서 론
연구배경
연구방법
모듈러 음압병동 시뮬레이션 개요
음압병동 기본 사항
건물 모델링
환기 시스템 모델링
시뮬레이션 시나리오
시뮬레이션 결과 및 분석
시나리오 A의 단위 모듈별 기류 및 실간 차압 검토
시나리오 B의 문 개폐에 따른 기류 및 실간 차압 검토
결 론
서 론
연구배경
감염병 예방을 위한 의료시설은 일반병동과 달리 음압격리구역을 조성하여 비말의 전파 및 원내 감염을 방지해야 하나, 근래 발생한 MERS 및 COVID-19 등의 사례에서 볼 수 있듯, 단기간의 확진자 증가는 전문 의료시설의 부족으로 이어지고 확산 방지 대응이 충분하지 못해 피해 증가의 요인이 되기도 하였다. COVID-19는 현재까지도 진행 중이며, 팬데믹 주기가 점차 짧아질 것으로 예측되므로 감염병 의료시설의 수요는 증가할 것으로 예상된다.
이에, 시공 기간이 짧은 모듈러 형태의 병동 건설은 신속한 의료시설 공급에 역할을 할 것으로 보이며, 확진자 수의 급격한 증가로 인한 병실 부족 현상을 해결하는 하나의 솔루션이 될 것으로 기대되고 있다. 다양한 모듈러 공법 중 구조체를 PC (Precast concrete)로 구성하고 Infill box를 적층하는 방식(이하, 인필 방식)은 정형화 및 획일화를 탈피할 수 있으며, 해체의 용이성과 재이용 가능성이 장점으로 거론된다(Kim and Kang, 2021). 그러나 단위 모듈별 음압제어와 다양한 평면 조합에서 인접실에 미치는 오염공기 확산 등을 사전에 파악할 필요가 있으며, 기존 병원에 추가시설로 사용되는 임시 가설건축물이므로 전력공급 차단에 의해 발생하는 여러 위험 요소에 대한 검토가 수행되어야 한다.
Choi and Yun (2022)은 모듈러 음압병동의 계획 방향에 대한 연구를 진행하였으며 자유로운 평면 구성을 위해 라멘구조와 인필 방식을 적용하는 것이 효과적임을 제시하였다. Ahn et al. (2022)은 의료진 동선 및 장비 배치 등을 고려한 음압격리병실의 평면을 제안하였다. 이를 위해 병실의 면적별로 모듈을 구분하고, 모듈러 음압병실의 설계 가이드라인을 제시하였다.
한편, Jung and Hong (2019b)는 전실 유무에 따른 음압병실의 오염 공기 유출에 대해 분석하였으며, 전실에 의해 입자 유출이 상대적으로 감소되는 것을 확인하였다. 또한, Yang et al. (2017)은 일반 및 격리 병실의 CFD (Computational Fluid Dynamics) 분석을 통하여 침상 배치 및 화장실 위치에 따른 기류를 비교하였다. 그 결과, 일반병실에 비해 격리병실의 기류가 빠르며 침상이 병렬식이고 화장실이 병실 안쪽에 위치할 때 공기의 흐름이 안정적임을 파악하였다. Park and Sung (2015)은 음압 시설의 비정상 운영 시 격리병동의 오염물질 확산에 대한 연구를 진행하였으며 여러 시나리오 중 배기시설이 정지된 경우, 오염 농도치가 정상으로 회복하기까지 가장 긴 시간이 소요됨을 파악하였다.
그러나 기존 연구들은 모듈러 건축물을 대상으로 음압병동의 평면계획과 설계 가이드라인을 제시하거나, 일반 건축물의 격리 병동 기류분석 및 환기 성능에 대한 정량적인 평가에 국한되며, 모듈러 건축물인 동시에 음압병동의 기류를 해석한 경우는 거의 이루어지지 않는 것으로 나타났다.
이에 본 연구에서는 가변성이 높은 인필 방식의 모듈러 음압병동을 대상으로 단위 모듈의 격리성능을 정량적으로 검토하고, 조합 모듈에서의 오염 공기 확산 정도를 파악하기 위해 CFD를 활용하여 실간 차압 및 기류를 분석하고자 한다.
