본 연구는 IoT 기반 센서를 이용하여 실내공기질을 측정하고 있는 경기도 내 118개 다중이용시설의 측정자료를 이용하였다. 측정시설은 어린이집 77개소, 공공의료원 6개소, 노인요양원 9개소, 산후조리원 1개소와 도서관 25개소이다. 대상지역은 경기도 31개 시군 중 27개 시군에 설치되어 있으며, 그림 1과 같이 수원시 18개소, 용인시 11개소, 오산시 11개소 등에 설치되어 있다. 각 시설별 측정지점은 실내 4지점과 건물 외벽 및 현관 등 외부 1지점이며, CO₂는 실내에서만 측정하고 있다.

Fig. 1. 
Location of test facilities in this study.

IoT 센서 (Model R-AQM, RM tech Inc., Korea)는 온도 및 습도를 기본으로 PM₁₀, PM_2.5와 CO₂를 측정하도록 구성되어 있고, 10초 간격으로 연속 측정되는 데이터는 기기의 알고리즘을 통해 10분 평균값으로 계산되어 IoT 전용망을 통해 M2M (machine to machine)으로 서버에 저장된다. 측정방식은 CO₂는 비분산적외선 (Non-dispersive Infrared Spectrometer, NDIR) 방식의 측정모듈을 적용하며, 측정범위는 1~5,000 ppm이다. 미세먼지는 레이저광산란방식 (laser light scattering method)이며, 측정범위는 0~1,000 μg/m³으로서 환경부로부터 1등급 (오차율 17.7%) 인증을 받은 센서들이 설치되어 있다.

본 연구대상 시설에 설치되어 있는 IoT 기반 실내공기질 센서의 신뢰도는 챔버시험을 통해 기준측정 장비와 실내공기질 센서를 동시에 가동하여 측정함으로써 상관관계와 오차분석을 실시하였다. 시험결과, CO₂는 기준장비 (IQ610, Gaywdf, US)와의 상관계수가 0.89, 정확도는 97.1%로 나타났으므로 충분히 높은 신뢰도를 보여주고 있다고 판단하여 추가적인 보정은 하지 않았으며, 미세먼지 센서는 기준장비 (T-640, Teledyne, US)와 상대적으로 비교한 결과, PM_2.5 와 PM₁₀ 각각 보정계수를 0.66과 0.64로 산출하여 간이측정기의 데이터를 보정한 후 통계분석에 사용하였다. 자세한 신뢰성 평가내용은 선행연구 (Kim, 2021)를 참조할 수 있다.

경기도지역 공공 다중이용시설에 설치되어 있는 IoT 센서로부터 측정되는 시간별 평균농도를 수집하되, 대기 중 미세먼지 농도가 높은 계절 관리제 기간인 2020년 12월부터 2021년 3월까지 4개월 간의 자료를 토대로 분석하였다. 수집된 데이터의 이상치 (outlier)를 제거하기 위하여 전체 시설의 유형별 원자료에 대한 표준편차법 (3σ) 및 합리적인 자료범위 등을 고려하여 각각 PM₁₀, PM_2.5, CO₂, 온·습도의 이상치를 제거하였다. 또한 미세먼지 농도자료는 PM_2.5/PM₁₀ 비 (fine/coarse ratio; 이하 F/C ratio)가 0.1~0.9 범위를 벗어나는 자료와 PM_2.5와 PM₁₀ 농도자료 중 하나라도 결측치 (missing data)가 있는 데이터는 자료분석에서 제외하였다.

