배상환
(Sanghwan Bae)
1,†
유정연
(Jungyeon Yu)
2
유미
(Mi Yu)
3
이상은
(Sangeun Lee)
4
-
한국건설기술연구원 건축연구본부 수석연구원
(Senior Researcher, Department of Building Research, Korea Institute of Civil Engineering
and Building Technology, 283 Goyang-Daero, 10223, Korea)
-
한국건설기술연구원 건축연구본부 박사후연구원
(Postdoctoral Researcher, Department of Building Research, Korea Institute of Civil
Engineering and Building Technology, 283 Goyang-Daero, 10223, Korea)
-
질병관리청 연구사
(Research Scientist, Korea Disease Control and Prevention Agency, Cheongju-si, 28159,
Korea)
-
질병관리청 연구관
(Senior Research Scientist, Korea Disease Control and Prevention Agency, Cheongju-si,
28159, Korea)
Copyright © Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
키워드
공기전파 위험도, 감염취약시설, 공기 전파 위험도 평가툴, 기계환기, 자연환기
Key words
Airborne Transmission Risk, Infection-Vulnerable Facilities, K-VENT, Mechanical Ventilation, Natural Ventilation
기호설명
P：
감염 확률(Probability of infection)
q：
감염원 방출량 [quanta/h]
Q：
환기량 [m3/h]
Qmech：
기계환기량 [m3/h]
Qwind：
풍압에 의한 환기량 [m3/h]
A：
유효 개구부 면적 [m2]
I：
감염자수 [인]
p：
노출자 호흡량 [m3/h]
Qnat：
자연환기량 [m3/h]
Qinf：
침기량 [m3/h]
Qstack：
온도차에 의한 부력 환기량
Cv：
환기효율 보정계수
Upast：
개정 전 절약설계기준 열관류율 [W/(m2․K)]
1. 서 론
실내공기질(Indoor Air Quality, IAQ)에 대한 사회적 관심은 과거 미세먼지(PM2.5), 휘발성유기화합물(VOCs), 포름알데하이드와
같은 화학적 오염물질을 중심으로 형성되어 왔다. 특히 미세먼지는 세계보건기구(WHO)에서 1급 발암물질로 분류될 만큼 인체 위해성이 높아, 실내 환경
관리의 주요 관리 대상 물질로 인식되어 왔다. 그러나 2019년 말에 발생하여 전 세계적으로 확산된 코로나바이러스감염증(COVID-19) 팬데믹은
기존의 실내공기질 관리 패러다임을 근본적으로 변화시키는 계기가 되었다.
코로나19는 초기에는 주로 비말(Droplets)에 의한 감염으로 인식되었으나, 팬데믹 확산 과정에서 다수의 역학적․실험적 연구를 통해 비말뿐만 아니라
공기 중 에어로졸(Aerosol)에 의한 공기 전파(Airborne transmission)가 가능함이 과학적으로 입증되었다(1). 직경 5 μm 이하의 비말 핵(Droplet nuclei)은 공기 중에서 장시간 부유하며 실내 공간 전반으로 확산될 수 있어, 동일 공간 내에서
거리만 유지하는 기존의 사회적 거리두기 전략만으로는 감염 확산을 충분히 억제하기 어렵다는 점이 지적되었다(2,
3).
세계보건기구(WHO)와 미국 질병통제예방센터(CDC)는 2021년 5월, 밀폐된 실내 환경에서 코로나19의 공기 전파 가능성을 공식적으로 인정하였으며(4,
5), 이는 기존의 손 씻기, 소독, 개인 보호구 착용, 사회적 거리두기 등의 감염예방 전략만으로는 충분하지 않으며, 실내 환기 강화가 감염 확산 차단을
위한 핵심 수단임이 강조되기 시작하였다. Morawska et al.(6)은 코로나19 팬데믹을 통해 환기가 단순한 실내공기질 관리 수단을 넘어, 호흡기 감염병의 공기 전파를 제어하는 가장 효과적인 공중보건 수단 중 하나임을
명확히 제시하였다.
특히 실내 공간에서는 재실자의 호흡, 대화 등의 활동 과정에서 지속적으로 에어로졸이 생성되며, 환기가 충분하지 않을 경우 이 에어로졸이 공간 전체에
축적되면서 거리와 무관하게 감염 위험이 증가하게 된다(7). 즉, 실내 환경에서는 사회적 거리두기가 유지되더라도 환기 성능이 확보되지 않으면 감염 위험 저감 효과가 제한적일 수밖에 없으며, 이에 따라 학교,
의료시설, 요양시설, 다중이용시설과 같은 밀집 환경에서는 환기 성능 자체가 감염 확산 위험을 결정하는 핵심 인자로 작용하게 된다.
이러한 특성으로 인해 코로나19는 전 세계적으로 수백만 명의 사망자를 발생시켰으며, 우리나라에서도 약 3만 5천 명 규모의 사망자가 발생하였다. 특히
우리나라 사망자 중 약 26%에 해당하는 9,181명이 요양시설 등 감염취약시설에서 발생하여, 감염취약시설의 실내 환경관리 부실이 사망 위험과 직접적으로
연계됨이 확인되었다(8). 감염취약시설은 노인, 만성질환자 등 면역 취약 계층이 장시간 공동생활을 하는 시설로, 구조적 밀집도와 장기 체류 특성으로 인해 감염병 발생 시
중증화 및 사망 위험이 특히 높은 공간이다.
한편 국내 요양시설을 대상으로 한 선행 조사에 따르면, 요양병원과 노인요양시설, 장기요양시설의 상당수가 기계환기설비를 보유하지 않은 상태에서 운영되고
있으며, 이에 비해 공기청정기의 보급률은 상대적으로 높은 것으로 보고되었다(9). 이는 과거 미세먼지 대응을 중심으로 추진된 공기청정기 보급 확대 정책의 영향에 기인한 것으로 판단된다. 공기청정기는 필터링을 통해 실내 공기 중
입자상 오염물질과 병원성 에어로졸을 제거함으로써 공기 전파 감염 위험 저감에 기여할 수 있으며, 최근 ASHRAE Standard 241(10)에서는 이러한 효과를 환기와 통합한 등가청정공기(Equivalent clean air) 개념으로 제시하고 있다. 다만 외기 도입을 통한 공기 희석
효과, CO2 농도 제어, 장시간 체류 공간에서의 공기질 관리 측면에서는 환기가 여전히 감염병 대응을 위한 기본 인프라로서 중요한 역할을 수행한다.
