조진균
(Jinkyun Cho)
1†
김진호
(Jinho Kim)
2
-
국립한밭대학교 공과대학 설비공학과 교수
(Professor, Department of Building and Plant Engineering, Hanbat National University,
3458, Daejeon, Korea)
-
수원과학대학교 소방안전설비공학과 교수
(Professor, Department of Fire Protection, Safety and Facilities, Suwon Science College,
18516, Hwasung, Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
키워드
전산유체역학, 감염방지 대응, 감염병, 이동형 음압격리병실, 환기 시스템
Key words
CFD, Infection control, Infectious disease, Mobile negative pressure isolation room, Ventilation system
1. 연구배경 및 목적
현재도 진행 중인 COVID-19 범유행은 바이러스의 특성이 완전히 파악되지 않아 향후 몇 년간 종식되기는 불가능할 것으로 예상하며 변종 바이러스에
의한 지속적 유행이 진행되고 있다. 이동형 감염병 의료시설에 대한 수요는 COVID-19 범유행의 지속적인 확산에서 비롯되었다.(1,2) 재난 발생 시 중앙정부 및 지자체는 다양한 감염성 질병의 유행과 감염환자가 급증할 수 있는 시나리오를 기반으로 의료지원 계획을 세워야 한다. 그리고
전염성이 높은 바이러스에 의한 감염병은 신속하게 대응하여 국가 의료체계 위협을 제거해야 한다.(3-5) 의료진은 의료 환경과 지역사회 사이의 경계에 있으므로 병원에서 감염병 발병이 시작되어 지역사회로 확대하는 역할을 할 수 있다.(6) 공중 보건 정책과 관련하여 감염병 대유행 동안 제한적인 의료시설 구축의 예산과 감염환자 증가라는 딜레마의 해소가 더욱 중요해졌다. 따라서 효율적인
1차 의료를 제공하는 솔루션 중 하나는 가장 긴급한 요구를 충족시키고 전문적인 의료서비스를 제공할 수 있는 이동형 의료시설이다.(7,8) 이미 전 세계적으로 의료자원이 부족한 지역에 유사한 이동식 의료시설이 적용되었다. 이는 지역적 의료 안전망의 격차를 메우는 지역사회 기반 의료서비스
모델의 역할이 가능하다.(9) 이동형 진료소의 유연성과 적응성이 감염병 범유행에 대응하는 데 이상적인 파트너가 될 수 있음을 보여주었다.(10) 그러나 현재까지의 이동식 진료소의 개념은 단시간 안의 양적인 공급에 초점을 두었기 때문에 치료공간에서의 교차 감염에 대한 위험이 여전히 존재하였다.
기후변화와 인수공통전염병의 확산 증가로 인해 감염병은 미래에 점점 더 많이 발생하고 확산될 가능성이 커지고 있으며, 치료환경에 대한 새로운 대안과
방법을 고려해야 한다. 따라서 팬데믹 기간 동안 운영을 지속할 수 있는 임시 의료시설을 만드는 것은 필수적이다. 이러한 시설은 안전해야 하며 대중적
신뢰를 높이고 신속하게 치료를 받을 수 있는 안전성이 최우선으로 확보되어야 한다.(11)
본 연구에서는 신속한 공급뿐 아니라 의료진의 안정성 확보를 위한 이동형 음압격리병실을 개발하였으며 수치해석을 통한 치료공간 내부의 병원균에 의한 교차감염을
최소화할 수 있는 환기 시스템을 검토하였다.