최종자료를 이용하여 경기도 다중이용시설 유형별 미세먼지 및 이산화탄소의 평균, 표준편차 및 농도범위를 분석하였으며, 다중이용시설의 실내공기질 수준을 평가하기 위하여 실내공기질 기준 초과 여부를 확인하였다. 또한 시계열분석을 위해 각각 요일별, 시간별로 분석하였으며, 요일은 주중과 주말로, 시간은 주간과 야간으로 더욱 세분화하여 고찰하였다. 마지막으로 실내 미세먼지의 기원 (source)에 대한 정보를 파악하기 위해 미세먼지의 실내/외기 비 (indoor/outdoor ratio; 이하 I/O ratio)와 PM_2.5/PM₁₀ 비 (fine/coarse ratio; F/C ratio)를 산출해보았다. I/O ratio가 클수록 외부로부터의 유입이 지배적이라 볼 수 있으며 (Kim and Son, 2021), F/C ratio가 클수록 2차생성 미세입자의 영향이 크고 상대적으로 사람 활동에 의해 발생되는 거대 (coarse) 입자의 발생 비중이 적다는 것을 의미한다 (Xu et al., 2017).

경기도 지역 다중이용시설에 설치되어 있는 IoT 센서에 의해 측정되고 있는 PM_2.5, PM₁₀, 이산화탄소의 1시간 평균 데이터의 시설유형별 평균농도와 표준편차와 최소값, 최대값을 표 1과 그림 2에 제시하였다.

Fig. 2. 
Concentration comparison of PM_2.5, PM₁₀, and CO₂ at test facilities.

각 시설에서의 PM_2.5 평균농도를 살펴보면, 산후조리원이 20.2±14.1 μg/m³으로 가장 높았고, 이어서 도서관 12.3±10.9 μg/m³, 노인요양원 10.1±10.4 μg/m³, 어린이집 9.8±9.7 μg/m³, 공공의료원 9.3±8.9 μg/m³ 순이었다. PM₁₀ 평균농도는 산후조리원이 40.4±24.4 μg/m³, 도서관 28.2±19.9 μg/m³, 어린이집 24.3±16.8 μg/m³, 공공의료기관 23.3±15.0 μg/m³, 요양시설 12.9±12.5 μg/m³ 순이었다. 가장 높은 농도를 보인 산후조리원은 1개 시설에서 측정된 결과치로서 전체 시설에 대한 대표성을 갖추기에는 미흡한 실정이라고 판단된다. 아울러 측정지점 4곳이 사람들의 이동량이 많은 엘리베이터 입구와 복도였으므로 산모와 신생아가 머무르는 공간보다는 높은 수치를 나타냈을 것으로 사료된다. 노인요양원은 PM_2.5에 비하여 PM₁₀이 낮게 나타남으로써 F/C 비율이 상대적으로 높았다. 이는 시설의 특성상 노인들의 활동이 제한적으로 이루어지고 있으므로 주로 실내에서 발생하는 것으로 알려져있는 PM₁₀이 많이 발생하지 않기 때문인 것으로 추측된다.

본 연구에서 얻어진 결과를 동일한 시설유형에서의 선행연구와 비교해보았다. Kim and Jang (2019)이 2019년 8월에서 11월까지 경기도 11개소를 포함한 전국 33개소 민감계층이 이용하는 다중이용시설에서 측정한 결과에 따르면, 어린이집의 PM_2.5와 PM₁₀ 농도는 각각 8.9 μg/m³과 15.6 μg/m³으로서 PM_2.5는 본 연구 결과와 비슷한 수준이었으나, PM₁₀은 다소 낮게 나타났다. 노인요양원은 PM_2.5와 PM₁₀ 각각 14.7 μg/m³, 24.0 μg/m³으로 모두 높은 수준이었으며, 특히 PM₁₀은 본 연구결과보다 약 2배 정도 높은 농도를 보였다. 공공 의료원의 경우 PM_2.5와 PM₁₀ 농도는 각각 13.1 μg/m³과 21.0 μg/m³로 본 연구 결과와 유사한 수준으로 나타났다. 이는 노인요양원과 달리 공공의료원의 출입자들은 제한이 거의 없었기 때문에 미세먼지 농도에 크게 영향이 없었을 것으로 판단된다.

