생물안전 3등급(BSL3)연구시설의 CONTAM_CFD 연동해석 및 신재생에너지를 적용한 에너지 성능 해석에 관한 연구

황지현 가천대학교 일반대학원 2014 국내석사

본 연구는 제3고위험물질을 다루는 실험실 내부의 오염원 확산을 방지하기 위해 전외기 급기 및 전배기하는 특수 음압시설로 연중 공조시스템을 가동하기 때문에 동일규모 일반사무소 건물보다 5배 이상 에너지 소비를 많이 하는 생물안전 3등급(BSL3) 연구시설을 대상으로 하였다. BSL3 연구시설은 생물안전 사고의 예방 및 생물재해를 방지를 위해 실을 음압으로 유지하여 오염원의 외부 확산을 차단한다. 이러한 BSL3 연구시설의 설치 기준에 따른 설계에 대한 적격성 평가하기 위해 초기 설계된 불안정한 실압과 차압에 대한 문제를 해결하고 급, 배기량을 조정하여 Zone에 설치된 문의 기밀도에 따라 멀티존 해석을 수행한 결과 기밀도가 20㎠/item인 경우 실압 –56.2Pa, 차압 17.7Pa, 25㎠/item인 경우 실압 –56.4Pa, 차압 17.5Pa, 30㎠/item인 경우 실압 –56.4Pa, 차압 17.3Pa로 실압 –24.5Pa이상, 실험실과 내부복도의 압력차 12.25Pa이상, 환기회수 10회 이상으로 BSL3 연구시설 설치 기준에 적합한 결과를 얻었다. 또한 설계 변경된 안에 대해서 3가지 시나리오를 설정하고 Influenza A 바이러스 확산에 대하여 설계검증을 위한 해석을 수행한 결과, 실간 확산된 바이러스들은 설정된 높은 음압에 따른 차압이 형성되어 점차적으로 제거할 수 있음을 확인할 수 있으며, 인접한 실에 확산되지 않음을 확인할 수 있었다. 이와 같은 멀티존 해석방법은 각 실을 하나의 zone으로 설정하여 단일 존이 아닌 멀티존에서의 공기흐름과 실간 오염분포를 해석하기에 적합하나 특정실의 국부변화 예측이 불가능하다. 이에 본 연구에서는 CONTAM _CFD 연동 프로그램으로 특정 실내 기류분포와 오염원 분포를 해석하였다. 그 결과, 실험실(BSL3_1)의 실내기류는 국부적인 정체 없이 일방향의 유동에 의해 전체적으로 환기가 잘 이루어지고 있으며, 실험실에서의 바이러스 확산 범위를 해석해 본 결과 외부 실로의 확산은 발생되지 않고 있으며, 실험실 내부에서도 바이러스의 확산이 되지 않는 상태에서 연구자의 호흡선에서는 오염원의 농도가 낮아지며 전량 제거됨을 알 수 있다. 에너지 다소비 건물인 BSL3 연구시설의 에너지문제를 해결하기 위한 개선안을 제시하기 위해 실제 BSL3 연구시설의 공조부하 설계치와 에너지 해석 프로그램인 Energy Plus 8.0 Program를 통한 최대 부하량 비교 검토를 통해 기존 부하계산서의 과다설계 내용을 검토한 결과 기존 부하계산치와 시뮬레이션의 건물 최대 부하량 결과가 각 20034.8 kcal/h와 17,687.1 kcal/h로 기존의 부하계산 값이 시뮬레이션 결과 값보다 23.7% 많은 차이를 보여 건물 내 안전을 확보하면서 초기 건설비를 절감하고 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 방안을 도출하고자 하였다. 이에 따른 에너지 소비 절감에 관한 방안도출을 위해 BSL3 연구시설에 신재생에너지(태양광) 적용하여 연간 에너지 소비량을 분석한 결과, 신재생에너지를 미적용한 기존의 BSL3 연구시설의 경우인 Basic System은 연간 총에너지를 324.95GJ 사용하고 있으며, Basic system에 태양광 발전 시스템을 적용할 경우 280.56GJ로 Basic System과 비교하여 연간 평균 13.7% 에너지를 절감효과가 가능하였다. 이는 BSL3 연구시설의 에너지 절감 개선에 실제적으로 활용이 가능할 것으로 판단되며, 추후 태양광 발전 시스템 외에 다양한 신재생에너지를 적용하여 막대한 에너지를 소비하고 있는 BSL3 연구시설의 에너지 절감 방안에 대한 연구가 이루어져야 될 것으로 판단된다.

