Luchtstromingen in de operatiekamer modelleren en meten

Transcriptie

1 Luchtstromingen in de operatiekamer modelleren en meten Afstudeerverslag Ir. S.A.M van den Heijkant S Faculteit Bouwkunde Installatietechnologie Technische Universiteit Eindhoven Begeleidingscommissie: Prof. dr. ir. J.L.M. Hensen (TU/e) Dr. ir. M.G.L.C. Loomans (TU/e) Ing. W. Zoon (TU/e, Deerns) Datum: 6 februari 2007

2 Luchtstromingen in operatiekamers meten en modelleren Samenvatting Om tijdens het ontwerp van een operatiekamer inzicht te krijgen in de luchtstromingen die optreden in de ruimte, wordt tegenwoordig steeds meer gebruik gemaakt van Computational Fluid Dynamics (CFD) simulaties. Er worden echter op dit moment nog weinig metingen verricht die tot doel hebben het verifiëren van deze CFD berekeningen. Hierdoor bestaat het risico dat de gevraagde luchtkwaliteitseisen niet worden gehaald en blijven leermomenten onbenut. De doelstelling van dit onderzoek is dan ook: Het valideren van CFD berekeningen van operatiekamers ten behoeve van kwaliteitsbewaking, van de CFD simulaties enerzijds en de luchtkwaliteit in operatiekamer anderzijds. De validatie wordt uitgevoerd aan de hand van de VDI In deze norm wordt de inrichting van de operatiekamer beschreven en een methode om de protectieklasse van een operatiekamer te bepalen. De protectieklasse geeft aan hoe schoon het operatiegebied blijft wanneer op bepaalde posities in de ruimte deeltjes worden losgelaten. In Nederland is voor zover bekend nog geen ervaring opgedaan met deze norm, wat leidt tot de volgende subdoelen: Ervaring opdoen met het toepassen van de VDI 2167 Toetsen van de bruikbaarheid van de VDI 2167 ten behoeve van het vergelijken van meet- en simulatieresultaten. Tijdens het onderzoek zijn de volgende stappen gevolgd: Vaststellen uitgangspunten De uitgangspunten zijn zoveel mogelijk gebaseerd op de VDI Overige uitgangspunten zijn gebaseerd op voorschriften uit de Bouwmaatstaven voor operatieafdelingen (College bouw ziekenhuisvoorzieningen, 2004). CFD modellering 1 Deze eerste simulaties hebben tot doel een beeld te krijgen van de luchtstromingen in de ruimte. Op basis van deze simulatie resultaten worden de posities van de luchtsnelheid- en temperatuurmeters bepaald. Metingen De metingen zijn verricht in een proefkamer, gebruik makend van een 1T en 3T plenum. Er zijn drie soorten metingen verricht: 1. het vastleggen van de randvoorwaarden 2. deeltjesmetingen (alleen bij het 1T plenum) 3. luchtsnelheid- en temperatuurmetingen Voor de deeltjesmetingen was geen deeltjesgenerator beschikbaar, zoals voorgeschreven in de VDI De deeltjes zijn losgelaten uit rookstaafjes, waarna in het operatiegebied en bij 1 afvoerrooster is bepaald hoeveel deeltjes daar terecht komen. Op basis van deze gegevens kan geen protectieklasse worden bepaald. Wel is gekeken naar de verhouding deeltjes op de verschillende posities. CFD modellering 2 Op basis van de gemeten randvoorwaarden zijn de eerste CFD modellen bijgesteld Het betreft aanpassingen met betrekking tot de inblaassnelheden, afzuigdebieten en afgegeven vermogens van dummy s en verlichting. Het doel hiervan is de uitgangspunten voor de simulaties in overeenstemming te brengen met de metingen, zodat hierdoor geen verschillen in de resultaten ontstaan. Er is een model gemaakt voor het 1T plenum en één voor het 3T plenum. Voor beide modellen zijn op de meetposities de luchtsnelheid c.q. luchttemperatuur bepaald. Daarnaast zijn in beide modellen deeltjes losgelaten conform de metingen. Vergelijking en analyse van de resultaten De deeltjestellingen, oppervlakte temperaturen luchtsnelheden en luchttemperaturen van de metingen en simulaties zijn met elkaar vergeleken. Geconcludeerd kan worden dat de VDI 2167 een goede basis biedt voor het opstellen van een validatie methodiek. Tijdens het doorlopen van alle stappen is een aantal aandachtspunten naar voor gekomen, die als input kunnen dienen voor het verder ontwikkelen van een standaard op dit gebied. Het betreft onder andere: de eigenschappen van de deeltjes, het model waarmee deeltjes gemodelleerd worden en het aggregatieniveau van de berekende protectieklassen. Silvia van den Heijkant 2

3 Luchtstromingen in operatiekamers meten en modelleren Inhoudsopgave SAMENVATTING 2 1. INLEIDING 6 2. AANPAK Stappen Metingen Opstelling Deeltjesmetingen Simulaties Gebruikte Fluent modellen METINGEN Meetresultaten 1T plenum Vastleggen randvoorwaarden Deeltjes metingen Luchtsnelheden en temperaturen Meetresultaten 3T plenum Vastleggen randvoorwaarden Luchtsnelheden en temperaturen Conclusies Ervaring met VDI Resultaten metingen SIMULATIES Randvoorwaarden Simulatieresultaten T plenum T plenum Conclusies VERGELIJKING MODELLEN MET METINGEN Deeltjes Oppervlakte temperaturen Luchtsnelheden en -temperaturen Conclusies CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN Metingen 38 Silvia van den Heijkant 3

4 Luchtstromingen in operatiekamers meten en modelleren 6.2. Simulaties Validatie LITERATUUR 40 BIJLAGE A: MEETOPSTELLING 41 BIJLAGE B: BOUWKUNDIGE TEKENING PROEFKAMER INTERFLOW 42 BIJLAGE C: GEBRUIKTE MEETAPPARATUUR 43 BIJLAGE D: MEETRESULTATEN AFVOERDEBIETEN 1T PLENUM 44 BIJLAGE E: MEETRESULTATEN INBLAASSNELHEDEN 1T PLENUM 45 BIJLAGE F: INFRAROODFOTO S 1T PLENUM 46 BIJLAGE G: MEETRESULTATEN DEELTJESTELLERS 1T PLENUM 50 BIJLAGE H: EERSTE SIMULATIES 1T PLENUM 56 BIJLAGE I: MEETOPSTELLING 1T PLENUM 60 BIJLAGE J: MEETRESULTATEN LUCHTSNELHEDEN 1T PLENUM 65 BIJLAGE K: MEETRESULTATEN LUCHTTEMPERATUREN 1T PLENUM 66 BIJLAGE L INFRAROODFOTO S 3T PLENUM 67 BIJLAGE M: EERSTE SIMULATIES 3T PLENUM 71 BIJLAGE N: MEETOPSTELLING 3T PLENUM 75 BIJLAGE O: MEETRESULTATEN LUCHTSNELHEDEN 3T PLENUM 78 BIJLAGE P: MEETRESULTATEN LUCHTTEMPERATUREN 3T PLENUM 79 BIJLAGE Q: SIMULATIERESULTATEN LUCHTSNELHEDEN 1T PLENUM 80 BIJLAGE R: SIMULATIERESULTATEN LUCHTTEMPERATUREN 1T PLENUM 83 BIJLAGE S: SIMULATIERESULTATEN LUCHTSNELHEDEN 3T PLENUM 85 BIJLAGE T: SIMULATIERESULTATEN LUCHTTEMPERATUREN 3T PLENUM 87 Silvia van den Heijkant 4

