음압격리병실에서의 병실 문의 개폐속도에 따른 실간 압력변동 및 공기교환량에 대한 해석적 연구 A Numerical Study on Pressure Fluctuation and Air Exchange Volume of Door Opening and Closing Speeds in Negative Pressure Isolation Room원문보기
Purpose: In this study, through the comparison of the pressure fluctuation and air exchange volume in negative isolation room according to the type of the door and door opening/closing speeds, which is one of the main factors causing the cross contamination of the negative pressure isolation room, e...
Purpose: In this study, through the comparison of the pressure fluctuation and air exchange volume in negative isolation room according to the type of the door and door opening/closing speeds, which is one of the main factors causing the cross contamination of the negative pressure isolation room, establishes standard operating procedures to prevent cross contamination in high risk infectious diseases and isolation room design. Methods: In this study, the air flow each of the room is analyzed using ANASYS CFX CODE for flow analysis. In addition, the grid configuration of the door is constructed by applying Immersed Solid Methods. Results: The pressure fluctuation due to the opening and closing of the hinged door was very large when the moment of the hinged door opened and closed. Especially, at the moment when the door is closed, a pressure reversal phenomenon occurs in which the pressure in the isolation room is larger than the pressure in the anteroom. On the other hand, the pressure fluctuation due to the opening and closing of the sliding door appeared only when the door was closed, but the pressure reversal phenomenon not occurred at the moment when the sliding door was closed, unlike the hinged door. As the opening and closing speed of the hinged door increases, the air exchange volume is increased. However, as the opening and closing speed of the sliding door is decreased, the air exchange volume is increased. Implications: According to the results of this study, it can be concluded that the pressure fluctuation due to the opening and closing of the hinged door is greater than the pressure fluctuation due to the opening and closing of the sliding door. In addition, it can be confirmed that the pressure reversal phenomenon, which may cause to reduce the containment effect in negative pressure isolation room, is caused by the closing of the hinged door. Therefore, it is recommended to install a sliding door to maintain a stable differential pressure in the negative isolation room. Also, as the opening and closing speed of the hinged door is slower and the opening and closing speed of the sliding door is faster, the possibility of cross contamination of the room can be reduced. It is therefore necessary to establish standard operating procedures for negative isolation room for door opening and closing speeds.
Purpose: In this study, through the comparison of the pressure fluctuation and air exchange volume in negative isolation room according to the type of the door and door opening/closing speeds, which is one of the main factors causing the cross contamination of the negative pressure isolation room, establishes standard operating procedures to prevent cross contamination in high risk infectious diseases and isolation room design. Methods: In this study, the air flow each of the room is analyzed using ANASYS CFX CODE for flow analysis. In addition, the grid configuration of the door is constructed by applying Immersed Solid Methods. Results: The pressure fluctuation due to the opening and closing of the hinged door was very large when the moment of the hinged door opened and closed. Especially, at the moment when the door is closed, a pressure reversal phenomenon occurs in which the pressure in the isolation room is larger than the pressure in the anteroom. On the other hand, the pressure fluctuation due to the opening and closing of the sliding door appeared only when the door was closed, but the pressure reversal phenomenon not occurred at the moment when the sliding door was closed, unlike the hinged door. As the opening and closing speed of the hinged door increases, the air exchange volume is increased. However, as the opening and closing speed of the sliding door is decreased, the air exchange volume is increased. Implications: According to the results of this study, it can be concluded that the pressure fluctuation due to the opening and closing of the hinged door is greater than the pressure fluctuation due to the opening and closing of the sliding door. In addition, it can be confirmed that the pressure reversal phenomenon, which may cause to reduce the containment effect in negative pressure isolation room, is caused by the closing of the hinged door. Therefore, it is recommended to install a sliding door to maintain a stable differential pressure in the negative isolation room. Also, as the opening and closing speed of the hinged door is slower and the opening and closing speed of the sliding door is faster, the possibility of cross contamination of the room can be reduced. It is therefore necessary to establish standard operating procedures for negative isolation room for door opening and closing speeds.
의 조건에서 음압격리병실과 전실 사이의 문의 종류 및 문의 개폐속도의 변화를 통해 전실과 음압격리병실에서 발생하는 압력 변화와 보행자가 없는 상태에서 격리병실과 전실에서 문의 개폐로 인해 발생하는 실간 공기교환량을 CFD Simulation을 통해 비교분석하였다. 이를 통해, 음압격리병실 설계와 공기감염 고위험 신종감염병 발생 시 교차오염방지를 위한 병실운영 표준운영절차(SOP) 수립을 위한 자료 및 음압 격리병실에서 문의 설치 및 설계에 관한 기준 작성 시에 활용하고자 한다.
