이산화탄소 환기량 계산은 실내 총 발생량을 목표 실내 농도와 외기 농도의 차이로 나누어 필요한 외기량을 구하는 방법이다. 공기가 균일하게 섞이고 발생량과 외기량이 일정한 조건을 가정하며, 농도를 ppm으로 넣을 때는 단위 환산이 필요하다. 계산한 외기량은 시설별 적용 기준과 실제 설비 풍량을 함께 확인해 운영에 반영한다.
목차
이산화탄소 환기량 계산의 답은 외기량이다
필요한 외기량은 실내의 이산화탄소 총 발생량을 목표 실내 농도와 외기 농도의 차이로 나누어 계산한다. 외기는 건물 밖에서 들어오는 공기이며, 이 계산은 실내 공기가 균일하게 섞이고 발생량·외기량·외기 농도가 일정한 정상상태를 가정한다. 정상상태란 시간이 지나도 실내 농도가 더 이상 변하지 않는 상태이며, 계산 결과는 해당 목표 농도를 유지하기 위한 외기량이다.
계산식에 ppm을 넣을 때 단위를 맞춘다
기본식은 Q = G ÷ (Ci − Co)이다. Q는 외기량, G는 실내 이산화탄소 총 발생량, Ci는 목표 실내 농도, Co는 외기 농도이며, 이 기본식의 농도는 부피비로 넣는다.
ppm은 공기 부피 백만 중 이산화탄소가 차지하는 부피를 나타내는 단위이다. 농도를 ppm으로 입력하고 G를 L/s로 입력하면 Q[L/s] = G[L/s] × 1,000,000 ÷ (Ci − Co)[ppm]으로 계산한다.
시간당 풍량으로 바꿀 때는 1 L/s = 3.6 m³/h를 적용한다. G를 처음부터 m³/h로 넣었다면 같은 식에서 Q도 m³/h로 나오므로, 발생량과 외기량의 부피·시간 단위를 통일하고 부피를 나타내는 온도·압력 조건도 맞춘다. 이 관계는 균일한 농도와 일정한 발생량 등을 가정한 질량수지, 즉 들어오고 발생하고 나가는 이산화탄소 양의 균형에 근거한다. ASHRAE 환기 해설
외기량 계산 순서
- 총 발생량 산정
인원별 이산화탄소 발생량을 합산한다. - 농도 차이 계산
목표 실내 농도에서 외기 농도를 뺀다. - 단위 확인
발생량의 부피·시간 단위와 온도·압력을 맞춘다. - 외기량 산출
농도가 ppm이면 총 발생량에 백만을 곱해 농도 차이로 나눈다. - 시간당 풍량 환산
L/s로 나온 외기량에 3.6을 곱해 m³/h로 바꾼다.
이산화탄소 발생량은 인원과 활동으로 잡는다
사람이 주된 발생원인 공간에서는 총 발생량 G를 재실 인원 N과 1인당 발생량 g의 곱으로 구한다. 재실 인원은 해당 시간에 공간 안에 있는 사람 수이며, 서로 다른 활동을 하는 집단이 함께 있으면 집단별 인원과 발생량을 곱한 뒤 합산한다.
1인당 발생량은 모든 사람에게 같은 상수가 아니다. Persily와 de Jonge의 연구는 연령, 성별, 체중, 신체 활동을 반영해 발생량을 추정하므로, 앉아서 일하는 공간과 운동하는 공간에 같은 값을 그대로 적용하지 않는다. 자료에서 값을 가져올 때는 대상 집단과 활동 조건, 부피 환산에 사용한 온도·압력을 함께 확인한다. 재실자의 이산화탄소 발생량 연구
계산서에는 발생량 숫자만 쓰지 말고 선택 근거와 예상 인원을 함께 남긴다. 운영 중 인원이나 활동이 달라지면 기존 발생량 가정도 다시 검토하며, 조리나 연소 등 별도의 발생원이 있는 공간은 사람 수만으로 총 발생량을 정하지 않는다.
