서 론

연구의 목적

 2003년 아시아에서 발생하여 전세계로 확산되며 800명 가까운 사망자를 낸 중증급성호흡기증후군(이하 : SARS)과 2009년에 40개국에 전파되어 79명이 사망한 신종 인플루엔자A (Influenza A virus subtype H1N1) 전파이후, 국외에서 2차감염에 대한 경각심을 갖고 연구와 예방이 진행되어왔다. 반면에, 국내의 경우 2015년 전파된 중동호흡기증후군(Middle East Respiratory Syndrome, 이하: MERS)에 의해 단기간에 감염환자가 186명 발생하였으며 그 가운데 38명이 사망하는 사태를 겪었다. MERS의 감염경로는 명확히 규명되지 않았으나, 감염경로의 하나로 공기매체를 통한 감염이 예상되고 있다.

또한, 감염환자 가운데 90명의 환자가 특정 병원내 발생으로 2차감염^*1) 예방에 대한 문제가 대두되어 이를 예방하기 위하여 다인병실의 축소와 병원내 감염자와 비감염자에 대한 보행자의 동선분리 등에 관한 연구가 진행되어 왔다.

그러나 이러한 연구는 기류유동에 인해 발생하는 병원내 2차감염 예방으로 미흡한 실정이다. 따라서, 본 연구는 호흡기질환 입원환자들과 내원자들 및 의료진의 접촉이 이루어지는 병동부내 병실과 복도 및 휴게공간을 중심으로 현장방문을 실시하여 실내기류를 측정 하였다. 이를 토대로 CFD 수치계산을 실시하여 문제점을 도출한 후, 개선안을 제시하여 비교분석함으로서 향후, 기류유동에 의해 발생하는 병원내 2차감염 예방의 기초자료로 활용하고자 한다.

연구의 방법 및 범위

본 연구는 국내 병원의 자료조사를 통해 병동부의 공간유형을 분석하고, 그 가운데 일반적인 형태의 유형을 대표유형으로 선정하였다. 대표유형 가운데 공기 2차감염 예방이 중요할 것으로 판단되어지는 대상건축물을 선정하여, 병동부내 취출구와 흡입구의 설치위치를 조사하고 실내기류를 측정한 후, 측정 자료를 바탕으로 CFD 프로그램인 Star-ccm+를 이용하여 기류분포를 분석한 연구로 방법 및 범위는 다음과 같다.

1) 국내 종합병원 13개소에 대한 실태조사를 통하여 병동부의 공간유형을 분석하였다.

2) 병동부의 공간유형이 일반적인 형태인 I형을 갖는 M병원의 병동부를 연구대상 건축물로 선정하였다.

3) M병원 병동부에 대한 취출구와 흡입구의 기류실측치를 CFD프로그램인 Star-ccm+, Ver 11.06에 입력조건으로 사용하여 기존 공조상태의 문제점을 도출하였다.

4) 병동부의 공기매체감염에 의한 2차 피해를 최소화하기 위해 개선안을 제시한 후, 이에 대한 기류분포분석을 실시하여 병원내 2차감염 예방을 위한 기초자료로 제시하였다.

연구의 방법 및 범위

본 연구는 국내 병원의 자료조사를 통해 병동부의 공간유형을 분석하고, 그 가운데 일반적인 형태의 유형을 대표유형으로 선정하였다. 대표유형 가운데 공기 2차감염 예방이 중요할 것으로 판단되어지는 대상건축물을 선정하였다. 그 후 병동부내 취출구와 흡입구의 설치위치를 조사하고 실내기류를 측정한 후, 측정 자료를 바탕으로 CFD 프로그램인 Star-ccm+를 이용하여 기류분포를 분석하였다. 연구 방법 및 범위는 다음과 같다.

1) 국내 종합병원 13개소에 대한 실태조사를 통하여 병동부의 공간유형을 분석하였다.

2) 병동부의 공간유형이 일반적인 형태인 I형을 갖는 M병원의 병동부를 연구대상 건축물로 선정하였다.

3) M병원 병동부에 대한 취출구와 흡입구의 기류실측치를 CFD프로그램인 Star-ccm+, Ver 11.06에 입력조건으로 사용하여 기존 공조상태의 문제점을 도출하였다.

4) 병동부의 공기매체감염에 의한 2차 피해를 최소화하기 위해 개선안을 제시한 후, 이에 대한 기류분포분석을 실시하여 병원내 2차감염 예방을 위한 기초자료로 제시하였다.