감염병 대응시설에서의 호흡기 감염병 확산 저감을 위한 연구

정민지 가천대학교 일반대학원 2023 국내박사

2019년 12월 코로나 19가 발생하였고 전 세계로 확산되었다. 최근 몇 년 간 전염력이 높은 호흡기 감염병의 출현이 증가함에 따라 감염병 대응시설에서의 감염 경로 파악과 코로나 19의 확산 저감을 위한 연구의 필요성이 강조되고 있다. 따라서 본 연구는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)을 이용하여 입자 확산 해석을 통해 감염병 대응시설에서의 감염 확산 저감을 위한 방안을 제시하고자 하였다. 먼저 감염환자로부터 배출된 입자의 확산 특성을 알아보기 위해 사회적 거리두기 기준인 2 m 간격을 두고 두 사람이 서있는 경우 입자의 이동과 침적 양상에 대해 알아보았다. 다음으로 코로나 19 대응시설의 중심인 선별진료소에서의 감염 입자 해석을 진행하였다. 의료진과 피검사자 간의 교차감염 방지를 위해 검사대를 설치한 음압컨테이너 선별진료소 모델을 제시하였고, 검사대의 적절한 배기량과 이에 따른 실간 압력차를 알아보았다. 또한 워크스루 선별진료소에서의 입자 해석을 진행하였다. 개방형 워크스루부스에서 코로나 19 검사 시 교차오염과 교차 감염의 가능성을 알아보았고, 마스크 착용에 따른 입자 확산 저감 효과에 대해 알아보았다. 마지막으로 병원 내 공기 감염의 가능성을 알아보았다. 2015년 평택에서 발생한 병원 내 MERS 집단감염 사례를 바탕으로 호흡입자와 기침입자의 확산을 비교하였다. 또한 각 실의 입자 확산율과 실제 감염환자 발생률을 비교하여 입자 확산 모델을 검증하였다. 해석 결과를 종합하였을 때 공기 중에 부유하고 있는 50 µm 미만의 비말에 의한 공기감염이 발생할 수 있을 것으로 예상된다. 날씨와 바람에 따라 2 m보다 더 길게 거리두기 기준을 설정하는 것에 대한 추가적인 검토도 필요할 것으로 판단된다. 또한 전파력이 높은 변이바이러스가 계속해서 출현함에 따라 실외에서도 밀집도가 높은 경우 마스크 착용이 권고된다. 코로나 19 진단 검사를 위해 비인두도말물 검체 채취 시 코 밑으로 마스크를 착용하는 것이 감염확산 저감에 효과적이며, 마스크를 착용하지 않는 경우 교차오염과 교차감염 방지를 위해 선별진료소의 적절한 환경소독이 이루어져야 한다. 병원과 같이 밀집된 환경에서 감염환자 발생 시 공기감염의 가능성을 고려한 방역 대책 수립이 필요할 것으로 보인다. After the first case of COVID-19 was identified in December 2019, COVID-19 spread globally over the subsequent months. The occurrence of highly transmissible respiratory infectious diseases has increased in recent years, emphasizing the importance of researching transmission in infectious disease response facilities and preventing the spread of COVID-19. To formulate a plan to reduce the spread of infection in an infectious disease response facility, this study used computational fluid dynamics (CFD) to analyze the dispersion of infectious droplets. First, the dispersion and deposition patterns of droplets were simulated to analyze the dispersion characteristics of droplets expelled from an infected person when two people stood 2 m apart (the standard for social distancing). Secondly, the droplet dispersion of the screening centers, used for testing for COVID-19 infection, was simulated. A negative pressure container with a sample collection booth to prevent cross-infection was proposed, and CFD simulation was conducted to determine the minimum ventilation required for the sample collection booth, and the corresponding pressure difference between a medical examination room and sample collection room. The simulation of droplet dispersion and deposition at a walk-through screening center, which provides rapid large-scale testing whilst reducing the risk of infection to healthcare workers, was performed. The potential for cross-contamination and cross-infection was studied when conducting a COVID-19 test at a walk-through booth, and the effect of reducing droplet dispersion through the use of masks was examined. Finally, the infection routes within a hospital, which is the initiation of community-acquired COVID-19, were examined. Exhaled breath and cough particles were assumed and compared in terms of particle dispersion in Pyeongtaek St. Mary’s Hospital, where the first MERS-infected patient in Korea was admitted in 2015. Moreover, the model was validated by comparing the actual incidence of infected patients and particle dispersion rate in each ward. Based on the results of the studies, it is speculated that airborne infections may occur due to suspension of droplets less than 50 µm in the air. Based on environmental conditions, such as wind, relative humidity, and temperature, a two meter social distancing policy may not be sufficient. Further, maintaining social distancing and wearing a mask both indoors and outdoors in busy areas is crucial, due to the emergence of a highly transmissible mutant viruses. Additionally, wearing a mask under the nose during nasopharyngeal swab sample collection for a COVID-19 diagnostic test can help reduce the droplet dispersion. Considering the possibility of airborne infection in densely populated environments such as hospitals with infected patients, establishment of quarantine measure is necessary.

