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표제지 1

국문초록 4

목차 8

Ⅰ. 서론 16

1.1. 연구의 배경 및 목적 16

1.2. 연구의 범위 및 방법 17

Ⅱ. 건물 내 미생물 피해와 관리 21

2.1. 미생물 피해 21

2.1.1. 건물 내 미생물 피해 22

2.1.2. 건물 내 감염 확산 전파 28

2.1.3. 소결 36

2.2. 미생물 피해 관리 및 대응 37

2.2.1. 미생물 피해 방지 관련 기준 검토 37

2.2.2. 감염병 확산 방지를 위한 기준 검토 38

2.2.3. 소결 39

2.3. 요약 40

Ⅲ. 자외선 살균에 대한 고찰 41

3.1. 자외선 살균 원리와 유형 41

3.1.1. 자외선 살균 원리 42

3.1.2. 자외선 살균 유형 44

3.1.3. 소결 50

3.2. 파장에 따른 살균 성능 검토 51

3.3. 파장별 살균 성능 확인을 위한 기초 실험 53

3.3.1. 기초 실험 개요 53

3.3.2. 기초 실험 방법 54

3.3.3. 기초 실험 결과 58

3.3.4. 소결 65

3.4. 요약 65

Ⅳ. 공간의 방향성을 고려한 자외선 복사조도 68

4.1. 표면 복사조도와 공간 복사조도의 차이 68

4.2. UV Fluence Rate 개요 69

4.2.1. UV Fluence Rate 69

4.2.2. UV Fluence Rate에 기존 연구 고찰 70

4.3. UV Fluence Rate 계산 방법 75

4.3.1. RADIANCE를 이용한 계산 방법 75

4.3.2. Visual Lighting을 이용한 계산 방법 79

4.3.3. 간이측정을 통한 UV Fluence Rate 검토 87

4.4. UV Fluence Rate 계산 방법에 따른 비교 88

4.4.1. 계산 및 측정 결과 비교 88

4.4.2. 오차에 대한 검토 94

4.5. 요약 96

Ⅴ. UV Fluence Rate를 활용한 실내공간의 살균 성능 검증 98

5.1. 실험 챔버 내 UR-UVGI의 살균 성능 검증 98

5.1.1. UR-UVGI에 대한 고찰 98

5.1.2. 챔버 개요 102

5.1.3. 실험 방법 102

5.1.4. 챔버 실험 결과 106

5.1.5. 소결 108

5.2. CFD 해석을 이용한 살균 성능 해석 109

5.2.1. CFD 개요 109

5.2.2. 오염물질 확산에 대한 CFD 해석 방법 109

5.2.3. CFD 해석 결과 115

5.2.4. 소결 121

5.3. 요약 122

Ⅵ. Case Study : 사무용 건물 대상의 UVGI 시스템 적용과 살균 성능 검토 124

6.1. Case Study를 통한 살균 성능 방안 검토 124

6.1.1. Case Study 대상 건물 124

6.1.2. UV-C를 이용한 제어수단 검토 128

6.2. 수치해석을 이용한 UVGI 적용안 검토 130

6.2.1. UV 램프 배열에 따른 설계안 130

6.2.2. 복사해석을 통한 바닥공조 공간의 자외선 강도 분포 131

6.2.3. CFD 해석을 통한 UVGI의 살균 성능 예측 132

6.3. 요약 157

Ⅶ. 결론 158

(1) 건물 내 미생물 제어 수단으로써 UV-C 파장 검토 158

(2) RADIANCE를 이용한 UV Fluence Rate 계산 159

(3) 공간 살균 성능에 대한 검토 159

(4) 실제 건물을 대상으로 한 UVGI의 살균 성능 예측과 검토 160

참고문헌 162

Curriculum vitae 175

Abstract 188

표목차 12

〈표 2.1〉 공동주택의 곰팡이 피해 24

〈표 2.2〉 건물 내 감염 사례 국외 30

〈표 2.3〉 건물 내 감염 사례 국내 35

〈표 3.1〉 건물 내 적용에 따른 UVGI 유형 46

〈표 3.2〉 파장에 따른 표면 살균 성능 확인 연구 55

〈표 3.3〉 UV-C, 근자외선, 가시광 LED 모듈의 사양 확인 결과 57

〈표 3.4〉 파장 및 미생물별 조사 시간 57

〈표 3.5〉 파장에 따른 B. subtilis 농도(A-275 nm. B-370/385/405 nm) 60

〈표 3.6〉 파장에 따른 E. coli 농도(A-275 nm. B-370/385/405 nm) 61

〈표 3.7〉 파장에 따른 P. chrysogenum 농도(A-275 nm. B-370/385/405 nm) 62

〈표 3.8〉 파장에 따른 C. cladosporidides 농도(A-275 nm. B-370/385/405 nm) 63

〈표 3.9〉 파장별 미생물 계수 산출 결과 64

〈표 4.1〉 UV Fluence Rate 선행연구 고찰 71

〈표 4.2〉 Visual Lighting의 Fluence Rate 계산과정 80

〈표 5.1〉 UR-UVGI 선행연구 고찰 100

