2.1 모델링

본 연구의 유동해석은 ANSYS CFX CODE(Ver.19.0)⁽¹⁰⁾의 프로그램을 기반으로 하여 음압격리병실의 모델링과 공기유동을 해석하였다. 의료진 및 슬라이딩 문의 격자구성에는 Immersed Solid Methods⁽¹¹⁾를 적용함으로써 문의 개폐와 의료진의 이동을 모사하였다. 해석 공간 모델링은 Kalliomaki et al.⁽¹²⁾의 선행 실험연구에서 진행 하였던 모델링을 참고하여 선정하였으며 이를 Fig. 1에 나타내었다. 격리실과 전실의 크기를 세로 4.7 m, 가로 4.0 m, 높이 3.0 m의 크기로 동일한 조건으로 구성하였다. 급기구와 배기구의 크기는 각 440 mm×440 mm, 550 mm× 280 mm이다. 문의 크기는 가로 1.10 m, 세로 2.06 m, 두께 0.1 m로 하고, 문 틈사이의 Leak area는 0.03 m2로 설정하였고, 전실에서 복도로 통한 Leak area도 동일하게 설정하였다. 이때 문이 열리는 방향은 왼쪽에서 오른쪽으로 향한다. 의료진의 신체는 높이 1.7 m, 너비 0.8 m, 두께 0.23 m로 설정하였으며 의료진의 인체 발열은 무시하였다.

Fig. 1 Simulation modelling.

Fig. 2 Exhaust location in isolation room(Case A~Case D).

최소 실간 차압 2.5 Pa과 15 Pa의 경우 음압격리병실에서 설치되고 있는 다양한 배기구 위치에 따른 오염공기 확산특성을 파악하기 위해서 음압격리병실의 급기구와 전실의 급기구와 배기구의 위치를 동일하게 배치시키고 음압격리병실의 배기구 위치를 4가지 경우로 다르게 설정한 경우를 Fig. 2에 나타내었다. Case A는 Kalliomaki et al.⁽¹²⁾의 실험연구에서 진행하였던 모델링과 동일한 위치로 격리실의 왼쪽 측벽에 출입문과 가깝게 설치된 경우이며, Case B는 격리실 중앙 상단에 배기구가 위치한 경우이다. 또한, Case C는 환자의 머리부근에 배기구가 양쪽에 위치한 것을 고려한 경우로 격리실 중앙 하단에 2개의 배기구로 나누어 설치하였다. 이때 각 배기구의 풍량은 1개의 배기구가 설치되는 경우의 50%가 되게 설정하였다. Case D는 왼쪽 측벽에 출입문과 멀리 설치된 경우를 나타내었다.

2.2 격자 구성

수치해석을 위한 격자 구성은 해석공간의 중요성을 고려하여 해석공간을 구분한 뒤 격자의 밀도를 조절 하였다. 이는 전체적으로 조밀한 밀도의 격자를 구성하였을 경우 해석시간과 저장용량 등을 고려하였을 때 효율적인 수치해석을 위하여 의료진의 이동동선과 문의 개방 이후 기류의 흐름을 고려하여 해석공간을 나누어 구성하였다. Table 1에 본 연구에서 사용한 격자 구성을 나타내었다.

2.3 해석 방법

본 연구에서는 비정상유동상태 수치해석을 실시하기 전 표준 난류해석모델 $k-\varepsilon$을 적용하여 정상유동 상태의 해석을 먼저 수행하였다. 이는 슬라이딩 문의 개폐와 의료진의 이동이 없는 상태에서 급․배기 시스템의 기류로 인한 초기 환경을 얻기 위해서 실시하였다. 이후 100회의 해석 및 수렴조건은 Residual 범위 10$^{-4}$로 정상유동 해석결과를 초기 값으로 설정하여 비정상유동해석을 수행하였다. 이 때 비정상유동상태의 해석조건은 Timestep을 0.0025sec을 기준으로 Timestep 0.0025 sec당 10회의 해석과 수렴조건은 Residual 범위 10$^{-4}$로 설정하였으며, 난류 해석모델은 LES(Large Eddy Simulation) 난류모델을 적용하였다.

