Mô phỏng CFD giúp cải thiện hệ thống thông gió của phòng áp lực âm

  • 2020-04-24 ---

    •    Không khí là một tác nhân vận chuyển tốc độ cao, làm cho các bệnh truyền nhiễm trong không khí như bệnh viêm đường hô hấp cấp lây lan nhanh và nguy hiểm. Trong môi trường tù đọng, các giọt bắn được tạo ra bởi các hoạt động hô hấp khác nhau có thể di chuyển khoảng cách lớn tới 6 mét với vận tốc 50 m/s (hắt hơi), 2 mét với vận tốc 10 m/s (ho) và 1 mét tại vận tốc 1 m/s (thở). Khoảng cách này có thể tăng hoặc biến dạng nếu không khí xung quanh đang chuyển động.

       Trong trường hợp bệnh nhân viêm đường hô hấp cấp cần nhập viện, người này được đưa vào một cơ sở được kiểm soát gọi là phòng cách ly. Không giống như các phòng cách ly khác, phòng cách ly nhiễm khuẩn trong không khí (AIIR) còn được gọi là phòng áp lực (hay áp suất) âm. Đây là nơi các công cụ động lực học chất lỏng tính toán () thể hiện vai trò thiết yếu.

       Thực nghiệm đánh giá áp lực phòng và mô hình luồng khí có thể khó khăn ở giai đoạn đầu của thiết kế bố trí bệnh viện. Sử dụng cho phép các kỹ sư HVAC khảo sát ảo các mô hình luồng khí và sử dụng chúng để cung cấp thông tin tối ưu hóa thiết kế tiếp theo mà cần tuân thủ các hướng dẫn ASHRAE Standard-170 (Thông gió của các Cơ sở Chăm sóc Sức khỏe).

    Tối ưu hóa thiết kế thông gió phòng áp lực âm với mô phỏng

       Hiệu năng của một phòng áp lực âm (hoặc AIIR) được xác định bởi nồng độ của các hạt nhân giọt nhỏ truyền nhiễm trong không khí. Đạt được nồng độ chất ô nhiễm thấp hơn có nghĩa là một môi trường an toàn hơn cho nhân viên y tế và các bệnh nhân khác trong cơ sở. Khi nói đến hiệu suất tổng thể của một phòng cách ly thông gió tự nhiên, nhiều yếu tố như vị trí địa lý, tốc độ gió, bố trí phòng là tất cả các yếu tố quan trọng khi hoạt động.

       Với mục đích của nghiên cứu này, chúng ta hãy xem xét một phòng cách ly nằm ở vị trí tương đối. Vận tốc gió trung bình là 1,8 m/s. Phòng áp suất âm sẽ đối mặt với hướng gió, cho phép gió đi vào phòng cách ly thông qua các cửa sổ. Môi trường xung quanh, mật độ dân cư với cây cối và các tòa nhà, sẽ tạo ra một môi trường xốp (porous), làm giảm tốc độ gió xuống 0,12 m/s gần cửa sổ của phòng áp suất âm. Điều này sẽ có tác động lớn đến mô hình luồng không khí trong phòng và là một xem xét quan trọng đối với người thiết kế.

       Dự án này nhắm mục đích minh họa lợi ích của việc sử dụng mô phỏng để khảo sát hiệu suất tổng thể của cơ sở AIIR và sự truyền bệnh từ bệnh nhân khắp phòng áp lực âm. Nó cũng sẽ giúp chúng ta xác định nồng độ chất ô nhiễm quan trọng và hình dung đường dòng chảy mà thể lây nhiễm đi theo bằng cách sử dụng gió đi vào cửa sổ như một tác nhân mang theo.

    Mô hình hình học

       Phòng bệnh nhân nhiều giường và phòng cách ly áp lực âm được ngăn cách bằng hành lang rộng ba mét. Phòng cách ly nhiễm khuẩn trong không khí (AIIR) được ghép với một phòng cách ly khác có kích thước khác. Cấu hình này cho phép một phòng tắm chung cho hai phòng cách ly. Phòng cách ly đầu tiên có kích thước 4,08m * 3,7m * 3m, trong khi phòng thứ hai là 2,95m * 3,7m * 3m.

