2.1 해석대상 모델링

해석의 방법은 국가지정 입원치료병상의 음압격리병실과 병실전실에 대하여 환기횟수와 실간 차압을 국가지정 입원치료병상 시설 및 운영기준에 부합하도록 해석모델을 설정하였다. 설정한 해석모델을 이용하여 출입문의 개폐속도와 의료진의 이동속도에 따른 격리병실로부터 전실로 유출되는 격리병실 내의 오염공기량을 분석하여, 오염공기유출의 최소화로 격리병실에서 오염확산을 방지할 수 있는 출입문의 개폐속도를 파악하고자 하였다. 이를 위해서 격리병실에서 인접한 실로의 오염공기 유출을 검토하기 위해 격리병실과 전실을 해석대상으로 설정하고, Fig. 1과 같이 격리병실과 전실에는 각각 하나의 급기구와 배기구가 설치되어 있고 격리병실에는 침대와 침대 위에 누워있는 환자 그리고 출입문을 통해 전실로 이동할 의료진이 위치하도록 모델링하였다. 출입문은 슬라이딩 도어이며 하단부에 차압 형성을 위한 적정 면적의 Leakage area를 두고 있다. 모델은 격리병실과 전실로만 구성하였지만 내부복도와 전실간의 차압을 고려하기 위해, 전실 외부와 전실 사이에도 Leakage area를 두어 격리병실과 전실의 공기유동을 최대한 실제적으로 모사할 수 있도록 구성하였다.

2.2 격자 생성

설정한 수치해석모델의 총 격자수는 6,302,481 cell로 격리병실과 전실 및 의료진은 Tetrahedra 5,770,619 cell과 Pyramids 43,692 cell로 구성하였고, 출입문과 출입문이 열렸을 때 나타나는 격리병실과 전실 사이의 공간, 그리고 급·배기 공간은 Hexahedra 488,170 cell로 구성하였다. 출입문 공간의 격자를 더 조밀하게 구성하여 문이 열렸을 때 출입문 주변의 공기유동을 더 자세하게 파악할 수 있도록 하였다.

2.3 경계조건

2.4 해석의 수행

해석은 ANSYS CFD CODE⁽⁶⁾를 이용하였으며, 출입문과 의료진 모델의 Domain은 Immersed Solid Methods⁽⁷⁾를 적용하여 출입문의 개폐와 의료진의 이동에 따른 공기유동 해석을 가능하도록 하였다. 난류 해석모델은 CFD 시뮬레이션을 이용하는 연구에서 보편적으로 사용되는 표준 k-ε 모델⁽⁶⁾을 사용하였다. 또한 Analysis type은 Transient로 하고 Timestep은 0.005로 설정하여 조밀한 시간에 따른 공기유동을 해석하도록 하였다.

3.1 Case A-출입문 개폐속도에 따른 오염공기 유출 해석 시나리오

3.2 Case B-의료진 이동속도에 따른 오염공기 유출 해석 시나리오

4.1 정상상태 해석 결과

Fig. 6~Fig. 8은 출입문이 닫혀있고 의료진은 움직이지 않는 상태에서 Fig. 1의 x = 0.6 m 평면에서의 실내압력과 공기유동 및 오염공기의 분포를 표시하는 Smoke 농도에 대한 해석결과를 보여주고 있다. 각 실의 압력은 격리병실 -10.32 Pa, 전실 -7.69 Pa로 차압은 -2.63 Pa로 형성되었음을 Fig. 6에서 확인할 수 있다. Fig. 7에서는 격리병실과 전실에서의 공기의 이동속도와 방향을 나타내고 있는데, 차압이 형성됨에 따라 전실의 Leakage area와 급기구에서 나온 공기가 출입문의 Leakage area를 통해 격리병실로 빨려 들어가는 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 격리병실 내의 공기를 모두 잠재적 오염공기라 가정하고 격리병실에는 Smoke를 전실에는 Air를 가득 채운 상태로 해석을 진행하였는데, Fig. 8은 격리병실과 전실의 Smoke 농도를 보여주고 있다. 차압에 의해 전실의 Air가 출입문의 Leakage area를 통해 격리병실로 유입되는 현상을 볼 수 있으며, 반면에 Smoke는 격리병실 밖으로의 유출은 없는 것을 확인할 수 있다.