병동부 공간유형과 대상건축물 선정

기존 종합병원 병동부의 실태조사

상급종합병원은 2018년 1월기준 전국 42개소^**2)이고, 종합병원은 345개소이다. 이 가운데 1,000병상 미만의 종합병원 7개소와 2,000병상 미만의 종합병원 5개소 및 2,000병상 이상의 종합병원 1개소를 포함한 총 13개소의 종합병원을 선정하여, 실태조사를 통해 병동부의 공간유형 형태를 Figure 1과 같이 구분하였다. 종합 병원의 공간유형은 Figure 2과 같이 약 77%를 차지는 I형이 대표 공간유형임을 알 수 있었다.

Figure 1. Space types of ward departments

Figure 2. Space type proportions of general hospitals (%)

대상건축물의 풍속과 풍량

대표공간유형 I형의 형태를 갖는 병원 10개소 가운데, 병동부내 2차감염 예방관리를 보다 필요로 할것으로 예상되어지는 M 호흡기병원을 대상건축물로 선정하였다. 대상건축물은 Table1과 같이, 354병상의 종합병원으로 7층이며, 병동부는 3~7층으로 구성되어있다. 음압격리실이 설치되어있는 3~4층을 제외한 5~7층은 일반종합병원의 병동부와 동일하며, 입원실과 복도 및 휴게공간의 현장측정은 5인실과 1인실로 구성된 6층에서 이루어졌다.

Table 1. Overview of the measurement target building

현장 측정이 이루어진 6층의 공간구성은 복도와 , 휴게공간, 간호스테이션, 1인실 및 5인실로 되어있으며, 각 공간의 음압(pa)은 –1.5~+0.5pa범위로 측정되었다. 실측풍속은 현장측정을 통하여 3회에 걸쳐 측정한 후 평균값을 Table 2에 나타냈다. Figure 3의 는 취출구 , 는 흡입구 위치를 나타낸다. 또한, 풍속 측정에 KANOMAX CLIMOMASTER 풍속계를 사용하였다.

Table 2. Measurement point design and measured wind speed and air volume

Figure 3. Airflow analysis points of the target building

Table 2과 같이, 5인실의 설계풍속은2.1㎧이며, 측정점 6지점에 대한 실측풍속은 1.67~2.3㎧로 평균 2.0㎧로 나타나 설계풍속과 비교하여 –0.43~+0.2㎧의 편차가 발생했으나, 차이는 크지 않았다. 설계풍량 134CMH 비해 실측풍량이 108~148CMH 로 측정되어 –26~ +14CMH 풍량의 차이가 크지 않았다.

1인실의 경우 설계풍속은 1.6 ㎧이며, 실측풍속이 1.2~1.7㎧로 풍속의 차이가 있었으며, 설계풍량은 100CMH, 실측풍량은 75~106CMH로 나타나 차이가 크지 않았다.

복도의 설계풍속은 2.8㎧, 휴게공간의 설계풍속은 2.1㎧이며, 복도 6개 지점에 대한 실측치는 0.6~2.37㎧, 휴게공간 3지점에 대한 실측치는 0.23~0.68㎧로 나타나 복도는–1.5~+0.27㎧, 휴게공간은-1.87~1.42㎧의 차이가 발생하여 실측점에 따라 편차가 있음을 알 수 있었다. 또한, 복도의 설계풍량은 180CMH, 실측풍량이 58~153CMH로 –122~ -27CMH의 편차가 발생되었으며, 휴게공간의 설계풍량은 134CMH, 실측풍량은 15~44CMH 로 나타나 휴게공간의 경우 실측풍량이 설계풍량에 –119~ -90CMH 큰 차이로 나타났다.

간호스테이션은 설계풍속은 3.1 ㎧이며, 실측풍속이 2.8~3.24㎧로 –0.3~+0.14㎧의 편차가 나타나 풍속의 차이가 크지 않았고, 설계풍량은 200CMH, 실측풍량은 178~205CMH로 –22~+5CMH의 편차가 나타나 두 값의 차이 또한 크게 나타나지 않았다.

대상 건축물의 기류분석

수치해석 경계조건

실측치를 근거로 Star-ccm+, Ver 11.06 수치계산 프로그램을 이용하여 실내기류를 분석하였다. 격자(Mesh) 형태는 0.1m 간격으로, 공간내 조밀한 분석이 가능한 Trim을 사용하였으며, 실의 온도는 고려하지 않았다. 경계조건은 Table 3과 같다.

