노주연
(Joo Yeon Roh)
1
이세진
(Se Jin Lee)
1
이원석
(Won Seok Lee)
1
박태용
(Tae Young Park)
2
박동일
(Dong Il Park)
3
여명석
(Myoung Souk Yeo)
4†
-
서울대학교 대학원 건축학과 박사과정
(Ph.D Student, Department of Architecture and Architectural Engineering, Graduate School,
Seoul National University, Seoul, 08826, Korea)
-
(주)하나지엔씨 이사
(Director, R&D Center, Hana G&C, Seoul, 08381, Korea)
-
(주)하나지엔씨 대표
(Representative, R&D Center, Hana G&C, Seoul, 08381, Korea)
-
서울대학교 공과대학 건축학과․건설환경종합연구소 교수
(Professor, Department of Architecture and Architectural Engineering, College of Engineering
· Institute of Construction and Environmental 3Engineering, Seoul National University,
Seoul, 08826, Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
키워드
오염물질 재유입 방지, 소음수준, 이동형 음압기, 챔버 실험, 임시음압격리병실
Key words
Contaminant re-entry prevention, Noise level, Portable HEPA filter unit, Simulated chamber test, Temporary negative pressure isolation room
1. 서 론
지난 COVID-19 팬더믹 이후 국내 다수의 병원에서는 전염성 환자 격리를 위해 국가지정 음압격리병실 이외에도 임시음압격리병실을 구축 및 운영한
바가 있다. 이러한 임시음압격리병실 중 이동형 음압기를 설치하여 구축된 현장과 관련한 연구 결과, 해당 장비의 성능 문제와 기존 시설의 낮은 기밀도
등으로 인해(1,2) 이동형 음압기의 작동 소음이 과도하게 발생했던 것이 밝혀졌다.(2,3) 실제 이동형 음압기를 사용한 현장에서의 실내 소음을 사전 측정한 결과, Fig. 1과 같이 평균 59.1 ㏈(A)로 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 이와 같은 현장에서 의료진과 환자들이 과도한 소음에 장기적으로 노출되는
문제를 해결하기 위해, 저소음이동형 음압기를 개발하고, 실제 및 모사 현장에 설치하여 개선 여부를 확인하였다.
더불어, 현장에서 사용되는 이동형 음압기는 배기덕트를 임시음압격리병실의 창문에 연결하여 공기가 바로 배기 및 토출할 수 있도록 설치된다. 이러한 특성으로
인해 배기된 공기가 주변의 청결 구역으로 재유입될 가능성이 제기된 사례가 있었으며(1), 실제로 건물에서 기계 및 자연 환기 시 개구부를 통한 오염물질 확산이 시뮬레이션 및 실험을 통해 확인된 바 있다.(4-6) 이와 같은 문제를 해결하고자, 본 연구에서는 팬 부 및 필터 부 분리형 이동형 음압기를 개발하였으며, 모사 현장에서 오염물질의 재유입 방지 성능을
확인하였다.
Fig. 1 Measured noise levels in various temporary negative pressure isolation (TNPI)
wards.
2. 이동형 음압기 개발
2.1 저소음 일체형 이동형 음압기
이동형 음압기의 구조는 Fig. 2(A)와 같이 오염물질을 여과하는 필터 부와 공기를 흡입하고 배출하는 팬 부로 구성된다. 필터 부의 경우, high-efficiency particulate
air(HEPA)로 구성된다. 본 연구에서 개발한 저소음 일체형 이동형 음압기는 팬 부에 brushless direct current(BLDC) 모터를
적용한 장착한 것이 특징이다.(7) BLDC 모터는 브러시리스 구조로 전동기 회전 시 발생하는 기계적 마찰을 최소화하여 작동 소음을 줄일 수 있으며, 내구성과 에너지 효율 측면에서도
우수한 성능을 발휘하는 것으로 알려져 있다. 해당 이동형 음압기를 한국산업기술시험원(ktl)에 국내 이동형 음압기와 양압기 기준(8)을 참고하여 반무향실에서의 시험 성적을 의뢰한 결과, 최대 작동 풍량에서 43.3 ㏈(A)으로 나타났다. 해당 기기 최대 작동 풍량 인증값은 900
㎥/h이다.
