Header Reklam

Hasta Odalarında Daha İyi Hava Kalitesi için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği

05 Ocak 2014 Dergi: Ocak-2014
Hasta Odalarında Daha İyi Hava Kalitesi için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği

Yazan: Ph. D. Kishor Khankari, ES Magazine
Çeviren: Meriç Noyan Karataş

Bir hasta odasındaki dönüş difüzörünün konumu, odadaki patojenlerin izlediği yolu etkileyebilir mi? Değişkenleri yönetmek için simülasyonları kullanın ve hata kabul etmeyen bu odalar için tasarımı iyileştirin.

Hasta odalarında, karantina odalarında ve ameliyathanelerde; ısı, nem, havadaki kirlerin ve patojenlerin başlıca taşıyıcısı havadır. Hasta odalarındaki sıcaklık seviyeleri ve kirlilik konsantrasyonları, havanın mahal içerisinde nasıl dağıtıldığına bağlıdır. Bu yüzden, havanın mahal içerisindeki dağıtım şekli ve bunun bir sonucu olan sıcaklık seviyeleri; mahalin ısıl konforunu, hava kalitesini ve havadaki patojenlerin bir yerden bir yere taşınma ihtimalini belirler. Bir hasta odasındaki, hava akış şekilleri, sıcaklık dağılımı, kirlilik konsantrasyonu ve havadaki patojenlerin akış yolu birden fazla faktöre bağlı olabilir. Bu faktörler, besleme difüzörlerinin yerleri ve tipleri, besleme hava debisi (hava değişim sayısı), difüzör atışları, besleme hava sıcaklığı, dönüş difüzörlerinin büyüklüğü ve yerleri, tuvaletlerin egzoz hava debileri, oda içerisindeki çeşitli ısı kaynaklarının güçleri ve yerleri, mahaldeki mobilyaların konumları ve hava akış engelleri ve de hastanın odanın içerisindeki konumudur. Odanın bina içerisindeki konumu da, güneşten alınan duyulur ısı yükünün hava akış şeklini etkilemesi açısından yukarıdaki faktörlere ek olarak sıralanabilir. Tüm bu parametrelerin gerçek hayat şartlarında test edilmesi ve ölçümü (eğer mümkün kılınabilir ise), çok zaman alır ve emek yoğun bir çalışma gerektirir. Bu tip durumlarda Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) simülasyonları, HVAC sistem konfigürasyonlarının gerçek hayat senaryolarındaki performanslarının analizi ve optimizasyonu için etkileyici bir altenatif haline gelmiştir. Sanal Hasta Odası Bu çalışmada hasta odasındaki akış şekillerinin, sıcaklık dağılımının ve hava patojenlerinin muhtemel akış rotalarının dönüş difüzörlerinin konumları tarafından ne şekilde etkileneceğinin anlaşılabilmesi için sanal bir hasta odası hazırlanmıştır. Şekil 1’de bu hasta odasının 3 boyutlu bir CFD modeli görülmektedir. 

Hasta Odalarında Daha İyi Hava Kalitesi için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği
Bu model, iki farklı HVAC konfigürasyonu için hasta ve refakatçinin bulundukları yerleri, oturma alanını, koridora ve tuvalete açılan kapıları, besleme ve dönüş difüzör lokasyonlarını göstermektedir. Oda; ışıklandırma, monitör, insülin pompası, televizyon, bilgisayar ve iki mahal sakinini (hasta ve refakatçi) de kapsayan ısı üretici elemanları da içermektedir. Ayrıca odanın güneye bakan penceresindeki solar ısıl kazanımından ortaya çıkan duyulur ısı kazanımı da göz önüne alınmıştır. Odanın toplam duyulur ısı kazanımı 16 Btuh/ft2 (50 W/m2)’dir. Hava, her biri 4 ft uzunluğunda 1 inç açıklığındaki üç slot difüzörden beslenmektedir. Asma tavanda konumlandırılmış iki lineer difüzör pencere yönüne besleme yaparken, hasta üzerindeki lineer difüzör odanın ortasına belli bir açı ile besleme yapmaktadır. Odanın, tuvaletteki egzoz fanı ile az bir miktar negatif basınçta tutulduğu varsayılmıştır. Besleme hava debisi, saatte 6 hava değişimine göre ayarlanmıştır. Havadaki patojenlerin muhtemel rotası hastanın yüzünden çıkan hava akışının takip edilmesi ile analiz edilmiştir. 

