이원석 설비공학회 회원(서울대학교)은 11월24일 설비공학회 동계학술대회에서 ‘건축물 요소별 기밀향상에 따른 전환형 음압격리병실 실내환경 개선효과 분석’이라는 주제로 연구내용을 발표했다. 

일반적으로 감염병 환자 치료는 병실 내부를 음압으로 형성해 공기가 항상 병실 안쪽으로 흐르도록 설계돼 바이러스나 병균으로 오염된 내부공기가 외부로 배출되지 않는 기밀성이 호가보된 1인실의 국가지정 입원 격리병상(음압)에 격리돼 이뤄진다. 

그러나 코로나19 팬데믹 당시 국가지정 입원 격리병상 수 부족으로 인해 급증하는 환자 수용에 문제가 발생했다. 이로써 음압 병상 수급을 위해 헤파필터가 내장된 이동형 음압기를 사용해 일반 병실을 음압실로 임시 전환한 전환형 임시음압격리병실을 운영해 문제를 해결했다. 

국가지정 음압격리병실의 경우 시설에 대한 명확한 시설기준과 연구가 진행됐으나 음시 음압격리병실의 경우 관련시설기준과 연구는 부족하다. 이번 연구는 포스트 팬데믹을 대비한 임시 음압격리병실의 실내환경 개선 방향성을 제시하기 위해 전환형 임시 음압격리병실의 실내환경 측정을 진행한 선행연구에서 도출된 문제점을 개선코자 했다. 

기밀성 향상을 통한 실내환경 개선효과를 분석하고자 CONTAM 프로그램의 Air Flow Network 모델을 사용해 멀티존 시뮬레이션을 수행했다. 문제점을 모사한 Base 모델을 비교분석해 건축물 요소별 기밀도 개선이 오염원 확산방지에 미치는 효과를 고찰했다. 

이번 연구는 코로나19 팬데믹 기간 임시 음압격리병실을 운영한 A 병원을 대상으로 실측 기반의 선행연구에서 도출한 오염물질 확산경로 및 중앙공조를 COTAM 시뮬레이션 프로그램을 사용해 Base 모델을 구성했으며 요소별 기밀도 개선(천정, 외벽면, 종합) 시 오염물질 확산농도를 분석했다. 

Base 및 요소별 기밀도 개선 모델 구축 범위는 Plenum 공간을 포함한 병동 한 층으로 하며 오염물질이 내부로 재유입되는 Short Curcuit 상황 구현을 위해 이동형 음압기를 통해 배출된 오염된 공기가 잔존하는 외부공간은 이동형 음압기를 설치한 전환형 임시 음압격리병실 A‧B‧C와 일반병실 D 및 복도로 외벽과 면한 공간으로 구성했다. 

요소별 개선은 전환병실 A‧B‧C로 한정하며 분석범위는 외벽과 면한 A‧B‧C‧D 병실을 대상으로 했다. 시뮬레이션 모델 및 분석영역은 CONTAM 시뮬레이션 평면에서 나타낸 바와 같다. 

먼저 Base 모델의 요소별 누기면적은 선행연구에서 도출한 오염원의 확산경로인 덕트, Planum, Short Circuit, 전환병실 제외 병실 창문과 문이 열려있는 것이 모사되도록 NIST에서 제공하는 요소별 Library 데이터와 임의값을 적용했다. 오염물질의 확산은 기밀하지 않은 누기부위를 통해 이동하므로 주요 이동경로라고 예상되는 Planum 부위의 천정 기밀성을 개선한 Case와 Short Circuit 발생 경로인 외벽면(외벽 및 창문)의 기밀성을 개선한 Case, 최종적으로 앞선 두 Case를 모두 개선한 종합 Case로 구성해 시뮬레이션했다. 시뮬레이션 진행과정은 아래 그림과 같이 정리된다. 

이때 누기값은 Technical Note의 식(1)과 (2)에 따라 산정된 값으로 이 연구에서는 NIST에서 제공하고 있는 입력데이터를 바탕으로 구성했다. 

병동 내부 중앙공조는 화장실 배기를 제외한 공조는 가동을 중지하며 이동형 음압기를 통해 외부로 직접 배기되도록 구현했으며 각 실의 이동형 음압기 배기풍량은 A병실 1,680CMH, B병실 1,760CMH, C병실 1,646CMH로 선행연구와 같은 풍량으로 시뮬레이션했다. 

헤파필터는 0.3㎛ 크기 입자를 99.97% 여과할 수 있지만 감염원이 여과되지 않는 가장 위험한 상황을 묘사하기 위해 오염물질을 SF₆ 가스 물성값으로 입력해 시뮬레이션했다. 이때 오염물질이 발생하는 병실은 성인 평균 호흡량의 약 10% 수준인 15mL/s로 일정하게 방출되도록 했다. 

아래 그래프는 Base 및 각 요소별 기밀도를 개선한 Case 모델의 Short Circuit이 발생하는 외기로부터 분석영역의 실로침기(자연급기)되는 양을 분석한 그래프다. 이때 Short Circuit이 발생하는 외부에서 A‧B‧C‧D 병동으로 유입되는 침기량은 차례대로 Base 모델에서 329, 546, 394, 349CMH, 천장 기밀성 개선모델에서 404, 665, 477, 349CMH, 외벽면 기밀성 개선모델에서 179, 310, 221, 386CMH로 종합개선 모델에서 225, 392, 276, 393CMH로 나타났다. 

