Modelování obrazů proudění vzduchu ve standardním operačním sále

Úvod

V současné době při navrhování systémů větrání a klimatizace čistých prostorů operačních sálů (dále jen OS) je hlavním prvkem pro formování prostředí jediný přívodní vzduchotechnický element, tzv. laminární strop (LS). Tento slouží pro distribuci a nejjemnější filtraci (třetí stupeň filtrace) přiváděného vzduchu do dané místnosti. Standardní laminární strop zajišťuje požadovanou čistotu prostředí v operačním poli pacienta. V praxi dochází na všech operačních sálech ke stejnému efektu samoznečištění, kdy po čase provozu dojde ke zvýšení koncentrace částic v operačním poli a tím ke snížení požadované třídy čistoty. Tento jev je způsoben přimícháváním vzduchu z prostoru OS do mezní vrstvy a následně pronikáním tohoto sekundárního proudu vzduchu v místech narušeného jednosměrného proudění do jádra proudu.

Obr. 1. Základní prvky uvažovaného OS: laminární strop, operační
svítidla, operační stůl, prvky pro odvod vzduchu

Při validaci OS, která se provádí po kompletním vyčištění prostoru a bez provozu, jsou koncentrace částic vyhovující. Kompletní čištění se v praxi z technických a časových důvodů provádí cca po 90 dnech provozu.

Obraz proudění je vzhledem k vysokým výměnám vzduchu (v operačním poli pacienta je výměna vzduchu podle druhu OS i více jak 100násobná) nejen zásadním funkčním parametrem čistoty vzduchu v operačním poli pod obrysem přívodního prvku, ale taky ovlivňuje rozložení a koncentraci částic v prostoru OS.

Zvyklosti zavedené v oblasti VZT čistých prostorů v OS zaměřují problematiku distribuce vzduchu výhradně na prostor operačního pole. Tento prostor zaujímá však méně jak 30 % z celkového objemu místnosti.

Obr. 2. Zjednodušené zobrazení proudění vzduchu v OS a znečištění
primárního proudu vzduchem v místnosti

Jak ukázaly dílčí experimenty, okolní prostor má v důsledku proudění vzduchu v místnosti poměrně důležitý vliv na čistotu vzduchu v operačním poli. Z tohoto vyplývá, že obrazem proudění v celé místnosti lze ovlivňovat i rozložení koncentrace částic na OS. Moderním nástrojem k identifikaci obrazu proudění jsou matematické CFD modely. V současné době tato výpočtová metoda poskytuje nejlepší přiblížení k postižení tak složitého jevu, jakým je proudění vzduchu v uzavřeném prostoru.

Článek se zabývá touto problematikou a ve svém závěru navrhuje možné opatření pro snížení uvedeného efektu samoznečišťování, tj. omezení znečištění přiváděného vzduchu částicemi sekundárního vzduchu, tzv. zpětnými proudy.

Teorie

Obraz proudění je vizualizovaná představa o rozložení vektoru rychlosti ve větraném prostoru. Idealizovaný obraz usměrněného proudění je na obr. 2. Obraz určuje dominantně poloha a charakter výtokové plochy a její plocha u přívodních distribučních prvků, dále teplé a chladné konvektivní proudy v prostoru. Vliv odvodních otvorů je zanedbatelný, protože dosah jejich působení je velmi krátký, dotváří však celkové proudění vzduchu v místnosti. Lze očekávat, že zásadní charakteristiky platné pro volný izotermní proud budou v určité oblasti platné i pro výtok vzduchu z laminárního stropu. Tato představa (v současné literatuře používaná) je však velmi obecná a je nutné ji upravit a zpřesnit.

Použité metody

Pro vytvoření názorného obrazu proudění postihujícího vliv faktorů na OS vyjádřené na obr. 1 byl vytvořen matematický model v programu ADAPCO STAR CCM+. Současně budované OS mají zpravidla rozměry 5 x 6 x 3 m, které jsou v tomto modelu respektovány.