국가지정 음압격리입원치료병상의 현장점검 평가 및 CFD 해석에 의한 의료진 출입에 따른 오염공기 유출에 관한 연구

이두루나 가천대학교 대학원 2017 국내석사

본 연구는 감염병 발생 시 감염환자 진료 및 감염확산 방지의 기능을 수행하도록 설치된 국가지정 입원치료병상을 대상으로 하였다. 2015년 메르스 사태를 교훈으로 국가지정 입원치료병상 확충사업이 진행되었고, 현재 국내에는 총 29개 병원에 156개 병실, 194개 병상을 확보 및 구축 중에 있다. 이러한 국가지정 입원치료병상의 비상시 시설의 정상운전 기능 확보와 설계 및 시공과 운영을 위해 시설 적격성 평가지표를 개발하고 현장점검 평가를 진행하였다. 현장점검 평가를 통해 감염확산을 방지하기 위한 오염공기 유출 방지에 관련된 국가지정 입원치료병상의 시설기준 및 현황에 대해 거시적으로 파악하였으며, CFD 시뮬레이션을 이용해 음압격리병실과 병실전실의 출입문을 통해 의료진이 이동할 때의 공기유동 및 오염공기 유출을 집중적으로 연구하였다. 현장점검평가는 국가지정 입원치료병상이 설치된 의료기관 7개소를 대상으로 수행하였다. 점검 결과, 몇몇 기관에서 ‘필터 교체 시 적절한 오염제거 가능 포트 설치’, ‘헤파필터 유닛은 PAO 테스트 등 확인을 위하여 스캔할 수 있는 구조로 구성’, ‘UPS 및 비상발전기 완비’, ‘배기시스템과 급기시스템의 연동 여부’, ‘정상운전 중 헤파필터의 스캔이 가능하고 소독과 밀폐가 가능한 구조인지의 여부’, ‘스캔 시 입자투과율이 0.01% 미만’과 같은 평가지표 항목에서 미비한 것으로 확인되어 개선이 요구될 것으로 판단된다. CFD 시뮬레이션은 출입문 개폐속도와 의료진 이동속도에 따른 오염공기유출량을 알아보기 위해 2가지 Case로 진행되었다. Case1은 3가지 경우 별로 출입문의 개폐속도를 Case1-①은 0.9 m/s, Case1-②는 0.45 m/s, Case1-③은 0.3 m/s로 조절하고 의료진의 이동속도 1 m/s로 동일하게 해석을 진행하였다. 의료진의 이동과 출입문의 개폐가 모두 이루어지고 문이 닫힌 순간의 경우별 오염공기유출량은 0.909 ㎥/s, 0.948 ㎥/s, 0.986 ㎥/s이고 유출률은 2.42%, 2.52%, 2.62%로 출입문의 개폐속도가 느릴수록 오염공기의 유출이 많이 이루어졌다. 해석 결과, 출입문의 개폐속도가 빨라 개방될 때까지 걸리는 시간이 짧을수록 적은 오염공기를 유출시켰다. 결국 문이 개방되는데 걸리는 시간에 따라 오염공기 유출량이 상승하는 것을 확인할 수 있었다. Case2는 3가지 경우 별로 의료진의 이동속도를 Case2-①은 1.5 m/s, Case2-②는 1 m/s, Case2-③은 0.5 m/s로 조절하고 출입문의 개폐속도는 0.9 m/s로 동일하게 해석을 진행하였다. 문이 닫히는 순간의 경우별 오염공기유출량은 0.9911 ㎥/s, 0.909 ㎥/s, 0.8001 ㎥/s이고 유출률은 2.63%, 2.42%, 2.12%로 의료진의 이동속도가 빠를수록 오염공기의 유출이 많이 이루어졌다. 해석 결과, 의료진의 이동속도가 빠를수록 크고 빠른 공기유동을 발생시키며 많은 양의 오염공기를 유출시키는 것을 확인하였다. Case1과 Case2의 해석 결과, 출입문의 개폐속도는 빠를수록, 의료진의 이동속도는 느릴수록 오염공기의 유출이 가장 적은 것으로 나타났다.

