, 3.0~10 µm 90% 이상을 포집하고, HEPA는 0.3 µm 입자를 99.97% 이상 포집한다. EPA는 가정용 HVAC에서 필터를 높일 경우 MERV 13 이상, 또는 송풍기와 필터 슬롯이 감당할 수 있는 최고 등급을 권한다. 이것은 미국 가정용 권고이며 국내 법정 기준이 아니다.

등급과 실제 제거효율(위 식의 η)이 다른 이유는 다음과 같다.
– 등급은 시험 조건에서 입경 구간별로 매긴 값이다. 실제 외기 PM2.5 질량 제거율은 외기 입경 분포에 따라 달라진다.
– 프레임 틈이나 필터 체결 불량이 있으면 공기가 필터를 우회해 η가 크게 떨어진다.
– 등급을 올리면 압력손실이 커져 풍량이 줄 수 있다. 풍량이 줄면 λ_기계가 감소해 CO₂ 관리와 희석 성능이 함께 나빠진다.
– 외기와 환기를 섞는 공조기에서는 외기 비율과 재순환 계통 필터 위치에 따라 실효 제거가 달라진다.

기록부에는 필터 등급만 적지 말고 필터 체결 상태, 차압, 운전 풍량을 함께 남겨야 η가 유지되고 있었다는 근거가 된다. 재순환형 공기청정기는 외기를 도입하지 않고 실내 입자를 추가로 제거하는 장치로, 위 식의 분모에 항을 하나 더하는 역할을 한다. 병행 운전은 기존 글 「공기청정기 기계환기 병행 운영 5단계」를 참고한다.

기밀성과 침기: 필터 없는 통로를 줄이는 방법

창을 닫고 필터 기계환기를 돌려도 침기 경로는 남는다. 침기는 바람, 실내외 온도차에 따른 연돌효과, 배기팬 운전으로 생기는 실내 음압이 클수록 커진다. 배기량이 급기량보다 많은 시설은 실이 음압이 되어 틈새로 외기를 끌어들인다. 이 공기는 필터를 거치지 않는다. 가상 시나리오 D와 E의 차이가 이 효과다.

건물의 틈새 정도는 블로워도어 시험으로 측정하는 ACH50(실내외 50 Pa 압력차에서의 시간당 누기 환기횟수)으로 평가한다. ACH50은 인위적으로 압력을 건 시험값이어서 평상시 침기량과는 다르다. 국내 아파트 두 세대를 대상으로 한 연구(문정현 외, 2020)에서는, 블로워도어 결과를 바탕으로 시뮬레이션한 자연상태 침기량이 ACH50을 환산계수 20으로 나누는 기존 방식의 값과 크게 달랐다. 연구진은 국내 실정에 맞는 환산계수가 필요하다고 결론지었다. 기밀시험 값으로 평상시 외기 유입량을 단정하지 말아야 하는 이유다.

실무적으로는 다음 조치가 침기 항을 줄인다.
– 급기와 배기의 균형을 확인해 실이 음압이 되지 않게 한다. 가능하면 약간 양압으로 유지한다.
– 출입문이 계속 열려 있는 구간에는 방풍실이나 자동문을 운용한다.
– 창틀 실링, 배관 관통부 등 눈에 보이는 누기 부위를 정비한다.
– 화장실·주방 배기를 오래 운전할 때 보충 급기를 확보한다.

기록부에 남길 판단 근거 문장

외기 오염이 높은 날 실내 농도가 함께 오르면, 원인과 조치의 근거를 경로, 필터, 압력 관계로 적어 두어야 감사자나 이용자에게 설명할 수 있다. 다음은 문장 틀이다. ○○ 부분은 시설의 실제 측정값과 설비 정보로 채운다.

– 원인 판단: 실내 발생원 없음. 외기 PM2.5 ○○ µg/m³(출처: ○○)와 같은 시간대에 실내 농도가 상승해 외기 기여에 따른 상승으로 판단함.
– 경로 판단: 창문 개방(무필터 자연환기)과 배기 과다에 따른 실내 음압(침기 증가)을 주 유입 경로로 판단함.
– 조치: 자연환기를 중단하고 외기 도입을 필터 경유 기계환기로 일원화함. 급기 풍량을 배기 이상으로 조정해 실 양압을 유지함. 필터 체결 상태와 차압(○○ Pa)을 확인함.
– 부작용 관리: 외기 도입량 축소에 따른 CO₂ 상승을 확인하기 위해 CO₂ ○○ ppm을 측정하고 최소 외기량이 유지됨을 확인함.
– 오존 관련: 입자 필터로는 오존을 제거하지 못하므로 오존주의보 시간대에는 창문을 통한 대량 외기 도입을 피함.

이렇게 적어 두면 무엇을 했는지와 함께 왜 그 조치가 실내/실외 농도비를 낮추는지가 기록에 남는다.

이어서 볼 글: 기계환기 자연환기 차이, 환기기준 판정은 어디서 갈리나