이산화탄소의 오염도 수준은 노인요양원이 706±186 ppm으로 다른 시설보다 높은 수준을 보여주었다. 이는 측정기간이 12월부터 3월까지 겨울철이어서 노인요양원 특성상 난방유지를 위한 환기부족의 영향으로 파악된다. Kim (2018)의 서울시 소재 어린이집, 산후조리원, 노인요양원에서 2018년 측정한 결과에서도 노인요양원이 이산화탄소 농도가 가장 높은 것으로 분석되었다. 다음으로 어린이집이 625±294 ppm으로 높은 농도를 보였으며, 어린이집은 다른 시설유형보다 큰 표준편차 값과 최고농도 (2,788 ppm)를 확인할 수 있었다. 이는 20~30명의 어린이들이 함께 실내에서 활동하는 경우, CO₂ 농도가 상대적으로 변화율이 크고, 높은 수준을 나타낼 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

모든 측정대상시설의 평균 PM_2.5 농도는 12.3 μg/m³로서 환경부에서 지정하는 유지기준 대비 35% 수준이었으며, PM₁₀은 25.8 μg/m³로서 유지기준 대비 34%의 낮은 수준이었다. 참고로 다중이용 실내공간에서 입자상오염물질의 유지기준은 어린이집, 의료기관 등 민감계층 이용시설은 PM_2.5 35 μg/m³, PM₁₀ 75 μg/m³이며, 도서관 등 일반시설은 PM_2.5 50 μg/m³, PM₁₀ 100 μg/m³로 세분화되어 있다. 모든 시설에서의 평균 CO₂ 농도는 562.8 ppm으로 실내 유지기준인 1,000 ppm 대비 56.3%로 나타났다. 측정대상시설 118개소 각각에 대한 PM_2.5, PM₁₀, CO₂의 유지기준 초과여부를 분석한 결과, 각 시설의 평균 농도값이 유지기준을 초과한 시설은 없는 것으로 확인되었다.

현행 실내오염 관리기준은 장·단기 기준의 구분없이 연 1회 측정하여 유지기준 초과 여부를 평가하고 있다. 그러나 대기환경기준은 장·단기 기준으로 초과여부를 판단한다. 장기기준은 연평균 값이 1년 기준을 초과하는가에 대한 여부이고, 단기기준은 24시간 기준으로 99백분위수의 값이 기준을 초과하는 경우를 ‘미달성’으로 정의한다. PM_2.5에 대한 대기환경기준의 경우, 본 연구대상 시설이 위치한 경기도 대부분의 지역에서 연평균 기준은 달성하고 있으나 24시간 단기기준은 종종 초과하는 미달성지역으로 확인할 수 있다. 이러한 이유로 다중이용시설의 관리기준 초과여부를 연 1회 측정하여 평가하는 것은 실내공기질 관리 측면에서 한계가 있음을 알 수 있다. 예를 들어 유지기준 PM_2.5 50 μg/m³, PM₁₀ 100 μg/m³을 적용하는 공공도서관 25개 시설에서 측정기간 평균값의 경우, 실내공기질 관리기준을 초과하는 시설이 없었다. 그러나 24시간 평균값이 PM_2.5 유지기준을 초과하는 횟수를 살펴보면, 화성시 소재 S도서관은 4회 초과 (초과율 3.4%)하였으며, 용인시 S도서관과 화성시 N도서관이 3회 초과 (초과율 2.5%)하였다. 2회 초과한 시설은 용인시 K도서관 (초과율 1.7%)으로 대기환경기준의 단기기준을 적용했을 경우, 25개 시설 중 4개 시설, 즉 총 16%가 실내공기질 관리기준을 초과하고 있음을 확인할 수 있었다.

그림 3은 경기도 다중이용시설의 미세먼지 및 이산화탄소의 요일별 평균농도 분포이다. PM_2.5의 요일별 평균농도 범위는 어린이집 (7.9~11.1 μg/m³), 공공의료원 (7.6~10.9 μg/m³), 노인요양원 (8.5~10.9 μg/m³), 산후조리원 (18.5~21.5 μg/m³), 도서관 (9.8~14.1 μg/m³) 등으로 나타났으며, 시설별 농도 차이는 다소 발생하였으나 최고농도와 최저농도를 보인 요일은 화요일과 일요일로 동일하였다.

Fig. 3. 
Daily concentrations of (a) PM₁₀, (b) PM_2.5, and (c) CO₂ for a week.

