Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 August 2022. 264-272
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20220023

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  •   연구의 목적

  •   연구의 목표 및 범위

  • 연구의 방법

  •   대상 공간과 환기 시스템 개요

  •   해석 조건

  • 해석 결과

  •   실내 기류 및 공기전파감염원 농도 분포

  • 논 의

  • 결 론

서 론

연구의 목적

COVID-19는 에어로졸에 의한 공기전파와 비말전파가 동시에 발생한다. 따라서, 재실자의 마스크 착용은 호흡으로부터 배출되는 바이러스를 포함한 작은 입자들을 걸러주어 감염확산을 감소시키며, 실내의 환기량 증가는 이미 배출된 감염원을 빠르게 제거하여 감염확산을 막는 효과적인 방법이된다(Ueki et al., 2020; CDC, 2021; Park et al., 2021).

소규모 식당은 주로 좁은 공간에서 마스크를 벗고 식사를 하는 환경으로 다른 공간에 비해 공기전파감염의 위험이 높다고 볼 수 있다. 따라서 실내에서 마스크를 벗게 되는 이러한 상황에서는 적절한 환기 방식을 적용하는 것이 공기전파감염 확산을 막는 효과적인 방법이 될 수 있다.

국내의 소규모 식당의 경우 환기장치가 설치되어 있지 않거나, 환기장치가 설치되어 있다고 하더라도 가동을 하지 않는 경우도 빈번하다. 또한, 공기전파감염 방지를 위한 환기장치의 설치와 운영에 대한 가이드라인이 명확하지 않은 상황이다.

본 연구에서는 소규모 식당에 흔히 적용되어 있는 상향식 배기시스템과 천정배기의 적용에 따라서 공기전파감염원이 확산되는 양상을 전산유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics) 해석 프로그램인 Star-CCM+로 분석하였다. 이를 통해 소규모 식당 내에서 공기전파감염원 확산방지 측면에서 효과적인 환기장치의 적용형태는 어떠한지 분석하고, 향후 판데믹 상황이 재발할 때 감염확산 방지를 위해 활용할 수 있는 기초자료를 제공하는 것을 목표로한다.

연구의 목표 및 범위

본 연구에서는 소규모 식당 규모의 공간에 적용되는 환기 시스템의 형태에 따른 공기전파감염원의 확산양상에 대하여 분석한다. CFD (Computational Fluid Dynamics) 프로그램인 STAR-CCM+ 프로그램을 이용하여 소규모 식당에 일반적으로 적용되는 국부환기장치(LEV system, Local Exhaust Ventilation system)인 상향식 배기시스템과 일반적인 천정 배기의 효과적인 적용형태에 대하여 검토하고자 하였다.

연구의 방법

대상 공간과 환기 시스템 개요

본 연구에서는 식당으로 사용되는 가상의 공간을 임의 설정하여 해석을 진행하였다. 대상 공간의 크기는 5 m (w) × 5 m (d) × 2.6 m (h) 으로 설정하였다. 실내 재실자는 해석의 용이성을 위하여 2인으로 단순화하였다.

CFD 해석에 고려되는 환기 시스템의 형태는 식당에 일반적으로 적용된다고 판단되는 3종환기의 형태로 설정하였으며, 배기구의 형태를 중심으로 총 네 가지 형태가 고려되었다. 이 때, 급기는 창문을 통해 이루어지는 형태를 반영하였다. CFD 해석에서 고려된 환기 방식은 아래와 같다.

① Base model: 창문과 상향식 배기구를 통해 자연환기

② Case 1: 창문 급기와 상향식 배기 시스템을 통한 3종 기계환기

③ Case 2: 창문 급기와 후드가 적용된 상향식 배기 시스템을 통한 3종 기계환기

④ Case 3: 창문 급기와 천정에 설치된 배기 시스템을 이용한 3종 기계환기

Base Model은 창문과 배기구를 개방하여 자연환기 되도록 방치한 조건이며, Case 1~3은 배기용 팬을 가동한 조건에서 배기구의 형태와 위치를 변경한 조건이다.