이는 Basea 모델대비 천장 기밀 시 0~119CMH가 증가하며 외벽면 기밀 시 A, B, C 병실의 경우 149~235CMH가 감소, D병실은 36CMH 증가하며 종합 개선 시 A, B, C 병실의 경우 103~153CMH가 감소, D병실은 44CMH 증가하는 것으로 나타났다.

신선 외기로부터 침기량을 나타낸 아래 그래프는 모델별 분석영역을 검출하는 SF₆(오염원)의 절대농도를 나타낸 그래프다. 

이때 SF₆가 발생하는 B병실과 인접한 A, C, D 병실과 외기로 확산된 SF₆ 절대농도는 차례대로 Base 모델에서 37.8ppm,6.0ppm, 9.2ppm, 18.0ppm, 18.0ppm, 천장 기밀성 개선모델에서 39.2ppm, 7.4ppm, 11.1ppm, 19.6ppm, 19.6ppm, 외벽면 기밀성 개선모델에서 35.4ppm, 4.1ppm, 7.1ppm, 15.9ppm, 15.9ppm,종합개선모델에서 36.3ppm, 4.9ppm, 8.2ppm, 16.8ppm, 16.8ppm이 검출됐다. 이는 Base 모델대비 천정 개선 시 농도가 1.4~1.9ppm이 증가하며 외벽면 개선 시 –1.9~-2.4 감소, 종합개선 시 –1.0~-1.5ppm 감소하는 것으로 나타났다. 

개선모델별 확산한 SF₆ 상대농도는 모델별 분석영역 중 인접한 실로 이동한 상대농도를 분석한 그래프다. 이때 SF₆이 발생하는 B에서 인접한 A, C, D 병실과 외기로 확산된 SF₆ 상대농도는 차례대로 Base 모델에서 15.9%, 24.5%, 47.7%, 47.7%, 천정 개선모델에서 19%, 28.3%, 50%, 50%, 외벽면 개선모델에서 11.6%, 19.9%, 44.9%, 44.9%, 종합개선모델에서 13.6%, 22.6%, 46.4%, 46.4% 확산됐다. 이는 Base 모델대비 천정 개선 시 2.3~3.1% 확산이 증가하며 외벽면 개선 시 –2.8~-4.6%, 종합개선 시 –1.3~-2.3% 확산이 감소하는 것으로 나타났다. 

공통으로 창문이 열린 병실 D의 SF₆ 농도는 침기에 따라 Short Circuit 발생 외기 농도와 동일 수치까지 상승하며 전환실과 달리 이동형 음압기에 의한 배기가 이뤄지지 않기 때문에 전환실보다 농도가 높아진다. 천정의 기밀성을 개선하면 Short Citcuit이 발생하는 외부로부터 병실로의 침기량은 증가하며 신선한 외기가 건물 전체로 유입되는 양은 감소해 SF₆를 발생시키는 B병실 농도가 증가를 초래해 분석영역의 절대농도와 상대농도 모두 증가하게 된다.

반면 외벽면 개선 및 종합개선 시 Base 모델보다 창문이 열린 병실로 침기량이 증가하지만 외벽과 창문 기밀성이 향상되며 Short Circuit이 발생하는 외부로부터 전환된 병실로 침기량을 충분히 감소시키며 건물 전체로 자연 급기되는 신선 외기를 증가시켜 SF₆이 발생하는 B병실 자체 내부 농도 및 인접 공간의 농도를 감소시킬 수 있다. 

이 연구는 전환형 음압격리병실의 실내환경 개선 방향성을 제시하기 위해 실측 기반 선행연구를 바탕으로 요소별 기밀성 개선 시 효과에 대한 멀티존 시뮬레이션을 수행했다. 

이원석 회원은 “건축물 내부 공조 중 급기는 가동되지 않고 배기만 가동되는 경우 건물은 외부로부터 침기에 의해 급기된다”라며 “이때 건축물의 요소별 기밀성에 따라 침기량이 달라지며 기밀성이 떨어지는 곳을 통해 더 많은 유입이 일어난다”고 말했다.  

또한 “연구를 통해 진행한 시뮬레이션과 같이 병실에서 발생된 오염된 공기가 이동형 음압기를 통해 병실과 접한 외부로 직접 배기되는 경우 다시 병실로 재유입되는 Short Circuit이 발생할 수 있으며 이때 인접한 일반 병실 창문이 열려있다면 열린 창을 통해 오염공기의 유입이 상당량 발생해 건물 내부로 확산을 발생시킬 수 있다”라며 “이로써 이동형 음압기가 가동되는 경우 모든 실마다 창은 닫혀있는 것을 권고한다”고 강조했다.   

이어 “Short Circuit이 발생하는 상황에서 건축물에 대한 단순 기밀도 향상은 오염원 확산 방지에 불리하게 작용할 수 있다”라며 “우선 외벽면과 같이 외기와 면한 곳의 기밀성을 높일 필요가 있지만 기밀성 향상만으로는 오염원 확산방지효과는 미미한 것으로 나타나 설비적 요소가 함께 병행돼야 할 것”이라고 주장했다.