공기의 구성과 청정기준

1. 공기의 조성

대기중에는 여러 가지 액체와 고체가 불순물 형태로 포함되어 있거나 부분적으로 특수한 기체가 함유되어 있는 경우도 있지만, 자연 상태의 공기는 일정한 형태의 혼합기체이다.

공기의 조성은 0C, 760mmHg 건조상태에서 표 I-1과 같다.

성분	% (v/v)
산소	20.93
질소	78.10
탄산가스	0.03
아르곤	0.94
헬륨 ․ 크립톤 ․ 네온 ․ 키세논 ․ 수소 ․ 암모니아 ․ 오존 ․ 질소산화물	미량

표 I-1 건조공기의 조성 (0C, 760mmHg)

아르곤(Ar), 헬륨(He)외의 가스는 소량으로 질소(N)에 포함시키면, 산소(O)20.93%, 질소(N)79.04%, 탄산가스(CO)0.03%가 된다. 또 질소(N)와 산소(O)의 구성은 다음과 같이 나타내기도 한다.

용량 <	N 79.1%
	O 20.9%
중량 <	N 76.8%
	O 23.2%
공기의 평균분자량 = 28.84
공기의 밀도 (0C, 760mmHg) = 1,293g/ℓ (=1,293kg/m)

이러한 성분 가운데 산소(O)는 인간에게 대단히 중요한 의미를 갖고 있다. 인간은 공기중의 산소(O)를 마시므로써 산화작용을 하여 생활한다. 호흡에 의해 소비된 산소(O)의 양은 성인이 시간당 약 16ℓ로 알려져있다. 인간은 산소(O)가 15%에서 50%정도 까지는 정상생활을 영위할 수 있지만, 14%에서 호흡수가 증가하고, 10% 전후가 되면 호흡곤란, 그 이상이 되면 의식불명을 경험하게 되고 7%이하에서는 생명이 위험하게 된다.

공기중의 질소(N)sms 인체에 직접적으로 작용하지 않는 물질이지만, 그 존재에 따라 산소(O)가 적당하게 유지된다. 산소(O)가 과하면 인간 생활에 여러 가지 불편과 위험을 야기시키지만 희석에 의해 방지가 가능하다. 또 어떤 종류의 생물에 의해 질소화합물이 합성되어 생물체의 구성요소인 아미노산등이 만들어 진다.

탄산가스(CO)는 보통의 대기중에는 대개 일정하지만, 특수한 조건에서는 그 비율이 증가한다. 따라서 공기의 청정의 정도에 의해 변화한다고 할 수 있다. 탄산가스(CO)의 약간의 증가는 인체에 유해하지 않기 때문에, 그 농도를 측정함으로써 공기의 오염도를 화학적으로 측정하는 하나의 방법으로 널리 이용되고 있다.

표 I-1에서 나타낸 표준 조성 이외에 공기중에 항상 존재하는 성분으로 수증기가 있다. 이것은 장소, 기후등의 조건에 따라 다르지만 그 범위는 대개 1-4%이다. 수증기가 함유되어 있을 때의 공기의 조성은 표 I-2와 같이 표시될 수 있다.

성분	%
산소	20.09
질소	75.87
탄산가스	0.03
수증기	4.01

표 I-2 수증기 4%를 함유한 공기의 조성

또 오존은 해상․삼림 등의 공기중에 비교적 다량 존재하며, 도시와 주택지에는 존재하지 않는 것으로 알려져 있지만, 도시의 대기오염의 광화확반응에 의해 유기산화물과 함께 생성되는 것도 있다. 그 외에

⑴ 수증기가 응결된 물방울 (구름과 안개)

⑵ 바닷물의 물보라와 그의 증발후에 남은 염화나트륨

⑶ 쓰레기, 토양, 검댕, 화산재

⑷ 미생물, 하등식물의 포자류

⑸ 대기오염에 의해 발생하고 아황산가스(SO), 이산화질소(NO), 알레히드류, 탄화수소(CH) 등이 혼합하는 경우가 있다.

2. 기류와 청정도

①기류

인체로부터 주위로 열이 방출되는 3가지 중 복사를 제외한 대류와 증발은 모두 인체에 접한 공기의 흐름상태에 따라 좌우된다. 피부에 접촉하고 있는 공기가 움직이지 않으면 공기온도는 체온과 비슷해지고 온도도 땀에 의해 포화에 가까워진다. 이 상태가 지속되면 대류도 증발도 멈추고 방열은 촉진되지 않고 애써서 실내공기의 온습도를 조절해도 효과가 없다.