2. 의료시설의 감염병 대응전략
치료병실의 수요계획에는 일반적으로 다양한 위기 단계를 처리하기 위한 프로토콜이 포함되어야 한다. Table 1과 같이, 감염병 환자 급증에 대응하는 의료시스템 운영조건은 세 가지 범주로 구분할 수 있다.(12) 첫째, 정상적인 운영 체계는 유지되지만, 병상의 수용 능력과 일부 의료서비스가 제한되는 긴급상황, 둘째, 의료서비스 수요가 급격하게 증가하고 수용
용량이 과도하게 부담되더라도 기능적으로 동등한 치료가 환자에게 제공되는 비상상황 그리고 마지막으로 의료진과 의료서비스 공급이 부족할 수 있으며, 시설
용량이 한계가 발생할 수 있는 상황을 고려하여 병원이 충분한 치료만 제공하기 위해 노력해야 하는 팬데믹과 같은 위기상황으로 구분된다. 이러한 위기상황에는
환자이송, 의료진 유지, 의료장비 확보 및 배분과 같은 물류 문제를 해결하기 위해 지역 의료기관 간의 긴밀한 조정이 필요하다.
Table 1 Surge continuum taxonomy(12)
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Response Category
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Description
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Resources
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Conventional care
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‧The spaces, staff, and supplies used are consistent with daily practices within the
institution
‧These spaces and practices are used during a major mass casualty incident that triggers
activation of the facility emergency operations plan
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Usual care +20%
(Local)
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Contingency care
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‧The spaces, staff, and supplies used are not consistent with daily practices but
maintain or have minimal impact on usual patient care practices
‧These spaces or practices may be used temporarily during a major mass casualty incident
or on a more sustained basis during a disaster (when the demands of the incident exceed
community resources).
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Usual care +100%
(Regional)
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Crisis care
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‧Adaptive spaces, staff, and supplies are not consistent with usual standards of care
but provide sufficiency of care in the setting of a catastrophic disaster (ie, provide
the best possible care to patients given the circumstances and resources available).
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Usual care +200%
(National)
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심각한 팬데믹 상황에서 자원에 대한 경쟁적 요구, 장기적인 영향 및 잠재적인 의료진 감염으로 인해 선택사항이 매우 제한된다. 감염병에 대한 대응모델
대부분은 초기 감염환자 치료를 위한 음압격리병실이 부족할 것으로 예측된다.(13,14) 위기관리는 전략적 또는 국가적 외부자원에 대한 액세스가 필요하고 공급하는 데 필요한 시간은 48~72시간 이내가 요구된다. 또한, 해당 시설에서는
공급지연을 최소화하기 위해 어떤 공간을 사용할 것인지, 어떤 설비(모니터, 침대 및 환기 장치)가 필요한지 파악해야 한다.(15)
의료환경 내부의 안정성 확보 측면에서는 Fig. 1에서 볼 수 있듯이 감염 통제방법에는 위험을 줄이거나 제거하기 위한 5단계 조치가 포함된다. 전반적인 효율성을 기반으로 우선되는 조치는 오염물을 제거,
희석, 엔지니어링적 제어, 관리적 제어 및 개인 보호장비(PPE: personal protective equipment)의 착용 순서이다.(16)
의료공간에서 감염병 환자에 의해서 의료진(HCW: health care worker)은 공기 또는 에어로졸을 통한 감염 및 전파에 노출될 수 있다.