연구방법
연구의 대상은 인필 방식을 활용한 모듈러 음압병동으로 1인실 및 2인실 각각의 단위 모듈과 1인실+2인실 조합 모듈로 다양한 평면을 구성할 수 있다. 따라서 환자 상태에 따라 두 가지의 단위 모듈을 제작할 시 각각의 타입에 대한 격리성능을 검토한 후, 문 개방으로 인한 비정상 운영 등의 경우를 상정하여 모듈별 차압이 유지되는지를 파악하기로 한다. 또한 모듈이 조합되어 있을 때 문 개폐에 따라 복도 및 인접실에 오염공기의 유출정도를 분석하고자 한다. 비정상 운영은 최악의 상황에 대비하기 위한 위험 요인을 고려한 것으로, 본 연구에서는 모듈 타입 및 문제 발생 요인에 초점을 맞춰 모델 계산을 실시하였다. 시뮬레이션 툴로 SIEMENS 사의 STAR-CCM+를 사용하였으며 긴급음압격리병동 세부 기준 및 선행연구를 고려하여 대상 건물을 모델링하였다. 또한, 모듈 타입 분석과 위험 요인 검토를 구분하기 위해 2가지 시나리오로 나누어 진행하였다. 시나리오 A는 1인실 및 2인실 단위 모듈의 정상 운영 시의 격리성능을 검토하는 것이며, 시나리오 B는 단위 및 조합 모듈의 비정상 운영 시 오염공기의 유출정도 분석에 관한 것이다. Figure 1은 이상의 내용을 정리한 것이다.
모듈러 음압병동 시뮬레이션 개요
음압병동 기본 사항
음압격리병동은 실간 음압차를 이용해 공기를 통한 감염의 확산을 막기 위한 시설이다. 감염병은 공기 및 에어로졸에 의해 전파되므로 공기 감염을 막기 위해서는 오염물질을 완전히 차단하는 것이 중요하며(Sung, 2016), 이때 공조설비 시스템을 이용하여 실간 차압으로 실내 기류방향을 제어한다. COVID-19 중증환자 긴급치료병상(긴급음압격리병상) 시설기준에 따르면(KNUH, 2020) 청결구역인 진입동선과 오염구역인 진출동선으로 구분하여, 전체적으로는 청결구역에서 오염구역으로 공기가 이동되는 설계가 요구된다. 또한 급기는 시간당 공기교환(Air Change per Hour; ACH)이 6회 이상 필수이며, 최소 2회 이상 전외기 방식으로 신선외기를 도입시켜야 한다. 배기는 헤파필터를 통해 전량 외부로 배출되어야 하고 배기구는 환자 머리 근처의 벽 하단부에 위치하도록 권고하고 있다. 음압 제어의 경우 오염도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 공기가 흐르도록 실내 압력을 제어하며 화장실, 병실, 전실, 복도 등의 실간 차압은 각각 2.5Pa 이상이 되도록 해야 한다. 이에 따라 실내 공기압력을 복도>전실>병실>화장실 순으로 제어하여 공기가 흐르도록 한다. 병실과 전실에는 급기구 및 배기구 모두, 화장실은 배기구만 설치하고 급배기 시스템은 상호 연동하여 시스템 정지 시 오염공기가 외부로 유출되지 않도록 한다(KDCA, 2017).
건물 모델링
대상건물은 인필 방식이 적용된 모듈러 음압병실이며 Figure 2와 같이 청결복도, 전실과 화장실, 병실, 오염복도로 구성되어 있다. 1인실과 2인실의 평면 구성은 차이가 있으나 청결복도와 오염복도로 구분한 의료진의 동선과 복도와 병실 사이에 완충 공간을 확보하기 위한 전실은 동일하게 적용하였다.
전실 및 병실, 복도 출입구는 1.2×2.1 m 자동문이며(Sohn et al., 2014) 화장실은 0.9×2.1 m, 실간 누기를 고려하여 문 틈을 0.05 m로 설정하였다(Cho and Kim, 2023). 음압구역은 전실, 병실, 화장실, 오염복도이며 비음압구역은 청결복도로 구분하였다. 복도에는 급기구만 존재하며, 전실, 병실에는 급·배기구가 모두 있고 화장실에는 배기만 설치하였다. 병실의 배기를 제외한 모든 디퓨저는 실 천장에 위치하며 병실의 배기구는 환자 머리 근처 하단부에 배치하였다(Jung and Hong, 2019a).
