서론
연구의 목적
연구의 목표 및 범위
연구의 방법
공기전파감염확률 평가 방법
공기전파감염원의 공기 중 사멸을 고려한 해석 방법
재실자의 신체적 특징
건축물의 법적 요구 조건 및 재실 패턴을 고려한 시뮬레이션 케이스 설정
해석결과 및 분석
Case 1 해석결과 및 분석
Case 2 해석결과 및 분석
Case 3~4 해석결과 및 분석
Case 5 해석결과 및 분석
Case 6 해석결과 및 분석
전체 케이스 해석결과 및 분석
결론
서론
연구의 목적
공기전파 감염원(Airborne Pathogen)은 공기를 통해 부유하다 재실자의 호흡을 통하여 전파되며(Centers for Disease Control and Prevention, 2005; Redd and Susser, 199723), 다양한 질병이 이러한 방법으로 전파한다. 따라서 공기전파감염원 발생 가능성이 많다고 판단되는 시설은 공기전파감염 및 공기질 관리에 주의해야 한다. 특히, 최근 영유아에 대한 공기전파감염이 사회적 문제로 부각되고 있어 주목이 필요하다(AIA, 1996-97; 김수정과 강지연, 2010; 안진선 외, 20155).
재실자의 신체적 특징과 재실 패턴 또한 공기전파 감염확률에 큰 영향을 줄 수 있다고 추정되는데, 이와 관련하여 호흡량, 거동여부, 개인의 면역력 등과 같은 다양한 인자를 고려할 수 있다. 호흡량의 경우 감염원의 배출량 및 흡입량과 관련할 수 있으며, 환자의 거동여부 및 활동성에 따라, 감염원에 대한 노출시간등이 변화할 수 있다. 이러한 맥락에서 호흡량이 타 연령층에 비해 많은 대상 또는 거동이 어려워 환기량 조절과 같은 실내환경 조절 능력이 떨어지는 고령자는 일반인에 비해 공기전파 감염원에 대한 노출에 취약할 수 있다. 활동량 역시 호흡량에 영향을 미쳐 공기전파 감염확률에 영향을 줄 수 있을 것으로 사료된다. 이에 따라, 본 연구에서는 다양한 케이스에 대한 해석적인 평가를 통해 건축물 내에서 재실자의 신체적 특징과 재실 패턴이 공기전파 감염확률에 미치는 영향을 분석하고자한다.
연구의 목표 및 범위
본 연구에서는 건축물 용도별 재실자의 신체적 특징과 재실패턴이 따른 공기전파감염확률에 미치는 영향에 대하여 해석적인 방법을 통하여 분석하였다. 고려된 주요 인자는 ① 재실자 호흡량(연령 및 건축물 내 예상 활동량 고려), ② 재실자의 활동가능성에 따른 환기량 조절 여부, ③ 재실시간(재실자의 활동가능성 및 건축물 운영 방식 반영) 이다. 최근 영유아 및 어린이 보육시설과 병원시설에서의 공기전파감염이 문제가 되고 있는 상황에서, 다양한 건축물 유형도 해석조건에 반영하고자 하였다.
연구의 방법
공기전파감염확률 평가 방법
공기전파감염확률은 아래 식 (1)의 Wells-Riley equation을 적용하였다(Wells, 1995;28 Rudnick and Milton, 2003;24 Issarow et al., 2015;18 Noakes and Sleigh, 200827). 공기전파 감염확률 해석 시 공기전파 감염원을 발생시키는 재실조건의 감염환자 수(I)는 1명으로 설정하였다.
| $$P_I=\frac cs=1-e^{-\frac{Iqpt}Q}$$ | (1) |
PI:공기전파감염확률(airborne infection probability of a susceptible person)
c:감염횟수(number of infection cases)
s:대상 공간 내 공기전파감염원을 흡입하는 비감염자 수
I:감염원을 발생시키는 감염환자 수(number of infectors)
p:감염원을 흡입하는 사람의 호흡량(breathing rate of a susceptible person)
q:감염환자로부터의 공기전파감염원 발생량(quantum generation rate by an infector)
t:누적 시간
Q:실의 환기량
공기전파감염원의 공기 중 사멸을 고려한 해석 방법
공기전파감염원(Airborne Pathogen)의 실내 농도 해석을 위해 주로 전산유체해석방법과, 에어플로우 네트워크 방식(AFN, Air Flow Network)방식이 활용된다(Chen et al., 2011;16 Kimberlin, 2011;19 박정연 외, 20153; Srebric et al.. 200825; 최상곤과 홍진관, 2007;7 손덕영 외, 20144). 본 연구에서는 실의 완전확산농도에 기초하는 에어플로우 네트워크 해석 툴인 CONTAMW을 이용하였다.
