Методы вычислительной гидродинамики как инструмент оценки эффективности вентиляции в операционных
Часть 1. Скорость воздухообмена

K. Khankari, Ph.D, член ASHRAE

Один из источников инфекции в операционных – это чешуйки кожи, мельчайшие частички отшелушившихся с открытых участков тела людей кожных покровов. Микрочастицы, бактерии, находящиеся в воздухе, обычно переносятся внутри комнаты воздушным потоком. Вентиляционная система в операционных должна эффективно удалять эти микрочастицы из стерильной зоны и минимизировать их перенос из нестерильных (загрязненных) зон.

Требования стандарта

Требования стандарта ASHRAE/ASHE 170–2017¹ обеспечивают при проектировании вентиляционных систем операционных минимальный уровень стерильной среды вокруг зоны непосредственного хирургического вмешательства. Согласно данному стандарту, расположение приточного диффузора (воздухораспределителя ламинарного потока) должно поддерживать воздушный поток над пациентом и хирургической бригадой. Кроме того, необходимо разместить основной приточный диффузор таким образом, чтобы зона охвата была не менее 305 мм с обеих сторон от поверхности операционного стола. Комната должна быть оснащена по крайней мере двумя настенными вытяжными решетками, которые нужно разместить в противоположных углах, причем нижний край этих вытяжных решеток находится на уровне около 20 см от пола.

Также в операционной необходимо поддерживать избыточное давление с кратностью воздухообмена 20 ч^–1. Приточный воздух должен двигаться в одном направлении сверху вниз со средней скоростью 0,13–0,18 м/с. Рекомендуемые характеристики минимальных скоростей основаны на данных, полученных методами вычислительной гидродинамики – CFD-моделирования (от англ. Computational Fluid Dynamics). При таких скоростях и зонах охвата диффузором удается избежать образования циркуляционных потоков воздуха от источников тепловыделений (хирургические светильники в стерильной зоне) и защитить операционную зону посредством создания теплового купола – участка относительно теплого воздуха в области хирургического вмешательства. Последнее предположение, однако, не могло быть проверено путем экспериментальной оценки работы вентиляционных систем в операционных.

Следует отметить, что роль стандарта ASHRAE – обеспечить только минимальные требования, которые могут и не быть оптимальными принципами проектирования.

Приточный воздушный поток

Воздух – основной переносчик теплоты, влаги и загрязнений (вредностей) в операционных. Характер распределения приточного воздуха и траектория его потоков обуславливают скорость движения воздуха, температуру, концентрацию и траекторию движения загрязняющих частиц в воздухе в различных зонах помещения. Такое распределение, в свою очередь, определяет тепловой комфорт, качество воздуха и потенциал распространения переносимых по воздуху частиц. В идеале в операционной приточный воздух должен пройти через стерильную зону в один проход, т. е. сразу быть удаленным через вытяжные решетки без рециркуляции и смешивания с потоком приточного воздуха.

Считается, что высокая кратность воздухообмена позволяет создать более чистую среду в операционных. Однако данные последних исследований показывают, что увеличение кратности воздухообмена не обеспечивает более чистую среду в должном объеме, но значительно увеличивает эксплуатационные расходы.

Структура воздушного потока, изменение его температуры и траектории движения присутствующих в нем загрязняющих частиц могут зависеть от нескольких взаимосвязанных факторов, включая:

• месторасположение, тип и количество приточных диффузоров;

• скорость изменения направления и температуры приточного воздуха;

• местоположение и мощность различных источников тепловыделений, находящихся в помещении, включая естественное освещение и хирургические светильники;

• размер и местоположение медицинского оборудования в помещении, которое может препятствовать движению воздушного потока;

• размер и местоположение предоперационных помещений относительно операционной комнаты;

• частоту открытия/закрытия дверей операционной.

CFD-моделирование

Натурные испытания и измерения в режиме реального времени всех параметров, которые могут повлиять на работу вентиляционной системы в операционной (включая воздушный поток и результирующую траекторию движения загрязняющих частиц), невозможны. Поэтому для изучения влияния этих факторов применяют методы CFD-моделирования, основанные на законах физики (включая законы движения и теплофизики). CFD-моделирование обеспечивает детальную трехмерную визуализацию распределения воздушных потоков и распределения температуры, что в конечном итоге позволяет сделать выводы о воздухоподготовке и о траектории движения загрязняющих частиц, находящихся в воздухе.

Главная задача CFD-моделирования – оценка влияния кратности воздухообмена на воздушные потоки, распределение температуры и на возможную циркуляцию частиц в воздухе в операционной. Также предпринята попытка проанализировать степень вероятности переноса в стерильную зону с приточным воздушным потоком части удаляемого воздуха, для чего предполагается оценить увеличение скорости струи приточного воздуха.

