건강한 집 짓기5_건강한 집의 시작, 라돈 환기 시스템

건강한 집의 시작, 라돈 환기 시스템
When you breathe in radon gas, radioactive particles can get trapped in your lungs. Over time, these radioactive particles increase the risk of lung cancer. It may take years before health problems appear. Radon causes 21,000 lung cance deaths each year (EPA).

라돈 가스는 흡입하면 방사능 입자가 당신의 폐에 갇히고 시간이 지남에 따라 폐암의 위험을 증가시킨다. 질병이 실제 발생되기까지 수년의 시간이 걸리지만 우리는 알지 못한다. 라돈은 매년 21,000명의 폐암 사망자를 초래하고 있다.
(출처: 미국 환경 보호국 EPA US Environmental Protection Agency)

진행 노철중 기자
글 민예령(봄하우징 디자이너)
자료 봄하우징

출처: Pixabay

우리 자연에는 ‘바람골’이라는 것이 있습니다. ‘바람이 매우 강한 장소’를 가리키지요. 특히 바람이 불어 기후적으로 영향을 미치는 특정 지역이나 장소를 지칭할 때 우리는 그곳을 바람골이라고 부릅니다. 또 다른 의미로는, 실제로 아름다운 자연을 묘사할 때 풍경이 아름답고 바람이 시원하게 부는 곳을 바람골이라고 일컫기도 했다고 합니다.

환기란 한자로 ‘換氣’라고 쓰며, 공기를 ‘바꾼다’라는 뜻입니다. 라돈 관리에서 환기는 거의 절대적인 해결 방법이라고 해도 과언이 아닙니다. 오염 공기를 오염되지 않은 혹은 덜 오염된 공기로 바꾸는 것입니다. 환기 시스템(ventilation system)은 실내 공기질 관리 전반에 대한 설계 시스템이며, 이를 통해 실내 공기를 조절해 라돈 차단과 농도 감소를 조절할 수 있습니다. 또한 외부 공기를 실내로 흡입하고 오염 공기를 배출해 공기를 순환시켜 라돈 유입을 관리하고 라돈 농도를 감소시킵니다.

라돈은 궁극적으로 실내 공기질(Indoor Air Quality)과 매우 연관이 깊은데 복합적 원인에 따라 그 질의 차이가 결정됩니다. 실내 공기 오염의 원인은 미세먼지, 포름알데히드, 휘발성 유기 화합물(VOC), 일산화탄소, 이산화탄소, 라돈, 부유 세균, 곰팡이 등으로 다양합니다. 이런 오염 발생인자를 차단하고 저감하는 것이 실내 공기질 관리의 핵심입니다.

라돈은 무색, 무미, 무취의 자연 방사성 물질로서 토양, 암석 등 물질 안의 우라늄이 붕괴되면서 생성됩니다. 실내 공기 중 라돈은 건물 하부의 암석이나 토양에서 발생하며 주택 내·외부를 마감하는 건축자재와 수돗물인 지하수에도 포함돼 있습니다.

우리나라는 산지가 많고 지형이 다양해 지역별로 라돈 발생량을 측정하면 그 차이가 매우 크게 나타나는 것을 알 수 있습니다. 또한 주거 공간의 유형과 상태에 따라서도 라돈 노출의 차이가 크게 나타납니다. 아파트에 비해 단독주택에서 검출량이 2배 이상 높게 나오며 토양과 가까울수록, 바닥과 벽 등에 균열이 많고 오래될수록 검출량이 많아집니다. 밀폐도가 높고 환기 시설이 부족한 지하층 등에서도 그 농도가 매우 높게 측정됩니다.

라돈 저감 시공법에는 지난 호에 다뤘던 ‘토양배기법’과 ‘방사선 차폐법’외에도 환기 시스템을 통한 ‘저감법’과 건축자재로 관리하는 ‘자재법’이 있습니다. 이번 호에는 환기 시스템을 통한 단독 주택 시공 시 라돈 저감법에 대한 이야기를 해보려 합니다.

▲ 실내 공기 질 다이어그램

▲ 환기 다이어그램

환기 시스템, 라돈이 머물지 않는 주택
환기 시스템은 건축적으로도 매우 중요합니다. 크게 ①자연환기(Natural Ventilation) 건물 ②기계환기(Mechanical Ventilation) 건물 ③통합환기(Mixed-Mode Ventilation) 건물로 나눠지고 주거나 상업 공간 대부분이 통합환기 시스템으로 운영되고 있습니다. 하지만 단순하게 창문과 문을 열어 내·외부 공기를 관리하는 100% 자연환기 건물도 흔하고 창문의 개폐 없이 100% 내부환기 시스템으로만 운영되는 고층 상업·주거 공간들도 많습니다. 다음은 위의 세 개 환기 시스템에 대한 정의와 장단점입니다.

