정민지
(Minji Jung)
1
한수하
(Su Ha Han)
2
유소연
(So Yeon Yoo)
3
이재갑
(Jacob Lee)
4
홍진관
(Jin Kwan Hong)
5†
-
가천대학교 대학원 박사과정
(
Ph.D Student, Department of HVAC & Firefighting Engineering, Gachon University, Sungnam,
13120, Korea.
)
-
순천향대학교 간호학과 교수
(
Professor, Department of Nursing, Soonchunhyang University, Cheonan, 31151, Korea.
)
-
가천대학교 간호학과 교수
(
Professor, College of Nursing, Gachon University, Incheon, 21936, Korea.
)
-
한림대학교부속 강남성심병원 감염내과 교수
(
Professor, Seoul, Division of Infectious Disease, Hallym University, Seoul, 07441,
Korea.
)
-
가천대학교 설비소방공학과 교수
(
Professor, Department of HVAC & Firefighting Engineering, Gachon University, Sungnam,
13120, Korea
)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
COVID-19(코로나-19), Computational fluid dynamics(전산유체역학), Negative pressurized medical container(음압컨테이너형 선별진료소), Sample collection booth(검사대), Air change per hour(환기횟수), Cross-contamination(교차감염)
1. 서 론
코로나바이러스감염증-19가 전 세계적으로 유행하면서 국내에서도 많은 감염환자가 발생하였다. 이에 따라 정부는 의심 환자를 빠르게 검사 및 선별 분류하여
접촉을 최소화하는 것으로 방역 대응을 하고 있다. 전국 보건소 및 의료기관에서 선별진료소를 운영하고 있으며, 2021년 1월 기준 약 660여 곳이
운영 중이다. 특히 한국은 빠른 검사를 위해 자동차 이동형 선별진료소(드라이브 스루형), 도보 이동형 선별진료소(워크 스루형), 음압컨테이너형 선별진료소(Negative
Pressurized Medical Container) 등을 채택하여 검사를 진행하고 있다. 드라이브 스루형과 워크 스루형 선별진료소의 경우 대규모
선별진료에는 매우 유용할 수 있으나 날씨에 따라 이용이 불가능할 수 있고, 의료진의 피로도가 증가할 수 있다는 단점이 있다. 음압컨테이너형 선별진료소의
경우 컨테이너 내에서 진료가 이루어지기 때문에 야외에서 진행되는 선별진료소들의 단점을 보완할 수 있다는 장점이 있다.
음압컨테이너형 선별진료소는 의료진이 위치한 진료실과 검사자가 위치한 검체채취실 간의 압력 차를 이용하여 진료실에서 검체채취실로의 기류를 형성한다.
여러 종류의 음압컨테이너 선별진료소가 운영되고 있는데, 가장 많이 운영되고 있는 검체채취실의 형태는 투명한 벽에 여닫이 창문을 설치해 의료진과 검사자를
분리하고, 의료진이 손을 넣어 검체를 채취할 수 있도록 한 형태이다. 이러한 형태의 경우 검체채취가 끝나고 의료진의 손이 검체채취실에서 진료실로 이동할
때 검체채취실의 오염공기가 진료실로 확산될 수 있다. 또한 검사자로부터 오염입자가 배출된 후 빠르게 제거되지 않아 검체채취실 내 교차감염의 위험이
높아진다. 이러한 점들을 보완하고자 의료진과 검사자 사이에 배기팬이 있는 검사대를 설치한 형태의 음압컨테이너 모델을 제시하였다. 입자가 의료진에게
확산되지 않고 배출 초기에 빠르게 제거될 수 있는 검사대의 최소 배기량과 이에 따른 실간 압력차를 CFD simulation을 통해 알아보고, 이를
음압컨테이너형 선별진료소에서의 진료 SOP (Standard Operating Procedure) 설정에 활용하고자 하였다.
2. 연구방법
2.1 해석 모델링
CFD simulation을 이용하여 바이러스 검체채취를 위한 음압이 적용된 실에서 검사자로부터 입자 배출 시 입자의 거동을 파악하기 위해 의료진이
위치한 진료실과 검사자가 위치한 검체채취실, 검사대(SCB, Sample Collection Booth)를 모델링하였다. 의료진과 검사자 사이에는
검사대가 위치하고 있으며 의료진이 검사자를 향해 손을 뻗어 검체채취를 하는 것으로 모델링하였다. 진료실의 크기는 가로 6.6 m, 세로 1.25 m,
높이 2.3 m이고, 검체채취실의 크기는 가로 1.2 m, 세로 1.325 m, 높이는 2.3 m이다. 검사대의 외부크기는 가로 0.72 m, 세로
0.39 m, 높이 1.51 m이며 내부 체적은 약 0.187 m3이다. 진료실에는 릴리프 댐퍼(Relief Damper)를 설치하여 차압에 따라 공기가 들어올 수 있도록 하였고, 검체채취실의 천장에 배기구가 설치되어
있다. 검사대의 양쪽 아래에 배기팬을 설치하여 검사자로부터 배출되는 감염입자를 배기할 수 있도록 하였다. 검사대 양쪽에 여닫을 수 있는 문이 있지만
열려져 있는 것으로 설정하여 문은 해석에 포함하지 않았다.
