Energy efficient ventilation strategies for surgery rooms
Authors:   , Cubí Montanyà Eduard 
Published: October 2023

Surgery rooms are a space type with particularly stringent indoor environmental quality (IEQ) requirements, which translate into high energy use. Due to the unclear IEQ and infection control requirements for surgery rooms in Spain, these spaces are often designed and operated 24 hours per day and 7 days per week, to meet the most stringent recommendations (not only the requirements) in the available guidelines. While health and safety must remain top priority in hospitals, the high energy use of HVAC systems in surgery rooms makes these a clear energy efficiency target. The objective of this thesis is to identify and evaluate energy efficient ventilation strategies in surgery rooms that maintain acceptable indoor environmental quality and cleanliness while reducing the associated energy use.
A comprehensive and critical review of the indoor environmental quality and infection control requirements in surgery rooms identifies the key performance goals of the requirements in the available standards, and sets the boundaries for the definition of energy efficiency improvements in surgery room systems. The intrinsic performance motivations for the requirements for total supply airflow, outdoor airflow, temperature, and relative humidity are different, which brings the opportunity to improve energy performance by individually controlling the different setpoints. A general method to adjust system operation (outdoor airflow rate, total supply air, indoor air temperature, and indoor air relative humidity) to meet IEQ performance goals while reducing energy use is developed.
A calibrated computer-based energy model of a standard surgery room system is used to assess the potential benefits of control strategies. A careful control of a standard surgery room air handling unit can reduce primary energy use and associated CO2 emissions and energy costs by up to 83% while meeting all the indoor environmental quality and infection control requirements in the standards. In view of the magnitude of the potential energy savings, control measures for surgery rooms should be strongly encouraged for their wide application. Further savings are possible by controlling supply airflow based on real time measurement of particle concentration. However, the potential benefits of this strategy are constrained by the current unavailability of particle count targets during surgery room operation as a function of surgery type. Real performance-based infection control will not be possible until real-time sensors are capable of counting and identifying microorganisms.
A calibrated energy model is also used to assess the potential energy use and thermal comfort benefits of controls in old and non-standard systems. Results show that customized control strategies can also be successfully implemented as a retrofit solution.
The large volumes of outdoor air supply in surgery rooms make these particularly suitable for energy recovery systems. An evaluation of the thermal energy use required for ventilation air conditioning across Catalonia is provided. This is meant as a tool to assess the potential benefits of different types of heat recovery units. Ventilation air conditioning energy use is dominated by heating thermal energy over cooling thermal energy even in the warmest regions in Catalonia.
Energy efficiency in surgery rooms could be largely improved with control and heat recovery strategies that fall within the limits of the current indoor environmental quality standards. Future research should study appropriate technologies to monitor surgery room occupancy for air handling unit control purposes, and work towards defining infection control performance targets and monitoring tools.

Els requeriments de qualitat ambiental en quiròfans son particularment estrictes, fet que deriva en un alt us energètic. Degut a que els requeriments son poc clars a la normativa espanyola, aquests espais son sovint dissenyats i usats 24 hores al dia i 7 dies a la setmana segons les recomanacions mes exigents en les guies disponibles. Si be la salut i seguretat son la principal prioritat als hospitals, l’elevat ús energètic dels sistemes de climatització en quiròfans fa que aquests siguin un objectiu evident per a mesures d’eficiència energètica. L’objectiu d’aquesta tesi es identificar i avaluar estratègies de ventilació energèticament eficients que siguin capaces de mantenir una qualitat ambiental i higiènica acceptable. Una revisió bibliogràfica dels requeriments de qualitat ambiental i control d’infecció en quiròfans identifica els objectius dels requeriments en els estàndards disponibles, que s’utilitzen com a base per posar els límits en la definició de les propostes de millora energètica. Les motivacions pels requeriments de cabal d’aire d’impulsió, cabal d’aire exterior, temperatura, i humitat relativa son diferents, fet que aporta l’oportunitat de millorar l’eficiència energètica del sistema controlant independentment les consignes dels diferents paràmetres. Aquesta tesi desenvolupa un mètode general per ajustar el funcionament del sistema (cabal d’aire exterior, cabal d’aire d’impulsió, temperatura i humitat relativa) que permet complir amb els objectius de qualitat ambiental tot reduint us energètic. Es desenvolupa i es calibra un model energètic d’un sistema de climatització estàndard de quiròfan per avaluar els beneficis potencials d’estratègies de control. Els resultats indiquen que amb un control precís es pot reduir l’ús d’energia primària, les emissions de CO2, i els costos energètics en un 83% tot complint amb els requeriments de qualitat ambiental i control d’infecció que indiquen els estàndards. Es recomana que aquestes mesures de control siguin promogudes per la seva aplicació general. Els resultats també indiquen la possibilitat d’obtenir estalvis energètics addicionals quan es controla el cabal d’impulsió en base a lectures en temps real de la concentració de partícules a la sala. Els beneficis d’aquesta estratègia estan actualment limitats pel fet que no hi ha estàndards que defineixin límits de concentració de partícules durant operació. En tot cas, el control de ventilació estrictament basat en risc d’infecció no serà possible fins que hi hagi sensors que siguin capaços d’identificar els tipus de microorganismes. S’utilitza també un model energètic calibrat per avaluar els beneficis potencials en us energètic i confort tèrmic quan s’apliquen estratègies de control en una climatitzadora antiga i no estàndard. Els resultats indiquen que estratègies de control fetes a mida també poden ser implementades amb èxit com a mesura de rehabilitació. Els elevats cabals d’aire exterior requerits en quiròfans fan que en aquests sistemes sigui especialment oportú l’ús de equips de recuperació de calor. Es desenvolupa una avaluació de l’energia tèrmica requerida per la climatització de l’aire de ventilació en la geografia catalana amb l’objectiu d’aportar una eina per quantificar els potencials beneficis de diferents tipus de sistemes de recuperació de calor. Els resultats indiquen que el principal us energètic en climatització de l’aire de ventilació es en forma de calefacció, fins i tot en les regions mes càlides de Catalunya. L’eficiència energètica de quiròfans pot millorar substancialment fent us de mesures de control i recuperació de calor que estan permeses dins els límits dels estàndards actuals. Futures línies de recerca haurien d’estudiar tecnologies adequades per avaluar l’ocupació dels quiròfans per tal de possibilitar-ne el control en base a ocupació. Així mateix, cal definir llindars acceptables de risc d’infecció durant operació i desenvolupar els equips de mesura que ho facin possible.