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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.

Open Access, Monthly

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ISSN : 1229-6422 (Print)
ISSN : 2465-7611 (Online)

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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean J. Air-Cond. Refrig. Eng. Vol. 35, No. 12, p.598-609

ISSN (print) :

1229-6422

ISSN (online) :

2465-7611

Received : 20 August 2023Revised : 13 September 2023Accepted : 14 September 2023

DOI :

https://doi.org/10.6110/KJACR.2023.35.12.598

감염병 격리병실 내 의료진 보호를 위한 급?배기 일체형 국부환기정화장치 개발

Development of a Local Ventilation and Purification System with Integrated Supply and Exhaust Air for Healthcare Workers’ Protection in Infectious Disease Isolation Rooms

조진균 (Jinkyun Cho) ¹^† 오원석 (Wonseok Oh) 박병용 (Beungyong Park)

국립한밭대학교 공과대학 설비공학과 교수 (Professor, Dept. of Building and Plant Engineering, Hanbat National University, Daejeon, 3458, Korea)

^†Corresponding Author, E-mail : jinkyun.cho@hanbat.ac.kr

License :

No part of this publication may be reproduced or distributed in any form or any means, or stored in a data base or retrieval system, without the prior permission of the publisher(www.sarek.or.kr).

Abstract

This paper emphasizes the need for a secure medical environment during infectious disease pandemics. It introduces a novel local ventilation and purification unit with integrated supply and exhaust air. This innovation prioritizes healthcare worker (HCW) stability, presenting a pioneering design to minimize cross-infection risks. Approximately 39 medical procedures are categorized as Aerosol-Generating Procedures (AGPs), elevating HCW exposure. Despite increased ventilation during AGPs, HCWs remain vulnerable to close interactions with infected patients. The introduced local ventilation and purification unit segregates patient-generated emissions from HCW breathing zones, enhancing infection control. A horn-shaped hood, chosen from thirteen designs, optimizes airflow, capturing pollutants efficiently during AGPs. Two air purification strategies are explored: HEPA-filtered recirculation and direct outdoor exhaust. This research standardizes integrated supply and exhaust air units, offering foundational insights. However, future work should quantitatively assess infection risk reduction through CFD numerical analysis and field experiments, guided by infection control experts for successful implementation.

키워드

에어로졸생성시술, 의료진, 감염방지, 감염병, 국부배기 시스템

Key words

AGP: aerosol generating procedures, HCW: healthcare worker, Infection control, Infectious disease, LEV: local exhaust ventilation

1. 연구배경 및 목적

의료진(HCW: health care worker)은 병원 내에서 감염병에 노출될 위험이 매우 높다. 의료/보건 종사자가 의료 환경 내에서 감염되는 이유를 개인보호장비(PPE: personal protective equipment)의 부족, 다수의 감염 환자에 대한 장시간 노출, 감염예방 및 관리에 대한 교육 미비, 인지하지 못한 감염환자에 대한 노출 등이 주된 원인으로 지목되고 있다. ^(1-³⁾ 일례로, 2015년 5월 20일 MERS 발병으로 국내에서는 218일간 38명이 사망하고 186명(격리 16,693명)의 감염환자가 발생했다. 그중 의료부문에서는 병원에서 23명(12.4%)의 HCW가 감염되었다. ^(4,⁵⁾ 2020년 3월 팬데믹 선언 이후 현재도 진행 중인 COVID-19는 바이러스의 특성이 완전히 파악되지 않아 향후 몇 년간 종식되기는 불가능할 것으로 예상하며 변종 바이러스에 의한 지속적 유행이 진행되고 있다. 2020년 5월 8일까지 팬데믹 초기 단계에서 전 세계 HCW의 COVID-19 감염 및 사망을 추정한 연구결과, 총 152,888명의 감염자와 1,413명의 사망자가 보고되었다. 감염은 주로 여성(71.6%, n = 1458명)과 간호사(38.6%, n = 10,706명)에서 발생했지만 사망은 주로 남성(70.8%, n = 550명)과 의사(51.4%, n = 525명)에서 발생했다. 또한, 70세 이상 HCW의 경우 감염 100건당 37.2명의 사망자가 보고되었다. ⁽⁶⁾ 여기서 주목할 점은 병원 내 감염 경로와 HCW의 감염사례가 유의미하게 나타났으며, 의료 환경과 지역사회의 경계인 병원이 감염병을 지역사회로 확산시키는 데 기여할 가능성이 있다는 것이다. ⁽⁷⁾ 중요한 의료 절차를 수행하는 HCW에게 원내 감염의 위험이 높다. 최근 위험성이 제기되고 있는 에어로졸생성시술(AGP: aerosol generating procedures)은 치료를 위해 작은 입자(에어로졸)를 공기 중으로 방출할 수 있는 활동을 말한다. 특히, 환자에 대한 일부 시술은 기침, 재채기, 말하기, 호흡보다 더 높은 농도의 감염성 호흡기 에어로졸을 생성할 수 있으며 이러한 AGP는 감염에 대한 HCW의 노출을 극대화할 수 있다. ^(8-¹⁰⁾ 따라서 감염병 대응 및 치료 환경을 위한 새로운 환기 전략에 대한 대안과 방법이 실현되어야 한다. ⁽¹¹⁾

본 연구에서는 의료진 보호를 위한 AGP 대응의 잠재적인 해결책으로 고려되는 국부배기(LEV: local exhaust ventilation)의 유형과 적용사례를 분석하고 문제점 도출하였다. 그리고 이을 통하여 효과적인 국부배기 시스템을 설계하고 개선된 최초의 급‧배기 일체형 국부환기정화장치의 프로토타입을 개발하였다.

