Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. February 2020. 42-53
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20200005


ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  •   연구의 목적

  •   연구의 방법 및 범위

  • D시 호흡기질환 전문 중규모 병원 실태조사

  • 진료부 평면유형별 수치해석 조건

  •   대상건축물의 선정

  •   수치해석의 입력조건

  • 에어필터 효율에 따른 평면유형별 공기와 비말 감염균 농도 분석

  •   평면유형별 진료부내 공기와 비말 감염균 분포 분석

  •   통합형 진료부의 에어필터 효율별 공기 감염균 농도 분석

  •   통합형 진료부의 에어필터 효율별 비말 감염균 농도 분석

  •   복도형 진료부의 에어필터 효율별 공기 감염균 농도 분석

  •   복도형 진료부의 에어필터 효율별 비말 감염균 농도 분석

  • 결 론

서 론

연구의 목적

2019년 1월 D시 의료시설에서 RSV(호흡기세포융합바이러스)와 홍역과 같은 호흡기 관련 질병이 유행하였다. 두 질병은 사람들이 밀집해 있을수록 빠르게 확산되는 특징을 가지고 있으며, 감기 증상과 흡사하여 사람들의 경계심을 쉽게 무너뜨렸다. 홍역의 경우 감염자 가운데 의료진이 많은 비중을 차지하였으며, 확산경로 또한 병원에서 시작되었을 정도로 원내감염은 쉽게 이루어지고 있어 원내감염 확산 방지가 더욱 중요해졌다. 병원의 진료부는 크게 대기실, 진료실, 치료실로 구분되는데 대기실은 대기 공간 외에도 출입구, 안내, 접수·수납 창구, 편의시설 등으로 다양하게 사용되고 있어 내원자들의 유동이 많아 원내감염의 우려가 높다(Oh and Kweon, 2017; Lee et al., 2017). 특히, 중규모병원의 대기실은 진료실 및 치료실과 인접하여 사용되고 있으나, 다른 주요 시설과 달리 공기 재순환에 대한 기준이 없어 원내감염 예방을 위한 설비가 요구된다.

따라서, 본 연구는 호흡기 질환을 주로 다루는 D시의 중규모 병원을 대상으로 실태 조사하여 평면을 유형별로 분류한 후, 평면유형이 다른 대상건축물을 선정하여 실내기류를 실측하고, 이를 근거로 원내감염 예방을 위한 설비 가운데 에어필터의 효율에 따른 공기와 비말 감염균의 분포를 분석하여 병원진료부에서 공기 재순환을 통해 발생하는 공기 및 비말 감염의 확산을 예방하기 위한 기초자료로 제시하고자 한다.

연구의 방법 및 범위

본 연구는 중규모 병원에 대한 자료조사와 실태조사를 실시하여 진료부내 대기실과 진료실 및 치료실의 공간 구성을 평면유형별로 분류하고, 수치해석 프로그램인 STAR CCM+(ver 11.06)를 이용하여 원내감염을 유발하는 공기와 비말 감염균 분포를 분석한 연구로 방법 및 범위는 다음과 같다.

1) D시 중규모 병원 가운데 호흡기 질환을 주로 진료하는 병원(내과, 이비인후과, 가정의학과, 소아청소년과)을 현장조사하여, 진료부내 대기실과 진료실 및 치료실의 평면을 2가지 유형인 통합형과 복도형으로 구분하였다.

2) 중규모병원 진료부의 평면유형으로 선정된 통합형과 복도형의 대상건축물을 각각 선정하였으며, 공조설비 시스템 구성과 취출·흡입구 풍속을 현장조사하여 수치해석의 입력조건으로 설정하였다.

3) 실내로 유입되는 공기의 비율은 외기 30%, 재순환 70%로 하였으며, 공기와 비말 감염균 또한 70%로 재순환 되도록 하였다,

4) 원내감염 예방을 위한 설비로 공조기내 에어필터 설치를 이용하고, 에어필터 설치 유형은 HEPA 필터와 Medium 필터 1개, Medium 필터 2개를 적용하였다.

5) 감염균을 공기와 비말 감염균으로 구분한 후(Kwon and Kim, 2010), 평면유형별 에어필터 설치 유형에 따른 감염균 분포를 비교분석하였다.