보통 적당한 유동이 필요하고 그 값은 난방시에는 0.13-0.18m/s 냉방시에는 0.10-0.25m/s 범위가 적당하다.

온도, 습도, 기류의 세가지 환경요소가 합쳐져서 인체에 끼치는 영향을 하나의 온도표시로 표시하려고 하는 것이 유효온도(dffective temperature, ET)이다.

인체에 적당한 유효온도라고 하는 것은 연령, 성별, 착의상태, 기후등에 따라 다르지만 개인차도 크기 때문에 여러 가지 연구가 있어 비교적 명확히 되어있지만 서로 다르다. 최근 미국 학회에서는 23-25℃(상대습도 60-20%)로 나와 있지만 한국인은 약간 더 낮다고 한다.

여름에 신문에 자주 나오는 불쾌지수라고 하는 것은 이것과 관계없이 다음식으로 계산되는 숫자로 그 값에 의해 불쾌 정도를 나타내고 있다.

불쾌지수 = 0.72 (건구온도 + 습구온도) =40.6
86 이상	-	참을수 없다
80 ~ 86	-	전원 불쾌
75 ~ 80	-	반수 이상 불쾌
70 ~ 75	-	불쾌해지기 시작
70이하	-	쾌적

②청정도

온습도와 기류에 의한 온감과 함께 공기를 청정하게 유지하는 것이 공기조화의 대상이 되는 중요한 요소로 공조하는 방의 기준으로서는 “건축법 시행규칙” -일본의 빌딩관리법과 동일- 에 그 값이 정해져 있다.

부유 분진량	공기 1㎥에 0.15mg 이하
일산화탄소 함유율	100만분의 10 (10ppm) 이하
탄산 가스 함유율	100만분의 1000 (1000ppm) 이하
온도	17℃ 이상, 28℃ 이하 거실의 온도를 외기의 온도보다 낮게 하는 경우는 온도차를 너무 크게 하지 말것
상대습도	40% 이상, 70%이하
기류	0.5m/s 이하

표I-3 실내(거실)의 공조 기준치

이 표에는 온습도와 기류외에 부유분진량, CO함유율, CO함유율의 기준이 나타나있다. 공기의 청정도로서는 이것들 외에 악취, 이온, 질소산화불(NO), 유황산화물(SO)등이 있다.

먼지는 옥외로부터 들어오는 것과 실내에서 발생하는 것이 있다. 공조 장치에서는 에어필터에 의해 옥외로부터 도입된 외기와 실내공기의 환기를 여과하지만 성능이 낮거나 보수하기가 어려우면 효과가 없다. 또 공기중의 먼지량을 표I-3과 같이 중량(mg/㎥)으로 표시하는 것 외에 여지를 통홰서 그 오염의 색깔을 비교하는 비색법(ASHRAE 52-76)과 청정도가 높을 경우 먼지의 개수(개수/㎥)로 표시하는 경우가 있다. 크린룸의 미국 규격은 1입방 피트 중의 0.5μ이상의 입자수로 등급을 분류하고 있다. 인간의 호흡기에 영향을 주는 입자는 1μ이하의 미립자이다.

탄산가스(CO)는 농도가 약 5%를 넘으면 인체에 위험하지만 보통의 대기에서는 0.03-0.04%이다. 실내에서는 인간의 호흡과 연소기구에 의해 높게되지만 그것 자체로는 유해하지 않다. 그러나 표I-3 등에 0.1% 1000ppm을 허용치로 한 것은 탄산가스가 그 만큼이 되면 실내 공기는 굉장히 오염된 상태라는 것을 나타내는 지표이기 때문이다.

일산화탄소는 가스기구나 연소통 없는 스토브를 장시간 연속 사용하거나 환기부족인 상태로 사용하면 함유율이 높게 되서 중독을 일으킨다. 일반적으로는 흡연과 자동차 배기가스 때문에 증가한다.

3. 실내 공기의 정화

3.1 실내 공기의 오염과 판정

주위 환경에 의해 공기의 조성이 변하기도 하고, 이상성분이 발생하여 분진이 증가하는 경우 공기가 오염되었다고 한다. 실내가 쾌적상태에 있는가는 온도, 습도, 냄새들에 의해 좌우된다. 그러나 여기에서는 실내공기 오염의 유력한 지표로 되어 있는 탄산가스(CO), 중독을 쉽게 일으키는 일산화탄소(CO) 및 분진에 중점을 두어 살펴보기로 한다.