공기전파 감염원은 결핵균으로 하였으며, 사례에 기반한 결핵균의 사무실 건축물 내 발생량은 시간당 12.7개이나, 보수적인 관점에서 비교적 발생량이 많은 후두결핵환자의 발생량(시간당 60개)을 적용하였다(Chen et al., 2011;17 Nardell et al., 199122). 이는 결핵균 발생량을 실제 결핵 발생 사례를 바탕으로 Wells-Riley 식을 이용해 산정하는 과정에서 결핵균의 공기 중 감쇠가 반영되지 않는 다는 점을 반영한 것이다. 따라서 연구 결과 의 해석 시에도 절대적 감염확률 보다 상대적 경향 비교에 중심을 두는 것이 바람직하다.
결핵균의 감쇠에 관한 기존 문헌에서는, 세포배양플레이트 위 공기에 노출되어 건조된 결핵균은 30분 경과 시 80%가 빠르게 사멸하고 이후 선형적으로 감소해 48시간 이후 0.25%만 남는 것으로 나타났다(Klein and Yang, 201420). CONTAMW 해석 과정에서 이를 반영하기 위하여 실내 공기 오염물질의 지수적 감쇠(Exponential decay)를 반영할 수 있는 Kinetic Reaction 기능을 활용하였다. 이는 식 (2)와 같은 방법으로 표현되며, 해석시 반응 물질 i와 생성물질 j는 동일 물질로 하였다. 반감기는 기존 문헌Klein and Yang, 201420)을 참고하여 15분으로 설정하였다. 이 때, 30분후의 잔존 결핵균 량은 25% 이며 대상 문헌(20% 내외)보다 다소 많고, 60분 후의 잔존 결핵균 양은 6.25% 로 기존 문헌의 생존량(10% 내외) 보다 작아진다. 이 모델에 따르면, 120분 경과 시 초기 조건의 3.9%만이 남으며, 이후 48시간 까지 생존한 결핵균 양은 극히 낮거나 없는 것으로 표현된다.
이 모델은 장기적인 결핵균에 대한 노출량에 대해서는 예측력이 떨어질 수 있지만, 결핵균 농도가 높고 감염위험이 큰 결핵균 발생 초기단계(Lever et al., 2000)21에서의 상대적인 감염확률 비교에는 유용할 것으로 사료된다. 식 (2)와 식 (3)을 반영한 시뮬레이션을 통하여 도출된 실내 결핵균 농도는 식 (1)의 자연지수 상단의 실내 공기전파 감염원 농도 부분을 대체한다.
| $$C_j(t)=C_i(0)\times e^{K_{ij}t}$$ | (2) |
여기에서 K 값은 반감기 가 𝜏1/2 인 경우 식 (3)과 같이 표현된다.
| $$K=\mathrm{In}\;(0.5)/\tau_{1/2}$$ | (3) |
재실자의 신체적 특징
재실자의 신체적 특징은 활동가능 여부 및 연령에 따른 호흡량을 주요 인자로 설정하였다. 활동가능 여부는 재실자 스스로 거동이 가능한지의 여부로 하였으며, 실내 공조장치 들에 대한 조절이 가능 여부 및 재실시간과 관련한다. 한편, 재실자는 연령 및 실내 활동에 따라서도 호흡량이 달라지게 된다. 즉 일반적인 사무실, 영유아의 시설, 어린이 놀이 시설 등의 재실자의 예상되는 호흡량이 다르며, 결국 호흡량의 차이는 공기전파감염확률 및 위험도에 영향을 미친다. 재실자의 호흡량은 기존 문헌자료 조사를 통하여 결정하였다. 일부 국내 연구에서 (양원호 외, 201311)에서도 어린이의 호흡량 측정결과를 제시하고 있으나, 본 연구에서는 조사 대상 인원 수 가 많고, 폭 넓은 연령대의 정보를 제공하고 있는 미국 EPA의 Exposure Factors Handbook 2011 Edition, Chapter 6 자료를 활용하였다(Table 1). 실제 조건을 모사하기 위해서는 감염자의 호기량과 흡기량을 동시에 고려하여야 하나, 공기전파감염원의 발생량을 특정하기 어렵다는 한계가 있어 본 연구에서는 흡기량에만 Table 1의 호흡량을 적용하였다.
