Sisäilmastoseminaari 2015 1 INFEKTIOIDEN LEVIÄMISEN MALLINTAMINEN SAIRAALOIDEN ERISTYSTILOISSA OVEN LIIKKEEN JA KULKEMISEN VAIKUTUS Pekka Saarinen 1, Petri Kalliomäki 1, Hannu Koskela 1 ja Julian W. Tang 2 1 Työterveyslaitos, Lemminkäisenkatu 14-18 B, 20520 Turku 2 Leicester Royal Infirmary, University Hospitals Leicester, Leicester, UK TIIVISTELMÄ Tutkimuksessa on mallinnettu vuotoilmavirtoja sairaalan eristystilan ja sulkutilan välillä henkilön kulkiessa huoneita yhdistävän sarana- tai liukuoven kautta. Virtausmallinnukset on tehty aikariippuvina LES-menetelmällä. Niiden perusteella laskettuja huoneesta toiseen siirtyneitä ilmatilavuuksia on verrattu mitattuihin. Virtausten havainnollistamiseksi kehitettiin menetelmä, jonka avulla pystytään luomaan keinotekoisia savuvideoita aikariippuvaa mallinnettua virtauskenttää käyttäen. Mallinnettuja savuvideoita käytettiin myös mallinnustulosten validointiin vertaamalla niitä kokeellisiin. Työn varsinaisena tarkoituksena oli testata, ovatko tietokonemallinnetut virtauskentät riittävän tarkkoja käytettäviksi apuna eristystilojen suunnittelussa. Mallinnus tehtiin ilman ilmanvaihtoa, jotta oven ja ihmisen liikkeiden aiheuttamat virtaukset saataisiin näkyviin ilman häiriöitä. JOHDANTO Eristystiloja käytetään sairaaloissa sekä taudinaiheuttajien leviämisen estämiseen että heikkokuntoisten potilaiden suojaamiseen. Kummassakin tapauksessa oleellista on, että eristystilan ja sairaalan muiden osien välillä ilma ei pääse vaihtumaan hallitsemattomasti. Eristystilan ovesta kuljettaessa näin voi kuitenkin käydä, ja oviaukon kautta tapahtuneiden vuotojen on raportoitu johtaneen tartuntoihin /1/. Oviaukon kautta tapahtuvat vuodot onkin otettava huomioon eristystiloja suunniteltaessa, ja suunnittelun tueksi tarvitaan tietoa siitä, millaisia virtauksia oven avaaminen, sulkeminen ja oviaukosta kulku aiheuttavat sekä paljonko ilmaa tällöin siirtyy huoneesta toiseen. Mielenkiintoinen työkalu tämän tiedon hankkimiseksi on tietokoneella tehtävä virtausmallinnus (Computational Fluid Dynamics eli CFD), koska sitä käyttäen on mahdollista vähentää tarvetta rakentaa koehuoneita testimittauksia varten. Koska tutkittavat virtaukset ovat nopeasti muuttuvia, kyseeseen tulee tällöin erityisesti aikariippuva LES-mallinnus (Large Eddy Simulation), jolla virtausten pyörteily mallinnetaan realistisesti laskentaverkon sallimaan minimikokoon asti. Tässä tutkimuksessa verrataan kolmessa perustilanteessa LES-mallinnuksen tuloksia luonnollista kokoa olevassa koehuoneessa tehtyihin mittauksiin. Vertailtavina ovat sekä vuotoilman kokonaismäärä että kulkemisen ja oven liikkeen seurauksena syntyvät virtausrakenteet. Viimeksi mainittuja voidaan havainnollistaa kuvaamalla savuvideoita. Jotta virtausrakenteet saataisiin paremmin näkyviin myös mallinnuksessa ja niitä voitaisiin verrata kokeellisiin savuvideoihin, kehitettiin menetelmä jolla aikariippuvasta tietokonemallinnetusta virtauksesta voidaan tehdä todellisen kaltaisia savuvideoita. Menetelmän periaate on selostettu alla.