Reálné proudění je více či méně ovlivněno překážkami, v řešeném prostoru jsou příkladem operační svítidla, stativy, zdrojové mosty a různé prvky lékařské technologie. Tato zařízení jsou nejen mohutná, ale jsou také zdrojem tepla a obtékání jejich teplého povrchu přiváděným vzduchem je zdrojem turbulencí.

Obr. 3a. Vektorový obraz proudění. Příčný řez OS se standardním laminárním stropem

Obr. 3b. Vektorový obraz proudění. Podélný řez OS se standardním laminárním stropem

Obr. 3c. Vektorový obraz proudění. Diagonální řez OS
se standardním laminárním stropem

S obrazem proudění úzce souvisí kvalita vzduchu v konkrétním bodě prostoru. Z tohoto hlediska je možné učinit některé dílčí závěry o rozložení kvality vzduchu v prostoru na základě identifikace obrazů proudění vytvořených pomocí matematického 3D modelu, jak znázorňuje obr. 3.

Na výpočet byl použit geometricky přesný model OS s celkovým počtem 361 315 polyhedrálních buněk. Použité modely vnitřního zařízení (lampy, operační stůl) jsou geometricky přesné, zjednodušení se týká pouze vynechání nepodstatných částí vnitřního vybavení lékařskou technologií, jako jsou stolky, přístroje ventilace a anestezie pacienta apod. Pro okrajové podmínky simulace bylo zvoleno ustálené třídimenzionální proudění vzduchu s vlivem turbulence. Jako model turbulence byl zvolen Realizable K-Epsilon model, pro výpočet mezní vrstvy Two-Layer All y+ Wall Treatment model. Vzduch byl modelován jako ideální plyn, proudění bylo řešeno jako izotermní. Byl zvolen "Segregated flow" řešič. Iterace proběhly do zkonvergovaného stavu.

Výsledky

Všeobecně lze konstatovat, že oblast čisté zóny, tj. prostoru, který je zcela omýván přiváděným vzduchem a kde nedochází ke směšování se vzduchem z místnosti, není totožná s rozměry velkoplošného přívodního prvku. Proudění přiváděného vzduchu nelze považovat za laminární ani v prostoru pod laminárním stropem, jedná se však o proudění usměrněné, zejména ve střední části s dominantním vlivem setrvačných sil.

Na okraji proudu přiváděného vzduchu vznikají v důsledku viskozity vzduchu turbulence a dochází ke směšování s okolním vzduchem. Větrání v okrajové zóně lze charakterizovat jako zřeďovací, ve středové zóně jako vytěsňovací. Uplatní se zde viskozita vzduchu, zvláště v mezní vrstvě. Počáteční rychlostní pole je v důsledku proudění vzduchu laminarizátorem vyrovnané, proudění je jednosměrné. Při proudění okolním klidným vzduchem se i zde uplatní vliv viskozity vzduchu a vytvoří se mezní vrstva smíseného vzduchu z přívodní vyústě a z místnosti. Rychlostní profil se mění, uplatňuje se brzdný účinek mezní vrstvy.

Matematickým modelem jsou potvrzeny dřívější hypotézy (na základě prováděných měření koncetrace částic v jednotlivých zónách a kouřových experimentů v protoru OS), že uvedený efekt samoznečištění je důsledkem dnes obecně používaného systému vytěsňovacího větrání seshora - nahoru.

Při nízkých výtokových rychlostech vzduchu se kromě sil setrvačných uplatní také síly vztlakové, generované rozdílem teplot mezi vzduchem v místnosti a vzduchem přiváděným. Prostor OS vykazuje za provozu kladnou tepelnou bilanci a přiváděný vzduch je tedy kvůli odvodu tepelné zátěže podchlazený. V tomto případě lze očekávat zrychlení vzduchového proudu a jeho kontrakci, přičemž mírná kontrakce proudu je viditelná i na obr. 3. Tento vliv bude dále zkoumán a jeho důsledky hodnoceny. Je možné předpokládat, že zvýšení rychlosti přiváděného vzduchu bude mít za následek větší okrajové turbulence kompaktního proudu vzduchu a tím zvýšené narušení mezní vrstvy, čímž bude diskutovaný jev samoznečištění ještě podpořen.

