서 론
연구방법
수치해석 모델
수치해석 방법
수치해석 경계조건
수치해석 시나리오 및 평가 영역 설정
수치해석 모델 검증
결과 및 토의
에어커튼에 의한 실내 기류 분포
실내 평균 에어로졸 농도
감염자 호흡 영역 내 에어로졸 농도
비감염자 호흡 영역 내 에어로졸 농도
결 론
서 론
호흡기 바이러스는 기침, 말하기, 그리고 호흡 과정에서 생성되는 비말(droplet)과 에어로졸(aerosol)을 통해 전파된다. 일반적인 호흡 및 대화 중 생성되는 비말의 약 80–90%는 지름 1 μm 미만의 에어로졸 형태로 공기 중에 장시간 부유하며 이동할 수 있다(Morawska et al., 2009). 이러한 에어로졸의 발생량과 바이러스 함유량은 큰 비말보다 유의하게 높은 수준으로 보고된다(Zayas et al., 2012; Fennelly, 2020; Yan et al., 2018). 사람의 발성 과정에서 방출되는 에어로졸의 양은 단순 호흡보다 최대 10배 이상 많으며, 음성 강도가 증가할수록 입자 방출 수가 증가하는 것으로 나타났다(Asadi et al., 2019). 이는 말하기나 대화와 같은 일상적인 활동이 에어로졸을 통한 바이러스 전파 가능성을 증가시키는 요인임을 시사한다.
실내로 방출된 에어로졸은 공기 중에 장시간 잔류하거나 축적되며, 환기가 불충분할 경우 실내 기류를 따라 장거리로 이동한다(Morawska and Cao, 2020). 이 현상은 에어로졸이 감염 위험을 증가시키는 주요 요인으로 작용하며, 공기 중 감염 사례를 설명하는 근거로 제시된다. 또한 COVID-19 환자의 약 40–45%가 무증상 또는 잠복기 감염자로 보고됨에 따라(Oran and Topol, 2020), 호흡기 질환 증상이 발현되지 않은 상태에서도 호흡이나 대화를 통해 생성된 에어로졸을 통한 감염 가능성이 확인되었다(Anderson et al., 2020; Morawska and Cao, 2020; Vouriot et al., 2021). 이에 따라 실내 공간에서의 에어로졸 관리는 감염 확산 억제를 위한 필수적인 요소로 평가된다.
COVID-19 이후, 실내 환경에서는 호흡기 감염 예방을 위한 저비용 감염 전파 완화 방안으로 물리적 비말 차단막(테이블 칸막이, 파티션)이 도입되었으며, 감염 위험 저감 효과가 보고되었다(Mirzaie et al., 2021; Ren et al., 2021). 그러나 파티션 구조는 감염원이 위치한 국소 영역의 기류와 환기 조건에 따라 에어로졸이 표면에 축적되거나 호흡 영역 내에서 정체될 가능성이 존재한다. 따라서 정기적인 위생 관리와 환기량 및 기류 방향 등 설계 조건의 적절한 고려가 필요하다.
최근 이러한 한계를 보완하기 위해 에어커튼(Air-curtain) 기반 일체형 테이블 시스템이 제안되었다(Feng et al., 2024). 에어커튼 테이블은 추가적인 덕트 설계 없이 설치와 이동이 용이하여 다양한 실내 환경에 유연하게 적용할 수 있는 장점을 가진다. 또한 에어커튼 테이블에서 형성되는 상승 기류는 공기 장벽을 형성하여 감염원으로부터 방출되는 에어로졸 및 비말의 확산을 억제하고 호흡 영역의 환기 성능을 개선하는 효과를 제공한다. Feng et al.은 대면 회의 환경에서 에어커튼 테이블의 설계 변수와 머리 움직임이 근거리 노출 위험 저감에 미치는 영향을 분석하였다. 그러나 다인 좌석의 실내 환경에서 파티션(Partition wall)과 에어커튼 테이블 적용에 따른 에어로졸 저감 효과를 정량적으로 비교한 연구는 제한적으로 보고되고 있다. 따라서 실내 환경에서 에어커튼 테이블을 활용한 에어로졸 저감 성능을 수치적으로 분석하고 효과를 검토할 필요가 있다.
