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[특별기고] LG전자 모듈러 음압시설 HVAC 솔루션 및 사례

코로나19 확산, 확진자 급증
이동형 모듈러 음압병실 요구 증가



2019년 발생한 코로나19로 확진자가 점차 증가하고 있으나 음압시설은 부족하고 음압시설에 대한 설비기준을 맞추기에는 시간과 예산이 부족한 상황이다.

코로나19와 같은 감염병 확산을 방지하기 위해서는 적절한 의료체계 및 시스템이 갖춰져야 한다. 호흡기를 통해 전염되는 감염병에 전염된 환자의 경우 병원체가 병원에서 전파되면서 2차 감염되는 현상을 방지하기 위해 병실 외부의 공기압력, 즉 대기압보다 병실내부의 공기압력을 낮게 유지함으로써 병실 내 공기 또는 에어로졸이나 비말 중에 포함된 병원체가 외부로 배출되지 않도록 음압병실에서 치료를 받아야만 한다. 하지만 경우에 따라 긴급대응을 위해 의료진들은 임시건물 혹은 야외 텐트에서 최소한의 음압장비가 설치된 열악한 환경에서 힘든 싸움을 2년 가까이 해오고 있다.

이동형 모듈러 의료시설의 경우 건물 내에서 진료가 이뤄지므로 날씨 등 야외에서 수반되는 단점들을 보완할 수 있으며 격리실 운영을 통해 코로나19 확산을 신속히 방지할 수 있다.

현재 국내 음압 설계기준은 메르스 사태 때 경험과 미국, 유럽, 일본 등 선진국들의 설계기준을 참고해 음압을 -2.5Pa 이하로 하고 환기횟수를 6~12회 정도로 설계에 반영하고 있다. 이동형 읍압기의 경우 각 실별 설치 및 거치공간과 냉난방공조가 추가로 필요하며 일반 음압기는 외기도입이 실체적대비 많아지면서 에너지소비량 증가, 내부결로 및 Cold Draft(겨울철 차가운 공기 유입) 등의 문제가 발생되고 있다.

LG전자는 이러한 문제를 해결함과 동시에 새로운 건축방식인 모듈형 음압시설에 적합한 음압공조와 열환경 문제들을 개선한 HVAC 솔루션 사례를 제시한다. 평상 시 병실을 일반 환자가 입원치료를 받을 수 있는 일반병실로 사용할 수 있도록 하고 감염병이 퍼지는 비상재난 시 감염병 환자가 입원치료를 받을 수 있는 음압병실로 신속하게 전환시켜 사용할 수 있도록 제공한다.

냉난방기와 공조유닛을 조합으로 설치해 병실의 음압 유지와 병실의 냉난방, 환기를 동시에 관리하고 냉난방 시 소비되는 전기에너지량을 줄여 유지비용을 최소화시킬 수 있다.

또한 환기유닛 내 Coil과 가습소자를 통해 40~60%의 적정 습도를 유지시키고 쾌적한 공기를 제공할 수 있다.

이동형 모듈러 음압시설의 개선점
질병관리본부의 입원치료(격리)병상 시설기준에 음압격리구역의 공조설비는 병원 내 다른 구역과 급배기 설비가 분리돼 있어야 하고 환기횟수는 6회 이상이 의무, 12회 이상을 권장하고 있다.

음압격리시설은 ACH(Air Change per Hour: 시간당 환기횟수)가 다중이용시설대비 약 3배 이상 필요하다. 결국 외기도 입량 증가로 외기 부하가 커져 에너지소비량은 증가된다. 또한 실체적대비 환기량이 많아 기류유동이 다중이용시설대비 크게 발생한다. 특히 겨울철 실내 거주구역에는 Cold Draft가 발생될 수 있다.

음압시설은 급기는 전외기 방식으로 신선외기를 100% 도입하고 내부공기를 재순환하지 않고 운전된다. 이로 인해 여름철에는 다량의 고온다습한 외부공기가 실내로 유입돼 내부결로의 원인이 될 수 있다.



현재 국내 음압병상은 상대습도에 대한 권고기준은 없지만 Fig. 1과 같이 상대습도가 40~60%로 유지할 경우 바이러스 감염력을 현저히 감소시킨다는 연구결과가 보고된 바 있다. 이에 따라 바이러스 확산을 방지하기 위해 여름철 고온다습한 공기의 제습과 겨울철에는 Fig. 2와 같이 상대습도를 개선할 수 공조방식이 요구된다.

향후 코로나바이러스가 없어지면 막대한 예산을 들여 만든 음압설비들은 재활용이 어려워진다. 이에 따라 코로나 이후를 고려해 모듈러 음압시설들은 다른 용도의 시설로 재활용이 가능해야 한다.

이를 위해서는 공조설비를 통해 실내공간의 압력이 음압, 양압, 평압이 될 수 있도록 압력 가변제어가 가능한 공조시스템으로 계획해야 한다.


