1. 서 론
COVID-19는 SARS-CoV-2 바이러스에 의해 발생하는 호흡기 감염병으로, 초기에는 주로 비말(Droplet) 및 접촉 전파를 중심으로 논의되었으나, 팬데믹의 진행과 함께 공기 중 에어로졸(Aerosol)을 통한 전파 가능성이 지속적으로 제기되어 왔다. 이후 다수의 역학적·실험적 연구 결과가 축적됨에 따라, 세계보건기구(World Health Organization, WHO)는 2021년 SARS-CoV-2가 특정 환경 조건 하에서 공기전파가 가능함을 공식적으로 인정하였으며(WHO, 2021), 미국 질병통제예방센터(CDC) 또한 COVID-19의 주요 전파 경로 중 하나로 공기전파를 명시하였다(CDC, 2021).
공기전파 감염의 핵심 근거 중 하나는 바이러스의 공기 중 생존 특성이다. Neeltje van Doremalen et al. (2020)은 New England Journal of Medicine에 발표한 연구에서 SARS-CoV-2가 에어로졸 상태로 최대 3시간 이상 공기 중에서 생존 가능함을 실험적으로 확인하였으며, 이는 밀폐 또는 환기가 불충분한 실내공간에서 감염원이 장시간 잔존하여 감염 위험이 발생할 수 있음을 의미한다(Neeltje van Doremalen et al., 2020).
또한 COVID-19를 포함한 호흡기 바이러스의 감염 위험도는 재실자의 활동량과 밀접한 관련이 있는 것으로 보고되고 있다. 호흡량 증가, 발성 활동(Speaking, Shouting), 신체 활동 증가는 에어로졸 발생량을 크게 증가시키며, 이로 인해 동일 공간 내 공기 중 바이러스 농도가 급격히 상승할 수 있다(Buonanno et al., 2020). 실제로 합창단 연습, 피트니스 센터, 종교시설, 교육시설 등 활동량이 높은 공간을 중심으로 다수의 공기전파 집단감염 사례가 보고되었다(Hamner et al., 2020;Miller et al., 2021).
어학원은 대표적으로 활동량이 큰 시설 중의 하나로, 다수의 재실자가 비교적 협소한 공간에 장시간 체류하며, 강사의 지속적인 발성과 학생들의 응답이 반복되는 환경적 특성을 가진다. 이러한 조건은 공기 중 비말 및 에어로졸 발생량을 증가시키고, 환기가 충분히 이루어지지 않을 경우 공기전파 감염 위험을 크게 증폭시킬 수 있다.
2021년 경기도의 한 어학원에서는 강의실 내 수업을 진행한 강사를 중심으로 다수의 학습자가 확진되는 COVID-19 집단감염 사례가 발생하였다. 주목할 점은, 최초 확진 강사의 수업 이후 동일 강의실을 이용한 다른 시간대에서도 확진자가 발생하였다는 점으로, 이는 단순한 동시 재실 접촉 감염을 넘어 강의실 내 공기 중에 잔존한 감염원에 의한 공기전파 가능성을 시사하는 특이 사례로 평가될 수 있다.
이에 본 연구에서는 실제 COVID-19 집단감염이 발생한 어학원 강의실을 대상으로, 당시 공간 조건을 재현한 비말유사입자 확산 및 잔존 특성을 현장 실험을 통해 공기전파 위험도를 분석하고자 하였다. 이를 통해 유사특성의 시설에서 공기전파 위험도 저감을 위한 방안수립의 기초자료를 제시하고자 하였다.
2. 연구 방법
2.1 연구대상 시설현황 및 집단감염 사례 개요
본 연구의 조사 대상 시설은 경기도 G시에 위치한 어학원으로, 지상 2층에 위치한 교육시설이다. 해당 시설은 Fig. 1(a)와 같이 동일 층 내 복도를 중심으로 다수의 강의실이 배치된 중복도 평면구조를 갖고 있으며, 강의실들은 벽체로 구획되어 있다.
집단감염이 발생한 강의실은 일반 강의실 중 하나로, 수업 시간 동안 학생들은 지정된 좌석에 착석하여 수업을 듣는 형태로 진행되며, 강의 시간은 약 55분, 강의 간 휴식 시간은 약 5분 내외로 운영되는 것으로 조사되었다.