D시 호흡기질환 전문 중규모 병원 실태조사

중규모병원은 의료법상 300병상 이하이며 7개 진료과 및 전문의를 갖춘 일반병원을 지칭하는 것으로, 2019년 2월말 기준 D시내 18개소가 있으며, D시의 진료과목별 중규모병원 수를 Figure 1로 나타냈다. 이 가운데 내과, 이비인후과, 가정의학과, 소아청소년과 등 호흡기 질환을 전문으로 치료하는 5개소 병원을 현장조사 대상으로 선정하여, 대상 평면이 대기실을 중심으로 진료실과 치료실이 배치되어 있으면 통합형, 대기실에서 진료실 및 치료실 사이에 복도로 공간이 분리되어 있으면 복도형으로 구분하였다. D시의 호흡기 질환 전문 중규모병원을 병상수와 냉·난방 설비, 호흡기질환 진료과목 수, 평면유형 및 환기설비 재순환율을 Table 1에 나타냈다.

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Figure 1.

Number of medium hospitals in D city specializing in respiratory diseases (2019.02)

Table 1. Field survey results of medium hospitals in D city specializing in respiratory diseases

Hospital Name Number of beds Cooling Heating Method Number of Specialized Departments Plan Type Ventilation System Recirculation Rate (%)
W 129 2way EHP 10 (4) Integrated Type 60%
WDG 172 10 (4) 70%
SDS 174 4way EHP 11 (3)
SG 172 12 (3) Corridor Type
M 237 13 (4) 60%

Respiratory diseases specialized departments
(3) : internal medicine, family medicine, pediatrics
(4) : internal medicine, family medicine, pediatrics, otolaryngology

진료부 평면유형별 수치해석 조건

대상건축물의 선정

D시의 호흡기질환 전문 중규모병원을 실태조사하여 그 가운데 평면유형이 Figure 2와 같이 대기실을 중심으로 진료실과 치료실이 배치되어 있는 통합형의 WDG병원과 Figure 3과 같이 대기실에서 진료실 및 치료실 사이에 복도로 공간이 분리되어 있는 복도형의 SG병원을 수치해석 대상건축물로 선정하였다. 2개 병원 모두 취출구는 진료실과 치료실에 설치되어 있으며, 흡입구는 대기실과 복도에만 설치되어 있다. 냉·난방방식은 EHP를 사용하며, 환기설비는 취출·흡입구를 이용하여 재순환율 70%로 이루어지고 있다.

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Figure 2.

Plane of the integrated type outpatient department (WDG Hospital)

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Figure 3.

Plane of the corridor type outpatient department (SG Hospital)

수치해석의 입력조건

수치해석을 위하여 대상건축물의 취출·흡입구 풍속은 실측값을 근거로 진료실과 치료실내 취출구의 풍속은 1.5 m/s, 풍량은 816CMH, EHP의 취출 풍속은 2.0 m/s, 풍량은 1686 CMH로 복도형과 통합형을 동일하게 설정하였다. 또한, 병원내 화장실, 계단은 상시 닫혀있는 공간으로 간주하여 수치해석에서 제외하였다.

수치해석 프로그램은 SIEMENS사의 STAR CCM+(ver 11.06)을 사용하였으며, 기본 설정 및 입력조건은 Table 2와 같다. 해당 모델의 분석은 Lagrangian Method를 이용하여 K-epsilon 모델과 Implicit Unsteady를 사용하였으며, 실내기류 확산 및 분포는 Gas로, 분석 대상인 공기 감염균(0.5 ㎛)과 비말 감염균(20 ㎛)은 Lagrangian Multiphase내 Particle과 Liquid를 적용하여 Track File로 분포를 확인하였다. 격자 형태는 사각형 격자 형태를 가지는 Trimmer 방식을 사용하고, 신뢰도를 높이고자 격자 간격은 0.25 m로 하였다(Yang et al., 2018; Kim and Kim, 2018).

Table 2. Input conditions for numerical analysis

CFD code Setting
Physics K-epsilon, Three Dimensional, Gravity, Ideal Gas, Implicit Unsteady
Mesh Size Base Size 0.25 m
Target Surface Size 0.05 m
Minimum Surface Size 0.05 m
Material Gas. Particle (solid). Liquid
Flow Segregated Flow
Particle Diameter Air Infection 5.0E-6 m (5 ㎛)
Droplet Infection 2.0E-5 m (20 ㎛)
Particle Velocity 10 m/s
Particle Number of Times 1/10 s
Air Temperature SA : 24℃ RA : 23℃ EHP : 24℃ Injector : 27℃
Air Filter Efficiency None : 0% HEPA Filter : 85%
Medium + Medium Filter : 82% Medium Filter : 73%

