2019년 12월 코로나바이러스(COVID-19)가 처음 확인된 이후 전세계로 빠르게 확산되어 팬데믹 상황이 이어지고 있다. COVID-19 감염의 주된 원인은 병원체인 SARS-CoV-2의 접촉, 비 접촉에 의한 전파이다. 대부분 직접적인 접촉이 주요 감염원인으로 알려져 있지만 최근 연구에서는 실내 환경에서 공기 전파를 통해서도 감염되는 것으로 보고되고 있다. 실내 공기 중 전파는 병원체를 포함한 에어로졸 형태의 비말(비말핵)이 장시간 실내에 머물면서 실내 기류에 따라 확산되어 집단 감염을 유발 할 수 있다. 비말핵은 호흡기 비말의 건조 또는 인간의 호흡활동을 통해 미세한 에어로졸 형태로 생성된다. 특히 환기가 잘되지 않은 밀폐된 실내 공간에서 공기감염의 위험이 높게 나타나고 있다. 아울러 에어컨과 같은 강제 기류는 실내 공간에 기류분포를 형성하며 실내 전역에 걸쳐 에어로졸을 확산시키는 역할을 하기도 한다.
따라서 비말의 실내 확산을 분석하기 위해서는 실내 공기의 흐름, 비발(오염물질)의 발생 위치에 따른 실내 확산 특성 등에 대한 분석이 필요하다. 그러나 에어로졸 형태의 5μm 이하의 작은 입자를 실험을 통해 재현하는 것은 매우 어렵고 특별한 조치 없이 실제 코로나균을 실내 공간에서 취급하는 것은 불가능하다. 이런 경우에 추적가스법을 사용해서 에어로졸의 실내 확산 거동을 분석한다. CO2는 에어로졸 발생 및 이동을 모니터링하기 위한 바이오마커, 추적가스로 많이 사용된다. 또한 감염위험률은 의심 환자가 배출한 호기(呼氣, expiratory air)를 다른 사람이 재호흡하는 공기의 비율과 직접적인 관련이 있으며 이것은 CO2 농도로 산출될 수 있다. 따라서 실내 공간에서 재실자의 CO2 모니터링을 통해 비말의 확산을 간접적으로 확인할 수 있으며, 비말의 흡입으로 인한 COVID-19의 잠재적 감염 위험률을 분석할 수 있다.
본 연구에서는 코로나 상황에서 수업을 불가피하게 해야 하는 학교 교실을 대상으로 실내에서 비말(핵)이 발생하였을 시 발생 위치 및 에어컨 기류에 따른 오염물질의 확산과 감염 위험률을 검토하는 것을 목적으로 한다. 검토는 실험을 통해 이루어졌으며, 비말은 실내 기류에 의해 수동적으로 확산되는 특성을 반영하여, 비말을 모사할 수 있는 추적가스(이산화탄소)를 발생시켜 확산 특성을 분석하였다.
현장실측을 통해 환기시스템 및 에어컨 가동에 따른 실내 비말(오염물질) 확산 특성과 실내 각 지점에 미치는 오염물질 농도 형성 기여도를 분석하였다. 또한 실내 기류와 오염물질 발생 위치에 따른 COVID-19 감염 위험률을 분석하였다. 실측 결과, 교실과 같은 밀폐된 실내 환경에서 실내에서 오염물질이 발생될 경우, 에어컨 가동은 오염물질 발생 지점에서 오염물질 확산 범위를 확장시키는 역할을 하였다. 반면, 환기시스템 가동은 발생 지점에서 오염물질을 신선 공기를 통해 빠르게 희석시켜 농도를 낮추고, 발생 지점에서 오염물질의 확산 범위를 축소시키는 역할을 하였다.
본 연구의 결과, 에어컨은 실내에서 발생된 오염물질(비말)을 확산시키는 확산자를 역할을 하는 것을 확인하였다. 더불어 에어컨의 리턴 기류는 실 전체로 오염물질을 퍼트리는 역할을 하였다. 또한 에어컨 가동은 자연적인 확산 조건 대비 재실자의 COVID-19 감염 위험률을 약 20% 높이는 결과를 보인다. 반면, 환기 시스템을 가동하는 경우 에어컨 가동 대비 재실자의 COVID-19 감염 위험률을 40% 저감시키는 효과를 보인다. COVID-19 감염의 주된 원인이 되는 실내 공기 중 전파를 저감하기 위해 에어컨과 같은 강제 기류의 흐름을 억제하고, 적절한 환기 시스템 설계가 필요하다는 점을 시사하고 있다. 또한 COVID-19 감염 위험을 낮추는 CO2 농도에 대한 추가적인 연구에 활용될 것으로 판단된다.

Coronavirus disease 2019 (COVID-19) has caused a devastating global pandemic since it was first identified in December 2019. There is now overwhelming evidence that the pathogen responsible for COVID-19, severe-acute-respiratory-syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), can be transmitted through exhaled aerosol droplets suspended in indoor air. According to the WHO, airborne transmission is defined as the spread of an infectious agent caused by the dissemination of droplet nuclei (aerosols) that remain infectious when suspended in air over long distances and time. The physics of exhaled air and flow physics have generated hypotheses about possible mechanisms of SARS-CoV-2 transmission through aerosols. These theories suggest that 1) many respiratory droplets generate microscopic aerosols (<5 μm) by evaporating, and 2) normal breathing and talking results in exhaled aerosols. In an enclosed space with poor ventilation, it may be exposed to aerosols by respiratory activities for a long time. In addition, forced airflow, such as an air conditioner, increases the diffusion of aerosols in indoor spaces. It could allow a susceptible person to inhale an aerosol containing enough virus to cause infection.
In order to investigate the diffusion path of droplets indoors, the effect of airflow and the generation location of droplets on the diffusion and formation of indoor concentration should be analyzed. However, small particles of 5 μm or less in the form of aerosols are very difficult to reproduce through experiments. As a tracer gas, CO2 is considered a bio-marker for monitoring infectious aerosol occurrence. Also, infection risk is directly associated with the fraction of re-breathed air of the infection suspected person. Therefore, CO2 monitoring in the occupant of a classroom can indirectly stimulate the dispersion of aerosols and the potential infection risk of COVID-19 from aerosol inhalation can be analyzed.
In this study, the spread of pollutants and probability of infection according to the location of droplet generation, airflow of air-conditioning and HVAC system were analyzed by field measurements in a school classroom. The field measurements were accomplished to analyze the diffusion characteristics of droplets according to the operation of the air conditioner and ventilation system.
As a result of the field measurement, when droplets generate in the center of the room under the operating conditions of the air conditioner, the droplets are collected and spread throughout the room by the discharge and the return airflow of the air conditioner. On the other hand, it was confirmed that when the ventilation system is operated, the droplets generated are rapidly discharged outdoors through the exhaust airflow, and the droplet concentration of the entire room is decreased by the fresh outdoor air introduced into the room.
As a result of analyzing the contribution to the indoor concentration formation of droplets generated at each point in the room, the contribution of droplet diffusion under natural ventilation conditions was greatly affected by the droplet''s generation location. When droplet occurred on the main entrance and window airflow line, the main entrance and window side showed a high concentration.
In the case of the air conditioner operating condition, long-distance propagation of water droplets at the point of occurrence was observed. It was found that the operation of the indoor air conditioner plays a role in spreading water droplets throughout the room at the point of occurrence.
Based on the field measurement data, the risk of infection at each point in the room was analyzed according to the indoor airflow conditions (natural ventilation, air conditioner operation, ventilation system operation). Under natural ventilation conditions, the risk of infection in the vicinity of the droplet generation point from 1 hour after the generation of tracer gas exceeded 0.01%. On the other hand, in the case of operating the air conditioner, the risk of infection exceeded 0.01% at all points in the room. Therefore, the operation of the air conditioner increased the risk of infection by about 20% compared to the natural ventilation condition. In the ventilation system operating condition, it was confirmed that the risk of infection was high only at the point where the indoor wind speed distribution was large. However, it showed the risk of infection was lowered by about 40% compared to the operating conditions of the air conditioner.
As results of this study, it was confirmed that the diffusion of droplets affects the point of occurrence under natural ventilation conditions. Also, the airflow of the air conditioner greatly affects the diffusion. Therefore, in order to reduce the group infection that occurs indoors, a strategy to reduce the risk of infection by securing sufficient ventilation is required. The results presented in this study will serve as reference data for future research on indoor environment management for the prevention of infectious diseases.