2.4 경계 조건

본 연구에서 격리실의 환기횟수를 12 회/h, 전실의 환기횟수를 6 회/h로 설정하여 각 실의 급기량을 선정하였다. 실간 압력차 2.5 Pa 및 15 Pa의 경계조건은 차압과 틈새면적의 관계에 따른 틈새 누기량을 적용한 Kim and Hong⁽⁵⁾의 해석조건을 적용하였다. 이에 따라 실 간 압력차가 2.5 Pa의 경우 격리실의 배기량(EA #1)이 0.2879 kg/s, 15 Pa의 경우 0.3813 kg/s로 자세한 경계조건은 Table 2, Table 3과 같다.

아래와 같은 경계조건을 적용함에 따라 격리실과 전실의 실간 압력차는 Fig. 3과 같이 각 2.5 Pa 및 15 Pa 이상의 압력차를 보여줌을 확인할 수 있다.

Fig. 3 Boundary condition(pressure difference 15 Pa)

2.5 오염공기 유출량 산정

본 연구에서는 격리실 내부의 모든 공기를 오염공기라고 가정하였다. 이에 따라 초기에 격리실 내부에 ｢오염 공기｣라 가정한 Smoke를 가득 채우고 정상유동해석을 실시하여 Fig. 4와 같이 격리실 내부의 순환과 혼합이 이루어지도록 하였다. 이후 의료진의 이동과 슬라이딩 문의 개폐 및 실압차에 따른 오염공기 유출량(Contaminant Air Flow)을 산정하였고, 의료진의 이동 및 문의 개폐과정이 완료된 시점을 기준으로 격리실에서 전실로 유출된 오염공기 유출량(m$^3$)을 C.A.F.로 표시하였다.

Fig. 4 Leak of contaminant air flow.

3.1 오염공기 확산특성⁽¹⁾

음압격리병실에서 오염공기 유출의 주된 원인을 파악하고자 슬라이딩 문의 개폐와 의료진의 이동이 있는 경우의 오염공기 유출량을 Table 4에 나타내었다. 슬라이딩 문과 의료진의 이동에 따른 오염공기 유출량 중 의료진의 이동에 따른 오염공기 유출량은 Fig. 5와 같이 오직 슬라이딩 문의 개폐에 따른 오염공기 유출량인 0.1017 m$^3$을 제외하고 의료진이 격리실에서 전실로 이동시 0.3812 m$^3$, 전실에서 격리실로 이동시 0.2770 m$^3$라는 것을 볼 수 있다. 단지 슬라이딩 문의 개폐에 따른 오염공기 유출량인 0.1017 m$^3$보다 의료진의 이동에 따른 오염공기 유출량이 각 274.8%, 172.4% 높다는 결과를 얻을 수 있었다. 이는 슬라이딩 문의 개폐에 따른 와류가 거의 형성되지 않아 매우 적은 오염공기 유출을 보인 반면, 의료진이 격리실에서 전실로 이동시 의료진의 이동에 유도되어 전실로 확산되는 오염공기와 의료진이 전실에서 격리실로 이동시 의료진의 후류의 영향으로 오염공기가 전실로 크게 확산되기 때문으로 판단된다. 따라서 음압격리병실에서 슬라이딩 문의 개폐에 의한 오염공기 유출보다는 의료진의 이동에 의한 오염공기 유출이 지배적 요인이라고 보여진다.

Fig. 5 Contaminant air flow with staff movement and without staff movement.

3.2 슬라이딩 문의 개폐속도와 의료진의 이동속도에 따른 오염공기 유출량

Kim and Hong⁽⁵⁾에 의하면 슬라이딩 문의 경우 문의 개폐에 따른 와류 생성이 매우 약하기 때문에 슬라이딩 문의 개폐에 따른 오염공기 유출량은 개방시간에 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 마찬가지로 Jo et al.⁽¹³⁾도 슬라이딩 문의 개방시간이 오염물질의 유출량에 영향을 주는 것으로 보고하고 있다. Lee and Hong⁽⁶⁾은 의료진의 이동속도가 느려질수록 공기유동에 영향을 적게 줌으로써 오염공기 유출량이 감소된다고 하였다. 따라서 슬라이딩 문의 개폐속도와 의료진의 이동속도 및 이동방향에 따른 오염공기 유출의 비교분석을 위해 해석의 결과를 Table 5에 나타내었다. 의료진이 전실에서 격리실로 이동시 문의 개폐속도가 0.275 m/s일 때 의료진의 이동속도가 1 m/s로 이동하는 경우의 오염공기 유출량(0.3868 m$^3$)과 0.5 m/s로 이동하는 경우의 오염공기 유출량 (0.3879 m$^3$)이 큰 차이를 보이지 않으나 의료진의 이동속도가 1 m/s로 빠르게 이동하는 경우의 오염공기 유출량 (0.4829 m$^3$, 0.4696 m$^3$, 0.3787 m$^3$)이 0.5 m/s로 느리게 이동하는 경우의 오염공기 유출량(0.4295 m$^3$, 0.4297 m$^3$, 0.3441 m$^3$)보다 증가하는 경향을 보이고 있다.

