2.1 모델링

본 연구에서는 유동해석을 위하여 ANSYS CFX CODE⁽¹¹⁾를 이용하여 음압격리병상과 전실의 공기유동을 해석하였다. 문의 격자구성은 Immersed Solid Methods⁽¹²⁾를 적용하여 문의 개폐의 해석모델로 설정하였다. 해석공간은 Fig. 1과 같이 세로 4.7 m, 가로 4.0 m, 높이 3.0 m의 크기로 격리실과 전실을 동일한 크기로 구분하여 설정하였다. 배기구는 문에서 발생하는 공기의 유동에 영향을 주지 않기 위해서 각 실의 왼쪽 벽의 상단에 위치하며, 급기구는 각 실별로 2개를 배치하여 의료진의 이동에 영향을 미치지 않기 위해 의료진의 양 옆쪽에 위치하도록 하였다. 급기구와 배기구의 크기는 각 440 mm × 440 mm, 550 mm × 550 mm이며, 문의 크기는 가로 1.10 m, 세로 2.06 m, 두께 0.1 m로 하였으며 문 틈사이의 Leak area는 0.03 m²으로 설정하였다. 이때 문이 열리는 방향은 격리실에서 전실로 향한다. 의료진의 신체는 높이 1.7 m, 너비 0.8 m, 두께 0.23 m로 설정하였다.

2.2 격자 구성

유동해석을 위한 격자 구성은 유동해석 공간의 격자를 전체적으로 조밀하게 생성하는 방식과 해석공간의 중요성을 고려하여 공간을 구분하여 격자를 생성하는 방식이 있다. 본 연구에서는 해석공간의 중요성을 고려하여 해석공간을 구분하여 격자의 밀도를 조절하였으며, 총 격자의 수는 2.4×10⁷로 하였다.

2.3 해석 방법 및 경계 조건

본 연구에서는 해석공간을 정상유동 상태로 해석한 뒤 그 결과를 초기 값으로 설정하여 비정상유동 상태의 해석을 실시하였다. 이 때 정상유동상태 해석의 조건은 100회의 해석 및 수렴조건은 Residual 범위 10^-4로 설정하였으며, 난류 해석모델은 k-ε을 기준으로 하였다. 비정상유동상태 해석의 조건은 Timestep을 0.0025sec을 기준으로 Timestep 0.0025sec당 10회의 해석 및 수렴조건은 Residual 범위 10^-4로 설정하였으며 난류 해석모델은 Ganesan et al.⁽¹³⁾의 연구결과를 참조하여 실제 실험적 결과와 일치함을 보여준 LES(Large Eddy Simulation) 난류모델을 적용하였다. 또한 본 연구의 경계조건은 동일한 해석 모델링으로 해석된 Kim et al.⁽¹⁴⁾의 선행연구를 기준으로 본 연구와 동일하게 적용하였다.

2.4 실간 공기교환량

본 연구에서 실간 공기교환량을 산정하기 위해서 Fig. 2와 같이 격리실에 「오염된 공기」라고 가정한 Smoke를 가득 채우고, 전실을 「오염되지 않은 공기」라고 가정한 Air를 가득 채운 상태에서 문의 개폐에 따른 Smoke와 Air의 교환량을 산정하였다. 이때 격리실에서 전실로 이동하는 Smoke의 양(m³)을 Cm_I→A라고 정의하고, 전실에서 격리실로 이동하는 Air의 양(m³)을 Cm_I→A라고 정의하였다.

2.5 해석 조건

본 연구에서는 평균적으로 문의 개폐주기가 7~10초라는 Kallionmaki et al.⁽⁴⁾의 실험 결과를 바탕으로 문이 열린 후 보행자가 통과하고 문이 완전히 닫히는 개폐주기를 6초 및 10초로 가정하였다. 또한, 힌지 문의 개폐속도(V_hd)의 변화와 함께 의료진이 빨리 이동할 때와 느리게 이동할 때를 가정한 의료진의 이동속도(V_b) 및 이동방향의 변화에 따른 실간 압력변동 및 공기교환량을 비교분석하기 위해서 8가지의 Case를 설정하여 해석을 수행하였으며, Table 1에 해석조건을 나타내었다.

