численное моделирование работы системы вентиляции в

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ
В ОПЕРАЦИОННОЙ
С. Третьяков/S. Tretyakov
Как известно, в настоящее время требования к чистоте воздуха в
операционных достаточно высоки, что связано с необходимостью
превентивного предотвращения послеоперационного сепсиса. Согласно
исследованиям 1998 г., проведенным зарубежом [1], стоимость последующего
лечения сепсиса составляет 2850 долл. на один случай инфицирования. Более
того, данная сумма даже близко не учитывает моральные и физические
страдания, которые испытывает пациент в данном случае.
Источниками инфекции в операционной являются микроорганизмы,
которые паразитируют на коже человека и не приносят ему существенного
вреда без попадания в открытую рану. Их перенос в пространстве операционной
осуществляется засчет отшелушивания частиц кожи хирургического персонала,
а также открытых частей кожи пациента. Размеры частиц кожи составляют
приблизительно 20 микрон и они легко проходят через хлопковую униформу
персонала с размерами пор в 80-100 микрон.
Таким образом, воздушная среда операционной должна соответстующим
образом отфильтровываться для сохранения концентрации частицпереносчиков в пределах, установленных законодательством. Как правило,
вентиляционная система, установленная в операционной, является системой
рециркулятивного типа, т.е. отобранный в помещении воздух возвращается туда
же после очистки на высокоэффективных фильтрах.
Существует два варианта размещения фильтра – напольный и потолочный.
В соответствии с многочисленными исследованиями, потолочное размещение
более
оправдано
с
эпидемиологической
точки
зрения,
т.к.
свежеотфильтрованный воздух поступает сразу на хирургическую рану,
привнося минимальное количество паразитоносителей. В данном случае очень
критическим является возникновение направленной вверх тепловой конвекции
со стороны персонала, которая привносит частицы-переносчики в чистый
потока от фильтра.
Применение фильтрующей системы зависит от типа операционной – в
обычных операционных используется т.н. воздушная система высокой
эффективности очистки по частицам (high efficiency particulate air - HEPA). Для
помешений трансплантологии и сходных «высокочистых» операционных
используются системы ультрачистой вентиляции (ultra clean ventillation - UCV),
с более высокой эффективностю очистки и, соответственно, стоимостью.
Rafat Al-Waked [2] в своей работе модельно рассмотрел возможность
использования системы типа HEPA, в противовес использованию UCV, для
поддеражания высокочистой среды в операционной. В статье рассмотрен
перенос частиц-носителей по операционной и особое внимание уделяется
концентрации частиц в районе операционной раны.
План операционной, рассмотренной в работе, представлен на Рис.1, она
включает в себя:
1) трехмерное пространство операционной, заполненное воздухом (168
м3)
2) оборудование, в т.ч. энерговыделяющее: операционный стол,
анестезирующий аппарат (э.в.), столы и стены, хирургическая
3)
4)
5)
6)
лампа/surgical light (э.в.), лампы всеобщего освещения/theatre lights
(э.в.). в модели эти элементы представлены граничными условиями
типа «стенка», причем граничные отмеченные индексом э.в.
дополнены условием постоянности теплового потока с поверхности.
Персонал. Граничное условие типа «стенка», причем персонал
испускает частицы-носители, углекислый газ при дыхании и тепловой
поток.
Пациент. Граничное условие типа «стенка» с выделением тепла и
углекислого газа (ниже, чем персонал, т.к. в состоянии наркоза).
Хирургическая рана – «ловушка» для частиц (скорость частицы
искуственно становится нулевой при попадании в рану)
Заборные решетки/return air grill – граничное условие типа «выход»
Потолочная фильтрующая система/HEPA filters – граничное условие
типа «вход», воздух не содержит частицы-носители.
Рисунок 1. Схематичное представление модели
Моделирование процесса осуществлялось в среде CFD-ACE с
использованием стандартной модели турбулентности типа «к-эпсилон».