검체채취실의 배기량은 현재 국가기술표준원에서 진행되고 있는 K-방역 모델 국제화 표준안에 따라 실의 환기횟수가 15 ACH(Air Change per
Hour)가 되도록 설정하였으며, 검사대 배기량의 변화에 따라 입자제거효율을 비교하였다. 검사대의 배기량에 따라 150 CMH, 300 CMH, 450
CMH, 600 CMH, 총 4가지 Case를 설정하였으며, 난류강도는 0.05이다. 공기의 온도는 서울의 8월 평균 기온인 27 ℃로 설정하였으며,
의료진과 검사자의 표면 온도는 33℃로 설정하였다.(1,2) 전도와 대류에 의한 열전달만 고려하였고, 복사에 의한 열전달은 무시하였다. 해석에 사용된 경계조건은 Table 1과 같다. 인체와 벽 주위의 유동 모사를 위해 Fig. 1과 같이 inflation layer를 벽 근처 격자에 적용하였으며, grid independence test를 통해 mesh element의 개수를
7,143,624개로 설정하였다. 사용된 상용프로그램은 ANSYS CFX이며, Shear Stress Transport(SST) 난류모델을 사용하였다.
Table 1. Boundary conditions of CFD simulation
Boundary condition
|
Value
|
Medical examination room inlet
|
Opening
|
0 Pa
|
Sample collection room outlet
|
Mass flow rate
|
0.0181 kg/s
|
Sample collection booth outlet
|
0.0494 kg/s(150 CMH)
0.0986 kg/s(300 CMH)
0.1481 kg/s(450 CMH)
0.1975 kg/s(600 CMH)
|
Wall ・ Sample collection booth
|
Thermal conditions
|
Adiabatic
|
Healthcare worker ・ Testee
|
33℃
|
Fig. 1 Domain for computational fluid dynamics simulations.
2.2 입자 경계조건
바이러스성 에어로졸은 기침, 재채기, 말하기 등과 같은 호흡활동을 통해 배출된다.(3) 배출된 입자는 증발, 확산, 침적 등의 과정을 거친다. 기침은 배출되는 속도가 빠르고 입자농도가 높기 때문에 감염의 주된 요인으로 알려져 있으므로,(4) 기침을 통해 입자가 배출되는 것으로 설정하였다. Fig. 2와 같이 기침 시 토출공기의 속도분포를 적용하였다.(4) 입의 면적은 2 cm의 원형으로 설정하였고,(4) 토출되는 기침입자의 각도를 36˚로 가정하였다.(5) 사람으로부터 배출되는 입자의 크기는 광범위하게 나타나지만, 병원체는 5 μm 이하의 작은 입자에 주로 분포한다.(6) 5 μm 이하의 작은 입자는 기류나 환기에 의해 제거되지 않으면 장시간 공기 중에 부유할 수 있고, 하부호흡기에 침투할 수 있다.(7) 따라서 본 연구에서는 0.3 μm, 0.5 μm, 1 μm, 5 μm 총 4개 크기의 입자가 각각 750개씩 총 3000개의 입자가 토출되는 것으로
설정하였다. 토출된 입자는 밀도가 997 kg/m³인 구형 물입자로 가정하였으며, 증발은 일어나지 않는 것으로 가정하고 해석을 진행하였다.(8) 입자의 volume fraction이 낮기 때문에 유체는 입자의 거동에 영향을 미치지만 입자는 유체에 영향을 주지 않는 one-way coupling
방법을 사용하였다.(9) 표면에 충돌한 모든 입자는 침적되는 것으로 설정하였다.
모든 입자가 제거될 때 까지 비정상상태 수치해석을 진행하였으며, 해석 시작 후 검사자가 0.5초 동안 1회 기침을 하는 것으로 설정하였다. 배출된
입자는 의료진에게 침적되거나 검사대 내에 침적 또는 배기되어 제거된다. 검체채취실로 이동한 입자는 검사자와 의료진, 의자, 실의 벽과 천장, 바닥에
침적되거나 천장 배기구를 통해 제거되는 것으로 설정하였다. Lagrangian particle tracking을 이용하여 시간에 따른 토출입자의 이동을
추적하였다.