해석 조건

본 연구에서는 STAR-CCM+를 이용하여 소규모 식당 내부의 기류 패턴과 공기전파감염원의 확산양상을 해석하였다. 실내 공기의 유동과 공기전파감염원의 확산은 정상상태로 해석하였다. 또한, 공기의 온도차에 의한 부력 효과를 고려하기 위하여 실내 공기는 비압축성 이상기체로 설정하고 중력을 고려하여 해석하였으며, 난류 모델로는 Realizable K-Epsilon을 이용하였다. 감염자로부터 배출되는 공기전파감염원은 Passive scalar를 이용하여 모사하였다. 이는 공기전파감염원이 비말과 같이 큰 입자가 아닌, 에어로졸의 형태로 공기의 흐름에 따라 유동한다는 것을 가정한 것이다. 공기전파감염원은 감염자(infector)의 호흡기를 통해 1의 농도로 배출되도록 하였다. 감염자로부터 배출되는 호흡량은 0.625 ㎥/h 로 설정하였으며 310 K의 온도로 설정하였다. 실내 인체모델의 표면온도 역시 310 K로 하였으며, 이외의 실내외 벽체 표면과 급기 온도는 300 K로 설정하였다.

개별 배기구를 통한 배기량은 400 CMH의 풍량으로 설정하였으며, 이는 실체적을 고려하였을 때 약 6.2 ACH의 환기량 조건이다. 해석 모델의 급기구는 CFD 해석의 편이성과 수렴의 용이성을 위해 외부 공간면에 설정된 Stagnation inlet으로 설정하였다. 배기구는 Pressure out으로 설정하였으며 면적은 0.2 m x 0.2 m 이다. 각 케이스별 배기구의 면적은 동일하게 설정하였으며, 배경 압력은 0 Pa(대기압 조건)으로, 배기구의 압력은 3종환기의 경우 -4.623 Pa로 설정하였다. Figure 1은 Star-CCM+ 모델을 통해 구성한 각 케이스별 해석모델과 공기전파감염원 농도 분석을 위한 측정점을 표현한 것이다. Figure 2는 각 해석 모델의 수직 이미지와 경계 조건을 보여주고 있다. 전체 모델의 급기는 외부의 Stagnation inlet으로 Total pressure를 0으로 설정하였다. Base model은 상향식 배기구 상단에 0 Pa 조건의 압력을 설정하고 Case 1은 상향식 배기구에 400 CMH에 해당하는 동압 –4.623 Pa를 설정하여 배기팬 가동 시 발생하는 압력변화를 반영하였다. Case 2는 Case 1과 동일한 경계조건이지만, 배기구 하단에 주변의 공기를 모을 수 있는 소형의 후드를 적용한 것이다. Case 3의 경우 천장에 배기구를 설정한 것이다. Case 2와 Case 3 역시 배기구의 압력은 –4.623 Pa로 설정하였다.

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Figure 1.

Geometric features of the target room

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Figure 2.

Boundary conditions of simulation models

CFD 해석 시 요구되는 Grid independence에 관한 기존 연구에 따르면 실내 기류분석을 위한 CFD 시뮬레이션 모델의 적정 해상도는 24 이상으로(Lee et al., 2020) 본 연구에서는 최소 단변의 길이를 고려하여 해상도를 26으로 설정하였다. Table 1은 해석에 사용된 각 모델의 Volume mesh 개수를 제시하고 있다. Base model과 Case 1의 모델은 동일하며, 배기구의 압력 조건만 상이하게 설정 된 것이다.

Table 1.

