서 론
중증급성호흡기증후군(SARS, Severe Acute Respiratory Syndrome)의 감염자 수는 총 8,096명(사망자 774명)이며, 중동 호흡기 증후군(MERS, Middle East Respiratory Syndrome)의 감염자 수는 총 2,494명(사망자 858명)이다. 코로나19는 SARS와 MERS에 비해 많은 사상자를 발생시켰으며, 감염자 수는 2020년 1월 전 세계적 대유행 이후부터 2021년 11월까지 총 2억 4천여 명(사망자 5백만여명)이다(Korea Disease Control and Prevention Agency, 2021a). 질병관리청에서 운영하는 코로나바이러스감염증-19 포털에 제시된 코로나19 정보에 따르면(Korea Disease Control and Prevention Agency, 2021b), 코로나19는 주로 감염자의 호흡기 비말에 의해 전파되나, 호흡기 비말이 장시간 동안 발생되는 밀폐된 공간에서는 공기로 전파된다고 한다. 중앙방역대책본부에서 제시한 ‘｢코로나바이러스감염증-19｣ 예방을 위한 사업장 관리 지침’에 따르면(Central Disease Control Headquarters, 2020), 코로나19 유행 초기에 집단 감염 발생 위험이 높은 집단시설 및 다중이용시설을 ‘집중관리 사업장’으로 명명하여 코로나19의 집단 감염 예방을 실시하였다. 현재는 다중이용시설을 위험도에 따라 총 3개의 그룹으로 분류하여 방역조치를 실시하고 있으며, 1그룹이 위험도가 가장 높은 다중이용시설에 해당한다. PC방은 코로나19 유행 초기에 ‘집중관리 사업장’으로 관리되었으며, 현재는 다중이용시설 중 3그룹에 분류되어 방역조치를 실시하고 있다. 다수의 PC방은 지하에 위치하여 자연환기가 어려운 밀폐된 공간이며, 불특정 다수의 인원을 수용한다. 또한 PC방은 이용자가 장시간 이동 없이 공간에 머무르며, 취식 및 대화와 같은 행동으로 장시간 호흡기 비말을 만드는 환경이 이루어질 수 있다. 이러한 환경이 형성된 공간은 앞서 언급한 바와 같이 코로나19가 공기로 전파될 가능성이 있으며, 실제로 PC방에서 코로나19가 전파된 사례도 있다(Central Disease Control Headquarters, 2021).
정부는 감염확산을 저감시키기 위한 방안으로 다중이용시설로 입장하기 전에 체온 측정을 통해 감염병 의심자의 입장을 제한하고 있다. 이러한 방안을 시행 중임에도 다중이용시설에서의 감염확산은 지속적으로 일어나고 있다. 이처럼 다중이용시설에서 감염병 의심자를 특정하여 감염확산을 방지하는 것은 어려움이 있다. 따라서 체온측정과 같은 방안뿐만 아니라 추가적인 방안을 활용하여 감염확산을 방지할 필요가 있다. 감염확산을 방지하기 위한 방안 중에 자외선살균장치(UVGI, Ultraviolet Germicidal Irradiation)를 활용하는 방안이 있다. UVGI장치는 자외선을 조사함으로써 미생물 핵의 DNA 손상을 유발하여 미생물의 복제 능력을 상실시키는 원리로 감염원의 농도를 저감시킨다(Riley and Nardell, 1989). 그러나 사람이 이용하는 공간에 직접 UV를 장시간 조사할 경우, 인체의 눈과 피부에 악영향을 끼칠 수 있다(Diffey et al., 1992). 따라서 사람이 이용하는 공간에 UVGI를 설치하기 위해서는 재실자의 안전을 위하여 인체에 UV가 직접 노출되지 않도록 실내 상부에 설치하는 UR-UVGI (Upper Room-UVGI)를 활용하여야 한다.
Sung and Kato (2011)은 4인 병실 내 공기감염균을 대상으로 UR-UVGI 살균 성능을 수치해석을 통해 확인하였다. Park (2016)은 음압격리병실 내 UR-UVGI를 도입하여 공기감염균의 저감 효과를 분석하였다. Bang et al. (2018)는 종합병원 진료부 내 UR-UVGI를 적용하여 외기도입률에 따른 살균 효과를 분석하였다. 이와 같이 의료시설 내에 UR-UVGI를 적용하여 감염균의 저감 효과를 분석한 연구는 여러 차례 진행되었지만, 다중이용시설에 UR-UVGI 적용하여 공기감염균의 저감 효과를 분석한 연구는 미비하다.