4.2 Case A-출입문 개폐속도에 따른 오염공기 유출 해석 결과

출입문이 개방되기 전에 의료진 이동에 대한 병실 내의 공기유동을 확인하였다. Case A의 세 경우 모두 의료진은 1 m/s의 속도로 출입문 앞까지 3 m를 이동한다. Fig. 9는 Fig. 1의 y = 1.2 m 평면에서의 의료진의 이동거리가 1 m와 3 m일 경우 공기유동을 나타낸다. 의료진이 이동함에 따라 의료진의 이동속도와 비슷한 속도를 가진 공기가 딸려오는 현상이 발생하고, 의료진이 지나온 이동경로의 양 옆에는 와류가 발생함을 확인할 수 있다. 이렇게 형성된 격리병실 내의 공기유동은 출입문이 열렸을 때의 공기유동에 영향을 미칠 것으로 예상된다.

Fig. 10은 출입문이 0.9 m 열린 상태의 출입문 부근의 공기유동(①)과 Smoke 농도(②)를 나타내며 의료진의 이동이 멈췄을 때(③) 그리고 출입문이 완전히 닫혔을 때(④)의 Smoke 농도를 나타낸다. ①에서 출입문의 속도가 가장 빠른 Case A-I의 출입문 부근의 공기유동을 살펴보면, 빠른 출입문의 속도에 의해 출입문이 열린 공간과 전실 내에서 와류가 발생하고 있다. 또한 차압에 의해 격리병실로 인입되는 Air와 의료진의 이동으로 인한 후류에 의해 전실로 나가려는 Smoke가 만나 정체된 와류를 발생시켰음을 알 수 있다. 그러나 ②에서 보는 바와 같이 실간 차압에도 불구하고, 의료진의 이동에 의한 후류로 인해 격리병실에서 전실로의 Smoke 유출이 시작되고 있음을 알 수 있다. Case A-II의 경우에 전실 내에서의 와류는 발생하였지만 출입문이 열린 공간에서의 와류는 발생하지 않았다. Case A-III의 경우는 출입문이 개폐되는 모든 시간대에 전실과 출입문 공간에서의 와류는 발생하지 않았다. 이렇게 경우별로 와류발생에 차이를 보이는 이유는 출입문의 개폐속도 때문임을 알 수 있다. Case A-II와 Case A-III의 두 경우는 전실에서 격리병실로 들어가려는 공기유동은 거의 나타나지 않고 있다. 또한 느린 개폐속도에 의해 출입문이 개방되는데 더 많은 시간이 걸리고 그만큼 더 넓은 Smoke 확산이 나타나는 것을 확인하였다. 출입문이 개방되고 의료진이 다시 이동을 시작하면서 더 많은 Smoke와 Air의 교환이 이루어진다. ③에서 Case A-I, II, III는 모두 의료진의 이동에 따라 전실로의 Smoke 유출을 나타내고 있으나, 의료진 후방의 Smoke 농도에서 차이를 나타내고 있다. ④는 Smoke의 확산이 어느 정도 이루어진 출입문이 닫혔을 때의 Smoke 농도를 나타낸다. 출입문 개폐속도가 느린 경우일수록 의료진 후방에 조금 더 넓고 원만히 퍼져있는 Smoke를 확인할 수 있는데, 이는 출입문의 개폐속도가 느릴수록 출입문이 완전히 닫히는데 걸리는 시간이 더 걸리는 것과 관계가 있다고 판단된다.