3.1 압력변동 분석

Fig. 4는 전실의 압력을 P_a, 격리실의 압력을 P_i, 격리실과 전실의 차압을 P_d(P_a-P_i)으로 의료진이 격리실에서 전실로 이동에 따른 이동속도(V_b)와 힌지 문의 개폐속도(V_hd)에 따른 압력변동을 나타내었다. Case 1 에서 의료진의 이동에 따른 압력변동은 의료진의 이동(1.0 sec)과 정지(2.5 sec)시에 따라 격리실에서 압력 변동을 확인할 수 있다. 이는 격리실과 전실의 평균 기류속도를 나타낸 Fig. 3을 통해 일정했던 격리실의 체적 평균 기류속도(V_avg·I)가 의료진의 이동(1.0 sec)과 정지(2.5 sec)시에 급격하게 상승과 하강을 보임에 따른 격리실의 압력변동이라 판단된다. 이후 힌지 문이 개방되는 순간에 문의 움직임에 따른 관성력 및 와류에 의해 격리실과 전실의 차압이 설정 차압인 2.5 Pa보다 순간적으로 증가한 후 평압으로 유지되었다. 또한 의료진이 격리실을 나와 전실로 이동할 시에도 앞에서와 같이 비슷한 압력변동을 보였다. 힌지 문이 완전히 닫히는 순간에는 힌지 문의 움직임에 유도되는 공기유동으로 인해 격리실과 전실의 차압이 2.5 Pa보다 순간적으로 급격히 감소하여 격리실의 압력이 전실의 압력보다 높게 나타나는 압력역전현상이 발생하였으며, 문이 완전히 닫힌 후에는 설정 차압 2.5 Pa로 회복되는 것을 확인할 수 있다. 힌지 문의 개폐에 따른 압력변동은 의료진의 이동이 없이 같은 조건에서 연구가 진행된 Kim et al.⁽¹⁴⁾의 선행연구와 동일함을 확인할 수 있었다.

의료진의 이동속도(V_b)와 힌지 문의 개폐속도(V_hd)에 따른 압력변동을 비교하면 힌지 문의 개폐속도(V_hd)가 45 deg/s이며 의료진의 이동속도()가 각 1.0 m/s, 0.5 m/s인 Case 1과 Case 2의 경우 ⓐ와 ⓑ에서 힌지 문의 움직임에 의한 P_d가 모두 순간적으로 최대 460 Pa까지 나타났다. 반면 의료진의 이동에 따른 압력변동은 Case 1의 경우 ⓒ에서 P_d가 최대 -42 Pa, Case 2의 경우 ⓓ에서 P_d가 최대 -21 Pa로 나타남에 따라 Case 1의 압력변동이 Case 2의 압력변동보다 2배 커진다는 것을 알 수 있다. 따라서 의료진의 이동속도(V_b)가 빨라질수록 압력변동은 커진다는 것을 확인할 수 있다. 또한 의료진의 이동속도(V_b)가 1.0 m/s이며 힌지 문의 개폐속도(V_hd)가 각 45 deg/s, 22.5 deg/s인 Case 1과 Case 3의 경우 Case 1의 ⓔ에서 P_d가 -14 Pa, Case 3의 ⓕ에서 P_d가 -10 Pa의 압력변동이 나타나며, 의료진의 이동속도가(V_b) 0.5 m/s이며 힌지 문의 개폐속도(V_hd)가 각 45 deg/s, 22.5 deg/s인 Case 2와 Case 4의 경우 Case 2의 ⓓ에서 P_d가 -21 Pa, Case 4의 ⓖ에서 P_d가 -7 Pa의 압력변동이 나타남에 따라 의료진의 이동속도(V_b)가 동일함에도 불구하고 힌지 문의 개폐속도(V_hd)가 느려질수록 의료진의 이동에 따른 압력변동이 감소됨을 볼 수 있다. 즉, 의료진의 이동속도(V_b)와 힌지 문의 개폐속도(V_hd)는 상호적으로 작용함으로써 압력변동에 영향을 주고 있는 것으로 판단된다. 따라서 의료진의 이동속도(V_b)와 힌지 문의 개폐속도(V_hd)가 느릴수록 실간 압력변동이 감소됨을 볼 수 있다.

Fig. 5는 의료진이 전실에서 격리실로 이동에 따른 이동속도(V_b)와 힌지 문의 개폐속도(V_hd)에 따른 압력 변동을 나타내고 있다. Case 5에서 의료진의 이동에 따른 압력변동을 살펴보면 의료진의 이동(1.0 sec)과 정지(1.5 sec)시에 따라 전실과 격리실에서 압력변동을 확인할 수 있다. 이는 격리실과 전실의 평균 기류속도를 나타낸 Fig. 3을 통해 일정했던 전실의 체적 평균 기류속도(V_avg·I)가 의료진의 이동(1.0 sec)과 정지(1.5 sec)시에 급격하게 상승 및 하강함에 따라 전실의 압력변동이 나타나며, 이로 인해 격리실의 압력변동까지 영향을 미치는 것으로 판단된다.