Table 1. Mean inhalation values (m3/day) for males, females and combined
건축물의 법적 요구 조건 및 재실 패턴을 고려한 시뮬레이션 케이스 설정
본 연구에서 고려한 건축물 유형은 Table 2과 같다. 대상 건축물 유형은 산후조리원, 유치원, 초~중등학교, 중~고등학교, 대학교, 노인요양원으로 하였다.. 시뮬레이션 케이스 작성 시 건축물의 유형, 재실자의 활동성에 따른 실내 환기 가능여부와 재실자의 재실스케줄, 호흡량이 고려되었다. 설정된 시뮬레이션 케이스는 Table 3과 같다.
Table 2. Input data for airborne infection simulation
Table 3. Simulation cases
Case 1은 산후조리원에서 환기 시스템 운영/미운영 조건과 모자동실/신생아실 관리 조건을 반영하여 설정하였다. Case 2는 유치원에서 환기 실시여부에 따른 조건을 반영하였으며, 환기시스템 미운영 유치원은 법규 적용을 받지 않는 소규모 유치원을 가정하였다. Case 3은 초~중등 학교, Case 4는 중~고등학교, Case 5는 대학교, Case 6은 노인요양원이다. Case 3~6에서는 환기 실시 여부와 감염자와 비감염자의 재실 조건에 따른 노출 시간이 주요 변수이다. Table 3에서 Releasing time은 감염자가 재실하며 공기전파 감염원을 배출하는 시간을 의미하며, Exposure time은 비감염자가 공기전파감염원에 노출되는 총 시간을 의미한다.
운영 측면에서, 산후조리원은 신생아실에 신생아가 모여 있고 간호사가 간호하는 조건과, 모자동실(母子同室)조건에서 간호사와 제한적으로 접촉하는 조건을 고려하였다. 이 사례에서 감염자는 간호사로 설정하였다. 유치원 운영 조건은 박은혜 외(20132)의 자료에 기반하였으며, 09시에 시작해 17시~19시에 종료하는 것으로 하였다. 이 때 외부활동은 없는 것으로, 재실 기간 동안 교사와 원아가 함께하는 것을 가정하였다. 학교에서는 학생이 8시간 재실하며, 교사가 1시간동안 감염원을 배출하는 사례와, 감염 학생이 8시간 동안 감염원을 배출하는 조건이 고려되었다. 대학에서는 학생과 교수가 4시간 함께 재실하며, 노인 요양시설에서는 노인은 24시간 재실하며, 감염간호사가 3시간 재실, 감염된 노인이 25시간 재실하는 조건이 고려되었다.
시설 면적은 신생아실은 모자보건법 시설기준에 의해 신생아 1인당 1.7 m2으로 하여 신생아 10명이 재실하는 것으로 가정하였다. 유치원의 경우 영유아 1명당 2.64 m2를 적용, 10명 기준 26.4 m2 로 하였다. 고등학교 이하 각급 학교 설립ㆍ운영 규정에서는 각 학교 시설에 대한 연면적 기준을 제시하고 있으며, 본 연구에서는 학생수 35명 기준 8.7 m×.7.8 m 모듈을 적용하여, 바닥면적 67.86 m2을 적용하였다. 대학교의 경우에도 이와 동일하게 적용하였다. 노인복지법 제 22조와 동법 별표 4에서는 관련 시설기준을 제시하고 있고, 침실의 경우 4인실 29.7 m2을 최소로 하고 있어 이를 대상으로 하였다. 층고는 2.5 m를 적용하였다.