Fig. 11은 Case A의 경우별 Smoke 유출량을 출입문이 0.9 m 열리고 의료진이 이동하기 시작하는 순간(a)을 같은 선상에 나타낸 것으로, 의료진 이동이 멈춘 순간(b), 출입문이 완전히 열리고 2초 후 닫히기 시작하는 순간(c), 출입문이 0.9 m 닫힌 순간(d), 1.2 m 완전히 닫힌 순간(e)에 대해서 격리병실에서 전실로의 Smoke 유출량을 비교하였고, Table 3은 a~e까지의 5가지 순간에서 각 경우별 Smoke 유출량을 나타내고 있다. 출입문이 0.9 m 열린 순간인 a순간에서 Smoke 유출량이 큰 순서는 Case A-III, Case A-II, Case A-I로 나타나고 있는데, 이는 출입문이 열리는데 걸리는 시간에 거의 비례함을 알 수 있다. a~b구간을 살펴보면, 의료진의 이동이 시작하면서 급격한 Smoke 유출이 이루어지고 각각의 경우 Smoke 유출량의 차이가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 의료진이 이동을 멈추고 출입문의 닫힘이 시작하기 직전의 순간인 b~c구간을 살펴보면, 의료진의 이동이 진행 중인 a~b구간의 기울기에 비해 경사가 완만해진 것을 알 수 있다. 이는 의료진의 이동이 멈춘 후 Smoke의 유출은 계속되지만 시간당 Smoke 유출량이 의료진이 이동할 때에 비해 작아졌음을 의미한다. 이때까지 각각의 경우에서 Smoke 유출량은 미세한 차이를 유지한다. 출입문이 닫히기 시작하고 완전히 닫힌 c~e구간을 살펴보면, 출입문이 닫히는데 걸리는 시간에 따라 각각의 경우에서 Smoke 유출량의 차이가 다시 커지는 것을 확인할 수 있다.

Table 4는 Case A의 각 경우별 출입문이 열리기 전 격리병실 내 Smoke 총량(Vst)과 의료진의 이동과 출입문의 개폐가 모두 이루어진 후의 전실 내 Smoke 유출량(Vso)을 나타내고 있다. 또한, Smoke 유출량을 격리병실 내 Smoke 총량으로 나누어 산정한 유출률을 나타내고 있는데, 출입문의 개폐속도가 느릴수록 유출률은 2.42%에서 2.62%로 조금 증가하고 있음을 확인할 수 있다.

4.3 Case B-의료진 이동속도에 따른 오염공기 유출 해석 결과

Case B-I, II, III의 경우 의료진의 이동속도가 1.5 m/s, 1.0 m/s, 0.5 m/s로 차이를 두어 해석을 진행하였다. 의료진의 이동속도가 다를 뿐 출입문의 개폐속도는 동일하다. 출입문이 개방되기 전에 병실 내에서의 의료진 이동속도에 따른 공기유동을 확인하였다. 의료진은 1.5 m/s, 1.0 m/s, 0.5 m/s의 속도로 출입문 앞까지 3 m를 이동한다. Fig. 12는 Fig. 1의 y = 1.2 m 평면에서의 의료진의 이동거리가 3 m일 때의 공기유동을 나타내고 있다. Case B-I, II, III 모두 의료진이 이동함에 따라 의료진의 이동속도와 비슷한 속도로 공기가 딸려오는 현상이 발생하고 의료진이 이동함에 따라 의료진의 이동경로 양 옆에 와류가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 또한 의료진의 이동속도가 빠를수록 더 강하고 빠른 와류가 발생하였다. 이로 인해 격리병실 내 환자가 누워있는 쪽의 공기유동에도 변화가 생긴 것을 확인하였고, 이는 출입문이 열렸을 때 병실로 유입된 Air의 확산에 영향을 미칠 것으로 예상된다.