Fig. 6 Contaminant air concentration w.r.t staff movement direction.

이는 Lee and Hong⁽⁶⁾의 해석결과와 동일한 경향으로 의료진의 이동속도가 빠를수록 활발해진 후류의 영향과 이로 인해 유인 확산되는 오염공기가 증가되기 때문이라고 생각된다. 또한 의료진의 이동속도가 0.5 m/s인 경우, 슬라이딩 문의 개폐속도가 0.55 m/s로 빠르게 닫히는 경우의 오염공기 유출량(0.4295 m$^3$, 0.3441 m$^3$)이 개폐 속도가 0.275 m/s로 느린 경우의 오염공기 유출량(0.4297 m$^3$, 0.3879 m$^3$)보다 감소됨을 볼 수 있다. 따라서 음압 격리병실에서 오염공기 유출량을 감소시키기 위해서는 의료진의 이동속도를 제한하고, 슬라이딩 문의 개폐 속도를 빠르게 하여 개방시간을 단축시키는 것이 중요할 것으로 생각된다. 또한 의료진의 이동방향에 따른 오염공기 유출량은 의료진이 격리실에서 전실로 이동하는 경우가 전실에서 격리실로 이동하는 경우보다 오염 공기 유출량이 증가됨을 볼 수 있다. 이는 의료진의 이동에 따른 Smoke 농도분포를 나타낸 Fig. 6과 같이 의료진이 격리실에서 전실로 이동시 높은 농도의 오염공기가 의료진의 이동에 유도되어 전실로 확산된 반면, 의료진이 전실에서 격리실로 이동시 상대적으로 낮은 농도의 오염공기가 의료진의 이동에 의한 후류에 의하여 전실로 확산됨을 볼 수 있었다. 따라서 의료진의 이동방향도 오염공기 유출량에 영향을 미칠 수 있다고 판단된다.

3.3 오염공기 확산특성⁽²⁾

앞서 슬라이딩 문이 설치된 음압격리병실에서 오염공기 유출의 원인으로 의료진의 이동이라는 결과를 확인하였다. 이와 같은 사실을 바탕으로 격리실과 전실의 압력차의 변동에 따른 오염공기 유출량의 변화를 살펴보았다. 이는 앞선 해석결과를 고려하여 오염공기 유출량에 큰 영향을 주는 경우인 슬라이딩 문의 개폐속도 0.275 m/s, 의료진의 이동속도 1 m/s를 기준으로 해석을 수행하였으며, 오염공기 유출량의 해석결과를 Table 6에 나타내었다.

