한국건설기술연구원(원장 김병석)이 학생들을 위한 미세먼지로부터 안전하고 조용한 교실 환경 유지 관리 시스템을 개발했다고 밝혔다. 개발된 시스템은 안전하고 청정한 공기를 교실에 공급할 수 있으며, 동시에 공기조화기 소음을 최소화하여 40데시벨 이하로 상시 유지할 수 있다.

세계보건기구(WHO)에서는 2013년 미세먼지를 1군 발암물질로 분류했으며, 미세먼지는 학생들의 몸에서 염증반응을 일으켜 천식, 호흡기, 심혈관계 질환 등을 유발시킬 수 있다. 또한, 질병관리본부에 따르면 미세먼지 입자크기가 2.5㎍/㎥이하인 초미세먼지(PM2.5)는 농도가 10㎍/㎥ 증가할 때마다 폐암 발생률이 9% 증가한다.

이에 교육부는 2018년 4월 학교 고농도 미세먼지 대책을 발표했다. 학교의 초미세먼지(PM2.5) 기준을 신설했고(직경 2.5μm이하 먼지 24시간 평균 35㎍/㎥이하), 2021년까지 전국 모든 학교에 공기 정화장치를 설치했다. 그러나 초미세먼지 농도는 활동이 많은 학생들에게는 최대한 줄이는 것이 필요하며, WHO에서는 24시간 평균 15㎍/㎥로 2021년에 강화된 권고기준을 제시하고 있다.

일반적인 교실에는 미세먼지 저감을 위한 공기청정기를 비롯하여 별도의 냉난방기가 각각 설치되어 있다. 건설연 환경연구본부 연구팀은(팀장 장춘만 박사) 공기청정, 냉난방 및 환기 기능을 모두 수행할 수 있는 고성능 공기조화기와 기류 제어 시스템을 개발했다. 개발된 공기조화기는 산화아연 코팅을 통한 항균·항바이러스 필터를 포함하고 있어 살균된 안전한 공기를 교실에 공급할 수 있다. 또한, 개발된 기류 제어 시스템은 교실로 공급되는 청정 공기를 실내에 균일하게 분포시킬 수 있도록 환기 디퓨저(배기구)의 위치를 최적 설계했다.  

더불어 낮은 에너지를 사용하면서 교실 내부의 미세먼지를 상시로 저감시킬 수 있는 식물 토양 정화장치도 포함하고 있다. 식물 토양 정화장치는 식물의 잎뿐만 아니라 토양 자체도 미세먼지를 제거하는 필터로 이용된다. 특히 토양층 사이로 실내 공기를 통과시켜 미세먼지를 고성능으로 포집하는 방식은 세계 최초로 시도됐다. 토양층을 공기 정화필터로 사용하면, 약 40%의 탁월한 미세먼지 정화 효과를 나타내며, 건조한 겨울철에는 토양의 수분 함수량 덕분에 쾌적한 실내 습도도 유지할 수 있다. 식물 토양 정화필터를 학교 중앙공급 방식의 냉난방, 청정 공기정화 및 환기장치 시스템 일체에 적용한 것은 세계 최초다.

연구팀은 개발된 기술의 성능평가를 위해 2개 교실과 복도를 포함한 학교 실환경 실증 테스트 베드를 구축하여 약 2년간 성능 평가를 진행했다. 공기조화기 및 기류 제어 시스템 적용 후 미세먼지가 얼마나 감소했는지 측정했다. 기존 방식인 환기 디퓨저 위치가 교실 천장 상부에 설치되는 경우, 미세먼지 농도 개선을 위해 20분이 필요했다. 기류개선 연구를 통해 교실 복도 측면 바닥에 환기 디퓨저를 설치했으며, 13분 만에 초미세먼지 나쁨(65㎍/㎥)에서 좋음(15㎍/㎥)의 상태로 변화하는 것을 확인했다.
 
또한, 기존 교실에는 공기청정기 등에서 평균 55데시벨 이상의 높은 소음이 발생한다. 건설연은 학생들의 조용한 학습 환경을 유지하기 위해 소음저감 기술을 개발하였고, 실내 소음을 40데시벨 이하로 유지할 수 있다.

테스트 베드를 통하여 개발 성능이 확인된 시작품을 충남 예산군 소재의 수덕초등학교 2개 교실에 적용하였다. 개발된 중앙공급 방식의 시스템은 초등학교 외에도 다중이용시설, 사무실 등 공기 정화장치를 사용하는 다양한 시설에도 활용될 수 있다. 

수덕초등학교 실증 학급 (회색 실선)

식물 토양 정화장치

공기 조화기

실증 교실 내부 및 환기디퓨저(회색 실선)

이번 개발 성과는 국제학술지인 Atmospheric Environment (2022년), International Journal of Environmental Research and Public Health (2022년) 등에 게재됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 및 교육부의 국가연구개발사업(’19~’24)의 예산을 지원받아 수행 중이다. 2023년 11월 28일에 충남 예산군 소재 ’수덕초등학교 현장 구축‘을 기념하는 개소식을 진행했다.