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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 업무용 건물의 실내부 유 세균에 의한 감염률을 낮추기 위하여 개인 사무공간의 살균공조 시스템 개발 및 비교 평가에 목적을 두었다.
- 또한 유전공학에서 재조합 DNA 기술의 플라스미드(Plasmid)로서의 이용으로 매우 중요하게 사용되고 있으며, 여러 미생물 제제로서 도 이용되는 등 그 성질이 비교적 구체적으로 밝 혀진 비병원성세균이다. 이러한 고초균의 사용은 동속이기 때문에 가지는 탄저균과 같은 병원균과 의 유사성과 더불어 공기를 통해 전파되며, 아포를 형성한다는 점에서 실험에 필요한 특징을 가지고 있어 탄저균이나 결핵균과 같은 공기전염성 병원성균을 모사하기 위하여 사용되었다.
가설 설정
- Table 2의 실험조건에서와 같이 공조기의 가동은 무부하 상태의 최소 환기량을 다중이용시설 의 실내공기질 관리법에 따라 최소 풍량을 0.7 회/h로 가정하고, 부하상태의 급기량은 실내 컴, 퓨터, 인체, 조명 등의 부하가 발생할 경우 실험 장치내부에서 PMV가 ±0.1 이내로 유지될 수 있는 최대 급기량인 1&5회/h로 급기하도록 하였다. 공조기 풍량이 0.
- 이렇게 실험실 내부의 온 . 습도 조건이 유지되면 실내 부유세균의 감염원은 전염성 질병에 걸린 사람이 호흡이나 기침 등을 통하여 실내에 확산시키는 것으로 가정하여, 의료용 분무기를 통하여 실내에 설치된 인체모형에서 약 IO, 개 정도로 배양된 고초균 배양액을 0.3 #, 평균 직경 2.1 ㎛로 10분간 살포하는 것으로 하였다.
제안 방법
- 개인 사무공간을 모사할 수 있는 실험실을 구성하기 위하여 ±0.5’C 의 온도와 ±1%의 상대습도를 유지할 수 있도록 Fig. 1과 같은 인공기후 실을 제작하였다. 제작된 인공기후실에 대한 급기(SA), 환기(RA) 위치와 실험실에서 공기를 포집한 샘플 위치 (P)를 Fig.
- 개인 사무공간의 공조는 바닥 공조를 이용하여 급기 일부를 파티션으로 인입하여 재실자 정면으로 토출한 후에 천장으로 배기되는 파티션 공조 시스템, 바닥 공조를 이용하고 살균장치를 따로 측벽상부에 설치하는 벽부착 시스템과 비교분석을 위한 전외기 도입 시스템의 세 가지 방식을 비교 평가 하였다. 파티션 시스템과 벽부착 시스템은 살균 장치인 UVGI(ultra violet germicidal irradiation)를 부착하여 시스템을 제작하고 성능 평가 하였다.
- 미생물 포집은 Air Sampler가 충돌법에 의해 포집한 공기 100 Z에 대한 공기 중의 부유세균을 48시간의 배양을 거치도록 하였다. 배양이 완료된 배지에 대하여 집락수를 개수하고 각각의 개소에 대하여 합산 후 평균을 내는 방식으로 고초균에 대한 오염도를 측정하였다.
- 미생물 포집은 Air Sampler가 충돌법에 의해 포집한 공기 100 Z에 대한 공기 중의 부유세균을 48시간의 배양을 거치도록 하였다. 배양이 완료된 배지에 대하여 집락수를 개수하고 각각의 개소에 대하여 합산 후 평균을 내는 방식으로 고초균에 대한 오염도를 측정하였다.
- 62회/h이지만, PMV 유지를 위하여 살균장치를 통과하는 풍량을 L0회/h로 조절하였다. 비공조방 식은 최소 환기풍량으로 가정한 0.7회/h로 공기 살균장치를 통하여 실내순환 방식으로 하고, 전외기 방식의 경우는 0.7회/h로 전외기를 공급하도록 하였다.
- 사무공간의 파티션 공조시스템은 선행 연구(1)를 통하여 비교적 쾌적도가 높은 것으로 분석되었으 므로 사무실 쾌적도 증진과 실내 부유 세균 제거라는 두 가지 조건을 만족시킬 수 있을 것으로 예 측되어 기본공조방식으로 선정하였고, UVC 살균장치는 기존 연구(2)의 UVC 램프 성능 평가 결과를 이용하여 설계 제작하였다.