가설 설정
본 연구에서 실간 공기교환량을 산정하기 위해서 Fig. 4와 같이 격리실에 「오염된 공기」라고 가정한 Smoke를 가득 채우고, 전실을 「오염되지 않은 공기」라고 가정한 Air를 가득 채운 상태에서 문의 개폐에 따른 Smoke와 Air의 교환량을 산정하였다. 이 때 격리실에서 전실로 이동하는 Smoke의 양(m3)을 CmI→A라고 정의하고, 전실에서 격리실로 이동하는 Air의 양(m3)을 CmA→I라고 정의하였다.
제안 방법
격리실의 환기횟수는 격리실 권장 환기횟수인 12회/h(8)로 설정하였으며, 전실의 경우 국가지정입원치료병상 운영관리지침에서 정한 최소 환기횟수인 6 회/h로 설정하였다. 따라서 환기횟수를 기준으로 각 실의 급기량을 선정하였고, 격리실의 배기량은 Fig.
본 연구에서는 해석공간을 정상유동 상태로 해석한 뒤 그 결과를 초기 값으로 설정하여 비정상유동 상태의 해석을 실시하였다. 이 때 정상유동상태 해석의 조건은 100회의 해석 및 수렴조건은 Residual 범위 10-4로 설정하였으며, 난류 해석모델은 k-ε은 T.
이에 따라, 본 연구에서는 격리실 권장 환기횟수인 12회 /h(8)의 조건에서 음압격리병실과 전실 사이의 문의 종류 및 문의 개폐속도의 변화를 통해 전실과 음압격리병실에서 발생하는 압력 변화와 보행자가 없는 상태에서 격리병실과 전실에서 문의 개폐로 인해 발생하는 실간 공기교환량을 CFD Simulation을 통해 비교분석하였다. 이를 통해, 음압격리병실 설계와 공기감염 고위험 신종감염병 발생 시 교차오염방지를 위한 병실운영 표준운영절차(SOP) 수립을 위한 자료 및 음압 격리병실에서 문의 설치 및 설계에 관한 기준 작성 시에 활용하고자 한다.
대상 데이터
배기구는 문에서 발생하는 공기의 유동에 영향을 주지 않기 위해서 각 실의 왼쪽 벽의 상단에 위치하며, 급기구는 각 실별로 2개를 배치하였다. 급기구와 배기구의 크기는 각 440 mm × 440 mm, 550 mm × 550 mm이며, 문의 크기는 가로 1.10 m, 세로 2.06 m, 두께 0.1 m로 하였으며 문 틈사이의 Leak area는 0.03 m2 으로 설정하였다. 이 때 슬라이딩 문은 왼쪽에서 오른쪽으로, 힌지 문은 격리실에서 전실 방향으로 개방되도록 설정하였다.
이론/모형
를 이용하여 음압격리병실과 전실의 공기유동을 해석하였다. 문의 격자구성은 Immersed Solid Methods(10)를 적용하여 문의 개폐의 해석모델로 설정하였다. 해석공간은 [Figure 1]과 같이 세로 4.
Ganesan et al(11) 을 기준으로 하였다. 비정상유동상태 해석의 조건은 Timestep을 0.0025sec을 기준으로 Timestep 0.0025sec 당 10회의 해석 및 수렴조건은 Residual 범위 10-4로 설정하였으며 난류 해석모델은 T.Ganesan et al(11)의 연구결과를 참조하여 실제 실험적 결과와 일치함을 보여준 LES(Large Eddy Simulation) 난류모델을 적용하였다.
본 연구에서는 해석공간을 정상유동 상태로 해석한 뒤 그 결과를 초기 값으로 설정하여 비정상유동 상태의 해석을 실시하였다. 이 때 정상유동상태 해석의 조건은 100회의 해석 및 수렴조건은 Residual 범위 10-4로 설정하였으며, 난류 해석모델은 k-ε은 T.Ganesan et al(11) 을 기준으로 하였다.
성능/효과
2) 힌지 문의 개폐속도가 45 deg/s와 22.5 deg/s인 경우를 비교했을 때 실간 압력변동의 패턴은 거의 유사하나 힌지 문의 개폐속도가 증가할수록 압력변동은 약 2배 정도 상승되는 것을 확인할 수 있다.
3) 슬라이딩 문의 경우 개방하는 순간에는 힌지 문과 달리 문의 움직임에 따른 관성력의 영향력이 힌지 문에 비해 상대적으로 감소되며, 문의 개방에 따른 와류가 크게 생성되지 않음을 알 수 있다. 따라서, 실간 압력변동은 커지 않아 문이 개방됨에 따라 실간 압력차이가 서서히 평압으로 유지된다.
4) 슬라이딩 문의 개방속도가 0.55 m/s와 0.275 m/s인 경우를 비교했을 때 실 간 압력변동의 패턴은 거의 유사하나 슬라이딩 문의 개폐속도가 증가할수록 압력변동은 약 1.3배 정도 상승되는 것을 확인할 수 있다.
