Thiết kế phòng cách ly áp lực âm dạng mô-đun sử dụng mô phỏng số

  • 2020-04-27 ---

    •    Bệnh lây nhiễm do chủng coronavirus mới đang lây lan một cách rất nhanh qua mỗi ngày. Điều này đang đặt ra một trạng thái căng thẳng khổng lồ lên các hệ thống chăm sóc sức khoẻ trên toàn thế giới mà không có một cách xử lý nào rõ ràng. Có một nhu cầu ngay lập tức đối với các phòng cách nghiệm và phòng cách ly dễ sản xuất trong vùng với mật độ dân số cao để chuẩn bị cho một kịch bản lây lan cộng đồng trong trường hợp xấu nhất.

       Như được định nghĩa bởi các tài liệu ASHRAE[1,2], các buồng và phòng áp lực âm được sử dụng để ngăn ngừa sự lây lan các bệnh về đường hô hấp trong bệnh viện. Trong phòng áp lực âm, hệ thống thông gió cơ học tạo ra một áp suất hoạt động thấp hơn so với các vùng bao quanh phòng áp lực âm, do đó không có sự rò rỉ không khí bị ô nhiễm (có chứa virus). Phần mềm tính toán động lực học chất lỏng () ANSYS Fluent có thể được sử dụng để thiết kế một phần của phòng áp lực âm mà cũng dễ dàng sản xuất.

       Đối với nghiên cứu này, các kỹ sư đã tạo ra và đánh giá một vài thiết kế hệ thống thông gió để xác định và lựa chọn thiết kế vật lý hiệu quả nhất cho việc loại bỏ không khí đã ô nhiễm (có chứa virus) từ phòng cách ly.

    Những thách thức

       Cơ sở hạ tầng thử nghiệm và cách ly có thể mở rộng được yêu cầu cho các khu vực có mật độ dân số cao hơn trong giai đoạn lây nhiễm của COVID-19. Một phòng áp lực âm tốt phải được thiết kế theo tiêu chuẩn ASHRAE/ASHE 170-2017[1,2], và hệ thống thông gió của các cơ sở chăm sóc sức khoẻ yêu cầu cơ sở hạ tầng đắt đỏ. Những điều này có thể đặt một gánh nặng tài chính khổng lồ lên hệ thống chăm sóc sức khoẻ và khó để xây dựng qua đêm. Do đó, trong các nỗ lực giảm thiểu virus tại chỗ, chỉ có giải pháp khả thi là sử dụng các vật liệu có sẵn ở địa phương và một thiết kế phòng áp lực âm có thể xây dựng một cách nhanh chóng.

    Giải pháp

       Các phòng cách ly sự lây nhiễm qua không khí (các phòng áp lực âm) ngăn ngừa các mầm bệnh được tạo ra từ bệnh nhân truyền ra ngoài. Trong nghiên cứu này, vật liệu xây dựng và thiết kế cơ bản được lấy cảm hứng từ các phòng áp lực âm với kiểu dáng cabin điện thoại được thiết kế cho các thử nghiệm quy mô lớn ở Hàn Quốc[3].

       Tiêu chuẩn ANSI/ASHRAE/ASHE 170-2008[1,2] khuyến nghị nên thay đổi không khí ít nhất 12 lần mỗi giờ (ACH) cho các trình ứng dụng của bệnh viện, để cho hệ thống thông khí đạt hiệu quả dễ dàng nhất.
    Tất cả không khí đi vào hệ thống thông gió sẽ được đi qua một bộ lọc HEPA để loại bỏ 95% tới 99% các chất gây ô nhiễm trước khi chúng được đi ra môi trường không khí xung quanh. Một máy thổi ly tâm với có lưỡi quay ngược thường được sử dụng ở phía dưới của hệ thống thông gió này để tạo ra áp suất âm / áp suất hút cần thiết.

