단계별 공간구성을 고려한 음압격리병실의 격리성능 해석 - 손덕영 (The Graduate School, Ajou University, 2022)
현대의 대형병원 내에는 일반병실, 중환자실, 음압격리병실 등의 다양한 종류의 병실이 설치되어 운영되고 있다. 이들 중 음압격리병실(negative pressure isolation room, NPIR)은 격리를 요하는 환자가 발생했을 시에 병실로부터 일반구역으로의 오염을 막기 위해 음압을 사용하는 병실을 말한다. 이러한 음압격리병실에서는 환기장치로 인해 병실 내부가 음압으로 유지되어 외부의 공기가 병실 안으로는 들어올 수 있지만, 밖으로는 유출될 수 없게 된다. 최근 20년간 21세기의 시작과 함께 중증급성호흡기증후군, 신종플루, 중동호흡기증후군, 코로나바이러스감염증-19, 조류인플루엔자 등 고위험 신종 호흡기 감염병들이 지속적이면서도 주기적으로 출현하고 있다. 이와 같은 전 세계적인 보건 위기 상황에서 병실과 같은 병원 설비에 대한 관심이 높아져 가는 가운데, 그 중심에 음압격리병실이 있으며, 그에 대한 필요성과 중요성은 나날이 커지고 있다. 음압격리병실은 바이러스로 오염된 격리구역 즉, 병실 내부의 공기가 일반구역인 외부로 전파되는 것을 차단하기 위해 여러가지 설비와 특별한 공간구성을 가지는데, 이들 중 FFU(Fan Filter Unit)와 전실은 음압격리병실의 격리성능에 직접적인 영향을 미치는 구성 요소라고 할 수 있다. FFU는 신선한 공기가 유입될 수 있는 급기구와 고효율(HEPA) 필터가 장착된 배기구로 구성되는 일종의 환기시스템이다. 병실 내부의 음압은 환기시스템의 급기량과 배기량에 의해 좌우되기 때문에, 음압격리병실의 설계시 이러한 환기유량의 결정은 매우 중요하다. 일반적으로 병실문이 닫혀 있는 경우에는 병실 내 음압의 영향으로 인해 외부로의 오염전파는 완벽하게 차단될 수 있다. 그러나, 의료진의 출입 등을 위해 병실문이 열리는 경우에는 비록 짧은 시간이지만 병실내의 음압이 부분적으로 소실될 수 있다. 이렇게 음압이 소실되면 출입문 주변의 와류 등으로 인해 부분적인 공기교환이 일어나게 되는데, 이 때 오염물질이 외부로 유출될 수 있다. 즉, 음압격리병실에서의 오염원 유출은 대부분 병실문 개폐시에 발생하게 된다. 이러한 오염 유출을 막기 위해 음압격리병실에는 하나 이상의 전실을 두는 것이 권장되고 있으며, 실제로도 대부분의 음압격리병실에는 전실이 설치되어 있다. 이러한 전실 공간은 음압격리병실의 격리성능을 크게 좌우하는데, 병원마다 다양한 전실단계를 구성하고 있으며, 이들 전실의 출입문은 대부분 인터락이 설치된 상태로 운영된다. 전실단계는 일반구역에서 고위험 환자가 입원한 병실까지 가기 위해 거쳐야 하는 독립된 공간의 수를 말하며, 전실단계가 많을수록 격리성능은 더욱 우수하게 된다. 음압격리병실의 중요도와 관심이 급격히 커짐에 따라 이에 대한 연구도 활발히 진행되고 있는데, 이러한 연구 중 격리성능 해석에 대한 연구는 크게 실험적 연구와 수치해석적 연구로 나누어 볼 수 있다. 가스확산 시험과 같은 실험적인 연구는 대부분 연구실 수준의 병실 모델을 대상으로 이루어지고 있으며, 실제 운영되고 있는 음압격리병실에서 실시된 실험적 연구는 현실적인 문제로 그 수가 많지 않다. 이러한 이유로 음압격리병실의 격리성능을 해석하기 위해서 전산유체역학을 활용한 연구가 많이 진행되고 있다. 전산유체역학은 오래전부터 환기 분야에서 많이 활용되어 왔는데, 음압격리병실 관련 연구에도 폭넓게 활용되고 있다. 