Z obrazů proudění na obr. 3 je zřejmá rozsáhlá deformace primárního proudu při obtékání operačního svítidla.

Dominantním zdrojem částic v OS je oděv zdravotnického personálu, částice kůže, kapalný aerosol, obvazový materiál, částice emitované lékařským vybavením. Částice jsou lehké, při své velikosti kolem 0,5 μm v proudicím vzduchu OS téměř nesedimentují a jsou unášeny zpětnými proudy do místa operačního pole pacienta.

Obr. 4a. Vektorový obraz proudění. Příčný řez OS s kombinovaným laminárním stropem s bočním přívodem vzduchu

Obr. 4b. Vektorový obraz proudění. Podélný řez OS s kombinovaným laminárním stropem s bočním přívodem vzduchu

Obr. 4c. Vektorový obraz proudění. Diagonální řez OS s kombinovaným
laminárním stropem s bočním přívodem vzduchu

Možným způsobem, jak ovlivnit rozložení koncetrací částic tak, aby nedocházelo k jejich přimíchání do operačního pole pacienta, je změna obrazu proudění, která bude alespoň částečně eliminovat zpětné proudy, patrné na obr. 3. Na základě této úvahy je navržen nový koncový prvek pro přívod vzduchu do operačního sálu nazvaný kombinovaný laminární strop (KLS) s bočními vývody přiváděného vzduchu. Matematické simulace obrazů proudění jsou uvedeny na obr. 4.

Diskuze

Identifikace obrazu proudění metodou CFD prokázala složitost proudění vzduchu v celém prostoru OS a dosažené výsledky, částečně ověřené měřením, lze považovat za velmi dobré přiblížení skutečnosti. Řešené úlohy zobrazují vektory rychlostí proudění vzduchu a jsou určitým vodítkem pro úvahy o rozložení koncentrace částic, tak jak jsou v textu uvedeny.

V závazných pokynech určených pro čisté prostory ve farmacii [4] je v odstavci 54 uvedeno: "Má být prokázáno, že profily proudění vzduchu nepředstavují riziko kontaminace, tj. má být zabezpečeno, aby proudění vzduchu neroznášelo částice z pracovníků, pracovních postupů nebo zařízení do zóny s největším rizikem pro přípravek." Ve sledovaném případě tato zóna představuje operační pole pacienta. Z toho vyplývá obecný závěr, že modelování obrazů proudění je i použitelnou metodou posuzování rizika kontaminace čistého prostoru.

Závěr

CFD model znázorňující obrazy proudění je cenným nástrojem pro optimalizaci distribuce vzduchu i v takových případech, jako je usměrněné proudění v OS. Výsledkem analýz obrazu proudění při použití standardních VZT prvků je návrh nového přívodního prvku pro OS, kombinovaného laminárního stropu.

Literatura

[1] R UBINA, A.: Vzduchotechnické systémy pro čisté prostory ve zdravotnictví. Disertační práce. Brno 2007, 110 s., 30 s. příloh. Vysoké učení technické v Brně. Fakulta stavební. Ústav technických zařízení budov.
[2] R UBINA, A.: Vzduchotechnické systémy pro čisté prostory operačních sálů. Odborná monografie, STP - územní centrum Brno, Praha 2008, ISBN 978-80-02-02065-3
[3] R UBINA, A. - UHER, P.: Obrazy proudění vzduchu na standardním operačním sále. Sborník 5.konference IBPSA-CZ, Brno 2008, ISBN 978-80-254-3373-7.
[4] S ÚKL, VYR-32: Pokyny pro správnou výrobní praxi - Doplněk 1, výroba sterilních léčivých přípravků, platnost od 1. 3. 2009.
[5] ČSN EN ISO 14644: Čisté prostory a příslušné řízené prostředí - Část 1: Klasifikace čistoty vzduchu, listopad 2000.