- 사무실에 근무하는 실내 거주자가 병원성 전염병에 걸려 실내 공기를 오염시킬 경우 실내 부유세균의 제거를 위하여 자외선 살균시스템을 사무실에 설치하고 이에 대한 성능평가를 진행한 결과 다음과 같은 결론을 얻게 되었다.
- 살균장치는 파타션형과 벽부착형을 각각 제작 하고, 대상 미생물인 고초균을 1회 통과로 99% 살균할 수 있도록 하였다.(2) (3) Fig.
- 습도 유지를 위흥여 공조기가 가동되는 상황과 두 번째로 공조기가 가동되지 않는 상황에 대하여 각각 성능평가를 하도록 하였다. 성능평가를 위해 우선 실험실 내부 조건을 24 C, 50%의 균일한 조건으로 유지 하였다.'4)
- 첫 번째는 실내 온 .습도 유지를 위흥여 공조기가 가동되는 상황과 두 번째로 공조기가 가동되지 않는 상황에 대하여 각각 성능평가를 하도록 하였다. 성능평가를 위해 우선 실험실 내부 조건을 24 C, 50%의 균일한 조건으로 유지 하였다.
- 실험실 내부의 온도유지는 공조상태에서는 실 험실용 항온항습기를 통하여 순환방식으로 온습도를 유지하도록 하고, 비공조상태에서는 실험실 외부 준비실의 항온항습기를 통하여 부하를 제거하는 방식으로 실험실 내부의 온도를 유지하도록 하였다. 이렇게 실험실 내부의 온 .
- 실험은 공조와 비공조 조건 사이에 공조 급기 량과 급기 속도 등의 변수에 따른 살균 효과를 비교 평가하였다. 또한 실험 세균은 실험자 및 외부 환경에 위해를 미치지 않는 고초균(Bacillus subtilisX 이용하였다.
- 실험실 내부 부유세균의 제거성능은 식(2)와 같이 낙하 및 부착 등과 공기살균장치의 모두에 의한 종합제거율과 식(3)과 같이 공기살균장치 만 에 의한 공기살균장치 제거율을 사용하였다. 여기서, %는 공기살균장치만의 제거율, &는 종합 제거율, 6은 시간별 낙하 및 부착 등으로 제거된 후 생존율을 나타내며, M는 현재 측정된 균의 수, Ni는 오염발생 직후 측정된 균의 수를 나타내며 실험을 통하여 구하여 사용하도록 하였다.
- 이러한 연결구 부분에 살균을 위해 출력 25 W, 외경 28 mm, 길이 440 mm의 UVC 램프를 3개 설치하고 UVC의 반사성능을 최대한 높일 수 있도록 살균장치의 내부표면에 알루미늄 전해연 마판을 설치하였다. 연결구를 통하여 공급되는 풍량은 실험실 내부의 급기구 한 개를 밀폐하고, 이 급기구와 동일한 급기풍량인 총 공조급기 풍량의 1/4을 공급하도록 하고, 풍량변화 및 PMV 유지를 위하여 풍량 조절이 가능하도록 인버터 장치를 설치하였다.
- 전염성 질병에 걸린 재실자가 호흡이나 기침을통하여 병원성 세균을 사무공간으로 확산시키는 경우, 파티션 살균공조장치의 실내 부유 세균 제거 성능평가를 실험 비교하였다. 이전의 Sheng- wei Zhu(2006) 등의 연구에서는 사람의 기침을 통하여 평균 약 1.
- 측정된 샘플의 오염도는 공기 100/당 오염 정도를 나타내고 있으므로 단위체적에 대하여 CFU/m'으로 나타낼 수 있도록 환산하였으며, 이때 Air Sampler에 대한 보정값을 사용하여 오염도를 보정할 수 있도록 하였다.