5 Luchtstromingen in operatiekamers meten en modelleren BIJLAGE U: SIMULATIERESULTATEN 1T PLENUM MET WARMTEAFGIFTE OPERATIETAFEL 89 BIJLAGE V: SIMULATIERESULTATEN 1T PLENUM MET DEELTJESAFGIFTE BIJ HOOFD DUMMY 90 Silvia van den Heijkant 5

6 Validatie CFD modellen van luchtstromingen in operatiekamers 1. Inleiding Om tijdens het ontwerp van een operatiekamer inzicht te krijgen in de luchtstromingen die optreden in de ruimte wordt tegenwoordig steeds meer gebruik gemaakt van Computational Fluid Dynamics (CFD) simulaties. De resultaten bieden het ontwerpteam handvaten voor zowel de bouwkundige invulling van de ruimte als het ontwerp van de installaties. Ze geven een indicatie of de, vaak strenge, luchtkwaliteitseisen worden gehaald. Er worden echter op dit moment nog weinig metingen verricht die tot doel hebben het verifiëren van deze CFD berekeningen. Hierdoor bestaat het risico dat de gevraagde luchtkwaliteitseisen niet worden gehaald en blijven leermomenten onbenut. Dit onderzoek richt zich op het uitvoeren van metingen, met als doel het verifiëren van de CFD simulaties. Ofwel, het doel van dit onderzoek is: Het valideren van CFD berekeningen van operatiekamers ten behoeve van kwaliteitsbewaking, van de CFD simulaties enerzijds en de luchtkwaliteit in de operatiekamer anderzijds. Na formulering van bovenstaande doelstelling ontstond al snel de volgende vraag: Wat voor metingen zijn benodigd om een vergelijking te kunnen maken tussen modellen en metingen? Getracht is een norm te vinden waarin dit is vastgelegd. In Nederland zijn de eisen die aan een operatiekamer worden gesteld vastgelegd in Bouwmaatstaven voor operatieafdelingen (College bouw ziekenhuisvoorzieningen, 2004). Deze bouwmaatstaven zijn opgesteld door het College bouw ziekenhuisvoorzieningen. Ze bevatten zorginhoudelijke uitgangspunten, basiskwaliteitseisen, voorbeelden van good practice en financiële uitgangspunten. De basiskwaliteitseisen hebben betrekking op toegankelijkheid, situering en omvang van ruimten waar patiënten toegang toe hebben. De belangrijkste basiskwaliteitseis met betrekking tot de luchtstromingen in de ruimte zijn: De operatiekamer is uitgerust met een laminair-downflowsysteem met een groot inblaasplenum (8 tot 9 m 2 ). In bedrijfsomstandigheden met ingeschakelde operatielampen en de aanwezigheid van het operatieteam worden de luchttoevoer en het inblaasprofiel zo gekozen, dat de lucht geen contaminatiebronnen passeert alvorens in het operatiegebied of over de instrumententafel te stromen; De luchtsnelheid bedraagt 24 tot 30 (cm/s); De temperatuur van de ingeblazen lucht is 1 tot 2 ( C) lager dan de omgevingslucht. Het principe van laminaire downflow wordt weergegeven in onderstaande figuur. Figuur 1. Laminaire downflow (College bouw ziekenhuisvoorzieningen, 2004) In bovenstaande figuur is te zien dat de lucht uit het plenum via een laminaire stroom op de operatietafel terecht komt. Hierbij vindt zo min mogelijk inmenging plaats met lucht uit de operatiekamer, zodat alleen de schone lucht de operatietafel bereikt. De voorgeschreven inblaastemperatuur en -snelheid zijn erop gericht dit stromingspatroon te handhaven. In onderstaande figuren is te zien wat het effect is van afwijkende inblaascondities. Silvia van den Heijkant 6

7 Validatie CFD modellen van luchtstromingen in operatiekamers Figuur 2. Klein temperatuur verschil inblaasluchtruimte en/of lage inblaassnelheid (College bouw ziekenhuisvoorzieningen, 2004) Figuur 3. Groot temperatuurverschil inblaasluchtruimte en/of hoge inblaassnelheid (College bouw ziekenhuisvoorzieningen, 2004) Het stromingspatroon in de linkerfiguur treedt op wanneer de temperatuur van de inblaaslucht hoger is dan de ruimtetemperatuur. De verse lucht bereikt dan niet meer de operatietafel. Het stromingspatroon in de rechterfiguur treedt op bij een temperatuurverschil tussen inblaaslucht en ruimtelucht van meer dan 2 ( C). Er vindt dan zogenaamde insnoering plaats. Aan de zijkanten wordt lucht uit de ruimte gemengd met inblaaslucht. De inblaaslucht kan zo vervuild worden voordat ze de operatietafel bereikt. Metingen in de operatiekamer beperken zich tot controle van de voorgeschreven (bovengenoemde) eisen aangevuld met een luchtbeheersplan. Hiermee geeft de inhoud van de bouwmaatstaven geen antwoord op de vraag wat voor metingen benodigd zijn om een vergelijking te kunnen maken tussen metingen en modellen. In Europees verband worden normen vastgesteld door de European Committee for Standardization (CEN) (Nicolaas, 2006). De CEN heeft in januari 2005 besloten een nieuwe werkgroep in te stellen: WG13 Ventilation in Hospitals, met als doel te komen tot een Europese norm op dit gebied. Deelnemers aan de WG13 zijn: Zwitserland, Oostenrijk, Italië, Duitsland, Nederland, Finland, Frankrijk en Noorwegen. Tijdens de oprichtingsvergadering in maart 2005 bleek dat vier landen over een bestaande richtlijn of norm beschikken. Dit zijn; Duitsland DIN-Entwurf en VDI 2167 Zwitserland SWKI 99-3 Oostenrijk Entwurf Önorm H6020: Nederland Bouwmaatstaven De DIN-Entwurf (DIN , 2005) komt in belangrijke mate overeen met de Oostenrijkse en Nederlandse norm. Ze schrijven ontwerprichtlijnen voor als plenumgrootte en inblaassnelheid. De VDI 2167 (VDI 2167, 2004) is gebaseerd op de Zwitserse SWKI De norm schrijft niet alleen ontwerprichtlijnen voor, maar geeft ook een methode om de prestatie van de operatiekamer te bepalen (de protectieklasse). De norm die op dit moment het best antwoord geeft op beide vragen voor dit onderzoek is de VDI De VDI 2167 beschrijft een standaard opstelling in de operatiekamer. Ook staat in deze norm een berekeningsmethode voor de protectie klasse. Dit getal drukt de prestatie van de operatiekamer uit in een getal tussen 0 en 5. Alle aspecten met betrekking tot de luchtstromingen in de ruimte worden vertaald naar dit ene getal. Met behulp van de protectie klasse kan het resultaat van de meting worden vergeleken met de simulatie. In de VDI 2167 wordt ook het comfort van het operatieteam meegenomen. In een aantal comfort meetpunten (ter hoogte van de hoofden van het operatieteam) worden de luchtsnelheid, turbulentie intensiteit, luchttemperatuur, geluidsdruk niveau en relatieve vochtigheid gemeten. Voor het bepalen van de mate van comfort wordt verwezen naar de VDI 2083 (VDI 2083, 1996). Het aspect comfort wordt in dit onderzoek niet meegenomen. Silvia van den Heijkant 7