       AIIR sẽ duy trì áp suất âm của nó như thể cánh cửa đang mở. Đây là lý do tại sao, với mục đích phân tích này, các cánh cửa được coi là mở. Sử dụng dữ liệu này, hình học 3D cho phân tích đã được mô hình hóa. Để mô phỏng nhanh hơn và mạnh hơn, mô hình đã được đơn giản hóa.

    Bố trí phòng áp lực âmBố trí phòng áp lực âm.

    Bố trí phòng cách ly

    Bố trí phòng cách ly (tường được ẩn để biểu diển tốt hơn)

       Các cửa sổ chính trong phòng cách ly nhiễm trùng thứ nhất và thứ hai luôn mở, cung cấp một nguồn thông gió tự nhiên. Máy đo lưu lượng gió kỹ thuật số TESTO-435 được sử dụng để đo lượng khí cung cấp ngoài trời từ mỗi cửa sổ. Các phép đo vận tốc được ghi lại mỗi giây trong khoảng thời gian 30 phút, đo vận tốc trung bình là 0,12 m/s. Các giá trị trung bình theo thời gian của các phép đo thu được được sử dụng làm điều kiện ban đầu trong các mô phỏng.

    Phân tích số

       Vì dự án này khảo sát sự vận chuyển hàng loạt của vi rút lây nhiễm, loại phân tích vận chuyển vô hướng thụ động đã được sử dụng. Khái niệm đằng sau phân tích này là các hạt được vận chuyển trong dòng chảy không nén được không ảnh hưởng đến dòng chảy.

    Điều kiện biên

       Để xây dựng lưới số và thực hiện phân tích, mô hình 3D của phòng cách ly đã được nhập vào phần mềm ở định dạng .step. Mô hình 3D rời rạc bằng cách sử dụng trình tạo lưới lục diện Hex chiếm ưu thế có tham số. Lưới chứa hơn bốn triệu phần tử 3D có kích thước 0,002m × 0,002m × 0,002m mỗi phần. Nó cũng chứa một độ mịn cục bộ ở điều kiện biên.

       Điều kiện biên được sử dụng trong mô phỏng thể hiện hiện tượng đang được khảo sát, chẳng hạn như một cửa vào không khí tươi lớn và cửa ra hỗn hợp lây nhiễm được tìm thấy trong phòng cách ly nhiễm khuẩn trong không khí. Không khí ngoài trời được cho là đi qua các cửa sổ chính (W1) và (W2) vào từng phòng cách ly với vận tốc trung bình 0,12 m/s. Cửa vào không khí tươi này được coi là không có mầm bệnh nhiễm khuẩn trong không khí. Hỗn hợp nhiễm khuẩn được cho là đi qua hành lang thông qua cửa ra.

    Mô hình hóa thể lây nhiễm

       Trong dự án này, một người mắc bệnh hô hấp không khí thở ra được mô phỏng là thể lây nhiễm. Tổng dung tích phổi (TLC) là lượng không khí tối đa trong phổi sau khi hít vào hoàn toàn. Đối với nam giới, TLC trung bình là 6000ml, trong khi đối với nữ là 4200ml. Khả năng tồn dư chức năng (FRC) là lượng không khí còn lại trong phổi sau khi thở ra bình thường. Đàn ông giữ trung bình khoảng 2400ml, trong khi phụ nữ giữ lại 1800ml. Thể tích còn lại (RV) là lượng không khí còn lại trong phổi sau khi thở ra cưỡng bức, RV trung bình đối với nam là 1200ml và 1100ml đối với nữ. Dung tích sống (VC) là lượng không khí tối đa có thể thở ra sau khi hít vào tối đa. Đàn ông có xu hướng trung bình 4800ml và phụ nữ 3100ml. Lượng VC được mô hình hóa như là sự lây lây nhiễm cho phân tích số này.

    Kết quả mô phỏng

    Mặt cắt trường vô hướng xa cửa sổ 1m

    Mặt cắt của trường vô hướng xa cửa sổ 1m.

    Mặt cắt của trường vô hướng xa cửa sổ 2m

    Mặt cắt trường vô hướng xa cửa sổ 2m.