의료진이 전실에서 격리실로 이동함에 따른 압력변동을 나타낸 Fig. 5는 의료진이 격리실에서 전실로 이동함에 따른 압력변동인 Fig. 4와 거의 유사함을 볼 수 있다. 마찬가지로 힌지 문의 개폐속도(V_hd)가 45 deg/s이며 의료진의 이동속도(V_b)가 각 1.0 m/s, 0.5 m/s인 Case 5와 Case 6의 경우 Case 5의 ⓐ에서 P_d가 최대 -40 Pa, Case 6의 ⓑ에서 P_d가 최대 -32 Pa을 보임에 따라 의료진의 이동속도(V_b)가 빨라짐에 따라 압력변동이 커진다는 것을 볼 수 있다. 그러나 의료진의 이동속도(V_b)와 힌지 문의 개폐속도(V_hd)가 동일한 조건인 Case 5와 Case 6의 압력변동이 Case 1과 Case 2보다 더 큰 압력변동을 보인다. 즉, 의료진이 격리실에서 전실로 이동할 때보다 전실에서 격리실로 이동할 때에 더 큰 압력변동이 나타난다고 볼 수 있는데 이는 의료진이 격리실에서 전실로 이동 시 격리실의 압력변동만 일어나지만 전실에서 격리실로 이동 시 전실의 압력변동이 발생됨과 동시에 격리실의 압력변동이 일어남에 따라 의료진의 이동방향에 따라 실간 압력변동의 차이를 보인다고 판단된다. 또한 힌지 문의 개폐속도(V_hd)가 22.5 deg/s이며 의료진의 이동속도(V_b)가 각 1.0 m/s, 0.5 m/s인 Case 7과 Case 8의 경우 Case 7의 ⓒ에서 P_d가 최대 -27 Pa, Case 8의 ⓓ에서 P_d가 최대 -20 Pa을 보임에 따라 동일한 조건의 Case 3과 Case 4보다 큰 압력변동을 보인다. 따라서 의료진의 이동방향의 변화도 실간 압력변동에 영향을 미치는 것으로 판단된다.

3.2 실간 공기교환량 비교 분석

Fig. 6은 힌지 문의 개폐와 의료진의 이동방향이 격리실에서 전실로, 전실에서 격리실로 이동할 경우 Smoke 농도분포를 나타내고 있다. 의료진이 격리실에서 전실로 이동할 때인 Case 1은 힌지 문의 개방ⓒ에 따라 문의 움직임에 유도되는 Smoke의 농도분포를 볼 수 있으며, 의료진이 격리실에서 전실로 이동함ⓓ에 따라 의료진의 움직임에 따라 유도되어 Smoke가 전실로 확산되는 것을 확인 할 수 있다. 또한 문이 닫히는 과정ⓔ에서는 문의 와류에 의하여 문의 우측과 상단 부분에서 Smoke가 확산됨을 시각적으로 볼 수 있다. 마찬가지로 의료진이 전실에서 격리실로 이동할 때인 Case 5도 힌지 문의 개방ⓑ에 따른 문의 움직임에 따라 유도된 Smoke의 농도분포를 볼 수 있지만, 의료진이 전실에서 격리실로 이동할 때ⓒ Case 1과 달리 의료진의 움직임에 의해 유도 되어진 Smoke 보다는 의료진의 이동에 따른 후류로 인하여 Smoke가 전실로 확산되는 것을 확인할 수 있다. 또한 문이 닫히는 과정ⓓ에서는 문의 우측과 상단 부분에서 나타나는 Smoke의 농도분포가 Case 5가 Case 1보다 더 많아짐을 볼 수 있다. 이는 의료진의 이동에 따른 후류의 발생과 문의 움직임에 따른 와류가 종합적으로 발생되어 Case 5의 Smoke 농도분포가 Case 1보다 뚜렷해진다고 판단된다.