건물의 바이오테러에 따른 실내의 미생물 확산 및 제어방안에 관한 연구

이현우 경원대학교 일반대학원 2008 국내석사

최근 미국에서 발생한 9.11 테러이후 국제적으로 각종 테러에 대한 대응책에 대하여 다방면으로 노력을 기울이고 있다. 그러나 불특정 다수에 대한 테러는 끊이지 않고 계속 발생하고 있으며 또한 테러에 대한 뉴스를 쉽게 접할 수 있다. 최근의 테러는 가공할 폭발력이 있는 폭탄을 사용하는 자살 폭탄테러가 그 주류를 이루고 있으나, 미생물이나 화학물질을 사용하여 이루어지기도 한다. 최근 1995년 일본에서 발생한 사린가스를 이용한 테러와 2001년 미국전체를 공포로 몰고간 탄저균 우편 테러가 그 대표적인 예이다. 특히 바이오테러는 병원균만 구할 수 있다면 적은 지식으로도 매우 강력한 무기를 만들 수 있다는 것이 문제이며, 그 외형 또한 우리가 일반적으로 휴대할 수 있는 헤어스프레이 하나 정도면 충분히 대량 살상이 가능하다는 점에서 매우 위험하다 할 것이다. 이러한 바이오테러를 방지하기 위하여 미국에서는 탄저균 등의 세균을 공중에 살포할 경우 이를 발견하고 경고하는 시스템인 “바이오워치”를 미국 각지에 설치하는 등 국가적인 대책에 고심하고 있다. 우리나라의 경우 상대적으로 테러에 대한 안전국가로 인식되고 있지만, 이라크 전 이후 국제적인 테러단체가 여러 나라들에게 테러 경고를 보낸 것 또한 사실이다. 따라서 테러로부터 완전히 자유로운 국가는 없다고 해야 할 것이며 이에 대한 적절한 대책이 논의 되어져야 할 것이다. 본 연구는 바이오테러가 국내 청사건물을 대상으로 발생할 경우에 대하여 몇가지의 바이오테러 시나리오를 만들고, 각각의 시나리오에 따른 실내 미생물의 확산을 예측하고자 하였다. 또한 바이오테러에 대한 대책으로 면역건물기술(Immune Building Technology)을 도입하여 건물 내부에서의 오염원 제거 정도를 예측하고자 하였다. 예측을 위해여 멀티존 시뮬레이션 기법을 이용하도록 하였으며, 이를 위하여 미국 국립표준연구소인 NIST에서 개발 보급하고 있는 CONTAM 2.4 프로그램을 사용하도록 하였다. 멀티존 시뮬레이션을 위하여 현재 가장 전염성이 강하고 치명적인 균들 중 하나로 알려져 있을 뿐만 아니라 2001년 미국에서 발생한 바이오테러에 사용된 균으로써, 탄저균을 미생물 오염원(Bio-agents)으로 모델링하였다. 멀티존으로 모델링된 청사건물 내부에서 탄저균을 이용한 바이오테러가 발생하였을 경우에 대한 시뮬레이션 연구를 수행하였다. 바이오테러는 무수히 많은 경로로 발생할 수 있으나 연구를 위하여 세 가지의 시나리오를 수립하고 이 시나리오에 따라 바이오테러가 발생하는 경우에 대한 멀티존 시뮬레이션 연구를 수행하도록 하였다. 바이오테러 시나리오는 탄저균을 사용한 바이오테러가 대상건물의 1층 외기 도입구에서 발생하는 시나리오 A, 탄저균을 사용한 바이오테러가 2~3층에 걸쳐있는 대공간(Hall)에 발생하는 시나리오 B, 탄저균을 사용한 바이오테러가 7층의 공조기 내부에 발생하는 시나리오 C로 수립하여 연구를 수행한 결과, 탄저균을 사용한 바이오테러가 1층 외기 도입구에서 발생하는 시나리오 A의 경우 코어부분을 통하여 건물 전체의 모든 공간으로 확산되는 것으로 나타났다. 탄저균을 사용한 바이오테러가 2~3층에 걸쳐있는 대공간(Hall)에 발생하는 시나리오 B의 경우 대공간과 직접적으로 연결된 1~3층에 최대 8,600 CFU/㎥의 매우 심각한 오염이 나타났다. 탄저균을 사용한 바이오테러가 7층의 공조기 내부에 발생하는 시나리오 C의 경우 7층에만 국부적으로 오염도가 최대 약 12,600 CFU/㎥로 가장 심각한 오염이 발생하는 것으로 나타났다. 각 시나리오에 대하여 바이오테러에 대한 대책으로서, 면역건물기술을 도입하기 위하여 UVGI(Ultra violet germicidal irradiation)과 필터를 모델링하고 각각의 조합에 따라 면역건물기술을 적용할 경우에 대한 탄저균의 제거효과에 대한 연구를 수행하도록 하였다. 이러한 대 테러 기술로써, 면역건물기술의 적용에 관한 멀티존 시뮬레이션 연구를 수행하여 필터가 없는 경우, 중성능 필터만 사용하는 경우, 중성능 필터와 UVGI가 조합된 면역건물기술을 사용하는 경우를 비교한 결과, 면역건물기술이 적용되면 탄저균이 직접 발생하는 장소를 제외하면 완전히 제거되는 것으로 나타났다. 하지만 탄저균을 사용한 바이오테러가 2~3층에 걸쳐있는 대공간에서 발생하는 시나리오 B의 경우, 면역건물기술을 사용하더라도 2시간 이내에 완전히 제거되지 않는 것으로 나타났다. 따라서 면역건물기술 도입으로 건물 외부에서 발생하는 테러인 시나리오 A와 시나리오 C의 경우는 효과적으로 탄저균의 확산을 방지할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 시나리오 B와 같이 직접 실내 공간에 바이오테러가 방출하는 경우에 면역건물기술을 도입하여도 직접 연결된 공간 내부의 오염을 방지할 수 없으므로 탄저균과 같은 미생물 오염원의 확산을 방지하기 위해서, 선진국의 바이오테러 대응체계를 도입하고, 미생물오염을 신속하게 감지할 수 있는 장치의 개발 및 실내 공간에서 이미 오염된 공기에 대한 빠른 제거방안이 모색되어져야 할 것으로 판단된다.