실내 공기교환과 관련하여서는 법규 수준으로 환기가 되는 조건과, 관련 법규 적용을 받지 않아 침기만 이루어지는 조건을 고려하였다. 건축물의 설비기준 등에 관한 규칙 제 11조에서는 의료법에서 정하는 연면적 2000 m2 이상이거나 병상수가 100개 이상인 의료시설의 경우에 환기장치를 의무적으로 설치하도록 정하고 있다. 이때, 환기장치를 설치해야 하는 의료시설의 환기량은 36 m3/인·시 이상을 만족해야 한다. 반면, 규모가 작은 의료시설의 경우 환기장치 설치 의무를 지지 않는 조건을 반영했다. 또한, 국내 실내공기질관리법 제 3조에서 정하는 산후조리원, 어린이집, 노인요양시설의 환기 기준 및 학교보건법에서 정하는 유치원, 초중고 및 각종 학교의 관련 규정을 반영하였다. 건축물의 설비기준등에 대한 규칙에서는 다중이용시설의 환기설비기준 별표 1의 6에서는 다중이용시설의 필요환기량을 정하고 있는데, 실내공기질관리법 상의 대상과 규모에서 동일하다. 단, 학교 보건법 시행규칙 별표 2에서는 2005년 개정 기준, 1인당 환기량 21.6 m3/h 으로 정하고 있다. 유치원의 경우 공동주택 저층에 설치되는 사례를 고려하였으며 기본적으로 환기 관련 법규 적용을 받지 않아 침기만을 반영하였다. 이 때 침기량은 지경환 외(20166)의 자료를 바탕으로 약 0.1 ACH로 추정하였다. 학교 교실은 황혜영과 이종원(20098)의 연구에서 측정한 일반 학교의 침기량 0.85 ACH를 적용하였다. 대학교 강의실의 침기량은 이경수 외(2017)9의 기밀측정결과를 바탕으로 약 1 ACH로 산정하였다. 한편, 산후조리원, 환기가 가능한 유치원, 노인요양시설이 신축 건축물에 들어선다고 가정, 일반 오피스 건물 수준으로 추정하였다. 그러나 유사건물에 대한 기존 연구문헌이 많지 않아, 한국건축친환경설비학회에서 제시하고 있는 건축물의 기밀성능 기준 중, 모든 건물에 해당하는 기밀성능기준인 5.0 ACH50을 적용하였다. 이 때, 교정상수 20을 적용한 예상 침기량은 0.25 ACH 이다. Table 3에서는 재실인원 기준 환기량과 시간당 환기회수(ACH, Air Change per Hour)로 함께 표기하였다. 이 때 Case 6의 노인요양시설의 환기량이 1.9 ACH로 다른 케이스에 비해 크게 낮은 것을 확인할 수 있다.
감염자와 비감염자는 건축물 운영 시작과 동시에 입실 후 일정 시간 이후 퇴실하는 것으로 하였다. ContamW 해석은 1분단위로 하고 출력은 1시간 단위로 하였다.
해석결과 및 분석
Case 1 해석결과 및 분석
Figure 1~2는 Case 1의 해석결과이다. Case 1-1, Case 1-2의 경우 환기기준을 적용받지 않는 소규모 산후조리원의 조건이며 Case 1-3, 1-4는 환기장치를 적용한 건축물 조건이다.
Case 1-1, Case 1-3은 결핵 감염자가 8시간동안 재실하고 신생아는 24시간 지속적으로 재실하는 조건으로 신생아실을 운영하는 산후조리원 조건이다. Case 1-2, Case 1-4는 모자동실을 운영하여, 감염자(간호사 가정)와 신생아가 1시간 정도만 접촉하는 조건이며, 공기전파 감염확률이 매우 낮게 나타났다(각 6%, 2%). 모자동실을 운영하지 않는 산후조리원 조건인 Case 1-1은 공기전파 감염확률이 높게 나타났으며(41%), Case 1-3처럼 환기장치 적용을 통해 감염확률을 낮출 수 있으나, 모자동실의 조건에서 공기전파 감염확률보다 높았다(23%).