그러나, 현재까지의 연구동향을 살펴보면, 실험적 연구와 수치해석적 연구 모두에서 연구 대상을 전실을 포함한 단일 병실에 국한한 경우가 주류를 이루고 있으며, 실험이나 해석 조건 역시 실제에 비해 단순하게 적용되고 있는 경우가 많다. 일반적으로 대형 병원의 격리공간은 다수의 병실과 전실 및 공용복도 등 여러 개의 공간으로 구성된 하나의 유닛을 형성하며 일반구역과 분리되어 있다. 또한, 정해진 절차에 의해 의료진이 지속적으로 일반구역과 격리구역을 드나들고 있다. 이처럼 실제 운영되고 있는 음압격리병실의 격리성능은 병실의 공간구성과 의료진의 동선에 의한 병실문의 개폐 등의 요인으로 인해 기존 연구결과와 큰 차이를 보일 수 있으며, 건축단계에서의 시공 수준이나, 노후화에 의한 관리 및 운영상의 문제로 설계단계에서 고려되었던 격리성능의 수준에 크게 미치지 못할 가능성도 존재한다. 이에 본 연구에서는 실제 운영되고 있는 다양한 음압격리병실 유닛을 대상으로 격리성능에 대한 수치해석을 수행하였다. 해석 대상은 전실 단계에 따라 3가지 병실 모델을 고려하였다. 또한, 동일한 병실모델에 대한 수치해석과 가스확산 실험을 수행하여, 수치해석을 통해 산출된 설계단계에서의 이상적인 격리성능과 실제 건축되어 관리 및 운영되고 있는 병실의 실제 격리성능을 비교하여, 현재 운영되고 있는 병실의 시공 및 관리, 운영의 수준을 파악해 보았다. 끝으로 의료진의 이동에 의한 유도기류가 음압격리병실의 격리성능에 미치는 영향을 알아보기 위해, 병실 출입문의 개폐만이 모사되는 기존의 정적해석과 함께 다이나믹 메쉬 기법을 통해 문의 개폐와 의료진의 이동이 함께 모사되는 동적 해석을 수행하여 그 결과를 비교하였다. 모든 해석조건에는 의료진의 동선이 고려될 수 있도록 시간에 따라 병실문이 개폐되는 시나리오를 적용하여, 보다 실제와 유사한 상황에서의 격리성능이 계산될 수 있도록 하였다. 본 연구에서 고려한 음압격리병실 모델은 전실 1단계인 병실 A, 전실 2단계인 병실 B, 전실 3단계인 병실 C로 구분된다. 계산 결과 각각의 병실 모델에 대한 병실과 전실, 복도, 복도전실 등의 구성 공간에 대한 시간에 따른 오염농도 및 최대 평균농도를 산출하였으며, 이로부터 격리구역으로부터 일반구역으로의 오염공기 유출량을 산출하였다. 그 결과 병실 A, B, C에 대한 유출량(L/h)은 각각 7.2×10-2, 3.5×10-4, 9.1×10-6로 전실단계의 증가에 따라 지수적인 감소를 보였다. 또한, 실제 운영되고 있는 음압격리병실에서의 가스확산 실험을 통해 음압격리병실의 격리성능이 시공 및 관리, 운영 수준에 따라 설계목표의 약 50%까지 낮아질 수 있음을 확인하였다. 의료진의 이동으로 인해 발생하는 유도기류 및 자동문의 움직임을 고려한 동적해석을 수행하고 이를 정적해석과 비교한 연구에서는 의료진의 거동이 오염공기 전파에 무시할 수 없을 정도로 큰 영향을 미치는 것으로 파악되었다. 그러나, 이 때의 누출률은 약 0.001% 정도의 매우 작은 수치이기 때문에 해석목적에 따라 정적해석이 보다 효율적일 수도 있을 것이다. 본 연구를 통해 얻어진 음압격리병실의 격리성능과 관련된 자료들은 향후 시공될 음압격리병실 유닛의 설계기준 설정 및 설계목표에 따른 공간구성을 결정하는데 활용될 수 있으며, 일반구역으로의 오염공기 유출량에 따른 감염 확률이나 위험도 분석과 같은 의학, 안전 및 기타 학문분야의 연구에도 활용될 수 있을 것이다.
학위논문(박사)--아주대학교 일반대학원 :기계공학과,2022. 8
Keywords: 음압격리병실