코로나19 바이러스 확진자가 연일 수십만명을 기록하는 가운데 취약계층인 학생들이 생활하는 학교시설의 실내공기질(IAQ) 관리를 위해 환기시스템 적용이 시급하며 이를 위한 기준마련이 필요하다는 주장이 제기됐다.

지난 16일 국회에서 개최된 ‘코로나19 등 바이러스 감염예방을 위한 학교 환기시스템의 중요성’ 포럼에는 국회, 보건, 의료, 대학, 연구기관, 기업 등 다양한 전문가들이 참석해 바이러스·미세먼지 문제해결의 대안으로 학교 환기시스템의 확대적용·개선방안 마련을 논의했다.

이번 국회포럼은 허종식 더불어민주당 국회의원과 인하대 수도권 미세먼지 연구·관리센터(이하 미세먼지센터)가 공동으로 주최했으며 칸kharn이 주관하고 교육부, 질병관리청이 후원했다.

특히 칸은 이번 국회포럼을 계기로 유튜브 채널을 개설해 발표를 비롯한 생생한 토론현장이 담긴 영상을 온라인으로 공개한다. 시청을 원하는 사람은 유튜브에서 ‘칸kharn’ 채널을 검색하면 된다.

포럼에서는 △바이러스·미세먼지가 청소년 신체에 미치는 영향(임대현 인하대 소아과 교수) △학교 환기시스템 현황 및 확대적용 필요성(민동준 교육부 학생건강정책과 사무관) △학교 환기시스템 최신 기술동향 및 연구성과(이윤규 한국건설기술연구원 선임연구위원) △공기질 향상 및 감염병 확산방지를 위한 DOAS 외기전담공조시스템(김종헌 MTES 대표) △학교 환기·냉방·제습·살균 등 복합환기시스템 기술동향(백재현 에이올코리아 대표) 등 발표가 이뤄졌다.

발표 이후 진행된 패널토론은 정용원 인하대 미세먼지센터 센터장이 좌장을 맡았으며 이상은 질병관리청 방역대책본부 역학조사팀 연구관을 비롯한 발표자들이 청중들과 함께 활발한 토론을 벌였다.

이수현 허종식 국회의원실 보좌관은 개회사에서 “코로나19뿐만 아니라 대부분의 바이러스는 비말이나 밀접접촉에 의해 전염될 확률이 가장 높다”라며 “교실이라는 곳은 특성상 밀폐된 공간에서 아동·청소년들이 밀접하게 접촉하는 공간이 될 수밖에 없다”고 지적했다.

이어 “학교 환기시스템을 주제로 삼은 이번 포럼은 학교에서의 바이러스 전염병 예방차원에서 매우 중요하다”라며 “이번 포럼을 통해 아동·청소년들이 학교에서 마음 놓고 지낼 수 있도록 환경시스템이 구축되길 바란다”고 밝혔다.

임대현 인하대 소아과 교수는 ‘바이러스·미세먼지가 청소년 신체에 미치는 영향’ 발표에서 “코로나19 바이러스뿐만 아니라 사스(SARS: 중증급성호흡기증후군), 메르스(MERS: 중동호흡기증후군), 독감, 홍역, 수두, 수족구병, 뎅기열 등이 학교 내 감염병으로 잘 알려져 있다”라며 “학교는 교실 내 닫힌 공간에서 밀접접촉을 일정시간 동안 지속하므로 집단감염이 발생할 확률이 크다”고 지적했다.

미국 미시간주가 일일 단위로 발표하는 학교 내 코로나19 집단감염 현황에 따르면 유치원·초등학교·중학교·고등학교에 발생하는 집단감염은 학생뿐만 아니라 교직원에게도 빈번하게 발생하는 것으로 나타났다.

또한 1979~1988년 영국에서 발생한 66차례의 학교 내 집단감염 사례를 분석한 논문에 따르면 학생 8,000여명, 교직원 500여명이 감염돼 1명이 사망한 것으로 집계되기도 했다. 이 66차례의 사례에서 호흡기·위장관 등 바이러스 감염은 55회로 83%에 달하는 것으로 나타났다.