Number of volume mesh of each simulation model

Model Base model Case 1 Case 2 Case 3
No. of
cells
5,250,445 5,500,790 4,449,408

해석 결과

실내 기류 및 공기전파감염원 농도 분포

Figure 3은 외기와 연결된 창 부위의 기류 패턴을 도시하고 있다. 본 해석은 급기와 배기 모두 압력조건으로 설정되어 있어 경계부 및 인근의 압력 조건에 의해 공기의 유출입이 결정되게 된다. 시뮬레이션 경계조건으로 급기 및 배기의 back flow의 공기온도, 실내외 벽체의 온도는 모두 300 K로 설정되어 기류 유동에는 중력과 부력만이 작동하게 된다. 따라서 Figure 3에서 보여주는 것과 같이 결과적으로 실외부에서는 중력에 의해 하강하는 기류가 발생한다. 반면 실 내에서는 배기구의 압력 조건이 배기구의 기류 유동을 결정하는 양상을 보이는데, 배기팬을 가동한 Case 1 조건에서는 배기구의 음압으로 실내 기류가 실외로 유출되는 양상을 보이며, 배기팬을 가동하지 않은 Base model에서는 중력에 의해 실내로 기류가 유입되는 양상을 보인다. 이에 따라 창문 주위의 기류 유출입 패턴이 달라짐을 확인할 수 있다.

Figure 4는 재실자가 위치한 곳의 수직 기류분포를 보여주고 있다. Base model의 경우 중력의 영향으로 수직 배기구를 통해 외기가 유입되고 있는 양상을 보이고 있으며, Case 1~3은 배기팬의 영향을 고려한 배기구의 음압조건으로 인해 배기구를 통해 실외로 기류가 유출되고 있는 형태를 보인다. Figure 5Figure 6은 실내 공기전파감염원의 농도 분포를 보여주고 있다. Figure 5는 공기전파감염원 농도의 수직적 분포를 보여주고 있다. Base model에서는 배기구를 통해 신선외기가 유입되는 것을 확인할 수 있다. 모든 케이스에서 감염자로부터 배출되는 공기전파 감염원은 부력에 의해 실 상단으로 상승하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 상향식 배기구로 공기전파 감염원이 직접 배출되는 효과는 크지 않으며 대부분의 공기전파감염원은 천정 쪽으로 확산하고 있다. 이러한 현상은 Case 1과 Case 2에서 보다 더 뚜렷하게 확인된다. Case 2에서 적용한 후드 역시 실제 공기전파감염원을 배출하는데 효과적이지 않은 것으로 나타났다. 이는 배기구가 재실자로부터 수평적으로 이격되어 있기 때문에 부력의 영향을 받는 공기전파감염원을 적절히 배출시키기 어려웠기 때문으로 판단된다.

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Figure 3.

Vertical indoor airflow patterns around opened window

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Figure 4.

Indoor airflow patterns around occupants

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Figure 5.

Airborne pathogen concentration pattern (Vertical section)

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Figure 6.

Airborne pathogen concentration pattern (Horizontal section, H=1.0 m)

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Figure 7.

Airborne pathogen concentrations at monitoring points

Figure 6은 바닥면으로부터 1 m 높이에서의 공기전피감염원 농도를 도시한다. 이에 따르면, 오히려 천정에 가깝게 배기구를 설치한 Case 3이 해당 평면에서의 공기전파감염원 농도가 가장 낮은 것으로 나타났다. 이는 공기전파감염원의 발생원으로부터 가까운 곳에 설치된 배기구(Case 1, Case 2)가 공기전파감염원이 확산되기 전에 외부로 배출시키는 기능을 충분히 수행하지 못한 반면 Case 3의에 적용된 천정면 상의 배기구는 실 상단에서 공기전파감염원을 배출 시킬 수 있었기 때문에 Case 1과 Case 2에 비해 효과적인 것으로 판단된다. 이는 일반적으로 감염원의 배출위치에 인접하게 배기구를 설치하는 것이 Source control 관점에서 바람직하나, 이를 적용할 때, 부력에 의한 감염원의 확산양상을 고려할 필요가 있다는 것을 함의하고 있다고 판단된다. 참고로 Base model에서는 배기 측에서 실내로 기류가 유입되기 때문에, 창문을 통해서 실내의 공기전파감염원이 외부공간으로 확산되고 있는 양상을 확인할 수 있다.