전술한 바와 같이 본 연구에서는 2가지 단위 모듈을 검토하였으며 질병관리청(KDCA)에서 제시하는 기준을 준용하여 평면을 구성하였다. 1인실의 단위 모듈 도메인 사이즈는 3×11×2.1 m로, 음압격리병실의 면적은 10.5 m2이며 베드의 이동을 고려하여 전실의 크기는 3.9 m2로 설정하였다. 2인실 모듈은 전체 6.8×11×2.1 m로 병실 면적 21.8 m2, 전실 8.7 m2이며, 2개의 단위 모듈을 조합한 조합 모듈은 10.8×11×2.1 m이다. 이하, 서술의 편의를 위해 1인실의 단위 모듈을 Module 1, 2인실을 Module 2라고 하겠다.
환기 시스템 모델링
음압격리병실 내 공기 흐름 특성을 분석하기 위해서 RANS (Reynolds averaged navier- stokes) 방정식을 기반으로 하는 Realizable K-Epsilon 모델을 사용하였으며(Tan et al., 2023) 공기는 steady 상태로 설정하였다. RANS k-ε 모델의 운동에너지 k와 난류 소멸속도 ε에 대한 방정식은 다음과 같다.
여기서 𝜌는 밀도(kg/m²), 는 평균 속도(m/s), 𝜇는 동적 점도(Ns/m²)를 의미하며 는 모델 계수이다(SIEMENS, 2022). 또한, 와 는 k와 𝜀에 대한 난류 프란틀 수를 뜻하며(Shirzadi et al., 2017) 각각 1과 1.2의 값을 지닌다(Henkes et al., 1991). 은 0.43과 𝜂/5+𝜂 중 큰 값을 이용하며 이때 점성계수 𝜂은 임을 고려한다. 는 ε-방정식의 계수로 주어진 값인 1.9를 사용하여 계산한다. 는 K-ε 모델 변화에 따라 다른 값을 가지며, 는 벽 근처의 혼합되는 난류 감소를 나타내기 위한 것으로 식에 따라 값이 산정된다. 마지막으로, 및 는 모델 특성에 대한 변형률을 의미한다.
Table 1은 각 모듈의 급·배기 경계조건을 나타낸 것이다. Module 1의 전실 급·배기구는 원형 디퓨저로 크기는 지름 125 mm이며 복도, Module 1 병실과 Module 2 전실 및 병실 급기구의 지름은 150 mm로 설정하였다. 전실 천장에서 급기구는 복도 쪽에, 배기구는 병실 부근에 배치하였으며 병실의 배기구(register, 150×450 mm, W×H)를 환자 머리 부근 벽 하단에 배치하였다. 이는 의료진이 전실에서 병실로 진입 시 의료진에서 환자 쪽으로 공기가 흐르도록 하기 위함이다. 한편, 급기 온도는 26°C로 설정하였으며, 모듈 내 모든 벽과 문은 no-slip 및 단열 조건으로 처리하였다. 또한, 실간 압력차 2.5 Pa과 환기횟수 6회를 고려하고 음압이 유지될 수 있도록 급기 및 배기 풍량을 각각 설정하였다.
아울러 청결복도는 평압으로, 그 외 실은 음압이 되도록 하여 청결복도>오염복도>전실>병실>화장실 순으로 공기가 흐르도록 계획하였고 Polyhedral mesher를 이용한 다면체 조합의 격자 크기는 0.4 m로 구성하였다.
Table 1.
CFD Simulation boundary conditions
시뮬레이션 시나리오
먼저 모듈 타입별로 정상적인 운영이 이루어지는 경우의 격리성능을 검토한 후 인터락 해제, 즉 전실 입구(청결복도-전실)와 병실 입구(전실-병실)가 동시에 열린 상황 등의 비정상적인 운영을 고려하여 기류와 실간 압력 변화 등을 파악하기로 한다.
시나리오 A에서는 Module 1과 2, 각 단위 모듈의 격리성능을 비교·분석하여 환기 시스템의 급·배기 산정량 등이 적합한지 평가한다. 이는 전실 및 격리 병실을 포함한 모든 출입문이 닫혀있는 상태로 각 모듈의 공기가 유출되지 않으므로 음압성능의 유지 여부에 주안점을 두었다. 한편, 시나리오 B에서는 비정상 운영 시의 단위 및 조합 모듈의 오염공기 확산과 유출된 오염공기가 인접실에 미치는 영향, 그리고 실간 압력 변화 등을 파악하기로 한다. 전원공급 차단에 의한 인터락(Interlock) 해제는 음압병동 운영에 있어 주요한 위험 요인 중의 하나이므로 이에 대한 검토를 추가한 것이다. 단위 모듈의 경우 인터락이 해제되는 조건을 가정하였으며, 조합 모듈은 Module 1의 인터락 해제를 공통으로 가정하고 Module 2의 문 개폐 상황에 따라 Table 2와 같이 4가지 case로 나누어 진행하였다.