Перенос частиц-носителей моделировался в Лагранжевой постановке,
основанной на решении формулировки второго закона Ньютона отдельно для
каждой частицы, с учетом суммарной силы, действующей на частицу от всех
механизмов: гравитации, архимедовой силы, силы лобового сопротивления
потоку. Учет тепловых аспектов процесса достигался путем решения уравнения
энергии для системы, при этом особое внимание уделялось возникновению
конвективных токов воздуха и частиц-переносчиков. Перенос углекислого газа
моделировался на основании стандартной модели для диффузии газа. Более
детально о модели и результатах моделирования можно узнать, связавшись с
автором или в работе [2].
В данной работе рассмотрены 4 основных системы вентилирования
помещения, приведенные в Таблице. Более того, каждая из систем была
рассмотрена со следующиъ точек зрения:
• работы в диапазоне скоростей потока воздуха,
• обеспечения комфортной температуры в помещении,
• распространения углекислого газа,
• скорости потока в районе хирургической раны,
• нескольких типов хирургических ламп, т.к. конвекционные контртоки на пути воздуха из фильтра обусловленны ее
энергонапряженностью,
• использование занавески вокруг фильтра, предназначенной для
фокусировки потока на стол,
• различные комбинации по заборным решеткам.
№ опции
1
2
3
4
Тип
UCV
UCV
HEPA* HEPA*
Площадь фильтра, м2
5,76
9
5,4
8,36
Скорость после фильтра, м/с
0,38
0,33
0,47
0,63
Стоимость системы, тыс. долл.
120,8
146,1
88,49
105,1
* - система типа НЕРА набрана из четырех фильтров, расположенных по
контуру над операционным столом
Рисунок 2. Слева – векторы скорости потока воздуха, справа – контуры
температуры
По результатам моделирования, приведенным на Рис. 2 для опции № 3
оказалось, что энергонапряженное оборудование вызвает тепловую конвекцию
воздуха, образуя циркуляторные течения, способствующие загрязнению
хирургической раны. Таким образом, одной из основных рекомендаций
исследователей было использование минимальной по размерам и
энерговыделению хирургической лампы.
Более того, оказалось, что первые три опции из приведенных в Таблице
удовлетворяют нормативам по содержанию частиц в помещениях особой
чистоты (не обычных операционных). Опиця №4, в которой из-за большой
площади фильтрующей поверхности был увеличен центральный зазор между
плитами фильтров, не является удовлетворительной. Причиной этому
послужило неоднородное поле потока на входе в помещение, которое
увеличивает количество вортексных структур в помещении, равномерно
распределяя частицы-носители по объему.
Таким образом, наиболее экономически оправданным является
использование относительно недорогой конфигурации НЕРА-системы, уровень
очистки в которой достигает величин для более эффективных UCV.
Некоторые дополнительные заключения, сделанные при анализе
результатов моделирования:
1)
использование направляющей воздух занавески неоправданно,
т.к. приводит к интенсификации конвекции от персонала и
лампы, образуя контр-токи на пути чистого воздуха.
2)
расположение заборных решеток существенно не влияет на
распределение частиц-носителей в помещении.
3)
различные размеры заборных решеток также существенно не
влияют на распределение частиц-носителей.
4)
минимизация энерговыделения в помещении – один из
важнейших факторов к снижению концентрации частиц в районе
раны.
5)
увеличение скорости на фильтрах оправданно лишь до
определенной величины, после чего наблюдается интенсивный
перенос носителей к ране. Более того, высокая скорость воздуха у
раны способствует ее высыханию.
Ссылки:
1. Martone W.J. et al (1998). Incidence and Nature of Endemic and Epidemic
Nosocomial Infections. Chapter 30 In-hospital infection. 4 th. Edition
Philadelphia.
2. R. Al-Waked. Effect of ventilation strategies of infection control innside
operating theatres. Engineering Applications of Computational Fluid
Mechanics, v.4, n.1, pp.1-16 (2010).
Автор благодарит д-ра К.В. Чау, заместителя редактора Engineering Applications
of Computational Fluid Mechanics за разрешение использовать статью [2] и
рисунки из журнала для написания данного обзора.
The author kindly acknowledge Dr. K.W. Chau, Associate Editor of Engineering
Applications of Computational Fluid Mechanics, for the permission to use paper [2]
and figures from the Journal when writing the current review.