Fig. 2 Cough velocity with time.
Fig. 3 CFD simulation results. (a) Passive tracer concentration on the vertical plane and the horizontal plane; (b) Side and top view of particle distribution.
3. 해석 결과
3.1 검사대가 설치되지 않은 경우
서론에서 언급한 의료진과 검사자 사이에 검사대 없이 벽만 설치되어 있는 검체채취실을 모델링하였다. 검사자가 위치한 검체채취실의 공기를 오염공기로 보았을
때, 검사자가 기침을 한 후 의료진의 손이 검체채취실에서 진료실로 이동하는 경우 오염공기의 이동과 배출된 입자의 확산 양상을 알아보았다. Fig. 3은 해석 3초 후 passive tracer와 입자의 분포를 나타낸 것이다. 검체채취실의 환기횟수가 15 ACH일 때, 의료진의 손이 검체채취실에서
진료실로 이동하면서 검체채취실의 약 0.027%의 공기가 진료실로 이동하였다. 총 배출된 입자를 100%로 가정했을 때 검체채취실에 부유하고 있는
입자의 비율은 해석 시작 2초 후 34.4%, 10초 후 29.6%로 입자가 초기에 빠르게 제거되지 않았다. 또한 입자의 99%가 제거되기까지 약
11분이 소요되었고, 67.4%의 입자가 검체채취실 내에 침적되었다. 따라서 입자가 실내에 확산되지 않고 초기에 빠르게 제거될 수 있도록 의료진과
검사자 사이에 배기가 이루어지는 검사대를 설치하여 해석을 진행하였다.
3.2 검사대를 설치한 경우
Fig. 4에 검사대 배기량이 150 CMH, 300 CMH, 450 CMH, 600 CMH인 4가지 Case의 진료실과 검체채취실 간의 기류방향과 속도 그리고
nondimensionalized pressure contour를 나타내었다. 진료실의 릴리프 댐퍼로부터 유입된 공기는 압력차로 인해 진료실에서 검체채취실로
이동하였고, 이동한 공기는 검사대의 배기팬으로 배기되거나 검체채취실로 확산되어 천장 배기구를 통해 배기되었다. 각 Case의 기류 진행 방향은 동일하지만
팬의 배기량이 클수록 검사대를 통과하는 기류의 속도가 증가하였다. 진료실과 검체채취실의 압력은 검사대의 배기량이 150 CMH인 경우 각각 -0.49
Pa, -0.57 Pa로 차압은 0.08 Pa이고, 300 CMH인 경우 -1.45 Pa, -1.68 Pa로 차압이 0.23 Pa이다. 450 CMH인
경우 -2.96 Pa, -3.45 Pa로 차압이 0.49 Pa이고, 600 CMH인 경우 -4.99 Pa, -5.77 Pa로 차압은 0.78 Pa로
나타났다.
Fig. 4 Velocity contour plot and pressure distribution of a cross sectional plane in the computational domain.
Fig. 5 Distribution of discharged particles with time.
Fig. 6 Number fraction of suspending particles with time.
Table 2. Number fraction of suspending particles particles after 2 minutes and time required for removal efficiencies of 99% and 99.9% of particles
|
Suspending particles after
2 minutes
|
Minutes required for removal efficiencies
|
99%
|
99.9%
|
15 ACH, 150 CMH
|
5.9%
|
6.0
|
9.4
|
15 ACH, 300 CMH
|
1.2%
|
2.6
|
6.4
|
15 ACH, 450 CMH
|
2.0%
|
2.9
|
6.0
|
15 ACH, 600 CMH
|
1.2%
|
2.2
|
4.7
|
시간에 따른 입경별 입자의 확산을 Fig. 5에 나타내었다. 입자의 배출이 끝난 0.5초 시점 검사대 배기량이 150 CMH와 300 CMH인 경우 입자분포를 보면 입자가 검사대 밖 의료진이
위치한 곳으로 일부 확산되었다. 이것은 기침의 배출속도가 검사자 쪽으로 이동하는 기류속도보다 높기 때문이다. 검사대 배기량이 450 CMH와 600
CMH인 경우 검체채취실로 이동하는 기류 모멘텀이 더 크기 때문에 입자가 의료진 쪽으로 이동하지 않고 검사대 내에서만 확산되었다. 해석 시작 2초
후 입자의 양상을 보면 검사대의 배기량이 작을수록 검사대 내의 입자가 빠르게 제거되지 않은 것을 알 수 있다.