Kown et al. (2012)은 기침시 토출되는 입자의 속도가 남자: 15.3 m/s, 여자: 10.6 m/s이며, 기침의 각도는 남자: 38°, 여자: 32°임을 밝히고(Kwon et al., 2012), Zhu et al. (2006)은 입자의 총토출량이 6.7 mg이상 배출됨을 제시하고 있다(Zhu et al., 2006). 본 연구는 진료실 3곳에 실당 1명, 대기실 3명, 총 6명의 호흡기 환자 기침을 입자 토출 모델로 적용하였다. 기침시 토출되는 입자의 크기는 공기감염을 유발하는 0.5 ㎛와 비말감염을 유발하는 20 ㎛로 설정하였으며, 토출되는 입자는 1인당 10 m/s로 1분간 10 mg씩 동일하게 발생하도록 하였으며, 공조기내 에어필터를 통과한 공기 및 감염균들은 첫 발생 후, 1분 뒤 재순환되도록 하였다. 재순환시 실내로 유입되는 공기의 비율은 외기 30%, 재순환 70%으로, 감염균 또한 70% 재순환 되도록 하였다. 공조기내 에어필터를 통해 걸러진 공기가 진료실과 대기실로 취출되며, 에어필터 유형별로 감염균의 농도 및 분포를 확인하였다(Lai and Chen, 2007; Jung, 2010; Jung and Hong, 2019).

실내 열환경은 병원 진료부 기준으로 난방시 22~24℃인 것을 고려하여 급기 24℃, 배기 23℃, EHP 24℃로 설정하였다.

에어필터의 유형 및 효율은 기존의 에어필터가 설치되지 않은 상태와 HEPA 필터(효율 85%) 및 Medium 필터 2개(효율 82%)로 구분하였으며, Medium 필터 1개(효율73%)를 설정하였다. 에어필터의 효율이 일반적인 내용과 다르게 낮게 설정된 것은 선행 연구인 Lee et al. (2018)의 결과를 참고하였으며(Lee et al., 2018), 물질의 입경에 따라 에어필터의 효율은 달라지는데 HEPA 필터는 시험성적서 기준으로 0.3 ㎛ 이상의 경우 99.99%의 효율을 나타내고 있어 공기 및 비말 감염을 따로 구분하지 않고 사용하였다(Korves et al., 2013; Torkan et al., 2019).

Figure 4∼5는 각각 통합형과 복도형의 모델링과 진료부내 취출·흡입구 및 EHP의 설치 위치, Table 3은 에어필터의 구성요소, Figure 6은 공조기내 에어필터가 설치된 모습을 나타내었다.

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Figure 4.

Modeling of the integrated type outpatient department (WDG Hospital)

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Figure 5.

Modeling of the corridor type outpatient department (SG Hospital)

Table 3. Components of the air filter

Section HEPA Filter Medium Filter + Medium Filter
Figure http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2020-014-01/N0280140105/images/Figure_KIAEBS_14_1_05_F17.jpg http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2020-014-01/N0280140105/images/Figure_KIAEBS_14_1_05_F18.jpg
Media Glass-Fiber Glass-Fiber
Separator Aluminum or Kraft Paper Aluminum
Frame Al, Poly Wood, Particle Board, Steel, Stainless Steel Poly Wood, Particle Board, Steel
Sealant Poly-Urethane Poly-Urethane
Gasket Neoprene-Rubber, EPDM Neoprene-Rubber, EPDM
Depth 300 mm 200 mm

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Figure 6.

Air filter installed in AHU

에어필터 효율에 따른 평면유형별 공기와 비말 감염균 농도 분석

평면유형별 진료부내 공기와 비말 감염균 분포 분석

공기 감염균(0.5 ㎛) 분포는 발생 장소에서 침전되지 않고 부유하였으며, 흡입구를 통해 재순환 되어 진료부 전체로 확산되었다. 공기 감염균보다 입자 크기가 큰 비말 감염균(20 ㎛) 분포는 발생 장소에서 대부분 침전되었으며, 확산된 경우에도 부유하지 않고 실내기류에 영향을 받지 않는 구석으로 이동하여 침전되었다.

통합형은 진료실과 대기실에서 발생된 감염균이 대기실에서 합쳐져 집중되어 있었으며, 복도형은 진료실과 대기실에서 발생된 감염균이 복도에 의해 실간 이동을 하지 않고 발생 장소 주변에 집중되었다.

