Particle and Aerosol Research
Par. Aerosol Res. Vol. 9, No. 2: June 2013 pp. 59-67 http://dx.doi.org/10.11629/jpaar.2013.9.2.059
실내환기 방식이 재채기 토출입자의 거동특성에 미치는 영향
권순박*⋅송지한⋅조영민⋅정우태⋅박덕신 한국철도기술연구원 에코시스템연구실
(2013년 5월 30일 투고, 2013년 6월 12일 수정, 2013년 6월 12일 게재확정)
Effect of Ventilation Type on the Trajectory of Coughed Particles in a Hospital Ward
Soon-Bark Kwon*, Ji-Han Song, Young-Min Cho, Woo-Tae Jeong, Duck-Shin Park Ecosystem Research Department, Korea Railroad Research Institute (KRRI)
(Received 30 May 2013; Revised 12 June 2013; Accepted 12 June 2013)
Abstract
One of purposes in this study was to confirm the behavior of coughed particles under different ventilation conditions. Three types of ventilation systems were applied for this experiment and the properties of coughed particles were measured using computational fluid dynamics (CFD) in an intensive care unit. The changes of total airborne particles for each case showed different trends according to the ventilation type and time, but the deposited particles were similar in all conditions. Although the time taken for 50% of the particles to be deposited was the fastest in case 2, the portion of deposited particles after 300 seconds was only 5% in all conditions. In case 1, a relatively small number of particles were deposited on the wall, but the particle exhaust and deposition on the occupants were the highest. In case 3, the downward ventilation was applied as that recommended by the US Center for Disease Control and Prevention (CDC) and showed different exhaust efficiencies according to the particle size.
Keywords：Coughed particles, Computational fluid dynamics (CFD), Intensive care unit, Ventilation, Particle deposition
* Corresponding author.
Tel：+82-31-460-5375, E-mail：[email protected]
1997; Chao et al., 2009, Morawska et al., 2009;
Gralton et al., 2011)에 대해 이루어졌다. 재채기 토출 비말의 거동특성은 입경분포에 따라 달라지며, 30㎛
보다 작은 경우 중력이나 관성력에 의한 영향보다 실내 기류에 더 영향을 받으며 50㎛~200㎛의 토출 비말은 중력에 의한 영향으로 빠르게 침강하게 된 다(Zhu et al., 2006). 재채기에 의한 비말 토출의 경 우 초기속도가 숨쉬기나 말하기 등을 통해 토출되 는 경우에 비하여 높기 때문에 입경이 큰 입자의 경 우 관성력에 의하여 더 멀리 날아 갈 수 있다(Zhao et al., 2005). 많은 연구자들이 실내공간의 환기조건 에 따른 재채기 토출입자의 거동특성에 대한 연구 를 수행하였다(Zhao et al., 2005; Qian et al., 2006;
Zhu et al., 2006; Wan et al., 2007; Qian et al., 2008;
Sze To et al., 2008; Balocco, 2011). 특히 중증급성호 흡기증후군의 항공기내 전파 사례가 보고된 이후 (Olsen et al., 2003), 항공기내에서의 오염입자의 거 동특성에 대한 연구가 많이 수행되었다. 또한 병원 내 감염성 질환의 전파경로로 공기감염의 중요성이 강조되었고 이에 따른 적절한 집진과 환기가 요구 된다(Curtis, 2008; Park et al., 2010). Gralton 등(2011) 은 주로 토출비말의 직접적 전파경로만을 관리하는 병원의 경우 공기감염에 대한 중요성을 인식하고, 직접 전파경로 차단만큼 공기전파 감염에 대한 대 응이 필요하다고 주장하였다. 최근 병원내 감염성 질환의 전파를 차단하기 위하여 감염환자의 재채기 토출입자 거동특성을 연구하고 감염가능성을 낮출 수 있는 새로운 환기방식에 대한 연구가 새로운 연 구주제로 등장하고 있다(Cole and Cook, 1998; Lim et al., 2010). 미국 질병관리본부(CDC)에서는 격리실 의 경우 환자간 교차감염을 최소화하기 위하여 상 부에서 하부로 향하는 환기방식을 권장하고 있으며, 시간당 환기회수를 최소 6회로 규정하고 있다. 신축
and Lio(2011)는 실제 이탈리아 병원내 격리실에서 환기방식의 변화가 감염성 미생물의 이동경로에 큰 영향을 미친다고 보고하였다. Sze To 등(2008)은 병 실내 환자의 재채기 방향과 실내 기류패턴이 토출 비말의 거동특성을 결정한다고 보고하였다. 따라서 병원 격리실의 적절한 환기방식의 선택은 재실자의 온열쾌적성을 결정하는 것은 물론 공기감염에 따른 위험성을 결정하는 중요한 요소라 할 수 있다.