실내에서 감염 예방을 위한 가장 효과적인 방법은 병원균의 제거이다. 그러나 이것이 가능하지 않은 경우, 희석 및 공학적 제어를 통해 병원균으로부터
감염경로를 완전히 차단하는 것을 고려해야 한다. 여기에서는 환기 시스템과 실간 차압 제어가 필수적 요소이다.(17-19)
음압격리병실의 환기 시스템은 일선 필수 의료진을 보호하고, 감염환자와 공간적으로 분리를 하는데 필수적인 역할을 한다. 공기 중 병원균 농도를 줄이고
단계별 수준에서 오염물질 제거효율을 높이는 것을 목표로 실내 공기질에 대해 위험성 기반의 정량적 기준을 설정해야 한다. 환자 레벨에서의 감염원을 시스템
레벨에서 직접 처리하고 공간(병실) 레벨에 대한 위험을 최소화하는 것이 중요하다. Table 2는 에어로졸을 포함한 공기 전파가 우려되는 감염병에 대한 안전한 환경을 확보하기 위한 환기 시스템에 대한 주요 고려사항을 보여준다.(20) 음압격리병실의 단계별 요구사항으로 공간 레벨에서는 전체적인 기류 흐름이 중요하다. 의료진을 보호하기 위해 병실 내 공기가 청정영역에서 오염영역으로
이동하도록 급기(디퓨저)와 배기(그릴)위치를 고려해야 한다. 병실+시스템 레벨에서는 실간 공기 이동을 차단하기 위해 적정 차압을 유지하고, 필터 등을
사용하여 국부적으로 오염물질을 제거 또는 포집해야 한다. 시스템 레벨에서 가장 중요한 것은 공기 중의 바이러스 또는 오염물의 농도를 줄이기 위해 감염지역으로의
환기량을 최소 6 ACH를 확보해야 한다. 시스템+환자 레벨에서는 병원균의 제거효율을 높이기 위해 신선 외기를 최소 2 ACH 이상을 도입하고 외부로
직접 배기한다. 마지막으로 오염원인 환자 레벨에서는 오염물질을 효과적으로 제거하기 위해 배기구를 환자에 근접하게 위치하여 될 수 있으면 환자의 머리
근처의 벽에 설치하는 것을 고려한다. 이동형 음압격리병실을 구축할 때도 동일하게 환자 레벨→시스템 레벨→공간 레벨로 교차오염방지 및 의료진 보호를
위한 요구사항을 만족하게 해 신뢰성을 확보하는 것이 필요하다. 또한, 교차 감염방지와 환기 시스템 적용성에 대한 검토가 함께 이루어지면 음압병실의
성능과 효율성을 높일 수 있다.
Fig. 1 Hierarchy of infection control.(16)
Table 2 Key ventilation considerations for the safe operations of the isolation room(20)
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Strategy
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Level
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Key ventilation considerations
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Ventilation
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Patient and
System
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‧Increase outside air to maximum design availability as well as exhaust to outside
in order to increase the contaminant dilution percentage
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Infection control
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Patient
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‧To ensure complete removal of all airborne contaminants from patients
‧Place the vent near the patient, preferably on the wall near the patient’s head
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Total air changes
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System
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‧Increase total supply and return/exhaust air to infected areas to reduce contaminated
particulate concentration
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Air treatment
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Room and
System
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‧Remove, capture or eradicate the contaminant locally with filtration and/or molecular
modification technologies
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Pressure control
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Room and
System
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‧Incorporate negative pressure relationships where isolation from its adjacent space
is required
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Airflow pattern
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Room
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‧Configure placement of diffusers and grilles to allow air to flow from clean to less
clean to protect the health care workers
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3. 이동형 음압격리병실 구성
이동형 음압격리병실 모듈은 임시 건축물이기는 하지만 의료진과 환자의 안전성 확보가 최우선이기 때문에 앞에서 분석된 요구성능을 가능한 한 모두 적용하는
것은 원칙으로 하였다. 공간구성의 건축적인 사항은 긴급음압격리병상 설치기준을 최대한 준용하였다. 음압격리병실의 전용면적은 10.8 m2를 확보하고 바로 접근 가능한 부속 화장실을 설치하였다. 전실의 설치는 긴급음압격리병상 기준에서는 권장 사항이고, 이동/운반이 가능한 하나의 모듈
내에서 구성해야 하는 공간적 제약 때문에 실간 차압성능을 만족할 수 있도록 2.8 m2의 최소공간으로 반영하였다. 복도의 경우 해당 모듈과 다른 모듈이 동시에 연결되는 공간으로 4 m2 이상의 면적확보와 의료진과 환자의 이동 동선을 시간을 두고 분리할 수 있도록 계획을 하였다. 또한, 연결복도 모듈과 의료지원 모듈과 연결하여 다양하고
기본적인 건축계획을 반영할 수 있도록 하고 있다.