2. AGP 정의 및 HCW의 감염위험

COVID-19에 감염된 환자에게 시행되는 AGP는 기침을 유발할 수 있는 간단한 비인두도말 유전자증폭(PCR) 검사부터 기관지 절개 수술에 이르기까지 매우 다양한 의료절차가 해당된다. 현시점에서는 AGP에 대한 전문가의 합의나 충분한 데이터가 존재하지 않기 때문에 명확히 정립되어 있지는 않은 실정이다. ⁽⁸⁾ 최근 연구에 따르면, AGP는 약 39가지의 의료시술로 구분할 수 있다. ⁽¹²⁾ 지금까지 알려진 대표적인 AGP는 Table 1과 같다. 미국 질병통제센터(CDC)는 대표적인 AGP로 간주되거나 통제되지 않는 호흡 분비물을 생성할 수 있는 의료행위를 명시하고 아직 명확하지 않은 의료 시술을 별도로 구분하고 있다. ⁽⁸⁾ 세계보건기구(WHO)와 영국 국민건강기구(NHS)에서는 초음파 치아세척 및 연마, 치아 치료 등의 구강 관리에 대한 의료 시술도 AGP로 간주하고 있다. ^(13,¹⁴⁾ AGP의 의료절차는 개방형 기도흡인, 객담유도, 심폐소생, 기관 내 삽관 및 발관, 기관 절개, 삽관전 인공호흡, 기관지 내시경, 호흡기 석션을 동반한 이비인후과 시술, 상부 위장 내시경, 치과시술 및 부검 등이 해당된다. 고유량비강캐뉼라(HFNC: high flow nasal cannula)와 비침습인공호흡(NIV: non-invasive ventilation)과 같은 높은 유량의 산소공급 의료처방은 기침이나 재채기보다 에어로졸 입자발생이 10-300배 적지만 ⁽¹⁵⁾ 환자의 기침으로 비말 입자가 2.48-2.91 m까지 확산되는 것으로 확인되어 아직까지는 AGP로 고려될 수 있는지에 대한 이견이 존재한다. ^(16,¹⁷⁾ 그러나 WHO와 NHS에서는 높은 유량의 산소공급 의료처방을 AGP로 분류하고 있다. ^(13,¹⁸⁾

Table 1 Aerosol-generating procedures (AGP) during medical service

CDC:

Centers for Disease Control and Prevention

WHO:

World Health Organization

NHS:

National Health Service

(Common AGPs)

‧Open suctioning of airways

‧Sputum induction

‧CPR: cardiopulmonary resuscitation

‧Endotracheal intubation and extubation

(Unclear)

‧Nebulizer administration

‧High flow O2 delivery

‧HFNC: high flow nasal cannula

‧NIV: non-invasive Ventilation

‧Tracheal intubation

‧NIV: non-invasive ventilation (e.g. BiLevel positive airway pressure, continuous positive airway pressure)

‧Tracheotomy

‧Cardiopulmonary resuscitation

‧Manual ventilation before intubation

‧Bronchoscopy

‧Sputum induction by using nebulized hypertonic saline

‧Dentistry and autopsy procedures

‧Bronchoscopy*

‧Ear, nose, and throat (ENT) airway procedures that involve respiratory suctioning*

‧Upper gastro-intestinal endoscopy*

‧Dental procedures

‧Induction of sputum

‧Respiratory tract suctioning

‧Surgery or post-mortem procedures

‧Tracheostomy procedures

(*awake)

감염위험 대응의 측면에서는 가능한 모든 상황에서 HCW의 감염위험을 억제하는 것이 중요하다. 의료 시술 과정에서 발생하는 감염성 입자의 확산으로 인한 감염은 일반적인 호흡활동이나 의료기기의 발생 유량과 상관관계를 갖는다. 다양한 호흡 활동의 호기량과 의료기기의 유량은 Table 2와 같다. 의료기기의 발생유량은 HFNC의 최대 풍량이 60 L/min(3.6 m 3/h)이다. ^(19,²⁰⁾ 유속의 측면에서는 기침에서 15.2 m/s ⁽²¹⁾, 재채기에서 15.9 m/s ⁽²²⁾의 최대 유속을 나타냈다. 따라서 실제 최대 유량은 기침과 재채기 조건을 반영하는 것이 합리적이다.