Виртуальная схема операционной

Для проведения исследования была разработана трехмерная статическая неизотермическая CFD-модель операционной с учетом требований стандарта ASHRAE 170–2017.

Рис. 1. Критерии, учитываемые в системе показателей энергоэффективности штатов США

В виртуальном помещении (рис. 1) площадью 52 м² (8,5 × 6 м) и с высотой потолка 3 м находятся операционный стол с пациентом, два хирурга, две медсестры и анестезиолог. Операционная оборудована хирургическими светильниками, имеет верхнее освещение, а также некоторые предметы мебели и медицинского оборудования. И люди, и предметы являются источниками тепловыделений, а также препятствиями движению воздушных потоков. Практически все объекты находятся в пределах стерильной зоны, под ламинарным (однонаправленным) воздухораспределителем (диффузором), исключая ассистирующую медсестру и стол с инструментами.

Воздух подается через единую ламинарную решетку, состоящую из девяти пластинчатых потолочных диффузоров общей площадью 6,7 м², расположенную в центре потолка операционной комнаты, а удаляется через две вытяжные решетки, расположенные на противоположных стенах, а также через щели под двумя дверьми. Воздушные потоки анализируются путем изменения скорости движения воздуха на выходе из диффузора (ламинарного воздухораспределителя), которая сначала задается равной 0,10 м/с, затем 0,15 и 0,20 м/с, что соответствует кратности воздухообмена 15, 23 и 31 ч^–1 соответственно.

Количество вытяжного воздуха, удаляемого через вытяжные решетки, меньше, чем количество приточного: недостающая часть в объеме 590 м³/ч удаляется через щелевые отверстия под дверьми, что позволяет создать избыточное давление по отношению к смежным помещениям.

Рисунок 2. Движение воздушных потоков на поперечном разрезе операционной при различных кратностях воздухообмена

Тепловыделения от присутствующих в комнате людей и системы верхнего освещения составили соответственно 440 и 720 Вт. Тепловыделения от оборудования (аппарат для наркоза, экраны, хирургические светильники и мониторы) составили 1 050 Вт. Таким образом, общая нагрузка по явным тепловыделениям в комнате составила 2,21 кВт.

Температура приточного воздуха на выходе из воздухораспределителя составляла 19,4 °C, что позволяет поддерживать среднюю температуру в помещении на уровне 21 °С. Скорость воздушного потока в соответствии с требованиями стандарта ASHRAE 170–2017 должна быть 0,15 м/с. Проведенное исследование не включает анализ миграции влаги и результирующей относительной влажности в помещении.

Для расчета турбулентной скорости воздуха была задействована стандартная модель турбулентности k-эпсилон (k-e). Возможные траектории движения воздушного потока проанализированы путем отслеживания траекторий микрочастиц, слетающих с лиц присутствующих в комнате, поскольку именно лицо является наиболее открытым участком кожи хирурга. Предполагается, что размер этих микрочастиц (чешуек кожи) около 10 мкм, а большая часть микрочастиц, слетевших с лиц людей, присутствующих в комнате, будет двигаться по траектории воздушного потока. Частицы размером меньше 20 мкм полностью останутся в общем воздушном потоке. Поскольку основной целью данного исследования является анализ направления движения частиц в воздухе, то любое оседание этих микрочастиц на поверхностях не учитывается.

Результаты CFD-моделирования воздушных потоков

Рассматриваются три значения скорости движения воздушных потоков (рис. 2), причем во всех трех вариантах воздух из нестерильной зоны стремится к границам стерильной. При этом воздушный поток, доходящий до уровня пола, движется из стерильной зоны к вытяжным решеткам, не меняя направления, а воздух в средней и в верхней частях операционной движется из нестерильной зоны в стерильную, тем самым сужая размеры стерильной зоны. Также во всех трех случаях скорость чистого приточного воздушного потока увеличивается по мере приближения к операционному столу (рис. 3). Однако расположение зоны ускорения воздушного потока меняется в зависимости от начальной скорости самого потока.

Рисунок 3. Движение воздушных потоков на поперечном разрезе операционной: изменение при ускорении воздушного потока (выделено красным) на границе чистой зоны при различной кратности воздухообмена

В случае низкой скорости воздушного потока (15 ч^–1 или 0,10 м/с) зона ускорения формируется практически в центре стерильной зоны, а при высокой (23 и 31 ч^–1 или 0,15 и 0,20 м/с) – смещается по направлению к внешней области стерильной зоны. Если кратность равна 31 ч^–1, то зона высокой скорости формируется с обеих сторон операционного стола. Данные исследования показывают, что частичное попадание вытяжного воздуха в стерильную зону происходит независимо от скорости приточного воздушного потока для всех рассматриваемых кратностей воздухообмена. Это согласуется с экспериментальными наблюдениями исследовательского проекта ASHRAE.