〈표 5.2〉 CFD boundary conditions 113

〈표 5.3〉 Concentration of contaminant by UR-UVGI operating 117

〈표 5.4〉 Comparison of Sterilization effect by experiment and CFD analysis 122

〈표 6.1〉 각 Zone별 UFAD의 사양정보 128

〈표 6.2〉 UV-C Reflectivity of UFAD components 131

〈표 6.3〉 CFD Boundary Conditions 133

〈표 6.4〉 Sterilization coefficient of Corona virus 135

그림목차 13

그림 1. Flow chart for the this research 20

그림 2.1. 공동주택 내 미생물 오염 및 피해 현장 23

그림 2.2. 실내외 부유 곰팡이 농도의 상관관계 26

그림 2.3. 현장조사를 통한 공동주택 내 환기장치의 미생물 오염도 조사(필터 및 소자 표면) 28

그림 2.4. Infection case of Amoy Garden 31

그림 2.5. Infection case of restaurant in Guangzhou 32

그림 2.6. Infection case of restaurant and apartment in Korea 33

그림 2.7. 친환경 소재를 이용한 처리방안(화학용품) 38

그림 3.1. Standardized Germicidal Response Functions 41

그림 3.2. 자외선에 의한 미생물 DNA 구조 파괴 원리 42

그림 3.3. General Ranking of Susceptible to UVC Inactivation of Microorganisms by Group 43

그림 3.4. 고(중)압 및 저압 수은등(자외선램프)에 따른 E. coli에 대한 자외선 파장의 살균... 45

그림 3.5. Concept of ID-UVGI 47

그림 3.6. Concept of UR-UVGI 48

그림 3.7. 파장에 따른 스펙트럼 범위 52

그림 3.8. LED module 54

그림 3.9. Specification of LED modules(275, 370, 385, 405 nm) 56

그림 3.10. 미생물 동정작업 및 실험과정 58

그림 3.11. 파장과 선량에 따른 미생물별 생존율 곡선 (275 nm) 64

그림 3.12. 파장과 선량에 따른 미생물별 생존율 곡선 (370, 385, 405 nm) 65

그림 3.13. UVGI의 적용과 설계를 위한 방법론 67

그림 4.1. Concept of calculation method for RADIANCE 77

그림 4.2. UV Fluence Rate calculation algorithm script 78

그림 4.3. 반복계산횟수에 따른 UV Fluence Rate 비교 (RADIANCE-script) 78

그림 4.4. IES File Format 82

그림 4.5. Types of light sources in IES file 83

그림 4.6. Coordinate of sphere points by angle 84

그림 4.7. XK-15 UVGI IES File 85

그림 4.8. UV Fluence Rate Results in Visual Lighting 86

그림 4.9. UV Fluence Rate의 간이측정 87

그림 4.10. Z＝0일 때 y에 따른 결과값 비교 89

그림 4.11. Z＝0.1일 때 y에 따른 결과값 비교 91

그림 4.12. Z＝0.3일 때 y에 따른 결과값 비교 93

그림 4.13. 광원에 따른 거리별 조도 차이 95

그림 4.14. RADIANCE Rendering with vertical movement 95

그림 4.15. Comparison of light distribution by IES file 96

그림 5.1. Diagram of UR-UVGI experiment 104

그림 5.2. 챔버 실험 현장 105

그림 5.3. Results of experiments 107

그림 5.4. CFD modeling 114

그림 5.5. Distribution of UV Fluence Rate in CFD Simulation 114

그림 5.6. Results of airflow distribution 115

그림 5.7. Results of Case 1 116

그림 5.8. Results of Case 2 : UV dose-particle 118

그림 5.9. The cumulative amount of UV Dose and the number of particles in the UV region 120