Table 2.
Scenario B simulation conditions in combination module (abnormal operation)
시뮬레이션 결과 및 분석
시나리오 A의 단위 모듈별 기류 및 실간 차압 검토
Table 3은 정상적인 운영 시의 단위 모듈별 시뮬레이션 계산 결과이다. 바닥 면으로부터 환자 호흡기가 위치하는 높이(0.7 m)의 단면에서 기류와 압력분포를 나타낸 것이며, Figure 3은 이를 시각화한 것이다.
Table 3.
Airflow velocity and pressure magnitude by module in scenario A
전체 공기의 흐름은 청결복도의 급기가 전실을 통해 병실로 유입되고, 병실 또는 화장실에서 배기되는 양상을 띠고 있다. 격리병실 내 기류는 Module 1의 경우, 평균 0.22 m/s, Module 2는 0.49 m/s이며, 화장실 부근 일부 공기는 화장실로 흐른 뒤 배기되는 것이 확인되었다.
한편, Module 1과 2 모두 압력 분포는 청결복도>전실>오염복도>병실>화장실 순이며, 청결복도의 압력은 Module 1에서 0 Pa, Module 2는 -1 Pa로 나타났다. 본 모델에서 청결복도는 급기만 이루어지는 것으로 설정하였으나, 각각 평압과 음압의 결과가 나온 것은 시뮬레이션 입력 시 두 모듈의 체적과는 무관하게 청결복도의 급기량이 동일하며, 동시에 공기가 전실 문틈으로 유입되었기 때문으로 사료된다. 또한, 전실과 병실의 실간 차압은 두 모듈 모두 평균 2.8 Pa로 나타나 음압병동에서 계획한 압력차가 확보되는 것을 확인하였다.
시나리오 B의 문 개폐에 따른 기류 및 실간 차압 검토
Table 4는 인터락 해제 등에 의한 비정상적인 운영 시, 단위 모듈에 따른 기류와 압력분포의 시뮬레이션 계산 결과를 나타낸 것이며, Figure 4는 이를 시각화한 것이다. 각 단위 모듈의 병실과 병실 외부는 문 개방으로 인해 순간적으로 등압이 형성되며 평균 0.12 m/s 속도로 복도 및 전실의 공기가 병실로 유입되는 것으로 확인되었다. 이로 인해 Module 1의 청결 복도, 전실 및 병실은 -2.7 Pa의 동일한 압력으로 나타났으며, 등압 형성 이후 병실 내 일부 공기가 청결 복도로 이동하는 것으로 파악된다.
Module 2 또한 청결복도의 실 평균 압력은 -3.3 Pa, 전실 및 병실은 약 -3.1 Pa로 등압과 유사하게 형성되었으며, 병실 내 기류는 평균 0.34 m/s로 이 중 일부는 전실을 통해 청결 복도로 유출되는 것으로 나타났다. 이와 같이 복도로 이동한 공기는 청결 구역의 공기와 혼합되므로 오염물질 확산 및 공기 감염 가능성을 증가시키는 방향으로 이어질 것으로 보인다.
Table 4.
Airflow velocity and pressure magnitude by module in scenario B
Figure 5는 비정상 운영 시 조합 모듈의 기류와 압력분포 결과를 시각화한 것으로, 유출된 공기가 병실 외부와 인접실에 미치는 영향을 파악하기 위해 실시한 것이다. 서술의 편의를 위해 Module 1, 2의 전실과 병실을 각각 전실 1, 2 및 병실 1,2로 지칭하겠다.