Распределение температуры

Исследования показали температурный перекос, возникающий при всех скоростях приточного воздушного потока (рис. 4). Теплый воздух скапливается в зоне потолка, вокруг воздухораспределителя ламинарного потока, в то время как более холодный воздух остается на уровне пола. Важно отметить, что разница температур между струей приточного и вытяжного воздуха в зоне потолка может быть намного больше, чем средняя теоретическая разница температур приточного и вытяжного воздуха (средняя комнатная температура). Это может негативно повлиять на структуру воздушного потока и стать причиной уноса вторичных потоков в зоне ламинарного потолка.

Рисунок 4. Распределение температурных зон на поперечном разрезе операционной: температурное расслоение, возникающее при различных кратностях воздухообмена

При 15-кратном воздухообмене приточный воздух сохраняет свою начальную температуру 19,4 °С только в центре стерильной зоны, причем происходит существенное сужение струи подаваемого приточного воздуха. Этот феномен также наблюдался во время экспериментальной оценки воздушных потоков в виртуальной операционной. Из-за поступления теплого отработанного воздуха в стерильную зону (за исключением ее центральной области) температура в других местах остается выше температуры приточного воздуха.

При увеличении скорости воздушного потока, т. е. при кратности воздухообмена 23 и 31 ч^–1, область стерильной зоны с холодным приточным воздухом увеличивается и степень сужения зоны стерильного воздушного потока уменьшается. Также при увеличении скорости воздушного потока, как и предполагалось, снижается перепад температур между стерильной и нестерильной зонами.

Траектория движения микрочастиц в воздушном потоке

Проанализированы возможные траектории движения микрочастиц в воздухе. Рассмотрены три различных источника чешуек кожи:

1) с лиц хирургов и медсестры, находящихся в стерильной зоне;

2) с лица анестезиолога, находящегося на границе стерильной зоны;

3) с лица ассистирующей медсестры, находящейся за пределами стерильной зоны.

Источник 1. Как только микрочастицы появляются в стерильной зоне, они без промедления удаляются из нее, не оставляя какого-либо значительного следа (рис. 5). Эта модель наблюдается для всех трех рассматриваемых вариантов воздухообмена. Микрочастицы могут циркулировать и смешиваться с воздухом в нестерильной зоне, прежде чем покидают операционную, однако при низкой кратности воздухообмена они могут скапливаться в нестерильной зоне.

Рисунок 5. Траектория движения в воздухе микрочастиц, слетевших с лиц присутствующих в стерильной зоне людей

Источник 2. Когда микрочастицы слетают с лица анестезиолога, они также удаляются из стерильной зоны (рис. 6). Эти чешуйки кожи также стремятся циркулировать в нестерильной зоне, перед тем как покинуть комнату. При кратности воздухообмена 15 и 23 ч^–1 эти микрочастицы могут быть захвачены на внешние границы стерильной зоны, а при кратности воздухообмена 31 ч^–1 они сразу покидают операционную, не циркулируя в нестерильной зоне.

Рисунок 6. Траектория движения в воздухе микрочастиц, слетевших с лица анестезиолога, находящегося на границе стерильной зоны

Источник 3. Когда микрочастицы появляются на лице ассистирующей медсестры, находящейся вне стерильной зоны, они сразу начинают двигаться вверх по направлению к потолку, а затем захватываются назад в стерильную зону. Это происходит во всех трех вариантах. После прохождения сквозь стерильную зону чешуйки кожи движутся практически по той же траектории, что и микрочастицы, появившиеся в стерильной зоне (рис. 7). После выхода из стерильной зоны микрочастицы могут циркулировать и смешиваться с воздухом в нестерильной зоне, прежде чем покинуть операционную.

Рисунок 7. Траектория движения в воздухе микрочастиц, слетевших с лица ассистирующей медсестры, находящейся за пределами стерильной зоны

Следует отметить, что во всех трех случаях частицы удаляются из критической зоны – местонахождения пациента. Однако частицы стремятся остаться в нестерильной зоне и циркулировать там, перед тем как покинуть операционную, что увеличивает возможность переноса их в стерильную зону. При установке двух вытяжных решеток в двух противоположных углах операционной микрочастицы начинают двигаться по вихревой траектории и в конечном итоге покидают помещение. Но до удаления из операционной эти микрочастицы могут осесть на столе с инструментами, находящемся в нестерильной зоне.