그림 6.1. 신축 사무 건물 및 바닥공조 시스템 126

그림 6.2. Plan of UFAD 127

그림 6.3. UV-C 램프 128

그림 6.4. One-pass test setup 129

그림 6.5. A/F 내 UV-C 램프 및 반사판 131

그림 6.6. Case by UV lamp array 132

그림 6.7. 바닥공조 공간 대상 기류 해석 결과 134

그림 6.8. Results of Case 1 at Zone 1 136

그림 6.9. Results of Case 2 at Zone 1 137

그림 6.10. Results of Case 3 at Zone 1 138

그림 6.11. Section of Zone 1 139

그림 6.12. Results of Zone 1 by k value 140

그림 6.13. Results of Case 1 at Zone 2 141

그림 6.14. Results of Case 2 at Zone 2 142

그림 6.15. Results of Case 3 at Zone 2 143

그림 6.16. Section of Zone 2 144

그림 6.17. Results of Zone 2 by k value 145

그림 6.18. Results of Case 1 at Zone 3 146

그림 6.19. Results of Case 2 at Zone 3 147

그림 6.20. Results of Case 3 at Zone 3 148

그림 6.21. Section of Zone 3 149

그림 6.22. Results of Zone 3 by k value 150

그림 6.23. Results of Case 1 at Zone 4 151

그림 6.24. Results of Case 2 at Zone 4 152

그림 6.25. Results of Case 3 at Zone 4 153

그림 6.26. Results of Case 3* at Zone 4 154

그림 6.27. Section of Zone 4 155

그림 6.28. Results of Zone 4 by k value 156

초록보기

 미생물이라는 오염물질은 건물과 실내 재실자에게 여러 유형의 피해를 유발하므로 이에 대한 관리, 대응 수단의 필요성은 지속적으로 강조되어왔다. 크게 표면과 공기 중 피해로 분류할 수 있으며, 건물의 마감재나 설비와 같은 표면 피해로 인해 건물의 미관이 손상되거나 건물의 성능이 저하된다. 공기 중으로 확산되는 경우에는 사람에게 알레르기, 호흡기 및 피부 질환 등을 유발하여 유해한 것으로 알려져있다. 더불어 이전부터 발생해온 감염병 또한 감염균(미생물)이 감염 매개체로 분류되어 미생물 피해의 한 유형으로 볼 수 있다. 최근 발생한 COVID-19 팬데믹은 전세계적으로 감염 확산이 유행하였고 명확한 제어 방안의 부재로 시설, 제도 등의 다양한 방법으로 제시되었으나 효율적으로 감염 확산을 방지하지 못했다.

이러한 미생물 피해 대응 및 예방을 위한 수단으로 미생물 살균에 효과적인 것으로 알려진 자외선 조사를 이용한 방안이 개발되어 활용되어왔다. 이러한 자외선 살균 기술은 건물 내 미생물 제어를 위해서 다양한 적용 방법이 검토되어왔다.

이에 따라 건물 내 자외선 살균 방안을 활용하기 위해서는 정확한 성능 평가 및 예측이 요구되고 적용하는 대상에 따라 표면/공간 개념에 적절한 자외선 복사조도 개념이 적용되어야 한다. 하지만, 이러한 건물 내 적용되는 자외선 살균 방식의 적용에는 다음과 같은 문제를 나타낸다.

표면/공간 살균 대상에 대한 자외선 복사조도 개념의 혼용

현재 UVGI의 살균 성능 검토 단계에서는 계산의 편의를 위해 표면 살균 성능 검토 단계에서 사용하는 평면 복사조도의 개념을 표면/공간 구분없이 혼용하여 사용하고 있다. 때문에 공간에 대한 살균 성능 평가 혹은 예측에 대한 정확도가 떨어진다.

공간에 대한 자외선 복사조도 계산 방법의 한계 및 검증에 대한 부재

공간 개념의 자외선 복사조도인 UV Fluence Rate는 이론적인 개념으로 정확한 측정이 어렵다. 현재 수학적 모델로 접근한 계산 방법이 제시되어있으나 해당 방법은 계산과정이 복잡하고 범용성이 떨어지며 정확도에 대한 검증이 요구된다. 또한, 기존에 제시된 방법들은 적용 범위가 한정적으로 제한되어있어 실제 건물에 대한 적용에는 다소 어려운 측면이 있다.