       Kết quả mô phỏng cho thấy phòng cách ly nhiễm khuẩn trong không khí trở nên áp lực dương so với hành lang do lối vào của không khí từ cửa sổ. Không khí này như một phương tiện mang không khí bị nhiễm bệnh từ phòng đến hành lang. Vẫn còn hơn 10% nồng độ nhiễm khuẩn cách bệnh nhân hai mét. Điều này sẽ làm cho thiết kế không an toàn cho nhân viên y tế và bệnh nhân ở những không gian khác. Chúng tôi có thể kết luận rằng thiết kế đòi hỏi phải sửa đổi.

    Cải tiến thiết kế hệ thống

       Trong phần trước, chúng tôi đã phát hiện ra rằng sử dụng gió để thông gió sẽ không phải là chiến lược tốt nhất. Chỉ cần có một tốc độ gió tiềm năng là nó sử dụng thông gió không đáng tin cậy, và các yếu tố khác cũng phải được xem xét.

       Để giải quyết vấn đề này, một hệ thống cơ khí phải được đưa vào. Giải pháp đề xuất là tích hợp hệ thống cơ khí vào phòng cách ly với quạt hút có kích thước để đạt được tối thiểu 12 lần thay đổi không khí mỗi giờ, theo khuyến nghị của tiêu chuẩn thông gió của cơ sở chăm sóc sức khỏe ASHRAE. Sử dụng thể tích phòng, công suất quạt hút phù hợp được tính toán là 317 CFM (feet khối mỗi phút) và 233 CFM tương ứng cho phòng cách ly nhiễm trùng trong không khí 1 và 2.

       Một quạt cung cấp 550 CFM được đưa vào hành lang. Để tránh tác động của gió lên hệ thống mới, các cửa sổ sẽ được niêm phong. Sau khi sửa đổi hình học để kết hợp các điều chỉnh này mô phỏng đã được thực hiện.

    Nồng độ vô hướng cách xa tường 1m.

    Nồng độ vô hướng cách xa tường 2m.

       Như chúng ta có thể thấy từ các kết quả mới thu được ở trên, chúng tôi đã có thể giảm nồng độ nhiễm khuẩn xuống gần như bằng 0 với cấu hình, giúp an toàn cho nhân viên y tế chăm sóc bệnh nhân.

    Kết luận

       Nhiễm khuẩn liên quan đến chăm sóc sức khỏe (HAIs) - các bệnh nhiễm khuẩn mà bệnh nhân có thể mắc phải trong khi điều trị tại một cơ sở y tế. Đây là một mối đe dọa lớn đối với sự an toàn của bệnh nhân, tuy nhiên chúng thường có thể phòng ngừa được. Có khoảng 1 trong 25 bệnh nhân tại bệnh viện ở Hoa Kỳ có ít nhất một bệnh lây nhiễm liên quan đến chăm sóc sức khỏe [1]. Phòng áp lực âm (hoặc phòng cách ly nhiễm khuẩn trong không khí) được thiết kế phù hợp là một trong những cách hiệu quả nhất để giảm thiểu nguy cơ dịch bệnh.

       Vì hậu quả của một hệ thống thông gió phòng cách ly được thiết kế kém có thể rất thảm khốc, chỉ dựa vào trực giác hoặc tính toán tay là không đủ. Mô phỏng đang nổi lên như một công cụ hỗ trợ cho các kỹ sư HVAC, giúp họ tuân thủ các hướng dẫn của ASHRAE về các yêu cầu thông gió cho các cơ sở công nghiệp chăm sóc sức khỏe và đảm bảo an toàn thông qua mô phỏng áp suất không khí. Dự án trên là một minh họa đơn giản về cách có thể được áp dụng cho quy trình thiết kế phòng áp lực âm, giúp xác định lỗ hổng thiết kế sớm trong quy trình.

    Tham khảo:

    [1] Magill SS, Edwards JR, Bamberg W, et al. Multistate Point-Prevalence Survey of Health Care-Associated Infections. New England Journal of Medicine 2014

    Bài viết liên quan:

    Nguồn: Anwar Endris (simscale)

    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