Fig. 2 Schematic diagram of (A) integrated portable HEPA filter unit and (B) separated
portable HEPA filter unit.
2.2 분리형 이동형 음압기
분리형 이동형 음압기는 Fig. 2(B)와 같이 필터 부와 팬 부를 분리함으로써(9) 병실 내의 팬 소음을 줄이는 동시에 배기된 공기의 재유입을 방지하는 효과가 있을 것으로 예상된다. 비록 분리형 이동형 음압기의 시험 방법이 국내
기준(8)에 명시되어 있지는 않지만, 일체형 이동형 음압기와 동일한 방법으로 시험을 의뢰한 결과, 한국산업기술시험원에서의 실험실 소음 측정값은 최대 작동 풍량에서
37.4 ㏈(A)로 나타났다. 해당 기기 최대 작동 풍량 인증값은 900 ㎥/h 이다.
3. 이동형 음압기 성능 평가 방법
3.1 성능 평가 현장 및 조건
3.1.1 의료시설 내 임시음압격리병실
인천의 한 의료시설 내 구축된 임시음압격리병실에서 기존에 사용 중인 일체형 이동형 음압기와 개발한 이동형 음압기의 성능을 평가하고 비교하였다. 해당
병실은 두 개의 병상이 설치된 약 14.6 ㎥의 공간이다. 이 병실의 창문은 개폐가 불가능한 구조로 분리형 이동형 음압기는 설치가 불가능하기 때문에
Fig. 3(A)와 같이 저소음 일체형 장치만을 대상으로 소음 성능을 측정하였다. Table 1과 같이 복도와 해당 병실의 실간 차압을 -3.0 ㎩가 되도록 이동형 음압기의 가동 풍량을 756-758 ㎥/h로 유지한 상태에서 실내 소음 측정을
진행하였다.
Fig. 3 (A) Developed integrated portable HEPA filter unit installed in a healthcare
facility and (B) Developed integrated and separated portable HEPA filter units installed
in a simulated chamber.
Table 1 Performance evaluation of different types of portable HEPA filter units in
various settings
|
|
Location of measurement
|
Type of portable HEPA filter units
|
Pressure differentials (㎩)
|
Average volume flow rate (㎥/h)
|
Average noise level (㏈(A))
|
|
1
|
KTL
|
Developed integrated unit
|
-
|
-
|
43.3
|
|
2
|
Developed separated unit
|
-
|
-
|
37.4
|
|
3
|
Temporary negative pressure isolation room
|
Existing integrated unit
|
-3.0
|
-756
|
64.4
|
|
4
|
in medical facility
|
Developed integrated unit
|
-3.0
|
-758
|
53.1
|
|
5
|
|
Existing integrated unit
|
-2.5
|
-137
|
53.9
|
|
6
|
Simulated chamber
|
Developed integrated unit
|
-2.5
|
-140
|
30.3
|
|
7
|
|
Developed separated unit
|
-2.5
|
-170
|
33.2
|
3.1.2 의료시설 모사 챔버
건물 내에 설치된 의료시설의 4인 병실과 병실 앞 복도를 모사한 simulated chamber 내에서 이동형 음압기의 소음 및 배기 오염물질의 재진입
방지 성능을 평가하고 비교하였다. Fig. 3(B)와 같이 챔버 내부에 기존 의료시설에서 사용 중인 일체형 이동형 음압기, 개발 저소음 일체형 및 분리형 이동형 음압기를 각각 설치하였다. 세부적으로는
Fig. 4와 같이 일체형 이동형 음압기의 배기구는 4인 병실의 창문에, 분리형 이동형 음압기의 팬 부와 배기구는 약 1.0 m 떨어진 건물 외피면의 창문에
설치하였다. 해당 챔버에서는 병실과 복도의 차압을 -2.5 ㎩로 설정하고, 이동형 음압기의 가동 풍량을 140-170 ㎥/h로 유지한 상태에서 실내
소음 측정 및 오염물질 재유입 방지 성능 평가를 진행하였다.
3.2 소음 측정 및 평가 방법
소음은 Testo 816-1을 사용해 측정하였으며, 실 중앙의 1.2 m 높이에서 1초 간격으로 60개의 time step 동안 데이터를 수집하였다.
