2.1 공기 감염

공기 감염이란, 공기 중에 바이러스가 부유되어 타인의 피부 및 호흡기를 통해 전파⋅감염되는 것을 말한다. Sung^[2]은 공기 감염을 크게 접촉(contact), 비말(droplet), 공기(airborne)로 구분하였다. Catherine^[11]은 공기 감염 중 비말을 통해 확산되는 병균에 노출되었을 경우 감염될 확률을 다음의 식 (1)을 통해 나타내었다.

식 (1)에 적용되는 내용에 따르면, 공기 확산을 통한 감염 확률은 외기가 많이 유입될수록 낮아지며, 노출시간, 호흡량, 감염될 가능성이 있는 취약한 인원의 수가 증가할수록 높아지는 것으로 나타났다. 식 (1)에 따라 공기 감염 확률을 낮추는 방법은 보균자와의 접촉시간을 최소화시키는 방법과 깨끗하게 정화된 외기공기의 유입량을 늘리는 것이 대표적인 방법이 될 것이다. 이를 위해서는 특수한 환경이 조성되어야 하지만, 음압 병동이 아닌 일반 병원의 진료부와 로비는 많은 외부인의 출입으로 인해 감염물질의 유동 발생이 나타날 가능성이 높다. 이러한 외래공간은 병원 내 감염 관리를 위해 1차적으로 고려해야 할 높은 우선순위를 갖고 있어 실내 압력의 차이를 통해 일정 공간으로 유도하여 오염된 공기를 배출 하여야 한다.

2.2 원내 감염

원내 감염의 사전적 의미는 병원 안에서 일어날 수 있는 온갖 질병들의 감염을 일컫는 용어이다. 의료기관 내에서 감염은 항상 존재하며, 환자 및 방문객, 직원으로부터의 감염 역시 원내 감염의 하나의 경로이다. Chung^[7]은 원내 감염과 더불어 의료 서비스와 관련된 감염까지 포괄하여 의료 관련 감염으로 정의하였으며, 전파 경로를 정의 하여 그 예방 방법에 대한 조사를 실시하였다. 해당 예방 방법은 공기, 비말, 접촉 등으로 인한 감염을 주의하여야 하며, 손 및 기침에 관한 위생을 강조하였다. Yoo^[8]은 의료관련 감염관리에 대한 경로, 주의에 대한 기본적인 관리방법을 정리하였다.

이처럼 최근에는 원내 감염을 넘어서 의료 서비스에 의한 감염 예방을 강조하고 있으며, 대표적 조치로 경로에 대한 개선과 손 위생이 가장 효과적인 방법으로 제시되고 있다.

이에 따라 감염 가능 경로를 개선할 경우 공기 감염으로 발생될 수 있는 원내 감염을 예방할 수 있으므로 원내 기류 변화와 제어를 통해 그 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

2.3 입원치료(격리)병상 시설 기준

외래 공간(로비, 외래진료부)의 공기유동 개선방안을 마련하기 이전 현재 입원치료(격리)병상 시설의 음압 제어 기준을 확인하고자 하였다. 이는 국가지정 입원치료병상 운영과 관리 지침을 통해 확인하였으며, 내용은 아래와 같다.

첫째, 오염도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 공기가 흐르도록 실내의 공기압력을 제어하여야 한다.

둘째, 음압격리병실 등의 실내 공기압력을 안정적으로 제어하기 위하여 음압격리병실과 병실 전실에 급기구 및 배기구를 설치하되 병실 내 화장실의 경우 배기구만 설치하여야 한다.

셋째, 화장실, 병실, 병실전실, 내부 복도 등의 실간 차압은 각각 -2.5 Pa 이상을 유지할 수 있도록 한다.

넷째, 음압격리구역의 음압이 적절히 유지되도록 공조 제어기는 중앙통제실 등에 설치해야한다.

위의 4가지 사항은 음압 병동을 제어하는 방식에 대한 설명으로 본 연구는 해당 사항 중 실간 차압 방법을 적용할 경우 로비와 외래 진료부의 공기 유동을 개선할 수 있는 방법으로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

3.1 대상 건물 개요

본 연구의 분석 및 실태조사 대상 건물은 K대학 종합병원을 선정하였다. 해당 병원은 총 4개의 건물로 이루어져 있으며, 병원의 연면적은 95,936 m²이며 일반 병상 수 490개소와 중환자실수 39개소, 응급병상 수 26개소, 어린이병상수가 70개소로 총 625개소의 병상으로 운영되고 있다. 이중 어린이 병원만을 대상으로 실시하였다. 대상 병원의 개요와 1층의 평면도는 Table 1과 Fig. 1과 같다.