해당 강의실은 3 m (W) × 5 m (L) × 2.5 m (H)의 크기로 외기에 면한 창호가 설치되어 있으며, 기계환기설비는 설치되지 않은 환경조건이다. 집단감염 발생 당시 수업 시간 동안 자연환기는 실시되지 않았으며, 휴식 시간 동안에는 출입문이 개방된 상태로 운영되었다. 평가대상 시설의 강의실 내부 및 창호 현황은 Fig. 1(b) 및 (c)와 같으며, 복도 및 강의실 외부공간은 Fig. 1(d) 및 (e)와 같다.
본 연구에서는 어학원에서 발생한 코로나19 집단감염 사례를 대상으로 역학조사를 수행하고, 감염 발생 현황과 공간 이용 특성을 정리하였다. 역학조사 자료에는 확진자 발생 시점, 수업 일정, 강의실 이용 시간대, 확진자 간 시간적·공간적 연관성에 관한 정보를 포함하였다.
조사 대상은 집단감염이 발생한 기간 동안 어학원을 이용한 강사, 수강생 및 관련 인원으로 하였으며, 확진자 발생 일자와 수업 참여 이력, 강의실 이용 기록을 중심으로 자료를 분석하였다. 이를 통해 동일 강의실의 연속적 사용 여부, 수업 간 휴식 시간, 공간 이용 순서 등의 정보를 정리하였다.
수집된 역학조사 자료는 강의실별 이용 시간대와 확진자 발생 시점 간의 관계를 파악하는 데 활용되었으며, 본 연구에서 수행한 비말유사입자 확산 실험의 시나리오 설정을 위한 기초 자료로 사용되었다. 특히 강의 시간, 휴식 시간, 출입문 개방 여부 등 실제 운영 조건을 실험 조건에 반영하기 위해 역학조사 결과를 활용하였다.
2.2 비말유사입자 거동특성 실험 방법
본 연구에서는 비말유사입자 거동특성 파악의 목적에 따라 유동특성 가시화 실험과 잔류농도 측정 실험의 두 가지로 구분하여 수행하였다. 각 실험은 집단감염이 발생한 어학원 강의실을 대상으로, 실제 수업 운영 조건을 최대한 반영하여 설계되었다.
Table 1에는 본 연구에서 비말유사입자 거동 및 농도 특성 분석을 위해 사용된 주요 측정장비를 정리하였다. 비말유사입자 발생에는 연기발생기(Smoke generator)와 Oil droplet generator를 사용하였으며, 각각 유동특성 가시화 실험과 잔류농도 측정 실험에 적용하였다. 입자 농도는 실내공기질(IAQ) 센서를 이용하여 강의실 내부와 인접 복도 공간에서 동시에 측정하였다. 또한 공기 유동 특성을 보조적으로 확인하기 위해 입자영상유속계(PIV) 시스템과 열선풍속계를 활용하였다.
본 연구에서 사용한 비말유사입자는 실제 호흡기 비말 및 에어로졸의 생물학적 특성을 재현하기 위한 것이 아니라, 실내공기 중에서의 물리적 거동 특성(부유, 확산, 제거 특성)을 모사하기 위한 대리입자(Surrogate)로 활용되었다. 따라서 본 연구 결과는 특정 바이러스의 감염성을 직접적으로 평가하기보다는 환기조건 및 공간 사용 방식에 따른 공기 중 입자의 잔존 및 확산 특성을 이해하는 데 초점을 둔다.
2.2.1 유동특성 가시화 실험
유동특성 가시화 실험은 강의실 내부에서 비말유사입자의 확산 및 잔류 거동을 정성적으로 관찰하기 위한 목적으로 수행되었다. 비말유사입자 발생에는 연기발생기(Smoke generator)를 사용하였으며, 강의실 내부에서 약 2분간 입자를 분사하여 초기 조건을 형성한 후, 실제 어학원 운영 상황을 반영하여 휴식 시간에 해당하는 5분간 출입문을 개방한 조건에서 입자 거동을 관찰하였다.
