서 론
연구의 목적
공기를 통한 질병의 감염확산은 미세한 감염원의 부유, 확산을 통하여 이루어지며, 밀접한 접촉이 이루어지지 않음에도 감염을 일으킬 수 있다는 특징을 가진다. 따라서 많은 사람이 이용하는 병원, 학교, 다중이용시설 등에서의 공기전파감염원 확산은 지역사회의 감염확산에 큰 영향을 미칠 수 있다. 초등학교 역시 다수의 학생과 교직원 등이 근무하는 공간으로 공기전파감염을 일으키는 질병의 지역사회 확산에 큰 영향을 줄 수 있는 시설이다. 최근 COVID-19 팬데믹 상황 중 우리나라 유관기관에서는 이러한 초등학교의 특징을 인식하고, 교육시설 등의 감염병 확산방지를 위한 가이드라인을 구축하여 운영하였다. 이에 따라, 비말 및 공기전파를 일으키는 질병의 확산방지를 위하여 마스크의 착용과 충분한 환기량의 확보가 중요하다는 것은 이제 초등학교 내 이해관계자들에 있어 사회적인 통념으로 받아들여지고 있다. 그럼에도 아직까지 기존 설비를 활용한 환기량 조절 및 감염자 격리방법에 대한 구체적인 사례 및 효과는 제시되지 못하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 초등학교에서의 공기전파 감염병 확산방지를 위한 환기량 조절과 감염자 격리조치시점의 효과를 분석하여, 초등학교 내 공기전파 감염병 확산방지를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
연구의 목표 및 범위
본 연구에서는 실내 오염물질의 완전확산농도를 산출할 수 있는 Airflow network simulation을 이용하여 초등학교 내에서의 환기량 조절과 감염자 격리조치가 공기전파감염확률에 미치는 영향을 분석하는 것을 목표로 하였다. 구체적 환기량 조절 방식은 수업시간과, 쉬는 시간에 창문을 완전 개방하여 자연환기를 최대화 하는 방법을 고려하였으며, 감염자 격리 방식은 매 쉬는 시간마다 감염자를 확인하여 배제하는 상황을 검토하였다. 감염자 격리 방식은 팬데믹 상황에서 초등학생의 체온측정을 등교 시와 점심시간에 2회 측정하는 것이 교육부의 가이드라인에 명문화되어 있는 것에 착안한 것이다(MOE, 2022). 또한, 등교 시 체온 측정결과는 하루 중 비교적 낮은 범위에 속하는 외기 온도의 영향을 크게 받는 동시에 안정화되지 않은 상태로 실제 체온에 비해 비교적 낮게 나타날 수 있다는 가정과(Kim et al., 2020; Jung and Rhee, 2022) 함께 점심시간 동안의 체온 재측정을 통해 감염자를 확인 격리·귀가 조치를 시키는 것은 다소 늦은 조치일 수 있다는 판단에 근거한다.
연구의 방법
공기전파감염확률 계산 방법
아래 식 (1)은 공기전파감염확률 산정을 위한 Wells-Riley equation 이다(Wells, 1995; Rudnick and Milton, 2003). 아래 식의 지수식 상단은 실내의 완전확산농도(Iq/Q) 및 노출시간(t)동안 비감염자의 흡입 호흡량(p)의 곱으로 표현되어, 비감염자 1인이 일정 기간동안 흡입한 공기전파감염원의 총량으로 간주할 수 있다(Sze To and Chao, 2010). 대상 감염원은 인플루엔자 바이러스로 설정하였으며 배출량은 기존 문헌을 참고하여 시간당 100 quanta로 설정하였다(The National Air Filtration Association, 2012). 이 수치는 호흡기 증상이 있는 감염자로부터 배출되는 공기전파감염원 발생량이다. 감염자는 입실 때부터 공기전파감염원을 배출하는 것으로 설정하였으며, 실내에서 감염자가 신규 발생하고 추가적으로 공기전파감염원을 배출하는 상황은 고려하지 않았다. 이는 공기전파감염원이 체내에 유입되더라도 신체 내부에서 감염원의 증식이 이루어지고 다시 호흡기를 통하여 배출되는데 까지 어느 정도의 시간이 걸리는 것으로 판단하였기 때문이다. 비감염자의 호흡량은 15 m3/day로 설정하였다(EPA, 2011). 식 (1)의 적용은 10분단위로 하였으며 시뮬레이션 해석결과를 10분단위로 출력하여 이에 따른 10분동안의 호흡량 및 노출시간(t) 을 적용하여, 일정 기간동안의 공기전파감염원 전체 흡입량을 산정하였다.