Table 2 Airflow rate for various respiratory activities and medical procedures

Respiratory activity			Medical procedure AGP (L/min)	Reference
Breathing (L/min)	Coughing (L/time)	Speech (L/min)	Medical procedure AGP (L/min)	Reference
7.5	-	7.5	-	Sidebotham⁽²³⁾
10.0	1.4	-	-	Zhu et al.⁽²⁴⁾
9.78 (male) / 7.22 (female)	0.25-1.6	-	-	Gupta et al.⁽²⁵⁾
-	1.2	11.7	-	Gupta et al.⁽²⁶⁾
-	-	11.25	-	Yang et al.⁽²⁷⁾
-	-	12.0	-	Mariam et al.⁽²⁸⁾
-	0.90-1.23	-	-	Oh et al.⁽²⁹⁾
8.9	-	-	-	Pozrikidis⁽³⁰⁾
-	-	-	10-60 (HFNC)	Hui et al.⁽¹⁹⁾
			60 (HFNC)	Hamilton et al.⁽²⁰⁾

3. 국부배기: 의료진 감염 방지

3.1 의료시설의 감염방지 전략

의료환경 내부의 안정성 확보 측면에서는 Fig. 1(a)에서 볼 수 있듯이 감염방지에는 위험을 줄이거나 제거하기 위한 5단계 조치가 포함된다. 전반적인 효율성을 기반으로 우선되는 조치는 오염물을 제거, 대체, 공학적 제어, 관리적 제어 및 개인 PPE의 착용 순서이다. ⁽³¹⁾ 공학적 제어는 감염원 제거 및 대체보다 하위에 있지만 관리적 통제 및 PPE보다 상위에 있다. 감염환자의 대상인 경우, 제거 및 대체는 적용할 수 있는 선택사항이 아니므로 공학적 통제가 기본 감염방지 전략이 되어야 한다.

Fig. 1 Hierarchy of infection control (Engineering controls with ventilation strategies).

실내의 오염물질을 희석하고 외부로 이동 및 배출시키는 수단으로 (건축)환기를 사용하는 것은 공기전파 감염병의 확산을 통제하는 효과적인 전략으로 인식되어 왔다. ^(32-³⁴⁾ 또한, 많은 산업 및 연구시설에서는 근로자가 독성가스 및 오염물에 노출되지 않도록 하기 위해 국부배기를 사용한다. 국부배기 시스템의 추출 암을 사용하면 후드가 쉽게 효과적인 배출을 위해 오염원 주변의 모든 위치와 방향으로 이동할 수 있고 작업 공간을 거의 방해하지 않고 오염물을 효과적으로 포집할 수 있다. ⁽³⁵⁾

3.2 의료시설의 국부배기 적용사례 조사

의료환경에서는 고정형 국부배기를 설치하기 어렵기 때문에 의료진 보호는 PPE의 착용, 희석 또는 치환환기 및 공기여과에 크게 의존한다. 음압 및 격리병실과 같이 희석/치환 환기가 강화된 시설은 일반 병실보다 높은 수준의 환기 및 또는 공기여과 기능을 제공하지만 (33,36,37), 가용성이 제한되어 있고 Fig. 1(d), (e)와 같이, 실내공기 중 감염환자의 배출물로부터 HCW를 완전히 분리하지 못하는 경우가 많다. 이로 인해 HCW는 공기매개 감염병으로 인한 원내감염에 취약하며, 이는 COVID-19 팬데믹에서 명확하게 드러난 기존 의료시설의 취약점이다. AGP 수행 중 환기가동 및 환기회수를 증가시키는 것만으로는 밀접하게 접촉하는 감염환자로부터 HCW를 보호하기에 충분하지 않다. 따라서 국부배기를 HCW가 AGP 등 의료시술을 수행할 때 보조 개념으로 사용하여 환자 근처에서 비말과 에어로졸을 즉시 제거할 수 있는 대안으로 적극적 고려가 필요하다.

COVID-19 팬데믹에서의 의료시설의 음압병실 부족은 공통적인 문제였다. 이에 대한 대책으로 생물학 물질 포집 후드를 제안하고 신속하게 적용하는 방안을 마련하였다. 기존문헌 및 각 국가의 기술보고서를 살펴보면 Table 3과 같이, 다양한 형태의 국부배기 장치가 개발되었다. 국부배기 장치의 기술적 요구사항은 조립/분해가 용이하고 HEPA필터, 팬, 전원이 일체화되고, 기밀이 가능한 구조이다. HEPA필터의 사양은 0.3 ㎛ 입자를 99.97% 이상 제거하는 MERV 16 등급 이상의 필터 적용을 제시하고 있다. 또한 설치 형태가 환자의 주변에 후드를 설치하고 병실 벽부에 설치된 배기부로 포집하여 환자 주변을 음압 격리환경을 조성하는 것이다.^(38,³⁹⁾

의료시설의 공기감염물질 전파방지를 위한 환자개별배기후드(VIP: vented individual patient)에 대하여는 4가지 형식으로 정의되어 있다.⁽⁴⁰⁾ 이를 바탕으로 본 논문에서는 국부배기 장치의 형태 및 기능을 구분하여 재정의 하였다. 첫째, 구조 형태별로 개방형(open type), 밀폐형(enclosed type)으로 구분이 가능하다. 가장 일반적인 형태는 배기 후드를 환자의 호흡기 쪽에 배치하고 배기시키는 개방형이 된다.⁽⁴¹⁾ 밀폐형은 환자의 몸 전체 또는 일부를 밀폐하는 구조이고 개방형은 후드 포집부가 개방되어 있는 구조이다.