- 개인 사무공간의 공조는 바닥 공조를 이용하여 급기 일부를 파티션으로 인입하여 재실자 정면으로 토출한 후에 천장으로 배기되는 파티션 공조 시스템, 바닥 공조를 이용하고 살균장치를 따로 측벽상부에 설치하는 벽부착 시스템과 비교분석을 위한 전외기 도입 시스템의 세 가지 방식을 비교 평가 하였다. 파티션 시스템과 벽부착 시스템은 살균 장치인 UVGI(ultra violet germicidal irradiation)를 부착하여 시스템을 제작하고 성능 평가 하였다.
대상 데이터
- 실험은 공조와 비공조 조건 사이에 공조 급기 량과 급기 속도 등의 변수에 따른 살균 효과를 비교 평가하였다. 또한 실험 세균은 실험자 및 외부 환경에 위해를 미치지 않는 고초균(Bacillus subtilisX 이용하였다.
- 벽부착형 살균장치는 출력 35W, 외경 15mm, 길이 #인 2개의 UVC 램프를 사용하고 UVC 의 반사성능을 최대한 높일 수 있도록 살균장치의 내부표면에 알루미늄 전해연마판을 설치하였다. Fig.
- 벽부착형 또한 풍량 조절이 가능하도록 인버터 장치를 설치하였다. 부유 세균 측정에 사용된 배지는 선택배지로서 MYP (Mannitol egg yolk polymyxin agar)를 사용하였고, Table 1에는 미생물용 실험장치의 귤격을 나타내었다.
- 실험에 사용된 고초균은 호기성 세균으로 막대 모양의 그람양성 (Gram positive bacillus)의 간균 (bacillus)이며 편모로 운동한다. 탄저균과 결핵균 등과 동속으로 비병원성이고 아포가 있어 저항력 이 강하다.
- 파티션형 살균장치는 공 조기 급기 중 일부를 파티션 하부로부터 직접 인입하여 실내로 공급하도록 하부에 연결구를 설치하였다. 이러한 연결구 부분에 살균을 위해 출력 25 W, 외경 28 mm, 길이 440 mm의 UVC 램프를 3개 설치하고 UVC의 반사성능을 최대한 높일 수 있도록 살균장치의 내부표면에 알루미늄 전해연 마판을 설치하였다. 연결구를 통하여 공급되는 풍량은 실험실 내부의 급기구 한 개를 밀폐하고, 이 급기구와 동일한 급기풍량인 총 공조급기 풍량의 1/4을 공급하도록 하고, 풍량변화 및 PMV 유지를 위하여 풍량 조절이 가능하도록 인버터 장치를 설치하였다.
성능/효과
- 1. 공조장치를 작동하지 않아서 실내가 완전히 무풍 상태인 경우 상대적으로 작은 크기의 액적도 1시간 만에 약 76%, 2시간 만에 약 79%, 4시간 만에 약 86%, 8시간 만에 약 99%가 낙하하거나 부착되어 공기 중에서 사라지는 반면, 풍량 0.7회/h로 급기하여 실내에 기류유동을 만들면 약 15% 정도의 세균이 72시간 이후에도 공기 중에 잔류하는 것으로 나타나 공조환경의 사무실 실내 공기 중의 부유세균에 대한 제거가 필요한 것으로 나타났다.
- 2. 두 가지 방식의 공기살균장치의 처리 풍량이 1회/h로 동일한 경우, 파티션시스템은 초기 1시간 만에 제거율이 약 99%, 벽부착시스템은 약 97%로 거의 비슷한 것을 알 수 있으며, 시간이 경과하여도 거의 유사한 결과를 나타내는 것을 알 수 있어 두 가지 공기살균장치 중 어떠한 것을 실내에 부착하여도 비슷한 실내 부유세균 제 거성능을 얻을 수 있는 것으로 나타났다.
- 3. 전외기 방식으로 풍량이 0.7회/h인 경우와 동일한 공조풍량에서 살균장치를 설치하는 경우가 거의 비슷한 부유세균 제거성능을 보여 전외기 방식으로도 실내 부유세균을 제거할 수 있는 것으로 나타났다.
- 4. 공조기의 풍량이 0.7회/h인 저풍량의 경우는 산술적인 제거량보다 상회하는 실험결과를 보인다. 이것은 벽부착형인 경우 천정부분의 UVC 조사구역으로 인해 살균장치를 직접 통과하지 않아도 살균이 이루어지기 때문으로 판단되며, 파티션형의 경우는 그 원인을 분석하기 위한 연구가 더 필요할 것으로 판단된다.
