2.2.1 병실 경계조건

CDC 가이드라인의 기준에 따르면 음압격리병실의 환기횟수는 12회/h이고, 음압격리구역 내 실간 차압은 -2.5 Pa이다.^[6] 병실의 급기량은 환기횟수를 고려하여 설정하였으며, 이에 부합하는 배기 풍량을 설정하였다. Case A의 복도의 열린 공간은 0 Pa 대기압으로 설정하였고, Case B의 전실의 opening은 -5 Pa로 설정하였다. 시뮬레이션에 적용된 유량 및 온도 등의 경계조건은 Table 1에 제시하였다. 사용된 상용 프로그램은 ANSYS CFX이며, Shear Stress Transport(SST) 난류모델을 사용하였다. 출입문과 의료진의 이동을 구현하기 위해 Immersed Solid Method를 사용하였다. 사용된 격자는 Case A의 경우 node 2,352,828개, element 9,024,516개, Case B의 경우 node 2,463,017개, element 9,635,562개로 구성하였다.

2.2.2 입자 경계조건

호흡기 감염은 감염된 사람으로부터 배출된 바이러스에 의해 발생되며, 바이러스의 전파경로는 크게 공기 전파(airborne transmission), 비말 전파(droplet transmission), 접촉 전파(contact transmission)로 구분할 수 있다. 공기 전파는 5 µm 이하의 비말핵(droplet nuclei)에 의한 것으로, 입자의 크기가 작기 때문에 공기 중에 오랫동안 부유할 수 있다. 비말 전파는 5 µm 이상의 비말에 의한 것으로 입자가 표면에 빠르게 가라앉는 경향을 보인다. 일부 비말입자는 증발하면서 비말핵과 같은 작은 크기의 입자로 발생할 수 있으며, 실내 기류 등에 의해 전파 거리가 늘어날 수 있다.^[7] 접촉 전파는 감염성 에어로졸의 침적으로 인해 오염된 표면에 직접 접촉하여 발생한다.^[8] 재채기나 기침은 배출되는 속도가 크고 입자의 양이 많으며, 입자농도가 높기 때문에 비말감염의 주된 원인으로 알려져 있다.^[9,10] 일반적으로도 기침은 많은 호흡기 질환의 흔한 증상이기 때문에 본 연구에서는 기침을 기본적인 입자 토출 모델로 적용하였다.

기침 시 입자의 입경분포는 매우 다양한 것으로 알려져 있다. Yang et al.^[11]은 기침 시 토출되는 입자의 평균입경은 0.62~15.9 µm이고, 평균적인 크기는 8.35 µm라고 밝히고 있다. 0.5 µm와 20 µm 사이의 입자는 오랜 시간동안 공기 중에 부유할 수 있으며, 20 µm보다 큰 입자는 중력의 영향을 많이 받아 상대적으로 빨리 침적된다.^[12] 또한 감염자의 호흡기관에서 생성된 대부분의 감염성 입자는 주로 0.5~5.0 µm의 직경을 가진 비말핵으로 발생하며,^[13] 장시간 airborne 입자로 남아있게 되어 가장 감염성이 높은 것으로 알려져 있다.^[14] 다른 연구에서는 10 µm보다 작은 입자는 하부 호흡기관 깊숙이 침투할 수 있기 때문에 건강에 더 심각한 영향을 미치고, 10 µm 이상의 입자는 상부기도의 표면에 축적될 가능성이 높아 폐의 아랫부분까지 침투하기 어렵다고 결론짓고 있다.^[15] 공기 전파와 비말 전파는 동시에 이루어지기 때문에,^[16] 본 연구에서는 0.1 µm, 0.5 µm, 5 µm, 10 µm, 20 µm 총 5개 입경의 입자가 토출되는 것으로 설정하였다. 토출된 입자는 표면장력이 약 0.07056 N/m이고, 밀도가 993 kg/m³인 구형 물입자로 가정하였다.(^[15] Chen and Zhao^[17]의 시뮬레이션 결과에 따르면 비말이 비말핵이 되는 입자의 증발은 증발시간이 0.051초, 즉 초기 입경이 100 µm 보다 작으면 증발의 영향은 거의 무시할 수 있다고 밝히고 있다. 따라서 본 연구에서는 입자의 증발은 일어나지 않는 것으로 가정하고 해석을 수행하였다.

기침 시 토출되는 입자의 개수에 대한 연구는 매우 다양하다. Chao et al.^[18]은 한 번의 기침에서 나오는 입자의 개수는 947~2,085개이고, 말할 때는 112~6,720개라고 밝히고 있으며, 다른 연구에서는 약 3,000개의 입자가 발생되는 것으로 보고하고 있다.^[19] 따라서 본 연구에서는 3,000개의 입자가 입경별로 균일한 분포의 비율로 토출되는 것으로 가정하였으며, 입자의 총 토출량은 6.7 mg으로 설정하였다.^[20]

기침은 매우 짧은 시간에 이루어지는 복잡하고 다상인 상태로, 매우 높은 순간속도를 갖는다.^[21] 사람의 성별, 신장, 나이 등에 따라 기침의 속도가 다르고 사람마다 토출각도도 다르며,^[22] 기침 시 열려지는 입의 면적도 또한 다르다. Kwon et al.^[22]은 기침의 평균 초기속도는 남성의 경우 15.3 m/s, 여성의 경우 10.6 m/s이고, 토출 공기의 평균 각도는 남성의 경우 38˚, 여성의 경우 32˚라고 밝히고 있다. Gupta et al.^[9]은 기침 시 평균 입의 면적은 남성의 경우 4±0.95 cm², 여성의 경우 3.37±1.4 c²라고 보고하고 있다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 2(a)와 같이 기침 시 토출공기의 속도분포를 적용하였고,^[9] Fig. 2(b)와 같이 환자의 입과 평면인 x축과 수직인 y축을 기준으로 위쪽 각도 10˚, 아래쪽 각도 26˚로 하여 누워있는 환자로부터 토출되는 기침 입자의 각도를 36˚로 가정하였다.^[18] 토출공기의 온도는 34℃이며,^[23] 토출구를 2 cm의 원형으로 가정하여 해석을 수행하였다.