이산화탄소 환기량 계산을 숫자로 따라 해 본다
다음은 계산 방법을 설명하는 가상의 예시이며, 인원·발생량·농도는 모두 설명을 위해 정한 값이다. 한 공간에 20명이 있고 1인당 이산화탄소 발생량을 0.005 L/s로 가정하며, 외기 농도는 450 ppm, 목표 실내 농도는 950 ppm으로 둔다. 여기서 950 ppm은 법정 기준이나 모든 시설의 권장값을 뜻하지 않는다.
총 발생량은 G = 20 × 0.005 = 0.100 L/s이고, 실내외 농도 차이는 950 − 450 = 500 ppm이다. 따라서 필요한 외기량은 Q = 0.100 × 1,000,000 ÷ 500 = 200 L/s가 된다.
이를 시간당 풍량으로 바꾸면 200 × 3.6 = 720 m³/h이며, 인원으로 나누면 1인당 36 m³/h이다. 다른 단위로 검산하면 총 발생량은 0.100 × 3.6 = 0.360 m³/h이고, 500 ppm은 부피비 0.000500이므로 0.360 ÷ 0.000500 = 720 m³/h로 일치한다. 이 결과는 앞서 설정한 정상상태와 균일한 혼합 조건에서 해당 목표 농도를 유지하는 계산값이다.
가상 예시 계산표
| 항목 | 넣은 값 또는 계산 | 결과 |
|---|---|---|
| 총 발생량 | 20명 × 0.005 L/s | 0.100 L/s |
| 실내외 농도 차이 | 950 − 450 ppm | 500 ppm |
| 필요 외기량 | 0.100 × 1,000,000 ÷ 500 | 200 L/s |
| 시간당 외기량 | 200 × 3.6 | 720 m³/h |
| 1인당 외기량 | 720 ÷ 20 | 36 m³/h |
목표 농도와 외기 농도가 바뀌면 결과도 달라진다
필요한 외기량을 구할 때 Ci에는 유지하려는 목표 농도를 넣는다. 반대로 정상상태에서 측정한 실내 농도를 넣으면, 알려진 발생량을 바탕으로 그때의 실제 외기량을 추정하는 계산이 된다. 두 계산은 식이 같아도 목적이 다르므로 계산서에 목표값인지 측정값인지 표시한다.
앞선 가상의 예시에서 발생량 0.100 L/s와 외기 농도 450 ppm을 유지한 채 목표 농도를 850 ppm으로 낮추면, 농도 차이는 400 ppm이고 외기량은 900 m³/h가 된다. 목표를 950 ppm으로 유지하면서 외기 농도를 550 ppm으로 바꿔도 차이가 400 ppm이므로 결과는 같은 900 m³/h이다. 이 비교의 농도와 풍량도 모두 가상 조건에 대한 계산값이다.
따라서 외기 농도를 관행적인 고정값으로 넣기보다 계산 대상 시간과 외기 유입 위치를 대표하는 값을 확인한다. 목표 농도가 외기 농도 이하이면, 지속적인 실내 발생원이 있는 이 모델에서는 외기 희석만으로 그 목표를 유지할 수 없다. ASHRAE도 외기 농도 확인의 필요성과 이산화탄소만으로 전체 실내공기질을 평가하는 데 따르는 한계를 설명한다. ASHRAE 실내 이산화탄소 입장문
가상 농도 조건별 외기량
| 목표 실내 농도 | 외기 농도 | 농도 차이 | 필요 외기량 |
|---|---|---|---|
| 950 ppm | 450 ppm | 500 ppm | 720 m³/h |
| 850 ppm | 450 ppm | 400 ppm | 900 m³/h |
| 950 ppm | 550 ppm | 400 ppm | 900 m³/h |
※ 총 발생량 0.100 L/s를 가정한 비교이다. 색은 외기량 차이를 표시하며 법적 판정을 뜻하지 않는다.
공간 부피는 환기횟수와 농도 변화 시간에 쓴다
정상상태에서 필요한 외기량을 구하는 기본식에는 공간 부피가 직접 들어가지 않는다. 같은 인원과 발생량, 같은 실내외 농도 차이를 가정하면 공간이 커져도 계산한 외기량은 같지만, 농도가 변하는 속도는 달라진다.