Faydalı Kazanımlar 

Bu analizler, üç boyutlu hava akış modelleri, sıcaklık dağılımı, ısıl konfor ve her şeyden önemlisi hava patojenlerinin akış rotaları ile ilgili faydalı kazanımların elde edilmesini sağlamıştır. Mahal sakinlerinin ısıl konforu ASHRAE 55 standardında açıklandığı gibi Predicted Mean Vote (PMV – Tahmin Edilen Ortalama Öneri) indeksi kullanılarak analiz edilmiştir. Şekil 1’de gösterildiği gibi, dönüş havası difüzörünün farklı lokasyonlarda olduğu iki farklı durumda analiz yapılmıştır. Şekil1a’da gösterilen temel durumda, hem besleme difüzörleri hem de dönüş havası difüzörü tavana yakın yerde konumlandırılmışlardır. Lineer besleme difüzörü, hastanın hemen başının üzerine konumlandırılmıştır. Şekil 2a’da bu difüzörden çıkan hava, hastanın başı üzerinde tekrarlı olarak sirküle eden bir hava modeli oluşturmaktadır. Lineer besleme havası difüzöründen çıkan hava, hasta üzerinde ve yatak arkasında güçlü bir sürüklenme akışı ortaya çıkarmaktadır. Sonuçta, hava hasta üzerinden yukarı doğru akmakta ve besleme havası akımına geri sürüklenmektedir. Hava modelleri hasta vücudunun merkezinden geçen belli bir düzlem üzerinde gösterilmiştir. Fakat, odadaki besleme ve dönüş havası difüzörlerinin oda içerisindeki farklı düzenleri sonucu oluşan hava akış modelleri o kadar karmaşıktır ki tüm odanın hava modelini etkileyebilir. 
Şekil 2b’deki sıcaklık dağılımı; hastanın başının yakınında yani yatak arkasının; karşı duvara göre biraz daha yüksek sıcaklıkta olduğunu göstermektedir. Bunun sebebi bu bölgeden geçen dönüş havasının akışıdır. Şekil 2c ısıl konfor indeksi PMV’nin -3 derece (çok soğuk) ile +3 derece (çok sıcak) arasındaki dağılımını göstermektedir. Şekil 2c’de yeşil renk ile modellenen bölüm, PMV indeksinin 0 olduğunu göstermektedir ve ısıl konforun uygun olduğunu temsil etmektedir. Bu şekilde gösterildiği gibi, yerden 4 ft (1,2 m) yükseklikte, ısıl konfor nötr seviyededir (PMV 0,0 değerine yakındır). Fakat, Şekil 2d’deki akış rotası çizgilerinden görüleceği gibi,  kuvvetli sürükleme

