2.1 해석 모델링

국내에서 음압격리병실로 사용되고 있는 국가지정입원치료병상의 시설기준에 부합하는 음압격리병실과 전실, 화장실에 대해서 해석모델을 설정하였다. 병실에는 침대 위에 누워있는 환자와 의료진이 위치하는 것으로 모델링 하였다. 병실과 전실, 병실과 화장실 사이에는 차압 형성을 위한 적정면적의 문 간극이 있다. 문 간극을 통해 전실의 공기가 병실 안으로 들어오고, 병실의 공기가 화장실로 이동한다. 해석모델은 병실과 전실, 화장실로만 구성하였지만 전실과 복도간의 공기 유동을 형성해주기 위해 외부와 전실 사이에 개구부(opening)를 두었다. Case D의 경우 환자의 머리 뒤쪽 벽에 배기구가 양 옆으로 설치되어있고, Case U의 경우 환자의 머리 위 천장에 배기구가 설치되어있다.

2017 국가지정 입원치료병상 운영과 관리 지침⁽⁸⁾에 따르면 1인 병실은 유효면적 15 ㎡, 높이 2.4 m 이상을 확보해야하고, 전실은 면적 4 ㎡, 깊이 2.4 m 이상을 권장하고 있다. 따라서 병실의 크기는 가로 4.1 m, 세로 4.1 m, 높이 2.4 m로 설정하였다. 전실의 크기는 가로 2.5 m, 세로 2.5 m이며, 화장실의 크기는 가로 2.5 m, 세로 1.5 m로 설정하였고 높이는 병실과 동일하다. 급배기구의 크기는 병실의 경우 0.6 m×0.6 m, 전실과 화장실의 경우 0.3 m×0.3 m이다. 문 간극의 누기면적은 가로 1.2 m, 세로 0.3 m로 설정하였다.

격자형성을 위해 tetra mesh를 사용하였으며, 벽면 근처의 mesh는 상대적으로 조밀하게 설정하였다. 정확한 CFD simulation 결과를 얻기 위해 약 3×106개(coarse), 5.5×106개(medium), 8.5×106개(fine) mesh의 Fig. 1(a)와 (b) 에서의 속도를 비교하여 격자의존성검사를 실시하였다.

2.2 경계조건 설정

2.2.1 병실 경계조건

CDC 가이드라인에서 권장하는 음압격리병실의 환기횟수는 신축건물의 경우 12회/h 이상, 기존건물의 경우 6회/h 이상이며 전실의 환기횟수는 10회/h 이상이다.⁽⁹⁾ 전실과 병실의 실간 차압은 -2.5 Pa 이상으로 유지해야 한다.⁽⁹⁾ 따라서 병실의 급기량은 환기횟수 12회/h를 기준으로 설정하였으며, 병실의 배기량은 -2.5 Pa의 차압을 유지하기 위한 누기면적의 값을 나타낸 식(1)을 이용하였다.⁽¹⁰⁾ 전실은 병실과 동일한 환기횟수 12회/h로 설정 하였고, 화장실은 병실과의 차압 설정을 위해 환기횟수 15회/h로 설정하였다. 전실과 복도 사이의 opening에 대해서는 -2.5 Pa의 압력조건을 설정하였다. 실내온도는 2017 국가지정 입원치료병상 운영과 관리 지침⁽⁸⁾에 따라 23±3℃가 되도록 급기온도를 설정하였다. 해석에 적용된 온도 및 풍량의 경계조건은 Table 1에 제시 하였다.

2.2.2 기침입자 경계조건

에어로졸 전파(aerosol transmission)는 감염환자로부터 배출된 감염입자에 의해 발생한다. 감염입자는 호흡, 기침, 재채기 또는 의료행위 등을 통해 공기 중으로 배출된다. 배출된 입자는 증발, 확산, 침적 등의 과정을 거친다. 큰 입자들은 중력의 영향을 받아 표면에 빨리 침적되는 경향을 보이며, 증발하여 비말핵과 같은 작은 입자로 발생하기도 한다. 작은 입자들은 실내 기류에 영향을 받아 공기 중에 오랫동안 부유하는 특성을 갖고 있다.