해당 실험은 환기 조건에 따른 차이를 비교하기 위해 두 가지 조건으로 나누어 수행되었다. 첫 번째 조건은 출입문만 개방한 제한적인 환기조건에서 입자 잔류 특성을 관찰하였다. 두 번째 조건은 자연환기를 실시한 경우로, 출입문과 외부 창호를 동시에 개방하여 맞통풍이 형성된 상태에서 입자 확산 및 제거 거동을 관찰하였다. 이를 통해 동일한 휴식 시간 조건에서 환기 방식에 따른 비말유사입자 거동 특성을 비교하였다. 실험에는 강의실 내부의 공기 유동 특성을 파악하기 위한 입자발생기(Smoke generator) 및 입자영상유속계(PIV, Particle Image Velocimetry 및 Laser) 및 실내외 온도, 풍속 측정을 위해 열선풍속계(405-V1)를 이용하였다.
2.2.2 잔류농도 측정 실험
잔류농도 측정 실험은 비말유사입자의 시간 경과에 따른 농도 변화를 정량적으로 분석하기 위한 목적으로 수행되었다. 실험 조건은 실제 어학원 수업 운영과 동일하게 설정하였다. 먼저, 수업 시간에 해당하는 55분 동안 강의실 내부에서 Oil generator를 이용하여 비말유사입자를 연속적으로 발생시킨 후, 휴식 시간에 해당하는 5분간 출입문을 개방하였다. 이후 다시 출입문을 닫고, 다음 수업이 진행되는 상황을 가정하여 추가로 55분간 강의실 내부의 비말유사입자 농도 변화를 측정하였다.
실험에서는 호흡기 비말 핵과 유사한 거동 특성을 갖는 입자를 발생시키기 위해 Oil droplet generator (TSI, Model 9307)를 사용하였으며, 비말유사입자 농도 측정은 미세먼지 간이측정기 성능인증(1등급)을 받은 실내공기질 센서(KICT-IGS-01)를 사용하였다.
2.3 공기전파 위험도 평가 방법
2.3.1 공기전파 위험도 평가모델
본 연구에서는 강의실 내 잔류 에어로졸에 의한 호흡기 감염병의 공기전파 위험도를 평가하기 위하여 Wells-Riley 기반의 공기전파 위험도 평가모델을 적용하였다. Wells-Riley 모델은 실내공간에서 공기 중 감염원에 노출된 재실자의 감염확률을 정량적으로 평가하기 위해 널리 활용되는 모델로, 감염원의 발생량(quanta emission rate), 재실시간, 호흡량 및 환기조건 등을 주요 변수로 사용한다.
Wells-Riley 방정식은 감염자 수(I), 감염원 방출량(q), 노출자의 호흡량(p), 환기량(Q), 노출 시간(t)을 주요 변수로 하여, 공기전파 감염 확률(P)을 다음과 같이 산출한다.
여기서 P는 감염 확률, I는 감염자 수, q는 감염원 방출량(Quanta/h), p는 감수자의 호흡률(m3/h), t는 노출시간(h), Q는 실내 환기량(m3/h)을 의미한다. 이 방정식은 실내 공간을 ‘완전 혼합(Completely mixed)된 단일 구획(Box model)’로 가정하고, 공간 내 바이러스 농도가 시간에 따라 지수적으로 변화한다는 전제 하에 감염 확률을 확률론적으로 산출하는 모델이다(Buonanno et al., 2020;Morawska and Milton, 2020).
본 연구에서는 Wells-Riley 모델을 기반으로 환기량 산출을 용이하도록 한국건설기술연구원에서 질병관리청의 지원을 통해 개발한 ‘호흡기 감염병 공기전파 위험도 평가툴(K-VENT)’을 활용하였으며(KICT, 2023), 본 연구에서는 실험을 통해 측정된 강의실 내 비말유사입자의 잔류농도 변화를 기반으로, 수업 종료 후 동일 공간을 이용하는 다음 재실자의 노출 상황을 가정하여 공기전파 위험도를 산정하였다. 또한 출입문 개방 조건과 자연환기 조건을 구분하여 위험도를 비교함으로써, 환기 방식에 따른 감염위험 저감 효과를 분석하였다.