8 Luchtstromingen in operatiekamers meten en modelleren In Nederland is, voor zover bekend, op dit moment nog geen ervaring opgedaan met de VDI Het gebruik van de VDI 2167 om de geformuleerde doelstelling te bereiken leidt tot de volgende subdoelstellingen: Ervaring opdoen met het toepassen van de VDI 2167 Toetsen van de bruikbaarheid van de VDI 2167 ten behoeve van het vergelijken van meet- en simulatieresultaten. In het volgende hoofdstuk wordt de aanpak van het onderzoek besproken. De VDI 2167 wordt hierbij als leidraad gebruikt. Vervolgens worden de meetresultaten besproken Daarna komen de simulatieresultaten aan bod. Vervolgens wordt een vergelijking gemaakt tussen simulaties en metingen. Als laatste volgen conclusies en aanbevelingen. Silvia van den Heijkant 8

9 Luchtstromingen in operatiekamers meten en modelleren 2. Aanpak In dit hoofdstuk wordt de aanpak van het onderzoek beschreven. Eerst wordt puntsgewijs aangegeven welke stappen genomen worden om de doelstellingen te bereiken. Vervolgens wordt nader ingegaan op de metingen die zijn uitgevoerd en de simulaties die zijn gemaakt Stappen Onderstaand wordt puntsgewijs de aanpak van het onderzoek beschreven. Een uitgebreidere beschrijving van de uitgevoerde activiteiten en resultaten komt in de volgende hoofdstukken. Vaststellen uitgangspunten De uitgangspunten zijn zoveel mogelijk gebaseerd op de VDI In deze norm zijn de volgende zaken opgenomen: de positie en geometrie van personen, operatietafel en operatielampen en de warmteproductie van personen. Dit vormt de basis voor de inrichting van de ruimte. Overige uitgangspunten (waaronder inblaassnelheden en temperaturen) zijn gebaseerd op voorschriften uit de Bouwmaatstaven voor operatieafdelingen. CFD modellering 1 Op basis van de uitgangspunten uit de VDI 2167 worden eerste simulaties uitgevoerd. Deze hebben tot doel een beeld te krijgen van de luchtstromingen in de ruimte. Op basis van deze simulatie resultaten worden de posities van de luchtsnelheid- en temperatuurmeters bepaald. Metingen De metingen worden verricht in een proefkamer. Er kunnen drie soorten metingen worden onderscheiden met ieder een eigen doel: Randvoorwaarden Oppervlaktetemperaturen, inblaassnelheden, afzuigdebieten en elektrische vermogens worden gemeten. Deze dienen later als input voor de CFD modellen. Deeltjesmetingen Conform de VDI 2167 worden deeltjes in de ruimte losgelaten. Vervolgens wordt op drie punten op de tafel gemeten hoeveel deeltjes hier terecht komen. Op basis van deze meetgegevens wordt de vergelijking tussen metingen in simulaties gemaakt.. Luchtsnelheid- en temperatuurmetingen Met behulp van luchtsnelheid- en temperatuurmetingen wordt de luchtstroming in de ruimte in beeld gebracht. Deze extra informatie kan worden gebruikt om eventuele verschillen tussen modellen en metingen te verklaren. CFD modellering 2 In deze stap worden uitgebreidere simulaties uitgevoerd. De gemeten randvoorwaarden, tezamen met de uitgangspunten uit de VDI 2167, worden vertaald in een CFD model. De situaties zoals gemeten worden zo nauwkeurig mogelijk in het model nagebootst. Ook het transport van deeltjes in de proefkamer wordt gesimuleerd. De resultaten van deze simulaties dienen als input voor de vergelijking tussen metingen en simulaties. Vergelijking en analyse van de resultaten In deze stap worden de resultaten van de simulaties en de metingen met elkaar vergeleken. Aan de hand van de deeltjesmetingen wordt vastgesteld in hoeverre beide resultaten overeenkomen. De oorzaken van eventuele verschillen worden verklaard met behulp van de luchtsnelheid- en temperatuurmetingen. Bepaald wordt hoe deze verschillen kunnen worden weggenomen. Conclusies en aanbevelingen Als laatste stap worden op basis van de bevindingen uit het onderzoek conclusies getrokken en aanbevelingen gedaan. Silvia van den Heijkant 9

10 Luchtstromingen in operatiekamers meten en modelleren 2.2. Metingen De VDI 2167 heeft als leidraad gediend voor de meetopstelling. Aan de hand van deze norm wordt hier de meetopstelling besproken Opstelling Wanneer aan een ruimte metingen worden verricht conform de VDI 2167, dient hierin een voorgeschreven opstelling te staan. Deze representeert het operatieteam met bijbehorende apparatuur en ziet er als volgt uit. Figuur 4. Opstelling conform VDI 2167 In de ruimte staan 6 dummy s opgesteld. Vier staan naast de operatietafel (2 per zijde) en representeren het operatieteam. Een dummy aan het hoofdeinde stelt de (zittende) anesthesist voor. Achter de anesthesist staat de dummy die het anesthesie apparaat voorstelt. Voor al deze dummy s wordt aangegeven wat de afmetingen en posities zijn en hoeveel warmte ze produceren. Boven de operatietafel hangen twee lampen. Deze dienen volgens de norm hun maximale vermogen te produceren. In de ruimte staan 6 deeltjesverspreiders welke zijn aangesloten op één deeltjesgenerator. De deeltjesgenerator wordt niet weergegeven. Vier van de deeltjesverspreiders bevinden zich op de hoekpunten en 2 tussen het operatieteam. Deze opstelling wordt gebruikt voor het testen van de protectie tegen vervuiling van binnenuit. In een tweede opstelling worden de deeltjesverspreiders die nu tussen de dummy s staan naar de buitenzijde geplaatst (in lijn met de overige deeltjesverspreiders). Deze opstelling wordt gebruikt voor het bepalen van de protectie tegen externe vervuiling. In dit onderzoek wordt alleen gebruik gemaakt van de meetopstelling, zoals weergegeven in bovenstaande figuur. Op de operatietafel bevinden zich drie meetpunten, hier wordt het aantal Silvia van den Heijkant 10