- 6의 결과는 식(3)에 의한 시간별 제거율이며, 전체제거율 중 공기살균장치가 처리한 부분 만 따로 계산한 부유세균 제거율을 나타낸 것이다. 공조기를 가동하지 않고 공기살균장치로만 실내 기류를 형성하여야 하는 경우(AHU None, Partition 0.7 ACH and AHU None, Wall mounted 0.7 ACH) 실내 기류가 완전히 발달하지 않고 정체되는 부분이 발생되는 것으로 나타났다. 이때문에 공기살균장치로만 실내 기류를 형성하여야 하는 경우 4시간 이후에 부유세균 제거율이 급격 하게 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 실내 기 류가 부유세균을 적절히 유동시키지 못하여 부착이나 낙하에 의해 공기 중에서 제거되는 세균수 보다 실내 기류에 의해 부유하면서 공기살균장치를 통과하면서 제거되는 부유세균의 수 자체가 감소하였기 때문으로 판단된다.
- 실내가 비공조상태이고 살균장치도 가동하지 않는 완전히 무풍 상태라면 상대적으로 작은 크기의 액적도 1시간 만에 약 76%, 2시간 만에 약 79%, 4시간 만에 약 86%, 8시간 만에 약 99%가 낙하하거나 부착되어 공기 중에서 사라지는 것을 알 수 있었다. 그러나 공조기로만 0.7회/h로, 급기 디퓨저에서 평균 0.6 m/s의 속도로 공간에 유동을 만들면 약 15% 정도의 세균이 72시간 이후에도 공기 중에 잔류하는 것으로 나타났다.
- 그러나 본 연구에서는 초기 약 2bar 정도의 압력으로 호흡과 비슷한 정도의 속도인 약 0.3 m/s로, 평균직경 2.1 ㎛인 0.2 ㎛에서 5.5 ㎛ 직경을 가지는 배양액 약 0.3min를 포함한 약 10 //min의 공기량을 10분간 분사하였다 그 결과는 Fig. 5에 살균장치를 가동하지 않는 조건에서 완전히 무풍인 비공조 상태(AHU None, Air sterilizer None)와 공조기로만 0.7회/h로 급기되는 공조상태 (AHU 0.7 ACH, Air sterilizer None)의 측정 결과를 개수된 집락수로 비교하여 나타내었다. 실내가 비공조상태이고 살균장치도 가동하지 않는 완전히 무풍 상태라면 상대적으로 작은 크기의 액적도 1시간 만에 약 76%, 2시간 만에 약 79%, 4시간 만에 약 86%, 8시간 만에 약 99%가 낙하하거나 부착되어 공기 중에서 사라지는 것을 알 수 있었다.
- 또한 공조기를 가동하더라도 기류가 잘 발달되지 않는 경우(AHU 0.7ACH, Partition 0.175 ACH and Wall mounted 1 ACH) 에는 초기 4시간이 전에서 불안정한 제거율을 보이는 것으로 나타났다. 특히 파티션 살균의 경우(AHU 0.
- 또한 이러한 결과들로부터 살균장치들은 각각의 형태에 따라 성능의 차이가 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다. 이것은 각각의 살균장치가 동일한 풍량을 처리한다면 거의 비슷한 부유세균 제거성능을 보여주며, 오염원 제거율이 일정 살균율을 유지하도록 설계된 살균장치라면 그 형태보다는 처리 풍량이 더욱 중요한 것을 알 수 있다.
- 7회/h로 가동하는 경우와 비교한 것이다. 비교에서 알 수 있듯이 두 가지 살균장치의 처리 풍량이 같은 경우 공조기의 순환 풍량이 많아지면 초기 1시간 만에 파티션 살균장치의 경우 제거율이 약 99%, 벽부착 살균 장치의 경우가 약 97%로 거의 비슷한 것을 알 수 있으며 시간이 경과 할수록 유사한 결과를 나타내는 것을 알 수 있다. 그러나 공조기의 풍량이 0.