본 연구에서는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)을 활용하여 실험적으로 분석하기 어려운 실내 에어로졸의 공간 분포와 농도 변화를 해석하였다. 또한 Partition wall과 Air-curtain 적용 조건에 따른 에어로졸 저감 효과를 정량적으로 평가하여 실내 감염 확산 억제를 위한 적용 가능성을 검토하였다.
연구방법
수치해석 모델
수치해석 모델의 실내 공간은 세부 구조와 배치의 영향을 최소화하기 위해 단순 형상으로 설정하였으며, 크기는 3 m × 3 m × 2.5 m (width × length × height)로 구성하였다. Figure 1은 동일한 실내 환경 조건에서 감염자 1명과 비감염자 3명을 배치한 수치해석 모델의 구성을 나타낸다. (a)는 Partition wall, (b)는 Air-curtain이 적용된 조건이다. (c)는 에어커튼 테이블의 상세 모델을 나타낸다. (a)와 (b) 모델은 테이블 구성을 제외한 모든 형상 및 경계 조건을 동일하게 적용하였다. 에어커튼 테이블은 상부 급기구(inlet)와 후면 배기구(outlet)로 구성되었으며, 에어커튼의 급기구로 공급된 유량은 후면 배기구를 통해 동일하게 배출되는 조건으로 설정하였다. 에어커튼 테이블의 배기구에는 에어로졸 제거 필터가 장착되어 있으며, SF6 추적가스는 공기 중 부유입자와 동일한 유동 특성으로 모델링하여 필터 통과 시 제거되는 오염물질로 간주하였다. 이와 같은 구성은 에어커튼이 감염원으로부터 전방으로 확산되는 에어로졸을 차단함과 동시에 실내 환기 효율 향상으로 에어로졸 제거를 병행하는 공기정화 기능을 수행함을 의미한다.
수치해석 방법
수치해석은 STAR-CCM+ (version 2506)을 활용하여 CFD 기반으로 수행하였다. 해석은 정상상태 조건에서 진행하였으며, 난류 모델은 실내 기류장에서 발생하는 유동을 안정적으로 예측하기 위해 Realizable k–ε 모델을 적용하였다. 본 모델은 standard k–ε 모델의 한계를 보완하고 realizability 조건을 만족하도록 개선된 난류 점성 모델로 다양한 벤치마크 유동 시험에서 보다 우수한 예측 성능이 보고되었다(Shih et al., 1995; Zhang et al., 2007). 그러나 Realizable k–ε 모델은 개별 에어로졸 입자의 관성, 침강, 충돌 과 같은 입자의 거동을 직접적으로 모사하는데 한계가 존재한다. 본 연구에서는 실내 기류 패턴 변화에 따른 상대적 농도 분포 및 저감 효과 평가를 목적으로 에어로졸을 SF6 기반 Eulerian tracer-gas로 모델링하여 농도 수송 특성에 중점을 두고 해석을 수행하였다. 수치 이산화는 대류항의 수치 확산을 최소화하기 위해 Second-order upwind scheme을 적용하였으며, 압력–속도 연성에는 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다. Table 1은 수치해석 방법의 상세 정보를 나타낸다.
Table 1.
Numerical methods used for the simulation
격자 독립성 검증은 약 500,000개(Coarse), 1,870,000개(Selected), 2,000,000개(Fine)조건을 대상으로 수행하였다. 검증은 입으로부터 수평 방향으로 0–0.3 m 구간의 풍속 프로파일을 기준으로 수행하였다. 격자 검증 결과, Coarse와 Fine의 RMSE는 0.37 m/s, Selected와 Fine의 RMSE는 0.09 m/s로 나타났다. 이에 따라 계산 효율성과 정확도를 고려하여 Selected 격자 조건을 해석 모델로 선정하였다.