11 Luchtstromingen in operatiekamers meten en modelleren deeltjes geteld. Boven deze meetpunten (ter hoogte van de hoofden van het operatieteam) bevinden zich 3 comfort meetpunten. Om het comfort van het operatieteam te kunnen bepalen dienen de luchtsnelheid, turbulentie intensiteit, luchttemperatuur, geluidsdruk niveau en relatieve vochtigheid gemeten te worden. Voor het bepalen van de mate van comfort wordt verwezen naar de VDI 2083 (VDI 2083, 1996). Het aspect comfort wordt in dit onderzoek beperkt meegenomen. De VDI 2167 heeft gediend als leidraad voor de inrichting van de proefkamer. Om praktische redenen is op sommige punten van deze norm afgeweken. De belangrijkste afwijkingen zijn: Er is gebruik gemaakt van 1 (grotere) OK lamp in plaats van 2; De dummy s hebben een diameter van 46 cm in plaats van 40 (cm). Exacte posities en afmetingen conform de VDI 2167 zijn opgenomen in Bijlage A: Meetopstelling. Deze inrichting van de proefkamer blijft gedurende alle metingen ongewijzigd. In Bijlage B: Bouwkundige tekening proefkamer Interflow zijn de bouwkundige gegevens van ruimte waarin de metingen zijn uitgevoerd opgenomen. De ruimte bevindt zich in het gebouw van Interflow te Wieringerwerf. De ruimte is uitgevoerd als operatiekamer en wordt gebruikt voor meet- en demonstratiedoeleinden. De kamer is ingebouwd in een hal, zodat luchttoe- en afvoerkanalen goed bereikbaar zijn voor eventuele aanpassingen. In de rechter figuur is een gedeelte van de kamer te zien met daarin de meetopstelling conform de VDI Figuur 5. Proefkamer Interflow Deeltjesmetingen Theorie Wanneer de deeltjesmetingen worden uitgevoerd conform de VDI 2167 kan hieruit de zogenaamde protectieklasse van de ruimte worden beschreven. Deze berekening staat ook in de norm. De formule hiervoor is als volgt: SG x = log( C / C ) (1) x ref Met: C x = Deeltjes concentratie in meetpunt X (P/ft 3 ) C ref = Referentie deeltjes concentratie (P/ft 3 ) De waarde van de protectie klasse varieert in theorie tussen 5 (uitstekend) tot 0 (buitengewoon slecht). Een waarde nul betekent dat C x =C ref. Een waarde 5 betekent dat C x =1*10-5 *C ref. De referentie deeltjes concentratie kan worden berekend met de volgende formule: Q C 35,3 A v 60 (2) ref = ref ref ref Met: Q ref = Referentie bronsterkte = 6,3 * 10 9 (P/min) C ref = Referentie deeltjesconcentratie (P/ft 3 ) A ref = Oppervlak inblaasplenum (m 2 ) v ref = Inblaassnelheid (m/s) Silvia van den Heijkant 11

12 Luchtstromingen in operatiekamers meten en modelleren De referentie bronsterkte is voor alle situaties gelijk. Deze waarde is een product van de referentie deeltjesconcentratie, het oppervlak van het inblaasplenum en de inblaassnelheid. De VDI 2167 gaat uit van een laminaire downflow. De referentie bronsterkte is het totaal voor de gehele ruimte. Deze hoeveelheid dient gelijkmatig over de 6 deeltjesverspreiders te worden verdeeld. Het inbrengen van de deeltjes dient isotherm en met een lage snelheid te gebeuren. Het uitvoeren van een deeltjesmeting gaat als volgt: In ieder meetpunt op de operatietafel wordt, tenminste tien keer, gedurende één minuut het aantal deeltjes geteld. Per meetpunt wordt uit alle metingen een gemiddelde waarde berekend. De protectie klasse van de ruimte wordt bepaald door de laagste van de drie meetpunten. Praktijk Voor het uitvoeren van de metingen was geen deeltjesgenerator beschikbaar. Hierdoor wijken de uitgevoerde deeltjesmetingen op onderstaande punten af van de norm. Deeltjesverspreiding De deeltjes zijn de ruimte ingebracht via een rookstaafje. Onbekend hierbij is hoeveel deeltjes worden losgelaten. Op drie van de zes VDI 2167 posities zijn deeltjes losgelaten, twee maal tussen de dummy s en eenmaal op een hoekpunt. Vanwege de beperkte tijd is het aantal punten waarop deeltjes worden verspreid terug gebracht van zes naar drie. Er is voor gekozen in ieder geval de punten tussen de dummy s mee te nemen, omdat de kans dat deze de operatietafel vervuilen het grootst is. Daarnaast is nog 1 hoekpunt meegenomen. Deeltjestelling Het aantal deeltjes is geteld bij de drie meetpunten op de operatietafel, conform de VDI Als extra controle meetpunt is hieraan een meetpunt bij een afvoerrooster toegevoegd. Vergelijking metingen en simulaties Doordat de bronsterkte onbekend is en afwijkend van de voorgeschreven hoeveelheid kan geen protectieklasse van de ruimte worden berekend. Het resultaat van de deeltjesmetingen (en simulaties) is de verhouding van het aantal deeltjes dat bij de verschillende meetpunten wordt geteld. Deze verhoudingen kunnen worden vergeleken. In onderstaande figuur wordt weergegeven waar tijdens de metingen de deeltjes zijn losgelaten en waar de deeltjestellers zich bevinden. Het aantal beschikbare deeltjes tellers was drie stuks. Het aantal meetpunten bedroeg vier: 3 op de tafel en 1 bij het afvoerrooster. Iedere meting is derhalve tweemaal uitgevoerd, waarbij één van de meetpunten op tafel wordt verplaatst. De meetpunten die niet worden verplaatst dienen als controle meetpunt. Meetpunten deeltjesmeting 1 Meetpunten deeltjes meting 2 Positie deeltjesverspreider I Positie deeltjesverspreider II Positie deeltjesverspreider III Deeltjes meting in midden onderste afzuigrooster Figuur 6. Posities deeltjesverspreiders en deeltjestellers Silvia van den Heijkant 12

13 Luchtstromingen in operatiekamers meten en modelleren Eén meetcyclus bestaat uit verschillende handelingen en metingen. Een meetcyclus ziet er als volgt uit: Deeltjesmeters bevestigen op meetpunten deeltjesmeting 1 Achtergrond meting A Duur: 10 minuten Loslaten deeltjes uit rookstaafje Deeltjes meting 1 Duur: 10 minuten Achtergrond meting B Duur: 10 minuten Verplaatsen meetpunt conform meetpunten deeltjesmeting 2 Achtergrond meting C Duur: 10 minuten Loslaten deeltjes uit rookstaafje Deeltjes meting 2 Duur: 10 minuten Achtergrond meting D Duur: 10 minuten Deze cyclus wordt driemaal uitgevoerd, waarbij iedere keer op een ander punt de deeltjes worden losgelaten. De drie posities van de deeltjesverspreider worden in bovenstaande figuur weergegeven. Welke afmetingen de deeltjes dienen te hebben wordt niet in de norm beschreven. Om deze te bepalen is gebruik gemaakt van het Handboek ziekenhuisventilatie (Ham, 2002). De ventilatie van een operatiekamer is er op gericht dat de patiënt, instrumenten en eventuele implantaten vrij blijven van micro-organismen. Micro-organismen kunnen zich in de lucht niet zelfstandig voortbewegen. Zij zouden zeer snel uitdrogen en afsterven. Micro-organismen hebben altijd voeding, vocht en warmte nodig. Voeding kunnen ze betrekken van een stofdeeltje waarop ze meeliften. Vocht kunnen ze betrekken van het gasvormige water in de lucht, dat het stofdeeltje bevochtigt. Een micro-organisme heeft een stofdeeltje nodig van minimaal zijn eigen grootte om op mee te kunnen liften. In onderstaande figuur wordt de deeltjesgrootte weergegeven van bacteriën en virussen. Figuur 7. Deeltjessamenstelling en valeigenschappen Silvia van den Heijkant 13