임대현 교수는 “미세먼지의 경우 취약계층인 소아, 청소년이 노출되면 독성이 나타나며 특히 기저질환이 있는 아이들은 독성이 더욱 잘 나타나게 된다”라며 “미세먼지는 뇌, 눈, 심장, 폐, 미세혈관 등에 영향을 미쳐 손상을 입히며 고혈압, 심부정맥, 당뇨병, 정신질환 등을 유발하고 임신, 태아 발달, 출산 등에 모두 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다”고 경고했다.

미국에서 취약계층인 소아, 천식 기저질환이 있는 아동 등 150명의 유치원생을 대상으로 실내 대기오염물질과 증상에 대해 조사한 결과 기침, 쌕쌕거림, 활동량 저하, 운동장애, 대화장애 등이 나타났다.

인하대가 인천, 제주지역 초등학교 2학년 학생 1,396명을 대상으로 조사한 결과 대기질이 상대적으로 나쁜 인천에서 더 많은 학생들이 알레르기 비염을 앓는 것으로 나타났다.

인천 22곳의 대기질 평균 PM10은 52.37㎍/㎥, PM2.5는 14.3㎍/㎥였으며 71개 교실평균 PM10은 154.2㎍/㎥, PM2.5는 17.78㎍/㎥로 나타났다. 이에 비해 제주 4곳의 대기질 평균 PM10은 20㎍/㎥, PM2.5는 4.1㎍/㎥였으며 교실 6곳의 평균 PM10은 59.36㎍/㎥, PM2.5는 5.61㎍/㎥로 나타났다.

학생 조사결과 인천지역 초등학교 2학년 학생들의 알레르기 비염 진단병력은 34.13%에게 나타났으나 제주지역 학생들은 20.02%로 더 적었다. 또한 천식의 경우 12개월 이내 치료병력이 있는 인천지역 학생은 4.19%인 것에 비해 제주지역 학생은 3.78%로 더 적었다.

임대현 교수는 “소아 천식환자 30명을 대상으로 가정 내 미세먼지 농도를 낮춰 10주간 관찰한 결과 약물사용이 감소했으며 부분적으로 폐기능 개선효과가 관찰됐다”라며 “학교 교실에서의 바이러스는 집단감염을 유발하며 미세먼지는 농도에 따라 증상이 심해지는 데다 기저질환이 있는 경우 증상이 더 나빠지므로 환경개선의 필요성을 확인할 수 있다”고 밝혔다.

민동준 교육부 학생건강정책과 사무관은 ‘학교 환기시스템 현황 및 확대적용 필요성’ 발표에서 “전국 2만391개교 대상으로 학교 환기설비 설치현황을 조사한 결과 2021년 기준 공기정화설비는 1만6,808교로 82.4%에서 설치하고 있으나 기계환기설비는 567교, 2.8%로 나타났으며 병행설치된 경우는 3,015교로 14.8%였다”라며 “2020년 기준 전국 유치원·초등학교·중학교 내 공기정화장치 설치는 완료됐지만 66㎡ 교실규격의 1.5배에 해당하는 환기용량에 부합하지 않는 경우가 많아 추가조치가 필요하다”고 밝혔다.

국내 학교 환경위생관리는 학교보건법 상 ‘학교 환경위생 및 식품위생 관리매뉴얼(이하 매뉴얼)’에 따라 실시하고 있다. 매뉴얼은 1인당 환기량이 시간당 21.6CMH 이상이 되도록 유지·관리기준을 규정하고 있으며 실내 CO₂ 농도를 자연환기 시 1,000ppm, 기계환기 시 1,500ppm 이하로 유지토록 하고 있다.

또한 미세먼지의 경우 PM10 75㎍/㎥ 이하(체육관 150㎍/㎥ 이하), PM2.5 35㎍/㎥ 이하로 유지하고 오존은 0.06ppm 이하로 유지토록 하는 등 코로나19 바이러스보다는 미세먼지·황사·유해가스 중심으로 관리하고 있다.

최근 코로나19 확산에 따라 마련된 ‘유·초·중등 및 특수학교 코로나19 감염예방 관리안내’에 따르면 교실 내 감염예방을 위해 창문은 상시 개방토록 하고 있으며 부득이한 경우 창문을 쉬는시간마다 개방하거나 환기설비를 가동해 충분한 환기가 실시되도록 권고하고 있다.