PI : 공기전파감염확률(airborne infection probability of a susceptible person, %)
c : 감염횟수(number of infection cases)
s : 초기 비감염환자 수(number of susceptible persons)
I : 감염환자 수(number of infectors)
p : 감염원을 흡입하는 사람의 호흡량(breathing rate of a susceptible person, ㎥/h)
q : 감염환자로부터의 공기전파감염원 발생량(quantum generation rate by an infector, quanta/h)
t : 공기전파 감염원 노출 시간(exposure time, h)
Q : 대상실의 환기량(Ventilation rate, ㎥/h)
시뮬레이션 방법 및 해석 케이스
본 연구에서는 ContamW를 이용하여 Airflow network simulation을 수행하였다. 이를 통하여, 교실 내 공기전파감염원의 완전확산농도를 산출하였으며, 결과값을 기 제시된 식 (1)에 대입하여 공기전파감염확률을 산출하였다. 실내의 감염환자는 1명으로 설정하였으며, 쉬는 시간 및 점심식사 시간과 무관하게 종일 재실하는 것으로 가정하였다. 기본적인 해석 모델은 외부로의 airflow path를 가진 단일존과 이에 수반된 Air Handling Unit (AHU)으로 구축하였다. 대상 교실의 크기는 최대 30명 정도가 수용가능한 8.4 m × 8.1 m × 2.6 m 의 크기로 설정하였으며, 이에 따른 실 체적은 176.9 m3이다. 교실의 누기면적은 기존 문헌을 참고하여 372.9 cm2으로 설정하였다(Jeon et al., 2020). 교실의 누기 면적은 해석 모델 전후면에 186.45 cm2를 가진 airflow path 2개를 설정하는 것으로 처리하였다. 이 때 각각의 airflow path의 discharge coefficient는 0.6, flow exponent는 0.65로 설정하였다. 단, 자연환기 모사는 단순화하여, 기존 연구 문헌에 나타난 자연환기량 해석 결과를 기계환기장치(AHU)의 운영 스케줄에 직접 반영하는 것으로 처리하였다. 기계환기장치는 각 교실 마다 설치되는 개별방식으로 처리하였다. 해석 시, 실내외의 온도는 20°C로 동일하다고 가정하였다. 실내 공기전파감염원의 source 모델은 constant coefficient 모델을 적용하였으며, removal rate는 배제하고 generation rate만을 고려하여 공기전파감염원이 정량 배출되는 것을 개략적으로 모사하였다.