14 Luchtstromingen in operatiekamers meten en modelleren In de figuur is te zien dat virussen een grootte hebben van 0,005 à 0,05 (mm). Bacteriën hebben een grootte van 0,5 à 30 (mm). Een virus heeft druppels vocht nodig om in de lucht in leven te blijven. Zolang de relatieve vochtigheid onder de 100% blijft en er geen druppels vocht in de lucht worden gebracht hebben virussen een bijzonder kleine overlevingskans in de lucht. In het kader van post-operatieve infectie preventie worden daarom deeltjes beschouwd waarop een bacterie kan meeliften. Tijdens dit onderzoek zijn deeltjes van 0,5 (mm) beschouwd. Hierop kunnen de kleinste bacteriën meeliften. Hoe kleiner het deeltje hoe kleiner de zwaartekracht en des te beter volgt deze de luchtstroom. Uit onderzoek blijkt (Loomans 2002) dat in een cleanroom omgeving, met een ventilatievoud van 40 (1/h), deeltjes kleiner dan 10 (µm) zich als gas gedragen. In een kantooromgeving, met luchtsnelheden tot circa 0,2 (m/s), geldt dit voor deeltjes kleiner dan 5 (µm). In dit onderzoek wordt de proefkamer met een ventilatievoud van circa 74 (1/h) en 29 (1/h) geventileerd in respectievelijk de situatie met 1T en 3T plenum. De inblaassnelheden variëren tussen de 0,24 en 0,39 (m/s). Hiermee lijkt de situatie het meest op een cleanroom en kunnen deeltjes van 0,5 µm als gas worden beschouwd. In de kamer waar de metingen worden uitgevoerd is een High Efficiency Particle Air (HEPA) filter aanwezig in het toevoerkanaal. Hiermee wordt voorkomen dat deeltjes die in de ruimte zijn losgelaten via de recirculatie lucht weer terug in de ruimte komen. Een andere mogelijkheid is gebruik van een tracergas. Hierbij volgt het gas ook de luchtstromingen. Hiervoor is niet gekozen, omdat een gedeelte van de lucht gerecirculeerd wordt. Dit zou betekenen dat afgezogen gassen via het plenum weer de ruimte in worden gebracht Simulaties Bij het berekenen van luchtstromingen kunnen veel (complexe) fenomenen een rol spelen, zoals warmtebronnen, turbulente luchtstromen en bevochtiging. Het handmatig oplossen van de Navier Stokes vergelijkingen is onmogelijk, omdat het niet-lineaire partiële differentiaal vergelijkingen betreft die bovendien gekoppeld kunnen zijn. Daarom wordt vaak gebruik gemaakt van Computational Fluid Dynamics (CFD) techniek. Onderstaand wordt de berekeningsmethodiek op hoofdlijnen toegelicht. Voor de luchtstromingen gelden de wetten van behoud van massa, energie en impuls. De vergelijking die deze wetten representeert is voor de verschillende fenomenen gelijk en wordt hieronder weergegeven (Fluent Inc. 2005). De variabele f representeert hierbij de te berekenen grootheid, zoals luchtsnelheid of temperatuur. t (ρφ) φ div( ρφ u) div ( Γ grad φ φ) φ = S (3) Instabiele Convectieve Diffusie Bron / opslag Term term term term Met: t = tijd (s) r = dichtheid (kg/m 3 ) u = snelheidsvector (m/s) f = afhankelijke variabele Γ = overdrachtcoëfficiënt (kg/ms) φ S f = bronterm Tijdens het modelleren wordt in de ruimte een raster aangebracht, waarmee de ruimte wordt opgedeeld in vele kleine volumes. Vervolgens wordt bovenstaande vergelijking voor iedere te berekenen grootheid en ieder volume opgelost. Gegevens over het startveld kunnen worden ingegeven, waarna iteratief een oplossing wordt berekend. Na afloop kunnen bijvoorbeeld temperaturen, luchtsnelheden en drukken in de ruimte worden weergegeven. Voor dit onderzoek wordt gebruik gemaakt van de programma s Gambit (versie ) en Fluent (versie ). In Gambit wordt de geometrie van de ruimte gemaakt. Hierin wordt vervolgens een grid aangebracht van het type Tet/Hybrid. Dit betekent dat het grid voornamelijk is opgebouwd uit tetraëders, met af en toe een 6- hoekig, piramide of wigvormig element. Geometrie en grid worden geïmporteerd in Fluent, waarna berekeningen aan de luchtstromingen plaatsvinden. Silvia van den Heijkant 14

15 Luchtstromingen in operatiekamers meten en modelleren Gebruikte Fluent modellen Binnen Fluent kan een aantal modellen worden gekozen dat, tijdens het oplossen van de vergelijkingen, wordt gebruikt. Onderstaand wordt besproken welke modellen zijn gebruikt en waarom. Hierbij wordt gebruik gemaakt de engelse termen uit Fluent. De informatie is gebaseerd op de Fluent handleiding (Fluent Inc. 2005). Solver De keuze van de solver bepaalt op welke wijze de vergelijkingen worden opgelost. Er kan worden gekozen uit de Segregated en de Coupled solver. Bij de Segregated solver worden de vergelijkingen voor energie, deeltjes transport etc. achtereenvolgens opgelost. Bij de Coupled solver gebeurt dit simultaan (gekoppeld). De Coupled solver wordt voornamelijk gebruikt voor compressibele stromingen met hoge snelheden. Voor de operatiekamer voldoet de Segragated solver. Energy Door het activeren van dit model wordt energie overdracht meegenomen. Energiestromen hebben een belangrijke invloed op de luchtstromingen in de operatiekamer. Door temperatuurverschillen in de lucht ontstaan verschillen in luchtdichtheid. Onder invloed van de zwaartekracht resulteren deze luchtdrukverschillen in luchtbewegingen, zogenaamde Boussinesqe stromingen. Viscous Hier is een aantal verschillende modellen beschikbaar. Gekozen is voor het standaard k-e model. Dit is het meest eenvoudige, complete model. Het is robuust en voldoende nauwkeurig voor een groot aantal toepassingen. Hoewel alternatieve modellen mogelijk op onderdelen betere resultaten geven, zijn deze hier buiten beschouwing gelaten. Radiation Om stralingsuitwisseling tussen de verschillende vlakken mee te nemen, wordt een stralingsmodel gebruikt. Voor straling door lucht zijn het Discreet Ordinates (DO) model en het Discreet Transfer Radiation Model (DTRM) geschikt. In het DTRM worden de stralen berekend die voor energie overdracht zorgen.bij een groot aantal oppervlakken neemt dit veel rekentijd in beslag. In het DO model worden transport vergelijkingen opgesteld voor de stralingsintensiteit in verschillende richtingen. Voor dit onderzoek is het DO model gebruikt. Discrete phase Hiermee worden deeltjesbaanvergelijkingen opgelost. De deeltjes worden gezien als bolletjes, waarvan de diameter opgegeven kan worden. Het volumepercentage van de deeltjes mag niet groter zijn dan zo n 10 á 12%, omdat er van wordt uitgegaan dat de deeltjes de luchtstroming niet beïnvloeden. Er kan worden opgegeven hoeveel deeltjes op welke posities worden losgelaten. Ook kan per wand worden aangegeven of de deeltjes hierop blijven kleven, worden gereflecteerd of worden doorgelaten. Na simulatie zijn de deeltjesbanen te zien, evenals een overzicht van vlakken waardoor de deeltjes zijn verdwenen. Onderzocht wordt of dit model geschikt is om het deeltjestransport mee te modelleren. Species model Dit model lost de contaminatievergelijkingen op. Stoffen met diverse chemische samenstellingen kunnen worden gemodelleerd. Ook kunnen eventuele reacties tussen verschillende stoffen worden gemodelleerd. De stoffen gedragen zich als gassen. Onderzocht wordt of dit model geschikt is om het deeltjestransport mee te modelleren. Silvia van den Heijkant 15