Figure 7~8은 HEPA 필터가 설치된 평면유형별 진료부에서 감염균 첫 발생 후, 15분 뒤 공기 감염균과 비말 감염균의 분포로, 가시화에 따른 에어필터 유형별 감염균 분포는 흡사하였다.

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Figure 7.

Side view and elevation of the integrated type outpatient department (WDG Hospital)

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Figure 8.

Side view and elevation of the integrated type outpatient department (SG Hospital)

통합형 진료부의 에어필터 효율별 공기 감염균 농도 분석

통합형 진료부의 공기 감염균 분포는 Figure 9와 같이 진료실과 대기실에서 발생하며, 치료실로 확산되고 있다. 에어필터 효율별 공기 감염균 농도를 살펴보면 Figure 10과 같이 에어필터가 설치되지 않은 대기실과 진료실 및 치료실의 공기 감염균 농도는 91.44∼116.53 mg/㎥로, 내부에서 발생한 공기 감염균의 수치가 낮아지지 않고 재순환을 통해 병원내에 남아있는 것으로 판단된다. 또한, HEPA 필터와 Medium 필터 2개를 사용했을 때, 진료실과 치료실의 공기 감염균 농도는 17.39~20.33 mg/㎥로 에어필터가 설치되지 않은 상태보다 약 83% 낮게 나타났으며, Medium 필터 1개를 사용했을 때는 약 78% 낮게 나타났다. 대기실의 공기 감염균 농도는 22.39∼30.36 mg/㎥로 에어필터가 설치되지 않은 상태보다 약 71% 낮게 나타났으며, Medium 필터 1개를 사용시 59% 낮게 나타난 것으로 보아, 진료실에서 발생한 공기 감염균의 이동으로 인해 증가한 것으로 여겨진다.

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Figure 9.

Air infectious bacteria (0.5 ㎛) distribution by air filter efficiency in integrated outpatient department

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Figure 10.

Concentration of air infectious bacteria (0.5 ㎛) by air filter efficiency in integrated outpatient department

통합형 진료부의 에어필터 효율별 비말 감염균 농도 분석

통합형 진료부의 비말 감염균 분포는 Figure 11과 같이 진료실과 대기실에서 발생한 후 치료실로 이동하며 확산되었다. Figure 12와 같이 에어필터가 설치되지 않은 대기실과 진료실 및 치료실의 비말 감염균 농도는 1.38∼1.77㎍/㎥로 HEPA 필터와 Medium 필터 2개를 설치됐을 때보다 대기실과 진료실 및 치료실에서 약 1.5㎍/㎥ 높게 나타났다. HEPA 필터와 Medium 필터 2개의 에어필터 효율은 대기실 66%, 진료실 81%, 치료실 80%로 동일하게 나타났으며, Medium 필터 1개 사용시 효율은 에어필터가 설치되지 않은 상태보다 대기실 58%, 진료실 80%, 치료실 76%로 나타났다.

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Figure 11.

Droplet infectious bacteria (20 ㎛) distribution by air filter efficiency in integrated outpatient department

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Figure 12.

Concentration of droplet infectious bacteria (20 ㎛) by air filter efficiency in integrated outpatient department

복도형 진료부의 에어필터 효율별 공기 감염균 농도 분석

복도형 진료부의 공기 감염균 분포는 Figure 13과 같이 대기실에서 발생한 감염균이 다른 곳으로 이동하지 않고 체류하다가 사라졌고, 감염균 발생이 되지 않는 복도와 치료실에서 농도가 높게 나타는 것으로 보아 진료실에서 발생한 감염균이 복도를 통해 치료실로 이동하는 것으로 나타났다. Figure 14와 같이 에어필터가 설치되지 않은 상태에서 대기실과 진료실 및 치료실의 공기 감염균 농도는 37.90∼65.17 mg/㎥로 통합형과 동일하게 내부에서 발생한 후, 제거되지 않고 계속 체류하거나 재순환을 통해 병원내에 체류하는 것으로 나타났다.

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Figure 13.

Air infectious bacteria (0.5 ㎛) distribution by air filter efficiency in corridor outpatient department

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Figure 14.