초등학교 교실의 환기량은 수업시간(40분), 쉬는시간(10분), 점심식사 시간을 구분하였다. 기본적인 환기 운영방식은 수업 중에는 기계환기를 운영하고, 쉬는 시간과 점심식사 시간에는 자연환기를 운영하는 조건(해석 시, 기계환기의 환기량으로 가정하여 처리)으로 설정하였다. 자연환기량은 건축물의 형태에 따라 편차가 크다. 맞통풍이 가능한 형태의 경우 자연환기량이 매우 높아 실내 공기전파감염원의 배출이 원활하겠지만, 맞통풍이 어려운 형태의 건축물에서는 자연환기에 의한 공기전파감염원의 배출이 비효율적이다. 본 연구에서는 Kim and Choi (2019)의 학교시설 내 자연환기량에 대한 해석적 연구를 참고하였으며, 추계 자연환기량인 39.2 ACH의 1/10이하에 해당하는 3 ACH를 비효율적인 자연환기 조건의 환기량으로, 약 1/4에 해당하는 10 ACH를 원활한 자연환기 조건의 환기량으로 설정하였다. 이는 자연환기량인 39.2 ACH는 매우 큰 값으로 실내의 공기전파감염 관리 측면에서 매우 유리한 한 측면이 있지만, 항상 이러한 환기량을 얻을 수 없을 가능성이 존재하는 자연환기의 불확실성을 고려한 임의적인 수치이다. 특히 10 ACH는 해외에서 공기전파감염 관리를 위해 제시하는 6 ACH~12 ACH의 범위에 해당하는 값이다(California Department of Public Health, 2021). 참고적으로 이러한 자연환기의 불확실성 때문에 공기전파감염 관리 측면에서 전적으로 자연환기 방식에만 의존하는 것은 권장되지 않는다(California Department of Public Health, 2021). 건축물의 형태는 다르지만, 재실자의 행동패턴을 포함된 공동주택의 자연환기량을 실측을 통해 평가한 Yoo and Cho (2020)의 연구에서도 외기 온도가 온난한 조건에서 10 ACH 이상의 환기량이, 그 이하 추운 외기온도 조건에서는 자연환기량이 급격하게 줄어드는 경향이 있는 것을 고려하면, 설정한 자연환기량 조건은 비교적 납득할 만한 조건으로 판단된다. 한편, 기계환기량은 20명 재실 조건을 기준으로 산정하였으며 최대 30명까지 감당 가능하다고 가정하였다. 이 때 1인당 필요환기량은 21.6 CMH 이며, 비재실 조건의 침기량은 0.5 ACH로 설정하였다. 구체적인 설정 조건은 아래 Table 1에서 전체 해석 케이스와 더불어 제시되었다. 제시된 환기량은 CMH (Cubic meter per hour)로 수업시간과 쉬는 시간의 실제 공기교환량은 해당 환기량에 운영시간을 곱한 값이 된다.
Table 1의 Case 1~Case 5는 마스크 미착용 조건이며, Case 1B~5B는 감염자만이 마스크를 착용한 조건에 해당한다. 마스크 착용은 팬데믹이 아닌 일반 상황을 가정하여, 감염자만이 비교적 낮은 성능의 마스크를 착용하는 것으로 가정하였다. 이 때 마스크는 일반 천으로 가정하여 배출되는 감염원의 40%를 제거하는 것으로 가정 하였다(Pan et al., 2020; Ueki et al., 2020). Case 1은 재실인 20명에 해당하는 최소환기량을 전체 재실기간동안 운영한 조건이다. 이 때의 상시 환기량은 432 CMH, 약 2.44 ACH에 해당하는 조건이다. Case 2는 Case 1 조건에 더해 쉬는 시간에 기준 환기량에 50%를 추가적으로 증가시킨 조건이다(재실인원 30명 기준 환기량에 해당). Case 3 재실인원 30명에 해당하는 환기량을 전체 재실기간 동안 운영한 조건이다. Case 4~5는 Case 1조건에서 쉬는 시간동안 자연환기를 수행한 조건이다. Case 4는 비효율적인 자연환기 조건을 가정하여 쉬는 시간 동안 3 ACH에 해당하는 530 CMH 조건으로 환기를 수행한 조건이다. 이 때 쉬는 시간 10분 동안의 실제 환기량은 530 CMH의 1/6에 해당하는 88.3 m3이 된다. Case 5는 비교적 원활한 자연환기 조건을 가정하여 쉬는 시간동안 10 ACH에 해당하는 1,769 CMH의 자연환기가 수행되는 조건이다. Case 1B~Case 5B는 앞서 언급한 바와 같이 Case 1~Case 5에서 마스크를 착용한 조건으로 공기전파감염원 배출량이 40% 감소한 조건이다. Case 1C, Case 1D는 전체 기간동안 10 ACH (1,769 CMH)의 자연환기를 수행한 조건이며, 마스크 착용 조건만 상이하다. Case 1C, Case 1D는 다른 실내 환경 조건 만족보다 감염원 배출을 최우선 목표로 자연환기를 최대로 한 것이다. Table 2의 Case 6~Case 9는 공기전파감염 확산방지를 위한 선제적 조치로 감염의심 학생에 대한 배제조치를 시행하는 케이스이다. 1교시부터 4교시 까지 매 50분 씩 감염의심 학생의 배제조치(귀가 등)를 지연 시켰을 때 교실 내 공기전파감염확률을 산출하였으며, 보수적인 조건으로 마스크는 착용하지 않은 조건으로 하였다. 환기량은 Case 1과 동일하게 20명의 재실자에 요구되는 법적 최소 환기량을 적용하였다. 이는 추가적인 체온 측정을 수행하여 감염이 의심되는 재실자를 빠르게 배제 조치시키는 방안을 제시한 것이다.