Полученные результаты сопоставимы с данными предыдущих исследований. Размер, местоположение и количество вытяжных решеток играют важную роль при определении траектории потока загрязняющих частиц, особенно в нестерильной зоне. Предыдущие исследования движения воздушных потоков в палате пациента показали, что изменение местоположения приточных диффузоров и вытяжных решеток существенно влияет на траекторию потока воздушных загрязняющих частиц.

Анализ ускорения воздушного потока

Операционные в ЛПУ часто характеризуются тепловой нагрузкой, сконцентрированной в относительно небольшой области стерильной зоны. Теплота, выделяющаяся от различного оборудования и хирургических светильников, может вызвать локальное повышение температуры поступающего потока холодного приточного воздуха. Также, как было упомянуто выше, вокруг струи приточного холодного воздуха часто формируется зона высокой температуры и термального расслоения (стратификация). Перепад температур между стерильной и нестерильной зонами может вызвать ускорение потока приточного воздуха, выходящего из воздухораспределителей ламинарного потока, что, в свою очередь, может вызвать нежелательный захват загрязненного воздуха из нестерильной зоны в стерильную.

Из-за сложного характера рециркуляции воздуха из нестерильной в стерильную зону и обратно трудно определить точный объем воздуха, циркулирующего между стерильной и нестерильной зонами. Косвенно оценить данную величину можно по степени увеличения скорости приточного воздуха вдоль вертикальной оси от потолка к полу. Число Архимеда² Ar является отношением между архимедовой силой и силами инерции нисходящего потока воздуха. Кратности воздухообмена 15, 23 и 31 ч^–1 (скорость потока на выходе из ламинарного потолка 0,10; 0,15 и 0,20 м/с) соответствуют следующим значениям Ar – 21,0; 6,3 и 2,7. При увеличении скорости потока (массового расхода) приточного воздуха на выходе снижается разница между температурами приточного и вытяжного воздуха (ΔТ), что, в свою очередь, приводит к снижению Ar. Таким образом, при более высоких кратностях воздухообмена более низкие значения Ar указывают на то, что в потоке преобладают силы инерции.

На рис. 8 показано изменение относительной скорости (отношение осевой скорости потока при определенном расстоянии вдоль вертикальной оси к скорости потока на выходе воздухораспределителя ламинарного потока). Зависимость построена на основе безразмерного вертикального расстояния – отношения высоты в определенном вертикальном положении к высоте ламинарного воздухораспределителя от потолка.

Рисунок 8. Ускорение воздушного потока, выходящего из воздухораспределителя ламинарного потока, по мере приближения к операционному столу в зависимости от начальной скорости

Анализ показал, что при всех рассматриваемых кратностях воздухообмена скорость воздушного потока увеличивается по мере движения воздуха вниз по направлению к операционному столу. Однако при увеличении начальной скорости приточного воздуха относительное увеличение осевой скорости снижается, т. е. при 15-кратном воздухообмене (Ar = 21,0) скорость потока на выходе выше начальной скорости примерно в 3,4 раза, примерно 38 % расстояния по вертикали от потолка. При 23-кратном (Ar = 6,3) и при 31-кратном (Ar = 2,7) воздухообмене это превышение составляет соответственно 1,8 и 1,3 раза. Это указывает на то, что перепад температур между стерильной и нестерильной зонами, снижаясь, может уменьшить ускорение приточного потока воздуха. Эти данные совпадают с экспериментальными измерениями профилей скоростей.

Следует отметить, что независимо от кратности воздухообмена пик значений безразмерной скорости приходится на расстояние 36–38 % по вертикали от воздухораспределителя ламинарного потока. Однако такое увеличение скорости не позволяет сделать выводы о траектории потока микрочастиц. Следовательно, снижение Ar может не помочь минимизировать перенос микрочастиц в воздухе из нестерильной зоны в стерильную.

Аналогичные исследования по изменению конфигурации систем ОВК для операционных могут помочь уточнить, насколько такие изменения способны уменьшить перенос воздушных микрочастиц из нестерильной зоны в стерильную. Речь об этом пойдет во второй части данного исследования.

¹ ANSI/ASHRAE/ASHE Standard 170–2017 Ventilation of Health Care Facilities.

² Безразмерная величина, критерий подобия, характеризующий соотношение между архимедовой силой, обусловленной различием плотностей в отдельных областях рассматриваемой системы, и вязкими силами в основном потоке.