음압격리병상에서 실간 공기교환량의 주요 원인을 비교분석하기 위해서 본 연구와 동일한 조건에서 문의 종류와 개폐속도에 따른 공기교환량을 해석한 Kim et al.⁽¹⁴⁾의 선행연구를 의료진의 이동이 있는 힌지 문의 개폐속도에 따른 공기교환량과 비교해보았다. 이 결과를 Table 2에 나타내었으며, 오직 힌지 문의 개폐에 의하여 발생된 Cm_A→I와 Cm_I→A은 각 1.0821 m³, 0.5273 m³로 나타났다. 의료진이 격리실에서 전실로 이동할 때인 Case 1의 경우 오직 의료진의 움직임에 따라 발생된 Cm_A→I와 Cm_I→A은 각 0.4217 m³, 0.3032 m³이며, 의료진이 전실에서 격리실로 이동할 때인 Case 5의 경우 Cm_A→I와 Cm_I→A이 각 0.4258 m³, 0.2958 m³로 나타남에 따라 힌지 문의 개폐에 따른 Cm_A→I와 Cm_I→A가 Case 1보다 각 156%, 74%, Case 5보다 각 154%, 78% 높음을 알 수 있다. 이는 힌지 문의 움직임 자체가 큰 공기교환량을 발생시키기 때문에 의료진의 이동에 따른 공기교환량이 매우 적다라는 연구결과를 낸 Tang et al.⁽¹⁵⁾ 선행연구와 동일한 경향을 보였다. 또한 의료진의 이동방향의 변화에도 의료진의 이동에 따른 실간 공기교환량의 큰 차이가 나타나지 않음에 따라 의료진의 이동방향의 변화도 실간 공기교환량의 주요 요인에 영향을 크게 미치지 않는다고 판단된다.

음압격리병상에서 실간 공기교환량에 관한 연구는 지속적으로 연구되어 왔다. Choi et al.⁽¹⁶⁾은 의료진의 이동 속도가 빠를수록 오염물질과 의료진의 접촉시간이 감소하기 때문에 오염물질의 이동하는 양이 감소하며, 힌지 문의 개폐속도가 빠를수록 와류의 생성이 커지게 되어 실간 공기의 순환과 혼합이 발달하여 공기교환량이 증가된다고 보고하고 있다. 한편, Choi et al.⁽⁸⁾은 문이 없는 공간 사이에서 의료진의 이동속도가 빠를수록 불안정한 후류의 생성으로 인하여 오염물질의 이동량이 급속하게 증가한다는 결과를 도출한 바 있다. 본 연구 에서는 힌지 문의 개폐속도(V_hd) 및 의료진의 이동속도(V_b)에 따른 공기교환량을 Table 3에 나타내었으며, 전실에서 격리실로 이동하는 Air를 양의 부호로, 격리실에서 전실로 이동하는 Smoke의 양을 음의 부호로 나타내었다. 이때, 의료진이 격리실에서 전실로 이동할 시(Case 1~Case 4) 의료진의 이동속도(V_b)와 힌지 문의 개폐속도 (V_hd)에 따른 공기교환량을 비교한 Fig. 7을 살펴보면 의료진의 이동속도(V_b)와 힌지 문의 개폐속도(V_hd)가 빨라질수록 Cm_A→I은 거의 일정한 양을 보이지만 Cm_I→A는 증가하는 경향을 볼 수 있다. 이는 Choi et al.⁽¹⁶⁾의 연구와 다소 상이한 결과로 Choi et al.⁽¹⁶⁾의 연구의 경우 격리실, 전실, 복도로 3개의 공간을 나누어 실간 공기교환량을 산정하였기 때문에 격리실과 전실로 2개의 공간을 나누어 실간 공기교환량을 산정한 본 해석결과와 다소 차이가 난다고 생각된다. 따라서 본 연구와 비슷한 조건인 Choi et al.⁽⁸⁾의 연구 결과와 비슷한 경향을 보여 의료진의 이동속도()가 증가함에 따라 의료진의 이동에 따른 후류의 생성이 커져 실간 공기 교환량이 증가된다고 판단된다.

의료진의 이동방향이 전실에서 격리실로 시(Case 5~Case 8) 의료진의 이동속도(V_b)와 힌지 문의 개폐속도 (V_hd)에 따른 공기교환량을 비교한 Fig. 8을 통해 의료진의 이동속도(V_b)와 힌지 문의 개폐속도(V_hd)가 빨라질수록 은 다소 일정한 양을 보이며, 도 증가하는 경향을 볼 수 있으나, Table 3에서 의료진이 격리실에서 전실로 이동할 때의 보다 증가됨을 볼 수 있다. 이는 Smoke 농도분포를 시각적으로 나타낸 Fig. 7에서 의료진이 격리실로 진입 이후 문의 상단에서 의료진의 이동에 따른 후류와 힌지 문의 와류가 종합적으로 형성됨에 따라 Smoke의 농도분포 크게 확산되는 것을 볼 수 있다. 따라서 의료진이 격리실에서 전실로 이동할 때 보다 전실에서 격리실로 이동할 때 실간 교차오염이 더 크게 일어난다고 판단된다. 즉, 음압격리병상에서 의료진의 이동속도(V_b)와 힌지 문의 개폐속도(V_hd)가 빨라질수록 격리실의 봉쇄효과가 감소됨에 따라 이를 위한 음압격리병상의 운영방안이 필요하며, 의료진의 이동방향에 따른 실간 교차오염에 대한 효율적 운영이 필요하다고 판단된다.