Table 3. Boundary conditions of numerical analysis

기류분석점

병동부의 입원실과 복도 및 휴게공간의 기류분포를 나타내기 위하여 기류분석점을 설정하였다. 기류분석점은 Figure 3에 ●점으로 표기하였으며 분석점의 높이는 Figure 4와 같다.

1인실과 복도의 경계 a ~ c 점과 5인실과 복도의 경계 d ~ h 점 및 복도와 휴게공간의 경계인 I와 J점을 기류의 수평분석점으로 설정하였으며, 수직분석점은 Z축(높이)으로 층고 4.5m를 고려하여 무릎높이 0.5m, 호흡높이 1.5m, 문높이 2.5m, 그리고 상층부 3.5m를 설정하였다. Figure 4의 중앙(Z-axis) 위치에서 좌측은 병실방향, 우측은 복도방향으로 기류가 유동하는 것을 나타낸다.

Figure 4. Locations of the airflow analysis points

기존 공조상태의 기류분포

1인실과 복도 경계면의 기류분포는 Figure 5와 같이, 병실상부에서 취출된 기류가 a와 b및 c점에서 상층부 3.5m부터 호흡높이인 1.5m까지는 병실방향으로 기류유동이 나타나지만, 무릎높이인 0.5m에서 복도방향으로 기류유동이 나타나 기류혼합이 예상된다.

Figure 5. Airflow distribution between one-person wards and the hallway

5인실과 복도 경계면의 기류분포는 Figure 6 과 같이 복도상부에서 취출된 기류가 상층부 3.5m부터 문높이 2.5m 까지는 d~g점에서 복도방향으로 기류유동이 나타났고, 호흡높이인 1.5m에서는 d~f점은 병실방향, g점은 복도방향 기류유동이 나타났다. 또한 무릎높이 0.5m에서 d~g점이 병실방향으로 기류유동이 나타나, 기류혼합이 예상된다.

Figure 6. Airflow distribution between five-person wards and the hallway

복도와 휴게공간 경계면의 기류분포는 Figure 7 과 같이, 휴게공간 상부에서 취출된 기류가 I와 J 점은 상층부 3.5m부터 호흡높이인 1.5m까지 복도방향으로 기류유동이 나타났고, 무릎높이인 0.5m에서 병실방향으로 기류유동이 나타났다. 따라서 병실의 기류와 내원자들이 장시간 이용하는 휴게공간의 기류혼합이 예상된다.

Figure 7. Airflow distribution between hallways and rest areas

이와 같이 1인실과 5인실의 기류가 복도방향으로 유동하고 복도와 휴게공간의 기류 혼합이 이루어지는 것을 확인할 수 있었다. 기존 공조상태의 경우 기류혼합으로 인한 병원내 2차감염이 발생할 가능성이 높아, 공조설비의 개선이 필요한 것으로 판단된다.

공기감염 예방을 위한 개선방안

기존 공조설비상태에서 Figure 5~7과 같이 병동부내 병실과 복도 및 휴게공간에 대한 기류의 혼합 확률이 높아 2차감염 예방에 취약할 것으로 판단되어, 공조의 조닝 변화와 구획문을 설치한 경우[Alt-1], 실을 재배치하는 경우[Alt-2], 실의 재배치 및 구획문을 설치하는 경우 [Alt-3]로 3가지 개선방안을 제시하였으며 이에 대한 기류변화를 분석하였다.

공조조닝 변화와 구획문 설치시[Alt-1] 기류분포

기존 공조의 단일 조닝을, 별도의 4개 A~D 조닝으로 나누고, 휴게공간 경계면에 양방향 구획문을 설치한 [ALT-1]를 Figure 8과 같이 나타냈다.

Figure 8. In the case of air-conditioning zoning changes and partition door installation[ALT-1]

1인실과 복도 경계면의 기류분포는 Figure 9와 같이, 병실 상부에서 취출된 기류가 분석점 a와 b및 c지점에서 상층부 3.5m 부터 무릎높이까지 병실방향으로 기류유동이 나타나는 것을 알 수 있었다. 이는 기존 공조상태의 기류분포와 비교 하였을때 기류혼합이 적어 감염확률이 낮을 것으로 예상된다.