PM_2.5의 주중과 주말 농도 비교 시 모든 시설에서 주말에 더 높은 농도를 보였다. 외기의 PM_2.5 농도도 동일한 요일에 최저, 최고 농도를 보였으며, 주말이 주중보다 높은 농도로 확인되었다. 실내 미세먼지 농도는 활동도가 많은 주중에 더 높을 것으로 예상하였으나 조사결과, 외부 공기질이 좋지 않을 때 실내농도도 같이 높아지는 것을 확인할 수 있었다. CO₂의 요일별 평균농도 범위는 어린이집 (450~700 ppm), 공공의료원 (464~503 ppm), 노인요양원 (677~726 ppm), 산후조리원 (465~498 ppm), 도서관 (474~520 ppm)이었으며, 최저대비 최대농도의 변화율은 어린이집이 55.7%이었고, 그 외 시설은 10% 이하의 변화율을 보였다. CO₂는 모든 시설유형에서 주중에 높고 주말에 낮은 특성을 보였으며, 어린이집이 주중 (685 ppm)과 주말 (461 ppm)의 농도 차이가 가장 큰 유형으로 확인되었다. 이러한 결과는 다중이용시설의 이산화탄소 농도는 미세먼지와 달리 실내 이용자의 활동도에 크게 영향을 받기 때문이다.

유형별 다중이용시설에서의 활동이 실내오염물질에 미치는 영향을 파악하기 위하여 시간대별 평균농도 변화량을 살펴보았다. 그림 4의 시간별 PM_2.5 농도변화는 산후조리원이 가장 뚜렷했으며, 오전 7시부터 증가하여 10시 이후 감소하였다. 시간대별 가장 높은 농도와 낮은 농도의 차이는 노인요양시설 (23%)을 제외하고 40% 이상의 차이를 보였다. 시간별 PM₁₀ 농도는 도서관을 제외한 모든 시설군에서 오전 8시부터 증가하여 9시와 10시경에 최고 수준으로 상승하다가 11시 이후 감소하는 형태를 보였다. 이는 이 시간대에 시설 이용자들의 활동량 증가로 인하여 실내 중 미세먼지 농도가 증가할 뿐 아니라 외기 미세먼지 농도 역시 이 시간대에 가장 높기 때문인 것으로 사료된다. 실제로 도시지역의 특성상 하루 중 아침 시간대에 유동인구 및 생산활동이 집중되고 있기 때문이다.

Fig. 4. 
Hourly concentrations of (a) PM₁₀, (b) PM_2.5, and (c) CO₂ for a day.

주간을 07시~18시, 야간을 19시~06시까지 둘로 나누어 비교해보았다. 주·야간대 PM_2.5의 평균농도는 어린이집 (주간: 10.2 μg/m³, 야간: 9.4 μg/m³), 공공의료원 (주간: 9.2 μg/m³, 야간: 9.4 μg/m³), 노인요양원 (주간: 10.3 μg/m³, 야간: 9.9 μg/m³), 산후조리원 (주간: 21.7 μg/m³, 야간: 18.6 μg/m³), 도서관 (주간: 13.5 μg/m³, 야간: 8.7 μg/m³)으로 공공의료원을 제외하고 모든 시설에서 주간대에 높은 농도로 조사되었다. 주·야간대 PM₁₀의 평균농도는 어린이집 (주간: 22.9 μg/m³, 야간: 21.5 μg/m³), 공공의료원 (주간: 23.4 μg/m³, 야간: 23.1 μg/m³), 노인요양원 (주간: 13.3 μg/m³, 야간: 12.4 μg/m³), 산후조리원 (주간: 43.5 μg/m³, 야간: 37.2 μg/m³), 도서관 (주간: 30.1 μg/m³, 야간: 32.0 μg/m³)으로 도서관을 제외한 모든 시설에서 주간대에 높은 농도로 나타났다.