실간 교차오염을 원천적으로 방지하기 위해서는 실간 기류 흐름의 방향이 매우 중요하다. Table 3의 요구조건에 따라서 음압격리병실 모듈 내에 구성된 실은 복도에서 전실, 그리고 격리병실과 화장실 순서로 차압을 형성하여 기류가 차례대로 이동하도록
급기․배기 시스템을 적용하였다. 음압격리병실의 급기풍량은 160 m3/h로 환기회수 6 ACH인 전외기 시스템을 적용하였다. 전실은 음압 구역과 비 음압 구역의 완충공간 역할이 중요하다. 별도의 급기와 배기를 적용하지
않고 복도로부터 기류가 이동하도록 차압을 설정하고 다시 30 m3/h(2 ACH)가 음압격리병실로 공급되도록 하였다. 복도는 양압이 형성되도록 2 ACH 이상의 급기를 적용하되 다른 음압격리병실 모듈과 연결되는
조건을 고려하여 전실로 이동하는 풍량의 합을 검토하여 최소 6 ACH 이상을 적용할 수 있도록 충분한 용량을 반영하였다. 그리고 음압격리병실에서 화장실
문틈으로 이동하는 풍량은 40 m3/h이고 실간 차압은 화장실 사용의 유연성을 고려하여 -1.0 Pa을 충족하도록 하였다. 음압 구역과 비 음압 구역의 경계인 전실과 음압격리병실의
차압은 -2.5 Pa 이상을 확보해야하기 때문에 출입문의 기밀을 확보하고 릴리프 댐퍼를 설치하여 적정 차압을 유지하도록 반영하였다.
이동형 음압격리병실 환기 시스템은 Fig. 2의 개념도와 같다. 공간 레벨에서 신속하고 안전하게 격리병실로 출입하고 의료진을 안전하게 보호하면서 더 높은 수준의 의료서비스를 제공하도록 고려해야
한다. 병실 내에서 기류는 혼합되지 않고 의료진(청정구역)에서 환자(오염구역)방향으로 유도하여 효율적으로 감염원을 제거/ 배출하는 것이다. 이를 구현하기
위해서 급기구를 병실 중앙 상부에 설치하여 급기하고 배기구는 환자의 머리 측 벽면에 설치하여 단일방향으로 기류 흐름을 유도하여 배출하도록 구현하였다.
또한, 환자를 거쳐서 배기되는 공기는 병원균을 포함하고 있을 가능성이 크기 때문에 HEPA 필터유닛을 거쳐서 배기하도록 시스템을 구성하였다.
Fig. 2 Layout of the mobile negative pressure isolation room for infectious diseases.
Table 3 In pandemic mode, the unit supports flow and process changes that help keep patients and HCWs
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Rooms
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Design criteria
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Rooms
|
Design criteria
|
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Isolation (Patient) rooms
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(Requirement)
‧Negative relative pressure to anteroom
‧6 ACH minimum (12 ACH recommended)
‧Supply/ Relief/ Exhaust air isolation (patient) room
‧Max 60% + MERV 14 minimum (HEPA preferred)
‧TAB: min and max and pandemic set points
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Anteroom
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‧Neutral or positive relative pressure to the isolation room
‧2 ACH minimum
‧The air lock should be negative with respect to the corridor
‧Digital differential pressure sensors or magnehelic gauges
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(Airflow pattern)
‧Configure placement of diffusers and grilles to allow air to flow from clean to less
clean areas to protect the HCWs (health care workers)
‧Place the vent near the patient, preferably on the wall near the patient's head
‧Discharge all exhaust air outdoors through a HEPA filter or equivalent filter units
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Toilets
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‧Negative relative pressure to isolation room
‧10 ACH minimum
‧Exhaust air rooms
‧30% + 90% filtration minimum
‧TAB: min and max and pandemic set points
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Corridors
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‧Neutral or positive relative pressure to the anteroom
‧Clean to less clean air flow pattern
‧2 ACH minimum
‧TAB: min and max and pandemic set points
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4. 음압격리병실 환기성능 평가
앞에서 정의한 이동형 음압격리병실의 환기 시스템의 병원균 제거효율에 대한 정량적 분석이 요구된다. CFD 해석을 통한 환기성능 평가는 급기/배기구의
위치와 환기량에 따른 환기효율을 관찰하기 위하여 실내공기 속도와 실간 차압이 적정 설계기준 충족 여부를 판단하는 데 중점을 두었다. 공기 또는 에어로졸
전파를 통한 감염경로는 기류분석에서 유추할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 환기 시스템의 CFD 해석을 위하여 STAR CCM+ CODE(21)를 이용하여 병원균 이동을 유발할 수 있는 공기유동을 해석하였다. 환기 시스템 운전모드에 따른 병원균 전파에 미치는 영향도 함께 조사하였다.