격리실과 전실의 실압차가 2.5 Pa의 경우 앞서 설명한 바와 같이 의료진 이동이 오염공기 유출의 주요 원인으로 나타나고 있으나, 실압차가 15 Pa로 증가되는 경우 좀 다른 해석결과를 보여준다. 의료진 이동이 없을 때 실압차가 15 Pa의 경우 오염공기 유출량은 0.9622 m$^3$으로 의료진 이동이 있는 경우의 오염공기 유출량인 0.7332 m$^3$, 0.8633 m$^3$보다 크게 상승됨을 확인할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 슬라이딩 문의 개폐에 따른 오염공기 유출량은 매우 미미하기 때문에 0.9622 m$^3$의 오염공기 유출량은 주로 압력차에 의해 발생된 것으로 볼 수 있다. 즉, 압력차가 상승함에 따라 음압격리병실의 오염공기 유출에 영향을 미치는 주요 원인으로 의료진 이동보다는 실간 압력차라고 판단된다. 이러한 결과는 문이 개방된 이후의 실간 기류의 상태에서 확인할 수 있다. 문이 개방되는 순간에 격리실과 전실의 압력차는 거의 0 Pa로 유지되며,⁽⁹⁾ 문의 개방 이후 격리실과 전실의 Smoke 농도분포 및 기류를 나타낸 Fig. 7의 해석결과에서와 같이 격리실과 전실 사이의 발생되는 기류는 급기와 배기의 풍량차에 따른 기류와 전실과 복도 사이의 문 틈새를 통한 기류라고 볼 수 있다. 실압차가 15 Pa의 경우 2.5 Pa보다 매우 큰 급․배기 풍량차에 의한 기류와 전실과 복도 사이의 문 틈새의 빠르고 강한 기류 영향으로 오염공기 유출량이 증가되는 것으로 보여 지며, 이에 따라 오염공기 유출의 주된 원인이 의료진 이동보다는 실압차일 것으로 판단된다. 즉, 실압차가 2.5 P의 경우에는 실압차에 의한 오염공기 유출보다는 의료진 이동에 따른 오염공기 유출이 지배적이지만, 15 Pa의 압력차에서는 의료진 이동에 따른 오염공기 유출보다는 실압차에 따른 오염공기 유출이 지배적인 요소라고 보여진다. 실압차가 15 Pa의 경우 의료진 이동에 따른 오염공기 유출량 (0.7332 m$^3$, 0.8633 m$^3$)이 의료진 이동의 없는 경우의 오염공기 유출량(0.9622 m$^3$)보다 감소하게 된 이유는 의료진이 이러한 기류를 막아주는 역할을 하였기 때문으로 판단된다.

Fig. 7 Contaminant air concentration and velocity vector according to pressure difference.

3.4 실압차에 따른 오염공기 유출량

CDC Guideline⁽¹⁾에 따르면 음압격리병실은 최소 실간 차압을 2.5 Pa로 설정하고 있으나 Victoria⁽¹⁴⁾의 기준 에서는 최소 15 Pa의 압력차를 유지하도록 하고 있다. 이처럼 음압격리병실에서 감염성 병균의 확산을 방지 하기 위해 필요로 하는 실압차에 대한 기준은 각 기관마다 동일하지는 않다. Adams et al.⁽⁸⁾의 연구결과 최소 실간 차압을 2.5 Pa보다 더 크게 유지해야하며, 의료진 이동에 따른 오염공기 확산은 15 Pa에서도 완벽하게 차단할 수 없다고 알려져 있다. 반면 Hayden et al.⁽⁷⁾는 실간 차압은 오염공기 유출에 큰 영향을 미치지 못하는 요인이라고 실험연구를 통해 주장한 바 있다. 이에 따라 본 연구에서는 최소 실간 차압인 2.5 Pa과 15 Pa를 비교하여 실압차에 따른 오염공기 유출량을 비교하였다.

Adams et al.⁽⁸⁾의 연구와 유사하게 실압차가 클수록 오염공기 유출량이 감소될 것이라 예상했던 예측과 달리 본 연구에서는 의료진 이동과 무관하게 실압차가 15 Pa의 경우 오염공기 유출량(0.9622 m$^3$, 0.7332 m$^3$)이 실 압차가 2.5 Pa의 경우의 오염공기 유출량(0.1777 m$^3$, 0.6894 m$^3$)보다 증가함을 보였다. 이와 같은 해석결과가 나타난 이유는 크게 2가지로 분석해 볼 수 있다. 첫 번째는 실압차가 증가됨에 따라 격리실과 전실 사이의 문 틈새를 통한 기류가 매우 강해지고 이러한 기류가 Fig. 6에서와 같이 문이 개방되기 전에 격리실 내부 오염 공기의 순환과 혼합을 증가시키게 된다. 또한 이러한 기류로 인하여 오염공기가 문 주변으로 확산되고, 의료진의 이동동선으로 집중됨으로써 문의 개방과 의료진 이동에 따라 오염공기 이동이 크게 증가되는 것으로 보인다.

Fig. 8 Contaminant air concentration according to pressure difference.