측정 모드로 A-가중치를 선택하여 사람의 청각 특성에 가장 가깝게 반응하도록 하였고, FAST 응답 속도를 설정해 짧은 시간 내의 소음 변화를 정확히
측정하였다. 측정한 ㏈(A) 데이터로 각 장치의 평균 소음 수준을 평가하였다. 의료시설 및 모사 챔버에서의 기존 일체형 이동형 음압기의 ㏈(A) 값을
기준으로 개발한 저소음 일체형 및 분리형 이동형 음압기의 성능을 비교하였다.
추가적인 분석을 위해 측정 장비의 주파수 가중치(frequency weighting) 및 오차 범위(error limits)를 적용하여(10) 데이터를 가공하였다. 소음원인 이동형 음압기와 수음자인 환자가 동일한 공간에 지속적으로 재실한다는 특징을 반영하여, noise criterion(NC)
평가와 speech interference level(SIL) 평가를 실시하였다. NC 평가로 임시음압격리병실 내부의 상대적인 소음의 크기를 평가하고(11), SIL 평가로 병실 내부에서의 의료진과 환자와의 음성 명료도에 영향을 미치는 배경소음의 수준을 평가하였다.(12)
3.3 오염물질 재유입 방지 성능 측정 방법
의료시설 모사 챔버와 주변의 실내 공간을 활용하여 추적가스 실험을 수행하여 감염원 재유입 방지 성능을 평가하였다. 취기 등을 포함한 공기 흐름 경로를
파악하기 위해 추적가스를 활용하였으며, 추적가스의 종류로는 일반 대기 중에 희소하여 검출 감도가 큰 육불화항(Sulfur Hexafluoride,
SF6)을 선택하였다.(13) INNOVA 1412와 INNOVA 1303 장비를 활용하여 챔버 내부실 중앙에서 SF6 가스를 0.3 ㎖/s 로 도징하고, Fig. 4에 나타난 샘플링 지점에서 안정화된 최종 농도를 비교하였다. 공간적으로는 4인 병실의 창문 외부이자 해당 챔버가 위치한 건물 내부를 배기구 인접 구역으로
간주하고, 분리형 이동형 음압기의 팬 부가 설치된 건물 외부를 원거리의 신선외기 구역으로 간주하였다. 챔버의 주출입구에서도 샘플링을 진행하여 SF6
가스의 확산 정도를 비교하였다.
Fig. 4 Simulated chamber setup for assessing contaminant re-entry prevention via
SF6 dispersion experiments.
4. 이동형 음압기 성능 평가 결과 및 분석
4.1 소음 측정 결과 및 분석
4.1.1 의료시설 내 소음 측정 결과
의료시설 내 임시음압격리병실에서 기존에 사용 중인 일체형 이동형 음압기의 평균 소음은 64.4 ㏈(A)로 관측되었다. Fig. 5와 같이 오차 범위를 고려하지 않아도 NC 곡선의 값 평가가 불가능한 정도의 과도한 내부 소음 환경이 유지되는 상황인 것으로 분석되었다.
개발한 저소음 일체형 이동형 음압기로 교체할 경우, 평균 소음은 기존 대비 11.3 ㏈(A)가 감소한 53.1 ㏈(A)으로 관측되었다. NC 곡선의
경우, NC-65로 오차 범위를 고려할 경우, NC-60-NC-70로 나타났다. 여전히 일반 병동의 권장값인 NC-40을 상회하는 수치이다.(11). 이러한 현상은 노후화된 시설 내부의 낮은 기밀도로 인해 차압을 유지하기 위해 가동 풍량이 높게 설정된 데에서 기인한 것으로 보인다. 또한, 해당
병실이 응급실 내에 위치하고 있다는 공간적 특성과 병실 외부에 설치된 건물의 기계 설비 작동 소음의 영향을 받은 것으로 추정된다.
그럼에도 불구하고 저소음 일체형 이동형 음압기로 교체한 경우 기존형 대비 SIL이 Fig. 6과 같이 평균 64.6 ㏈에서 53.3 ㏈로 감소하여, 일반적인 대화의 수준의 소리로는 대화가 불가능한 수준에서 음성 전달이 완벽히 명확하지는 않지만
기본적인 대화가 가능한 환경으로 개선됨을 확인할 수 있었다.(14)
Fig. 5 NC curves of portable HEPA filter units at (A) medical facility and (B) simulated
chamber
Fig. 6 Violin plots of SIL of portable HEPA filter units at (A) medical facility
and (B) simulated chamber.