Figure 9. Airflow distribution between one-person wards and the hallway for [Alt-1]

5인실과 복도 경계면의 기류분포는 Figure 10 과 같이, 복도 상층부에서 취출된 기류가 d~g점은 상층부 3.5m부터 문높이 2.5m까지 복도방향으로 기류유동이 나타났으나, 호흡높이 1.5m부터 d~e점은 병실방향, f~g점은 복도방향으로 기류유동이 나타났다. 무릎높이인 0.5m는 d~g점이 병실방향으로 기류가 유동하여, 기류혼합이 예상된다.

Figure 10. Airflow distribution between five-person wards and the hallway for [Alt-1]

기존 휴게공간 양방향에 구획문을 설치하여 공조 조닝을 B로 구분했을 때, 복도와 휴게공간 경계면의 기류분포는 Figure 11과 같이, i와 l는 복도방향으로 기류 유동이 나타났고, j와 k는 휴게공간방향으로 기류유동이 나타났다. 이는 기존 공조상태의 기류분포와 비교할때 기류혼합이 적어 감염확률이 낮을 것으로 예상된다.

Figure 11. Airflow distribution between hallways and rest areas for [Alt-1]

이와 같은 기류분포는 공조조닝에 영향을 받는 것으로 여겨지며, Figure 9와 같이 1인실과 복도경계면의 기류분포는 기존상태와 비교하면 기류혼합이 이루어지지 않아 공기에 의한 감염확률은 낮아질 것으로 판단된다. 또한, Figure 11과 같이 휴게공간 양방향에 구획문을 설치함으로서 기존 공조상태와 비교하여 복도와 휴게공간의 기류혼합이 적어 공기에 의한 2차 감염확률이 낮아질 것으로 예상된다..

 그러나, 기존 5인실과 복도 경계면의 기류혼합에 의한 감염가능성을 해결하기에 다소 미흡하여 실의 구성을 변화한 개선안 [ALT-2]를 제안하였다.

실의 재배치시[Alt-2] 기류분포

대상건축물 기존 실의 구성은 중간에 휴게공간을 중심으로 아래쪽에 5인실이 구성되어 있으며, 1인실의 경우 중복도를 중심으로 왼쪽 상단에 3개실로 구성 되었다. 이에 개선안 [ALT-2]는 5인실의 경우 1인실 비교하면 내원자의 출입빈도가 많을 것으로 판단되어 Figure 12와 같이 병동부 외측에 5인실, 내측에 1인실로 재배치하였다.

Figure 12. In the case of ward rearrangement [ALT-2]

1인실과 복도 경계면의 기류분포는 Figure 13과 같이, 병실 상층부에서 취출된 기류는 분석점 a~c점은 상층부 3.5m부터 무릎높이 0.5m까지 병실방향으로 기류유동이 나타났다. 이는 기존 공조상태의 기류분포와 비교하여 병실과 복도의 기류혼합 확률이 적어 감염 발생 확률이 낮을 것으로 예상된다.

5인실과 복도 경계면의 기류분포는 Figure 14 와 같이, 병실 상부에서 취출된 기류가 상층부 3.5m에서 문높이 2.5m까지는 d~e지점은 병실방향으로 기류유동 하였으나, f~g지점은 호흡높이인 1.5m부터 무릎높이 0.5m까지 병실에서 복도방향으로 기류유동이 발생하여 기류혼합이 예상된다.

Figure 13. Airflow distribution between one-person wards and the hallway for [Alt-2]

복도와 휴게공간의 기류분포는 Figure 15와 같이, 복도 상부에서 취출된 기류가 상층부 3.5m부터 무릎높이 0.5m까지 i와 j는 기류유동이 i는 복도방향, j는 휴게공간방향으로 나타났다. 따라서 기존 공조상태의 기류분포와 비교할때 기류혼합이 적어 감염확률이 낮을 것으로 예상된다.

Figure 15. Airflow distribution between hallways and rest areas for [Alt-2]

A~D 4개 조닝으로 나눈 후, 휴게공간 양방향에 구획문을 설치한 개선안 [ALT-1]과, 병실과 휴게공간의 실을 재배치한 개선안 [ALT-2]를 통해 기존 공조상태와 비교하여 감염확률을 낮출 수 있다는 것을 확인하였다. 그러나 5인실과 복도의 감염확률이 높게 나타나, 실의 재배치 및 구획문을 설치하는 개선안 [ALT-3]를 제안하였다.