Fig. 2. Boundary conditions of coughing : (a) cough velocity; (b) particle discharge angle.

해석에는 입자의 브라운 운동이 고려되지 않았으며, 유체는 입자의 거동에 영향을 미치지만 입자는 유체에 영향을 주지 않는 One-way coupling 방법을 사용하였다. Lagrangian particle tracking을 이용하여 시간에 따른 입자의 이동을 추적하였다.

3.2.1 음압병실과 복도 및 전실 압력 변화

Fig. 6은 시간에 따른 실간 차압 변화를 나타낸 것이다. 의료진이 음압병실 내에서 움직이는 a구간에 따르면 의료진이 이동함에 따라 병실의 압력이 감소하여 차압이 커지는 것을 알 수 있다. 문이 열리는 순간 병실의 압력이 전실의 압력과 같아지며 b구간 즉, 문이 열려있는 동안 차압이 형성되지 않는 것을 확인할 수 있다. 의료진이 다시 움직이는 c구간에서 병실의 압력이 낮아졌다가 다시 전실의 압력과 같아진다. 문이 닫히면서 병실의 압력이 낮아지고 문이 완전히 닫힌 후 차압이 다시 형성된다.

Fig. 6. Pressure difference of Case A and Case B.

3.2.2 병실 내 공기 유출량

Fig. 7은 각 시간별 Smoke와 Air의 이동을 나타낸 것이다. 두 가지 Case 모두 문이 열리고 의료진이 복도와 전실로 나가면서 병실의 Smoke가 유출되는 것을 알 수 있다. 또한 의료진이 병실을 나가면서 의료진 머리 위로 복도와 전실의 Air가 병실 안으로 유입된다.

Fig. 7. Smoke concentration on the vertical plane and the horizontal plane.

선행연구인 Kalliomäki et al.^[1]의 연구에 따르면 출입문이 열림에 따라 음압격리병실 내 공기가 병실 밖으로 유출되며, 마네킹이 음압격리병실 밖으로 나오면서 많은 양의 공기를 끌고 나온다고 보고하였다. 본 연구의 해석결과 또한 선행연구와 유사한 결과를 얻을 수 있었다. Fig. 8은 병실의 Smoke가 복도와 전실로 유출된 양을 나타낸 것이다. 문이 열려있는 b구간에서 복도 및 전실의 높은 Smoke 증가를 확인할 수 있다. 특히 의료진이 병실에서 문을 통과해 복도 및 전실로 나가는 c구간에서 많은 양의 Smoke가 복도 및 전실로 유출된다. 두 Case 모두 문이 닫힌 후 복도 및 전실 내 Smoke의 양은 감소한다.

Fig. 8. Volume of smoke leaving the isolation room.

Table 2는 문이 열리기 전인 103.2초의 병실 내 Smoke의 양(V_i)과 의료진 이동 후 문이 닫힌 상태인 111.6초의 복도 및 전실로 이동한 Smoke의 양(V_l) 그리고 이에 따른 총 Smoke 유출률(V_r)을 나타낸 것이다. Case A의 경우 2.69%의 Smoke가 복도로 유출되고, Case B의 경우 2.53%의 Smoke가 전실로 유출되는 것으로 나타났다. Lee and Hong^[2]의 연구에 따르면 의료진이 음압격리병실에서 전실로 나가는 경우 전실로의 Smoke 유출률이 2.42%라고 밝혔으며, 이것은 본 연구 Case B의 Smoke 유출률 2.53%와 유사함을 알 수 있다.

3.2.3 기침 입자 확산 및 이동

Fig. 9는 시간에 따른 기침 입자의 개수를 나타낸 것이다. Case A의 경우 환자 기침 50초 후 입자 수가 초기 값의 65.1%(1,952개)로 감소되었고, 100초 후 43.6%(1,307개) 그리고 120초 시점에 36.6%(1,097개)로 나타났다. Case B의 경우 입자 수가 50초에 75.5%(2,266개), 100초에 45.5%(1,366개), 120초에 35.2%(1,057개)로 나타났다.

Fig. 9. Number of suspended particles over time.

Fig. 10은 각 시간별 입자 확산분포를 나타낸 것이다. 토출된 입자는 기류를 따라 병실 전체로 확산되고, 의료진 주위에 위치한 입자들은 의료진의 이동에 영향을 받는다. 의료진의 이동에 따른 의료진 뒤쪽에 생기는 후류를 따라 입자가 함께 이동하며, 열린 문을 통해 복도 및 전실로 이동할 수 있는 것으로 나타났다. Case A의 경우 총 11개의 입자가 복도로 유출되는 것으로 나타났다. Case B의 경우 2개의 입자가 전실로 이동하지만, 문이 닫힐 때 1개의 입자가 다시 병실로 이동하여 총 1개의 입자가 전실에 남아있다.

Fig. 10. Cough particle dispersion during the movement of healthcare worker and door.