Kontekst badania
Badanie zostało przeprowadzone ze względu na potrzebę lepszego zarządzania ryzykiem infekcji przenoszonych drogą powietrzną w przestrzeniach zamkniętych, takich jak poczekalnie szpitalne, które są miejscami wysokiego ryzyka zakażeń krzyżowych. Choroby zakaźne układu oddechowego, np. grypa sezonowa, stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia publicznego w tego rodzaju miejscach, zwłaszcza w okresie wzmożonych zachorowań.
Cele i hipotezy
Celem badania było opracowanie metody kontroli ryzyka infekcji powietrznej w poczekalniach szpitalnych poprzez ocenę wydajności różnych systemów wentylacyjnych. Badanie miało za zadanie stworzenie wskaźników do oceny czystości powietrza oraz przewidywania ryzyka infekcji. Wprowadzenie nowych wskaźników miało pomóc w doskonaleniu projektów architektonicznych oraz parametrów funkcjonowania systemów wentylacyjnych .
Metody badawcze
Badanie wykorzystało metody symulacji dynamiki płynów (CFD) oraz modelowanie sił społecznych (SFM) w celu przeanalizowania rozpływu cząsteczek powietrza w poczekalniach o powierzchni 85 m² i 145 m². Przeprowadzono symulacje rozprzestrzeniania się cząsteczek aerozolu w różnych układach przestrzennych poczekalni oraz przy różnych ustawieniach wentylacji. Zaproponowano wskaźniki Particle Removal Efficiency (Pr) oraz High-risk Area Ratio (Hr) do oceny wydajności systemów wentylacyjnych.
Rezultaty badań i ich interpretacja
Wyniki projektu obejmowały analizę efektywności systemów wentylacyjnych oraz układów przestrzennych poczekalni szpitalnych, z uwzględnieniem ryzyka zakażeń chorobami układu oddechowego przenoszonymi drogą powietrzną. Poniżej znajdują się szczegółowe wyniki projektu:
Wskaźnik usuwania cząsteczek (Particle Removal Efficiency – Pr): Wskaźnik Pr służy do określenia efektywności systemu wentylacyjnego w usuwaniu cząsteczek zakaźnych z powietrza w poczekalniach. Wyniki symulacji pokazały, że wartość Pr jest stosunkowo wysoka, szczególnie w poczekalniach o większej powierzchni (145 m²). Wartości Pr mieściły się w przedziale od 0,8 do 1, co oznacza, że systemy wentylacyjne efektywnie usuwają większość zakaźnych cząsteczek z powietrza. Wyniki wskazują, że wraz ze wzrostem wymiany powietrza (air change rate – ACH), Pr rośnie, ale po przekroczeniu pewnej wartości ACH (około 10 wymian na godzinę), wzrost efektywności staje się marginalny. Oznacza to, że dalsze zwiększanie ACH nie przynosi znacznych korzyści w usuwaniu cząsteczek, co sugeruje, że istnieje optymalny poziom wentylacji.
Wskaźnik obszaru wysokiego ryzyka (High-risk Area Ratio – Hr): Wskaźnik Hr ocenia, jaki procent poczekalni stanowi obszar podwyższonego ryzyka zakażenia, czyli taki, w którym koncentracja cząsteczek zakaźnych jest powyżej bezpiecznego poziomu. Dla poczekalni o powierzchni 85 m² wartość Hr była wyższa, co oznacza, że mniejsze przestrzenie mają większe obszary o podwyższonym ryzyku. W poczekalniach o powierzchni 145 m² Hr było niższe, co sugeruje, że większe przestrzenie lepiej radzą sobie z rozproszeniem cząsteczek zakaźnych i zmniejszaniem ryzyka zakażenia. Hr wykazuje odwrotną zależność w stosunku do ACH – wraz ze wzrostem wymiany powietrza obszar wysokiego ryzyka maleje, ale przy bardzo wysokim ACH (powyżej 12/h) wskaźnik Hr zaczyna rosnąć, co może wynikać z nadmiernego mieszania się powietrza, prowadzącego do ponownego unoszenia się cząsteczek zakaźnych.