Table 1.
Simulation cases (ventilation scenario)
해석 결과 및 분석
Figure 1~Figure 2는 수업시간과 쉬는 시간의 환기량을 변화시킨 케이스에서의 해석 결과를 도시하고 있다. 또한, Figure 3은 매 쉬는 시간 마다 감염재실자를 확인하고 타 학생과 분리배치 하였을 때의 실내 공기전파감염확률 해석결과를 도시한다. Table 3은 하루 누적 공기전파감염확률을 각 케이스별로 제시한 것이며, 오후 3시를 기준으로 산출하였다.
Figure 1에서 확인할 수 있는 것은 쉬는 시간 동안 환기량을 증가시키는 방법을 통해 실내 공기전파감염원 농도를 일정수준 낮출 수 있으나, 다음 수업 시간 동안 환기량을 줄이게 되면 공기전파감염원의 농도는 다시 빠르게 증가한다는 것이다. 마스크 미착용 시 재실인원 20명 기준의 상시 환기량을 적용한 Case 1의 경우 하루 누적 감염확률은 56%에 이른다. 쉬는 시간 동안의 환기량을 증가시켜 줄수록 이 감염확률을 줄어 드는데, 쉬는 시간 동안 30명 재실원 기준의 환기량을 적용한 Case 2는 51%, 비효율적인 자연환기 조건을 적용한 Case 4는 47%, 효율적인 자연환기 조건을 적용한 Case 5는 38%의 감염확률을 보여준다. 이러한 결과는 쉬는 시간 10분 동안 환기량을 크게 증가 시켜 줌으로 어느 정도의 감염확률 저감효과를 얻을 수 있지만, 극적인 저감효과는 기대하기는 어려움을 보여준다. 동일한 조건에서 마스크를 착용하고 쉬는 시간동안 10 ACH의 자연환기를 적용한 Case 5B에서 25%의 감염확률을 보인다. 자연환기를 최대한 활용하여, 재실 기간 동안 전면적으로 원활한 수준의 자연환기를 적용한 조건의 하루 감염확률은 마스크 미착용 시 19% (Case 1C), 마스크 착용 시 12% (Case 1D)로 나타나 공기전파 감염확률을 추가적으로 더 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다.
Case 6~9는 공기전파감염에 취약한 마스크 미착용 조건에서 감염환자를 빠르게 확인 배제조치 할 때의 해석 결과이며, 배제조치가 빠르면 빠를수록 실내 공기전파 감염확률이 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 1교시를 마치고 감염자를 확인 배제조치할 경우 하루 누적 감염확률은 11%에 이르는 것으로 나타났으며, 점심시간 중간(수업 시작 200분 이후)에 감염자를 배제조치 하는 경우에는 감염확률이 38%에 이르는 것으로 나타났다. 이러한 해석 결과는 초등학교에서 법규상의 상시 환기조건을 유지할 때, 재실하는 감염환자를 초기에 효과적으로 배제 할 수 있다면, 교실 내 공기전파감염확률을 효과적으로 감소시킬 수 있다는 것을 보여준다. 만약 팬데믹 상황에서 마스크를 착용함과 동시에 이러한 빠른 배제조치가 원활히 수행될 수 있다면, 공기전파감염확률은 추가적으로 유의미하게 감소할 것으로 판단된다.