모듈러 음압시설 HVAC 솔루션 사례 
최근 인천공항터미널에 약 160m² 규모로 코로나19 검사센터가 이동형 모듈러방식으로 준공됐다. 해외출국자들이 코로나 검진을 편리하게 받을 수 있는 시설이며 코로나19 관련 PCR, 항원항체 검사 및 현장분석시스템과 확진자 격리용 음압병실을 갖췄다.

검사센터의 격리병실에는 음압 공조설비, 검체 채취실은 양압 공조설비가 구성됐으며 검사센터 이용자들과 의료진들이 안심하고 이용할 수 있는 HVAC 시스템이 설치됐다.

음압시설에는 오염공기의 역류방지를 위해 HEPA Filter급 여과장치를 적용해야 하므로 고정압 팬과 마찰손실을 최소화할 수 있도록 덕트설계를 최적화했다. 격리병실, 전실은 음압이 필요하고 진료실은 양압이 필요하다. 시설 내 목표음압 또는 양압을 동시에 구현하기 위해 CFD(기류해석시뮬레이션) 결과를 바탕으로 RA(Return Air) 디퓨져와 SA(Supply Air) 디퓨져를 최적 설계했으며 ERV의 SA팬과 RA팬 RPM을 가변제어해 목표하는 음압과 양압을 구현했다.

RA와 SA 팬 풍량 가변이 음압과 양압을 형성하는데 어떠한 영향을 미치는지 분석한 결과 차압은 RA 팬풍량을 SA 팬풍량보다 20% 크게 적용하면 RA와 SA팬풍량이 동일한 것대비 약 40% 크게 나타났다.



음압시설의 외기부하 증가로 늘어난 에너지소비량을 줄이기 위해 ERV의 전열교환기를 반영했으며 외기열부하 전처리를 위해 예열 및 예냉이 가능한 DX Coil이 내장된 ERV를 설치했다. 여름철 잠열이 큰 고온다습한 공기를 전처리 후 실내로 공기를 유입할 수 있어 내부 결로문제가 개선됐으며 겨울철 Cold Draft가 발생되지 않도록 할 수 있었다. 겨울철 내부 바이러스 저감효과를 위해 Fig. 3과 같이 상대습도를 40~60% 정도로 유지할 수 있는 가습장치가 추가돼야 할 것이다.

또한 Fig. 4와 같이 각 실별 냉난방과 차압센서 연동 중앙제어를 적용해 의료진이 상시 음압상태를 모니터링 및 관리할 수 있도록 했다. 중앙제어기는 인터넷 연결기능을 내장하고 있어 PC나 모바일로 해당 IP에 접속하면 현재 상황을 원격으로 모니터링 가능하다.

음압설계 최적화를 위해 ANSYS Fluent를 활용했으며 국내 및 해외 음압 설계기준 등을 참고했다. 옥외로부터 전실을 통해 검체처리실 및 PCR실로 기류가 형성되도록 이동형 모듈러 음압시설과 덕트시스템을 모델링했다. 출입문 하단에 높이 5mm의 문틈을 가정해 공기가 이동하도록 설치현장과 가깝게 모델링했다.



환기 유닛은 음압형성을 위해 급기량(SA)대비 배기량(RA)이 20~30% 높은 조건에서 운전됐다. 디퓨저는 완전 개폐됐다고 가정했으며 덕트시스템에 따른 음압성능을 비교하기 위해 Fig. 6와 같이 4가지 경우의 해석 Case를 선정했다. 표준상태 조건에서의 공기의 물성, 옥외압력은 대기압으로 고려했다.

높은 음압형성이 필요한 PCR실과 검체처리실, 전실 순으로 RA덕트를 배치했으며 반대로 SA덕트는 후류 측에 전실과 검체처리실 순으로 배치했다. 해석결과 실별차압이 –8~-13Pa로 형성됐다.

개선방향
바이러스 전파를 막는 데 가장 중요한 요소인 음압시스템을 효율적으로 설치하기 위해 LG전자의 공조기술을 적용했다.

옥외 설치되는 음압병실의 경우 고온다습한 외기가 직접 유입돼 여름철에는 실내결로가 발생하고 겨울에는 차가운 바람이 의료진 혹은 환자에게 직접 전달되는 문제가 있다.

음압병실은 시간당 6~12회 이상 공기교체가 이뤄져야하기 때문에 많은 냉난방에너지가 소요가 될 수밖에 없다. 이번 인천공항 코로나19 검진센터에는 LG전자의 ERV(DX)시스템을 적용해 외기가 실내 투입되기 전 충분한 열교환이 이뤄져 냉난방에너지를 절감할 수 있다.

LG전자의 800CMH와 250CMH ERV(DX) 2대로 약 160m² 공간에 음압 및 양압공조를 형성할 수 있다. 이를 통해 교차오염을 방지할 수 있는 안전성을 확보하고 제습기능을 추가해 환자의 쾌적도를 올렸다.

또한 차압센서 연동 중앙제어를 적용해 의료진이 상시 음압상태를 모니터링 및 관리할 수 있도록 하고 향후 추가될 수 있는 다양한 제어 및 정보연동에 대비해 확장성을 확보했다.