- 따라서 벽부착시스템의 경우 실내 재실자에게 직접 UVC가 조사되는 것을 방지하여야 하기 때문에, 사무환경의 경우 상대적으로 UVC가 재실공간으로 노출되지 않는 파티션형의 살균장치를 부착하는 것이 유리할 것을 판단된다. 뿐만 아니라 파티션형 살균장치는 기존의 연구를 통하여 기존의 천정급기, 바닥급 기보다 쾌적도가 높은 것으로 나타나E 개인 사무공간의 면역성에 더 유리한 장치라는 것을 알 수 있었다.
- 7 ACH, Air sterilizer None)의 측정 결과를 개수된 집락수로 비교하여 나타내었다. 실내가 비공조상태이고 살균장치도 가동하지 않는 완전히 무풍 상태라면 상대적으로 작은 크기의 액적도 1시간 만에 약 76%, 2시간 만에 약 79%, 4시간 만에 약 86%, 8시간 만에 약 99%가 낙하하거나 부착되어 공기 중에서 사라지는 것을 알 수 있었다. 그러나 공조기로만 0.
- 이상의 결과로부터 개인 사무공간에 대한 부유 세균을 제거 하기위하여 전외 기방식으로 외기를 도입하거나 자외선 살균 시스템을 설치하여야 한다는 사실을 알 수 있다. 그러나 전외기방식의 공 조시스템은 에너지 비용의 상승에 대한 부담이 커서 채용하기가 어려워진다.
- 7에 공조기의 가동을 중지한 상태에서 살균장치를 가동하는 경우에 부유세균 오염의 제거율을 나타내었다. 제거율은 식(2)의 종합제거율로 비교하였으며, Fig. 5의 결과에서도 보인바와 같이 살균장치가 동작하지 않더라도 8시간 이후에는 99%의 부유세균이 제거되는 것을 알 수 있었다. 그러나 살균장치를 동작시키면 초기 부유세균 제거율을 현격하게 높일 수 있는 것으로 나타났다.
후속연구
- 비교에서 알 수 있듯이 두 가지 살균장치의 처리 풍량이 같은 경우 공조기의 순환 풍량이 많아지면 초기 1시간 만에 파티션 살균장치의 경우 제거율이 약 99%, 벽부착 살균 장치의 경우가 약 97%로 거의 비슷한 것을 알 수 있으며 시간이 경과 할수록 유사한 결과를 나타내는 것을 알 수 있다. 그러나 공조기의 풍량이 0.7회/11인 저풍량의 경우는 Fig. 8과 Fig. 9의 결과에서 산술적인 제거량보다 상회하는 제거능력을 보이는데, 이것은 벽부착형은 천정부분의 UVC 조사구역으로 인해 살균장치를 직접 통과하지 않아도 살균이 이루어지기 때문으로 판단되며, 파티션형의 경우는 그 원인을 분석하기 위한 연구가 더 필요할 것으로 판단된다.
- 이러한 결과들은 공조기의 풍량이 실내 부하를 감당하는 정도로만 지속적으로 공급이 되면 실내 재실자에 의한 오염은 일정시간 계속 유지되며, 이러한 오염을 제거하기 위하여서는 살균장치 또는 대량의 외기를 도입하여 부유세균오염을 제거하여야 한다는 것을 나타낸다. 그러나 현실적으로 실내 부유세균을 제거하기 위하여 전외기 방식의 공조는 에너지관리 문제로 중간기 이외에는 적용이 불가능하므로, 이 연구에서 제안하는 살균장치 시스템이 실내 부유세균 제거를 위해 유 효하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 벽부착 살균시스템은 재실자가 UVC에 노출될 위험성이 있으므로 상대적으로 UVC에 대한 노출위험이 적어 안전한 파 티션 살균 시스템을 사용하는 것이 에너지 측면, 안전성 측면과 쾌적성 측면 모두에서 유리할 것으로 판단된다. 또한 저풍량에서 발생하는 산술적인 능력을 상회하는 제거능력에 대한 원인 분석을 위한 후속 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 7회/h인 저풍량의 경우는 산술적인 제거량보다 상회하는 실험결과를 보인다. 이것은 벽부착형인 경우 천정부분의 UVC 조사구역으로 인해 살균장치를 직접 통과하지 않아도 살균이 이루어지기 때문으로 판단되며, 파티션형의 경우는 그 원인을 분석하기 위한 연구가 더 필요할 것으로 판단된다.
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