100% 자연환기 시스템 100% 자연환기 시스템으로 구성된 주택은 공조 시스템이나 기계적 시스템 없이 천연 바람의 흐름에만 의존합니다. 에너지 소비가 없어 에너지 효율성이 높고 공사·사용 비용을 절감할 수 있습니다. 하지만 천연 바람의 흐름에만 의존하기에 필요에 의한 공기의 흐름을 구현할 수 없으며 일관되거나 원하는 적정 온·습도를 유지할 수 없다는 단점이 있습니다.

100% 기계환기 시스템 개구부에 거의 의존하지 않고 기계환기 시스템만을 이용해 실내 공기의 순환과 교환을 제공하는 유형으로 배기팬, 공급팬, 에어 핸들러, 덕트 시스템, 필터링 시스템이 정교하게 설계·시공됩니다. 지속적이고 편차 없는 신선한 공기의 공급과 안정적인 실내 공기질을 제어하기에 좋은 시스템입니다. 하지만 내부에서만 순환하는 공기의 양이 절대적이며 천연 바람을 통해 하는 것이 아니기에 이 역시 최상의 실내 공기 질을 유지하는 시스템은 아닙니다. 외부의 공기가 안 좋은 지역, 인구밀도가 높은 건물이나 공간에는 매우 효율적입니다.

통합환기 시스템 극단적 상황이나 공간이 아니고서는 현대 사회에서 우리는 거의 모두 통합환기 시스템을 갖춘 공간에서 지냅니다. 자연환기 시스템과 기계환기 시스템을 모두 다 차용하고 결합한 형태입니다. 사용자가 적절한 상황에 자연 환기를 하고 기계를 이용하며 실내 공기 질을 관리할 수 있는데, 제어만 잘 된다면 최상의 실내 공기 질을 유지할 수 있습니다. 거주자의 컨디션에 따라 거주자가 온·습도, 실내 환기 운동을 조절할 수 있으며 에너지 효율성, 비용 절감 면에서도 효과적입니다.

▲ 3D로 모델링한 양평 주택의 낮과 밤의 모습

양평 주택 환기 시스템 CFD 기류 가상 분석
양평 주택은 통합환기 시스템을 적극 활용한 주택입니다. 단순히 천장의 공조 시스템, 주방의 후드, 거실 에어컨 등을 설치하는 수준을 넘어서 환기 설비의 시뮬레이션과 설계 후 적합한 환기 시스템을 시공한 사례입니다. 잘 설계된 환기 시스템은 사용자와 거주자에게 적당한 온·습도를 제공하고 오염된 공기를 차단·배출합니다. 또 위생을 관리해 감염을 예방하고 가스 흡입으로 인한 피해를 줄입니다. 설계자나 시공자의 직관·주관적인 결정은 좋은 결과를 내는 경우도 많지만, 환기 설비로 인한 문제가 발생하는 경우도 많습니다. 저희 봄하우징에서는 이러한 문제를 해결하고자 데이터를 기반으로 한 객관적인 시공 방법을 제안했고 그중 핵심 기술은 3차원 모델을 활용한 환기 시뮬레이션(CFD)입니다.

‘Computational Fluid Dynamics’의 약자인 CFD는 기체와 액체 같은 유체의 흐름과 열전달 문제를 해결하기 위해 수치적인 방법과 알고리즘을 사용하는 기술이며, 해당 유체의 움직임(패턴)을 연구하는데 사용하는 컴퓨터 기반 도구입니다. 항공 우주, 자동차, 에너지를 비롯해 환경 공학의 산업 분야에 많이 응용되며 다음과 같은 순서로 결과물을 도출해 냅니다.

1. 환경 모델 생성 시스템의 물리적 도메인과 경계 등을 정의해 기하학적 가상 모델을 생성합니다.

2. 그리드 생성 계산 그리드를 사용해 제어 볼륨과 셀로 나누고 이를 통해 연속적인 유체의 특성과 방정식을 근사치화 합니다.

3. 유체의 물리적 모델링 유체의 흐름, 열전달, 난류, 화학 반응과 같은 물리적 현상을 적절한 수학적 방정식과 난류 모델로 모델링 합니다.

4. 경계 조건 수립 계산 도메인의 경계에 경계 조건을 적용해 해당 위치에서의 유체 패턴을 지정합니다.

5. 수치적 해답 도출 이산화된 방적식을 유한 차분법, 유한 부피법, 유한 요소법과 같은 수치적인 방법을 사용해 반복적으로 해결합니다. 이는 각 제어 볼륨에 대해 방정식을 해결하고 특정 해답이 수렴될 때까지 해답을 업데이트하는 과정입니다.

6. 분석 시뮬레이션에서 얻은 결과를 분석하고 시각화해 유체의 속도, 압력, 온도, 분포 및 기타 관련 매개 변수에 대한 데이터를 확보합니다.

그럼 양평 주택에서 진행했던 실제 모델링과 분석 과정을 보여드리겠습니다.