2 Sisäilmayhdistys raportti 33 VUOTOILMAN MÄÄRÄN SELVITTÄMINEN MERKKIAINEEN AVULLA Huoneesta toiseen vuotanut ilmamäärä saadaan selville, jos lähtöhuoneen ilma pystytään jollakin keinoin merkitsemään niin että se voidaan tunnistaa toisessa huoneessa. Yleisesti käytetty keino on laskea lähtöhuoneeseen kaasua, ns. merkkiainetta, joka on helppo tunnistaa kaasuanalysaattorilla. Merkkiaine saa olla ilmaa raskaampaakin, jos sen pitoisuus on pieni ja se sekoitetaan ilmaan tasaisesti. Mikäli ilmanvaihto ei ole toiminnassa, kokeen jälkeinen merkkiaineen kokonaismäärä toisessa huoneessa kertoo vuotoilman määrän, jos merkkiaineen alkukonsentraatio lähtöhuoneessa tunnetaan. Tämä kuitenkin edellyttää, että huoneessa, johon vuoto tapahtuu, ei alun perin ole merkkiainetta. Tätä oletusta ei tarvita, jos käytetään kahta merkkiainetta, jotka kokeen alussa annostellaan eri huoneisiin. Tällöin ei haittaa, vaikka alussa merkkiainetta olisi jo päässyt vuotamaan toiseen huoneeseen, kunhan alkupitoisuudet tunnetaan. Näin voidaan suorittaa toistomittauksia tarvitsematta huuhdella huoneita välillä. Toinen etu kahden merkkiaineen käytöstä on, että kumpaankin suuntaan siirtyneet ilmamäärät saadaan kerralla. Ne näet eivät ole samat, jos huoneiden välillä on ilmanvaihdon epätasapainosta johtuva paine-ero, mikä on normaali tilanne eristystiloissa. Lisäksi hoitajan kulkiessa oviaukon läpi hänen syrjäyttämänsä ilmatilavuus liikkuu vastakkaiseen suuntaan aiheuttaen epäsymmetrian vastakkaisiin suuntiin vuotaneissa ilmatilavuuksissa. Kokeissa käytetyt merkkiainekaasut olivat N 2 O ja SF 6. Merkkiainemittaus antaa ainoastaan eri suuntiin siirtyneet kokonaisilmatilavuudet kokeen päätyttyä. Tämä johtuu siitä, että ennen kuin merkkiaineen määrä huoneessa voidaan mitata, se on sekoitettava huoneeseen tasaisesti. Tämän jälkeen huoneilmasta otetusta näytteestä mitataan merkkiaineen massakonsentraatio ja kerrotaan huoneen tilavuudella. Tätä ei voida tehdä kesken kokeen häiritsemättä virtauksia. Lisäksi merkkiainemittaus on liian hidas operaatio, jotta sen avulla voitaisiin seurata vuotoilman määrän muuttumista ajan funktiona. Tietokonemallinnus sen sijaan tuottaa useita pysäytystilanteita eri ajan hetkinä, ja niistä kaikista on mahdollista laskea erikseen vuotoilman määrä, jonka aikakäyttäytyminen näin saadaan selville. Mallinnuksessa kumpaankin huoneeseen voidaan alkutilanteessa sijoittaa tasaisesti jakautunut passiivinen skalaari kuvaamaan merkkiaineen konsentraatiota. Passiivinen skalaari voidaan ajatella kaasuksi, joka on sekoittunut ilmaan ja seuraa virtausten mukana, mutta ei millään tavoin vaikuta virtauksiin. SAVUVISUALISOINTI JA SAVUVIDEOIDEN MALLINTAMINEN Koska merkkiaineet ovat näkymättömiä, niiden avulla ei voida nähdä ilman virtauksia, vaikka ne paljastavatkin määrällisiä suureita kuten oviaukosta kulkeneen ilman kokonaismäärän. Sen vuoksi virtauskuvioiden esiin saamiseksi merkkiaine on korvattava savulla. Merkkiaineen tapaan savuakin voidaan ennen koetta annostella lähtöhuoneeseen, josta se kokeen aikana kulkeutuu ilmavirtausten mukana toiseen huoneeseen. Videoimalla savun liike ilman virtaukset saadaan näkyviksi. Määrällisiä suureita savukokeen avulla ei saada selville. Savu on näkyvää, koska sen rakenneosina olevat pienet pisarat sirottavat niihin osunutta valoa. Pienen kokonsa ansiosta pisarat leijuvat ilmassa ja leviävät ilmavirtausten mukana samalla tavoin kuin merkkiainekaasut. Siten savun ja merkkiaineen kulkeutumista voidaan mallintaa käyttäen samaa skalaarimuuttujaa. Savua valaistaessa valon siroaminen on sitä voimakkaampaa, mitä tiheämmässä pisarat ovat. Päästäkseen tiheän savun alueelle valo kuitenkin joutuu ensin läpäisemään