Fig. 6에 시간에 따른 부유입자의 감소 비율을 나타내었다. 150 CMH의 경우 실내 부유입자가 2초에 55%, 5초에 12%로 감소되었고, 4가지 Case
중 입자가 가장 느리게 제거되어 가장 높은 부유입자 농도를 나타내었다. 300 CMH의 경우 1초에 70%, 2초에 5%로 감소되어 2초 이후 가장
낮은 부유입자 농도를 보였다. 450 CMH와 600 CMH의 경우 기침 후 입자가 빠르게 제거되어 1초에 부유입자가 각각 18%와 15%로 감소되었고,
2초에 9%, 7%로 감소되었다. 해석 시작 약 2초 이후 검사대의 배기량이 450 CMH와 600 CMH인 경우가 300 CMH인 경우보다 실내
부유입자 농도가 더 높았는데, 이것은 검사대의 배기량이 클수록 검사자 쪽으로 이동하는 기류 모멘텀이 커져 많은 양의 입자가 검사대에서 배기되지 않고
검체채취실로 이동하였기 때문이다.
Table 2에 해석 시작 2분 후 실내 부유입자의 비율과 입자 제거율이 99%와 99.9%가 되는 시간을 나타내었다. 팬의 배기량이 450 CMH 이상인 경우
배출 입자는 2분 후 2% 이내로 감소되었고, 실내 입자 제거율이 99%가 되기까지 걸리는 시간은 3분 이내, 99.9%가 되기까지는 6분 이내인
것으로 나타났다.
Fig. 7(a)에 해석시작 2분 후 검사대 내에서 제거된 입자의 비율과 검체채취실의 배기구로 제거되는 입자 그리고 검사자와 실내 표면에 침적된 입자의 비율을 나타내었다.
Fig. 7(b)에 검사대에서 배기된 입자와 침적된 입자, 의료진에게 침적된 입자, 검체채취실에서 배기된 입자, 검사자, 의자, 측벽, 천장, 바닥에 침적된 입자의
비율을 나타내었다. 검사대 내에서 배기와 침적에 의해 제거된 입자는 300 CMH, 450 CMH, 600 CMH, 150 CMH 순으로 높았으며,
각각 97.3%, 92.7%, 92.6%, 88.7%였다. 의료진에게 침적된 입자는 150 CMH의 경우 0.8%, 300 CMH의 경우 0.1%,
450 CMH의 경우 0.07%, 600 CMH의 경우 0.1%로 검사자의 얼굴과 가까운 의료진의 손에 입자가 침적되었다. 검사대에서 제거되지 못한
입자들은 검체채취실로 이동하여 검사자에게 침적되거나 실에 확산되어 천장 배기에 의해 제거되었다. 또한 검체채취실의 의자와 벽, 바닥, 천장 등 실내
표면에도 입자가 침적되었는데, 150 CMH, 300 CMH, 450 CMH, 600 CMH의 경우 각각 0.3%, 0.4%, 1.2%, 0.9%로
나타났다.
Fig. 7 CFD simulation results. (a) Number fraction of particles that removed from the SCB and the sample collection room. (b) Number fraction of exhausted or deposited particles based on location.
4. 결 론
코로나바이러스 검체채취를 위한 음압컨테이너형 선별진료소에서 검사자로부터 배출된 입자의 확산 특성을 파악하고, 교차오염을 방지하기 위한 검사대의 적절한
배기량과 실간 압력차를 알아보기 위해 CFD simulation을 수행하였다. 해석 결과 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
(1) 음압컨테이너형 선별진료소 중 의료진과 검사자 사이에 배기가 이루어지는 검사대를 설치한 경우가 설치하지 않은 경우보다 초기 입자 제거율이 더
높아 전체적으로 입자 제거가 더 신속하게 이루어졌다.
(2) 검체채취실의 환기횟수를 15 ACH로 유지하는 조건에서 의료진의 안전을 위해 검사대의 배기량은 450 CMH, 진료실과 검체채취실 간의 압력
차는 0.49 Pa 이상이 되어야 할 것으로 판단된다.
(3) 검사대의 배기량이 450 CMH인 경우 입자제거효율이 99%가 되기까지 소요되는 시간은 약 3분, 99.9% 되기까지 소요되는 시간은 약 6분
이하로 나타났다.
(4) 낮은 비율이지만 검체채취실 내에 입자가 의자, 벽, 바닥, 천장 등 모든 곳에 침적될 수 있으므로 교차오염 방지를 위해 검체채취 후 다른 검사자가
입실하기 전에 내부 표면소독이 이루어져야 한다.
후 기
본 연구는 경기도 감염관리지원단의 지원을 받아 수행되었습니다.
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