Ameliyathane havalandırma sistemi tasarımı ve HAD yöntemi ile hava akış analizi
Air conditioning system designing of an operating room and air flow analysis using the CFD technique
Yazar: MUHAMMED GALİP ÖZER
Danışman: PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Literatüre bakıldığında temiz oda uygulamalarının hastanelerin ameliyathanelerinde başladığı görülmektedir. Ortamdaki partikül ve mikroorganizmaların cerrahi yaralardaki enfeksiyonunu engellemek adına birtakım çalışmalar yapılmıştır. Günümüzde temiz oda teknolojisi ile ilgili çalışmalar halen devam etmektedir. Temiz oda uygulamaları; ileri teknoloji ürün endüstrisinde, hijyen gerektiren üretimlerde ve hastanelerde uygulanmaktadır. Ameliyathaneler temiz oda tarihinin başlangıcından itibaren önemli bir temiz oda örneğidir. Özellikle insan hayatının söz konusu olduğu ameliyathanelerde tasarım, uygulama, işletme ve performans kalitesi açısından standartlar sağlanmalı ve gerekli hassasiyet gösterilmelidir.
Bu çalışmaya temiz oda terminolojisi ve kavramlarının anlatılmasıyla başlanmış; ilgili standartlar, oda sınıfları ve yapısal özellikleri hakkında bilgiler verilmiştir. Partikül ve mikroorganizmaların ortamdan uzaklaştırılmasını sağlayan HEPA ve ULPA filtrelere değinilmiş, oda için gerekli hijyen derecesine göre değişen havanın akış tiplerine de yer verilmiştir.
Hastane iklimlendirme standartlarına baktığımızda DIN 1946-4 standardının ülkemizde ağırlıklı olarak referans kabul edildiği görülmektedir. Hastane mahallerini hijyen sınıfına göre derecelendirmek ve tasarımı bu şekilde yapmak gereklidir. Bu yüzden hastane mahallerinin ve ameliyathanelerin sınıf bilgilerine yer verilmiştir. Ameliyathane tasarımı için gerekli hava hareketi, ortam basıncı, sıcaklık, nem, hava debisi, filtreleme sistemi ve gürültü gibi tasarım parametreleri hakkında bilgiler verilmiştir.
Konfor amaçlı iklimlendirme uygulamaları ile hijyen amaçlı iklimlendirme uygulamaları, kullanılan iklimlendirme ekipmanları bakımından farklılıklar barındırmaktadır. Hijyen amaçlı tasarım ve uygulamalarda kullanılan ekipmanların sahip olması gerekli minimum özellikleri hakkında bilgiler verilmiş olup, ameliyathane uygulamalarında kullanılan ekipmanlara değinilmiştir. Bu ekipmanlardan olan ve yüksek hijyen sınıfı ameliyathane uygulamalarında kullanılan hava üfleme ünitesi, hava perdesi ve kısmi duvar hakkında bilgilere yer verilmiştir.
Anlatılan bilgilerin daha iyi anlaşılması adına örnek bir ameliyathane tasarımı yapılmıştır. Bu tasarım bünyesinde, havalandırma kanalı projeleri hazırlanmış, gerekli hava debisi, hava akış yönleri, kritik devre basınç kaybı hesabı ve cihaz seçimi yapılmıştır.
Ameliyathane içerisindeki hava akışının önem arz etmesinden dolayı HAD programı ile hava akışı modellenmiştir. Bu modellemede farklı sınır şartları ile çözümlemeler yapılmıştır. Ameliyat masası üzerindeki hava akışının önemli olmasından dolayı bu bölgedeki hava akışının özellikleri incelemeler için bir parametre olmuştur.
Üfleme ünitesinin etrafındaki hava perdesinin ve kısmi duvar uygulamalarının hava akışına olan etkisi incelenmiştir. Hava perdesinin türbülans şiddetini artırdığı, kısmi duvarın ise düşürdüğü, her ikisinin aynı anda kullanılmasının faydalı olacağı gözlenmiştir.Üfleme hızının hava akışına olan etkisi için farklı hız değerleri ile çözümlemeler tekrarlanmış ve türbülans şiddetindeki yüzdesel değişmelere yer verilmiştir. Üfleme hızının artması ile belli bir değere ulaşıncaya kadar türbülans şiddetinin azaldığı gözlenmiştir. Isıl yükler ve bozucu etkiler altında yapılan analizler neticesinde hava akışının koruma alanı sınırlarında üfleme hızından daha yüksek değerlere ulaştığı ve aydınlatma armatürünün hava akışını ciddi seviyede etkilediği gözlenmiştir.

Abstract:
The history of clean rooms was started in hospitals. Lord Lister's realized that bacteria caused surgical wound infection. There are similarities between the clean rooms in the past and the moderns. The most important difference between them is the absence of ambient conditioning with filtered air in past clean rooms. Particle control in the air gained importance at the end of the Second World War and was considered in the designs. Nowadays, the development of cleanroom is still going on. There are wide range clean rooms applications such as pharmaceuticals, food processing, electronics industries and hospitals. Operating room is an important clean room application since the beginning of the clean room history.