수치해석 경계조건
수치해석 모델의 에어로졸 거동은 비활성 기체(SF6)의 농도장을 이용한 추적 가스 기반 오일러리안(Eulerian) 모델로 구현하였다. 이는 직경 3.5 μm 이상의 미세입자의 관성 효과가 작아 기류를 따라 이동한다는 선행 연구에 기반한다(Zhang et al., 2009; Bivolarova et al., 2017; Ai and Melikov, 2018; Pei et al., 2021). 해석 영역 내 연속체는 Air와 SF6의 혼합 가스로 모델링하였다. 인체 표면은 휴식 상태의 대류 열유속(23 W/m2)을 기준으로 발열 조건을 설정하였으며, 복사에 의한 열전달은 고려하지 않았다. 감염자의 호기는 들숨과 날숨 주기를 고려하지 않은 일정 유량으로 설정하였다(Ai and Melikov, 2018). 호기 온도는 34℃로 적용하였으며(ASHRAE, 2021), 호기 속도는 말하기 상태를 기준으로 4 m/s로 설정하였다(Chao et al., 2009; Kwon et al., 2012). 수치해석 모델의 경계 조건은 Table 2에 정리하였다.
Table 2.
Boundary conditions for the simulation
에어커튼 테이블의 급기구는 가로 20개, 세로 14개의 직사각형 단면(0.002 × 0.065 m)으로 구성되어 있으며, 각 급기구의 기류 속도는 공급 유량 조건(Low, Mid, High)에 따라 급기구의 양단과 중앙에서 각각 30초간 연속으로 측정하였다. 기류 속도는 열선 풍속계를 이용하여 측정하였으며, 이는 수치해석 모델의 에어커튼 급기구 경계 조건으로 활용되었다. 열선 풍속계의 사양은 Table 3에 나타냈다. 에어커튼의 Reynolds number는 Low–High 조건에서 각각 약 1,180, 2,750, 6,070으로 나타나 모든 조건에서 Re > 1,000인 난류 특성을 나타냈다.
Table 3.
Specifications of the hot-wire anemometer used in the experiment
| Items | Specification |
| Model | Climomaster (Model 6501, Kanomax, Japan) |
| Probe type | 6551-2G (Hot wire probe, Mini-spherical type) |
| Air velocity | 0.01–50.0 m/s |
| Accuracy | ± 2% of reading or ± 0.015 m/s |
수치해석 시나리오 및 평가 영역 설정
수치해석 시나리오는 Partition wall 과 Air-curtain의 공급 유량(Low, Mid, High)에 따라 총 4가지 조건으로 설정하였다. 또한 에어로졸 차단 및 저감 효과를 비교하기 위한 기준 조건으로 Case 0을 설정하였다(Table 4). Case 0은 에어로졸 차단막이 설치되지 않은 개방형 조건(Without partition)이다. Case 1은 테이블에 칸막이(Partition wall)를 적용하여, 에어로졸의 확산을 직접적으로 차단하는 물리적 구성을 반영하였다. Case 2–4는 에어커튼 테이블(Air-curtain)을 적용한 조건으로 단계별 공급 유량에 따른 에어로졸 저감 효과를 평가하였다. 각 시나리오의 에어로졸 농도 분석은 실내 전체 영역과 감염자 및 비감염자의 호흡영역에서 수행하였으며, 호흡영역의 위치와 정보는 Figure 2에 나타냈다(Kuga et al., 2022).
Table 4.
Simulation cases according to the table configuration and air-curtain operating conditions
| Case | Configuration | Air-curtain operating condition |
| 0 | Without partition | - |
| 1 | Partition wall | - |
| 2 | Air-curtain | Low (100 m3/h) |
| 3 | Air-curtain | Mid (164 m3/h) |
| 4 | Air-curtain | High (346 m3/h) |
수치해석 모델 검증
수치해석 모델의 신뢰성은 에어커튼 테이블 급기구 중심을 기준으로 수직 방향()의 0.1, 0.2, 0.3 m 높이에서 유속을 측정하여 평가하였다. Figure 3은 수치해석 모델 검증을 위한 풍속 측정 위치를 나타낸다. 수치해석 결과와 실험값의 결정계수(R2)는 0.91로 높은 일치도를 나타냈으며, 평균상대오차(MRE)는 0.8%로 5% 이내의 오차 수준을 보였다. 이는 수치해석 모델이 실제 기류 분포를 신뢰성 있게 반영하고 있음을 의미한다. Figure 4는 CFD 해석 결과와 실험 결과의 차이를 보여준다.