본 연구에서는 병원 1인 격리실내에 누워있는 환 자의 재채기를 통해 배출되는 다양한 입경의 비말 에 대한 거동특성을 세 가지 환기방식에 따라 상용 수치해석 프로그램을 이용하여 분석하였다.
2. 연구방법
2.1 수치해석 대상
본 연구에서는 최근 건축된 서울의 A대학병원 1 인 격리실을 대상으로 수치해석 모델을 제작하였다.
격리실은 가로 3m, 세로 4m, 높이 2.5m로 30㎥의 체 적을 가지고 있으며, 강제환기를 위한 급기구와 배 기구가 설치되어 있다. 격리실내 위치한 병상위의 환자가 천정을 향해 누워있으며, 환자가 재채기를 통해 입자를 수직상부 방향으로 토출하는 것을 가 정하였으며, 의료진이 침대 옆에 서있는 상황을 모 사하였다(그림 1). 침대의 높이는 600 mm, 환자의 재채기 토출위치는 800 mm, 의료진의 호흡기 높이 는 1,600 mm로 설정하였다. 다양한 환기방식을 적 용하기 위하여 천정부에 6개의 급배기부, 측면에 2 개의 급배기구를 선정하여 해석경우에 따라 급기와 배기를 구분하여 적용하였다. 환자와 의료진의 인체 발열과 천정부 형광등(lamp)에 의한 발열조건을 고
Fig. 1. Dimensions and opening locations of the hospital room analyzed.
(a) Case 1 (b) Case 2 (c) Case 3 Fig. 2. Ventilation types used in the hospital rooms analyzed.
려하였다.
해석 대상병실의 환기방식은 그림 2(a)에 제시한 바와 같이 천정과 측벽의 모서리부분에서 라인디퓨 져를 통해 급기되고 천정 중앙부를 통해 배기되는 방식을 Case 1으로 선정하였고, 침상 하부 천정에서 상부 천정부로 급배기기 이루어지는 환기방식을 Case 2로, 천정 중앙부에서 급기되어 측벽으로 배기 되는 경우를 Case 3으로 선정하였다(그림 2). 총 급 기량은 환기회수 12회에 준하도록 선정되어 세 가 지 해석 경우 모두에서 6 m3/min으로 동일하며, 모 두 배기를 통해 배출되는 것으로 하였다. 따라서 모 든 급기구 단면에서 토출되는 기류 면속도는 0.56 m/sec로 동일하다.
2.2 수치해석 시나리오와 경계조건
비정상상태 수치해석을 600초간 진행하였으며, 초 기 20초 시점에서 침상 위 환자가 수직상부 방향으 로 0.5초간 재채기를 수행하는 것으로 하였다. 재채 기시 토출공기 속도는 기존 Kwon et al.(2012)과 Gupta et al.(2009)의 연구결과를 인용하여 최대 14 m/s로 선정하였으며 상세한 속도 프로파일은 그림 3 과 같다. 재채기시 토출 비말의 입경분포의 경우 수 백나노미터에서 수백마이크로미터로 매우 다양한 연구결과가 보고되고 있어(Chao et al., 2009; Mora- wska et al., 2009; Gralton et al., 2011; Johnson et al., 2011) 본 연구에서는 0.1㎛, 1㎛, 10㎛, 50㎛, 100㎛의 대표적인 다섯가지 입경만으로 구분하여 토출되는
Fig. 3. Velocity profile of patient’s cough.