4.1.2 의료시설 모사 챔버 내 소음 측정 결과
의료시설 모사 챔버 내에서 이동형 음압기를 가동하지 않은 상태의 배경소음은 평균 28.7 ㏈(A)로 관측 되었다. 의료시설에서 기존에 사용 중인 일체형
이동형 음압기를 가동할 경우, 소음 수준은 53.9 ㏈(A)에 달했다. 반면, 개발한 일체형 및 분리형 이동형 음압기 가동 시에는 각각 30.3 ㏈(A),
33.2 ㏈(A) 로 관측되었다.
기존 일체형 이동형 음압기를 가동할 경우 NC 곡선은 Fig. 5와 같이 NC-60-NC-70 수준으로 유지되었지만, 개발 일체형 이동형 음압기로 교체 시에는 NC-30-NC-35로, 분리형 이동형 음압기로 교체
시에는 NC-35-NC-40 수준으로 감소하였다. 이를 통해 개발한 이동형 음압기를 활용 시 병동의 권장 기준을 충족하는 것을 확인할 수 있었다.
기존 이동형 음압기 가동 시 SIL은 Fig. 6과 같이 54.3 ㏈으로 대화 음성 단계로 기본적인 대화는 가능하지만 명확하지 않을 수 있는 수준이었다. 개발 일체형 및 분리형 이동형 음압기로 교체
할 경우 SIL은 각각 30.5 ㏈와 33.4 ㏈로 감소하며, 일상적인 목소리로 대화가 가능하고 주변 소음으로부터 거의 방해받지 않는 환경을 유지할
수 있었다.(14)
한편, 팬 부가 외부에 위치한 분리형 이동형 음압기의 소음이 챔버 내에 위치한 일체형 이동형 음압기 소음보다 더 높게 측정되었다. 그러나 이동형 음압기의
가동 풍량이 증가함에 따라 이동형 음압기가 일체형 이동형 음압기보다 소음 측면에서 더 유리한 결과를 보였다. 예를 들어, 가동 풍량을 905 ㎥/h로
설정한 경우, 일체형 대비 분리형 이동형 음압기의 평균 소음과 SIL이 각각 4.0 ㏈(A), 5.3 ㏈ 낮게 형성됨을 확인하였다. 이는 풍량이 증가함에
따라 저속 풍량에서 덕트를 통해 실내로 전달되던 팬 부의 진동 소음이 감소하고, 덕트 내 공기 흐름이 안정화되어 실내로 전달되는 소음이 줄어들었기
때문으로 판단된다.
4.2 의료시설 모사 챔버 내 오염물질 확산 실험 결과 및 분석
Fig. 4와 같이 의료시설 모사 챔버 내외부 5곳에서 샘플링한 SF6의 농도는 Fig. 7과 같이 변화하였으며, 최종적으로 Table 2의 값으로 유지되었다. 일체형 이동형 음압기를 가동한 경우, SF6 가스는 4인 병실 모사 실의 창문의 배기구를 통해 배출되어, 챔버 창문 외부인
중간 존(intermediate zone), 챔버 주출입구(chamber entrance), 그리고
복도 순으로 확산되어 해당 샘플러들에서의 농도가 점차 증가하는 양상을 보였다. 또한 이동형 음압기를 통해 배출된 SF6 가스는 중간 존의 샘플러를
거쳐 인접한 건물 창문을 통해 외기에 노출된 샘플러(Outdoor)로 확산되었으며, 이에 따라 외기에 노출된 샘플러의 농도는 중간 존의 농도와 비슷한
거동을 보였다. 최종적으로 병실 및 복도의 농도는 각각 8.50 ppm, 0.94 ppm으로 유지되었다.