결과 및 토의
에어커튼에 의한 실내 기류 분포
Figure 5는 Air-curtain의 공급 유량 변화에 따른 실내 기류 분포를 나타낸다. 에어커튼 작동 시 상승 기류가 형성되며, 공급 유량은 Low, Mid, High 조건에서 각각 100, 164, 346 m3/h로 설정되었다. 유량 증가에 따라 상승 기류의 강도와 분포가 안정적으로 유지되고 실내 전반으로 확산되는 경향을 보였다. Figure 6의 속도 벡터 결과는 상승 기류에 의해 테이블 하부의 필터 방향으로 순환 흐름이 형성됨을 보여준다. 이 순환 구조는 실내 에어로졸 확산을 억제하고 에어로졸을 필터 방향으로 유도하여 제거하는 역할을 수행한다. 이러한 순환 구조와 상승기류의 형성은 공급 유량에 따라 차이를 보인다. 따라서 Air-curtain의 공급 유량은 실내 에어로졸 확산 억제 성능을 결정하는 중요한 요인임을 시사한다.
실내 평균 에어로졸 농도
에어로졸 농도는 조건 간 비교의 일관성을 확보하기 위해 정규화된 농도(Normalized concentration, )로 산정하였다. 은 SF6 기반 농도장을 무차원화하여 계산한 수치이며, 상대적 분포 변화를 평가하기 위한 지표로 활용되었다. 에어로졸 농도 분석은 실내 전체 영역(Entire room), 감염자(Infected person), 그리고 3명의 비감염자(Susceptible person 1–3)의 호흡 영역(Breathing zone)에서 수행하였다.
Case 0 (Without partition)의 은 6.06으로 가장 높게 나타났다. 이는 실내 기류를 유도하거나 차단하는 요소가 존재하지 않아 감염원으로부터 방출된 에어로졸이 실내 전반으로 확산된 것으로 해석된다. Case 1 (Partition wall)은 물리적 칸막이에 의해 에어로졸의 직접적인 확산이 일부 억제되어 이 4.40으로 감소하는 경향을 보였다. 그러나 테이블 칸막이 주변에서 기류 정체 영역이 형성됨에 따라 에어로졸 농도가 국소적으로 증가하는 결과가 나타났다. Case 2–4의 실내 은 Case 0 대비 각각 약 77%, 84%, 92% 수준으로 감소하였으며, Air-curtain의 공급 유량이 증가할수록 실내 에어로졸 저감 성능이 향상되었다. 이는 Air-curtain에 의해 형성된 기류가 실내 환기 성능을 향상시키고 에어로졸을 필터 방향으로 유도 및 제거하여 실내 저감에 기여함을 시사한다. 또한 Air-curtain은 Partition wall 대비 실내 평균 농도를 최대 89% 감소시켜 실내 에어로졸 확산 억제 및 환기 효율 향상 측면에서 우수한 성능을 보였다. Table 5는 각 테이블 구성 조건에 따른 실내 및 호흡 영역의 수준 차이를 정량적으로 요약한 결과이다. Partition wall은 Without partition 대비 실내 평균 농도를 감소시켰으나 감염자 주변에서 농도가 증가하는 결과를 보였다. Air-curtain은 공급 유량이 증감함에 따라 모든 영역에서 이 일관되게 감소하였다. 이러한 결과는 Figure 7의 영역별 에어로졸 농도() 비교 결과와 Figure 8의 실내 에어로졸 농도()의 공간적 분포에서 동일하게 확인된다. Figure 7은 각 테이블 구성 조건에 따른 측정 영역별 에어로졸 농도()를 나타낸다. Figure 8은 각 조건에서의 실내 에어로졸 농도() 분포를 보여준다.
감염자 호흡 영역 내 에어로졸 농도
감염자의 호흡 영역 내 은 테이블 구성 조건에 따라 유의한 차이가 확인되었다. Case 0에서 호흡 영역의 은 10.74로 나타났으며, Case 1에서 15.05로 증가하였다. 이는 Partition wall에 의해 감염자 주변의 기류가 제한됨에 따라 배출된 에어로졸이 인근 영역에 정체 및 재순환된 결과로 판단된다. Air-curtain이 적용된 조건(Case 2–4)은 전반적으로 이 감소하는 경향을 보였다. Case 2의 은 7.35로 Case 0 대비 약 32% 감소하였으며, Case 3과 Case 4의 은 각각 7.12로 약 34%의 저감율을 보였다. 모든 Air-curtain 조건에서 감염자 호흡 영역의 은 Case 0및 Case 1보다 낮게 나타났다. 이는 에어커튼 기류가 감염원 주변의 에어로졸 확산을 억제하여 호흡 영역의 공기질 개선에 기여할 수 있음을 의미한다.