실의 재배치 및 구획문 설치시[Alt-3] 기류분포

실의 재배치 [Alt-2]의 경우 병실과 휴게공간의 경계인 복도가 개방되어 있어 기존 공조상태와 비교할 때 일부분이 개선되긴 하였으나 기류 혼합이 발생하였다. 이에 실을 재배치 한 후, 5인실과 1인실을 구분하여 별도의 휴게공간을 배치하고, 휴게공간에 구획문을 설치한 개선안 [Alt-3]를 제안하여 Figure 16과 같이 나타냈다.

Figure 16. In the case of ward rearrangement and partition door installation[Alt-3]

1인실과 복도 경계면의 기류분포는 Figure 17과 같이 병실상부에서 취출된 기류가 a~c지점에서 상층부 3.5m부터 무릎높이 0.5m까지 병실방향으로 기류유동이 나타났다. 이를 통해 기류혼합 확률이 낮을 것으로 예상된다.

Figure 17. Airflow distribution between one-person wards and the hallway for [Alt-3]

5인실과 복도 경계면의 기류분포는 Figure 18과 같이, 병실상부에서 취출된 기류가 d~g지점에서 상층부 3.5m부터 무릎높이 0.5m까지 병실방향으로 기류유동이 나타났다. 이는 복도와 병실의 기류혼합이 적어 공기에 의한 감염확률은 낮을 것으로 예상된다.

Figure 18. Airflow distribution between five-person wards and the hallway for [Alt-3]

복도와 휴게공간 경계면의 기류분포는 Figure 19와 같이, i~j지점에서 상층부 3.5m부터 무릎높이 0.5m까지 i는 복도방향, j는 휴게공간방향으로 기류가 유동함을 알 수 있었다. 이는 기류혼합확률이 낮은 것을 나타내며, 이를 통해 복도와 휴게공간의 기류혼합에 의한 감염 발생 확률이 낮을 것으로 예상된다.

Figure 19. Airflow distribution between hallways and rest areas for [Alt-3]

결 론

본 연구는 종합병원내 호흡기질환 병동부의 입원실과 복도 및 휴게공간을 중심으로 급·배기풍속과 풍량을 현장측정하고, 실측치를 이용한 기류분석을 통하여 기존 문제점을 확인한 후, 개선방안을 제시하였다.

병원내 2차감염 예방을 위한 기초자료로 활용 하고자 연구를 통하여 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1)13개소의 종합병원을 선정하여, 병동부의 공간유형을 분류하였고, 일반적인 병동부의 공간 형태가 I형임을 확인하였다.

(2)기존 공조방식은 병실과 복도의 기류가 유동하여 기류혼합이 예상되었고, 또한 복도와 휴게공간도 기류혼합이 예상되었다. 이에 호흡기 질환 병동부 내에서의 공기에 의한 감염확률이 높은 것으로 예상되었다.

(3)개선방안으로 3가지를 제안하였으며, 그 가운데 기존 공조조닝을 4개의 조닝으로 나눈후, 휴게공간 양방향에 구획문을 설치한 개선안 [ALT-1]의 기류분포는 1인실과 복도 경계면과 휴게공간과 복도의 기류분포가 기존 공조상태와 비교하여 개선된 것을 확인하였으나 5인실과 복도의 기류분포 개선은 미흡하였다.

(4)실을 재배치한 개선안 [ALT-2]는 1인실과 복도, 복도와 휴게공간의 기류분포는 기존 공조상태와 비교하여 기류혼합 확률이 낮은 것으로 예상되었다. 그러나, 병실과 휴게공간 사이가 개방되어 있어 기류혼합이 예상되었다.

(5)실을 재배치하고 병실과 휴게공간 사이에 양방향 구획문을 설치한 개선안 [ALT-3]는 각 구획에서 기류 혼합 확률이 낮은 것으로 예상되었다.

기존 공조상태와 비교 하였을때 1인실과 복도, 5인실과 복도, 및 복도와 휴게공간에서 기류유동이 발생하지 않아 기류혼합 확률이 낮을 것으로 예상되었다. 따라서 실을 재배치하고 병실과 휴게공간 사이에 양방향 구획문을 설치한 개선안 [ALT-3]가 호흡기 질환 병동부내에서 공기에 의한 2차감염 예방에 효율적인 공조방식인 것을 알 수 있었다.

추후, 호흡기 질환 병동부 내의 공간유형에 따른 기류분포와 각 실간의 음압변화와 온도변화에 대한 기류분석이 추가연구 되어져야 할것으로 사료된다.