Case 1은 Module 1의 인터락 해제 및 Module 2의 정상 운영을 상정한 것으로 병실 1, 전실 1 및 청결 복도의 압력은 약 0.25 Pa, -0.28 Pa, -0.56 Pa로 실간 압력 차이는 거의 보이지 않는다. 그러나, 병실 1의 압력이 전실 1 및 청결 복도보다 크므로 병실 방향으로 흐르던 기류는 병실 출입문 부근에서 병실 내 기류와 충돌하며, 그 결과 벽을 따라 복도 방향으로 이동한다. 병실 1의 기류는 평균 속도 0.9 m/s로 배기되나, 급기된 공기의 일부는 배기구의 반대편 벽면으로 흘러 최대 2.5 m/s의 빠른 속도로 수직 확산되고 전실의 벽면을 거쳐 청결 복도로 유출되는 것이 확인되었다. 반면, 전실 2의 평균 압력은 -2.3 Pa, 병실 2는 -5 Pa로 실간 차압이 2.5 pa 이상이 유지되었으며 기류는 평균 0.25 m/s로 공기가 청결 복도로 확산되지 않고 병실 및 화장실에서 정상적으로 배기되는 것으로 나타났다.
Case 2의 Module 1의 인터락 해제 및 Module 2의 병실 출입문 개방의 경우로 병실 1, 전실 1 및 청결복도의 평균 압력은 각각 -1.5 Pa, -2.1 Pa, -1.9 Pa로 실간 차압에 큰 차이는 보이지 않는다. 한편, 청결 복도의 압력이 Case 1보다 낮아진 것은 Module 2의 병실문 개방으로 인해 전실 2가 병실 2의 압력과 거의 동일한 -4.4 Pa 수준이 되었고 그 결과, 복도-전실 간의 차압이 커져 청결 복도의 공기가 전실 문 틈새로 유입되는 양이 증가했기 때문으로 판단된다. 이로 인해 병실 1의 오염공기가 병실 2로 유입될 가능성이 높아질 것으로 보인다.
Case 3은 Module 1의 인터락 해제 및 Module 2의 전실 입구 개방의 경우로 병실 1, 전실 1, 청결 복도, 전실 2는 -2.5 Pa에서 -2.9 Pa 범위 내의 상호 비슷한 수준으로 압력이 형성되고 있으나, 전실 2의 압력이 낮아 전체적으로는 병실 1부터 전실 2의 방향으로 기류가 흐르는 것으로 나타났다. 반면, 병실 2의 평균 압력은 -4.9 Pa로 전실 2와의 차압은 2 Pa이며 오염공기가 병실 출입문 틈새를 통해 병실로 유입될 것으로 판단된다.
Case 4는 Module 1, 2 모두 인터락 해제가 발생한 경우로, 화장실 및 오염복도를 제외한 모든 공간의 실간 차압이 유지되지 않으며 Module 1과 청결복도는 -1.8 Pa, 전실 2는 -1.6 Pa, 병실 2는 -2 Pa로 나타났다. 모든 공간이 개방되어 있고 평균 기류 속도는 0.3 m/s를 보이며, 오염공기를 차단할 수 없어 감염에 취약한 상태로 노출된다.
결 론
본 연구에서는 PC 구조체에 Infill box 공법을 활용한 모듈러 음압병동을 대상으로 긴급치료병상 시설기준을 준용한 기류분석 모델을 구축하였으며, 이를 통해 단위 모듈의 음압 성능과 비정상 운영 시 유출된 오염공기가 인접한 실에 미치는 영향을 검토하였다.
정상 운영을 상정한 시나리오 A에서는 각 단위 모듈의 격리 성능을 검토하였으며 그 결과 실내 기류는 0.1~0.4 m/s, 실간 차압은 2.5 Pa 이상으로 제어되어 음압 성능이 확보되는 것을 확인하였다. 또한, 비정상 운영을 가정한 시나리오 B에서 단위 모듈의 인터락이 해제된 경우에는 병실 및 외부공간이 등압을 형성하고 0.09~0.4 m/s의 기류속도로 병실의 오염공기가 복도로 유출되는 것으로 나타났다. 아울러, 시나리오 B의 조합 모듈 검토에서는 모든 Case에서 Module 1의 병실 오염공기가 외부로 유출되고 인접실에 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 따라서, 무정전 전원 장치 및 매뉴얼 보완 등의 비정상 운영에 대한 대응 방안 강구가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구는 의료진 모델 및 출입문 개방 모션을 구현하지 못한 한계를 지니고 있으나 인터락 해제에 따른 음압병동 공기 환경에 대한 기초자료로써 활용가능할 것으로 보이며, 향후 모듈러 음압병동에 대한 모형 제작 및 현장실측을 통한 음압격리성능에 대한 실증 연구가 필요할 것으로 사료된다.