의료진의 이동과 슬라이딩도어의 개폐에 따른 Combination(복합) 음압 격리병상의 CFD 해석 : 압력변동과 오염 공기의 누출에 관해

김태경 가천대학교 일반대학원 2020 국내석사

국문 초록 2003년 유행한 중증급성호흡기증후군(SARS-CoV), 2015년 중동호흡기증후군(MERS) 그리고 현재 팬데믹(Pandemic) 현상을 일으키며 보건분야, 경제 분야 및 사회 전반적인 모든 분야에서 막대한 재난사태를 몰고 온 신종 코로나바이러스 감염증-19 (COVID-19, SARS-CoV-2) 이 3가지 모두 코로나바이러스 질병의 일종이다. 이 질병들의 공통점은 감염경로가 보통 호흡기를 통해 이루어진다는 점으로 전염성이 높은 고위험군 호흡기 질환에 속한다. 이와 같은 고위험 호흡기 질환의 더 큰 확산을 예방할 수 있는 보편적인 방법은 감염자와 피감염자 간의 격리시설을 통해 질병을 치료하는 것이다. 현대의학의 발전에도 원인 모를 고위험군 전염성 감염병을 막기 위한 가장 효율적인 방법은 초기감염환자의 격리인데, 감염자와 피감염자 간의 격리에 사용하는 시설로는 음압격리병실 또는 감염격리실(IIU)과 보호 격리실(PIU)이 있다. 그러나 이 두 가지는 모두 면역 체계가 정상적인 환자가 입원했을 때 제 역할을 다하는 것으로, 공기 감염성 질환 합병증 중증감염환자가 입실할 때는 Combination(복합) 격리병상에 입원하는 것을 권장한다. Combination 격리병상에는 전실을 반드시 포함하는 병상으로 전실의 Air Lock type에 따라 종류가 나뉘는데 그중 본 연구에서 진행할 type은 Bubble과 Sink type을 설정한 Combination AII Room과 Combination PE Room의 격리병실과 전실 간의 차압 변동과 격리병실에서 전실로 유출되는 오염공기량을 파악하고자 하였다. 본 연구에서는 CFD 시뮬레이션을 사용하여 Combination AII Room과 Combination PE Room의 격리병실 환기횟수를 12회/h로 가정하고 CDC Guidelines의 권장사항인 실간 차압 2.5Pa을 통해 격리병실, 전실, 화장실 내 급·배기량을 산정한 후 Combination AII / PE Room 내의 의료진이 격리병실에서 전실로 이동함과 슬라이딩도어의 개폐에 따를 각 CASE에서의 차압 변화와 격리병실에서 전실로의 오염 공기유출량을 산정하였다. 그 결과 Combination AII Room의 경우, 차압 부분에서 해석 초기에 불안정한 압력변동을 보였으나, 점차 정상 범위에 들어오면서 의료진의 이동과 슬라이딩도어의 개폐 직전에는 2.5Pa 이상을 유지하였고, 이동이 시작되고 슬라이딩도어가 열리면서 실간 압력은 평압상태로 유지되었다. 그 후 의료진이 전실로 이동하고 슬라이딩도어가 닫힌 지점에서 2.5Pa 이상 차압을 보였으나, 최종해석시간에서는 2.5Pa보다 다소 적은 차압을 나타냈다. Combination PE Room의 차압 변화의 경우, 해석 초기부터 평압이 유지되는 순간까지 Combination AII Room과 비슷한 양상을 띠었으며, 역시 의료진이 전실로 이동을 완료하고 슬라이딩도어가 닫힌 지점에서 –2.5Pa 이상 차압을 보였으나, 최종해석시간에서는 권장 사항에 미치지 못하는 차압 결과를 얻었다. 오염 공기유출량의 경우, Combination AII Room과 Combination PE Room에서 사용한 Air Lock의 종류가 다르므로, 각각 격리병상에서 사용된 전실 Air Lock의 특성에 따라 오염공기 유출 결과를 나타냈다. Combianation AII Room의 전실은 다른 인접실에 비해 높은 압력을 설정하여 오염공기가 격리병실 내로 유입되지 않도록 막아주는 역할을 하므로 해석 초기에는 압력 차로 인해 전실의 Air만 Leakage를 통해 격리병실로 소량 유입되다가 슬라이딩도어의 개폐과정 및 의료진의 이동과정이 끝난 시점에서 슬라이딩도어 문이 닫히면서 전실 내 오염공기량은 점자 줄어드는 양상을 보였다. 반면에 Combination PE Room의 전실은 다른 인접실에 상대적으로 낮은 압력을 설정하여 오염공기를 전실 내에 가둬 전실에서 외부로 더는 유출되지 않도록 막아주는 역할을 한다. 그러므로 해석 초기과정부터 Combination AII Room과 비교했을 때 확연히 많은 양의 오염공기(Smoke)가 전실로 유입되는 현상을 확인할 수 있으며, 의료진의 이동 및 슬라이딩도어가 열리고 닫힌 후에도 전실 내의 Smoke 유출량은 조금씩 증가하는 추세를 보였다.