둘째, 밀폐형의 설치형태 측면에서 환자의 몸 또는 침대 전체를 설치범위로 하는 전체 밀폐형(full-enclosed type)⁽⁴²⁾과 상반신 부분을 설치범위로 하는 반 밀폐형(partial-enclosed type)의 유모차형(pram type), 접이식 차양형(draped canopy type), 박스형(box type) 및 헤드보드형(head board type)으로 구분할 수 있다.

마지막으로 배기부가 개별 유닛의 배기팬을 통한 외부로 배출되는 형태와 다수의 각 후드 유닛에서 덕트를 통하여 중앙집중배기를 하는 방식으로 구분할 수 있다. 후드 재료의 대부분은 유연성 있는 폴리 플라스틱 계열이 많이 사용되었다. 이는 설치 및 교환 등의 편의성 측면에서 적용한 것으로 판단된다.

그 후, COVID-19 팬더믹 상황에서 AGP로부터 HCW를 보호하기 위하여 국부배기와 진료를 동시에 진행할 수 있는 진화된 헤드보드형(head board extraction)이 제시되었다. 여기에는 안전 글로브 박스(safe glove box)시스템을 적용하여 HCW 손을 포집부에 넣을 수 있도록 구조화하고 기밀을 위한 내화학적 실리콘을 사용하였다. 기본적으로 일상적인 환자용 침대에 적용 가능한 크기로 후드의 크기가 결정하였다. 또한 배기부의 필터와 팬의 크기에 따라 본체의 크기가 크게 좌우된다. 이외 소음 등이 주요 검토사항이다. 환자의 머리에 직접 착용하는 헬멧형(helmet type)은 폐기능이 저하된 COVID-19 환자에게 산소공급과 감염된 환자로부터 배출되는 감염균을 제거하였다. 연구결과에 따르면 원만한 산소공급과 CO2 및 감염균 확산을 동시에 방지할 수 있어 급성호흡곤란 증후군을 치료하는 효과가 있다고 보고되었다.⁽⁴³⁾

Table 3 Classification of local exhaust ventilation systems for infectious patients

Type

Description

Size

Function

Remark

Open type hood (41)

LEV prototype

for mock-up test

‧Pre-filter

‧UV

‧HEPA filter

‧Exhaust fan

‧Preliminary Design of Hood

‧Design optimization

Full-enclosed

type hood (42)

400 mm(W)

× 600 mm(D)

× 500 mm(H)

Full size hospital

bed

‧Pre-filter

‧HEPA Filter 99.99%

‧Carbon filter

‧Exhaust fan

‧Hood: flexible plastic bed cover

‧Full body isolation emergency

‧Install time: 5 min

Partial-

enclosed

Pram type hood (40)

400 mm(W)

× 325 mm(D)

× 230 mm(H)

‧Pre-filter

‧HEPA Filter

‧Exhaust fan

‧Average air flow velocity: 4.4 m/s

‧General hospital room

‧Hood: flexible plastic canopy cover

Draped canopy type hood (40)

880 mm(W)

× 880 mm(D)

× 700 mm(H)

‧HEPA filter

‧Exhaust fan

‧Anesthesia room

‧Polyvinyl chloride (PVC)

Box type

hood (40)

880 mm(W)

× 880 mm(D)

× 700 mm(H)

‧HEPA filter

‧Bacteria filter

‧Exhaust fan

‧General hospital room

Head board

type hood (40)

810 mm(W)

× 510 mm(D)

× 1200 mm(H)

6.8~7.6 m³/min

‧HEPA filter

‧Exhaust fan

‧Ventilated head board

‧Oklahoma City VA Medical Center

Head board

extraction hood (43)

880 mm(W)

× 880 mm(D)

× 700 mm(H)

‧HEPA filter

‧Bacteria filter

‧Exhaust fan

‧General hospital room

Helmet shaped

hood (43)