Sisäilmastoseminaari 2015 3 ohuemman savun kerroksia, joissa siroaminen on vähäisempää. Tätä voidaan mallinnuksessa yksinkertaistaa käyttämällä skalaarimuuttujan konsentraatiota kuvaamaan savun pisaratiheyttä ja jakamalla konsentraation vaihteluväli sopiviin osaväleihin. Savupilvessä nämä osavälit vastaavat alueita, joita rajaavat muodoiltaan mutkikkaat tasaarvopinnat, joilla savupisaroiden tiheys on vakio. Mallinnuksessa voidaan tehdä yksinkertaistava oletus, että kaikki valon sironta tapahtuu näiltä rajapinnoilta, kts. kuva 1. Kuva 1. Ennen pääsyä voimakkaasti sirottavaan, tiheään savuun, valon on läpäistävä heikommin sirottavia (ts. läpinäkyvämpiä) ohuemman savun kerroksia. Mallinnuksessa realistisen vaikutelman saamiseksi riittää erottaa muutamia tiheyden tasa-arvopintoja (kuvassa tap 1 tap 4) ja rajoittaa valon sironta niihin. Moninkertaista sirontaa ei ole tarpeen mallintaa. Savun tiheytenä voidaan käyttää skalaarimuuttujan konsentraatiota. Kun sironta mallinnuksessa rajoitetaan tiheysalueiden välisiin rajapintoihin, savupilvi voidaan mallintaa piirtämällä joukko skalaarimuuttujan konsentraation tasa-arvopintoja siten, että pintojen läpinäkyvyys vähenee konsentraation kasvaessa ja sironnan samalla voimistuessa. Pintojen väritys on sama kuin valaistuksessa käytetyn valon, joka yleensä on valkoista. Periaatetta on havainnollistettu kuvassa 2. Kun aikariippuvasta mallinnuksesta valitaan aika-askelia 0.04 s:n välein, tehdään jokaisesta savusimulaatio edellä kuvatulla tavalla ja esitetään näin saadut kuvaruudut taajuudella 25 ruutua sekunnissa, saadaan luonnollisella nopeudella etenevä mallinnettu savuvideo. Sen kvalititatiivinen validointi onnistuu helposti vertaamalla samasta suunnasta kuvattuun kokeelliseen savuvideoon. Jos kokeellisessa savuvideossa on koko huoneen sijasta valaistu pienempi tilavuus, esimerkiksi tietty korkeusväli, tulee simuloidussa savuvideossa piirtää näkyviin vain tämä sama tila. KOETILANTEET Eristystilasta karanneen ilmatilavuuden mittaamiseksi rakennettiin luonnollisen kokoinen malli /2/, joka koostui itse eristystilasta ja siihen väliovella yhdistetystä etuhuoneesta, jota kutsutaan sulkutilaksi. Kumpikin huone oli sisämitoiltaan 4.7 m (väliseinän leveys) 4 m (pituus) 3 m (korkeus). Oviaukon vapaa alue oli kooltaan 1.10 m 2.06 m, ja siihen voitiin valita joko saranaovi tai liukuovi. Ovesta kulkevan hoitajan korvasi pyörillä varustetun kelkan päällä kulkeva nukke. Sekä ovi että nukkea kuljettava kelkka olivat tietokoneohjattuja. Mallinnettuja koetilanteita oli kolme erilaista:
4 Sisäilmayhdistys raportti 33 pelkkä saranaoven avautuminen ja sulkeutuminen saranaoven avautuminen, kulku ovesta ja oven sulkeutuminen liukuoven avautuminen, kulku ovesta ja oven sulkeutuminen Kuva 2. Pikkukuviin piirretyillä tasa-arvopinnoilla savupisaroiden tiheys kasvaa nuolien suunnassa samalla kun pinnan läpinäkyvyys vähenee. Piirrettäessä kaikki nämä tasaarvopinnat samaan kuvaan saadaan keskellä näkyvä savukoesimulaatio. Saranaovi avautui aina samaan huoneeseen, jota tässä kutsutaan eristystilaksi. Hoitaja pystyi liikkumaan kumpaan suuntaan tahansa, mutta mallinnetuissa tilanteissa kulkusuunta oli aina eristystilasta sulkutilaan. Kulkunopeudeksi oli säädetty 1 m/s pl. 0,5 s:n kiihdytysja jarrutusvaiheet liikkeen alussa ja lopussa. Eri vaiheiden kestoajat kussakin tilanteessa on koottu taulukkoon 1. Hoitajan kulkuaika on aika, jonka hoitaja oli liikkeessä kulkiessaan oviaukon läpi. Lisäksi hoitaja liikkui ennen oven avautumista, siirtyen lähemmäs ovea. Koehuoneessa suoritettiin mittauksia myös ilmanvaihdon kanssa /2/, mutta mallinnetut tilanteet olivat perustilanteita, joissa ilmanvaihtoa ei ollut. Näin saatiin näkyviin pelkkä oven ja kulun vaikutus. Ilmanvaihdon lisääminen mahdollisiin myöhempiin mallinnuksiin on periaatteessa yksinkertaista. Mallinnetut tilanteet olivat myös isotermisiä, eli huoneiden välillä ei ollut lämpötilaeroa. Tähän tilanteeseen kannattaa myös pyrkiä, sillä lämpötilaeron vaikutus on aina epäedullinen, ts. se lisää vuotoilmamääriä. Taulukko 1. Eri vaiheiden kestoajat koetilanteissa. koetilanne oven avautumisaika [s] tumisaika [s] kulkuaika [s] oven sulkeu- hoitajan aukioloaika [s] pelkkä saranaovi 3 8 5,4 saranaovi + kulku 3 8,1 5,4 4,1 liukuovi + kulku 3 9 5 3
Sisäilmastoseminaari 2015 5 MALLINNUSTEN JA MITTAUSTEN VERTAILU Mallinnusohjelmana käytettiin ANSYS CFX 15.0 virtausratkaisijaa /3/. Liikkuvan oven ja ihmisen mallinnus tehtiin käyttäen ratkaisijan sisältämää ns. immersed solid-menetelmää. Siinä liikkeen vaikutus mallinnetaan pakottamalla liikkuvan esineen sisään jäävä ilmatilavuus seuraamaan esineen liikettä. Tällöin vältetään myös uudelleenverkotus geometrian muuttuessa. Mallinnustulosten ja mittaustulosten vertailu suoritettiin kahdella tavalla; kvantitatiivisesti vertaamalla huoneesta toiseen vuotaneita ilmamääriä ja kvalitatiivisesti vertaamalla savuvideoissa näkyviä virtausrakenteita. Kvantitatiivisessa vertailussa pystytään vertaamaan vain huoneesta toiseen koko koejakson aikana siirtyneitä ilmamääriä, sillä mittauksissa vuotoilmamääriä ei saatu ajan funktioina. Tulokset on esitetty taulukossa 2, jossa on ilmoitettu eristystilasta sulkutilaan kulkeutunut ilmatilavuus. Mittauksista on annettu toistomittausten tulosten vaihteluväli sekä keskiarvo. Kulun sisältävissä tapauksissa vastakkaiseen suuntaan siirtynyt ilmatilavuus on 0,070 m 3 suurempi, koska hoitajan syrjäyttämä ilmamäärää siirtyy oviaukon läpi päinvastaiseen suuntaan. Taulukon viimeinen sarake kertoo mallinnetun ilmamäärän suhteellisen eron mittaustulosten keskiarvoon verrattuna. Taulukko 2. Eristystilasta sulkutilaan eri koetilanteissa karanneet ilmamäärät toistomittauksissa ja mallinnuksissa. Viimeinen sarake kertoo mallinnustuloksen suhteellisen poikkeaman mittauksesta. koetilanne mittaus erist. sulkut. [m 3 ] mallinnus erist. sulkut. [m 3 ] suht. poikkeama pelkkä saranaovi 1,22 1,57 ka: 1,39 1,24-11 % saranaovi + kulku 1,79-2,02 ka: 1,93 1,54-20 % liukuovi + kulku 0,88 1,05 ka: 0,98 0,89-9 % Mallinnettujen ja kokeellisten savuvideoiden vertailu onnistuu parhaiten esittämällä ne luonnollisella nopeudella rinnakkain. Tästä on esimerkki kuvassa 3. Levitessään alun pitäen savuttomaan huoneeseen savun