이러한 배경에서 감염취약시설의 실내 공기 환경을 정량적으로 평가하고, 환기 조건에 따른 호흡기 감염병 공기 전파 위험도를 과학적으로 산출하는 기술은
향후 신종 감염병 대응을 위한 핵심 기반 기술로 평가된다. 특히 공기 전파 위험도는 감염자 특성, 재실자 수, 활동량, 체류시간, 환기량, 공간 체적
등 다수의 물리적․행동학적 인자가 복합적으로 작용하므로, 이를 단순한 경험적 판단이 아닌 수학적 모델 기반의 위험도 평가 체계로 접근할 필요가 있다.
이에 따라 본 연구에서는 Wells–Riley 방정식을 기반으로 개발된 ‘호흡기 감염병 공기 전파 위험도 평가툴(K-VENT)’을 활용하여, 전국
16개 시․도, 32개 감염취약시설을 대상으로 환기설비 현황 조사 및 환기 조건별 공기 전파 위험도 평가를 수행하였다. 본 연구는 단순히 특정 시설의
공기 전파 위험도를 평가하는 데 그치지 않고, 실제 현장에서 적용 가능한 자연환기․기계환기․침기를 포함한 복합 환기량 산정과 재실자 활동량을 반영한
감염원 방출량, 그리고 환기 조건별 위험도 저감 효과의 정량적 비교를 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 연구는 환기 평가 시범사업을 통해 공기 전파 위험도 평가의 실무 적용 가능성과 정책 활용성을 동시에 확인하였다. 이를 통해 기존의 환기 권고
중심 감염 대응 체계를 넘어, 정량적 위험도 기반 환기 운영 전략 수립을 위한 과학적 기초 자료를 제시하는 데 본 연구의 의의가 있다.
2. 연구방법
2.1 감염취약시설 환기시설 현황 조사 및 공기 전파 위험도 평가 개요
본 연구에서 평가대상 시설의 선정은 질병관리청 주관하에 전국 시․도를 대상으로 공개 공모 방식으로 진행되었다. 2024년 4월 질병관리청에서 각 시․도에
감염취약시설 환기 평가 신청을 통해 접수된 시․도별 감염취약시설을 대상으로 선정하였다. 신청 대상은 국․공․시립 감염취약시설을 원칙으로 하되, 일부
민간 시설도 포함하였으며, 요양시설, 정신요양시설, 장애인시설 등 서로 상이한 유형의 시설이 포함되었다. 이러한 절차를 통해 전국 32개 시설이 본
연구의 평가대상으로 확정되었으며, 이들 32개 감염취약시설을 대상으로 환기설비 현황 조사, 환기량 측정 및 공기 전파 위험도 평가를 수행하였다. 평가대상
시설은 주로 노인요양시설을 중심으로 구성되었으며, 일부 지역에서는 정신요양시설, 장애인복지시설, 직업재활시설 등도 포함되었다.
평가대상 시설에 대한 현장 조사 및 평가는 2024년 5월부터 10월까지 약 6개월간 단계적으로 수행되었으며, 각 시설의 운영 일정과 측정 여건을
고려하여 지역별로 순차적으로 진행되었다. 각 시설에서는 병실(생활실), 프로그램실, 물리치료실, 휴게실 등 주요 공간을 평가대상으로 선정하였으며,
시설 관리자는 측정 공간 제공, 설비 및 건축 도면 제공, 환기설비 운영 인터뷰 및 실태 설문조사 등에 협조하였다.
평가대상 공간에서는 재실자 수, 체류 시간, 활동량 특성 등을 반영한 운전 조건을 설정하고, 환기 미실시 조건, 자연환기 조건, 기계환기 조건 등
다양한 환기 시나리오에 대해 공기 전파 위험도를 산출하였다. 또한 이를 통해 단순 설비 보유 여부에 따른 비교가 아닌, 실제 운전 조건을 반영한 환기
방식별 공기 전파 위험도 저감 효과를 정량적으로 비교․분석할 수 있도록 하였다.
본 연구는 단일 시설 단위의 사례 분석이 아닌, 전국 단위 감염취약시설을 대상으로 한 실증 기반 환기 실태조사 및 공기 전파 위험도 평가 연구라는
점에서 선행 연구와 차별성을 갖는다.
2.2 호흡기 감염병 공기 전파 위험도 평가 방법
호흡기 감염병의 공기 전파 위험도는 실내 공간 내에서 감염자로부터 방출된 바이러스 에어로졸이 공기 중에 축적․확산되고, 이를 재실자가 흡입함으로써
감염이 발생하는 확률을 의미한다. 이러한 공기 전파 위험도를 정량적으로 평가하기 위한 대표적인 수학적 모델로는 ‘Wells–Riley 방정식’이 널리
활용되고 있다(11,
12).
Wells–Riley 방정식은 식(1)에 따라 감염자 수(I), 감염원 방출량(q), 노출자의 호흡량(p), 환기량(Q), 노출 시간(t)을 주요 변수로 하여, 공기 전파 감염 확률(P)을
다음과 같이 산출한다.
여기서 P는 감염 확률, I는 감염자 수, q는 감염원 방출량(Quanta/h), p는 감수자의 호흡률(m³/h), t는 노출 시간(h), Q는 실내
환기량(m³/h)을 의미한다. 이 방정식은 실내 공간을 ‘완전 혼합(Completely mixed)된 단일 구획(Box model)’로 가정하고,
공간 내 바이러스 농도가 시간에 따라 지수적으로 변화한다는 전제 하에 감염 확률을 확률론적으로 산출하는 모델이다(1,
13). 특히 감염자의 활동량에 따라 감염원 방출량(q)이 크게 달라진다는 점이 최근 연구를 통해 규명되면서, 단순 정적 모델을 넘어 행동 기반 감염 위험도
평가 모델로 확장되어 활용되고 있다(6,
13).