Figure 7Figure 6과 동일 평면 상에 위치한 모니터링 포인트에서의 공기전파감염원 농도를 그래프로 도시한 것이다. X축이 0에 가까운 곳이 감염원이 배출되는 영역이다. Base model은 재실자 인접부위에 급기가 되는 조건으로 이 근처의 공기전파 감염원 농도가 낮은 반면 재실자와 거리가 먼 쪽에서의 농도가 높게 나타났다. Case 1, Case 2는 급기가 되는 창문 인근(X=2.5)의 농도가 낮은 패턴을 보인다. 반면 Case 3은 전체적으로 유사한 농도 분포를 보인다. 각 케이스별 수평면의 공기전파감염원 평균 농도는 Base model이 0.00343, Case 1은 0.00206, Case 2와 Case 3은 각각 0.0236, 0.00128로 나타났다. 여기에서도 천정면에 배기구를 설치한 Case 3에서 공기전파감염원의 제거효과가 가장 좋은 것으로 확인되었다. 한편 Case 2의 경우 Case 1보다 평면상의 공기전파감염원의 농도가 높게 나타났는데, 이는 배기구에 설치된 후드가 배기구의 위치보다 높은 곳에서 높은 농도를 보이는 공기전파감염원의 배출에 장애물이 되었기 때문으로 추정한다.

논 의

본 연구에서 수행한 해석결과를 바탕으로 할 때, 공기전파감염원은 실내에서 부력에 의해 상승한 뒤 주변 영역으로 확산되는 패턴을 보이는 것으로 확인되었다. 따라서, 상향식 배기시스템을 통해 공기전파감염원을 배출하고자 할 때에는 이러한 공기전파감염원의 이동 패턴을 염두에 두어야 할 것으로 판단된다. 해석 결과에 따르면, 테이블 중앙에 놓인 상향식 배기구는 실 천장에 설치된 배기구에 비해 재실자로부터 배출되는 공기전파감염원을 배출시키는데 비효율 적인 것으로 나타났다. 이러한 현상은 Figure 5Figure 6에서 나타난 평면 상의 공기전파감염원 농도 분포에서도 확인할 수 있는데, Case 3에서 평면상의 공기전파감염원 농도가 가장 낮게 나타난 결과가 이를 의미한다.

한편, 이러한 결과는 실내에서 부력에 의한 공기전파감염원의 상승효과를 적절히 고려하여 배기구의 위치를 선정하는 것이 중요하다는 것을 의미한다. 일반적으로 상향식 배기 시스템의 배기구는 감염자로부터 어느 정도 수평적 거리가 있는 방식으로 설치된다고 판단되기 때문에 공기전파감염원이 부력에 의해 위로 상승하는 것을 고려하여 시스템을 적용할 필요가 있다고 판단된다.

현재 상향식 배기 시스템은 400 CMH 풍량 조건으로 설정되었기 때문에, 비교적 일반적으로 사용되는 시스템의 조건으로 판단된다. 따라서 이와 유사한 용량의 상향식 배기 시스템을 설치한 식당에서 이 시스템을 이용해 공기전파감염원에 대응하기 위해서는 풍량을 증가시키거나 또는 배기구의 위치를 천정면에 가깝게 조정하여 사용하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다. 만약 불고기와 같이 연기가 나는 음식을 실내에서 조리하는 경우에는 상향식 배기 시스템을 공기전파감염원 배출용으로 사용하기 어렵기 때문에 실 전체를 환기할 수 있는 환기 시스템을 별도로 적용할 필요가 있을 것으로 판단되며, 이 역시 부력에 의한 공기전파감염원의 상승을 고려하여 설치하여야 할 것이다.