논 의
팬데믹 상황에서 마스크를 착용하고 쉬는 시간동안 자연환기등을 통해 환기량을 매우 높게 수행할 수 있다면(Case 5B), 아무런 별도 조치를 하지 않은 조건(Case 1)에 비해서 공기전파감염확률을 약 절반 수준으로 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 그러나, 이러한 대안을 자연환기만을 통해 수행하기 위한 제한 조건은 분명히 존재한다. 먼저, 자연환기를 통해 이러한 환기량을 만족시켜 주고자 할 때, 건축물의 계획상의 제한 및 자연환기량의 불규칙한 변동이 제한요인으로 작용할 수 있다. 과거 초등학교 건축물은 표준도의 구축 등을 통하여 맞통풍이 가능한 평면형태로 비교적 표준화되어 있었다. 그러나, 최근 건축되는 초등학교는 도시의 면적 부족 등으로 맞통풍이 어려운 형태가 빈번하게 적용되고 있는 상황이다. 따라서, 이러한 초등학교에서는 Case 4에서와 같이 충분한 자연환기량을 획득할 수 없는 상황이 발생하게 된다. 한편, 초등학교의 형태에 따라 복도 전면과 후면의 교실 모두의 창문을 개방할 경우, 자연환기에 의해 공기감염원이 배출되는 측의 교실에서는 오히려 공기전파감염확률이 증가할 수 있다는 우려도 존재할 것이라 판단된다. 이러한 전반적인 결과는 팬데믹 상황에서 기계환기의 부족한 환기량을 최대 자연환기로 보완하고자 하는 교육부의 기존 방침은 그 효과 측면에서 다소간의 불확실성이 있음을 의미한다. 이러한 경우 개별 교실에 기계환기 장치를 추가 설치하거나 용량을 증가시키는 것이 확실한 대안이 될 수 있다.
해석결과를 살펴볼 때, 맞통풍이 가능한 형태의 초등학교에서 마스크를 착용하고 창문 전면개방(상시)과 기계환기를 병행할 때의(기존 가이드라인 권장사항으로 Case 1D에 해당) 공기전파감염확률은 12%로 법적 환기 조건의 56%에 비해 약 1/5 수준에 불과하다. 그러나 이외의 조건에서는 공기전파감염확률을 낮출 수 있는 한계가 존재함을 확인할 수 있다.
한편, Case 6~9의 해석 결과를 통해 감염자의 조기 배제에 중점을 둔 초등학교의 운영을 통해 공기전파 감염확률을 크게 낮출 수 있음을 보여준다. 1교시 이후 체온 측정을 하거나, 유증상자에 대한 확인을 수행하여 감염자를 조기 배제할 수 있다면 가장 이상적인 사례라 할 수 있는데, 이 때의 하루 동안의 누적된 공기전파감염확률은 마스크를 착용하지 않은 조건임에도 11%에 지나지 않는다(Case 6). 물론 기존 교육부가 안내한 가이드라인(MOE, 2022)에서처럼 추가적으로 점심시간 동안 학생의 체온 측정 및 유증상자 확인을 수행하는 것도 어느 정도 타당하다고 판단된다(Case 9). 그러나 등교 입실 전 수행하는 체온 측정은 비교적 낮은 오전의 외기온도에 노출 되어 있는 상태의 체온 측정결과인 동시에, 체온의 안정화가 이루어지지 않은 상태의 측정결과일 수 있기 때문에, 보조적으로 1교시 이후 체온측정을 수행하는 것은 보다 안전한 학교 환경의 조성을 위하여 권장할 만한 하다고 판단된다.