한편, Wells–Riley 방정식을 기반으로 한 기존의 다양한 공기 전파 위험도 평가 툴들은 공통적으로 환기량(Q)의 입력과 산정 과정에서 실무적
한계를 내포하고 있다는 점이 지적되어 왔다. 대부분의 기존 평가 툴은 일정한 환기횟수(ACH)를 가정하거나 사용자가 개략적인 환기량을 임의 입력하는
방식에 의존하고 있어, 실제 건축물의 평면 형태, 창호 위치 및 개구 특성, 실내외 온도차, 풍속 등 자연환기 특성과 기계환기 운전 조건이 충분히
반영되지 못하는 구조적 한계를 갖는다. 이로 인해 동일한 공간이라 하더라도 환기 방식과 운전 조건에 따른 공기 전파 위험도 차이가 정밀하게 반영되지
못하는 문제가 지속적으로 제기되어 왔다.
이러한 기존 평가 방법의 한계를 개선하기 위하여 한국건설기술연구원에서는 질병관리청의 지원을 통해 ‘호흡기 감염병 공기 전파 위험도 평가 툴(K-VENT)’을
개발하였다(14). K-VENT는 Wells–Riley 방정식을 기반으로 하면서도, 자연환기량․기계환기량․침기량을 동시에 고려한 복합 환기량 산정 체계를 구축한 것이
특징이다. 자연환기량은 건축물의 평면 유형, 창호의 위치 및 개구 면적, 실내외 온도차, 외기 풍속 조건 등을 반영하여 산출되도록 설계되었으며, 기계환기량은
환기설비의 정격풍량, 운전 시간, 실제 운전율을 반영하여 실효 환기량이 계산되도록 구성되었다. 또한 틈새를 통한 침기량 역시 건축물의 기밀성 수준을
고려하여 환기량 산정에 포함함으로써, 실제 운전 조건을 최대한 반영한 환기량(Q) 입력 구조를 구현하였다.
공기 전파 위험도를 정량적으로 평가하기 위해 개발된 K-VENT의 해석 범위는 단일 공간(Single-zone), 즉, 각 병실, 생활실, 프로그램실,
치료․재활 공간 등을 독립적인 하나의 구획으로 간주하여 공기 전파 위험도를 산정하며, 다중 공간 간 공기 이동을 고려하는 다구획(Multi-zone)
해석은 본 도구의 적용 범위에 포함하지 않는다. 또한 K-VENT는 Wells–Riley 방정식의 기본 가정에 따라 대상 공간이 완전 혼합(Well-mixed)
상태에 있다고 가정한다. 이는 실내 공기 중 바이러스 에어로졸이 시간에 따라 공간 전체에 균일하게 분포한다고 가정하는 것으로, 국부적 농도 분포를
정밀 해석하는 CFD 기반 모델과는 목적과 해석 수준이 상이하다. 본 연구에서는 이러한 완전혼합 가정이 감염취약시설과 같이 장시간 체류․반복 이용
공간에서 환기 조건에 따른 감염 위험의 상대적 차이를 비교․평가하는 데 합리적인 접근이라고 판단하였다.
자연환기는 외기 풍속에 따른 풍압 효과(Qwind)와 실내외 온도차에 따른 부력 효과(Qstack)가 복합적으로 작용하여 발생하는 공기 교환 메커니즘이다. K-VENT에서는 ASHRAE(15) 등에서 제시하는 해석 방법을 적용하여 풍압 환기량과 부력 환기량을 각각 산정한 후, 식(2)에 따라 두 성분을 벡터 합 방식으로 결합하여 최종 자연환기량(Qnat)을 계산하였다.
풍압에 의한 환기량 Qwind는 외기 풍속과 유효 개구부 면적의 함수로서 식(3)을 적용하여 산정하였으며, 방출계수(Cd)는 0.6~0.65 범위를 적용하였다. 개구부 배치에 따른 보정계수(Cv)는 단일 개방 조건에서 1.0,
대향 개방 조건에서 1.5~2.0 범위를 적용하였다. 여기서 A는 유효 개구부 면적(m²), V는 외기 풍속(m/s)을 의미한다.
한편, 온도차에 의한 부력 환기량(Qstack)은 공기 밀도차에 따른 자연 대류 현상을 기반으로 식(4)와 같이, 중력가속도(g), 상․하부 개구부 높이차(H), 실내외 온도차(ΔT) 및 절대온도(T)를 주요 변수로 고려하였다.
최종 자연환기량 Qnat은 K-VENT 평가 툴에 적용되어, 사용자가 입력한 창호 개수, 창호 개방 면적, 개방률, 상․하부 개구부 높이차, 외기 풍속 및 실내외 온도차
정보를 기반으로 실시간 자동 산출되도록 구현하였다.
K-VENT는 정적 활동(Resting), 일상 활동(Light activity), 중등도 활동(Moderate activity) 등 감염자 및 노출자의
활동 수준에 따른 감염원 방출량 변화를 반영할 수 있도록 설계되어, 재실자의 활동 수준에 따라 감염원 방출량이 자동으로 입력되며, 이를 통해 프로그램실,
물리치료실, 생활실 등 공간 용도별 공기 전파 위험도 차이의 정량적인 평가가 가능하다. 또한 코로나19뿐만 아니라 인플루엔자, 결핵, 기타 호흡기
바이러스 등 다양한 바이러스 유형에 대한 감염 특성 입력이 가능하도록 데이터베이스 기반 구조로 설계되었으며, 본 연구에 사용된 K-VENT 3.1
평가 툴을 입력 예시는 Fig. 1(a)-(f)과 같다.
Fig. 1 Example of the airborne respiratory infection risk assessment program (K-VENT
3.1). (a) Login screen (new assessment and existing DB access), (b) Input of building
information and indoor/outdoor environmental conditions, (c) Selection of respiratory
infectious disease type and input of infected/exposed individual information, (d)
Estimation of infiltration rate and input of natural ventilation conditions for the
evaluated building, (e) Mechanical ventilation conditions and total ventilation rate
calculation for the evaluated building, (f) Airborne respiratory infection risk results
and relevant regulations/guidelines display.