또한 환기설비는 내부순환모드를 지양하고 외기도입량을 최대로 하되 필터교체 시 누기가 발생하지 않도록 해야 하며 냉난방기 사용 시에도 1시간마다 1회 이상 맞통풍 환기를 실시토록 조치했다.

민동준 사무관은 “현재 전국 교실에 설치된 공기정화설비의 대부분은 공기청정기로 확인되고 있으나 공기청정기는 내부공기를 정화해 순환시키는 방식이므로 환기의 보조적 개념으로 보는 것이 적절하다”라며 “장기적으로는 기계환기설비를 고려하는 것이 적절하나 기계식 환기장치는 기존학교건물에 설치 시 천장해체, 덕트설치 등 작업이 선행되야 하며 에너지측면이 고려되지 않으면 외기유입에 따른 열손실 발생으로 냉난방비 부담이 가중될 가능성이 있어 이러한 문제를 해결할 수 있는 종합적 학교 환기시스템 개발이 필요한 실정”이라고 지적했다.

이와 관련해 현재 교육부·과학기술정보통신부는 공동주관으로 ‘에너지·환경 통합형 학교 미세먼지관리기술 개발사업’을 추진 중이다. 2019년 착수해 2024년까지 진행되는 해당 사업은 신재생에너지 활용, 에너지 소비효율 개선에 기반한 학교 미세먼지 관리를 위한 사업이다.

교육부는 사업결과를 토대로 학교현장에 최적화된 청정공조환기시스템 적용과 학교 맞춤형 공기환경 개선방안이 마련되고 법·제도적 개선을 통해 전반적인 학교 IAQ관리방안이 도출될 것으로 기대하고 있다.

민동준 사무관은 “현재 교육부는 ‘그린스마트 미래학교사업’을 통해 노후 학교시설을 개축 또는 리모델링해 4차 산업혁명에 대비할 수 있는 학습환경을 갖추고자 한다”라며 “사업추진 과정에서 학교환기 및 공조시스템, 내부공기순환 등 학교의 건축적 설계를 사전에 고려하면 학교환기에 투입되는 사회·경제적 비용을 감축할 수 있을 것으로 판단된다”고 밝혔다.

이어 “전열교환이 가능한 환기를 통해 에너지손실을 줄이고 IAQ를 적절히 관리할 수 있을 것”이라며 “공기 중 부유세균, 바이러스 살균 등 복합적 환기시스템에 대한 기술적 여건을 함께 고려해 코로나19와 같은 감염병 확산조건 등 환경적 요소에 선제적이고 즉각적 대응이 가능토록 예방하는 것이 중요하다”고 강조했다.

이윤규 건설연 선임연구위원은 ‘학교 환기시스템 최신 기술동향 및 연구성과’ 발표에서 “지난 5일 기준으로 신규확진자 중 18세 이하 비율은 25.8%인 6만5,490명에 달하며 1학기 개학 이후 확진자가 급증해 개학 첫날 16% 학생들이 등교하지 못했다”라며 “학교 공기정화장치 보급이 공기청정기에 편중돼 기계환기설비 보급이 부족하고 환기설비의 유형, 제품별 성능 및 유지관리 등에 대한 지식과 정보도 부족한 형편”이라고 지적했다.

이어 “당초 학교시설에 환기장치 중심의 보급이 적절하다는 권고사항이 있었음에도 미세먼지 중심의 대책마련에 따라 콘센트만 연결하면 사용할 수 있는 편리성 탓에 공기청정기 중심으로 보급이 이뤄져 왔다”라며 “이처럼 환기장치를 설치하지 않고 공기청정기를 설치함에 따라 코로나19 감염확산 이후 오히려 더 문제가 되는 상황”이라고 밝혔다.

미국 EPA(US Environmental Protection Agency: 환경보호청)는 공기청정기 사용의 경우 자연환기만 가능한 교실에서 외기상태로 자연환기를 할 수 없을 때 사용토록 하고 있으며 이밖에는 기계환기를 권고하고 있다. 또한 기계환기 중에서도 교실 밀폐상태 유지나 환기효율성을 높이기 위해 중앙집중형 기계식환기시스템을 활용토록 권장하고 있다.