대상 병원 1층은 Fig. 2와 같이 크게 로비, 응급치료부가 있는 좌측, 외래진료부분이 있는 우측으로 구분되며, 해당 구분을 CFD 시뮬레이션 분석에 활용하였다. 구간별 특징으로 좌측은 응급치료부가 위치하여 침상이 개방된 공간에 배치되어 있으며, 로비에서 좌측 공간으로 이어지는 복도가 길게 이어져 있다. 더불어 로비로 이어지는 문이 검사실과 이어지는 구간에 존재하고 있다. 이는 좌측에서 로비로 이어지는 문이 2군데 존재하여 로비의 공기가 유입될 가능성이 있다.

우측 외래진료구역은 진료구역에 맞춰 침상별 공간이 구획되어 있으며, 진료과별 공간이 세밀하게 구성되어 있어 각 공간별 공조가 이루어지게 되어 있다. 또한 로비로 이어지는 복도가 1군데 존재하고 있어 로비 공간으로 유동하는 공기의 압력과 풍속이 높게 발생할 수 있는 환경이다.

대상 병원은 각 공간별 디퓨저와 FCU의 숫자 및 개수가 다르게 설치되어 있으며, 로비의 경우 높은 천정고에 급배기구가 혼합되어 설치되어있다. 실제 현장 조사를 통해 산정된 디퓨저의 개수 및 풍속, 로비연결 복도의 개수는 Table 2, Table 3과 같다. 조사된 개수와 풍속 값은 본 연구의 CFD 분석에 활용하였다.

측정은 급기 디퓨저와 배기 디퓨저, FCU의 중앙에 풍속계를 부착하여 Fig. 3과 같이 측정하였다. 대상 병원의 급배기 디퓨저와 FCU의 경우 좌측(응급치료부)에 가장 많이 설치되어 있으며, 배기 디퓨저가 급기 디퓨저에 비해 많이 설치되어 있다. 좌측의 디퓨저와 FCU 풍속의 경우 급기풍속이 배기풍속에 비해 0.29 m/s~1.66 m/s까지 높게 측정되었다. 이는 실내 배기가 급기에 비해 원활하게 이루어지지 않고 있어 공기의 정체가 발생할 수 있는 것으로 예측된다.

또한 우측(외래진료부)의 급배기 디퓨저 풍속은 로비, 좌측 구간에 비해 매우 낮게 나타나 이를 통한 우측 구간 내 기류 변화 효과가 낮을 것으로 예측된다. 다만, 로비의 급배기 풍속이 우측 구간에 비해 높아 압력 변화를 발생시켜 우측 공기가 로비로 배출될 가능성이 높을 것으로 판단된다.

4.1 시뮬레이션 개요

실태 조사를 통해 측정된 값과 TAB보고서 값을 활용하여 기류 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션은 Siemens사의 Star-CCM+(ver.13.04)를 사용하였으며, 시뮬레이션의 기본 설정 조건과 3D 모델링은 Table 4, Fig. 4와 같다. 해당 모델의 분석을 위하여 Launder와 Spalding가 최초 제안한 k-ε 모델을 사용하였다. 격자의 형태는 단면이 육각형 다면체 격자 형태를 지는 Polyhedral 방식을 사용하였다.

격자의 크기는 최소 0.05 m, 최대 1.0 m로 설정하여 공간의 미세한 부분까지 적용할 수 있도록 하였다. 실내의 온도와 압력은 모두 Default 값을 사용하였으며, 측정값과 TAB보고서에 나타난 값을 Inlet 값에 적용하여 Fig. 2에 나타난 공간별 실내 압력과 기류의 흐름을 확인하고자 하였다.

4.2 CFD 결과

기존 환경에 대한 CFD 시뮬레이션 분석에 활용 된 기초 자료는 신뢰성을 확보하기 위하여 실제 대상 병원에서 측정된 값 및 기존 TAB 보고서를 바탕으로 분석하였다. 실내 조건은 실내 문이 모두 개방 되었을 경우와 모두 닫혀있는 경우로 구분하여 실시하였다. 이는 실내 문의 개폐여부에 따라 로비와 병동, 진료부의 압력의 차이가 발생하기 때문이다.