‧HEPA filter

‧Exhaust fan

‧ICU

‧Non-invasive ventilation

3.3 기존 의료시설 국부배기의 문제점

기존의 국부배기는 문제점이 존재한다. 의료환경에서 사용을 목적으로 하는 국부배기 시스템의 분류와 사용성 검토를 통하여 개선사항의 도출이 가능하였다. 개방형 국부배기의 경우, 가장 크게 우려가 되는 점은 환자에서 발생하는 오염물질을 완벽하게 포집하여 HCW을 보호할 수 있는가의 문제이다. 환자의 호흡, 대화, 기침(재채기) 및 AGP를 완벽하게 포집하지 못하고 일부가 HCW로 이동할 수 있는 위험성이 있다. 아무래도 개방된 포집장치의 흡기구에서 환자의 오염물 배출 방향과 주변의 기류와 관계에서 일부가 포집되지 않을 경우가 상당히 존재한다. 반면에 밀폐형 국부배기는 개방형 대비 HCW로의 감염 위험성은 감소할 수 있지만 환자가 있는 밀폐된 공간으로 치료 및 시술을 하는 행위에서는 불편함이 따른다. 그리고 치료를 위해서 밀폐공간으로 손 또는 의료기구를 삽입하는 경우, 밀폐가 유지되지 않는 상황이 발생할 수 있다. 즉, 오염물질이 외부로 유출될 가능성도 있다. 또한 환자는 상시 밀폐공간에 있기 때문에 심리적인 위압감 또는 쾌적한 환경을 유지할 수 없는 극복하기 힘든 단점을 가지고 있다. 또한 배기시스템의 소음에 대한 불쾌감도 지속된다. 감염병 팬더믹 상황에서는 HCW 보호가 우선되지만 환자의 치료환경에 대한 부분도 동시에 고려되는 방향으로 개선되어야 한다. 기존의 국부배기 시스템의 문제점과 개선방향을 Table 4와 같다.

Table 4 Challenges in current local exhaust systems and strategies for enhancement

Problems with exist local exhaust systems	Improvements	Remark
‧The risk of inadequately capturing contaminants from the patient's breath, conversation, cough (or sneeze), as well as AGP, could lead to their migration towards HCWs	‧Implement a local ventilation system with integrated supply and exhaust air components.	Open type hood
‧Patient care and procedures are hindered by obstacles (enclosed tents)	‧Enforce the use of a glove box system ‧Consider transitioning to an open type	Enclosed type hood
‧The patient remains within a confined space at all times, which can potentially lead to psychological distress	‧Consider switching to a mobile unit dedicated solely for treatment purposes	Fixed & enclosed type hood
‧Patients are confined within an enclosed space at all times, leading to compromised thermal comfort, both in terms of cooling and heating	‧Employ it solely when necessary, and utilize room air conditioning during regular periods	Fixed & enclosed type hood
‧The discomfort arising from the noise of the exhaust system	‧Only utilized during treatment sessions.	Fixed type hood

4. 급․배기 일체형 국부환기 시스템 개발

기존의 국부배기 시스템의 문제점을 개선하고 HCW의 안전과 의료행위의 편의성을 부여하고 환자에게는 심리적 안전성과 쾌적성을 부여하기 위해서 치료 시만 사용하는 이동형 국부환기의 개념으로 보완이 필요하다. 또한 기존의 문제점을 개선하면서 안전성을 확보하기 위해서는 개방형 국부배기 시스템이 합리적이지만 상황에 따른 포집효율의 불확실성이 극복되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 최초로 의료용 급·배기 일체형 국부환기정화 시스템을 개발하였다. 즉, 급기를 통한 환자의 오염물 발생 주변에 공기막으로 형성하고 동시에 배기를 통하여 안전하게 배출하는 것을 목표로 한다.

4.1 배기 후드 형상 설계

먼저, 국부배기 시스템의 효과는 여러 요인에 따라 달라진다. 후드 크기와 모양, 위치, 방향, 공기유속 등 여러 요인에 따라 설계가 필요하다. 후드 설계는 포집속도와 기류흐름 패턴을 변화시키기 때문에 특히 중요하다. 후드설계는 각 후드 구성에 대한 성능을 평가하기 위해 축대칭 CFD 분석을 수행한 기존의 연구 ⁽⁴¹⁾의 결과를 기반으로 형상을 결정하였다. 이 연구에서는 Fig. 2와 같이, 13가지 후드 구성을 분석했다.

Fig. 2 Hood configurations for design.(41)

원뿔형(유형 1-5) 및 보울형(유형 6) 후드는 실제로 산업계에서 가장 많이 사용되고 있으며, 다른 형태의 후드는 잠재적인 대안이었다. 분석결과, 높은 입자제거효과를 나타내는 기준은 (1) 높은 포집속도, (2) 오염원에서 후드로 입자를 끌어오는 데 걸리는 시간 그리고 (3) 후드 주변과 내부의 재순환 정도가 낮은 것이었다. 0.5 m/s의 일정한 포집 속도 콘타를 따라 높이와 후드 직경 비율(H/D)과 폭과 후드 직경 비율(W/D)은 국부배기 시스템으로 안전한 영역 범위를 나타낸다. CFD 수치해석 및 정량적 분석은 Table 5에 요약되어 있다. 속도, 포집시간 및 재순환 유무를 비교한 결과, 가장 효과적인 설계로 뿔 모양의 후드(유형 12)가 검토되어 후속 세부 설계 최적화를 위해 선택되었다. 세부적으로는 활발한 혼합 및 재순환 영역 또는 웨이크가 보울형 후드의 입구 근처에서 발생했다. 따라서 보울형 옵션(유형 10)은 제외되었다. 유형 13은 포집시간은 우수하지만 안전영역과 이후 급기 시스템을 통합할 때 구조상 설치가 불합리하여 또한 제외하였다. 유형 12는 유선형이 급격한 변화가 거의 없이 매끄럽기 때문에 웨이크가 발생할 가능성이 가장 낮다.