실내 오염농도는 오염물질의 발생량, 환기량은 물론 환기설비 운영 및 유지관리에 따라 크게 달라질 수 있다. 환기방식 중 희석환기는 일시적 또는 지속적 오염물질 발생조건에서 오염농도를 50% 줄이려면 공기체적의 2배 이상의 공기가 필요하다. 다만 효과적인 치환환기의 경우 효과가 더욱 커질 수 있다.

이윤규 위원은 “국내에서도 학교 IAQ에 대해 질병청, 건설연을 비롯한 산·학·연 등의 주도로 다양한 개선전략을 이미 도출해두고 있다”라며 “이러한 정보들이 잘 전달되지 못한 문제가 있어 개선이 필요하다”고 밝혔다.

최근 학교에 설치되고 있는 환기장치(공기순환기) 사례를 보면 일반적인 천장형, 바닥상치형에서 나아가 창문 또는 벽체타공을 통한 스탠드형 환기장치가 확산되는 추세다. 또한 전열교환시스템은 물론 UV살균시스템, TiO₂ 광촉매 살균방식, 고성능필터 및 다중필터시스템 등 내부구조가 고도화되는 방향도 엿볼 수 있다. 이에 더해 벽체타공이나 일부 창문점유가 필요 없는 창문설치형 하이브리드 환기설비 등 차별화 제품도 등장하고 있다.

이윤규 위원은 “가장 중요한 것은 단순한 환기뿐만 아니라 에너지를 적게 쓰면서 효율적으로 환기하는 것”이라며 “효율적 환기를 위한 시스템 제어, 내·외기 공기질 센싱 및 모니터링 등 기술이 개발돼있음에도 불구하고 현장적용 시 녹록지 않은 환경탓에 효과적으로 적용되지 못하고 있다”고 밝혔다.

이어 “고무적인 점은 학교 미세먼지 관리를 위한 교육부·과기부 공동 R&D사업단이 운영 중이어서 기술개발, 현장적용, 법·제도개선을 포괄하는 개선방안이 도출되고 있다는 것”이라며 “해당 사업단에서는 관리시스템을 적용하려는 시도 역시 병행되고 있다”고 소개했다.

건설연은 최근 코로나19 확진자가 발생한 학교를 대상으로 실내 공기오염물질 거동특성 및 영향인자 분석을 실시했다. 교실감염 사례에서 24명 중 20명이 확진된 사례였으며 최초확진자는 교실 중간에 위치해 발생 당일 수업시간 중 종일 체류했다. 교실 내 다수 학생들이 마스크를 벗은 채 친교활동했으며 기계환기장치는 없었다. 이러한 상황에서 밀폐공간 내 에어컨 및 공기청정기가 가동된 점이 감염을 확산시킨 요인으로 분석됐다.

바이러스와 입자크기가 유사한 에어로졸을 분사해 거동특성을 실험한 비말유사입자 실험에서는 밀폐 시 냉방기에 의해 발생한 바람이 기류방향을 형성, 입자를 확산하는 것으로 관찰됐으며 자연환기 시 입자제거가 빠르게 이뤄졌으나 창문개방 위치에 따라 일부 와류발생이나 기류방향에 변화가 나타났다.

공기감염 우려가 있는 OO고등학교 기숙사 독서실을 대상으로 환기장치를 시험설치하고 비말유사입자 실험을 실시한 결과 환기장치 흡기구가 위치한 저층부에서 오염물질 흡입이 원활한 것으로 확인됐으며 환기설비 상단 배기구에서 배출된 신선공기에 의한 상층부 기류가 형성되는 현상이 나타났다.

이윤규 위원은 “기존에는 전문가들이 기계환기설비를 보급하는 것이 좋겠다는 수준으로 발언해왔으나 현재는 기계환기설비를 설치해야 한다고 강하게 주장할 정도로 기류가 변했다”라며 “앞으로는 학교현장에 보다 많은 정보를 제공해 관리자에게 관리포인트를 알려주고 위험도를 줄일 수 있는 방안을 제시할 수 있어야 한다”고 강조했다.