시간별 CO₂ 농도는 어린이집이 가장 뚜렷한 시계열 특성을 보여주었다. 어린이들이 등원하는 오전 9시부터 CO₂ 농도는 급격히 증가하여 활동이 많은 점심시간과 오후 4시까지는 1,000 ppm 이상의 높은 농도를 보였지만, 하원 시간 이후 점차 감소하였다. 어린이집을 제외한 다른 시설의 시간별 CO₂ 농도는 실내공기질 기준 이내의 농도를 꾸준히 유지하였다. 주·야간대 CO₂의 평균농도는 어린이집 (주간: 891 ppm, 야간: 529 ppm), 공공의료원 (주간: 512 ppm, 야간: 468 ppm), 노인요양원 (주간: 740 ppm, 야간: 674 ppm), 산후조리원 (주간: 498 ppm, 야간: 473 ppm), 도서관 (주간: 514 ppm, 야간: 478 ppm)으로 모든 시설에서 주간에 높은 것으로 조사되었다. 주간과 야간의 CO₂ 농도가 가장 큰 차이를 보이는 시설군은 어린이집으로 68%의 차이를 보였다. 실내 이산화탄소는 주로 사람의 호흡으로 영향을 받는 오염물질로서 어린이집과 같이 다수의 학생들이 제한된 실내 공간에서 활발하게 활동하므로 주간대와 야간대의 CO₂ 농도 차이가 뚜렷하게 상승하는 것을 확인할 수 있었다. CO₂ 농도는 환기를 통해 쉽게 낮출 수 있기 때문에 어린이들의 건강을 위해 주기적인 환기가 더욱 필요할 것으로 사료된다.

일반적으로 실내 PM 농도는 시설 내부에서의 조리나 난방 등에 의해 크게 좌우되지만, 재실자와 이용자들의 움직임도 중요한 요소이다. 또한, 환기시설의 가동여부와 창문이나 출입문을 통한 유입·유출되는 미세먼지의 양도 무시할 수 없다. 시설 유형에 따른 실내 미세먼지의 발생특성을 평가하기 위하여 실내·외 입경별 미세먼지 농도 및 F/C ratio와 각각의 I/O ratio 분석을 실시하였다 (표 2). 그림 5에는 전체 조사기간에 대한 일별 실내의 미세먼지 농도와 F/C ratio, 입경별 I/O ratio를 도시하였다. 그 결과 실 내 PM_2.5와 PM₁₀은 비슷한 농도변화를 확인할 수 있었으며, 노인요양원을 제외하고 F/C ratio는 0.2~0.4 수준이었다. 노인요양원의 F/C ratio는 0.7~0.8로 다른 시설군과 비교하여 2배 이상의 값으로 분석되었다. 표 2의 노인요양원의 평균 F/C ratio는 0.77로 이는 PM_2.5 농도는 다른 시설과 비슷한 수준이었으나 PM₁₀이 2배 이상 낮게 유지되었기 때문이다. 이러한 결과는 노인요양원 내부에 특별한 PM_2.5 발생원이 존재하기 보다는 이용자들의 활동성이 다른 시설에 비해 낮아 상대적으로 크기가 큰 PM₁₀의 발생량이 적은 것으로 분석할 수 있다. 특히 본 연구의 대상기간인 2020년 12월부터 2021년 3월까지는 COVID-19 상황으로 환자들의 외출이나 면회가 제한되어 이용자나 방문객들의 유출·입 등에 의해 재비산 되는 PM₁₀ 농도가 크게 감소하였기 때문으로 판단된다.

Fig. 5. 
Daily variation of concentration of PM₁₀ and PM_2.5, and ratios of F/C and I/O.

또한 노인요양원 내부의 F/C ratio는 외기의 평균 F/C ratio인 0.51과 비교하여 크게 높았으며, 다른 시설군의 실내·외 F/C ratio 차이보다 큰 차이를 보여, 요양원 내부에서 거대입자가 침강한 후, 재부유되는 양이 많지 않기 때문인 것으로 분석할 수 있다. 다음으로 산후조리원 0.47, 공공도서관 0.39, 공공의료원 0.35, 어린이집 0.35 순으로, 이용자의 활동에 의한 큰 입자의 발생이 많은 어린이집, 도서관, 의료기관 등이 낮은 F/C ratio를 보였다. 실내·외 F/C ratio는 산후조리원이 0.47과 0.48로서 거의 유사한 값을 보였으며, 이는 산후조리원의 실내 PM_2.5와 PM₁₀ 모두 외기영향이 큰 것으로 평가할 수 있다. 본 연구대상 시설군 중 산후조리원의 PM_2.5와 PM₁₀의 I/O ratio가 각각 0.81과 0.83으로 가장 높게 나타났는데, 이는 외부농도와 실내 농도가 비슷한 수준인 것을 의미하며, 외기로부터의 미세먼지 유입이 지배적이라고 볼 수 있다. 그러나 이러한 결과만으로는 실내·외 미세먼지의 상관성을 명확하게 파악하기 어렵다. 따라서 실내 미세먼지 농도와 외기 농도 간의 상관성을 그림 6과 같이 분석하였다.

Fig. 6. 
Scattering distribution for indoor and outdoor PM_2.5 and PM₁₀.

실내 미세먼지 농도와 외기와의 상관성 분석을 위하여 시설유형별 각 시설 내부에 설치된 센서 4개의 평균농도와 외기 센서 자료를 비교하였다. 그 결과 노인요양원을 제외한 4개 시설 모두 실내외 상관계수 (R²)가 0.50 이상의 높은 상관성을 보였다. 가장 높은 상관성을 보인 시설은 산후조리원으로서 실내와 외기 간의 PM_2.5와 PM₁₀의 상관계수는 각각 0.76과 0.66으로 산출되었는 바, 상호간에 높은 상관관계가 있는 것을 확인할 수 있었다. 측정대상 산후조리원의 측정지점 (엘리베이터 입구, 복도)이 외기의 영향을 직접적으로 받을 수 있는 곳이기 때문인 것으로 판단된다. 산후조리원의 실내외 높은 상관분석 결과는 표 2에서 분석된 실내·외 F/C ratio와 입경별 I/O ratio 분석결과와 동일한 결과를 도출하였다. 다음으로 공공의료원의 PM_2.5와 PM₁₀의 실내·외 상관계수는 각각 0.66과 0.61로 역시 높은 상관관계를 보였으며, 이는 산후조리원과 마찬가지로 공공의료원도 외부의 미세먼지가 병원 내부로 쉽게 유입되어 외부 환경요인이 실내 미세먼지 농도에 크게 영향을 미치기 때문이다.

어린이집의 PM_2.5와 PM₁₀의 실내·외 상관계수는 각각 0.56과 0.54로 상대적으로 낮은 상관성을 보였는데, 어린이집은 공기청정기를 시설 개소 당 5~20 개를 구비하고 있었으며, 지속적으로 가동하여 실내 공기질을 관리하기 때문에 외기보다 낮은 농도의 미세먼지 수준을 유지할 수 있는 것으로 해석할 수 있다. 가장 낮은 실내외 상관관계를 보인 시설은 노인요양원으로서 PM_2.5와 PM₁₀의 실내·외 상관계수는 0.29과 0.27이었다. 이는 노인요양원의 경우 미세먼지 농도가 외기농도 대비 매우 낮은 것으로 평가되었으며, 실내 PM₁₀ 농도는 외기 대비 0.28 수준으로 노인요양원 내부는 공기정화장치가 효과적으로 가동되고, 재실자 활동에 의한 내부 발생량도 매우 적기 때문인 것으로 해석할 수 있다. 그러나 표 1과 그림 2의 이산화탄소 농도는 노인요양원이 가장 높았으며, 1시간 평균농도의 경우 CO₂ 실내공기질 기준인 1,000 ppm을 초과하는 비율이 7.8%로 어린이집의 9.6% 다음으로 높은 것으로 평가되었다. 이는 창문 개방을 통한 자연환기 등이 잘 이루어지지 않고 있는 것으로 해석할 수 있으며, 적정한 실내공기질 관리를 위해서는 미세먼지뿐만 아니라 실내 오염 지표물질인 이산화탄소의 적정한 관리를 위한 주기적인 환기도 반드시 필요하다.