본 연구의 해석 대상은 장시간 호흡기 비말을 만드는 환경으로 인해 코로나19가 공기로 전파될 가능성이 있는 공간인 PC방으로 선정하였으며, 전산유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 활용하여 분석하였다. 해석 대상 공간에서 감염자 위치에 따른 UR-UVGI의 감염확산 저감 효과를 알아보고자 Case를 감염자 위치별로 분류하였다. 본 연구의 결과는 UR-UVGI가 불특정 다수가 이용하는 다중이용시설에서 코로나19뿐만 아니라 다른 감염원의 확산을 저감시킬 수 있는 방안이 될 것으로 판단된다.
연구방법
해석 대상 현장 조사
본 연구는 코로나19 감염자의 동선 경로로 파악된 PC방을 대상으로 진행하였다. CFD 해석 시, 필요한 정보를 측정 및 조사하기 위하여 현장조사를 실시하였다. 대상 공간은 지하층에 위치하고 있으며 창문이 없는 상태로 자연환기에 어려움이 있는 공간이었다. 바닥면적은 228.38 m², 천장고는 2.8 m이며, 총 좌석 수는 12인용 책상 9개와 9인용 책상 2개로 총 126석이다. 현장 조사 당시 재실자수는 직원 1명, 고객 62명으로 총 63명이었다. 급기구는 6개, 배기구는 2개, EHP는 5개 설치되었고 급·배기구 및 EHP 풍량 및 위치는 Figure 1과 같다. 측정 풍량에 따라 해석 대상 공간의 환기횟수는 1.82회/h이며, 1인당 환기량은 29.2 m3/h이다. 1인당 환기량은 국토교통부령 제882호 ｢건축물의 설비기준 등에 관한 규칙｣ [별표 1의6](Ministry of Land and Transport, 2021)에서 판매시설(인터넷컴퓨터게임시설제공업의 영업시설 포함)의 1인당 필요환기량인 29 m3/h를 만족한다.
CFD 해석 조건
현장 조사를 통해 습득한 자료를 활용하여 Figure 2와 같이 모델링을 진행하였고 본 연구의 CFD 해석 조건은 Table 1과 같으며, 정상상태로 해석을 진행하였다. 컴퓨터 및 모니터는 인체모델이 위치한 책상면(0.819 m×0.693 m)으로 가정하였다. CFD 해석 시, 인체와 컴퓨터 및 모니터의 발열이 기류에 미치는 영향이 크다고 판단하여 발열을 고려한 대류해석을 진행하였다. 인체와 컴퓨터 및 모니터의 발열량은 ASHRAE Handbook (2017)을 참고하여 현열만 고려하였으며, 각 면적으로 나누어 Heat flux로 입력하였다. 급·배기구 및 EHP의 풍속은 측정한 풍량을 토대로 설정하였고 급기구는 수직, EHP는 45° 방향으로 급기되도록 설정하였다. 주출입문은 닫힌 상태로 가정하여 문틈만 ‘ㄷ’ 형태, 10 mm 두께로 모델링하였으며, Pressure outlet으로 설정하였다. Case는 감염자 위치에 따른 UR-UVGI의 감염확산 저감 효과를 알아보고자 Figure 2에 표시된 붉은색 인체모델을 감염자로 가정하여 입에서 감염원이 발생되도록 설정하였다. 인체모델 중 감염자로 가정된 인체모델의 입에만 날숨을 설정하였으며, 풍속은 Martin and John (2021)에서 제시된 말할 때의 호흡량인 0.75 m3/h를 토대로 설정하였다. 해석 공간은 배기량보다 급기량이 912 m3/h 많은 양압인 공간으로 실내 기류는 주출입문으로 배출되는 경향이 나타날 것으로 예상하였다. 예상된 기류에 따라 감염원이 넓게 확산될 것으로 예측되는 좌석 안쪽에 위치한 인체모델을 감염자로 가정하여 Case 1~3으로 선정하였다. 사람의 왕래가 가장 많은 복도 측에 위치한 인체모델을 감염자로 가정하여 Case 4~5, 재실자와 대화 및 접촉이 많을 것으로 예상되는 직원을 감염자로 가정하여 Case 6으로 선정하였다.