3. 감염취약시설의 환기현황 조사 및 공기 전파 위험도 평가
3.1 감염취약시설 환기현황 조사결과
본 연구의 평가대상 시설은 Table 1과 같이 전국 시도에서 평가를 희망한 총 32개 감염취약시설로 구성되었으며, 이 중 노인요양시설이 22개소로 전체의 68.8%를 차지하여 가장 큰
비중을 차지하였다. 이는 코로나19 팬데믹 기간 동안 집단 감염과 중증화, 사망이 가장 집중적으로 발생한 시설 유형이 노인요양시설이라는 점을 고려할
때, 본 연구의 표본 구성이 감염 취약성 관점에서 의미 있는 구성이라고 사료된다.
한편, 정신요양시설은 4개소(12.5%), 재활시설은 3개소(9.4%), 보훈요양시설은 3개소(9.4%)로 포함되어, 노인요양시설 외에도 다양한 이용자
특성과 활동 강도를 갖는 감염취약시설이 일부 반영되었다. 특히 정신요양시설과 재활시설은 이용자의 활동량이 크고 집단 프로그램 운영 빈도가 높은 공간
특성을 갖고 있으며, 보훈요양시설은 생활실 외에 물리치료실, 대강당 등 집단 이용 공간의 비중이 큰 시설이라는 점에서, 시설 유형별 공기 전파 위험
특성을 비교․분석하기에 적절한 표본 구성이라 판단된다.
본 연구에서 공기 전파 위험도 평가는 총 74개의 시설별 대표 공간으로 시설별 다수의 비율을 차지하는 공간 및 집합 공간 용도로 구성하였으며, 평가대상
공간은 크게 입소자 생활공간, 집단 활동 공간, 치료․재활 공간의 세 가지 유형으로 구분된다. 먼저 입소자 생활공간에는 3․4․6․7인 생활실과 치매
병실 등 실제 입소자가 장시간 체류하는 공간이 포함되었으며, 이들 공간은 체류 시간이 길고 밀집도가 높다는 점에서 감염 노출 위험이 구조적으로 높은
공간에 해당한다. 집단 활동 공간으로는 프로그램실, 보호작업장, 작업장, 교육실, 대강당, 대회의실, 휴게실, 거실 등이 포함되었으며, 이들 공간은
이용자의 활동량이 크고 다수가 동시에 이용하는 특성으로 인해 공기 중 에어로졸 발생량이 증가하고 감염 전파 위험이 집중되는 공간으로 분류된다. 또한
물리치료실, 운동치료실 등 치료․재활 공간도 평가대상에 포함되었는데, 이들 공간은 신체 활동 강도가 높고 이용자 간 밀접 접촉이 발생하기 쉬워 환기
성능에 따라 공기 전파 위험도가 크게 좌우되는 특성을 갖는다.
Table 1 Facility types and percentage distribution of the evaluation targets
|
Facility type
|
Facility (n)
|
Percentage (%)
|
|
Long-Term Care Center
|
22
|
68.8
|
|
Mental Health Care Facility
|
4
|
12.5
|
|
Disability Rehabilitation Facility
|
3
|
9.4
|
|
Veterans Long-Term Care Facility
|
3
|
9.4
|
|
Total
|
32
|
100.0
|
3.2 감염취약시설 시설 유형 및 공간 특성별 공기 전파 위험도 평가 결과
3.2.1 공기 전파 위험도 평가 조건
감염취약시설의 공기 전파 위험도 평가를 위해, 각 공간에 대한 분석 조건은 Table 2와 같이 설정하였다. 생활실은 입소자가 장시간 체류하는 대표적인 거주 공간으로서, 감염 시나리오는 생활실 내에 감염자 1인이 존재하는 상황으로 설정하였으며,
감염자의 활동 수준은 ‘안정 상태(Resting, Breathing)’로 가정하였다. 체류 시간은 3시간으로 설정하여, 단시간 접촉이 아닌 일상적인
생활 패턴을 반영한 중․장기 체류 조건에서의 공기 전파 위험을 평가하였다.
프로그램실은 외부 강사 또는 관리자의 출입과 집단 활동이 이루어지는 공간으로, 생활실보다 활동 강도와 발성 빈도가 높은 특성을 반영하여 평가 조건이
설정되었다. 감염 시나리오는 방문 강사 1인이 감염된 상태로 프로그램실을 이용하는 상황으로 가정하였으며, 감염자의 활동 수준은 ‘서서 말하는 상태(Standing,
Speaking)’로 설정하였다.
Table 2 Airborne risk assessment conditions by space types
|
Evaluated space types
|
Infection scenarios
|
Duration of occupancy
|
Physical activity level
|
|
Resident room
|
One infected occupant
|
3 Hours
|
Infected occupant : Resting, Breathing*
Exposed occupant : Resting**
|
|
Activity room
|
One infected visiting instructor
|
1 Hour
|
Infected occupant : Standing, Speaking***
Exposed occupant : Resting
|
|
Vocational workshop
|
One infected occupant
|
2 Hours
|
Infected occupant : Light exercise****
Exposed occupant : Light exercise
|
* Quanta emission rate: 0.52 quanta/h
** Breathing rate: 0.49 m3/h
*** Quanta emission rate: 2.45 quanta/h
**** Breathing rate: 1.38 m3/h
직업재활실은 재활 훈련 및 작업 활동이 이루어지는 공간으로, 생활실과 프로그램실에 비해 신체 활동량과 호흡량이 동시에 증가하는 공간 특성을 반영하여
평가 조건이 설정되었다. 감염 시나리오는 재활 대상자 중 1인이 감염된 상태로 작업 활동을 수행하는 상황으로 설정하였으며, 감염자와 노출자 모두의
활동 수준은 ‘가벼운 신체 활동(Light exercise)’으로 가정하였다. 체류 시간은 2시간으로 설정하여, 직업재활 프로그램의 연속적인 작업
시간과 밀집 작업 환경을 고려하였다.