기침은 배출되는 속도가 빠르고 입자 농도가 높기 때문에 감염의 주된 요인으로 알려져 있으므로,⁽¹¹⁾ 기침을 환자로부터 입자가 배출되는 경로로 설정하였다. Yang et al.⁽¹²⁾의 연구에 따르면 기침 시 토출되는 입자의 전체적인 평균 크기 분포는 0.62~15.9 µm이고, 평균 입경은 8.35 µm이다. Chao et al.⁽¹³⁾에 따르면 한 번의 기침에서 배출되는 입자의 평균 입경은 13.5 µm이고, 947~2,085개의 입자가 배출된다. Duguid⁽¹⁴⁾에 따르면 약 3,000개의 입자가 배출된다. 비말감염과 공기감염 전파는 동시에 이루어지기 때문에,⁽¹⁵⁾ 본 연구에서는 0.3 µm, 0.5 µm, 1 µm, 5 µm, 10 µm, 20 µm 총 6개 입경의 입자가 각각 500개씩, 총 3000개의 입자가 토출되는 것으로 설정하였다. 토출된 입자는 물성치와 온도를 고려하여 표면장력이 약 0.0723 N/m이고, 밀도가 994 kg/m³인 구형의 물입자로 가정하였다.⁽¹⁶⁾ 입자의 총 토출량은 6.7 mg으로 설정하였으며,⁽¹⁷⁾ 증발은 일어나지 않는 것으로 가정하고 해석을 수행하였다.⁽¹⁸⁾

기침은 매우 짧은 시간 안에 이루어지는 복잡하고 다상인 상태로, 매우 높은 순간 속도를 갖는다.⁽¹⁹⁾ 사람의 성별, 신장, 나이 등에 따라 기침의 속도가 다르고 사람마다 토출 각도도 다르며 기침 시 열려지는 입의 면적 또한 다르다.⁽²⁰⁾ Kwon et al.⁽²⁰⁾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 밝혔다. Gupta et al.⁽¹⁰⁾은 기침 시 평균 입의 면적은 남성의 경우 4±0.95 cm², 여성의 경우 3.37±1.4 cm²라고 밝혔다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 2(a)와 같이 기침 토출 공기의 속도분포를 적용하였고,⁽¹¹⁾ Fig. 2(b)와 같이 토출되는 기침 입자의 각도를 36˚로 가정하였다.⁽¹⁸⁾ 토출 공기의 온도는 34℃이며,⁽⁵⁾ 입의 면적을 2 cm의 원형으로 가정하여 해석을 수행하였다.

사용된 상용프로그램은 ANSYS CFX이며, Shear Stress Transport(SST) 난류모델을 사용하였다. Lagrangian particle tracking을 이용하여 시간에 따른 입자의 이동을 추적하였다. 해석에는 입자의 브라운 운동이 고려되지 않았으며, 유체는 입자의 거동에 영향을 미치지만 입자는 유체에 영향을 주지 않는 one-way coupling 방법을 사용하였다. 병실 내에서의 입자의 침적 양상을 알아보고자 표면에 충돌한 모든 입자는 침적되는 것으로 하였다. 비정상상태 수치해석을 600초간 진행하였으며, 해석시작 후 침대에 누워있는 환자가 1회 기침을 하는 것으로 설정하였다. 토출된 입자는 병실의 배기에 의해 제거되거나 환자, 침대, 천장, 바닥, 벽, 의료진에 침적되며, 일부 입자는 화장실로 이동하여 화장실 배기, 천장, 바닥, 벽에 의해 제거되는 것으로 설정하였다.

3.1 기류분포 특성

2가지 Case는 공통적으로 문 간극을 통해 전실에서 병실로 공기가 들어온다. 전실의 공기는 병실의 급기와 함께 혼합되어 병실 전체에 퍼지고, 배기구로 배기되거나 화장실로 이동하여 화장실 배기에 의해 제거된다. 각 실의 압력은 전실 -5 Pa, 병실 -7.55 Pa, 화장실 -8.6 Pa이다.

Fig. 4는 600초 시점의 음압격리병실의 평균공기연령을 나타낸 것으로, 체류시간이 200초 이상인 공기만을 나타내었다. 공통적으로 화장실과 전실 반대편 배기구 쪽에 많은 양의 공기가 정체되었으며, 평균공기연령은 Case D의 경우 155초, Case U의 경우 168초로 Case D의 환기성능이 더 양호한 것으로 나타났다.