Table 5 Evaluation of various hood configurations(41)

Type	Velocity contour		Ranking in particle capture time	Presence of recirculation	Type	Velocity contour		Ranking in particle capture time	Presence of recirculation
Type	H/D	W/D	Ranking in particle capture time	Presence of recirculation	Type	H/D	W/D	Ranking in particle capture time	Presence of recirculation
1	1.05	1.95	4	No	8	1.03	1.95	9	Yes
2	1.03	1.95	10	Yes	6	1.05	1.95	8	Yes
3	1.03	1.98	5	Yes	10	1.08	1.90	2	No
4	1.03	1.98	11	Yes	11	1.05	1.95	12	No
5	1.05	1.93	7	No	12	1.05	1.95	3	No
6	0.90	1.85	13	Yes	13	1.10	1.85	1	No
7	1.05	2.03	6	Yes	Note: air speed of 0.5 m/s inside the LEV extraction arm

4.2 급․배기 일체형 시스템 설계

의료환경에서 사용 가능한 기존의 국부배기의 문제점 해결방법과 배기효율을 고려한 후드 형상을 결정 후 급·배기 일체형 국부환기정화 유닛을 구현하였다. 기존 연구의 결과, 뿔 모양의 후드(유형 12)가 가장 효과적인 것으로 나타났다. 세부 설계에서는 입자 포집 효과를 극대화하기 위해 후드 곡률을 최적화되었다. 설계 제약 조건은 주로 후드의 크기이다. HCW는 후드 직경이 300 mm를 넘지 않아야 한다고 권장하고 있다. ^(41,⁴⁴⁾ 그렇지 않으면 정상적인 의료행위를 위한 작업 공간을 방해할 수 있기 때문이다. 그러나 환자의 얼굴 영역을 충분하게 담당할 수 있도록 후드 직경이 400 mm을 적용하는 대신 의료행위를 카메라를 통하여 확인할 수 있도록 모니터 시스템을 후드에 일체화하였다. 기본적인 개념 설계안은 Fig. 3과 같다.

Fig. 3 First-generation prototype of local ventilation and purification system with integrated supply/exhaust air.

후드 직경 400 mm의 배기 풍량은 면속도를 기준으로 산출이 가능하다. Table 6과 같이, 후드 배기의 면속도는 다양한 국제기준의 범위 안에 있는 0.5 m/s로 설정하면 문제없을 것으로 판단된다. 취출면적 0.12 m²의 최대 배기풍량은 200 m³/h로 환자의 기침(1.6 L/(0.5)s≒12 m³/h)과 AGP(60 L/min≒4 m³/h)를 충분히 포집할 수 있는 풍량이다. 새로운 개념으로 적용되는 급기의 면속도는 정해진 바가 없다. 따라서 환자로부터 발생하는 오염물(병원균)이 후드의 영역 밖으로 유출되는 것을 방지하기 위해서 배기의 면속의 3배인 1.5 m/s로 설정하였다. 그리고 급기구는 후드의 외곽선을 따라서 15 mm의 너비로 구획하여 취출면적은 0.019 m²가 된다. 이 기준은 적용하면 급기 풍량은 100 m³/h이 된다. 배기팬과 급기팬의 경로는 완전하게 분리하여 혼합되지 않게 구성한다. 배기경로의 속도는 미세먼지의 배기속도의 범위(2,500 fpm ≒ 12 m/s)⁽⁴⁹⁾를 기준으로 추출 암의 직경은 최대 배기풍량 0.06 m³/s를 위해 80 mm로 설정하였다. 급·배기 일체형 국부환기정화 유닛의 주요 설계내용은 Table 7에서와 같다. 이것들을 추후 수치해석 및 실험으로 최적화 검증이 필요한 사항이다.

Table 6 The face velocity standards and requirements for fume hoods

Standard	ASHRAE Standard 110-2016⁽⁴⁵⁾	ANSI Z9.5-2022⁽⁴⁶⁾	SEFA 1-2010⁽⁴⁷⁾	EN 14175-3:2019⁽⁴⁸⁾
Face velocity	0.4-0.6 m/s (80-120 fpm)	0.4-0.5 m/s (80-100 fpm)	0.4-0.6 m/s (80-120 fpm)	Doesn't specify

Table 7 Detailed design of the local ventilation and purification system with integrated supply/exhaust air