       Bằng việc sử dụng ANSYS SpaceClaim, các kỹ sư xây dựng một mô hình CAD bao gồm một bệnh nhân đang nằm trên một chiếc giường ở trong phòng có kích thước 9 ft 9 ft 8 ft. Dựa trên nghiên cứu và tối ưu hóa thiết kế dựa trên , ống thông khí thải được đặt trên tường ngay phía trên đầu bệnh nhân và lỗ thông khí được đặt theo cách sao cho không khí thông gió trực tiếp quét qua vùng đầu và thân của bệnh nhân, và di chuyển đến cửa thoát khí. Thiết kế thông gió này tránh sự tuần hoàn của các chất gây ô nhiễm trong phòng và làm cho căn phòng an toàn hơn cho nhân viên y tế và những người làm việc khác. Tốc độ dòng chảy tối thiểu cần thiết cho 12 ACH là khoảng 130 CFM cho thể tích phòng là 648 feet khối.

    Hình 1. Vùng tính toán và các điều kiện dòng chảy cho việc mô hình hoá .

       Các kỹ sư đã chia lưới mô hình bằng ANSYS Fluent và chuẩn bị một mô hình bằng cách xác định sàn, cửa, các bên là các bức tường không trơn trượt, và ranh giới đầu ra khi các cửa xả áp mở ra khí quyển. Ranh giới đầu vào được xác định là cửa vào áp suất mở vào khí quyển và hướng đầu vào được đặt theo cửa gió 45 độ ở ống dẫn vào. Quạt được mô hình hóa bằng mô hình trường ngẫu nhiên Markov (MRF) để tạo lực hút cần thiết. Việc giảm áp suất trên bộ lọc HEPA được mô hình hóa bằng mô hình vật liệu xốp (có lỗ).

       Trong mô phỏng, các đường dẫn không khối lượng được tạo ra với vận tốc khoảng 1 m/s để tính toán dòng khí thải ra từ miệng của bệnh nhân. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng vận tốc khí thải ra khoảng 1 m/s từ vùng mũi hoặc miệng của bệnh nhân là một giá trị đại diện tốt để thiết kế hệ thống thông gió trong phòng áp suất âm[4]. Vùng tính toán và điều kiện của dòng chảy được hiển thị trong Hình 1.


    Hình 2. Dự đoán cho thiết kế hệ thống thông gió được đề xuất.

       Các quỹ đạo hạt không khối lượng từ vùng miệng bệnh nhân được thể hiện bằng ANSYS VRXPERIENCE, như trong Hình 2. Các quỹ đạo hạt không khối lượng được thông gió trực tiếp bên ngoài mà không có bất kỳ tuần hoàn nào trong phòng. Điều này cho thấy rằng sự kết hợp của tốc độ dòng chảy vượt quá 100 CFM và góc dự kiến hướng xuống 45 độ được đề xuất.

    Kết quả

    Mô phỏng giúp dự đoán và hình dung hiệu quả của thiết kế hệ thống thông gió cho một phòng và hình thể bệnh nhân nhất định. Chúng cho thấy tầm quan trọng của việc tối ưu hóa tốc độ dòng chảy, góc chảy, kích thước lỗ thông hơi đầu vào và đầu ra, bố trí, và lựa chọn quạt và bộ lọc trong việc phát triển các phòng cách ly áp lực âm.

    Tham khảo:

    [1] Jinkyun Cho. “Improved Ventilation System for Removal of Airborne Contamination in Airborne Infectious Isolation Rooms.” ASHRAE Journal, February 2019.
    [2] Khankari, Kishor. “Patient Room HVAC.” ASHRAE Journal, Vol. 58 (6), 2016.
    [3] South Korean Hospital’s ‘Phone Booth’ Coronavirus Tests
    [4] Airflow and AII Rooms: Why Supply and Exhaust Location Matters

    Bài viết liên quan:

    Nguồn: ansys.com

    Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc. " hoặc "Theo www.advantech.vn " nếu bạn muốn phổ biến thông tin này.

    - Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech .,Jsc" hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này