전체환기량 계산

왜 배우는가: 전체환기량 계산은 작업장 유해물질 농도를 노출기준 이하로 관리하는 데 필요한 설비 용량을 정하는 실무 계산이다. 단일 성분 유기화합물 작업장에는 계산식으로 구한 필요환기량 이상의 전체환기장치를 설치하도록 법령이 정하므로 설계와 점검의 기준이 된다. 변수와 단위가 많아 답안에서 정의와 단위를 정확히 적어야 하는 주제이다.

출제 이력: 제132회 2교시 5번, 제125회 2교시 1번, 제119회 2교시 2번, 제102회 2교시 2번, 제89회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전체환기량 계산은 작업장 공기를 외기로 희석하여 유해물질 농도를 노출기준 이하로 낮추는 데 필요한 최소 공기량을 구하는 계산이다.

전체환기는 발생원을 포집하지 않고 작업장 전체의 공기를 외기로 바꾸어 유해물질 농도를 낮추는 방식이다. 이를 희석환기(Dilution Ventilation)라고도 한다. 발생원이 넓게 퍼져 있거나 국소배기장치를 설치하기 어려운 작업에 주로 쓰이며, 계산 결과인 필요환기량은 작업장에 공급하거나 배출해야 하는 공기량의 기준이 된다. 따라서 답안에는 계산식의 각 항이 무엇을 뜻하는지와 그 단위를 함께 적어야 한다.

핵심 키워드

• 전체환기: 작업장 전체의 공기를 외기로 희석하여 유해물질 농도를 낮추는 환기 방식이다.
• 필요환기량: 유해물질 농도를 노출기준 이하로 유지하는 데 필요한 최소 환기량이며 단위는 ㎥/hr이다.
• 안전계수(K): 작업장 내 공기 혼합 정도를 반영하여 계산값에 곱하는 계수이다.
• 노출기준(TLV): 근로자가 반복 노출되어도 건강 장해가 생기지 않는다고 보는 유해물질 농도 기준이다.
• 상가작용: 두 가지 이상의 물질이 함께 있을 때 각 물질의 영향이 합쳐져 나타나는 작용이다.
• 시간당 사용량: 단위 시간에 작업에 투입되는 유해물질의 양이며 단위는 L/hr이다.
• 비중: 액체 물질의 밀도를 물의 밀도와 비교한 값으로 단위가 없다.
• 분자량: 기체 1몰의 질량이며 단위는 g/mol이다.

2. 개념 풀이

정식 정의는 작업장에서 발생하는 유해물질을 노출기준 이하로 희석하는 데 필요한 공기량, 즉 필요환기량을 계산하는 방법이다. 산업안전보건기준에 관한 규칙 제430조 ①은 단일 성분의 유기화합물이 발생하는 작업장에 전체환기장치를 설치하려는 경우 아래 식으로 계산한 필요환기량 이상으로 설치하도록 정한다. 이 식은 작업장 공기가 균일하게 섞인다는 전제에서 증기 발생량과 희석 공기량의 관계를 나타낸 것이다.

$Q = 24.1 × SG × W × K ÷ (MW × TLV) × 10^{6}$

• Q: 필요환기량(㎥/hr)
• SG: 유해물질의 비중(단위 없음)
• W: 유해물질의 시간당 사용량(L/hr)
• K: 안전계수(단위 없음)
• MW: 유해물질의 분자량(g/mol)
• TLV: 유해물질의 노출기준(ppm)

식의 원리는 세 단계로 이해하면 된다. 첫째, 시간당 사용량 W에 비중 SG를 곱하면 액체의 질량이 되고, 이를 분자량 MW로 나누면 증발하는 물질의 몰수가 된다. 둘째, 기체 1몰이 차지하는 부피 24.1L를 곱하면 증기의 부피가 나온다. 셋째, 이 증기 부피를 노출기준 TLV의 부피비 10^-6 단위로 나누면 증기를 기준 농도까지 희석하는 데 필요한 공기량이 된다. kg을 g으로 바꾸는 1000과 L를 ㎥로 바꾸는 1/1000이 상쇄되어 최종식에는 나타나지 않는다.

필요환기량은 증기 발생량을 노출기준 농도로 희석하는 데 필요한 공기량이다.

안전계수(K)는 작업장 안에서 공기가 얼마나 고르게 섞이는지를 반영하는 값이다. 공기 혼합 정도에 따라 다음과 같이 정한다.

• K=1: 작업장 내 공기 혼합이 원활한 경우이다.
• K=2: 작업장 내 공기 혼합이 보통인 경우이다.
• K=3: 작업장 내 공기 혼합이 불완전한 경우이다.

K는 식에서 곱해지는 값이므로 K가 커질수록 필요환기량도 같은 비율로 커진다. 혼합이 나쁠수록 발생원 주변의 농도가 높게 머무르므로 더 많은 공기를 확보해야 한다는 뜻이다.

유기화합물이 혼합물질로 발생하는 경우에는 제430조 ②를 적용한다. 상가작용이 있으면 각 물질의 필요환기량을 모두 합한 값을 적용하고, 상가작용이 없으면 필요환기량이 가장 큰 물질의 값을 적용한다. 혼합물질에서는 물질마다 노출기준과 사용량이 달라 어느 물질의 값이 최대인지 먼저 계산해야 한다.

식에 대입할 때는 TLV를 ppm, 사용량을 L/hr, 분자량을 g/mol로 맞춰야 한다. 단위가 하나라도 어긋나면 결과가 1000배 또는 10^6배 차이 나므로, 계산 전에 단위를 먼저 정리하는 것이 답안의 기본이다.

이 식의 대상이 되는 유기화합물은 산업안전보건기준에 관한 규칙 제420조 2호의 정의를 따른다. 상온·상압에서 휘발성이 있는 액체로서 다른 물질을 녹이는 성질이 있는 유기용제를 포함한 탄화수소계 화합물 중 별표 12 제1호에 해당하는 물질이다. 따라서 대상 물질이 이 범위에 드는지를 먼저 판단한 뒤 식을 적용한다.

3. 등장 배경과 필요성

유기용제를 쓰는 작업에서는 도료나 세척제가 증발하면서 작업장 공기 중 증기 농도가 올라간다. 원칙적으로는 발생원을 밀폐하거나 국소배기장치로 포집하여 배출하지만, 도장 작업처럼 발생원이 넓게 퍼지고 작업 위치가 자주 바뀌는 경우에는 포집이 어렵다. 이때 작업장 전체를 희석하는 전체환기가 필요해지며, 그 설계량을 정하는 근거가 필요환기량 계산이다.