이러한 문제로 인해 현재 제시되어있는 자외선 살균 방안들은 적용되는 표면/공간 대상의 적절한 살균 성능 확보 검토 없이 사용되고 있다. 실무적인 측면에서는 UVGI의 사양에 대한 검토 또한 미흡한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 복사해석을 이용한 UV Fluence Rate 계산 방법을 제시하고 이를 CFD 해석에 적용하여 UVGI의 공간에 대한 살균 성능 평가를 진행하여 위와 같은 문제점들을 개선하고자 한다.

UVGI의 공간에 대한 살균 성능 평가 방안은 다음과 같다. UVGI 적용을 위한 대상 공간의 특성을 파악한다. 적용 대상에 따라 복사해석 툴을 이용하여 공간특성(반사율, 기하학적 형상 등)을 반영하고, UV Fluence Rate를 계산한다.

이후, 계산된 UV Fluence Rate를 Input data로 CFD 해석 조건에 활용하여 공간 내 기류, 오염물질 확산 등 환경인자들과의 복합적인 해석을 통해 UVGI의 공간에 대한 살균 성능을 검토할 수 있다. 또한, 오염물질의 유형에 따라 가스상 물질과 입자상 물질로 분류하여 각각 살균 성능을 평가하는 방법을 제시하였다. 이와 같은 방법으로 미생물 종류에 따른 살균 성능을 예측 및 평가할 수 있고, 적용되는 UVGI의 사양 검토가 가능하다.

제시한 UVGI의 공간에 대한 살균 성능 평가 방안을 검증하기 위해 실물 실험을 진행하여 본 연구에서 제시한 방법을 검토하였다. 실물 실험은 실험 챔버 공간에서 실제 부유 세균을 발생시켰으며, 건물 내 적용되는 UVGI의 유형 중 공간 살균을 위해 사용되는 UR-UVGI를 대상으로 하였다. 이후 UR-UVGI를 대상으로 복사해석과 CFD 해석을 통해 오염원 유형에 따른 살균 성능 해석 방법을 검토하였다.

본 연구에서 제시한 UVGI의 공간에 대한 살균 성능 평가 방안에 대한 결론은 다음과 같이 정리할 수 있다.

신뢰도가 높은 Ray-tracing 기반의 UV Fluence Rate 계산방법을 제시하였다. 제시한 방법은 기존 방법과 마찬가지로 정확도 향상을 위해서는 보완이 필요하지만 비교적 간편하게 UV Fluence Rate를 구할 수 있다. 또한, 공간 살균 성능 검토를 위한 데이터로 활용이 가능하다. 이를 통해 기존에 적용 대상(표면/공간)의 구분없이 평면 자외선 복사조도로 혼용 및 오사용되던 부분을 보완할 수 있다.

도출한 UV Fluence Rate를 활용하여 오염물질 유형에 따른 CFD 해석 방안을 검토하였다. 실물 실험을 통해 살균 성능을 검증하였고 이를 통해 UVGI의 공간에 대한 정확한 살균 성능 평가가 가능하다.

실제 바닥공조 시스템을 대상으로 한 UVGI의 적용 사례를 통해 건물의 특성을 반영한 UVGI 살균 성능 평가가 가능하였다. 또한, UVGI 및 감염원의 변수(램프의 개수, 배열, 감염균 종류 등)에 대한 검토를 통해 효과적인 적용안을 제시하였다.

이와 같은 살균 성능 검토 방안은 공간의 특성(반사율, 기하학적 특성 등)을 반영하여 UVGI의 적용을 검토할 수 있으며 UVGI 적용의 최적화, 오염원의 종류와 유형 등 다양한 변수에 대한 대처가 가능하다. 이를 통해 UVGI의 공간에 대한 성능 평가와 예측에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

추후 연구를 통해 UV Fluence Rate 계산 방법의 정확도 부분을 보완한다면 다양하고 복잡한 형태의 공간 및 기구 대상의 UV Fluence Rate 도출이 가능하다. 또한, UVGI의 살균 효율 지표 등을 개발할 수 있다.

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