4.1 환기 시스템 모델링
환기성능은 음압격리병실의 2가지 환기 시스템 운전모드를 구분하여 분석하였다. 환기모드 #1은 화장실을 사용하지 않을 때 화장실 배기 팬이 가동되지
않는 조건이고, 환기모드 #2는 화장실을 사용할 때 배기 팬이 가동되는 조건이다. 환기 시스템의 에어밸런싱을 포함한 CFD 시뮬레이션의 경계조건은
Table 4와 같다. Fig. 3에서와 같이, 수치해석 모델의 전체 도메인 크기는 복도(CD), 전실(AR), 격리병실(IR) 및 화장실(TO)을 포함하여 8,000 × 3,000
× 2,400 mm (L×W×H)이다. 음압격리병실의 급기(SA)는 출입문에서 발생하는 기류에 영향을 주지 않도록 천정 중앙에 위치하고 배기(EA)는
환자 머리 양옆으로 근접하여 바로 오염물을 제거하도록 하였다. 또한 양압이 필요한 복도에는 급기만 적용하였다. 출입구는 1,100 × 2,060 mm(L×H)이고
문틈 사이의 누기면적은 0.0006 m2이다.
본 연구에서, 실내의 정상기류 패턴을 분석하기 위해서 급기구와 출입구 틈새에서 들어오는 공기(SA/TA)와 배기구를 통해 나가는 공기(EA)의 기류속도와
이때의 실간 차압을 평가했다. 그 다음 음압격리실의 공기 중에 있는 것으로 가정한 병원균이 배기되는 환기성능을 예측하였다. CFD 모델링 격자를 구현할
때 두 가지 방법을 사용할 수 있다. 첫 번째 방법은 전체 CFD 도메인에 걸쳐 조밀한 단일 격자를 생성하는 반면, 두 번째 방법은 공간별로 나누고
서로 다른 격자 밀도를 생성한다. 본 수치해석에서는 해석영역을 나누어 격자 밀도를 조정하였다. 총 격자수는 약 18,800,000이다. 시뮬레이션에
사용된 가정은 실내온도의 변화는 없고, 실내 기류에 의해 병원균 입자가 이동하며, 벽/바닥은 점착 조건으로 적용하였다. 해석조건과 수렴조건은 전차
범위 10-4로 설정하였으며 난류 해석 모델은 표준 k-ε 모델을 기반으로 하였다.
Table 4 CFD simulation boundary conditions
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Case 1: Ventilation mode #1
without toilet exhaust
|
Case 2: Ventilation mode #2
with toilet exhaust
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Supply air in Corridor (CD)
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30 m3/h
|
30 m3/h
|
|
Supply air in Anteroom (AR)
|
N/A
|
N/A
|
|
Transfer from CD to AR
|
30 m3/h
|
30 m3/h
|
|
Supply air in Isolation Room (IR)
|
160 m3/h
|
160 m3/h
|
|
Transfer from AR to IR
|
30 m3/h
|
30 m3/h
|
|
Exhaust air from Isolation Room (IR)
|
190 m3/h
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150 m3/h
|
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Exhaust air from Toilet (TO)
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N/A
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40 m3/h
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Transfer from IR to TO
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N/A
|
40 m3/h
|
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Lying manikins
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Uniform heat flux: 62 W, no slip boundary
|
|
Walls
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2 and 1 W/m2 at ceiling/floor, no slip boundary
|
|
Grid cells
|
18,816,755
|
|
Turbulence model
|
Standard k-ε model
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Fig. 3 The mobile negative pressure isolation room mesh of the computational model.
