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.

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.

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.

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.