Hasta Odalarında Daha İyi Hava Kalitesi için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği
akımı, havadaki partiküllerin hastanın yüzünden tekrar besleme havası akımına sürüklenerek odanın diğer yerlerine yayılmasına sebep olabilir. Yani, besleme difüzörü odadaki patojenleri yayan bir rol üstlenebilir. İdealde, besleme havası difüzörden çıktıktan sonra hastanın üzerinden sadece bir kez geçerek, besleme hava akımına sürüklenmeden ve oda havası ile karışmadan dönüş havası difüzörüne ulaşmalıdır. Hava indüksyon prensibi; lineer difüzörlerdeki hava jetlerinin oda havasını kuvvetlice dönüş havası difüzörüne sürükleyen aktif soğuk tavanlarda başarı ile uygulanmıştır. Aynı prensiple, temel durumdaki konfigürasyon, oda dönüş difüzörünün boyutunun büyütülmesi ve hastanın başı üzerindeki besleme difüzörünün arkasına alınması ile modifiye edilmiştir (Durum 2, Şekil 1b). İki durumda da, besleme ve dönüş havası difüzörleri tavana yakın konumlandırılmıştır. Şekil 3a’da gösterildiği gibi, dönüş havası difüzörünün lineer besleme havası difüzörünün hemen arkasına alınması, dönüş havasının odadan kolaylıkla çıkmasını sağlamıştır. Bu konfigürasyonda, dönüş havasının kolayca çıkması için, dönüş havası difüzör boyutunun artırıldığına dikkat edilmelidir. 


Ayrıca, Şekil 3b ve Şekil 3c’de gösterildiği gibi; böyle bir modifikasyon temel durum konfigürasyonu ile karşılaştırıldığında sıcaklık dağılımı ve ısıl konforda belirgin bir değişiklik meydana getirmez. Fakat, Şekil 3d’de gösterildiği gibi, hava partiküllerinin oda içerisinde izlediği yolu belirgin biçimde değiştirir. Bu tip bir konfigürasyon hasta üzerinden tek geçişli bir akış sağlayabilir ve hava partiküllerinin besleme sistemine sürüklenmesi ihtimalini azaltabilir. Her ne kadar dönüş havasının bir kısmının hâlâ besleme hava akımına sürüklenme ihtimali olsa da, havadaki patojenlerin büyük bir bölümü herhangi bir engel ile karşılaşmadan dönüş difüzörüne ulaşırlar. Bu konfigürasyon, hava patojenlerinin hasta odasındaki yüzeyler üzerinde birikme ihtimalini de azaltabilir. 

Özet

CFD modelleri kullanılarak, iki farklı dönüş havası difüzör konumuna sahip HVAC konfigürasyonunun etkilerinin değerlendirilmesi için sanal bir hasta odası yaratılmıştır. Bu analizler, hasta odasındaki hava akış şekilleri, sıcaklık dağılımları, mahal sakinlerinin ısıl konforu ve (en önemlisi) havadaki patojenlerin (hasta odasındaki) muhtemel rotaları ile ilgili faydalı kazanımların elde edilmesini sağlamıştır. Analizler, lineer difüzörlerin oda içerisinde kuvvetli resirkülasyon ve sürüklenme akışlarına sebebiyet verebileceğini göstermiştir. Dönüş havası difüzörünün odanın içerisindeki konumuna bağlı olarak, hastanın yüzünden salınan patojenler besleme hava akımına sürüklenip tüm odaya yayılabilir. Buna karşın, dönüş havası difüzörünün, hastanın başı üzerindeki lineer besleme difüzörünün arkasına konumlandırılması, hava partiküllerinin (patojenlerin) sirkülasyon ve sürüklenme yaşayıp tekrar besleme sistemine karışmasını engelleyerek belli bir rota izlemesini sağlarlar. Besleme difüzörlerinin tipleri ve kombinasyonu, oda dönüş havası difüzörünün konumu ve besleme hava debisi; oldukça karmaşık olan ve ait olduğu tasarım konfigürasyonuna spesifik olan hava akım modellerini etkileyebilir. Bu yüzden, bir hasta odasındaki besleme ve dönüş havası difüzörlerinin en uygun konumu için genel bir sonuca varmak oldukça zordur. Buna karşın bu çalışma, CFD analizinin sağlık tesislerindeki hava dağıtım sistem tasarımlarının optimize edilmesi için etkin bir araç olduğunun gösterilmesi için yapılmıştır. Bu tip çalışmalar, hasta odalarının daha iyi ısıl konfor seviyelerinde ve mümkün olan en iyi hijyenik şartlarda tasarlanmalarına yardımcı olabilir.