4.2 실내 기류분포 결과
COVID-19와 유사한 감염병을 대상으로 한다면 공기 및 에어로졸에 의해 병원균이 전파된다는 것은 공식화되었다.(22,23) 따라서 음압격리병실에서 병원균의 이동은 환기 성능을 분석하여 결정할 수 있으며 실내의 기류 속도에서 제거효율을 간접적으로 평가할 수 있다. Table 5는 일정 시간 환자와 의료진이 같은 공간에 있는 음압격리병실의 환기 시스템 운전모드에 따른 기류 속도를 보여준다. 음압격리병실의 환기량은 160 m3/h(6 ACH)이며 화장실의 사용 여부에 따라서 배기 풍량이 조절되게 되어 있다. 화장실이 사용되어 배기 팬이 가동되면 40 m3/h(8 ACH)가 음압격리병실에 화장실로 이동하여 배기가 된다. 따라서 병실의 배기풍량은 190 m3/h에서 150 m3/h로 조정이 된다. Fig. 4는 부속 화장실의 사용 여부에 따른 음압격리병실 Y= 0.4 m, 1.5 m와 1.7 m 횡단면의 수직적 기류분포를 보여준다.
Case 1의 화장실을 사용하지 않을 경우, 병실의 지점별로 평균 기류속도 분포를 보면, 0.0614~0.1218 m/s으로 낮은 속도로 공기가 이동하면서
안정적으로 서서히 배기되는 것을 볼 수 있다. Case 2의 화장실을 사용할 때도 병실의 평균 기류분포는 0.0649~0.1808 m/s로 소폭의
증가는 있지만 큰 영향을 미치지는 않는 것으로 해석되었다. 화장실의 배기 팬 가동 여부에 따른 음압병실 X= 3.3 m, 4.2 m와 6.3 m 종단면의
수직적 기류분포는 Fig. 5와 같다. 앞의 결과와 유사하게 Case 1은 0.0492~0.3207 m/s 그리고 Case 2는 0.0558~0.3394 m/s으로 화장실 배기가
가동되어 있으면 기류속도가 약간은 증가하는 것으로 분석되었다. 화장실 배기팬 가동에 따른 속도의 미미한 증가가 환기성능이 증가한다고 단정할 수는 없지만
독립형 음압병실은 화장실을 사용하지 않을 경우 배기팬을 가동 중단을 해도 실내의 기류에는 큰 영향을 주지 않음을 확인할 수 있었다.
Table 5 CFD simulation results of the air velocities for the isolation room and vertical sections
|
@ Isolation room (IR)
|
Velocity (m/s)
|
Percentage difference
(Case 2 / Case 1)
|
|
Case 1
|
Case 2
|
|
Section
|
Y = 0.4 m
|
0.0614
|
0.0649
|
105.7%
|
|
Y = 0.9 m
|
0.0995
|
0.1110
|
111.6%
|
|
Y = 1.0 m
|
0.1224
|
0.1402
|
114.5%
|
|
Y = 1.7 m
|
0.1082
|
0.1808
|
167.0%
|
|
Y = 1.9 m
|
0.1218
|
0.1262
|
103.6%
|
|
X = 2.4 m
|
0.0956
|
0.1083
|
113.3%
|
|
X = 3.3 m
|
0.3207
|
0.3394
|
105.8%
|
|
X = 4.2 m
|
0.0713
|
0.0805
|
112.9%
|
|
X = 5.1 m
|
0.0492
|
0.0558
|
113.3%
|
|
X = 6.0 m
|
0.0593
|
0.0740
|
124.9%
|
|
Room average
|
0.0836
|
0.0937
|
112.1%
|
Fig. 4 Velocity magnitude contours at Y vertical-sections for different ventilation conditions.