2.3.2 입력변수 및 평가조건
본 연구에서는 강의실 내 잔류 에어로졸에 의한 공기전파 위험도를 평가하기 위하여 Wells-Riley 기반 모델에 필요한 주요 입력변수를 설정하였다. 입력변수는 기존 선행연구 및 실제 어학원 운영조건을 바탕으로 설정하였으며, 감염원 발생 조건, 재실 조건 및 환기 조건을 반영하였다.
감염원 종류는 코로나19 델타변이를 기준으로 하였고, 감염원 발생량(quanta emission rate)은 지속적인 발성이 이루어지는 강의환경 특성을 고려하여 speaking activity 조건의 값을 적용하였다. 재실자의 호흡량(breathing rate)은 일반적인 착석 상태의 성인 활동수준을 기준으로 설정하였으며, 노출시간(exposure time)은 실제 어학원 운영조건을 반영하여 수업시간(55분)을 기준으로 적용하였다.
환기조건은 집단감염 발생 당시와 동일하게 출입문 개방만 실시한 제한적인 환기조건과, 자연환기 효과 분석을 위해 외부 창호 및 출입문을 동시에 개방한 자연환기 조건으로 구분하였다. 자연환기 조건에서는 감염이 발생한 시기의 실내외 온도 및 외부 풍속 조건을 반영하여 평가를 수행하였다. 또한 공기 중 에어로졸 농도는 현장실험에서 측정된 비말유사입자의 잔류농도 변화를 기반으로 적용하였다.
3. 코로나19 집단감염 사례조사 및 비말유사입자 거동특성 실험
3.1 코로나19 집단감염 사례 조사
본 연구의 대상은 2021년 5월 경기도 G시에 위치한 어학원에서 발생한 코로나19 집단감염 사례이다. 2021년 5월 19일 기준 총 50명의 확진자가 확인되었으며, 확진자는 학생 24명, 직원 6명, 가족 13명, 수강생의 학교친구 7명으로 확인되었다. 성별 분포는 여성 30명, 남성 20명으로 나타났다(Table 2).
지표환자는 해당 학원 소속 강사(여, 41세)로, 2021년 5월 6일 근육통, 기침, 발열 등의 증상이 발현되었으며, 5월 10일 PCR 검사를 통해 확진되었다. 지표환자를 제외한 학원 내 확진자들의 증상 발현 시점은 주로 5월 9일부터 12일 사이로 확인되어, 학원 내 1차 감염원은 지표환자로 추정되었다.
확진된 학생 24명 중 16명은 지표환자의 수업에 출석한 이력이 있었으며, 나머지 확진자들은 이후 확진된 다른 강사들의 수업 수강생 또는 학원 내 보조 인력으로 확인되었다. 해당 학원은 상가 건물 2층에 위치한 시설로, 다수의 교실과 교무실, 창문이 없는 강당을 운영하고 있었다. 감염자가 다수 발생한 강의실에는 기계환기설비가 설치되어 있지 않았고, 수업 시간 및 휴식시간에 별도의 자연환기 등에 의한 외기 도입은 이루어지지 않았다.
확진자 발생 현황을 Table 3과 같이 종합적으로 검토한 결과, 최초 확진자였던 강사가 직접 수업을 진행한 시간대에 해당 강의실에 참석한 학생들에서 확진자가 발생한 양상은 일반적인 근접 접촉 감염 경로로 충분히 설명 가능한 것으로 판단된다.
그러나 본 사례에서 주목할 점은, 일부 시간대에서는 최초 확진자가 직접 수업을 진행하지 않았음에도 불구하고, 동일 공간을 시간차를 두고 사용한 학생들에서 확진자가 확인되었으며, 이러한 감염 양상은 단순한 대면 접촉만으로는 설명하기 어려우며, 강의실 내 공기 환경을 매개로 한 노출 가능성을 시사하는 의미 있는 사례로 해석될 수 있다.