7) 힌지 문과 슬라이딩 문의 개폐속도에 따른 공기교환량을 비교한 결과 힌지 문의 경우 문의 개폐속도가 증가할수록 실간 공기교환량이 증가함으로써 개폐속도의 증가에 따른 교차오염의 가능성이 높으며, 슬라이딩 문의 경우 반대로 문의 개폐속도가 감소할수록 실간 공기교환량이 증가함에 따라 개폐속도의 감소에 따른 교차오염의 가능성이 높다는 결과를 알 수 있다. 따라서 음압격리병상 시 설운영시 힌지 문의 경우 개폐속도를 감소시키고 슬라이딩 문의 경우 개폐속도를 증가시킴으로써 격리실과 전실의 공기교환에 따른 교차오염을 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
그러나 실간 공기교환량은 힌지 문의 경우 개폐속도를 느리게, 슬라이딩 문의 경우 개폐속도를 빠르게 할수록 교차오염의 가능성을 낮출 수 있다는 것을 알 수 있다. 이에 따라 음압격리병실에 설치된 문의 종류에 따라 효율적인 운영방안 등 향후 실험적인 방법에 의한 추가 연구가 요망된다. 또한, 힌지 문에 비해 슬라이딩 문의 경우 교차오염의 노출이 감소됨에 따라 음압격리병상에서 슬라이딩 문의 설치가 힌지 문에 비해서 더 적절할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
문의 종 류에 따른 실간 압력변동 및 공기유동에 대한 해석을 통한 분석이 필요한 이유는 무엇인가?
현재 대부분의 음압격리병실의 문은 슬라이딩 자동문을 사용하고 있지만 아직까지 기존에 사용되고 있던 힌지 문을 그 대로 이용하고 있는 음압격리병실이 다수 있으므로 문의 종 류에 따른 실간 압력변동 및 공기유동에 대한 해석을 통한 감 염관리 측면에서의 분석이 필요하다. 또한 문의 종류에 따른 압력변동 및 공기유동해석에 대한 국내의 연구가 부족한 시 점에서 문의 움직임 자체에 따른 봉쇄효과의 정도를 확인할 필요가 있다.
음압격리병실에 설치된 문의 종류 중 힌지와 슬라이딩 중에 더 적절한 것은?
이에 따라 음압격리병실에 설치된 문의 종류에 따라 효율적인 운 영방안 등 향후 실험적인 방법에 의한 추가 연구가 요망된 다. 또한, 힌지 문에 비해 슬라이딩 문의 경우 교차오염의 노 출이 감소됨에 따라 음압격리병상에서 슬라이딩 문의 설치 가 힌지 문에 비해서 더 적절할 것으로 판단된다.
음압격리병실은 어떤 조건 및 목적으로 설계,시공되고 있는가?
여기서 음압격리병실은 격리실과 전실을 음압으로 유지하면서 AIA Guideline(1)에서 최소 2.5 Pa, Victoria(2)의 기준으로 최소 15 Pa의 압력차를 이용하여 음압격리병실에서의 감염균 의 확산을 방지하도록 설계·시공되고 있으나 문의 종류, 문의 개폐속도, 의료진의 이동동선 및 이동속도 등 여러가지 요인으로 인해 오염물질의 확산이 일어날 수 있는 소지가 여러 연구(4-7)를 통해 보고되고 있다.
참고문헌 (14)
AIA, 2001, The Guideline for Design and Construction of Hospital and Health Care Facilities, 2001 edition, pp. 56.
Victoria, 2007, Guideline for The Classification and Design of Isolation Rooms in Health Care Facilities, Victoria Advisory Committee on Infection Control, pp. 5-6.
질병관리본부, 2016, 2016 메르스 대응지침, 메르스 대응지침[4-1판], pp. 3-5.
J.W.Tang, I.Eames, Y.Li, Y.A.Taha, P.Wilson, G.Bellingan, K.N.Ward, J.Breuer, 2005, Door Opening Motion Can Potentially Lead to a Transient Breakdown in Negative-Pressure Isolation Condition: The Importance of Vorticity and Buoyancy Airflows, Journal of Hospital Infection (2005) 61, 283-286.
P.Kalliomaki, P.Saarinen, J.W.Tang, H.Koskela, 2016, Airflow Patterns through Single Hinged and Sliding Doors in Hospital Isolation Rooms - Effect of Ventilation, Flow Differential and Passage, Budiling and Environment 107 (2016) 154-168.
J.Adams, L.David, Johnson, A.Robert, Lynch, 2011, The Effect of Pressure Differential and Care Provider Movement on Airborne Infectious Isolation Room Containment Effectiveness, Am J Infect Control 2011;39:91-7.
I.Eames, D.shoaib, C.A.Klettner, V.Taban, 2009, Movemant of Airborne Contaminants in a Hospital Isolation Room, J. R. Soc. Inerface(2009) 6, S757-S766 doi:10.1098.
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