5.1 개선안 개요

기존 상태 분석을 위해 실시한 시뮬레이션 결과 문 개폐와 관계없이 우측에 높은 압력이 발생하여 로비로의 공기 배출이 일어나며, 좌측의 경우 압력이 로비와 차이가 발생하지 않아 기류 정체 및 압력 차이가 발생하지 않는 문제가 발생할 수 있음을 확인하였다. 이를 개선하기 위하여 다음 두 가지 방법을 적용하여 개선하고자 한다.

첫째, 로비에 존재하는 급기 디퓨저를 배기 디퓨저로 변경하여 로비에서 배기가 더 원활하게 하고자 하였다.

둘째, 우측에서 로비로 유입되는 공기와 로비에서 좌측으로 이동하는 공기를 차단하는 방법으로 추가적인 배기구 적용과 전실 및 문의 적용을 반영하여 개선하고자 하였다.

5.2 나나나

개선안-1(로비 배기 디퓨저 증가)

해당 병원의 1층 로비와 진료부 전체 기류의 개선을 위하여 기존 공간 로비 상부에 존재하는 급기 디퓨저를 모두 배기 디퓨저로 변경하여 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션은 기존 분석과 동일하게 실내 문의 개폐 유무로 구분지어서 실시하였다. 실내에 존재할 수 있는 병원균과 외부에서 유입될 수 있는 공기병원균을 로비에서 배출할 수 있도록 적용하였으며, 본 시뮬레이션의 결과는 Fig. 9~Fig. 12와 같다.

시뮬레이션 결과 기존 실내 환경에 비해 크게 달라지지 않은 점을 확인할 수 있다. 이는 우측의 압력이 높아 로비로 배출되는 공기 통제에 어려움이 있는 것으로 파악할 수 있다.

Fig. 11, Fig. 12는 문이 모두 닫혀 있는 상황을 가정하여 실시된 시뮬레이션 결과로 기존 실내 환경에 비해 로비, 좌측, 우측의 압력의 차이가 나타나고 있는 것을 Table 7에서 확인할 수 있다. 다만, 계단실과 좌측으로 통하는 복도에서 기류가 정체되거나 로비의 공기가 유입될 수 있는 것으로 판단된다.

로비상부에 위치하고 있는 급배기 디퓨저를 모두 배기 디퓨저로 변경한 시뮬레이션 결과 문이 모두 열린 경우 기존 실내 기류의 유동에 큰 차이가 발생하지 않아 문제가 지속적으로 존재하는 것을 알 수 있다. 문이 모두 폐쇄된 경우는 압력 차이를 발생시키는 효과를 얻을 수 있으나, 좌측과 계단실로 유입되는 기류가 형성되어 이에 대한 추가적인 대안이 필요한 것으로 판단된다.

5.3 개선안-2(전실, 문 및 배기 디퓨저 추가 설치)

1차 개선안 시뮬레이션을 통해 로비의 디퓨저를 변화시켜도 실내 기류 흐름이 원활하지 않음을 알 수 있다. 따라서 급배기 디퓨저 변화 이외에 전실, 문 및 배기 디퓨저 추가설치를 통한 실내 기류 흐름을 원활하게 하고 제어 가능여부를 확인하고자 하였다. Fig. 13, Fig. 14는 로비와 각 병실로 이동이 이루어지는 복도 공간, 와류 발생 공간에 전실 및 추가 배기 디퓨저를 설치한 결과로 Fig. 14에 붉은 원으로 표시된 부분과 계단실 및 승강기 전실에 해당 적용 내용을 반영하였다. 기타 공간의 문은 모두 열려있는 상태로 실시되었다.

그 결과 기존에 발생했던 와류 현상과 우측에서 로비로 배출되는 공기, 로비에서 좌측으로 기류 유동이 현저하게 저하되는 것을 알 수 있다. 또한 좌측과 로비를 기준으로 우측과 로비에서 모두 압력의 차이가 발생하고 있어 원활한 기류 유동을 발생시킬 수 있음을 알 수 있다. 더불어 계단실 및 승강기 실을 통해서 1층 이상 공간으로 기류 유동을 제어할 수 있을 것으로 판단된다. Table 8은 해당 시뮬레이션의 부분 별 평균 압력과 기류 속도를 나타내고 있다.