16 Luchtstromingen in operatiekamers meten en modelleren 3. Metingen De metingen zijn uitgevoerd in de proefkamer van Interflow in Wieringerwerf. De metingen hebben vier dagen in beslag genomen, van 24 juli tot en met 27 juli De verschillende metingen kunnen worden onderverdeeld in de volgende drie categorieën: 1. Vastleggen randvoorwaarden; 2. Deeltjes metingen; 3. Luchtsnelheid en temperatuur metingen. Ad 1 De randvoorwaarden van de gemeten situaties zijn vastgelegd, zodat deze als invoer kunnen dienen voor de simulatiemodellen. Op deze wijze hebben modellen en praktijk dezelfde uitgangspunten. Randvoorwaarden die zijn gemeten zijn: posities, afmetingen, vermogens, afvoerdebieten, inblaassnelheden en oppervlakte temperaturen. Ad 2 Er worden deeltjes in de ruimte losgelaten en vervolgens wordt de deeltjesconcentratie op een aantal punten gemeten. De posities waar de deeltjes worden losgelaten en worden gemeten is voorgeschreven in de VDI De gemeten relatieve deeltjesconcentraties worden vergeleken met die uit de simulaties. Ad 3 Op verschillende posities in de ruimte wordt de luchtsnelheid en temperatuur gemeten. Deze metingen geven informatie over het gedrag van de lucht in de ruimte. Wanneer de resultaten van deeltjesconcentraties van de metingen en modellen niet (geheel) overeen komen kan deze informatie aanknopingspunten bieden voor een verklaring. Er zijn metingen uitgevoerd waarbij een gedeelte van het plenum is afgesloten, waardoor een 1 temperatuur (1T) plenum wordt verkregen. Voor het 1T plenum zijn alle bovengenoemde metingen uitgevoerd. Ook zijn er metingen uitgevoerd waarbij het complete 3T plenum actief is. Voor deze laatste situatie zijn de randvoorwaarden vastgelegd en de luchtsnelheden en temperaturen gemeten. Vanwege tijdgebrek zijn er geen deeltjes metingen uitgevoerd aan het 3T plenum Meetresultaten 1T plenum Dit hoofdstuk bevat alle metingen die verricht zijn aan het 1T plenum. Eerst worden de metingen van de randvoorwaarden gepresenteerd, vervolgens de deeltjes metingen en tenslotte de luchtsnelheden en temperaturen. De gegevens van alle gebruikte meetinstrumenten zijn te vinden in Bijlage C: Gebruikte meetapparatuur Vastleggen randvoorwaarden Posities, afmetingen en vermogens De proefkamer is 6 bij 6 meter en heeft een hoogte van 3 meter. De proefkamer is voorzien van een 3T plenum, welke zorgt voor de luchttoevoer. Bij de metingen aan een 1T plenum is een gedeelte van de toevoer dichtgezet. Luchtafvoer vindt plaats in de vier hoeken van de kamer op 3 verschillende hoogten. De retourlucht wordt gedeeltelijk gerecirculeerd. In de toevoer is een HEPA filter opgenomen, waarmee voorkomen wordt dat (afgezogen) deeltjes in de ruimte komen. Specificaties betreffende de toevoer en afzuigcondities komen in de volgende paragrafen aan de orde. In Bijlage A: Meetopstelling worden de posities en afmetingen van de opstelling in de operatiekamer weergegeven. Ook zijn hier de vermogens die de diverse dummy s en verlichting afgeven opgenomen. Het betreft het gemeten elektrische vermogen dat het apparaat ingaat. In Bijlage B: Bouwkundige tekening proefkamer Interflow kunnen de bouwkundige randvoorwaarden van de ruimte worden afgelezen. Silvia van den Heijkant 16

17 Luchtstromingen in operatiekamers meten en modelleren Afvoerdebieten Met behulp van een balometer zijn de luchtdebieten bij alle afvoeren gemeten. De afvoerpunten bevinden zich in de hoeken van de ruimte. Per hoek wordt op drie verschillende hoogten afgezogen. In onderstaande figuur wordt de positie van de 12 afvoerroosters weergegeven. B Y C HOOG X 2990 MIDDEN A D 1242 LAAG 200 Figuur 8. Positie afzuigroosters De afvoerdebieten zijn driemaal gemeten. In Bijlage D: Meetresultaten afvoerdebieten zijn de resultaten van deze metingen opgenomen. Voor een individueel rooster varieert de afwijking van het gemeten debiet van 0 tot maximaal 7,3 %. De afwijking wordt per rooster weergegeven in de bijlage. In onderstaande tabel worden het gemiddelde afvoerdebiet per rooster opgegeven. Positie A (m 3 /h) B (m 3 /h) C (m 3 /h) D (m 3 /h) TOTAAL Laag Midden Hoog TOTAAL Tabel 1. Luchtdebiet per afzuigrooster 1T plenum In de tabel is te zien dat ongeveer 43 % van de lucht hoog wordt afgezogen en respectievelijk 26 % laag en 31 % in het midden. In de hoeken B, C en D wordt ongeveer 21 % van het totaal afgezogen. In hoek A wordt 37 % afgezogen. Het totale debiet bedraagt gemiddeld (m 3 /h). Inblaassnelheden Direct onder het plenum zijn de luchtsnelheden gemeten. Het plenum is door middel van een raster opgedeeld in vakjes. Per vakje is in het midden de luchtsnelheid gemeten. De meting is driemaal uitgevoerd. In Bijlage E: Meetresultaten inblaassnelheden 1T plenum zijn de resultaten van deze metingen te vinden. 0,04 0,06 0,07 0,04 0,08 0,06 0,07 0,07 Gemiddelde luchtsnelheid (m/s) Maximale afwijking (m/s) 0,36 0,39 0,01 0,03 0,29 0,32 0,04 0,01 0,34 0,0 0,30 0,06 0,31 0,25 0,02 0,06 Figuur 9. Inblaassnelheden 1T plenum Silvia van den Heijkant 17