Fig. 5 Velocity magnitude contours at X vertical-sections for different ventilation conditions.
4.3 실간 압력분포 결과
이동식 음압격리병실 모듈의 병원균 교차 감염 방지 효과를 확인 가능한 또 다른 요소는 실간 차압이다. 기본적으로 오염구역인 음압격리병실은 음압이 형성되어야
하고 부속 화장실은 한 단계 높은 음압을 유지해야 한다. 청정구역인 복도는 양압을 유지하여 음압격리병실 공기 내에 부유하는 병원균이 전실과 복도로
이동하지 않는 것을 확인해야 한다. Table 6과 같이, 두 가지 서로 다른 환기방법에 의한 이동식 음압병실 모듈을 구성하는 부속실에 대한 압력분포를 도출하였다. 실간 평균 차압은 복도→전실→음압병실→(화장실)
순으로 기류의 흐름과 같게 형성되었다. Fig. 6은 바닥으로부터 0.7 m(환자의 호흡선)와 1.4 m(의료진의 호흡선)의 높이별 실간 차압분포를 보여준다. 여기서 가장 중요한 것은 격리병실과 전실
간의 차압이다. 차압 클수록 격리병실에서 전실 또는 복도로 병원균이 이동할 가능성이 작아진다.
Table 6 CFD simulation results of the pressure distribution by room and pressure differential between rooms
|
Cases
|
Room pressure (Pa)
|
|
Corridor
(CD)
|
Anteroom
(AR)
|
Isolation Room
(IR)
|
Toilet
(TO)
|
CD ↔ AR
(ΔP)
|
AR ↔ IR
(ΔP)
|
IR ↔ TO
(ΔP)
|
|
Case 1
|
Mean
|
3.80
|
3.31
|
-0.02
|
0.00
|
-0.49
|
-3.34
|
-0.02
|
|
Max
|
4.11
|
3.37
|
2.19
|
0.00
|
-
|
-
|
-
|
|
Min
|
2.99
|
1.68
|
-5.49
|
-0.01
|
-
|
-
|
-
|
|
Case 2
|
Mean
|
7.19
|
6.71
|
3.37
|
2.29
|
-0.49
|
-3.33
|
-1.08
|
|
Max
|
7.51
|
6.76
|
5.87
|
2.38
|
-
|
-
|
-
|
|
Min
|
6.38
|
5.07
|
-2.85
|
0.28
|
-
|
-
|
-
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Fig. 6 Pressure magnitude contours at Z cross-sections for different ventilation conditions.
Case 1의 경우, 평균 차압이 -3.34 Pa 그리고 Case 2는 -3.33 Pa로 화장실의 사용 여부와 관계없이 음압격리실은 -2.5 Pa
이상의 음압으로 적절하게 차압제어가 되는 것으로 분석되었다. 필수사항은 아니지만, 전실과 복도 사이도 차압을 -2.5 Pa을 유지하도록 권장하고 있지만,
이동형 모듈로 최대 9 m를 초과할 수 없으므로 전실은 충분한 면적확보가 어려운 현실이다. 따라서 별도의 급기와 배기설비의 설치가 불가능하여 -0.5
Pa의 약간의 차압만 유지가 가능하였다. 그러나 복도에서 음압병실까지 약 -4.0 Pa의 차압이 유지된다. 이것은 청정구역인 복도/전실은 양압을 유지하여
음압병실 공기 내에 부유하는 병원균이 전실/복도로 이동하지 않는 것을 확인하였다.
4.4 환기성능
앞에서 실내 기류속도와 실간 차압을 분석한 결과, 환기성능은 Case 1과 Case 2에 대해서 큰 차이가 없는 것으로 합리적인 판단이 가능하다.