Feature	Specification	Feature	Specification
Hood shape	Horn-shape	Hood structure	Double-layered
Hood diameter (mm)	400	Hood height (mm)	400
Exhaust air volume (m³/h)	120-200	Exhaust face velocity (m/s)	0.3-0.5 m/s
Supply air volume (m³/h)	100	Supply face velocity (m/s)	1.5 m/s
Filter	Pre-filter + HEPA filter	Filter grade (0.3 ㎛ particles)	H14: 99.995% filtration
EA fan static pressure (Pa)	300 (30 mmAq)	SA fan static pressure (Pa)	50 (5 mmAq)
Normal mode	Room-recirculation	Central exhaust mode	Connected to EA duct
Monitoring system	Micro camera / monitor	Installation	Mobile system

4.3 공기정화 및 배기방법

급·배기 일체형 국부환기정화 유닛의 기술적 요구사항도 기존의 국부배기와 동일하게 HEPA필터, 팬, 전원을 일체화하고 급기와 배기가 교차오염이 되지 않도록 기밀을 강화한 구조가 필요하다. HEPA필터는 0.3 ㎛ 입자를 99.995% 이상 제거 가능한 H14 이상의 등급을 적용하였다. 기존의 고정형 배기장치와는 차별화하여 이동이 용이한 요구사항이 포함되었다. 해당 장치는 기본적으로 독립형 개별 유닛이다. 따라서 공기정화는 포집된 입자를 HEPA필터로 거르고 실내로 배출한다. 그리고 실내의 공기를 급기 공기로 사용하여 재순환하는 시스템이다. 그러나 중앙배기가 가능하도록 기능을 추가하여 중앙배기시스템이 있는 경우 배기덕트에 분기관을 연결하여 직접 외부로 포집공기를 배출할 수 있다.

5. 토 의

급·배기 일체형 국부환기정화 유닛은 가중되는 음압 및 격리실의 환기 시스템을 효과적으로 보완할 수 있는 잠재력을 갖고 있으며 공조 시스템의 에너지 사용량을 줄일 수 있다. 그리고 필연적으로 HCW 및 환자와 상호 작용하는 의료방식이 바뀔 것이다. 국부환기정화 유닛 및 관련 프로토콜의 설계는 HCW의 추가 부담을 최소화하고 환자 치료의 중요한 요소가 손상되지 않도록 하는 것을 목표로 해야 한다. 해당 시스템과 관련 프로토콜 및 절차의 개발은 공조 엔지니어와 의료진, 간호 직원 및 기타 병원 직원 간의 긴밀한 협의를 통해 이루어질 수 있다. 급·배기 일체형 국부환기정화 유닛의 설계 및 사용 최적화는 반복적인 프로세스가 될 가능성이 높으며, 실제 사용경험을 바탕으로 개선이 이루어질 수 있다. 또한, 오염물 제거, 청소 및 유지보수 절차가 안전한 방식으로 수행될 수 있도록 보장해야 한다.

추가적으로 환자와 관련된 요소를 반드시 고려해야 한다. 첫째, 병실에서 환자가 느끼는 기류에 비해 후드 내 공기 흐름이 더 높기 때문에 발생할 수 있는 불쾌감 또는 온열감 저하의 문제를 해결해야 한다. 국부환기정화 유닛은 허용 가능한 속도로 제한해야 하며, 이는 실내조건(온도, 습도 등)에 따라 달라질 수 있다. 둘째, 팬이 가동되고 덕트를 통해 오염공기가 이동하면 필연적으로 소음이 발생한다. 환자의 건강을 위해 장비 선정과 후드 설계는 후드 내부의 소음 수준을 최소화하는 것을 목표로 해야 한다. 셋째, 환자와 HCW 간 구두 및 시각적 의사소통이 가능하도록 해야 한다. 마지막으로, 치매, 폐소공포증을 동반한 일부 환자에게는 사용하지 못할 수도 있다는 점에 유의해야 한다. 따라서 최종적으로 국부환기정화 유닛의 평가항목으로 에어로졸 제거 성능뿐만 아니라 소음 및 풍속 등 병실환경에 대한 영향도 고려하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

6. 결 론

감염병 팬데믹 기간 동안 운영을 지속할 수 있는 안전한 의료환경을 구축하는 것은 필수적이다. 본 논문에서는 감염병 의료환경에서 의료진의 안정성 확보를 위한 급·배기 일체형 국부환기정화 유닛을 최초로 개발하였고 효과적인 오염원 배출에 의한 교차감염을 최소화할 수 있는 설계방법을 제시하였다.

(1) 현재 구축된 음압격리병실은 의료진과 환자의 밀접에 의한 교차감염을 방지할 시설기준이 미반영되었거나 구현하기가 어려운 현실이며, 환자의 진료/치료를 위해 의료진은 개인보호장비(PPE)를 착용해야 하는 번거로움을 내재하고 있다.

(2) 에어로졸생성시술(AGP)은 기침을 유발할 수 있는 간단한 비인두도말 유전자증폭(PCR) 검사부터 기관지 절개 수술에 이르기까지 약 39가지의 의료시술로 구분할 수 있고 감염에 대한 의료진의 노출을 극대화할 수 있다.