감염원 방출량(q)은 Buonanno et al.(13)이 제시한 활동 수준별 Quanta 방출량 범위를 참고하여 설정하였으며, 평가대상 공간별 감염원 방출량 및 호흡량은 Table 2와 같다.
공기 전파 위험도 평가 시 기계환기 설비가 설치된 공간에 대해서는 풍량 측정을 통해 환기량을 입력하였고, 자연환기 조건에 의한 환기량 산출 시 창호
개폐 조건은 평가대상 시간 동안 창호를 개방하되 시설별 창호 유형 및 크기를 측정하여 입력하였다. 다만, 자연환기 조건의 외기 풍속은 비교 분석의
일관성을 확보하기 위하여 1 m/s로 고정하여 적용하였다. 이는 특정 시점의 실제 풍속을 재현하기 위한 목적이 아니라, 창호 개방 조건과 환기 방식에
따른 공기 전파 위험도의 상대적 차이를 비교하기 위한 대표 조건(Reference condition)으로 설정한 값이다. 실제 환경에서는 풍속이 시간대와
기상 조건에 따라 크게 변동할 수 있으며, 이러한 변동성은 자연환기 성능의 불확실성을 증가시키는 주요 요인으로 작용한다. 본 연구 결과는 고정된 풍속
조건에서의 절대적인 위험도를 의미하기보다는, 동일한 풍속 조건하에서 환기 방식에 따른 공기 전파 위험도의 경향성과 상대적 규모를 비교․해석하는 데
목적이 있다. 한편, 실내외 온도는 평가 당시의 환경조건에 따라 온도차가 3~5℃ 범위에 해당하였다.
3.2.2 시설 특성별 공기 전파 위험도 평가 결과
본 연구에서 평가된 시설 유형은 노인요양시설, 보훈요양시설, 정신요양시설, 재활시설의 네 가지로 구분되며, 공기 전파 위험도는 시설 유형에 따라 뚜렷한
차이를 보였다. 노인요양시설은 위험도 분포가 환기 방식 및 시설 조건에 따라 매우 넓게 나타났다. 특히, 복합개방형 자연환기 생활실에서는 위험도가
2~3% 수준까지 저감 된 반면, 일면개방형 자연환기 또는 환기 미작동 상태의 생활실과 프로그램실에서는 30~60% 이상의 중․고위험 사례가 빈번히
나타났다. 또한 일부 프로그램실과 물리치료실에서는 기계환기 조건에서도 50~90% 이상의 고위험 사례가 확인되어, 노인요양시설은 공간 용도와 환기
운영 상태에 따라 위험도가 극단적으로 분화되는 특성을 보였다(Table 3).
보훈요양시설은 대부분 기계환기설비가 적용되어, 생활실의 위험도는 대체로 18~26% 수준의 중․저위험 영역에 비교적 안정적으로 분포하였다. 그러나
물리치료실, 대강당, 대회의실과 같은 대공간에서는 환기량이 충분함에도 불구하고 48~60% 이상의 중․고위험 수준이 유지되었다. 반면 정신요양시설은
환기 조건에서도 50~100%에 가까운 고위험 사례가 다수 확인된 시설군으로, 환기 미확보 프로그램실에서는 위험도가 100%로 평가되었다. 재활시설은
대체로 10~70% 범위의 중간 수준 분포를 보였으며, 일부 복합개방형 자연환기 공간에서는 낮은 위험도가 확인되었으나, 기계환기 프로그램실에서는 60%
이상의 고위험 사례도 나타났다. 시설 유형별 위험도는 환기설비 및 공간 용도와 활동 특성의 영향이 큰 것으로 분석되었다.
Table 3 Status of the evaluated facilities and airborne infection risk results by
space
|
Facility use*
|
Space types
|
Ventilation types
|
Window layout
|
Ventilation rate (m3/h)**
|
Infection risk (No ventilation)
|
Infection risk (Ventilation)
|
|
LTCF (1)
|
Resident(4P)
|
Natural
|
Multi-open
|
44.5
|
95.3
|
1.8
|
|
Resident(3P)
|
Natural
|
Single-sided
|
25
|
95.3
|
9.4
|
|
LTCF (2)
|
Resident(4P)
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
95.3
|
29.3
|
|
Resident(3P)
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
95.3
|
28.3
|
|
LTCF (3)
|
Resident(4P)
|
Natural
|
Single-sided
|
48
|
95.3
|
35.1
|
|
Activity
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
99.4
|
74.3
|
|
LTCF (4)
|
Resident(6P)
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
95.3
|
60.8
|
|
Resident(4P)
|
Natural
|
Multi-open
|
48
|
95.3
|
2.9
|
|
Activity
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
95.3
|
36.6
|
|
LTCF (5)
|
Resident(3P)
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
95.3
|
7.7
|
|
Activity
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
99.4
|
52.0
|
|
Auditorium
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
99.4
|
51.5
|
|
LTCF (6)
|
Resident(4P)
|
Mechanical
|
-
|
149
|
95.3
|
26.4
|
|
Activity
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
100.0
|
95.8
|
|
LTCF (7)
|
Resident(3P)
|
Mechanical
|
Single-sided
|
100
|
95.3
|
33.9
|
|
Activity
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
99.4
|
42.2
|
|
LTCF (8)
|
Resident(4P)
|
Mechanical
|
Single-sided
|
110
|
95.3
|
29.7
|
|
Resident(2P)
|
Mechanical
|
Single-sided
|
110
|
95.3
|
29.0
|
|
Activity
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
99.4
|
95.5
|
|
LTCF (9)
|
Resident(4P)
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
88.7
|
12.4
|
|
Resident(4P)
|
Mechanical
|
Single-sided
|
69
|
88.7
|
45.0
|
|
Auditorium
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
100.0
|
9.6
|
|
LTCF (10)
|
Resident(4P)
|
Natural
|
Multi-open
|
-
|
95.3
|
2.7
|
|
Auditorium
|
Natural
|
Cross-ventilated
|
-
|
99.4
|
8.8
|
|
LTCF (11)
|
Resident(4P)
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
95.3
|
12.6
|
|
Resident(4P)
|
Mechanical
|
Single-sided
|
126
|
95.3
|
35.9
|
|
Activity
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
99.4
|