① 탄산가스(CO)

CO는 대기중에 0.03-0.04% 있으며, 이것이 0.1%에 도달하면 공기가 오염되었다고 본다. 위생적으로 CO의 허용농도는 0.1%로 되어있다.

표-1 흡기와 호흡의 성분

	O(%)	N(%)	CO(%)
호흡(대기)	2.93	79.04	0.03
호기	17	79	4

표-2 인간이 배출하는 CO의 양 (성인남자)

동작의 강도	CO 배출량 (m/h)	평균 CO 배출량 (m/h)
취침시	0.011	0.011
가벼운 동작	0.0230 - 0.0330	0.028
보통의 동작	0.0330 - 0.583	0.046
격렬한 동작	0.0538 - 0.0840	0.069

보통의 대기상태와 인간에 의해 배출되는 공기의 성분은 표-1과 같다. 또 CO의 배출량은 동작의 강도에 의해 표-2 와 같이 달라진다. 즉 O가 감소하여 CO와 수분이 증가하게 된다.

CO가 증가하고 있을 때는 공기의 물리적, 화학적 성상이 전반적으로 악화됨을 추측할 수 있기 때문에 실내공기의 오염의 지표로 삼고 있는 것이다.

② 일산화탄소(CO)

CO는 무색, 무취의 기체로 연탄가스, 용광로 가스 등에 다량 함유되어 있다. 또 연료의 불완전 연소에 의해 발생하기도 한다. 자동차의 배기가스 가운데는 CO가 2.4-4.6% 함유되어 있어, 도심지에서는 교통량이 많고 바람이 약할때에는 평균 25ppm 검출된다.

CO는 혈색소와 결합하여 CO-헤모글로빈을 형성하며, 혈색소의 산소운반력을 빼앗는다. 혈액을 O와 CO와의 혼합가스에 접촉시키면 각각 헤모글로빈(Hemoglobin)과 결합하게 되어 다음과 같은 식이 성립한다.

CO - hgb	=	k	CO
O - hgb			O

k는 빝과 온도, 동물의 종류에 따라 다르지만, 인간은 200-300에서 CO-헤모글로빈 친화력이 O-헤모글로빈의 그것에 비해 200-300배 강하다.

혈액의 산소흡수 능력이 인체에 10-20% 포화되면 중압감을 느끼며 가벼운 두통을 일으켜 피부혈관이 확장된다. 그러나 안정시에는 증상이 거의 나타나지 않는다. 작업시에는 20-30% 포화에 현기증과 가슴이 답답한 증세를 보이며, 30-40%에서 근력감퇴, 경련, 구토 증상을 보인다. 60-70%에서 호흡곤란으로 사망한다.

표 CO의 농도와 중독증상

CO(%)	증상
0.02	2-3시간에 두통
0.04	1-2시간에 두통
0.08	45분에 두통 2시간에 실신
0.16	20분에 두통
0.32	5-10분에 두통 현기증
0.64	1-2분에 두통 현기증 30분내 사망
1.00	1-2분에 사망

CO중독의 치료법은 신선한 공기를 보내며 심할경우는 산소흡입과 인공호흡등을 행한다.

CO의 작업위생상의 허용농도는 100ppm(0.01%)다. 호흡하는 공기중의 태농도와 중독증상의 관계는 표와 같다.

일반 사무용 빌딩에서 분진의 발생원인은 흡연에 의한 것이 대부분으로 50-70%를 점하고 있다. 그 외에 인체, 사무기기등으로부터 발생하는 것도 적지않다. 실내에서의 분진은 입경이 0.5-0.6 정도이지만, 흡연에 의한 것은 0.3 이하이다. 흡연량이 많은 방에서는 환기 회수를 많게 하는 것만으로는 불완전하며, 미립자까지 제거가능한 필터의 사용이 필요하게 된다. (전기집진기)

표1 은 흡연에 의한 실내에서의 부유분진 발생량을 종류별로 나타내고 있다. 문헌에 따라 약간씩 차이가 있지만 (이것은 흡연속도 등에 차이가 있기 때문이라고 생각됨), 10mg/h 이 타당한 선이라고 생각된다.