Concentration of air infectious bacteria (0.5 ㎛) by air filter efficiency in corridor outpatient department

에어필터 사용에도 대기실은 감염균 농도 저감률이 20% 이하로 낮게 나타났으나, 이외 진료실, 치료실 및 복도에서 감염균 농도는 HEPA 필터의 경우 약 81% 감소한 8.59∼11.44 mg/㎥, Medium 필터 2개의 경우 약 77% 감소한 10.02∼14.30 mg/㎥, Medium 필터 1개는 약 71% 감소한 11.45∼18.60 mg/㎥로 나타났다.

복도형 진료부의 에어필터 효율별 비말 감염균 농도 분석

복도형 진료부의 비말 감염균 분포는 Figure 15와 같이 진료실과 대기실에서 발생한 후 이동하며 확산되었다. Figure 16과 같이 에어필터가 설치되지 않은 상태의 비말 감염균 농도는 2.17∼2.38㎍/㎥로 HEPA 필터와 Medium 필터 2개를 설치됐을 때보다 진료실 및 치료실에서 약 2㎍/㎥ 높게 나타났다. HEPA 필터와 Medium 필터 2개의 에어필터 효율은 대기실 13%, 진료실 84%, 치료실 82%로 동일하게 나타났으며. Medium 필터 1개 사용시 효율은 에어필터가 설치되지 않은 상태보다 대기실 2%, 진료실 83%, 치료실 80%, 복도 75%로 나타났다.

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Figure 15.

Droplet infectious bacteria (20 ㎛) distribution by air filter efficiency in corridor outpatient department

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Figure 16.

Concentration of droplet infectious bacteria (20 ㎛) by air filter efficiency in corridor outpatient department

결 론

본 연구는 호흡기질환을 주로 다루는 D시의 중규모병원을 대상으로 실태조사하여 평면유형을 분류한 후, 수치해석으로 진료부내 대기실과 진료실 및 치료실의 에어필터 설치 효율에 따른 공기(0.5 ㎛)와 비말(20 ㎛) 감염균 분포를 분석한 연구로 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 중규모병원의 평면유형을 ㅎㅎ기실과 진료실 및 치료실의 공간 구성에 따라 통합형과 복도형으로 구분하여 대상건축물을 각각 선정하였으며, 실내로 유입된 공기의 재순환 비율(%)은 외기 30%, 재순환 70%로 하였으며, 감염균 또한 70% 재순환 되도록 하였다.

(2) 에어필터 유형별 효율은 실제 사용과 시험 성적서의 차이가 있는 것을 고려하여 일반적인 에어필터의 효율보다 낮게 적용되었다. 대기실을 제외한 통합형의 진료실과 치료실에서 공기 감염균의 경우 HEPA 필터는 83.5%, Medium 필터 2개는 83%, Medium 필터 1개는 78%로 나타났다. 비말 감염균은 HEPA 필터는 81%, Medium 필터 2개는 80.5%, Medium 필터 1개는 78%로 나타났다.

(3) 대기실을 제외한 복도형의 복도와 진료실 및 치료실 에어필터 유형별 효율은 공기 감염균의 경우 HEPA 필터는 81%, Medium 필터 2개는 77%, Medium 필터 1개는 71.3%로 나타났다. 비말 감염균은 HEPA 필터와 Medium 필터 2개가 80.6%로 동일하였으며, Medium 필터는 79.3%로 나타났다.

(4) 공기 감염균와 비말 감염균의 분포가 Figure 9와 Figure 11, Figure 13과 Figure 15와 같이 동일한 평면유형에서 유사하게 나타났으나, 확산 경로는 실내기류의 영향을 받은 것으로 확인되며, Figure 7~8의 입자 크기별 분포와 Figure 10과 Figure 12, Figure 14와 Figure 16의 공기 감염균과 비말 감염균 농도를 통해 공기 감염균과 비말 감염균의 차이를 확인하였다.

(5) 통합형과 복도형에서 공기와 비말 감염균의 농도 및 분포를 에어필터 유형별로 비교하였을 때, Medium 필터 2개 효율이 HEPA 필터 효율과 유사하게 나타난 것으로 보아, 중규모 병원내 감염균 농도 저감에 효과적인 공조설비로 판단된다.

(6) 중규모병원은 대기실과 진료실에서 감염균이 주로 발생되며, 특히 호흡기질환의 경우 공기와 비말감염의 확률이 매우 높으나, 감염을 예방할 법적 기준 및 설비가 미비한 상황이므로, 병원내 공기와 비말감염 예방을 위해 공조설비에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

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