20.1
|
|
LTCF (12)
|
Resident(4P)
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
88.7
|
12.4
|
|
Resident(4P)
|
Mechanical
|
Single-sided
|
95
|
88.7
|
45.0
|
|
Auditorium
|
Natural
|
Multi-open
|
-
|
100.0
|
9.6
|
|
LTCF (13)
|
Resident(4P)
|
Mechanical
|
Single-sided
|
164
|
95.3
|
29.0
|
|
Resident(2P)
|
Mechanical
|
Single-sided
|
82
|
95.3
|
29.4
|
|
Activity
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
99.6
|
53.7
|
|
LTCF (14)
|
Resident(3P)
|
Mechanical
|
Single-sided
|
220
|
95.3
|
19.5
|
|
Physical Therapy
|
Mechanical
|
Cross-ventilated
|
260
|
100.0
|
52.5
|
|
LTCF (15)
|
Resident(4P)
|
Mechanical
|
Cross-ventilated
|
60
|
95.3
|
51.3
|
|
Activity
|
Mechanical
|
-
|
80
|
99.6
|
75.2
|
|
Activity
|
Mechanical
|
Single-sided
|
93
|
99.4
|
81.6
|
|
LTCF (16)
|
Resident(3P)
|
Mechanical
|
Single-sided
|
48
|
99.6
|
55.9
|
|
Activity
|
Mechanical
|
Single-sided
|
254
|
99.4
|
76.9
|
|
Physical Therapy
|
Mechanical
|
Cross-ventilated
|
98
|
99.4
|
66.6
|
|
LTCF (17)
|
Resident(4P)
|
Mechanical
|
Single-sided
|
116
|
96.6
|
34.8
|
|
Activity
|
Mechanical
|
Single-sided
|
139
|
99.4
|
56.8
|
|
LTCF (18)
|
Resident(4P)
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
95.3
|
32.4
|
|
Activity
|
Natural
|
Cross-ventilated
|
-
|
99.4
|
16.2
|
|
LTCF (19)
|
Resident(4P)
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
95.3
|
15.4
|
|
Physical Therapy
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
99.6
|
30.1
|
|
LTCF (20)
|
Resident(4P)
|
Mechanical
|
Single-sided
|
63
|
99.4
|
71.7
|
|
Activity
|
Mechanical
|
Single-sided
|
270
|
100.0
|
42.6
|
|
LTCF (21)
|
Resident(4P)
|
Mechanical
|
Single-sided
|
60
|
95.6
|
52.2
|
|
Physical Therapy
|
Mechanical
|
Single-sided
|
205
|
100.0
|
94.6
|
|
LTCF (22)
|
Resident(4P)
|
Mechanical
|
Single-sided
|
71
|
96.6
|
53.1
|
|
VCF (1)
|
Resident(4P)
|
Mechanical
|
Single-sided
|
210
|
99.6
|
26.4
|
|
Physical Therapy
|
Mechanical
|
Cross-ventilated
|
584
|
100.0
|
48.4
|
|
VCF (2)
|
Resident(4P)
|
Mechanical
|
Single-sided
|
200
|
95.3
|
18.4
|
|
Physical Therapy
|
Mechanical
|
Single-sided
|
505
|
100.0
|
64.8
|
|
VCF (3)
|
Resident(4P)
|
Mechanical
|
Single-sided
|
210
|
99.4
|
18.1
|
|
Auditorium
|
Mechanical
|
Cross-ventilated
|
4,000
|
100.0
|
59.0
|
|
Activity
|
Mechanical
|
Single-sided
|
170
|
100.0
|
57.8
|
|
MHCF (1)
|
Resident(7P)
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
100.0
|
48.5
|
|
Activity
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
99.4
|
45.9
|
|
MHCF (2)
|
Resident(4P)
|
Natural
|
Single-sided
|
25
|
95.3
|
12.8
|
|
Workshop
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
100.0
|
47.8
|
|
Activity
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
99.2
|
25.0
|
|
MHCF (3)
|
Resident(4P)
|
Natural
|
Cross-ventilated
|
-
|
100.0
|
74.8
|
|
Activity
|
-
|
-
|
-
|
100.0
|
100.0
|
|
MHCF (4)
|
Resident(4P)
|
Mechanical
|
Single-sided
|
155
|
100.0
|
82.7
|
|
Activity
|
Mechanical
|
Single-sided
|
325
|
99.6
|
49.8
|
|
DRF (1)
|
Workshop
|
Natural
|
Single-sided
|
41
|
100.0
|
29.3
|
|
Activity
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
100.0
|
50.4
|
|
DRF (2)
|
Resident(4P)
|
Mechanical
|
Single-sided
|
100
|
95.3
|
40.2
|
|
Activity
|
Mechanical
|
Single-sided
|
240
|
99.4
|
68.3
|
|
DRF (3)
|
Meeting Room
|
Natural
|
Single-sided
|
-
|
99.6
|
9.9
|
|
Activity
|
Natural
|
Multi-open
|
-
|
99.4
|
11.0
|
* LTCF(Long-Term Care Facility), VCF(Veterans Care Facility), MHCF(Mental Health Care
Facility), DRF(Disability Rehabilitation Facility)
** Facilities with partial installation of ventilation systems were also included
공간별 공기 전파 위험도 평가 결과는 Fig. 2와 같으며, 환기 미적용(전체) 조건에서는 평균 97.55%로 나타나, 대부분 공간에서 환기 미확보 시 공기 전파 위험도가 거의 확정적 수준에 도달함을
확인할 수 있었다. 반면 환기 조건을 적용한 경우에는 공간 유형에 따라 위험도가 유의미하게 저감 되는 경향을 보였다.