18 Luchtstromingen in operatiekamers meten en modelleren De gemiddelde inblaassnelheid in het midden gedeelte bedraagt 0,32 (m/s) en in het gedeelte boven het hoofdeinde 0,06 (m/s). Opgemerkt moet worden dat inblaassnelheden boven het hoofdeinde zo laag zijn dat ze buiten de meetnauwkeurigheid van de meetapparatuur vallen. Deze waarden zijn hiermee niet betrouwbaar. Per inblaasvlak is de luchtsnelheid vermenigvuldigd met het oppervlak. Door optelling van alle inblaasvlakken kan de totale inblaashoeveelheid worden berekend, deze bedraagt: (m 3 /h). De totale hoeveelheid gemeten afvoerlucht bedraagt (m 3 /h). Dit betekent dat circa 20% van de toevoer niet bij de afvoerroosters wordt gemeten. Conform de meetnauwkeurigheden van de gebruikte apparatuur in Bijlage C: Gebruikte meetapparatuur, heeft de luchtsnelheidsmeter een onnauwkeurigheid van ±2% en de balometer van ±3% van de maximale schaal (m 3 /h). Wanneer de inblaassnelheid met 2% wordt verlaagd levert dit een minimaal toevoer debiet van (m 3 /h). De balometer heeft per meting een onnauwkeurigheid van 3% van (m 3 /h), ofwel 71 (m 3 /h). Bij een totaal van 12 metingen levert dit 852 (m 3 /h). Dit betekent dat in totaal maximaal = (m 3 /h) afgevoerd wordt. Het verschil tussen gemeten toe- en afvoerdebiet kan verklaard worden vanuit de onnauwkeurigheden van de gebruikte meetapparatuur. Oppervlakte temperaturen Met behulp van een infrarood camera zijn de oppervlakte temperaturen in beeld gebracht. De foto s zijn genomen op om 6:20. In Bijlage F: Infraroodfoto s 1T plenum zijn foto s opgenomen van de wanden, vloer, plafond en de opstelling. De schaal van alle foto s is identiek en loopt van 20 tot en met 32 ( C). Op de foto s is te zien dat de vloer een gelijkmatige temperatuur heeft van ca. 22 ( C), het plafond (met uitzondering van het actieve deel van het plenum) heeft een temperatuur van ca. 24,5 ( C). De temperatuur over de wanden varieert van 22 ( C) op vloerniveau tot 26,5 op plafond niveau. De dummy s zijn aan de onderzijde iets koeler dan aan de bovenkant. De voeten van de dummy s zijn 23 ( C) en het hoofd is 26,5 ( C). De lamp heeft een temperatuur van 31 ( C) Deeltjes metingen In Bijlage G: Meetresultaten deeltjestellers 1T plenum zijn de meetresultaten te vinden. Met behulp van de achtergrond metingen kan de basislast aan deeltjes worden bepaald. Deze blijkt voor de verschillende meetpunten de volgende waarde te hebben. Midden op tafel (# / m 3 ) Voeteinde tafel (# / m 3 ) Hoofdeinde tafel (# / m 3 ) Afvoerrooster (# / m 3 ) Tabel 2. Achtergrondniveau s deeltjes Onder het hoofdeinde van de tafel wordt de zijde verstaan waar de anesthesist zich bevindt. Om een beeld te krijgen van waar de deeltjes heen gaan, zijn onderstaande figuren gemaakt. Het aantal deeltjes dat, na gebruik van het rookstaafje, bij een bepaalde deeltjesteller terecht komt is opgeteld. De tijdsduur waarover is gesommeerd bedraagt 20 minuten. Het ventilatievoud bedraagt 29 (1/h), de lucht in de kamer wordt dus circa iedere 2 minuten ververst. Van dit totaal is de basislast voor die positie afgetrokken. In onderstaande figuren is de procentuele bijdrage van de verschillende deeltjestellers te zien. Voor ieder positie waarop deeltjes zijn losgelaten (tweemaal tussen de dummy s en eenmaal op de hoek) is een soortgelijke figuur gemaakt. Naast de figuur wordt weergegeven waar de deeltjesverspreider zich bevindt en waar de meetpunten. Silvia van den Heijkant 18

19 Luchtstromingen in operatiekamers meten en modelleren 100 Meting deeltjesverspreider tussen dummy's (I) % deeltjes 0,5 micormeter Deeltjesverpreider Meetpunt Hoofdeinde Midden op tafel Voeteinde Afvoerrooster Figuur 10. Verhouding deeltjestellers bij positie deeltjesverspreider I In de vorige figuur is te zien waar de deeltjes terecht komen, wanneer ze tussen de dummy s (aan de zijde waar de operatielamp staat) worden losgelaten. Ruim 60% van de gemeten deeltjes gaat richting het afvoerrooster. Er komt echter ook nog een redelijke hoeveelheid (ruim 30%) bij het voeteinde terecht. Hoofdeind en het midden van de tafel blijven relatief schoon. Geconcludeerd kan worden dat door de interne vervuiling de operatietafel niet schoon blijft. Vanaf de grond worden de deeltjes mee omhoog genomen en komen zo op de tafel terecht, met name bij het voeteneinde. 100 Meting deeltjesverspreider in hoek (II) % deeltjes 0,5 micormeter Hoofdeinde Midden op tafel Voeteinde Afvoerrooster Deeltjesverpreider Meetpunt Figuur 11. Verhouding deeltjestellers bij positie deeltjesverspreider II Wanneer de deeltjes op een hoek worden losgelaten, gaan bijna alle deeltjes naar het afvoerrooster. De zogenaamde externe vervuiling (vanuit de omgeving) leidt nauwelijks tot vervuiling op de operatietafel voor deze deeltjesverspreider. Silvia van den Heijkant 19

20 Luchtstromingen in operatiekamers meten en modelleren 100 Meting deeltjesverspreider tussen dummy's (III) % deeltjes 0,5 micormeter Deeltjesverpreider Meetpunt Hoofdeinde Midden op tafel Voeteinde Afvoerrooster Figuur 12. Verhouding deeltjestellers bij positie deeltjesverspreider III Bovenstaande figuur geeft de resultaten weer wanneer de deeltjes tussen de dummy s (tegenover de operatielamp) worden losgelaten. In dit geval komt ongeveer 45% van de gemeten deeltjes bij het voeteneinde terecht, ten opzichte van 39% bij het afvoerrooster, 12% midden op de tafel en 5% bij het hoofdeind. De verhouding tussen aantal deeltjes bij hoofdeinde, midden van de tafel en voeteinde is nagenoeg hetzelfde als bij situatie I. Bij het afvoerrooster worden in situatie III in relatief minder deeltjes geteld, dit is naar verwachting omdat de verspreider verder van het rooster staat. Geconcludeerd kan worden dat van de meetpunten op de operatietafel het voeteinde het meest vervuild wordt, gevolgd door het midden van de tafel. Het hoofdeind blijft in alle gevallen het schoonst. Wanneer de deeltjes op de hoek worden losgelaten raakt de operatietafel nauwelijks vervuild en gaan de deeltjes direct richting afvoerrooster Luchtsnelheden en temperaturen Op diverse punten in de ruimte zijn de luchtsnelheden en temperaturen gemeten, met als doel inzicht te krijgen in de luchtstroming in de ruimte. Om met de beschikbare meetapparatuur voldoende punten te kunnen meten is de meting tweemaal uitgevoerd (meting 1A en 1B), bij gelijkblijvende condities. Voor de tweede meting is een aantal meetpunten verplaatst. De meetpunten die niet worden verplaatst dienen als controle ten opzichte van de eerste meting. De metingen zijn gedurende 40 minuten uitgevoerd. De eerste 10 minuten van de meting worden buiten beschouwing gelaten, deze tijd wordt gezien als stabilisatie tijd. De meetresultaten geven dus een periode weer van 30 minuten. De luchttemperaturen worden iedere 2 minuten gelogd. De luchtsnelheden worden iedere seconde gelogd Om de posities van de luchtsnelheid- en temperatuurmeters te bepalen zijn vooraf CFD simulaties uitgevoerd van de te onderzoeken situaties. Deze geven inzicht in de luchtstromingen in de proefkamer. Omdat deze simulaties vóór de metingen zijn uitgevoerd zijn aannames gedaan ten aanzien van bepaalde randvoorwaarden. In Bijlage H: Eerste simulaties 1T plenum zijn deze randvoorwaarden en de resultaten van de simulaties opgenomen. Op basis van deze resultaten zijn de volgende posities van de luchtsnelheid- en temperatuurmeters bepaald: Diverse punten tussen plenum en tafel om in beeld te krijgen op welke wijze de lucht uit het plenum de tafel bereikt; Op de rand van de tafel bij hoofd- en voeteneind om te kijken met welke snelheid de lucht van de tafel valt; Op verschillende hoogten rondom de operatietafel om de wervel die in de periferie ontstaat te onderzoeken. In Bijlage I: Meetopstelling 1T plenum worden de posities weergegeven van de meetapparatuur bij meting 1A en meting 1B, aan de hand van twee doorsneden van de ruimte. In Bijlage J: Meetresultaten luchtsnelheden 1T plenum en Bijlage K: Meetresultaten luchttemperaturen 1T plenum worden de resultaten van de metingen weergegeven. Voor ieder meetpunt worden de gemiddelde waarde, de standaarddeviatie en (in het geval van de Silvia van den Heijkant 20