김종헌 MTES 대표는 ‘공기질 향상 및 감염병 확산방지를 위한 DOAS시스템’ 주제발표에서 “IAQ관점에서 최근 화두는 외부 미세먼지 유입방지와 내부 밀폐환경으로 인한 감염병 예방”이라며 “환기는 반드시 필요하지만 냉난방장치와 같이 시스템 유사성이 있는 설비와 통합할 경우 에너지효율, 환기효율 향상이 가능하다”고 밝혔다.

교육부는 일반적인 교실의 적정 풍량을 800CMH로 정해두고 있으며 유사한 공간의 냉난방을 위한 풍량은 1,600CMH 수준이다. 이를 결합할 경우 팬동력을 줄여 에너지를 절감하는 한편 고정비용을 줄여 경제성을 높일 수 있으며 환기풍량을 크게 증가시킬 수 있어 정부기준을 상회하는 IAQ관리가 가능하다. 최근 학부모단체를 중심으로 교육부 관리수준이 미흡하다며 WHO 수준의 기준상향을 촉구하는 만큼 국민들의 만족도 향상이 가능할 것으로 예상된다.

이러한 솔루션으로 주목받는 시스템이 DOAS(Dedicated Outside Air Systems)다. DOAS는 전체 냉난방부하를 하나의 공조기에서 처리하는 기존 일반적인 공조시스템과 달리 실내에 필요한 신선한 외기만 별도로 처리하는 외기처리 전용 공조시스템을 말하며 중앙식 또는 각 존으로 직접 공급하는 별도의 장치를 의미한다.

DOAS는 공조와 환기가 일체형으로 구성돼 환기량을 증가시킴으로써 감염병 전파력을 줄일 수 있다. 또한 환기·공조기가 일체화돼 설비계통과 제어의 통일성에 따라 계통단순화가 가능하며 외기량이 많아 외기직접냉방을 이용한 에너지절약과 지구온난화 방지에 효과가 있다.

과거 DOAS는 지열·태양광 등 신재생열원을 사용해 한 대의 대형 공조기덕트를 이용한 공기분배시스템으로 작동했다. 각 교실을 공조기 한 대로 연결하므로 팬동력이 과대해지고 덕트 정압제어가 필요하므로 제어공사비용이 증가하는 문제가 있었다. 또한 교실별 제어를 위해 별도 풍량제어가 필요했으며 단독운전이 불가한 한계도 있다.

이에 따라 최근 DOAS 공조유니트(DOAU)로 대체되는 추세다. 지열·태양광 외 다양한 신재생열원 사용이 가능하며 각 교실별 존 공조시스템으로 개별운전이 가능하다. 또한 환기장치정도의 덕트로 실별환기와 냉난방을 동시에 해결할 수 있으며 재실인원에 따른 환기량의 능동적 변경이 가능하다. 특히 교실음압전환이 가능하다는 점과 헤파필터로 미세먼지 대부분을 필터링할 수 있다는 점이 큰 장점이다.

학교 교실의 경우 교실당 DOAU 1대를 설치해 시공비절감과 신재생에너지활용을 통한 에너지절감이 가능하다. 또한 주간에는 환기·냉난방 겸용으로 기존 열회수형 환기장치대비 2배의 환기량을 확보하면서도 외기를 직접 냉난방에 활용하며 실내 재실인원에 따라 환기량을 조절할 수 있다. 이와 함께 재실인원이 없는 야간에는 음압·UV살균을 통해 실내 부유물과 바이러스를 음압으로 포집, UV를 통한 실내소독으로 환경관리가 가능하다.

백재현 에이올 대표는 ‘학교환기·냉방·제습·살균 등 복합환기시스템 기술동향’ 발표에서 “현재 학교의 기계환기설비 보급률이 매우 낮은 상황이며 올해 초 경기도교육청을 시작으로 환기시스템으로 변화가 예상된다”라며 “3년 전 공기청정기 중심으로 학교 공기정화장치가 보급돼 현재까지 주력을 차지하고 있다”고 밝혔다.