생물안전 3등급시설에서 태양열과 지열을 이용한 하이브리드 에너지 시스템 성능 예측연구

권순욱 가천대학교 일반대학원 2014 국내석사

생물안전밀폐시설(Biosafety Laboratory, BSL)이란 감염성 물질을 안전하게 관리하여 연구원의 생물안전 사고를 예방하고 생물재해를 방지하는 것을 목적으로 하는 시설이다. 이러한 BSL은 실험실의 생물안전을 위해서 전외기 급기 및 전배기를 해야 하는 음압시설로 공기조화설비를 상시 가동하고 있기 때문에 동일 규모 일반 사무소 건물에 비해 5∼10 배 더 많은 양의 에너지가 소비되는 에너지 다소비 건물로 알려져 있다. 특히, BSL에서 위해 3등급 병원체를 취급하는 생물안전3등급 밀폐시설(Biosafety Level 3 Laboratory, BSL3)은 각실 마다 급배기 덕트가 설치되어 있다. 또한 각각의 급배기에 반드시 HEPA Filter를 통과한 후 급배기하여야 하므로 덕트 설계가 복잡하며 자재비등 초기 건설공사비가 기존에 비해 5배 이상 많이 소비되는 경제적인 문제가 있다. 본 연구에서는 생물안전 3등급 경우에 외기부하가 많이 차지하고 있는 것을 알 수가 있었다. 생물안전 3등급 시설인 경우 전외기, 전배기방식 때문에 전체 공조부하 중 외기부하가 차지하는 비중이 많기 때문에 외기부하에 영향을 많이 받는다. 본 연구의 공조방식 때문에 외기의 부하가 총부하의 42%를 차지하고 있다는 것을 나타냈다. 냉방부하중 인체부하4%, 기기부하40%, 조명부하14%로 나타나고 있는데 이는 외기부하가 많은 부분을 차지하며 냉난방 부하의 상승 원인이기도 하다. 이에 본 연구에서는 하이브리드 시스템(태양열 급탕 시스템+지열히트펌프 시스템)을 고안하여 건물에너지 소비량에 대해 분석을 하였다. 하이브리드 시스템(태양열 급탕 시스템+지열히트펌프 시스템)을 적용할 시, 건물에너지를 소비량이 가장 최소 경우는 4월 8.57GJ 이며, 건물에너지 소비량이 가장 많은 때는 1월 19.17 GJ이다. 에너지 소비량 형태를 보았을 때 여름철보다는 겨울철에 많이 에너지 절약이 되는 것을 알 수 있다. 하이브리드 시스템 (태양열 급탕 시스템+지열히트펌프 시스템)을 사용하여 생물 안전시설을 운영하였을 경우 연간 44%의 에너지 절감효과가 있는 것을 알 수가 있다. 여름철 (6월~8월) 인 경우 5%~25% 절감되고 있는 것으로 보이며, 겨울철 (12월~2월)인 경우 58% ~60% 절감 효과가 있는 것을 알 수가 있었다. 지열시스템에서 보어 홀 개수에 따른 에너지 사용량은 4hole로 변경 하였을 때 2hole에 비해 연간 약 6% 절약되는 효과를 보았고, 6hole로 하였을 경우 2hole 비해 8% 추가로 절약되는 효과를 보이고 있다. 하이브리드 설비를 미사용 시 연간 에너지 소비량이 324.95 GJ 이며, 태양열 급탕 시스템을 이용한 경우는 에너지 소비량이 325.07 GJ, 지열히트 펌프(Water to Water) 사용 시 에너지 소비량이 214.35GJ, 하이브리드 설비를 적용했을 경우 에너지 소비량이 182.49 GJ로 나타났다. 지열히트 펌프(Water to Water) 사용 시 35%, 하이브리드 설비(태양열 급탕 시스템+지열히트펌프 시스템)를 적용 했을 경우 44% 이상 에너지를 절약 할 수가 있었다.