Item Boundary conditions
Air Temperature
Indoor 24℃
Air supply & exhaust 24℃
Coughed air 37℃
Thermal Conditions
wall･ceiling･floor･bed adiabatic wall
Fluorescent lamp 10 W/㎡
Human body_patient 65 W/㎡
Human body_doctor 100 W/㎡
Coughed Particles Size 1㎛, 2.5㎛, 10㎛, 50㎛, 100㎛
Total Number Count 600,000 particles
Flowrate
Case 1 supply air 0.1169 kg/s
exhaust air 0.1169 kg/s
Case 2 supply air 0.05845 kg/s * 2ea = 0.1169 kg/s exhaust air 0.05845 kg/s * 2ea = 0.1169 kg/s
Case 3 supply air 0.1169 kg/s
exhaust air 0.05845 kg/s * 2ea = 0.1169 kg/s Table 1. Boundary conditions of CFD analysis.
것으로 가정하였다. 토출비말은 1kg/㎥ 밀도의 구 형 물입자로 가정하였으며, 해석시간동안 일정한 크 기로 유지되는 것으로 가정하였다. 침상 위 환자의 발열량은 65W/㎡, 서있는 의료진의 경우 100W/㎡으 로 가정하였으며, 형광등에서 10W/㎡의 열이 발생 하는 것으로 하였다. 각 해석조건에 적용된 유량과 온도 조건 등을 표 1에 제시하였다. 해석에 사용된 상용프로그램은 ANSYS CFX (Ver 14.0)이며, shear stress transport (SST) 난류모델을 적용하였다.
수직 하강하는 빠른 기류가 바닥면까지 도달하였다 가 좌측 천정 배기구로 일부 배기되는 형상을 보여 준다. Case 3의 경우 중앙 급기구에서 빠른 속도로 수직 하강하여 침상하부에 도달한 후 좌측 측벽의 배기구로 배기되고 있다.
3.2 부유입자 개수 변화
재채기를 통해 토출된 부유 입자는 시간이 지나 면서 개수농도가 감소하게 된다. 본 해석에서 적용 된 토출비말의 입경분포는 0.1㎛, 1㎛, 10㎛, 50㎛, 100㎛ 입자를 동일한 비율로 토출하였을때 총 입자 개수의 변화를 살펴본 것이다. 토출비말의 제거기작 은 표면침적과 배기에 의한 저감으로 크게 구분되 며, 표면침적은 침적위치에 따라 바닥･측벽･천정･침
(a) Case 1 (b) Case 2
(c) Case 3
Fig. 4. Properties of air current distribution in normal conditions by ventilation type.
Fig. 5. Reduction of airborne particles over time inside a hospital room.
상･환자와 의료진 표면으로 구분될 수 있다. 그림 5 는 해석시간에 따른 공기 중 부유입자의 개수농도 를 환기조건에 따라 나타낸 것이다. 시간의 경과에 따라 부유입자의 개수는 초기의 다소 급격한 감소
를 보이고 있지만 거의 일정한 감소율에 따라 저감 되고 있음을 알 수 있고, Case 2의 경우 부유입자 개 수가 Case 1과 3에 비하여 높게 유지되는 것을 알 수 있다. 600초가 경과한 시점에서 Case 3의 부유입 자개수가 가장 낮게 나타났다.
토출비말의 침적위치와 배기에 따라 50초와 300 초 시점에서 부유하는 비율을 그림 6에 나타내었다.
해석시간 50초에서 약 환기조건에 따라 약 50%의 토출비말이 실내에 부유하고 있으며(Case 2의 경우 58%로 가장 높음), 측벽(Side-wall), 침대, 환자 신체, 천정 순으로 표면침적이 발생하고 있다(그림 6(a)).