21 Luchtstromingen in operatiekamers meten en modelleren luchtsnelheidsmeters) de turbulentie intensiteit weergegeven. De standaarddeviatie wordt gebruikt om de spreiding van een verdeling aan te geven. De standaarddeviatie wordt in dezelfde waarde uitgedrukt als het gemiddelde. De turbulentie intensiteit drukt uit in welke mate de momentane luchtsnelheid fluctueert. Het is de verhouding tussen de standaarddeviatie van de luchtsnelheid en de gemiddelde luchtsnelheid. σ Tu = 100% v Tu Turbulentie intensiteit (%) σ standaard deviatie luchtsnelheid (m/s) v gemiddelde meetwaarde luchtsnelheid (m/s) Uit de resultaten blijkt dat de meetpunten die qua positie onveranderd blijven, tweemaal dezelfde resultaten geven. Voor het 1T plenum zijn dit de punten: T3, T4, T6, T7 en V2. Luchtsnelheidsmeters V3 en V6 worden omgewisseld. Voor het 3T plenum blijven de punten T3, T4, T6, V2, V3 en V6 onveranderd. Dit betekent een goede reproduceerbaarheid van de meting. Voor ieder meetpunt wordt het gemiddelde weergegeven in de figuur op de volgende pagina. Silvia van den Heijkant 21

22 Luchtstromingen in operatiekamers meten en modelleren Z 21,3 25,6 24,1 23,3 20,9 22,4 24,8 0,05 0,41 23,3 21,5 0,40 0,19 21,8 0,32 0,06 21,8 Z 0,25 22,3 Y DOORSNEDE A-A 21,3 B 20,9 24,4 0,18 0,07 23,0 23,6 24,0 A A Y X DOORSNEDE B-B B X Figuur 13. Gemiddelde luchtsnelheden en temperaturen 1T plenum Silvia van den Heijkant 22

23 Luchtstromingen in operatiekamers meten en modelleren Uit de vorige figuren en de meetdata uit de bijlagen kan een aantal conclusies getrokken worden. Ten aanzien van de luchtsnelheid geldt: De snelheid waarmee de lucht op de operatietafel valt bedraagt aan het voeteneind 0,4 (m/s) en aan het hoofdeind 0,19 (m/s). Vervolgens valt de lucht met een snelheid van 0,41 (m/s) van het voeteind van de tafel en met 0,32 (m/s) van het hoofdeind. De laagste turbulentie intensiteit wordt gemeten bij de meetpunten op de operatietafel. Wanneer de lucht de tafel bereikt is de stroming nog maar weinig turbulent. In de omgeving van de operatietafel varieert de luchtsnelheid van 0,05 (m/s) tot 0,25 (m/s). Ook de turbulentiegraad varieert hier. Ten aanzien van de luchttemperaturen geldt: Het meetpunt onder het plenum geeft een temperatuur van 21,3 ( C). Op een hoogte van 0,9 meter boven de operatietafel varieert de temperatuur van 20,9 ( C) midden boven de tafel tot circa 23 ( C) aan de rand. Dit is het gebied waar de hoofden van het operatieteam zich bevinden. De gemeten temperatuur van 20,9 ( C) is 0,4 ( C) lager dan de inblaastemperatuur, terwijl de ingeblazen lucht in de ruimte wordt opgewarmd. De meetnauwkeurigheid van de luchttemperatuur meters bedraagt ± 0,3 ( C) waarmee dit verschil kan worden verklaard. Temperaturen bij hoofd- en voeteneinde van de patiënt bedragen respectievelijk 21,8 en 21,5 ( C). In de rest van de ruimte is een temperatuur verdeling te zien van circa 22 ( C) op vloerniveau tot 25,5 ( C) bij het plafond. Op basis van deze temperaturen kan een globale warmtebalans worden opgesteld. Hierbij wordt uitgegaan van een gemiddelde luchttemperatuur in de proefkamer van 24 ( C) en een temperatuur van 30 ( C) in de hal waar de proefkamer in staat. De ingeblazen luchthoeveelheid van (m 3 /h) met een temperatuur van 21,3 ( C) levert (W) koude. Door de dummy s, operatie lamp en tl verlichting wordt circa (W) geproduceerd. Daarnaast komt door de wanden (U = 1,5 W/m 2 K) circa (W) warmte de ruimte binnen. De totale warmte productie bedraagt daarmee (W). De warmtebalans van de ruimte klopt dus globaal. Door het geringe aantal meetpunten kan het stromingspatroon niet worden bepaald. Om hier toch enig inzicht in te krijgen zijn filmpjes gemaakt, waarbij op diverse punten rook is losgelaten. In onderstaande figuren worden de stromingspatronen uit deze filmpjes geschetst. Onderstaande figuur toont een XX doorsnede door het midden van de ruimte. De rook is losgelaten op de volgende punten: Midden onder het 1T plenum Aan de linkerzijde van het 1T plenum Onder de operatielamp Boven de linker dummy Figuur 14. Schets stromingspatronen 1T plenum in XX doorsnede In bovenstaande figuur is te zien dat wanneer de lucht uit het plenum geen obstakels tegenkomt, deze naar beneden en op de operatietafel valt. Wanneer de lucht tegen de operatielamp aanbotst wordt deze afgebogen en bereikt alsnog de operatietafel. Lucht die onder de operatielamp wordt losgelaten wordt langs de onderzijde van de lamp geleid. Bij de rand van de lamp komt de lucht los en valt op de operatietafel. Lucht die op het hoofd van Silvia van den Heijkant 23