비감염자 호흡 영역 내 에어로졸 농도
비감염자 호흡 영역의 은 감염자 호흡 영역과 유사한 경향을 보였으나 비감염자의 위치에 따라 농도 차이를 보였다. Case 0에서 비감염자 1–3의 은 각각 11.13, 5.75, 6.25로 확인되었으며, 감염자와 마주한 비감염자 1의 호흡 영역에서 가장 높은 을 보였다. 이는 감염원으로부터 배출된 에어로졸이 차단되지 않은 상태로 주변 구역에 확산된 결과로 해석된다. Case 1은 비감염자 1과 비감염자 3의 이 각각 4.32, 5.78로 나타났으며, 전면부보다 측면부에서 상대적으로 높은 농도가 형성되었다. 이는 Partition wall이 에어로졸의 전면부 확산을 부분적으로 차단하지만 기류가 측면으로 유도되어 인접 좌석으로 에어로졸이 확산된 결과로 판단된다. Case 2–4는 모든 비감염자 호흡 영역에서 에어로졸 농도가 효과적으로 감소하였다. 특히 Case 4에서 비감염자 1–3의 은 각각 0.46, 0.42, 0.51로 Case 0 대비 약 90% 이상의 저감 효과를 보였다. 이에 따라 Air-curtain은 Partition wall보다 에어로졸 확산 억제 성능이 향상된 것으로 나타났으며, 근거리 에어로졸 감염 위험을 감소시키는 효과적인 대안으로 평가된다.
Table 5.
Normalized concentration () and reduction rate relative to without partition
결 론
본 연구는 실내 대면 환경에서 발생하는 에어로졸의 확산 특성을 분석하고 Partition wall과 Air-curtain 적용에 따른 실내 및 호흡 영역의 에어로졸 농도 저감 효과를 정량적으로 평가하였다. 이를 통해 테이블 구성에 따른 에어로졸 저감 성능을 확인하고 실내 감염 확산 억제를 위한 적용 가능성을 검토하였다. 본 연구의 주요 결과와 의의는 다음과 같다.
(1)본 연구는 Without partition, Partition wall, 그리고 Air-curtain 조건의 세 가지 테이블 구성에서 에어로졸 확산 특성을 비교하였다. Partition wall은 직접적인 확산 경로를 차단하였으나 기류의 국소 정체를 유발하여 일부 영역에서 에어로졸의 농도가 증가하는 한계를 보였다.
(2)Air-curtain은 감염원으로부터 발생한 에어로졸의 확산을 효과적으로 억제하여 감염자와 비감염자의 호흡 영역에서 가장 효과적인 에어로졸 농도 저감 성능을 보였다. Air-curtain의 공급 유량이 증가할수록 실내 에어로졸 저감 효과가 향상되었으며, 실내 평균 에어로졸 농도는 최대 92%, 감염자의 호흡 영역은 약 34%, 그리고 비감염자의 호흡 영역은 96%의 저감 효과를 보였다.
(3)Air-curtain은 별도의 덕트 설치 없이 테이블 단위에서 국소 기류를 제어할 수 있어 기존 환기량 증가만으로 해결이 어려운 근거리 감염 노출을 감소시키는 실용적인 대안이 될 수 있다. 또한 위생관리의 부담이 적고 공간 활용성이 높아 실내 감염 저감 기술로의 적용 가능성이 유의미하게 제시된다.
(4)향후 연구에서는 Air-curtain의 유량과 비말 입자의 관성 특성 간의 상관관계를 정량적으로 규명하여 입자 크기 및 분사 속도에 따른 Air-curtain의 최적 운전 조건을 도출할 예정이다. 또한 실내 환경을 대공간으로 확장하여 다양한 공간에서의 환기 조건과 배치에 따른 적용성을 평가하는 후속 연구를 진행할 예정이다.
Air-curtain은 Without partition 및 Partition wall 조건 대비 실내 에어로졸 확산 억제에 효과적인 것으로 나타났으며, 향후 연구를 통해 다양한 실내 환경에서 실용적인 감염 관리 기술로 활용될 것으로 기대된다.