신재생 에너지를 적용한 생물안전 3등급시설 에너지 개선 방안 연구 : 신재생 에너지를 적용한 BSL3 시설 에너지 개선 방안 연구

범도 가천대학교 일반대학원 2014 국내석사

생물안전 연구시설(Bio Safety Laboratory, BSL)이란, 위해병원체의 취급에 있어서 사람에게 감염될 수 있는 감염성 물질을 안전하게 관리하여 연구원의 생물안전 사고를 예방하고 외부환경으로의 유출로 인한 생물재해를 방지하는 것을 목적으로 하는 시설이다. 감염성 병원체를 취급, 보존, 유지하는 실험실 환경에서 이들을 안전하게 관리하기 위한 기본적인 개념은 "밀폐"이다. 실험실 내부의 오염을 방지하기 위해, Class 10,000 ∼ 100,000정도의 청정도를 확보하여야 한다. 이러한 청정도를 유지하기 위하여 공조기를 종일 운전하는 경우가 많아 경부하 상태(열부하가 적고, 기기 등으로부터의 강제배기량이 적음 등)의 운전 시에 관한 충분한 검사를 요하며, 공조시스템이 전외기, 전배기 방식이라서 외기의 영향을 많이 받는다. 다른 실과의 교차오염을 방지하기 위하여 공조계통은 독립계통으로 한다. BSL에서 위해 3등급 병원체를 취급하는 생물안전3등급 밀폐시설(Biosafety Level 3 Laboratory, BSL3)은 각실 마다 급배기 덕트가 설치되어 있다. 또한 각각의 급배기에 반드시 HEPA Filter를 통과한 후 급배기 하여야 하므로 덕트 설계가 복잡하며 자재비등 초기 건설공사비가 기존에 비해 5배 이상 많이 소비되는 경제적인 문제가 있다. 본 연구에서는 이와 같은 BSL3에서 에너지 문제에 대한 개선안을 제시하기 위해서 Energy Plus를 적용하여 에너지 해식을 수행하였다. 그 결과 BSL3의 경우, 신재생 에너지 시스템을 미적용 하였을 경우 324.95GJ 에너지를 소비하고 있으며, 패시브 (Passive System)시스템을 사용하였을 경우 302.43GJ, PV (Photovoltaic System)을 적용한 경우 283.46GJ, 태양열과 지열을 이용한 하이브리드 시스템을 사용한 경우 164.18GJ의 에너지를 소비하고 있는 것으로 나타나고 있다. 또한 패시브 (Passive System)과 신재생에너지(PV+Solar Geothermal Hybrid System)을 사용을 하였을 경우 118.15GJ의 에너지를 소비하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 신재생 에너지 시스템을 미적용 하였을 경우에 비해서 패시브시스템 (Passive System)을 적용한 경우 연간 6.9%를 절감하였으며, PV (Photovoltaic)의 경우 연간12.7%, 태양열과 지열을 이용한 하이브리드 시스템 (Solar Geothermal Hybrid System)의 경우 연간 49.5% 절감하였으며. 패시브 시스템과 신재생에너지(PV+Solar Geothermal Hybrid System)를 사용하면 약 63.6%의 절감효과를 나타낼 수 있음을 알 수 있었다. Bio Safety Laboratory is to safely manage hazardous pathogen materials contagious to human, protect researchers from a possible biological accident and prevent biological disasters such as a leakage to the outside environment. The basic idea of handling, storing and maintaining such contagious pathogens in a laboratory environment is to seal them. To prevent laboratory internal pollution, lab cleanliness of at least Class 10,000 ~ 100,000 should be secured. Air conditioning equipments are frequently operated throughout the days to keep the cleanliness appropriately, requiring sufficient test for their operation in the light duty status (where thermal load is lower and forced displacement amount from equipments, etc. are smaller). As they are out-air unit, air-supply unit types, they are largely affected by outdoor air. To prevent cross contamination with other rooms, the air conditioning system was in independent form. Biosafety Level 3 Laboratory (BSL3), dealing with level 3 hazardous pathogens in BSL should have air ventilating ducts for each room. As the air of each room must be treated by HEPA Filter of each ventilator before discharging, if duct structure is complicated, its initial constructional cost could jump over 5-folds larger, causing an economic problem. As for BSL3, if it does not employ a new and renewable energy technology, the facility consumes 324.95GJ amount of energy. And if it used Passive System, it consumes 302.43GJ amount of energy. Also if it adopted PV(Photovoltaic System), it uses 283.46GJ; a hybrid system using solar heat and geothermal heat, 164.18GJ. If Passive System and new/renewable energy system (PV+Solar Geothermal Hybrid System) were combined, its energy consumption was 118.15GJ. As for Passive System, annual energy saving was 6.9%; PV(Photovoltaic), 12.7%; solar and geothermal hybid system, 49.5%. The combined use of Passive System and new/renewable energy system (PV+Solar Geothermal Hybrid System) could save energy by approximately 63.6% of facilities not adopting the combination.

클린룸의 냉각수 폐열회수를 통한 에너지 저감에 대한 연구

홍성욱 가천대학교 대학원 2013 국내석사

본 연구에서는 공장 단지 內에서 버려지고 있는 폐열을 회수하여 재사용함으로써 에너지 절감은 물론 최근 이슈화 되고 있는 이산화탄소 발생을 억제할 수 있는 방안에 관한 내용을 다루고 있다. 반도체 공장은 24시간 연중무휴로 운전하여 반도체를 생산하기 때문에 동절기를 포함하는 10월 ~ 5월의 냉방운전에서 발생되는 열을 폐열로 재사용하는 것이 필요하다. 냉동기 응축기에서 발생하는 열은 냉각탑에서 방출되어 버려지게 되므로 냉각탑의 환수(Return)배관에서 열을 회수하여 외조기의 2차 가열(Heating)부하로 사용할 수 있다. 특히 동절기 냉동부하는 생산장비의 발열과 클린룸에서 발생하는 건코일 부하에 사용되므로 연중 일정한 온도를 얻을 수 있는 장점이 있다. 연구의 기초자료는 2008년 동절기 외기 온도와 2008년 ~ 2009년 실제 냉동기 운전 엔탈피 데이터를 사용하였으며 폐열회수시스템을 적용하기전과 적용 후에 따른 냉동기의 운전 변화를 관측할 수 있다. 냉각탑에서 발생한 냉각수 폐열을 외조기 온수코일의 열원으로 사용하게 되면 이산화탄소의 절감효과를 가져오게 된다. 냉각탑 폐열을 이용한 개선안 적용시 전 세계적으로 이슈가 되고 있는 이산화탄소 발생 감축에 도움이 될 수 있고, 또한 외조기 운영비 절감을 통해 경제적인 효과까지 얻을 수 있다. 일반적으로 온수를 만들기 위해서는 열교환기에 증기를 공급해야 하는데, 이 증기를 공급하기 위해 보일러가 필요하다. 외조기에 공급되는 온수의 필요 열원 중에서 냉각탑 냉각수의 폐열을 이용하여 보일러에 사용되는 LNG의 양을 감소시킴으로써, 외조기 운영비용을 절감시킬 수 있다. 본 연구에서는 냉각탑의 열원을 외조기에 적용했을 경우 발생하는 절감액에 대해 분석 및 평가하고자 한다. 반도체 공장 전체의 운영비를 살펴보면 연간 많은 금액은 동력비용이 소요된다. 냉각탑의 폐열회수 적용시 외조기 각 요소별로 살펴보면 부하가 가장 큰 예열코일에서 단위풍량 당 운영비가 가장 많이 감소됨을 알 수 있다. 냉각탑의 폐열회수시스템 적용을 통해 표준 외조기의 연간 운영비를 비교하여 사용할 수 있다. 본 연구에서 도출된 결과는 외조기 각 요소별로 단위 풍량 당 연간 운영비 및 이산화탄소 증감량을 알 수 있어 공장증설 가동전에 이산화탄소 발생량의 예측이나 연간운전비의 예측자료로 활용할 수 있다