표1 실내에서 오염물질의 발생량

발생원	문헌	부유분진	CO	CO	NO	NO
	1	19mg/개피	58ml/개피	2.2ℓ/개피
	2				0.36ml/개피	0.022ml/개피
	3		7-11mg/개피		1.5-1.8mg/개피
	4	12.6mg/개피	72ml/개피		NO로 하여 0.9ml/개피
	5	8.55-12.9mg/h
		평균 10.5mg/h
	6	9.43-17.3mg/h
		14.5mg/h
인체			9.3ml/h	2.ℓ,h
설계치		10ml/h	70ml/h

실내에서의 발생분진량을 재실인원에 기인하는 것이기 때문에, 1인당 발생량과 재실인원으로부터 산출할 수 있다. 재실인원은 일반적으로 1인당 점유면적을 10㎡으로 잡고 있다.

1인당 부유분진 발생량을 재실인원 가운데 비흡연자도 포함되어 있으므로 흡연자를 60-70%로 하면, 앞에서 설병한 바와 같이 흡연에 의한 것이 분진의 발생원의 60-70%이므로 결국 다음과 같은 값을 얻게 된다.

10x(60-70%) / (60-70%) = 10mg

4. 대기준 분진의 크기와 분포

대기중에는 장소에 따라 정도의 차이는 있지만 분진, 유기물질, 포자, 바이러스, 박테리아 및 알레르기성 물질외에 연기, 가스, 증기 등이 물방울과 뭉쳐져 에어로졸 형태로 존재하고 있다. 이것들은 외지와 함께 혹은 실내로부터 공기조화 장치에 도입된다. 공기조화장치에 의해 필요한 정도까지 제거 청정화 되어 실내로 보내져, 요구되는 실내의 청정도를 유지하게 된다.

표1 분진농도

장소	분진농도(g/1000㎥)
전원도시	0.05-0.50
대도시의 중심지	0.10-1.0
공단지역	0.25-5.0
공장작업실	0.50-10
분진발생이 많을 지역 또는 광산	10-1000

공기중에 함유되어 있는 부유분진의 크기는 광범위하다. 분자의 크기로부터 5,000미크론(μ)정도까지 걸쳐있다. 농도는 1㎥당 0.7g에 달하는 경우도 있다. 그러나 특수한 경우를 제외하면, 공조용으로 취급하는 범위는 입경이 0.1-200 미크론, 농도로는 0.6mg/㎥을 초과하는 경우가 드물다. 표1에 표준적인 장소에서 외기의 부유분진농도를, 또 표2에 표준적인 부유분진의 입경을 표시하였다.

표2 미국 연방 규격(P:미립자수)

청정실 등급	미립자		압력 (mmAq)	온도		습도			기류 (m/sec)
	크기(nm)	농도(p/l)		(C)	오차(C)	최고(%)	최저(%)	오차(%)
100	≧0.5	≦3.5	1.3이상	19.4 - 25.0	±2.8	45	30	±10	0.45 ±0.1 (종류)
10,000	≧0.5 ≧5.0	≦3.5 ≦2.3
100,000	≧0.5 ≧5.0	≦3,500 ≦2.5

부유분진 농도는 계절, 시각에 따라서도 변한다. 설계값으로 해서는 대도시 중심지에서 일반적으로 0.3mg/㎥ 정도가 이용되고 있다. 불규칙한 형상을 가진 기름성분의 입자 혹은 전하를 띈 것은 쉽게 응집한다. 따라서 부유분진의 제거에 있어 그 난이도는 입자경, 농도, 입자의 성질에 따라 다르다.

표3 대기분진의 크기와 분포

입자의 크기(μ)	입자수	입자수에 의한 비율(%)	무게비율(%)
10-30	1,000	0.004	28
5-10	35,000	0.175	53
3-5	50,000	0.25	11
1-3	214,000	1.07	5
0-1	19,632,000	98.5	3

표4 크기에 따른 입자의 강하속도

입자의 지름(μ)	①입자수(㎥당)	②강하속도(m/min)	2.5m 강하속도
100	2650	18.04	8.1(초)
10	2650(천)	0.18	13.5(분)
1	2650(백만)	2.13 10	19(시간)
0.1	2650(십억)	2.13 10	79(일)

① ㎥당 0.37g의 분진을 함유한 공기를 기준

② 주위온도 12℃, 밀도=1 일 경우