Fig. 7은 음압격리병실 모듈 전체의 기류흐름을 보여준다. 화장실 배기 팬이 정지(Case 1)되어도 음압격리병실을 기준으로 환자의 머리 측면에 설치된 배기구를
통하여 원활한 배기가 이루어지고 실내로 다시 혼합되는 현상이 최소화되고 있다. 또한, 화장실을 사용할 때(Case 2)도, 여전히 환자의 머리 측면에
설치된 배기구를 통하여 원활한 배기가 이루어지고 실내로 다시 혼합되는 현상을 최소화하고 일부는 화장실로 이동하여 배기가 된다.
음압병실 전체 평균 기류속도를 보면, Case 1은 0.0836 m/s이고, Case 2는 0.0937 m/s로 Case 1 대비 약 1.12배 증가하였다.
즉, 음압격리병실에 부속한 화장실의 사용 여부에 따라서 병실 내의 기류속도는 10% 전후로 증가하였다. 다른 음압구역과 연결되지 않는 독립형 음압격리병실은
화장실을 사용하지 않을 경우, 화장실의 배기 팬을 가동 중단하여도 실내의 기류 거동에는 큰 영향을 주지 않음을 확인하였다.
Fig. 7 Streamline visualization of the velocity field for different ventilation conditions.
5. 결 론
본 논문에서는 신속한 공급뿐 아니라 의료진의 안정성 확보를 위한 이동형 음압격리병실을 제안하고 수치해석을 통한 치료공간 내부의 병원균에 의한 교차감염을
최소화할 수 있는 환기 시스템을 분석하였다. 국가 감염병 팬데믹 기간 동안 운영을 지속할 수 있는 임시 의료시설을 구축하는 것은 필수적이다. 이러한
시설은 안전하고 신속하게 치료를 받을 수 있는 안전성이 최우선으로 확보되어야 한다.
∙공통적으로 현재 운영 중인 이동형 음압격리병실은 의료진과 환자의 교차감염을 방지할 방안이 시설기준에 미반영되었거나 구현하기가 어려운 현실이며, 환자의
진료/치료를 위해 의료진은 개인 보호장비를 착용해야 하는 번거로움을 내재하고 있다.
∙이동형 음압격리병실은 기류방향을 의료진에서 환자 방향으로 한 방향으로 형성시켜 청정-오염 공간의 분리가 가능한 전실-음압병실 차압제어 환기 시스템을
적용하였다.
∙CFD 수치해석결과, 음압을 유지해야 하는 격리병실은 환기량 6 ACH와 화장실 배기 가동 여부와 상관없이 전실/복도와 -2.5 Pa 이상의 차압을
유지하여 교차감염 방지효과가 있는 것으로 분석되었다.
∙또한, 독립모듈로 구성될 경우, 화장실을 사용하지 않을 경우, 배기팬 미가동에 따른 음압유지 상태 및 환기성능에 큰 차이를 보이지 않는 결과를 도출할
수 있었다.
∙기존의 병원에 구성되는 음압격리병실은 차압유지를 위해 화장실 배기를 항시 가동하는 것을 권장하나 독립적으로 구성되는 독립적인 이동형 음압격리병실은
화장실을 사용하지 않을 경우, 배기 팬을 가동하지 않아도 운영상 문제가 없으며 에너지와 소음발생 측면에서 더욱 권장된다.
본 연구는 대한민국 이동형 음압격리병실의 국가 표준화를 목적으로 진행되었고 연구결과를 기초자료로 사용할 수 있다. 향후, 구간별 시간별 오염원의 농도
희석 정도를 수치해석과 현장실험을 하여 정량적인 환기효율 및 감염위험율을 평가하는 후속연구가 필요하다.
후 기
본 논문은 2022년도 국토교통부 재원으로 국토교통과학기술진흥원(KAIA)의 연구비 지원을 받아 수행한 연구과제 결과의 일부임(과제번호: 22TBIP-C161800-02).
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