Table 1.
CFD boundary conditions
UR-UVGI는 Park (2016)의 연구에 적용된 일본 Shield Science사의 XK15-60로 선정하여 UV 강도분포는 선행연구와 동일하나 강도는 선행연구보다 높게 적용하였으며, UR-UVGI에서 수평거리로 1 m 지점의 UV 강도는 1.13 W/m²이다. 설치 높이는 바닥면으로부터 2.4 m지점이며, 해석 공간의 좌우 벽면에 각각 1개, 상하 벽면에 각각 2개로 총 6개를 설치하는 것으로 가정하였다(Figure 3). 본 해석에서는 감염원을 공기전파가 가능한 직경 5μm 이하인 입자로 가정하였으며, 이에 따라 감염원은 Passive scalar로 설정하였다. 감염원 농도의 실측이 불가함에 따라 감염원을 농도 1로 설정하여 감염원의 농도를 상대적으로 비교하였다. UR-UVGI로 저감된 감염원의 해석은 Park (2016)의 연구에서 제시된 방법과 동일하며, 이때 적용되는 살균계수 k값은 Walker and Ko (2007)에서 제시된 coronavirus의 0.3512 m²/J를 적용하였다.
본 연구에서는 감염원 농도 비교뿐만 아니라 Wells-Riley 모델을 활용한 감염확률을 고려하여 UR-UVGI 설치에 따른 감염확산 저감 효과를 확인하고자 한다. Wells-Riley 모델은 공기전파에 따른 감염확률을 나타내는 수식으로서 식 (1)과 같다.
여기서, PI는 감염확률(%), I는 감염된 사람의 수, q는 감염원 발생량(quanta/h), p는 인체의 호흡량(m3/h), t는 재실시간(h), Q는 환기량(m3/h)이다.
식 (1)에서 Iq/Q는 CFD 해석에서 얻을 수 있는 국부지역의 감염원 농도(quanta/m3)로 치환할 수 있다(Cheong , 2017). Passive scalar의 단위는 kg´/kg으로 공기 1 kg에 대한 감염원 양(kg´)의 비율이며, 농도를 의미한다. 이때, 감염원 양의 kg´는 quanta로 변경하여 Passive scalar 단위를 quanta/kg으로 볼 수 있으며, Passive scalar에 공기밀도(kg/m3)를 곱하여 국부지역의 감염원 농도(quanta/m3)를 산출할 수 있다. 따라서 식 (1)의 Iq/Q는 CFD에서 ‘농도×공기밀도’로 나타낼 수 있다. Passive scalar의 발생량은 Martin and John (2021)에서 제시된 감염원 발생량 72 quanta/m3와 감염자로 가정한 인체모델 날숨의 평균 공기 밀도인 1.14 kg/m3를 통해 63.16 quanta/kg으로 적용하였다.
결 과
온도 및 기류 분포
발열량이 설정된 인체와 컴퓨터 및 모니터로 가정된 책상면의 온도는 실내 온도보다 높게 나타났으며, 이로 인해 인체와 책상면에서 상승기류가 발생하였다. EHP에서 45° 방향으로 급기된 공기는 바닥면까지 도달하여 책상 아래쪽에서 정체되는 경향이 나타났으며, EHP의 급기로 인해 EHP 아래에 위치한 인체와 책상면의 상승기류는 약하게 발생하였다(Figure 4). 온도와 기류 분포를 통해 인체와 책상면의 발열이 기류에 영향을 미치는 것을 확인하였다.