Case 2 해석결과 및 분석
Figure 3~4는 Case 2의 해석결과이다. Case 2-1은 환기장치가 적용되지 않는 소규모 유치원 조건으로 62%의 감염확률을, Case 2-2는 여기에 환기장치가 적용된 조건으로 28%의 감염확률을 보였다. 감염원의 방출시간이 8시간으로 동일한 Case 1-1, 1-3과 비교하였을 때, 실내 공기전파 감염원의 농도는 낮음에도 불구하고, 실제 감염확률은 매우 높게 나타났다. 이는, 신생아의 호흡량이 3.4 m3/day 인데 비해, 3세~5세의 어린이의 호흡량이 9.3 m3/day 로 급격하게 증가한 것과 해석 주건의 침기량이 0.25 ACH에서 0.1 ACH로 감소한 것이 원인으로 판단된다. 참고로 Case 2-1, Case 2-2의 공기전파 감염확률을 신생아 호흡량 기준으로 계산하였을 때의 공기전파감염확률은 각각 30%, 11%이다.
Case 3~4 해석결과 및 분석
Figure 5~6은 Case 3은 초등학교~중학교의 조건의 해석결과이며, Figure 7~8은 Case 4의 중고등학교 조건의 해석결과이다. Case 4는 Case 3의 조건에서 비감염자의 호흡량만 증가한 조건이다. 이 때, 공기전파 감염원의 시간당 발생량은 감염자의 호흡량과는 무관하게 동일하다고 가정하였다. 이 연령대의 호흡량 증가는 2 m3/day(약 13.3% 증가)로 실질적인 공기전파 감염확률에 대한 영향은 다소 작은 것으로 사료된다. 감염확률은 교사로부터 학생으로의 감염보다(Case 3-1, 3-3, 4-1, 4-3), 지속적으로 함께 재실하는 학생으로부터 학생으로의 감염이 더 위험한 것으로 나타났으며(Case 3-2, 3-4, 4-2, 4-4), Case 3~4의 해석결과 역시 공기전파감염원의 발생시간(학생, 8시간) 및 환기 미실시 조건에서 감염확률에 크게 증가하였다. 학생간의 감염에서도 법규상의 환기량을 충족시킬 경우 공기전파 감염확률을 일정 수준 낮추는 효과가 있는 것으로 나타났다. 단, 본 연구에서는 감염원 실 평균 농도를 기준으로 분석하여 교사와 학생들 상호간에 미시적으로 감염확률이 높아지는 상황은 고려되지 못하였다.
Case 5 해석결과 및 분석
Figure 9~10은 Case 5의 해석결과를 도시한 것이다. 이는 대학 강의실 조건이며, 교수와 학생을 구분하지 않고 공기전파 감염원이 방출되는 동일한 공간에 3시간 재실한다고 가정했다. 이 때, 침기만을 허용하는 조건인 Case 5-1에서는 18%의 감염확률을 법규상의 환기량을 충족시킬 때인 Case 5-2의 감염확률은 약 9%로 나타났다.
Case 6 해석결과 및 분석
Figure 11~12는 Case 6의 해석결과를 보여준다. 이 케이스는 노인복지지설을 가정한 것이며, 재실자의 거동이 불편하여 24시간 내내 해당 공간에 재실하는 조건이다. 이 케이스에서는 재실시간에 대한, 영향도가 매우 크게 나타났다. Case 6-2와 Case 6-4는 재실원 간의 감염을 가정한 사례로 전자는 침기조건, 후자는 환기조건이며, 이 때 공기전파감염확률은 각각 98%, 91%로 매우 높게 나타났다. 즉, 거동이 불편하여 침대에서 24시간 생활하는 조건에서 재실원으로부터 공기전파감염원이 24시간 지속적으로 배출 된다는 조건이 감염확률에 큰 영향을 미친 것으로 판단된다. 이 조건에서는 환기를 실시하였음에도 공기전파감염확률의 감소는 크지 않아 감염원 제거를 위한 별도의 방안 마련이 필요할 것으로 판단된다. 공기전파감염원이 의료진에 의해 초기 3시간동안만 발생한 Case 6-1(침기조건)과 Case 6-3(환기조건)의 감염확률은 각각 39%, 26%이다.