생활실의 경우 환기 조건에서 공기 전파 위험도가 29.30%로 가장 낮게 나타났는데, 이는 상대적으로 활동 강도가 낮고 발화 빈도가 적은 공간 특성이
반영된 결과로 해석된다. 반면 프로그램실은 50.71%, 작업장 등 직업재활 공간은 38.54%로 나타나, 생활실에 비해 중․고위험 수준의 공기 전파
위험도가 유지되는 특성을 보였다. 특히 프로그램실은 외부 강사의 출입, 지속적인 발성, 집단 활동이 동시에 발생하는 공간 특성으로 인해 환기 조건에서도
상대적으로 가장 높은 위험 수준을 나타냈다.
이러한 결과는 적극적인 환기를 통해 공기 전파 위험도를 평균 50~70% 이상 저감할 수 있으나, 집단 활동 공간과 직업재활 공간에서는 환기 성능
확보만으로 충분한 위험 저감이 어렵고, 재실 인원 관리, 활동 강도 조절, 체류 시간 분산 등 추가적인 감염관리 전략이 병행되어야 함을 시사한다.
3.2.3 환기 방식별 공기 전파 위험도 평가 결과
본 연구에서는 평가대상 32개 감염취약시설 중, 시설 내 일부 공간에라도 기계환기설비가 적용된 경우를 모두 ‘기계환기설비 보유 시설’로 분류하였으며,
분석 결과 기계환기설비 보유 시설은 18개소(56.3%), 자연환기에 주로 의존하는 시설은 14개소(43.7%)로 나타났다.
공간 내 활동량이 상이한 정신재활시설 및 장애인재활시설을 제외하고, 노인요양시설과 보훈요양시설의 생활실만을 대상으로 환기 방식에 따른 공기 전파 위험도를
비교한 결과, 전체 33개 생활실 중 자연환기 생활실은 14개, 기계환기 생활실은 19개로 분류되었고, 자연환기 시 생활실의 공기 전파 위험도는 평균
18.8 ± 16.6%, 기계환기 시에는 평균 37.1 ± 14.7%로 분석되었다. 자연환기 시 생활실의 평균 위험도가 기계환기 생활실보다 낮게 나타났으나,
표준편차가 더 크게 나타나 위험도 변동성이 다소 큰 특성을 보였다(Table 4).
반면 기계환기 생활실은 평균 위험도 수준은 상대적으로 높았으나, 표준편차가 더 작고 위험도 분포가 비교적 안정적인 특성을 보였으며, 이는 기계환기가
생활실과 같은 장시간 체류 공간에서 공기 전파 위험도의 변동성을 최소화하는 기본적인 안정성을 제공함을 의미한다. 다만 일부 기계환기 생활실에서는 위험도가
70% 이상까지 상승한 사례도 확인되어 재실 특성 및 환기풍량 부족 시에는 기계환기 조건에서도 고위험 상태가 지속될 수 있음을 시사하며, 감염병 대응
시에는 기계환기설비 풍량 증대 검토도 필요한 것으로 분석되었다.
한편, 전체 74개 평가 공간을 대상으로 환기 방식별 공기 전파 위험도를 비교한 결과는 Table 4와 같다. 자연환기 공간의 평균 공기 전파 위험도가 기계환기 공간보다 낮게 나타났는데, 이는 일부 자연환기 공간에서 다면 개방 또는 상대적으로 큰
개구부를 통해 높은 환기량이 확보된 사례가 평균값에 반영된 결과로 해석된다. 반면, 기계환기 공간의 경우 설계 풍량 대비 저풍량 운전, 환기설비의
부분 가동 또는 운전 중단 등으로 실제 환기량이 충분히 확보되지 않은 사례가 포함되어 평균 위험도가 상대적으로 높게 산출된 것으로 판단된다.
Fig. 2 Airborne infection risk by ventilation condition for each evaluated space.
Table 4 Airborne transmission risk assessment results by ventilation types
|
|
Number of spaces
|
Average airborne infection risk
|
Standard Deviation
|
|
Natural ventilation
|
40
|
34.6
|
24.1
|
|
Mechanical ventilation
|
34
|
51.9
|
20.7
|
|
Total
|
74
|
41.0
|
25.1
|
3.3 감염취약시설 환기 평가 결과 및 토의
3.3.1 감염취약시설 환기설비 보유 현황 및 운영 특성
본 연구에 포함된 전국 32개 감염취약시설 중, 시설 내 일부 공간이라도 기계환기설비가 적용된 경우를 기준으로 분류한 결과, 기계환기설비 보유 시설은
18개소(56.3%), 자연환기에 주로 의존하는 시설은 14개소(43.7%)로 나타났다. 이는 감염취약시설 절반가량이 여전히 자연환기에 큰 비중을
두고 운영되고 있음을 의미한다.
또한 현장 조사 결과, 기계환기설비가 설치되어 있더라도 일부 시설에서는 고장, 풍량 부족, 상시 미가동 등의 문제가 확인되었으며, 특히 프로그램실,
활동실 등 집단 활동 공간에서 이러한 경향이 두드러졌다. 반면, 공기청정기는 다수 시설에서 보유하고 있었으나, 공기 전파 감염 저감의 핵심 수단인
외기 환기 기능을 대체할 수는 없다는 구조적 한계가 명확히 확인되었다. 이러한 결과는 감염병 대응에서 환기설비의 “설치 유무”뿐 아니라 “실제 운전
성능과 운영 상태”가 위험도에 직접적인 영향을 미친다는 점을 시사한다.
3.3.2 시설 유형별 공기 전파 위험도 특성
시설 유형별 공기 전파 위험도 분석 결과, 노인요양시설의 위험도 분포 폭이 가장 넓게 나타났다. 복합개방형 자연환기가 적용된 일부 생활실에서는 위험도가
2~3% 수준까지 저감 된 반면, 일면개방형 자연환기 또는 환기 미작동 조건의 생활실과 프로그램실에서는 30~60% 이상의 중․고위험 사례가 빈번히
확인되었다. 또한 일부 프로그램실과 물리치료실에서는 기계환기 조건에서도 50~90% 이상의 고위험 상태가 유지되어, 공간 용도와 활동 특성이 위험도에
지배적인 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
보훈요양시설은 대부분 기계환기설비가 적용된 시설로, 생활실의 위험도는 약 18~26% 수준의 중․저위험 영역에 비교적 안정적으로 분포하였다. 그러나
대강당, 대회의실, 물리치료실 등 대공간에서는 환기량이 충분함에도 불구하고 48~60% 이상의 중․고위험 수준이 유지되는 특성이 확인되었다.