▲ 3D 모델 생성

STEP1_3D 모델 생성 분석을 하기 위해서는 단순히 형태만 흉내 낸 3D 모델이 아닌 기초공사와 내장재에 사용된 모든 자제에 대한 정보가 포함돼야 합니다. 개구부와 환기구의 위치 등도 정확한 위치에 정확한 크기로 배치된 3D 모델을 완성합니다. 실내 가구 배치 등도 예정된 위치에 설정해야 더 정확하게 분석할 수 있습니다.

▲ 공기의 흐름 설정

STEP2_공기의 흐름 설정 시뮬레이션을 하기 위해서는 해당 3D 모델의 공기의 이동 방향에 대해 설계자가 특정 개구부들을 설정해 공기의 유입과 공기의 배출을 설정합니다.

▲ 공기 속도에 따라 다른 색상들로 표시한 결과물

STEP3_난류모델(기류 가상 분석) 생성 이렇게 공간의 건축적 사전 설정을 마치고 기류의 분석을 시뮬레이션 하게 되면 공기 속도에 따라 다른 색상으로 표기되고 공기의 흐름 방향은 화살표로 도출돼 결과물이 생성됩니다.

▲ 단면을 분석한 모습. 공기의 흐름과 방향을 화살표로 볼 수 있다.

STEP4_설계의 적용 해당 시뮬레이션을 몇 차례 진행하면서 가장 효과적인 위치와 크기의 개구부, 동선, 환기 장치가 필요한 위치 등을 파악해 여러 시나리오를 도출해 냅니다. 거주자가 최적의 공기질을 누릴 수 있고 냉·난방비를 가장 많이 절감할 수 있는 최상의 시나리오를 선정해 설계 단계에서 적극 활용할 수 있을 것입니다.

▲ 공기의 흐름이 정체된 계단실

어디에 우리의 ‘바람골’을 설치해 볼까요? 양평 주택의 경우 공기의 흐름이 정체되고 오염된 공기가 많이 유입되는 곳은 부엌과 욕실이 양옆으로 위치한 좁은 계단실이었습니다. 시뮬레이션을 통해 얻은 결과를 바탕으로 환기가 부족한 부분에 추가적으로 공조기 시공을 했습니다. 스마트 환기 시스템은 양평 주택의 공간별 온·습도를 체크해 자동적으로 공기의 온·습도를 조절합니다. 공기 오염도 역시 자동으로 체크되고 환기 시스템이 작동해 라돈 농도를 낮출 수도 있습니다.

공기의 흐름과 그로 인한 내부 환기, 궁극적으로 그 환기를 통한 실내 공기 질의 향상은 매우 복합적인 환경의 전제가 밑바탕에 깔려 있습니다. 공간(space)의 지형(geography), 향(orientation), 높이·층고(height) 등이 기본적으로 큰 영향을 끼치며 창의 위치와 개수, 그 크기 역시 많은 변화를 가져올 수 있습니다. 대부분의 아파트는 북쪽의 부엌 옆 작은 창문에서 바람이 들어오고 남쪽의 더 큰 창문으로 바람이 나가는 바람길이 우세한 공간입니다. 그래서 늘 음식 냄새는 거실로 향하고 오래 남아 있지요.

라돈 저감 시공에 있어서 외부공기 유입법(Ventilation Method)은 실외 공기를 실내로 유입시켜 실내에 양압을 형성합니다. 바닥 및 벽체에서 실내로 유입되는 라돈 가스의 유입을 최대한 방지하고 실내에서 생성된 라돈 가스는 최대한 빨리 배출하는 방법입니다. 환기량은 실내 공기의 라돈 농도를 비롯한 다른 오염 물질의 농도에 따라 다르기 때문에 시공 전 토양의 방출량이나 실내의 라돈 방출량을 계산해야 합니다. 시뮬레이션을 통해 필요 용량을 설정하고 적절한 장치 설치와 제어 관리가 필수입니다.

많은 건축가나 실내건축가들이 공조 시스템에 대해 계산을 할 때, 단순히 용량과 거리(길이) 만으로 계산해 공조 서비스를 설계하고 공조기를 설치합니다. 하지만 그 외에 공간의 구조나 공간의 활동 타입, 동선이나 개구부의 위치에 따라 많은 변수가 발생함으로 위의 CFD와 같은 시뮬레이션이 필요한 것입니다. 이후 공조기의 타입과 위치 등을 결정하는 것이 에너지 효율성과 공간의 쾌적성 면에서 훨씬 더 효과적이라는 것을 간과해서는 안 될 것입니다. 공간에 적절한 ‘바람골’들이 잘 설계되고 시공된 공간, 그래서 쾌적하고 건강한 집, 바로 저희 봄하우징이 만들어가는 집입니다.

봄하우징
건강하고 아름다운 공간을 만들기 위해 완벽한 디자인, 철저한 시공, 그리고 지속적인 연구개발을 하고 있습니다. 오랜 경험과 기술력을 바탕으로 단순한 공간 디자인을 넘어 더 나은 라이프 스타일을 제안하며 건강한 삶을 지향합니다.
02-333-2006
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