이에 본 연구에서는 강의실이라는 제한된 실내공간에서 수업 시간 동안 발생하는 비말 및 에어로졸의 입자를 대상으로 수업 및 휴식 시간 동안의 농도변화를 정량적으로 파악할 필요가 있다고 판단하였다. 이러한 배경에서, 실제 어학원 수업 운영 조건을 반영하여 강의 시간 및 휴식 시간을 구분한 비말유사입자 농도 측정 실험을 설계·수행하였으며, 이를 통해 공간 연속 사용 조건에서의 공기 중 오염물질 거동 특성을 분석하고자 하였다.
3.2 비말유사입자 거동특성 실험
3.2.1 비말유사입자 확산특성 실험
집단감염이 발생한 어학원 강의실을 대상으로 가시화 실험을 통해 비말유사입자 거동특성을 파악하였다. 강의실 내부에서 입자발생기를 이용하여 비말유사입자를 발생시킨 후, 어학원 운영 상황과 동일하게 휴식 시간에 해당하는 5분간 출입문을 개방한 조건에서 공간별 입자 거동을 분석하였다.
Fig. 2는 집단감염 발생 당시 조건을 가정하여 출입문 개방만 실시한 제한적 환기조건에서 수행한 실험 결과이다. 휴식 시간을 가정하여 5분간 출입문을 개방하였음에도 불구하고, 강의실 내부에는 상당 수준의 비말유사입자가 잔류하는 것이 관측되었는데, 이는 짧은 휴식 시간 동안 출입문 개방만으로는 강의실 내부 입자를 충분히 제거하기 어려움을 정성적으로 보여준다. 이러한 결과는 출입문 개방만 실시한 제한적인 환기조건에서는, 동일 강의실을 다음 시간에 이용하는 재실자에게 공기 중 잔류 입자가 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.
한편, Fig. 3은 외부 창호와 출입문을 동시에 개방하여 맞통풍 자연환기를 적용한 조건에서의 비말유사입자 거동 특성을 나타낸 것이다. 외기온도 22.2°C, 실내온도 22.6°C, 외부 풍속 0.44 m/s 조건에서 5분간 자연환기를 실시한 결과, 강의실 내부 입자가 외부로 빠르게 배출되었으며, 5분 경과 후에는 비말유사입자가 상당 수준 제거된 것이 관측되었다.
이와 같이 동일한 휴식 시간(5분)을 적용하였음에도 불구하고, 환기 조건에 따라 비말유사입자 거동 특성에는 뚜렷한 차이가 나타났다. 출입문 개방만 실시한 제한적 환기조건에서는 입자가 강의실 내부에 잔류한 반면, 맞통풍 자연환기를 적용한 경우에는 단시간 내 입자 제거 효과가 관측되어, 강의실 내 비말유사입자 확산 및 잔류 특성이 환기 조건에 크게 의존함을 정성적으로 확인할 수 있었다.
3.2.2 비말유사입자 농도분포 측정
두 번째 현장실험에서는 비말유사입자 농도변화 측정을 통해 강의실 및 인접 공간의 유해물질 확산정도를 정량적으로 평가하였다. 강의실 내부와 인접 복도 공간에 PM2.5 센서를 설치하고, 시간 경과에 따른 농도변화를 분석하였다. 실험은 어학원 운영 조건을 동일하게 55분 수업 시간과 5분 휴식 시간으로 구성된 시나리오를 적용하였으며, 휴식 시간에는 출입문을 개방한 상태를 유지하였다.
강의실 내부에서 비말유사입자를 분사한 이후, 수업 시간 동안 강의실 내부 측정 지점에서는 높은 농도 수준이 지속적으로 관측되었다. 이후 휴식 시간을 가정하여 5분간 출입문을 개방한 조건에서 강의실 내부 비말유사입자 농도 변화를 분석한 결과, 강의실 내부 농도는 분사 직후의 최고 농도 대비 약 26% 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 휴식 시간 종료 시점에서도 강의실 내부에는 초기 농도의 상당 부분이 잔존하는 것으로 관측되었다(Fig. 4).
동일한 시간대에 인접 복도 공간의 농도 변화를 분석한 결과, 휴식 시간 동안 복도 공간에서는 비말유사입자 농도가 일시적으로 증가하는 경향이 관측되었다. 이는 출입문 개방 조건에서 강의실 내부 공기가 복도 공간으로 일부 이동하면서 비말유사입자가 인접 공간으로 확산되었음을 보여준다. 이후 시간 경과에 따라 복도 공간의 농도는 점진적으로 감소하는 양상을 보였다.
휴식 시간 종료 후 다음 수업 시간을 가정하여 측정을 지속한 결과, 강의실 내부에서는 여전히 일정 수준의 비말유사입자 농도가 유지되는 경향이 관측되었다. 반면, 복도 공간의 농도는 강의실 내부에 비해 상대적으로 빠른 감소 양상을 나타냈다. 이러한 농도 분포 특성은 출입문 개방만으로는 강의실 내부에 존재하는 비말유사입자를 단시간에 충분히 제거하기 어렵고, 동시에 일부 입자가 인접 공간으로 이동할 수 있음을 정량적으로 보여준다.
이와 같이, 실제 어학원 운영과 동일하게 휴식 시간을 5분으로 설정하고 출입문만 개방한 조건에서도 강의실 내부 비말유사입자 농도는 상당 수준 잔존하였으며, 인접 복도 공간으로의 확산도 함께 관측되었다. 이는 이후 동일 강의실을 이용하는 재실자가 잔존 비말유사입자에 노출될 수 있는 환경이 형성될 수 있음을 농도 분포 측면에서 확인할 수 있었다. 잔존 비말유사입자의 농도감쇠 특성을 분석한 결과, 강의실의 유효 공기교환율은 약 0.24 h−1 수준으로 추정되었다. 이는 집단감염 발생 당시 기계환기 및 별도의 자연환기가 이루어지지 않았던 공간 특성을 반영하는 결과로 판단된다.
4. 코로나19 공기전파 위험도 평가
4.1 감염발생 환경조건의 공기전파 위험도 평가
본 연구에서는 집단감염 발생 당시와 동일하게 수업 시간 동안 별도의 자연환기 및 기계환기가 이루어지지 않고, 휴식시간에 출입문만 개방한 조건을 대상으로 공기전파 위험도를 평가하였다. 평가에는 Wells-Riley 기반 공기전파 위험도 모델을 적용하였으며, 실제 현장실험을 통해 측정된 잔류 에어로졸 농도 특성을 반영하여 분석을 수행하였다.
코로나19 델타변이 유행 시기의 강의환경 특성을 고려하여, 감염원의 바이러스 방출량(quanta emission rate)은 지속적인 발성이 이루어지는 Standing, Speaking 조건의 값을 적용하였다. 기존 선행연구에서 제시된 Standing, Speaking 조건의 바이러스 방출량은 5.0 quanta/h 수준으로 보고되고 있으나(Buonanno et al., 2020), 본 연구에서는 Standing, Speaking 조건의 quanta emission rate (5.0 quanta/h)를 기준으로, 실험에서 측정된 잔류농도 비율(74%)을 반영하여 상대적인 공기전파 위험도 변화를 평가하였다.
재실자의 호흡량(breathing rate)은 일반적인 착석 상태를 가정하여 0.49 m3/h로 설정하였으며(Buonanno et al., 2020), 노출시간은 실제 어학원 운영조건과 동일하게 다음 수업시간에 해당하는 55분으로 가정하였다. 또한 마스크 착용에 따른 영향은 고려하지 않았다.
그 결과, 집단감염 발생 당시의 환경조건을 고려한 공기전파 위험도는 29.31%로 분석되었다. 이는 짧은 휴식시간 동안 출입문만 개방한 조건에서는 강의실 내부에 잔류한 에어로졸이 충분히 제거되지 못하며, 이후 동일 공간을 사용하는 재실자가 공기 중 잔류 바이러스 입자에 노출되어 감염될 가능성이 존재함을 시사한다.
특히 본 사례는 최초 확진자의 수업 이후 동일 강의실을 시간차를 두고 이용한 다음 수업 재실자에게서 추가 확진자가 발생하였다는 역학조사 결과와도 일정 부분 부합하는 결과로 판단된다. 따라서 교육시설과 같이 다수의 재실자가 연속적으로 동일 공간을 사용하는 환경에서는, 휴식시간 및 대상공간 사용 전 충분한 환기가 필요할 것으로 판단된다.
4.2 자연환기 적용 시나리오의 공기전파 위험도 평가
본 연구에서는 집단감염 발생 당시의 제한적 환기조건과 비교하기 위하여 자연환기 조건을 적용한 공기전파 위험도 평가 시나리오를 구성하였다. 평가대상 강의실에는 1.2 m (W) × 0.4 m (H) 규모의 자연환기용 여닫이창이 설치되어 있었으며, 강의실 출입문(0.9 m × 2.0 m)과 창호를 동시에 개방할 경우 복도 방향으로 맞통풍이 가능한 구조를 갖고 있다.
자연환기 조건에서의 공기전파 위험도 평가는 현장 측정 당시의 실내외 환경조건을 반영하여 수행하였다. 실험 당시 실내 및 외기온도는 모두 약 22°C 수준이었으며, 외부 평균 풍속은 0.44 m/s로 측정되었다. 평가 시나리오는 실제 어학원 운영조건과 동일하게 수업 종료 후 휴식시간을 가정하여 5분간 자연환기를 실시하는 조건으로 설정하였다. 위험도 평가는 4.1절과 동일한 조건을 적용하여 수행하였으며, 환기량은 질병관리청의 지원으로 한국건설기술연구원에서 개발한 공기전파 위험도 평가 프로그램(K-VENT 3.1)을 활용하여 산정하였으며, 창호 및 출입문 동시 개방조건에서의 창호 크기 및 제한적인 외부 풍속 조건 등의 요인으로 자연환기량은 약 16.18 ACH 수준으로 산출되었다.
공기전파 위험도 평가 결과, 5분간 자연환기를 실시할 경우 공기전파 위험도는 3.04%로 분석되어, 출입문만 개방한 제한적 환기조건의 위험도(29.31%)에 비해 크게 감소하는 것으로 나타났다. 이는 맞통풍 기반 자연환기가 강의실 내부에 잔류한 에어로졸 제거에 효과적으로 작용하였기 때문으로 판단된다.
또한 이러한 결과는 비말유사입자 가시화 실험에서 확인된 자연환기 조건의 빠른 입자 제거 특성과도 유사한 경향을 나타내었다. 따라서 교육시설과 같이 동일 공간이 반복적으로 사용되는 환경에서는, 휴식시간 동안 창호와 출입문을 동시에 개방하는 자연환기 방식이 공기 중 잔류 바이러스 입자에 의한 감염위험 저감방안으로 활용될 수 있음을 시사한다.
4.3 종합토론
본 연구에서는 실제 코로나19 집단감염이 발생한 어학원 강의실을 대상으로, 현장실험을 통해 강의실 내 잔류 에어로졸 특성을 분석하고, 이를 기반으로 공기전파 위험도를 평가하였다. 특히 본 연구는 단순히 동일 시간대 재실자 간의 직접노출이 아닌, 이전 수업에서 발생한 에어로졸이 휴식시간 이후에도 실내공간에 잔류하여 다음 수업 재실자에게 영향을 미칠 수 있는 가능성에 초점을 두었다는 점에서 의의가 있다.
비말유사입자 농도 측정 결과, 실제 어학원 운영조건과 동일하게 휴식시간 동안 출입문만 개방한 경우에도 강의실 내부에는 약 74% 수준의 입자가 잔류하는 것으로 나타났으며, 공기전파 위험도 평가 결과에서도 위험도가 29.31% 수준으로 분석되었다. 이러한 결과는 짧은 휴식시간 동안 제한적인 환기만으로는 실내공간의 잔류 에어로졸을 충분히 제거하기 어려울 수 있음을 시사한다. 특히 본 연구 대상 사례에서는 최초 확진자의 수업 이후 동일 강의실을 시간차를 두고 이용한 재실자에게서 추가 확진자가 발생하였다는 역학조사 결과가 확인되었으며, 이는 실내공간의 잔류 에어로졸에 의한 공기전파 가능성을 뒷받침하는 사례로 해석될 수 있다.
한편, 자연환기 조건에서는 출입문과 창호를 동시에 개방하여 맞통풍을 형성할 경우, 동일한 5분의 휴식시간에서도 강의실 내부 입자가 빠르게 제거되는 특성이 확인되었다. 또한 공기전파 위험도 평가 결과에서도 위험도가 3.04% 수준으로 크게 감소하는 것으로 나타나(Fig. 5), 자연환기가 실내공간의 잔류 에어로졸 제거 및 감염위험 저감에 효과적으로 작용할 수 있음을 확인하였다. 이는 교육시설과 같이 동일 공간이 반복적으로 사용되는 환경에서, 휴식시간 동안의 환기 방식이 공기전파 감염위험 저감에 중요한 영향을 미칠 수 있음을 의미한다.
다만 본 연구는 실제 집단감염 사례를 기반으로 현장실험과 위험도 평가를 수행하였다는 점에서 의미가 있으나, 일부 한계도 존재한다. 본 연구에서 사용한 비말유사입자는 실제 바이러스의 생물학적 특성을 재현하기 위한 것이 아니라 공기 중 물리적 거동 특성을 모사하기 위한 대리입자이며, 공기전파 위험도 평가는 Wells-Riley 기반의 완전혼합 조건을 가정한 단일구획 모델(Box model)을 기반으로 수행되었다. 또한 특정 시기의 환경조건과 단일 강의실을 대상으로 분석이 수행되었기 때문에, 다양한 건축구조 및 환기조건에 따른 추가적인 검토가 필요하다.
그럼에도 불구하고 본 연구는 실제 집단감염 사례를 기반으로, 동일 공간을 연속적으로 사용하는 교육시설 환경에서 잔류 에어로졸에 의한 시간차 공기전파 가능성을 현장실험과 정량적 위험도 평가를 통해 제시하였다는 점에서 의의가 있다. 향후 교육시설의 환기설비 운영기준 및 휴식시간 환기방식 개선을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구결과는 교육시설과 같이 동일 공간이 반복적으로 사용되는 환경에서는 자연환기뿐만 아니라 충분한 환기시간 확보, 휴식시간 연장, 기계환기설비 운영 및 공기정화설비 적용 등 다양한 감염저감 방안의 검토 필요성을 시사한다.
5. 결 론
본 연구에서는 실제 코로나19 집단감염이 발생한 어학원 강의실을 대상으로 비말유사입자의 잔류 특성을 현장실험을 통해 분석하고, 이를 기반으로 공기전파 위험도를 평가하였다. 또한 자연환기 적용에 따른 감염위험 저감 효과를 함께 분석하였으며, 주요 결과는 다음과 같다.
(1) 휴식시간 동안 출입문만 개방한 조건에서는 강의실 내부 비말유사입자 농도가 약 26% 감소하는 데 그쳤으며, 약 74% 수준의 입자가 실내에 잔류하는 것으로 나타났다. 또한 일부 입자는 인접 복도 공간으로 확산되는 경향이 관측되었다.
(2) 현장실험 결과를 기반으로 Wells-Riley 기반 공기전파 위험도를 평가한 결과, 출입문만 개방한 조건에서의 위험도는 29.31%로 분석되었다. 이는 짧은 휴식시간 동안의 제한적인 환기만으로는 실내공간의 잔류 에어로졸을 충분히 제거하기 어려울 수 있음을 시사한다.
(3) 자연환기 조건에서는 창호와 출입문을 동시에 개방하여 맞통풍을 형성할 경우, 공기전파 위험도가 3.04% 수준으로 감소하는 것으로 나타났다. 이는 자연환기가 잔류 에어로졸 제거 및 공기전파 감염위험 저감에 효과적으로 작용할 수 있음을 보여준다.
이상의 결과를 종합하면, 교육시설과 같이 동일 공간이 반복적으로 사용되는 환경에서는 휴식시간 동안 출입문만 개방하는 방식만으로는 공기전파 감염위험을 충분히 저감하기 어려울 수 있으며, 창호와 출입문을 동시에 개방하는 자연환기 방식이 효과적인 감염저감 방안으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 본 연구는 실제 집단감염 사례를 기반으로 잔류 에어로졸에 의한 시간차 공기전파 가능성을 정량적으로 제시하였다는 점에서 의의가 있다.