UR-UVGI 설치 전과 후의 감염원 농도 비교
UR-UVGI 설치에 따른 감염확산 저감 효과를 확인하기 위하여 해석 공간의 감염원 농도 분포를 살펴보았다. Figure 5에서 PC가 설치된 영역은 앉은 사람의 호흡기 높이인 1.1 m, 흡연실과 복도 및 카운터의 영역은 서있는 사람의 호흡기 높이인 1.5 m의 농도 분포를 나타낸 것이다. 모든 Case에서 UR-UVGI 설치 후에 농도가 감소한 것을 확인하였다. 이를 정량적으로 분석하기 위하여 해석 대상 공간의 평균 농도를 추출하였다. 본 해석의 대상공간에는 흡연실이 실내에 위치하여 있으며, 흡연 시에 마스크를 미착용한 상태로 있게 되어 감염원에 노출되기 쉽다. 따라서 흡연실의 감염원 농도를 확인하고자 PC방(흡연실 제외)의 평균 농도와 흡연실의 평균 농도를 각각 추출하였다. Figure 6은 UR-UVGI 설치 전과 후의 평균 농도를 나타낸 것으로 평균 농도에 104을 곱하여 나타냈다. UR-UVGI 설치 전, Case 4에서 PC방(흡연실 제외) 8.98×10-4, 흡연실 2.27×10-4로 Case 중 평균 농도가 가장 높게 나타났으며, Case 5에서 PC방(흡연실 제외) 4.25×10-4, 흡연실 1.23×10-4로 Case 중 평균 농도가 가장 낮게 나타났다. 해석 공간은 배기량보다 급기량이 많은 양압인 공간으로 기류가 실내에서 외부로 배출되도록 형성되어 있다. 따라서 주출입문에서 가장 근접한 Case 5의 감염자로부터 발생된 감염원이 주출입문으로 배출되어 감염원 농도가 가장 낮다. UR-UVGI 설치 후, 모든 Case에서 PC방(흡연실 제외)과 흡연실의 평균 농도가 감소하였으며, 모든 Case에서 PC방(흡연실 제외)의 평균 농도 저감률이 70% 이상으로 나타났다. Case 2의 흡연실은 69.9%로 70% 근접하는 평균 농도 저감률이 나타났으며, Case 2를 제외한 나머지 Case의 흡연실은 평균 농도 저감률이 모두 70% 이상으로 나타났다.
UR-UVGI 설치 전과 후의 감염확률 비교
Wells-Riley 모델을 활용하여 예측한 감염확률을 근거로 UR-UVGI 설치에 따른 감염확산 저감 효과를 확인하였다. 본 해석에서 감염확률 산출 시, 식 (1)의 인체 호흡량은 Martin and John (2021)에서 제시된 말할 때의 호흡량인 0.75 m3/h, 재실시간은 코로나바이러스감염증-19 중앙사고수습본부에서 보도한 자료(Central Disaster Management Headquarters, 2021)에 따라 PC방 권고 체류시간인 2시간으로 가정하였다. Figure 7은 Case별 UR-UVGI 설치 전과 후의 감염확률 분포를 나타낸 것으로 모든 Case에서 UR-UVGI 설치 후에 감염확률 분포가 확연히 줄어든 것으로 나타났다. 또한 모든 Case에서 감염확률의 분포가 다른 것을 확인할 수 있었다. 이는 식 (1)을 통해 감염확률을 도출하였기에 실내 감염원 농도에 따라 감염확률이 달라지기 때문이다.
감염확률을 정량적으로 분석하기 위하여 PC방(흡연실 제외) 및 흡연실의 평균 감염확률을 추출하였다. Figure 8은 Case별 UR-UVGI 설치 전과 후, PC방(흡연실 제외)의 평균 감염확률을 나타낸 것이다. UR-UVGI 설치 전에 Case 4에서 9.40%로 가장 높은 평균 감염확률이 나타났으며, Case 5에서 4.54%로 가장 낮은 평균 감염확률이 나타났다. 모든 Case에서 UR-UVGI 설치 후에 평균 감염확률이 감소하였으며, UR-UVGI 설치 전과 대비하여 70% 이상의 저감률이 나타났다. 흡연실의 평균 감염확률의 경우에는 재실시간을 PC방(흡연실 제외)보다 짧은 3분으로 가정하였다. 그 결과, UR-UVGI 설치 전에 가장 높게 추출된 평균 감염확률은 0.22%로 Case 4에서 나타났다. 본 연구에서는 흡연실 내에 감염자가 없는 것으로 Case를 구성하였다. 따라서 흡연실 내에 감염자가 위치하지 않아 감염원의 농도가 낮고 재실시간도 3분으로 짧아 평균 감염확률이 낮게 나타났다. 그러나 흡연실에 감염자가 있다고 가정하고 본 연구에서 참고한 감염원 발생량 72 quanta/m3에 비감염자가 직접적으로 노출된다면, 재실시간이 3분으로 짧아도 93.3%의 높은 감염확률이 나타난다. 따라서 흡연실 사용에 있어 감염확산 저감을 위한 추가적인 관리가 필요할 것으로 판단된다.