음압격리병실에서의 기침 토출입자 입경에 따른 확산 및 침적에 대한 수치해석 연구

정민지 가천대학교 일반대학원 2018 국내석사

2015년 한국 메르스 (Middle East Respiratory Syndrome, MESRS) 유행으로 인해 전염병 예방에 대한 관심이 높아짐에 따라 감염병 관리기관시설인 국가지정 입원치료병상의 시설확충이 이루어지고 있으며, 현재 전국 29개 병원에 566개 병상이 구축 중에 있다. 음압격리병상이란 기압 차를 이용하여 공기가 오염되지 않은 곳에서 오염된 곳으로 흐르도록 설계된 것으로, 공기감염 전파가 가능한 환자를 외부로부터 격리하기 위한 목적으로 설계된 공간이다. 특히 음압격리병상에서의 전실이란 음압격리병실 출입 시 병실의 공기가 내부 복도로 유출되는 것을 억제하고 감염예방관리를 위한 준비 공간으로, 음압격리병실과 내부 복도 사이의 완충 역할을 하는 공간이다. 하지만 당시 보건복지부 중앙 메르스 관리 대책본부에 따르면 상당수의 병원이 전실을 갖춘 정식 음압병상이 아닌, 병실만 음압 상태로 유지한 일반 병실에 메르스 환자와 의심 환자들을 격리하였다. 지금도 많은 병원들은 병실만 음압이 유지되고, 병실 밖은 공동으로 사용되는 비음압복도인 전실이 없는 음압 병실을 공기전파 가능성이 있는 결핵 환자의 입원 치료에 사용하고 있다. 병실의 출입문이 닫혀있는 경우 실간 차압에 의해 공기가 병실 밖에서 부터 병실로 들어오기 때문에, 전실이 없는 음압병실과 전실이 있는 음압격리병실 모두 오염 공기의 유출은 거의 일어나지 않는다. 하지만 의료진의 출입과 문의 개폐에 의해 차압이 유지되지 않아 병실 내 오염 공기가 병실 밖으로 이동하여 교차오염의 문제가 발생한다. 따라서 음압병실 내 효율적인 입자 제거가 필수적이다. 본 연구는 CFD 시뮬레이션을 이용하여 병실의 환자가 기침한 경우 기침 토출입자의 거동특성에 관한 3가지 주제에 대해 연구하였다. 첫 번째로 2015년 한국 메르스 발생 당시 첫 번째 감염 환자로부터 발생된 감염 입자의 공기 중 이동경로를 파악하였다. 해석 결과 병실의 창문과 출입문의 개폐가 입자의 확산에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 첫 번째 감염 환자가 입원하였던 병실의 창문으로부터 유입된 외기에 의해 토출 입자들이 열린 출입문을 통해 복도로 확산될 수 있는 것으로 나타났으며, airborne 입자와 droplet 입자 모두 병실 밖으로 유출되는 것으로 나타났다. 두 번째로 비음압복도와 음압병실로 이루어져 있는 경우와 전실과 음압격리병실로 이루어져 있는 경우 의료진과 출입문의 이동에 따른 공기 유동과 입자의 이동을 해석하였다. 해석결과 의료진의 이동에 따라 발생하는 기류의 변화에 의해 입자가 영향을 받는 것으로 나타났다. 의료진이 움직이면서 발생하는 후류에 의해 입자가 따라서 움직이며, 비음압복도로 이어져있는 음압병실과 전실이 갖추어져있는 음압격리병실 모두 의료진이 병실 밖을 나갈 때 병실 내부의 오염 공기와 입자가 유출되는 것으로 나타났다. 세 번째로 음압격리병실에서의 환기 방식과 기침 방향에 따른 입자의 확산 특성을 해석하였다. 해석 결과 측벽배기방식이 천장배기방식보다 입자 제거에 효과적이고, 병실 내 입자의 침적도 적은 것으로 나타났다. 일방향의 기류 분포를 유도하는 음압병실임에도 불구하고 감염 입자는 병실 전체로 확산되어 환자 주변과 침대 외에도 의료진, 천장, 바닥, 측벽 등에 많은 양의 입자가 침적될 수 있는 것으로 나타났다.