정신요양시설은 환기 조건에서도 50~100%에 이르는 고위험 사례가 다수 확인되었으며, 특히 환기 미확보 프로그램실에서는 공기 전파 위험도 100%가
산출되어 가장 취약한 시설군으로 분류되었다. 재활시설은 대체로 10~70% 범위의 중간 분포 특성을 보였으나, 프로그램실에서는 기계환기 조건에서도
60% 이상의 고위험 사례가 확인되었다. 이러한 결과는 시설 유형 자체보다 공간 용도와 이용자 활동 특성이 공기 전파 위험을 결정하는 핵심 인자임을
시사한다.
3.3.3 공간 유형별 공기 전파 위험도 특성
공간 유형별 분석 결과, 입소자 생활실은 환기 방식과 환기량 변화에 매우 민감하게 반응하는 공간군으로 나타났다. 복합개방형 자연환기 또는 충분한 기계환기가
확보된 경우 위험도는 10~20% 이하의 저위험 수준을 유지한 반면, 일면개방형 자연환기 또는 저풍량 기계환기 조건에서는 30~70% 수준의 중․고위험
사례가 반복적으로 확인되었다. 이는 생활실이 장시간 체류․고밀도 공간이라는 구조적 특성상, 인원수 대비 유효 환기량 확보가 위험도 저감의 핵심 요인임을
보여준다.
프로그램실, 대강당, 교육실, 보호작업장 등 집단 활동 공간은 시설 유형과 관계없이 가장 높은 위험도가 집중되는 공간군으로 분석되었다. 환기 조건에서도
50~95% 이상의 고위험 사례가 다수 확인되었으며, 환기 미작동 또는 창호 미확보 공간에서는 90~100%의 극고위험 상태가 유지되었다. 물리치료실,
운동치료실 등 치료․재활 공간 역시 활동 강도와 밀접 접촉의 영향으로 40~95% 수준의 중․고위험 분포를 보여, 단순 환기량 증대만으로는 공기 전파
위험도 저감에 한계가 있음을 시사한다.
4. 결 론
본 연구는 Wells–Riley 방정식을 기반으로 개발된 K-VENT 공기 전파 위험도 평가 툴을 활용하여, 전국 32개 감염취약시설, 총 74개
대표 공간을 대상으로 환기설비 현황 조사 및 환기 조건별 공기 전파 위험도 평가를 수행하였다. 분석 결과, 환기설비의 단순 보유 여부보다 공간 용도,
재실 인원 밀도, 이용자의 활동 강도, 그리고 실효 환기량의 크기가 공기 전파 위험도를 결정하는 핵심 인자로 작용함을 확인하였다.
특히 평가대상 시설 중 기계환기설비를 일부라도 보유한 시설은 18개소(56.3%)에 불과하여, 감염취약시설의 절반가량이 여전히 자연환기에 의존하고
있는 것으로 나타났다. 더불어 기계환기설비가 설치된 시설에서도 고장, 저풍량, 상시 미가동 등의 운영상 문제가 확인되어, ‘설치율’뿐 아니라 ‘운영
실효성’이 공기 전파 위험도 저감에 직접적인 영향을 미친다는 점이 실증적으로 확인되었다.
시설 유형별 분석 결과, 노인요양시설은 환기 조건 및 공간 용도에 따라 공기 전파 위험도가 저위험(10% 이하)에서 극고위험(90% 이상)까지 매우
넓은 분포를 보였으며, 정신요양시설과 일부 재활시설의 집단 활동 공간에서는 환기 조건에서도 100%에 가까운 극고위험 사례가 나타났다. 공간 유형별로는
프로그램실, 대강당, 교육실, 물리치료실, 작업장 등 집단 활동․고활동 공간이 가장 취약한 고위험 공간군으로 확인되었으며, 생활실은 인원 대비 환기량
확보 수준에 따라 위험도가 민감하게 변화하는 특성을 보였다.
또한 생활실을 대상으로 환기 방식에 따른 위험도를 비교한 결과, 자연환기는 평균 위험도는 낮았으나 변동성이 매우 컸고, 기계환기는 평균 위험도는 상대적으로
높으나 보다 안정적인 위험도 분포를 나타냈다. 이는 감염병 대응 관점에서 자연환기는 보조적 수단으로 활용하되, 기계환기는 상시․연속 운전이 가능한
기본 방역 인프라로 반드시 확보되어야 함을 의미한다. 아울러 일부 기계환기 생활실과 집단 활동 공간에서는 환기 조건에서도 70% 이상의 고위험 사례가
확인되어, 현행 설계 풍량 및 운전 기준이 감염병 대응 관점에서는 충분하지 않을 가능성을 시사한다.
이상의 결과를 종합할 때, 향후 감염취약시설의 감염병 대응을 위해서는 ① 기계환기설비 설치 의무화 대상의 단계적 확대 ② 집단 활동 공간 중심의 풍량
상향 및 환기 성능 기준 강화 ③ 상시 운전 기반의 운영 관리 체계 구축 ④ 환기량 중심의 정량적 공기 전파 위험도 기반 운영 가이드라인 도입이 시급히
요구된다. 본 연구는 전국 단위 실증 자료를 기반으로 환기설비 현황과 공기 전파 위험도를 동시에 정량 평가하였다는 점에서 학술적․정책적 의의가 있으며,
향후 신종 호흡기 감염병 유행 시 환기 중심 감염관리 정책 수립을 위한 핵심 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
후 기
이 연구는 질병관리청의 지원(과제1)과 산업통상자원부(MOTIE) 및 한국산업기술진흥원(KIAT)의 지원(과제2)을 받아 수행되었습니다. (과제1:
감염취약시설 환기 평가 시범사업 및 호흡기 감염병 공기 전파 위험도 평가툴(K-VENT) 개선(2024030350C-00), 과제2: 자율운전 기반
실내환경제어 기술 및 초고성능 청정건강환기시스템 개발(RS-2025-02221905))
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