Figure 9는 UR-UVGI 설치 전에 PC방(흡연실 제외)의 평균 감염확률이 가장 높았던 Case 4를 대상으로 1시간에서 24시간까지 1시간 간격으로 재실시간별 PC방(흡연실 제외)의 평균 감염확률을 나타낸 것이다. UR-UVGI 설치 후에 재실시간이 24시간일 때, 평균 감염확률은 23.8%로 UR-UVGI 설치 전에 재실시간이 6시간인 경우(25.5%) 보다 1.7% 낮았다. 따라서 특정 평균 감염확률에 도달할 때까지 재실시간은 UR-UVGI 설치한 경우가 UR-UVGI 미설치인 경우보다 더 길어질 수 있는 것으로 나타났다.
결 론
본 연구에서는 다중이용시설 중 PC방을 대상으로 UR-UVGI를 설치하였을 때, 코로나19 확산 저감 효과를 검토하였다. 감염자 위치별로 UR-UVGI의 감염확산 저감 효과를 알아보기 위하여 총 6가지 Case를 선정하였다. 감염확산 저감 효과는 대상공간의 평균 농도와 Wells- Riley 모델을 활용한 감염확률을 근거로 확인하였다.
CFD 해석 결과, UR-UVGI 설치 후에 PC방(흡연실 제외) 및 흡연실의 감염원 평균농도 저감률이 Case 2-흡연실을 제외한 모든 Case에서 70% 이상의 저감률이 나타났으며, Case 2-흡연실은 69.9%로 70%에 근접한 저감률이 나타났다. 또한, UR-UVGI 설치 후에 PC방(흡연실 제외) 평균 감염확률은 모두 70% 이상의 저감률이 나타났다. 따라서 UR-UVGI 설치 시, 감염확산 저감에 효과가 있는 것으로 나타났다.
흡연실의 경우에 6가지 Case 중 가장 높게 나타난 평균 감염확률이 0.22%로 나타났다. 이는 감염자가 흡연실에 위치하지 않아 감염원 농도가 낮고 재실시간도 짧기 때문이다. 그러나 감염자가 흡연실에 있다고 가정한다면 재실시간이 3분으로 짧아도 93.3%의 높은 감염확률이 나타났다. 따라서 흡연실 사용에 있어 감염확산 저감을 위한 관리방안이 필요할 것으로 판단된다.
평균 감염확률이 가장 높았던 Case 4를 대상으로 재실시간별 PC방(흡연실 제외)의 평균 감염확률은 UR-UVGI 설치한 경우에 재실시간이 24시간이면, 23.8%로 나타났다. 이는 UR-UVGI 미설치인 경우에 재실시간이 6시간인 경우보다 1.7% 낮다. 따라서 UR-UVGI를 설치한다면, 특정 평균 감염확률에 도달하는 데에 걸리는 재실시간이 더 길어질 수 있다.
CFD 해석결과에 따르면, UR-UVGI를 설치할 경우 감염확산 저감에 효과가 있는 것으로 나타났다. 그러나 본 연구에서는 PC방만을 대상으로 하였으므로 실의 용도, 실내 기류, 재실자 수, 환기량, 급·배기구 위치, 실내 온도 등이 상이한 모든 다중이용시설에 일반화하긴 어려울 것으로 사료된다. 또한 본 연구의 해석공간은 환기횟수 및 1인당 환기량을 고려하면 대부분의 다중이용시설보다 환기가 잘 이루어지는 공간으로 판단된다. 따라서 환기가 잘 이루어지지 않아 실내 감염원의 농도가 높은 공간인 경우에는 UR-UVGI의 감염확산 저감 효과가 높아질 것으로 판단된다.
향후 연구에서는 다중이용시설에 해당되는 다양한 시설을 대상으로 UR-UVGI 적용에 관해 연구를 진행할 필요가 있다. 또한, 향후 연구 결과를 통해 다중이용시설의 용도 및 면적에 따른 최적의 UR-UVGI 설치 위치 및 개수를 제시할 필요가 있다고 사료된다.