(3) AGP 의료시술 중 환기가동 및 환기회수를 증가시키는 것만으로는 밀접하게 접촉하는 감염환자로부터 의료진을 보호하기에 충분하지 않기 때문에 다양한 국부배기 시스템을 적용한다.

(4) 기존에 국부배기 시스템은 환자에서 발생하는 오염물질을 완벽하게 포집하지 못하고 밀폐된 공간으로 치료 및 시술을 하는 행위에서는 불편함이 따르며 환자는 상시 밀폐공간에 있기 때문에 심리적인 위압감 또는 소음, 온열환경 등 쾌적한 환경을 유지할 수 없는 단점을 가지고 있다.

(5) 이러한 문제점을 개선한 급․배기 일체형 국부환기정화 유닛은 환자의 공기 중 배출물과 의료진이 호흡하는 공기를 분리하여 교차감염을 줄일 수 있는 수단을 제공한다.

(6) 기존의 국부배기 시스템의 문제점을 개선하고 의료진의 안전과 의료행위의 편의성을 부여하고 환자에게는 심리적 안전성과 쾌적성을 부여하기 위해서 치료 시만 사용하는 이동형 개념으로 보완이 필요하다.

(7) 후드 형상은 기류에 영향을 미칠 수 있고 재순환이 없는 적정 속도를 유지하여 포집효과를 향상시키기 때문에 13개의 형상 중 뿔 모양의 후드를 최종 선정하여 상세설계를 진행하였다.

(8) 개별 공기정화는 포집된 입자를 HEPA필터로 거르고 실내로 재순환하는 시스템이고 중앙배기시스템과 연결하여 직접 오염물질을 외부로 배출 가능한 시스템이다.

본 연구는 급·배기 일체형 국부환기정화 유닛의 설계 표준화를 목적으로 진행되었고 연구결과를 기초자료로 사용할 수 있다. 향후, CFD 수치해석과 현장실험을 통한 정량적인 감염위험률 저감을 평가하는 후속연구가 필요하다. 이러한 시스템을 성공적으로 개발하려면 감염관리 전문가의 지침을 포함한 적용성에 대한 고려가 수반되어야 한다.

후 기

본 논문은 2023년도 보건복지부의 재원으로 한국보건산업진흥원의 보건의료기술연구개발사업 지원을 받아 수행한 연구과제 결과의 일부임(과제번호: HG22C0017).

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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

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Development of a Local Ventilation and Purification System with Integrated Supply and Exhaust Air for Healthcare Workers’ Protection in Infectious Disease Isolation Rooms

Abstract

키워드

Key words

1. 연구배경 및 목적

2. AGP 정의 및 HCW의 감염위험

Table 1 Aerosol-generating procedures (AGP) during medical service

Table 2 Airflow rate for various respiratory activities and medical procedures

3. 국부배기: 의료진 감염 방지

3.1 의료시설의 감염방지 전략

Fig. 1 Hierarchy of infection control (Engineering controls with ventilation strategies).

3.2 의료시설의 국부배기 적용사례 조사

Table 3 Classification of local exhaust ventilation systems for infectious patients

3.3 기존 의료시설 국부배기의 문제점

Table 4 Challenges in current local exhaust systems and strategies for enhancement

4. 급․배기 일체형 국부환기 시스템 개발

4.1 배기 후드 형상 설계

Fig. 2 Hood configurations for design.(41)

Table 5 Evaluation of various hood configurations(41)

4.2 급․배기 일체형 시스템 설계

Fig. 3 First-generation prototype of local ventilation and purification system with integrated supply/exhaust air.

Table 6 The face velocity standards and requirements for fume hoods

Table 7 Detailed design of the local ventilation and purification system with integrated supply/exhaust air

4.3 공기정화 및 배기방법

5. 토 의

6. 결 론

후 기

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1. 연구배경 및 목적

2. AGP 정의 및 HCW의 감염위험

Table 1 Aerosol-generating procedures (AGP) during medical service

Table 2 Airflow rate for various respiratory activities and medical procedures

3. 국부배기: 의료진 감염 방지

3.1 의료시설의 감염방지 전략

Fig. 1 Hierarchy of infection control (Engineering controls with ventilation strategies).

3.2 의료시설의 국부배기 적용사례 조사

Table 3 Classification of local exhaust ventilation systems for infectious patients

3.3 기존 의료시설 국부배기의 문제점

Table 4 Challenges in current local exhaust systems and strategies for enhancement

4. 급․배기 일체형 국부환기 시스템 개발

4.1 배기 후드 형상 설계

Fig. 2 Hood configurations for design.(41)

Table 5 Evaluation of various hood configurations(41)

4.2 급․배기 일체형 시스템 설계

Fig. 3 First-generation prototype of local ventilation and purification system with integrated supply/exhaust air.

Table 6 The face velocity standards and requirements for fume hoods

Table 7 Detailed design of the local ventilation and purification system with integrated supply/exhaust air

4.3 공기정화 및 배기방법

5. 토 의

6. 결 론

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