Case 1의 경우 다른 환기조건일 때 보다 측벽, 환자, 배기에 의한 입자저감이 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 반면 해석시간 50초인 경우(그림 6(b))에는 실 내 부유 입자수가 모든 환기조건에서 5% 이내로 감 소하고 배기에 의하여 배출되는 토출비말이 세 환 기조건에서 평균 15% 수준에 있게 되며, 나머지 토 출비말은 측벽, 침대, 천정, 환자 신체 등으로 침적
(a) at t=50 sec
(b) at t=300 sec Fig. 6. Accumulated particles, exhausted and airborne particles at each location.
Fig. 7. Particles exhausted or deposited on wall or occupants.
되는 양상을 나타내게 된다.
앞서 제시한 토출비말의 표면침적 위치를 벽면(측 벽, 천정, 바닥), 재실자(환자, 의료진)으로 재분류하 고, 배기되어 저감되는 경우를 포함한 세 가지 제거 기작을 중심으로 재구성하여 그림 7에 제시하였다.
세 가지 해석 경우 모두에서 벽면에 의한 제거 기작 이 배기나 재실자의 경우보다 3~4배 높은 영향을 주 는 것을 알 수 있으며, 특히 Case 3의 경우 벽면 입 자침적이 가장 높게 발생하는 것을 알 수 있다. 배 기되어 제거되는 입자수와 재실자의 신체에 침적되 는 입자 수는 유사한 비율로 나타나는 것을 알 수 있다. 또한 토출비말의 저감은 재채기 직후 급격히 진행되며 특히 Case 2의 경우 벽면에 침적되는 입자 수가 초기 50초에 이미 전체 입자수의 50%가 침적 되는 현상을 나타내었고 Case 1과 3의 경우 약 60초 에서 50% 침적에 도달하였다.
3.3 토출비말 크기의 영향
재채기 토출비말의 크기는 입자의 거동특성에 결 정적 영향을 미치게 된다. 그림 8에 0.1㎛와 50㎛ 토 출비말에 대하여 재채기 토출 후 위치를 나타내었 다. 0.1㎛ 토출입자의 경우 재채기 후 3초 후 (t=23sec)에는 환기조건에 관계없이 유사한 양상으로 수직상승하여, 30초 시점에서 환기조건에 따라 격리 실 상부의 위치가 다소 차이가 발생하는 것으로 나 타나고 있으나, 80초가 지나면서부터는 격리실내 전 체 공간으로 빠르게 확산되어 유사한 경향을 나타 내고 있다. 반면 토출비말의 입경이 50㎛인 경우(그 림 8(b))에는 환자와 침대 인근에서 모두 부유하였 다가 다시 하강하여 침적되는 특성을 나타내고 있 으며, 세 가지 환기조건 모두에서 유사한 거동특성 을 나타내고 있다.
4. 결 론
병원내 감염환자로부터 발생되는 토출비말의 공 기 중 거동 특성을 이해하는 것은 환자간 교차감염 예방이나 의료진의 보호 측면에서 매우 중요한 요 소이다. 본 연구에서는 1인 격리실에서 침대 위 환 자의 재채기를 모사하여 토출비말의 거동특성을 세 가지 환기조건에 따라 수치해석적으로 분석해보았 다. 세 가지 환기조건 모두에서 재채기 토출비말이 초기에 벽면(측벽, 천정, 바닥)에 빠른 속도로 침적 되고 환자나 의료진의 신체에도 침적될 가능성이
(a) Particle size = 0.1 ㎛
(b) Particle size = 50 ㎛
Fig. 8. Locations of 0.1 ㎛ and 50 ㎛ coughed particles according to analysis period and ventilation conditions.
이 논문은 2012년도 정부(교육과학기술부)의 재원으 로 휴먼인지환경사업본부-신기술융합형 성장동력사 업의 지원을 받아 수행된 연구임.(No. 2012K001373)
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