참고로, 별도의 추가적인 해석을 통해 팬데믹 상황에서 적용하는 교육부의 가이드라인에 준하는 조건인 법적인 환기량 상시가동, 감염자와 비감염자의 마스크 동시 착용 및 감염자를 점심시간에 배제(입실후 200분 경과 시점) 하는 조건에 대한 교실 내 하루 누적 감염확률은 Case 6의 감염확률과 유사한 11%에 해당한다. 이는 한 명의 감염자가 20인 재실 조건의 교실에서 하루 2.2명을 감염시킬 수 있으며, 이는 잠정적으로 교사 내 감염자가 지속적으로 증가할 수 있음을 의미한다. 한편, 위와 동일한 조건 하에서, 교육부에서 제시하는 조건을 기반으로 1교시 이후 감염자를 배제하는 상황의 공기전파감염확률을 산출한 결과, 하루 누적 감염확률은 3%에 지나지 않았다. 이는 20명 재실 조건에서 감염자 1인이 하루 0.6명을 감염시킬 수 있음을 의미한다. 즉, 1교시 이후에 감염자를 적절하게 배제할 수 있을 경우 하루 감염 예상인원이 1명 이하로 줄어, 장기적으로 교사 내 감염 환자의 증가를 막을 수 있음을 의미한다.
결 론
본 연구에서는 초등학교의 공기전파감염을 줄이기 위한 방안 중 환기량 조절과 감염자 격리 시점에 대하여 검토하였다. 단순히 환기설비 용량만을 증가시킨다는 경제적인 부담이 되는 대안 대신, 기존 활용가능하며 신속 적용이 가능한 운영적 기법을 충분히 고려하려 하였다. 이를 위해 쉬는 시간동안의 환기량 증가 및 감염자 조기배제를 통한 교실 내 공기전파감염확률의 감소효과를 중심으로 분석하였으며, 그 결과는 아래와 같이 요약될 수 있다.
(1)창문을 상시 전면개방하여 자연환기를 최대한 유도 할 수 있는 교실에서 원활한 자연환기가 수행되는 경우, 공기전파감염 확률을 (Case 5B, 12%) 법적 상시 기계환기만을 수행하는 상황(Case 1, 56%)보다 크게 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다.
(2)교실에서 충분한 자연환기를 확보할 수 없는 부득이한 상황 등이 존재하는 경우 충분한 공기전파감염확률의 저감효과를 얻지 못할 수 있어(Case 4, Case 4B) 추가적인 대안 마련이 필요할 것으로 판단된다.
(3)마스크를 착용하지 않은 공기전파감염병 환자를 1교시 이후에 조기 배제시키는 대안(Case 6)의 경우 하루 누적 감염확률을 11%로 낮출 수 있는 것으로 나타나 가장 우수한 감염방지 효과를 보인다. 즉, 마스크를 착용하지 않는 상황에서도 별도의 조치 없이 공기전파감염을 일으키는 질병 감염자를 빠르게 확인하고 배제하는 것만으로도 매우 효과적인 감염방지 효과를 얻을 수 있음을 의미한다.
본 연구를 통해, 초등학교 내에서 감염자의 빠른 확인과 배제가 교사 내 공기전파감염 관리에 있어 매우 중요한 사항이 될 수 있음을 확인하였다. 특히, 초등학교에서 1교시 이후 감염자를 즉시 격리할 수 있다면 마스크를 착용하지 않은 조건에서도 공기전파감염확산을 효과적으로 막을 수 있는 것으로 나타나 주목할 만하다. 추가적인 비용을 수반할 수 밖에 없는 물리적인 시설 구축이 당장 이루어지기 어렵거나, 건축적으로 자연환기가 어려운 상황에서 감염자의 조기 확인·배제조치는 마스크 착용과 더불어 공기전파감염 방지를 위한 초등학교 운영 측면에서 가장 우선적으로 고려되어야 할 사항으로 판단된다.