3.2 입자 확산 및 침적

Fig. 5는 각 시간별 입자의 입경별 확산 분포를 나타낸 것이다. Case D의 경우 입자 토출 후 입자가 아래로 하강하면서 초기에 많은 양의 입자가 환자 뒤 배기구로 이동하여 제거되었다. Case U의 경우 토출 초기에 입자가 위로 상승하였으며, 실내 기류에 의해 혼합되어 많은 양의 입자가 실 전체로 확산되었다. 확산된 입자는 시간이 흐름에 따라 침적과 배기에 의해 제거되었다.

Fig. 6은 시간에 따른 공기 중 입자의 개수와 기침공기의 농도 변화를 나타낸 것이다. 입자와 기침 공기의 감소 양상은 비슷하나 상대적으로 무거운 20 µm 입자의 침적으로 인해 입자의 감소가 더 빨리 이루어졌다. Case D가 Case U보다 입자와 기침공기의 감소가 빠른 것으로 나타났다. 부유하고 있는 입자의 개수는 Case D의 경우 50초에 458개, 100초에 219개, 300초에 26개, 600초에 3개였다. Case U의 경우 50초에 2058개, 100초에 1515개, 300초에 292개, 600초에 21개였다. 기침공기의 농도는 Case D의 경우 50초에 5 ppm, 100초에 3 ppm, 300초에 1 ppm, 600초에 0.06 ppm이었다. Case U의 경우 50초에 15 ppm, 100초에 12 ppm, 300초에 3 ppm, 600초에 0.54 ppm이었다.

Fig. 7은 600초 경과시점에서의 입경별 배기구로 배기된 입자, 침적된 입자, 화장실로 이동한 입자, 그리고 병실에 부유하고 있는 입자의 수를 나타낸 것이다. 배기방식에 따라 입자의 제거와 침적되는 양의 차이가 있는 것을 알 수 있었다. Case D의 경우 총 배기된 입자는 2,252개, 침적된 입자는 657개, 화장실로 이동한 입자는 88개, 부유하고 있는 입자는 3개였다. Case U의 경우 배기된 입자는 1,747개, 침적된 입자는 1,000개, 화장실로 이동한 입자는 236개, 부유하고 있는 입자는 17개였다. 2가지 Case는 공통적으로 배기되어 제거되는 입자가 침적되어 제거되는 입자보다 많았으나, Case D가 Case U보다 배기되어 제거된 입자가 더 많았고 침적된 입자는 적었다. 공통적으로 20 µm 입자는 나머지 입경의 입자들보다 침적되는 양이 많았고, 특히 Case U의 경우 20 µm 입자는 배기되는 입자보다 침적되는 입자가 더 많았다.

Fig. 8은 각 입경별 입자의 침적된 위치와 개수를 나타낸 것으로, Case D와 Case U 병실의 모든 위치에 입자가 침적되었다. Case D의 경우 입자는 침대 사이드레일(218개), 침대(202개), 바닥(122개), 환자(55개), 측벽(48개), 의료진(9개), 천장(3개)순으로 침적되었다. 의료진과 천장을 제외한 나머지 위치에서 모든 입경의 입자들이 침적되었다. 입자가 배출된 후 이동방향이 아래로 향하기 때문에 침대와 사이드레일에 많이 침적 되었으며, 측벽 중 환자 뒷벽에 입자가 많이 침적되었다. 0.3~10 µm의 침적 양상은 비슷하게 나타났으며, 20 µm 입자의 경우 환자와 침대, 바닥에 많은 양의 입자가 침적되는 것으로 나타났다.

Case U의 경우 바닥(228개), 침대(194개), 의료진(148개), 측벽(144개), 침대 사이드레일(132개), 환자(118개), 천장(36개)순으로 입자의 침적이 이루어졌으며, 특히 Case D에 비해 의료진에 많은 양의 입자가 침적되었다. 측벽 중 환자기준 왼쪽의 좌측 벽에 입자가 많이 침적되었는데, 전실에서 병실로 들어오는 공기가 반대편 벽에 부딪혀 환자기준 오른쪽에서 왼쪽으로 이동하면서 토출 초기에 제거되지 않은 입자들이 왼쪽 벽에 많이 침적된 것으로 보인다. 환자, 침대, 바닥과 같이 입자가 하강하는 방향의 경우 10 µm, 20 µm의 침적이 두드러지게 나타났고, 천장과 측벽의 경우 0.3~5 µm 입자의 침적이 많이 이루어졌다.