앞선 가상의 예시에 공간 부피 300 m³를 추가하면 외기량 기준 환기횟수는 720 ÷ 300 = 2.4 h⁻¹이다. 환기횟수는 시간당 외기량을 공간 부피로 나눈 값이며, 이 값이 실내 공기를 매시간 완전히 교체한다는 뜻은 아니다. 균일하게 섞인 공기에서는 새로 들어온 공기도 기존 공기와 함께 배출되기 때문이다.
시간상수는 농도 변화의 시간 규모를 나타내며, 이 조건에서는 부피를 외기량으로 나눈 300 ÷ 720시간, 즉 25분이다. 초기 농도가 외기 농도와 같고 인원·발생량·외기량이 계속 일정한 이상적 혼합 조건에서는 약 세 시간상수인 75분 후 정상상태 농도 상승분의 약 95%에 도달한다. 연구에서 설명하는 이 관계를 가상 공간에 적용한 결과이며, 실제 공간의 대기시간을 일률적으로 75분으로 정하는 근거는 아니다. 발생량 연구의 정상상태 도달 시간 설명
총 급기량과 순간 센서값을 넣으면 틀릴 수 있다
급기량은 실내로 공급하는 전체 공기량이며, 여기에는 실내에서 회수해 다시 보내는 재순환 공기가 포함될 수 있다. 일반적인 재순환은 이산화탄소를 제거하지 않으므로, 팬의 총 급기량을 계산식의 외기량으로 그대로 대입하지 않는다. ASHRAE의 외기와 재순환 공기 설명
입실 직후처럼 농도가 계속 상승하는 때의 측정값을 정상상태 식에 넣으면 실제보다 외기량을 크게 추정할 수 있다. 인원과 설비 운전이 일정한 상태에서 농도 추세를 확인하고, 센서 오차와 위치의 영향도 함께 검토한다. 다른 실내 구역과 공기가 상당히 오가거나 공간 안의 농도 차이가 큰 경우에는 공간 전체를 하나의 균일한 구역으로 보는 가정도 맞지 않을 수 있다. ASHRAE의 외기량 추정 조건과 한계
이어서 읽을 글: 환기설비 풍량 측정 5단계 — 풍속계·덕트계산·기준판정
계산값을 설비 풍량과 운영 기록에 대조한다
계산 뒤에는 대상 공간에 실제로 전달되는 외기량을 확인한다. 설비 자료의 풍량이 외기량인지 총 급기량인지 먼저 구분하고, 풍량 측정값을 비교할 때는 측정 당시 운전 모드와 대상 공간을 계산 조건에 맞춘다.
농도 측정으로 외기량을 역산했다면 창문이나 틈새로 들어온 외기의 영향도 결과에 포함될 수 있으므로, 이를 곧바로 기계환기 설비만의 성능으로 해석하지 않는다. 운영 기록에는 계산 대상 시간, 인원과 활동, 발생량 근거, 실내외 농도, 창문 상태, 설비 운전 상태를 함께 남긴다.
시설별 이산화탄소 기준과 환기설비 관련 수치는 해당 시설의 종류·규모·신축 또는 기존 여부에 적용되는 현행 조문 원문에서 확인한다. 이 글의 가상 목표 농도와 계산 외기량은 법적 판정에 사용하지 않으며, 현장 적용에서는 목표값을 선택한 근거와 실제 외기 공급 상태까지 연결해 확인한다.
현장 적용 전 확인 항목
- ✓대상 공간의 인원과 활동을 기록한다.
- ✓1인당 발생량의 선택 근거를 남긴다.
- ✓목표 농도와 측정 농도를 구분한다.
- ✓실내외 농도와 창문·설비 상태를 함께 기록한다.
- ✓설비 풍량이 외기량인지 총 급기량인지 확인한다.
- ✓시설별 적용 수치는 해당 현행 조문 원문에서 확인한다.