챔버 외부인 건물 창문에 배기구를 이격 시켜 설치한 분리형 이동형 음압기를 가동한 경우, 병실 내부 농도는 약 2.57 ppm으로, 기존 대비 30.2%
수준으로 유지되었다. 분리형 및 일체형 이동형 음압기 배기구 사이의 중간 존의 농도는 확산에 의해서 증가하나, 일체형 이동형 음압기를 가동했을 때보다
낮은 농도를 보였다. 챔버 입구에서의 농도 또한 중간 존 수준으로 비슷한 거동을 보이지만 0.74 ppm으로 일체형 이동형 음압기를 가동했을 때보다
낮게 검출되며, 복도에서도 또한 약 47.8% 감소한 농도로 검출되어, 오염물질 재확산 방지의 효과를 확인하였다.
추가적으로 분리형 이동형 음압기의 팬 부의 배기 덕트를 연장시켜 확산에 의한 재유입 효과 방지 효과를 비교한 결과, SF6 가스의 도징량을 15 ㎖/s로
증가시켰음에도 불구하고, 복도 및 중간 존의 농도가 0.03 ppm으로 감소하는 현상을 확인할 수 있었다. 다만, 분리형 이동형 음압기에 대한 설계기준이
부재하며, 필터 부와 팬 부의 연결 덕트 및 배기 덕트를 연장시킴에 따라 증가되는 정압 증가와 이에 따른 저항 등에 대한 충분한 검토가 이루어지지
않아 추가적인 연구와 설계 기준이 필요한 것으로 판단된다.
Fig. 7 SF6 concentration profile depending on the type of portable HEPA filter unit.
Table 2 SF6 concentration depending on the type of portable HEPA filter unit at elapsed
time of (A) 140 minute and (B) 280 minute
|
(A)
|
Integrated unit
|
Separated unit
|
|
TNPI room
|
4.98 ppm
|
2.57 ppm
|
|
Hallway
|
0.37 ppm
|
0.29 ppm
|
|
Chamber entrance
|
1.28 ppm
|
0.46 ppm
|
|
Intermediate zone
|
0.41 ppm
|
0.32 ppm
|
|
Outdoor
|
0.56 ppm
|
0.63 ppm
|
|
|
|
(B)
|
Integrated unit
|
Separated unit
|
|
TNPI room
|
8.50 ppm
|
2.57 ppm
|
|
Hallway
|
0.94 ppm
|
0.49 ppm
|
|
Chamber entrance
|
3.03 ppm
|
0.76 ppm
|
|
Intermediate zone
|
0.82 ppm
|
0.74 ppm
|
|
Outdoor
|
0.75 ppm
|
1.22 ppm
|
5. 결 론
본 연구는 이동형 음압기를 활용한 임시음압격리병실의 소음 문제와 오염물질 재유입 우려를 해결하고자 하였다. 이를 위해 저소음 일체형 이동형 음압기와
분리형 이동형 음압기를 개발하고, 의료시설에서 기존에 사용하던 일체형 이동형 음압기와의 비교를 통해 이들의 성능을 평가하였다. 주요 결과는 다음과
같다.
(1) 저소음 일체형 이동형 음압기를 활용할 경우, 기존 일체형 이동형 음압기 대비 소음 수준이 크게 감소하였다. 분리형 이동형 음압기의 경우, 낮은
풍량에서는 저소음 일체형 이동형 음압기와 소음 수준이 비슷하였지만, 풍량이 커짐에 따라 소음 수준이 감소하는 것으로 나타났다.
(2) 분리형 이동형 음압기를 활용할 경우, 오염 물질의 재유입이 방지되는 것을 확인하였다. 시간이 지남에 따라 배기구에서 인접 구역으로의 확산이
일어나지만, 일체형 대비 분리형 이동형 음압기 가동 시의 병실 및 복도의 농도가 낮았으며, 배기 덕트를 연장할 경우 오염 물질 재유입 방지 효과가
더 크게 나타났다.
다만 본 연구에는 몇 가지 한계가 있다. 분리형 이동형 음압기에 대한 시험 기준이 부재하여 이동형 음압기의 기준을 적용하여 시험을 진행한 점, 여러
개의 연속된 실이 아닌 하나의 실에만 이동형 음압기를 설치하고 시험을 수행한 점, 입자 상 물질들의 실제 의료시설에서의 확산 경로를 평가하지 못한
점 등이 있다. 이러한 한계들을 해결하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
후 기
본 연구는 보건복지부의 재원으로 감염병의료안전강화기술개발사업 지원에 의하여 이루어진 것임(RS-2022-KH124613(HG22C0017)).
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