전체 케이스 해석결과 및 분석
Figure 13은 24시간 이후 최종적인 감염확률에 대한 전체 해석 결과이다. 같은 건물 내에서도 환기량 조건 및 재실 조건에 따라 감염확률은 높게 나타날 수 있기 때문에 공기전파감염 방지에 유의해야 함을 알 수 있다. 전반적으로 환기관련 기준을 적용받지 않는 시설(침기조건)에서의 공기전파 감염확률이 높게 나타났음을 확인할 수 있다. Case 1과 Case 2의 비교를 통해 유치원에서의 재실자 호흡량 증가가 감염확률의 증가에 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 그리고 전체 케이스에서 공기전파감염원의 배출 시간이 길수록, 재실원의 재실 시간(공기전파 감염원 노출시간)이 길수록 감염확률이 높게 나타남을 알 수 있다. 한편, Case 2-1(유치원에서 침기조건)과 Case 3-2(초중학교의 침기조건)은 감염자의 재실시간과 비감염자의 노출시간이 동일하고, 유치원아의 호흡량(9.3 m2/day) 보다 초중생의 호흡량(15 m2/day) 이 큰 조건이다. 그럼에도 Case 3-2의 감염확률이 더 낮게 해석되었는데 이는, 학교의 침기량 조건이 0.85 ACH로 유치원의 0.1 ACH 조건보다 높았기 때문으로 판단된다. Case 6-2, Case 6-4는 오랜 재실시간과 다른 건축물 유형에 비해 낮은 환기량 조건이 높은 감염확률의 원인으로 작용한 것으로 사료된다.
결론
본 연구의 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
(1)전반적으로 건축물 용도와 이용 패턴에 따른 재실시간의 차이는 공기전파감염확률에 결정적인 영향을 주었다. 산후조리원에서는 모자동실 방식으로 운영함으로써 공기전파감염원에 대한 노출 가능성을 줄여 공기전파감염확률을 크게 낮출 수 있는 것으로 나타났다. 학교시설은 교사와 학생간의 감염확률보다 오랜시간 함께 재실하는 학생 서로 간의 감염확률이 매우 높게 나타났다. 노인요양시설의 경우 낮은 환기량과 공기전파 감염원에 대한 오랜 노출시간의 영향으로 공기전파 감염에 취약한 것으로 나타났다.
(2)유치원에 다니는 어린이는 영유아 시절에 비해 급격하게 증가한 호흡량에 의해 공기전파감염에 상대적으로 취약할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 해당 시설의 공기교환 정도(환기+침기)와 가 공기전파 감염확률에 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 즉, 공동주택 저층부등에 소규모로 위치해 환기기준의 적용을 받지 않는 유치원의 경우 낮은 침기량 조건과 영유아시기에 비해 증가한 어린이 호흡량으로 공기전파감염 측면에서 취약할 수 있다.
(3)전반적으로 법규상의 환기기준을 적용받지 않는 시설에서의 공기전파감염확률이 높게 나타났다. 따라서 환기기준 미적용 시설에 대한 환기기준 설정의 확대가 필요할 것이다.
(4)한편, 노인요양시설과 같이 재실시간이 긴 경우 재실자 상호간의 감염에 매우 취약할 수 있는 것으로 확인되었다. 해당 시설에는 환기량의 증가와 더불어 공기정화장치 등의 적용과 같은 별도 개선 방법을 마련할 필요성이 있는 것으로 판단된다.
본 연구의 결과로, 영유아 시설 및 노약자 시설 등에서 재실 패턴과 호흡량 조건 등으로 인한 공기전파 감염 가능성이 상대적으로 증가할 수 있음을 확인할 수 있었으며, 동시에, 이와 관련한 개선방안 마련의 필요성을 확인할 수 있었다. 단, 본 연구에서는 해석 방법의 한계로, 감염자 주변에 국부적으로 고농도의 감염원이 집중되는 경우 인접 재실자의 감염확률이 높아질 수 있는 가능성이 고려되지 않았다는 한계가 있다. 또한, 본 연구에는 결핵균 모델링시 감쇠 모델을 적용하여, 환기를 실시하지 않는 조건에서의 공기전파감염확률이 다소 과소평가 되어 환기에 의한 공기전파감염확률 감소 효과가 다소 낮게 평가되었을 가능성이 있음을 알려둔다. 한편 본 연구 결과는 실내의 평균적인 농도에 기반한 건축물 유형별, 공기전파감염확률을 해석적인 방법만으로 평가 하였다는 한계가 있으며, 절대적인 감염확률 보다 각 조건 간의 상대적인 위험도 비교에 의미를 두는 것이 타당하다.