두 번째는 15 Pa의 압력차에서 문의 개방된 이후 실압차가 사라짐에 따라 커진 급기와 배기 풍량차에 따른 기류와 전실과 복도 사이의 문 틈새를 통한 강해진 기류로 인하여 격리실에서 전실로 유출되는 오염공기가 증가되는 것으로 판단된다. 따라서 오히려 큰 실압차가 오염공기 유출량을 증가시킬 수 있다고 보여진다. 2.5 Pa 보다 큰 압력차를 주어져야 한다고 했던 Adams et al.⁽⁸⁾의 연구와 상반된 결과가 나타난 이유로는 Adams et al.⁽⁸⁾의 연구에서는 Nebulizer를 통해 특정 물질을 분사하여 추적하는 연구를 진행했던 반면, 본 연구에서는 환자의 기침, 재채기 등으로 발생되는 오염이 환자 주변, 침대 및 의료진, 천장, 바닥 등에 침적될 수 있다고 확인한 Jung and Hong⁽³⁾의 연구를 고려하여 격리실 내부의 공기를 오염공기라고 가정했기 때문이다. 또한 실압차가 오염공기 유출에 큰 영향을 미치지 못한다는 Hayden et al.⁽⁷⁾의 연구와 달리 문이 개방되기 전 실압차가 격리실 내부기류에 영향을 미쳐 Fig. 8에서와 같이 오염된 공기가 의료진의 이동동선과 문 주변으로 집중되어 실압차가 큰 15 Pa에서 오염공기 유출량이 증가된 것으로 판단된다.

3.5 격리실 배기구 위치에 따른 오염공기 유출량

격리실 내부의 배기구 위치에 따른 오염공기 유출량을 확인하고자 Fig. 2와 같이 4종류의 경우의 배기구 설치 위치를 선정하여 해석을 수행하였다. 배기구 위치와 실압차에 따른 오염공기 유출량을 Table 8에 나타내었다. 앞선 해석결과와 같이 실압차가 클수록 오염공기 유출량은 배기구 위치와 상관없이 크게 나타남을 확인할 수 있다.

그러나, 배기구 위치에 따라서 오염공기 유출량은 다소 큰 차이를 보이고 있다. Fig. 8에서 나타낸 바와 같이 실간 차압이 2.5 Pa의 경우 Case C > Case B > Case D > Case A 순으로 오염공기 유출량이 크게 나타났으며, 15 Pa의 경우 Case C > Case B > Case A > Case D 순으로 오염공기 유출량이 크게 나타나고 있다. 즉, 압력차와 상관없이 배기구 위치가 문과 맞은편 중앙에 설치된 배기구(Case B, Case C)가 측벽에 설치된 배기구(Case A, Case D)보다 높은 오염공기 유출량을 보였다. 격리실 내부의 오염공기라 가정한 Smoke 농도분포와 격리실 내의 기류를 나타낸 Fig. 9를 통해 문과 맞은편 중앙에 설치된 배기구(Case B, Case C)의 경우 격리실 내부의 오염공기가 격리실 내에서 크게 확산되는 것을 볼 수 있는 반면, 측벽에 설치된 배기구(Case A, Case D)의 경우 격리실 내부의 오염공기는 상대적으로 작은 확산분포를 보여주고 있다. 이와 같이 오염공기가 사방으로 확산됨에 따라 문의 개방 후 문과 맞은편 중앙에 설치된 배기구(Case B, Case C)의 경우에 더 큰 오염공기 유출량을 보이고 있다. 특히, 2.5 Pa과 15 Pa의 경우 Case C에 위치한 배기구에서 문 주변으로 확산되는 오염공기가 크게 나타남에 따라 가장 많은 오염공기가 유출되는 것으로 판단된다. 이는 측벽에 설치된 배기구(Case A, Case D)의 격리실 내부 기류가 문과 맞은편 중앙에 설치된 배기구(Case B, Case C)의 격리실 내부 기류에 비해서 상대적으로 비대칭성을 보임으로써 오염공기를 한 방향으로 모이게 하여 오염공기의 확산이 감소되기 때문으로 판단된다. 이와 같은 해석결과는 격리실 내부에서 오염공기가 한 방향으로 모이도록 하여 오염공기의 확산을 방지하도록 배기구의 위치를 선정하는 것이 중요함을 알 수 있다.

Fig. 9 Contaminant air flow according to exhaust location in isolation room.

Fig. 10 Contaminant air concentration and velocity vector according to exhaust location(Case A~Case D).