借助 CFD 建模防止空气感染

2015年 12月 2日

医疗相关感染 (HAI, Healthcare-associated infections) 正影响着全球数百万人。HAI 最常见的原因是和源头直接接触,另外空气中传播的细菌也可能造成感染。为预防空气感染,让医院的洁净室更加安全放心,设计出有效的通风系统便是一个重点。有效的通风设计还能降低能耗,节约成本,带来额外收益。卓越设计的第一步是 CFD 建模。

医疗相关感染是一个全球问题

在全球范围内,医疗相关感染对于住院患者是一个严重的问题,不论在发达国家还是发展中国家都是如此。根据世界卫生组织 (WHO) 的数据,每年有数以亿计的患者受到感染。他们进一步指出,在任何特定时间,发达国家的一百名患者中有七名在住院期间至少受到一次感染,在不发达国家则有十名。而且这一数据还不包括那些因空气感染而住院的患者。何不好好想一下这个问题?

医学中心照片。
弗吉尼亚大学医学中心” 由 cvilletomorrow — flickr 提供,在 CC BY 2.0 许可下使用,通过维基共享资源发布。

那么,为什么在寻求治疗时患者病情会加重?我们又要如何阻止?导致 HAI 的因素多种多样。最明显的罪魁祸首大概是和传染源(人、设备、家具等)直接接触。然而,Veryst Engineering 的 Alireza Kermani 在 COMSOL 用户年会 2015 波士顿站上指出,另一个元凶可能是低效的通风系统。为了证实这一理论,Veryst 转向了 CFD 软件。

利用 CFD 软件评估通风系统设计

Veryst 借助 COMSOL Multiphysics 仿真平台和 CFD 模块分析了医院洁净室中的气流模式,调查空气中的细菌如何传播到整个房间。

用于评估的洁净室模型包括人员(患者和医生);家具(床、衣柜和灯具);医疗设备;以及一套通风系统(入口和排风口)。已感染的患者正在咳嗽,随即细菌颗粒就传播到了房间内。这个模型考虑了强制通风和自然通风,通风率为每小时换气 (ACH) 六次。这是 ASHRAE standard 170 关于医疗保健设备的通风率标准。

医院洁净室示意图。
医院洁净室的布局。房间的三面墙和地板与外界隔热。天花板和衣柜对面的墙与外界换热。图像经许可摘自 Veryst 的论文 “CFD Modeling for Ventilation System of a Hospital Room“。

Veryst 在模型中加入以下几种热源:

  • 医生和患者的身体 (60 W/m2)
  • 设备 (100 W/m2)
  • 灯具 (200 W/m2)
  • 通风入口 (20°C)
  • 外界温度 (5°C)

他们发现,洁净室的平均温度为 21°C。以下为他们的仿真结果,描述房间内的气流和温度分布:

用于研究空气感染的医院洁净室内的温度分布图。

医院洁净室内的速度矢量图,通过 COMSOL Multiphysics 模拟。

医院洁净室内的温度分布和速度矢量。图像来源:Veryst。

通风系统的设计要能有效阻止空气感染,同时还要确保不会导致房间过热或过冷。当然,热舒适是极其主观的,但我们有方法来量化这一定性标准。评价通风系统设计时,Veryst 基于 ASHRAE Standard 55-2013 来量化热舒适的热感觉范围:

感觉 预计平均热舒适指数 (PMV) 值
+3
+2
稍暖 +1
中性 0
稍凉 -1
-2
-3

ASHRAE 热感觉范围。可接受的室内值在 -0.5 到 +0.5 之间。表格经许可改编自 Veryst 的论文 “CFD Modeling for Ventilation System of a Hospital Room”。

接下来,他们针对仿真结果计算 PWV 和患者的预测不满意百分比 (PPD),并将两者与上述范围比较。他们分析当前的设计,推测患者的代谢率和穿着,由此发现 56% 的患者表示不满意,因为患者感觉偏凉 (PMV = -1.59)。

模拟细菌分布以预防空气感染

利用 COMSOL Multiphysics 和粒子追踪模块,Veryst 终于能够量化经通风系统排风口传播到房间外的细菌百分比。

CFD 建模仿真结果图,显示细菌粒子在病人咳嗽后的不同时间的运动情况。
以上各图分别显示病人咳嗽后 30 秒、60 秒、180 秒 以及 230 秒时细菌粒子的运动情况。粒子颜色和速度(米/每秒)对应。经许可摘自 Veryst 的论文 “CFD Modeling for Ventilation System of a Hospital Room”。

如上方的各图所示,病人咳嗽后,细菌经由通风系统传播到整个房间。咳嗽后 30 秒到 35 秒时,大多数细菌粒子传播到房间外。然而,即使经过了 300 秒,房间内仍有 8% 的细菌,这些细菌就可能导致 HAI。

Veryst 分享的动画。

为了改进通风系统,减少房间内的细菌数,提升系统效率,同时使房间内热舒适范围可接受,您可以进一步运行仿真以优化设计。要了解 Veryst 的全部研究细节,请查看论文 “CFD Modeling for Ventilation System of a Hospital Room“。

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