Indeks czystości przestrzeni (Space Cleanliness Index – Sci): Sci jest wskaźnikiem łączącym efektywność usuwania cząsteczek (Pr) oraz obszar wysokiego ryzyka (Hr) w celu stworzenia bardziej kompleksowej oceny jakości powietrza w poczekalniach. Wyniki pokazują, że Sci wzrasta wraz ze zwiększaniem wentylacji, osiągając wartości szczytowe przy około 10 wymianach powietrza na godzinę, po czym wartości te stabilizują się. Wskaźnik Sci wynosił od 0,510 do 0,993 w zależności od warunków testowych i wielkości poczekalni. Większe poczekalnie (145 m²) osiągnęły wyższe wartości Sci, co oznacza, że mają lepsze parametry czystości powietrza i mniejsze ryzyko infekcji.
Wpływ układu przestrzennego na rozprzestrzenianie się cząsteczek: Analiza symulacji pokazała, że układ przestrzenny ma kluczowe znaczenie w dystrybucji cząsteczek zakaźnych. W poczekalniach o mniejszej powierzchni (85 m²) cząsteczki mają ograniczone możliwości rozproszenia, co powoduje większą koncentrację w obszarach, w których gromadzą się ludzie. W większych przestrzeniach (145 m²) cząsteczki mają więcej miejsca na dyfuzję, co zmniejsza ryzyko wysokiej koncentracji zakaźnych cząsteczek w jednym miejscu. Symulacje pokazały, że usunięcie cząsteczek z mniejszych poczekalni jest mniej efektywne, a ryzyko infekcji jest tam wyższe.
Zachowanie cząsteczek przy różnych formach nawiewu powietrza: Przeanalizowano różne konfiguracje nawiewów powietrza, w tym nawiew czterostronny, dyfuzor oraz kratki wentylacyjne. W badaniu stwierdzono, że formy nawiewu/rozdział powietrza mają znaczący wpływ na to, jak cząsteczki zakaźne są rozpraszane w przestrzeni. Nawiew czterostronny powodował gromadzenie się cząsteczek w okolicy głowy pacjentów i szybkie ich osadzanie się na podłodze. Dyfuzory prowadziły do szybszego pionowego rozproszenia cząsteczek ku górze i ich rozprzestrzeniania się wzdłuż sufitu, co mogło zwiększać ryzyko infekcji dla osób siedzących z przodu. Kratki wentylacyjne, natomiast, powodowały „odbicie” cząsteczek od sufitu, co zmniejszało ryzyko infekcji, ale zwiększało liczbę cząsteczek przechwytywanych przez podłogę.
Wnioski
- Optymalna wentylacja: Wyniki badania sugerują, że optymalny poziom wymiany powietrza w poczekalniach szpitalnych wynosi około 10 wymian na godzinę. Przy tym poziomie ryzyko infekcji jest minimalizowane, a dalsze zwiększanie wentylacji przynosi niewielkie korzyści, a nawet może zwiększać ryzyko w wyniku nadmiernego mieszania się powietrza.
- Układ przestrzenny: Mniejsze poczekalnie są bardziej podatne na występowanie obszarów o podwyższonym ryzyku infekcji, co wymaga bardziej zaawansowanych systemów wentylacyjnych lub przemyślanych układów przestrzennych, aby zredukować to ryzyko.
Ograniczenia zakresu badawczego
Badanie skupiło się głównie na symulacjach, co oznacza, że rzeczywiste warunki w poczekalniach mogły się różnić od tych modelowanych. Ponadto, badanie ograniczało się do specyficznych parametrów wentylacyjnych i architektonicznych, co oznacza, że inne warunki operacyjne mogłyby wpływać na wynik. