19세기 중반, 나이팅게일은 전쟁터의 야전병원에서 전투 중 부상보다 감염으로 인한 사망이 10배 많다는 충격적인 통계를 발표했습니다. 그녀는 이 사실을 ‘장미 그래프’라는 혁신적인 인포그래픽으로 세상에 알리고, 새로운 위생정책을 수립하여 현장에 적용하였으며, 병원 설계의 기본 개념을 제시하였습니다. 나이팅게일은 오염된 공기가 수많은 질병의 원인이 된다는 믿음을 갖고 있었습니다.  그리고, 적절한 환기가 이루어지지 않은 실내 공기가 전국적인 사망의 40%를 차지한다고 주장했습니다. 

2013년 영국 세인트루크병원 나이팅게일병동에서, 환기가 호흡기 질환의 확산을 얼마나 예방할 수 있을지를 밝히기 위해 공학적 실험연구가 진행되었습니다.  병원 내 호흡기 질환을 가진 환자가 지속적으로 기침을 할 때, 병원 내 공기에 항원이 얼마나 확산되는지를 시뮬레이션 했습니다. 연구 결과, 겨울철을 가정해 창문을 닫아놓은 경우는 창문을 열어놓은 경우보다 항원 노출 위험이 4배 높아지는 것으로 나타났습니다. 

[논문] 자연 환기가 되는 대형 병동의 환기 및 공기중 감염 위험 측정

환기 시스템의 문제점

병원에서는 코로나 바이러스와 같은 감염병의 확산을 차단하기 위해 음압기를 설치하여 병실을 음압상태로 유지합니다. 제조업 및 건설업에서는 근로자들이 화학물질 및 유해위험물질에 노출되지 않도록 국소배기시스템을 적용합니다.

하지만 이러한 환기 시스템들은 기술적 문제로 제 기능을 하지 못하는 경우가 많습니다. 예를 들어, 후드의 제어속도 불량, 자바라 덕트의 굴곡 및 각도 이상으로 인한 압력손실, 필터의 막힘으로 환기효율의 감소, 부적합한 송풍기 용량, 덕트 연결부위인 켄버스의 물리적 손상과 같은 요인들은 환기 시스템의 성능을 저하시킵니다. 이러한 문제는 병원, 제조업, 건설업 뿐만 아니라, 최근 직업성 폐암의 발생으로 주목을 받았던 급식조리실에서도 확인되었습니다.

[유튜브] 학교 조리실 환기장치 실태조사 및 표준 환기방안 마련 연구

국소배기시스템의 이해

국소배기시스템이 잘 작동하고 있는지 파악하기 위해서는 각 구성요소들의 원리를 이해하고 있어야 합니다. 국소배기시스템은 후드, 덕트, 공기정화장치, 송풍기로 구성됩니다. 이는 여러분들이 가정에서 흔하게 사용하는 진공청소기를 떠올려 보시면 좋습니다.

후드는 유해물질 발생원 가까이 설치해 발생한 유해물질을 목적한 곳으로 모으는 포집구입니다. 포집을 위해서는 가급적 전체를 포위하고, 유해물질 발생속도보다 빠른 유속으로 흡인해야 합니다. 

덕트는 후드에서 흡인한 기류를 공기정화장치까지 또는 정화장치에서 최종 배출구까지 운반하는 관입니다. 주덕트(main duct)와 가지덕트(sub duct)가 있습니다. 덕트는 유속이 낮아 오염물질이 침전되거나, 덕트구조가 공기흐름을 방해하는지 확인하는 것이 중요합니다. 

공기정화장치는 공기 중 오염물질을 제거하는 장치입니다. 입자상 오염물질의 전처리는 중력, 관성력, 원심력을 이용하며, 본처리는 세정, 여과, 집진방식이 사용됩니다. 가스상 오염물질은 흡수, 흡착, 연소, 응축, 분해와 같은 방법을 사용합니다.

송풍기는 시스템에 걸려 있는 저항을 거슬러 필요한 양의 공기를 후드 내로 유입시켜 이송시키는 장치로, 블로어(blower), 팬(fan) 등으로 불립니다. 송풍기는 공기흐름 방향에 따라 축류 송풍기(axial flow fan)와 원심력 송풍기(centrifugal fan)로 구분합니다. 송풍기는 국소배기장치 내에서 공기를 흐르게 하는 힘을 제공하기 때문에 가장 핵심적인 설비입니다. 송풍기 성능 저하의 원인은 크게 시스템의 과도한 압력손실 증가와 송풍기의 자체 성능 저하로 구분할 수 있습니다.

[학습자료] 산업환기기스템 개론

공기조화시스템, 전체환기 속 국소배기시스템

환기를 제대로 알려면 국소배기시스템에 대한 이해만으로는 부족합니다. 우선, 환기시스템은 전체환기와 국소배기로 나눌 수 있습니다. 전체환기는 오염물질의 독성이 낮을 때, 가스상 물질 일 때, 오염물질의 발생이 균일하고 발생원이 산재되어 있을 때 사용됩니다. 하지만 전체환기는 필요 환기량이 많기 때문에, 냉난방기를 함께 가동한다면 큰 에너지 손실을 감수해야 합니다.  따라서 국소배기장치는 전체환기라는 조건 속에서 고려되어야 합니다. 게다가 환기시스템은 공기조화시스템이라는 복잡한 시스템의 일부입니다. 공기조화시스템은 영어로 Heating Ventilation and Air Conditioning이며 약자로 HAVC를 사용합니다. 공기조화의 4대 요소인 온도, 습도, 기류, 청정도를 목적에 알맞은 상태로 조절하는 역할을 합니다.