This study was started with the introduction of clean room terminology, concepts and given information about relevant standards, room classes, and structural features. According to ISO 14644 standard definition of cleanroom is "A room in which the concentration of airborne particles is controlled, and which is constructed and used in a manner to minimize the introduction, generation, and retention of particles inside the room and in which other relevant parameters, e.g. temperature, humidity, and pressure, are controlled as necessary". ISO 14644 is a general standard and doesn't have detail information about health care facilities. There are two standards commonly used for health care application in Turkey. They are DIN EN 1946-4 "VAC Systems in Buildings and Rooms Used in The Health Care Sector" and ANSI/ASHRAE/ASHE Standard 170 "Ventilation of Health Care Facilities".
In next section is mentioned basic classifications of hospital rooms, air flow type, and HVAC design parameters. According to DIN EN 1946-4, hospital rooms used for medical purposes are classed either as class I or class II rooms. Operation rooms are also classed either as class Ia or class Ib. Class Ia operation rooms are high hygiene class. HVAC design parameters are air flow type, air movement, pressurization, air flow rate, temperature, humidity, filtration and noise control. There is a relation between hygiene class to air flow type. For instance, laminar or low turbulence air flow is desired in high hygiene class operating room. Pressurization method mitigates the spread of infections is through pressure relationships. For example, operating rooms must be at a positive pressure relative to adjacent corridors to prevent potentially harmful microorganisms from entering the operating room. To obtain required air flow for the operation room, two conditions must be observed at the same time. The first condition is the flow rate obtained by multiplying the air outlet speed of the ceiling unit and the inlet area. The second condition is the air flow rate required to remove the room heat loads. Whichever is greater than the air flow rate with these two conditions must be taken.
A multiple stage filtration system is necessary to remove particulate contaminants, including microorganisms. For class I rooms, a three-stage supply air filtration is required, with the first two filtration stages installed in the air handling unit and the third stage installed at the end. The third stage is HEPA or ULPA filters, which provide removal of particles and microorganisms, are mentioned.
In the next section, information on the minimum requirements for the equipment used in hygiene design and applications is given. There are equipment features differences between the applications of comfort air conditioning to hygiene air conditioning applications. These features are given for air handling unit, fan, heating & cooling coil, humidifier, CAV, VAV, and damper. The equipment used in operating room applications is also mentioned. Air supply unit, air curtain, and partial wall are used in high hygiene class operating room applications.
A sample operating room was designed for a better understanding of the information described. In this design following steps were prepared, ventilation duct projects have been prepared and given, air movement direction is shown on the project, calculation the required air flow with two methods and choosing the greater one, pressure loss calculation of supply and extract air ducts and selecting of the hygienic air handling unit.
It is important to air flow characteristics in the operating room for removal particle and microorganism properly. In this reason, air flow was modeled by the CFD program. In this modeling, the Standard k-epsilon Model and Boussinesq Approximation are chosen. To ensure the number of mesh enough, mesh independence study has done. It is obtained that 1100000-mesh number is suitable for the model. Since the airflow in the above region of the operating table is important, the characteristics of the air in this region have been a parameter for investigations.
To effects of the partial wall and air curtain on airflow four different boundary conditions were solved. As a result of the analyses, turbulence intensity %17 decreases by the partial wall and increases %20 by the air curtain. The turbulence intensity decreases by %31.5 when both are used simultaneously. In addition, it has been seen that the partial wall and the air curtain help to minimize air mixing on boundaries of the protected region. It is seen that it is beneficial to use the partial wall and air curtain in high hygiene class operating rooms.
To determine the effect of the supply air velocity on the air flow, the analyses were repeated with eight different supply air velocities. These velocities are 0,13 m/s, 0,18 m/s, 0,24 m/s, 0,3 m/s, 0,38 m/s, 0,45 m/s, 1,5 m/s and 3 m/s. As a result of analysis of the effect of different supply air velocity on airflow; it was observed that the turbulence intensity decreased by %45 until the supply air rate reached 0.24 m/s. 0.24 m/s to 0.45 m/s; turbulence intensity decreased by %10.5. In addition, turbulence intensity doesn't exceed %15 at speeds above 0.24 m/s. As a result, it is seen that a lower inlet velocity value of 0.24 m/s produce the improper condition.
The air flow analysis continues under thermal loads and disturbance condition. It is seen that the air flow velocity is higher than the inlet velocity value on the protected region boundaries. It has been observed that the air moves upwards first and leaves the region of the above operating table.
At the boundary of the protection zone, there is no reverse velocity vector observed. The lighting fixture affects airflow seriously. This negative effect can be reduced by improving the geometry of the lighting fixture. In order to determine this model is appropriate, the degree of protection factor explained in the annex of DIN 1946-4, should consider.