개념 한 쪽
환기 방식에는 국소배기와 전체환기, 그리고 재순환을 통한 혼합 방식이 있으며, 목적과 오염 특성에 따라 적절한 방법을 선택해야 한다. CO2 등 지표물질 농도 변화를 이용해 환기성능을 수치로 환산하거나, 재순환 혼합비를 물질수지로 계산하는 유형이 자주 출제한다.
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출제기준 단원 「혼합방법 및 효과」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 전체환기 적용 판단 | 1 | 전체환기 적용 적합 조건을 고르는 문제 |
| 희석 필요 시 주대책 선택 | 1 | 확산된 오염물의 희석을 위한 주된 공학적 대책을 고르는 문제 |
| 환기량 계산(외부농도 고려) | 1 | 외부농도 포함 지수감쇠식으로 시간당 공기교환 횟수 계산하기 |
전체환기(희석환기)는 작업장 전체의 공기를 교체하거나 순환시켜 오염물 농도를 희석시키는 방법이다. 오염원이 분산되어 있거나 독성이 낮고 발생량이 적을 때 적합하며, 이미 퍼진 분진처럼 작업장 전체의 농도를 낮춰야 할 때 주대책으로 사용한다. 반대로 배출원이 집합되어 대량 발생할 경우에는 전체환기만으로는 충분하지 않아 국소배기가 우선되어야 한다.
국소배기장치는 오염 발생원 근처에서 포집하여 처리하는 방식으로, 소량의 공기로도 높은 농도를 처리할 수 있어 경제성이 높다. 따라서 발생원이 집중되어 있거나 고농도 발생 지점이 명확할 때는 국소배기를 우선 검토한다. 전체환기와 국소배기의 선택 기준은 '많고 집중 = 국소배기', '적고 확산 = 전체환기'로 구분할 수 있다.
재순환 혼합에서는 급기 공기의 농도가 외부 공기와 재순환 공기의 혼합비로 결정되므로 물질수지(혼합 농도의 가중합)를 이용해 외부공기 비율을 역산할 수 있다. 급기 농도 Cs는 Cs = X·C_out + (1-X)·C_return 식으로 표현되며, 이를 변형해 외부공기 함량 X를 구할 수 있다.
농도 감소를 이용한 환기량(ACH 또는 환기량 Q) 계산은 지수적 감쇠 모델을 사용한다. 외부 농도 Ce를 고려한 모델은 C(t) = Ce + (C0 - Ce)·e^(-n·t)이며, 이를 역으로 풀면 n = (1/t)·ln((C0 - Ce)/(C(t) - Ce))가 된다. 체적이 주어졌을 때 자연환기량 Q는 Q = (V/t)·ln(C0/Ct) 형태로 계산하는 문제 유형도 존재한다.
대표 계산 1 — 외부농도 고려한 시간당 공기교환 횟수: 초기농도 C0 = 1400ppm, t=2시간, 최종농도 C(t)=500ppm, 외부농도 Ce = 330ppm일 때, n = (1/2)·ln((C0 - Ce)/(C(t) - Ce)) = (1/2)·ln(1070/170) ≈ 0.92라고 계산한다. 계산 시 외부농도를 고려한 차이비의 자연로그 공식을 사용해야 함을 주의한다.
대표 계산 2 — 재순환 혼합으로 외부공기 비율 구하기: 재순환 공기 Cr = 700ppm, 급기 Cs = 600ppm, 외부공기 Co = 300ppm일 때, 식 Cs = X·Co + (1-X)·Cr 를 세우고 풀면 X = (Cr - Cs)/(Cr - Co) = (700 - 600)/(700 - 300) = 100/400 = 0.25, 즉 외부공기 함량은 25%가 된다.
전체환기(희석환기) 적용에 적당한 조건이라 볼 수 없는 것은?
정답 ② · 전체환기(희석환기)는 오염물질의 발생량이 적고 독성이 낮으며, 국소배기가 곤란하거나 배출원이 이동하는 경우에 주로 적용됩니다. 하지만 동일 작업장소에 배출원이 집합되어 있어 대량의 오염물질이 발생할 경우, 전체환기로는 필요한 막대한 환기량을 감당할 수 없어 효율이 매우 떨어집니다.
전체환기는 오염원이 분산되어 있을 때 적합하므로, 배출원이 집합되어 있을 경우 적합하지 않다.
유해작업장의 분진이 바닥이나 천정에 쌓여서 2차 발진된다. 이것을 방지하기 위한 공학적 대책으로 오염농도를 희석시키는데 이때 사용되는 주대책은?
정답 ③ · 질문은 바닥이나 천정에 쌓인 분진으로 인한 2차 발생을 막기 위해 오염농도를 희석하는 주된 공학적 대책을 묻고 있다. 작업장 전체 공기를 교체하거나 희석하여 농도를 낮추는 방식은 전체환기시설이 담당하므로 희석 목적의 주대책은 전체환기시설이다.
전체환기시설은 작업장 전체의 공기를 희석시켜 오염물 농도를 안전 기준 이하로 낮춘다.
사무실 직원이 모두 퇴근한 직후인 오후 6시에 측정한 공기 중 CO2농도는 1200ppm, 사무실이 빈 상태로 2시간이 경과한 오후 8시에 측정한 CO2농도는 400ppm이었다면 이 사무실의 시간당 공기교환 횟수는? (단, 외부공기중 CO2농도는 330ppm이라고 가정함)
정답 ④ · 공기교환 횟수(N)를 구하는 공식은 N = -ln((C_t - C_0) / (C_i - C_0)) / t 입니다. 여기서 초기 농도 C_i = 1200ppm, 외부 농도 C_0 = 330ppm, t시간 후 농도 C_t = 400ppm, 경과시간 t = 2시간입니다.
밀폐 공간의 공기교환 횟수(N)는 N = -ln((Ct-C0)/(Ci-C0)) / t 공식을 사용하여 계산하면 약 1.26회이다.
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