한편, Base model의 경우 상향식 배기 시스템 개구부가 완전 개방되어 이를 통해 실내로 상당량의 외기가 유입되고 있는 조건이기 때문에, 환기장치를 아예 설치하지 않은 실내 조건, 또는 배기구의 댐퍼가 닫혀 있어 공기전파감염원의 관리가 전혀 되지 않는 상황과는 상이하다는 것을 참고로 언급해 둔다.

결 론

본 연구에서는 소규모 식당에서 일반적으로 적용하고 있다고 판단되는 배기 시스템의 유형과 이에 따른 공기전파감염원 확산 양상을 상향식 배기 시스템과 천정 배기 방식을 중심으로 검토하였다. 주요한 결론은 다음과 같다.

(1)테이블 중앙, 호흡기 상단에 설치된 400 CMH 용량의 상향식 배기 시스템은 공기전파감염원의 확산을 적절히 제어하기 어려운 것으로 나타났다. 이는 호흡기로부터 배출된 공기전파감염원은 부력에 의해 실 상단으로 상승하는데 반해 배기 시스템은 이러한 확산경로로부터 수평적으로 떨어져 있기 때문으로 판단된다.

(2)실 상부에 설치된 배기구는 테이블 중앙, 호흡기 상단에 설치된 상향식 배기 시스템에 비해 양호한 공기전파감염원 제거 효과를 보였다. 이는 부력에 의해 천장으로 상승한 공기전파감염원은 천정을 따라 수평적으로 확산되는데, 이에 따라 천정면에 설치된 배기구는 공기전파감염원이 다른 영역으로 확산되기 전에 제거 하는데 효과적이었기 때문으로 판단된다.

(3)본 연구결과를 바탕으로 판단할 때, 소규모 식당의 경우 일반적인 방식으로 상향식 배기 시스템을 적용하는 경우에도(Case 1) 환기 시스템을 아예 적용하지 않은 경우나, 부력에 의한 자연환기를 하는 조건(Base model)에 비해 , 실내 공기전파감염원의 농도감소 효과를 기대할 수 있다고 판단된다. 그럼에도 인체로부터 발생하는 열, 또는 조리시 발생하는 열에 의해 실내 공기의 부력이 강해지고, 실내의 대류가 촉진될 경우, 실내 공기전파감염원의 확산을 적절히 제어하는 것에는 다소간의 효율감소가 있다고 판단된다. 따라서 이러한 경우 실 상단에서 공기전파감염원을 배출할 수 있는 환기 시스템을 추가적으로 적용하거나, 상향식 배기 시스템의 풍량 및 위치 조절을 고려할 필요가 있다고 판단된다.

Acknowledgements

이 논문은 2022년도 경상국립대학교 교내 연구비 지원을 받아 수행되었습니다.

References

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Lee, M.-H., Kim, C.-M., Park, G.-Y., Choi, C.-H., Park, C.-Y. (2020). Grid Independence Test of Computational Fluid Dynamics Model for Indoor Airflow Analysis. Journal of KIAEBS, 14(2), 183-194. 10.1155/2020/8827936
2
Park, S.H., Park, S.W., Song, D.S. (2021). Effect of Installation of Ventilation Systems and air Cleaning Units in Daycare Center on Particulate Matter Reduction Using Simulation. Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, 33(7), 359-368. 10.6110/KJACR.2021.33.7.359
3
Ueki, H., Furusawa, Y., Iwatsuki-Horimoto, K., Imai, M., Kabata, H., Nishimura, H., Kawaoka, Y. (2020). Effectiveness of Face Masks in Preventing Airborne Transmission of SARS-CoV-2. mSphere, 5(5), e00637-20. DOI: 10.1128/mSphere.00637-20. PMID: 33087517; PMCID: PMC7580955. 10.1128/mSphere.00637-2033087517PMC7580955
4
Center for Disease Control and Prevention (CDC) Homepage. (2021). Available at: https://korean.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/prevent-getting-sick/prevention.html (Accessed July 12, 2021).
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