nestepisarat erottuvat selvästi. Koska pisarat seuraavat virtausviivoja, savuvideot tarjoavat oivan keinon nähdä syntyvät virtauskuviot. Myös kuvan 3 kaltaiset pysäytyskuvat kertovat virtauksista varsin paljon. Kun merkkiainemittausten tai -mallinnusten tulokset (kts taulukko 2) paljastavat, että saranaovi aiheuttaa liukuovea huomattavasti suuremman vuodon, selittävät savuvideot syyn tähän. Saranaovi toimii aluksi kuin mäntä, aiheuttaen paine-eron huoneiden välille ja puskien liikkeelle voimakkaan ilmavirran oviaukon läpi. Painevaikutus työntää saman ilmamäärän myös vastakkaiseen suuntaan. Näin huoneiden välillä tapahtuu enemmän sekoittumista kuin liukuovea käytettäessä, jolloin ajava voima puuttuu. Vastakkaisiin suuntiin kulkevat ilmavirrat saranaoven reunalla aikaansaavat pyörteen, joka erottuu selvästi kuvassa 3. Savuvideot paljastavat myös, miten oviaukosta kulkeva hoitaja vetää perässään ilmavanaa. Tämä selittää kulun vaikutuksen taulukossa 2. Nämä ilmiöt olivat yhtä hyvin nähtävissä niin mallinnetuissa kuin kokeellisissakin savuvideoissa.
6 Sisäilmayhdistys raportti 33 Kuva 3. Mallinnettujen virtausten todenmukaisuutta voidaan arvioida kvalitatiivisesti vertaamalla mallinnettua (oikealla) savuvideota kokeelliseen (vasemmalla). Tässä pysäytyskuvassa nähdään sulkeutuvan saranaoven taakse jäävä ovipyörre. JOHTOPÄÄTÖKSET Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, voidaanko eristystilojen suunnittelussa käyttää aikariippuvaa tietokonepohjaista virtausmallinnusta korvaamaan mittauksia tarkoitusta varten rakennetuissa testilaboratorioissa. Tutkimus on ajankohtainen, sillä eristystilojen käyttö on viime aikoina lisääntynyt, ja eräänä ongelmana niissä ovat oven kautta tapahtuvat vuodot. Työssä mallinnettiin kolme perustilannetta, jotka sisälsivät avautuvan ja sulkeutuvan oven sekä kulun oven kautta. Kvantitatiiviset tulokset ovat tiivistettyinä taulukossa 2. Liukuoven ja pelkän saranaoven oven liikkeen tapauksessa mallinnetut vuotoilmamäärät poikkesivat mitatuista n. 10 %, mitä voidaan pitää hyvänä tarkkuutena. Yhdistettäessä saranaoven käyttöön kulku oviaukon läpi mallinnustarkkuus oli noin 20 %. Kaikki poikkeamat olivat samansuuntaisia, mikä helpottaa eri ratkaisujen vertailua. Tulokset ovat lupaavia, ja niitä on todennäköisesti mahdollista edelleen parantaa laskentaverkkoa tihentämällä ja mahdollisesti käyttämällä kokoonpuristuvaa ratkaisijaa. Sivutuloksena kehitettiin menetelmä mallinnettujen aikariippuvien virtauskenttien havainnollistamiseksi mallinnettuja savuvideoita käyttäen. KIITOKSET Tutkimus on osa RYM SHOK Sisäympäristö -tutkimusohjelmaa. Kirjoittavat kiittävät Tekesiä ja yrityksiä tutkimuksen rahoittamisesta. LÄHDELUETTELO 1. Tang, J. W., Eames, I., Li, Y., Taha, A., Wilson, P., Bellingan, G., Ward, K. N. ja Breuer, J. (2005) Door-opening motion can potentially lead to a transient breakdown in negative-pressure isolation conditions; the importance of vorticity and buoyancy airflows. J. Hosp. Infect. 61, s. 283-286. 2. Kalliomäki, P,. Saarinen, P., Tang, J. W. ja Koskela, H. Airflow patterns through single hinged and sliding doors in hospital isolation rooms, Proceedings of Indoor Air 2014, Hong Kong, 7-12 July 2014. 3. http://www.ansys.com/products/simulation+technology/fluid+dynamics/fluid+dyna mics+products/ansys+cfx