Fig. 13은 출입문이 0.9 m 열린 상태의 Smoke 농도(①), 의료진의 이동이 멈췄을 때의 전실 내의 공기유동 (②)과 Smoke 농도(③) 그리고 출입문이 완전히 닫혔을 때(④)의 Smoke 농도를 나타낸다. 출입문이 0.9 m/s의 속도로 0.9 m가 개방된 ①에서 전실로 유출되는 Smoke 농도는 의료진의 이동속도가 느릴수록 더 확산되었음을 확인할 수 있지만 그 차이는 미세하고 본격적인 차이는 의료진이 이동하면서 시작된다. 의료진이 이동을 멈췄을 때의 전실 내 공기유동 ③에서 의료진의 이동속도가 빠를수록 빠르고 큰 와류상의 공기유동을 발생시키는 것을 확인할 수 있다. 또한 ②에서 의료진의 이동속도가 낮은 경우일수록 전실에서의 Smoke 농도가 높은 것으로 나타나는데, 이는 이동시간과 관계가 큰 것으로 판단된다. Case B-I은 출입문 앞에서 출발해 2 m 이동하는데 약 1.335초가 걸리고, Case B-II는 2초, Case B-III는 4초가 걸린다. 출입문이 완전히 닫힌 순간 ④의 Smoke 농도를 살펴보면, Case B-I이 의료진의 전방에 이르기까지 가장 넓은 확산현상을 보여주고 있고 Case B-III는 Case B-I에 비해서 의료진의 전방에 이르기까지는 확산되고 있지 않음을 보여주고 있다.

경우별 Smoke 유출량을 출입문이 0.9 m 열리고 의료진이 이동하기 시작하는 순간(a)을 같은 선상에 나타낸 것으로, 의료진 이동이 멈춘 순간(b), 출입문이 완전히 열리고 2초 후 닫히기 시작하는 순간(c), 출입문이 0.9 m 닫힌 순간(d), 1.2 m 완전히 닫힌 순간(e)에 대해서 격리병실에서 전실로의 Smoke 유출량을 비교하였고, Table 5는 a~e까지의 5가지 순간에서 각 경우별 Smoke 유출량을 나타내고 있다.

의료진이 이동을 멈춘 b순간의 Smoke 유출량은 의료진의 이동속도가 느린 경우일수록 많았는데, 문이 열리고 의료진이 다시 2 m를 이동하는데 Case B-I은 1.335초, Case B-II는 2초, Case B-III은 4초가 걸리는 것을 감안한다면 이는 이동시간이 긴만큼 Smoke 유출량이 많은 것임을 알 수 있다. 반면 의료진이 이동하는 동안 a~b구간의 Smoke 유출량 상승곡선의 기울기를 살펴보면, Case B-I과 같이 의료진의 이동속도가 빠를수록 가장 급한 기울기를 보이고 이동속도에 따른 Smoke 유출량은 의료진의 이동속도가 빠를수록 가장 크다는 것을 확인할 수 있다. Case B-I와 Case B-II의 의료진의 이동이 멈춘 후 출입문의 닫힘이 시작하기 전까지의 b~c구간 유출량 상승곡선을 보면 여전히 Case B-I의 유출량 상승곡선의 기울기가 가장 급한 것을 알 수 있다. 이는 의료진의 이동이 멈춘 후에도 의료진의 이동에 따른 후류에 의해서 격리병실에서 전실로의 Smoke 유출은 계속되며, 특히 이동속도가 빠를 경우 더 많은 Smoke 유출이 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 출입문의 닫힘이 시작하는 c순간의 Smoke 유출량을 살펴보면 Case B-I의 경우 가장 많았고, Case B-III의 경우 의료진이 아직 이동하고 있음에도 불구하고 가장 적었다. 격리병실에서 전실로의 Smoke 유출은 출입문이 0.9 m 닫힌 d순간까지 이루어지고 그 후에는 전실 내 Smoke양이 거의 유지되는 것을 확인할 수 있다.

Table 6은 Case B의 각 경우별 출입문이 열리기 전 격리병실 내 Smoke 총량(Vst)과 의료진의 이동과 출입문의 개폐가 모두 이루어진 후의 전실 내 Smoke 유출량(Vso)을 나타내고 있다. 또한, Smoke 유출량을 격리병실 내 Smoke 총량으로 나누어 산정한 유출률을 나타내고 있는데 의료진의 이동속도가 느릴수록 유출률은 2.63%에서 2.12%로 조금 감소하고 있음을 확인할 수 있다.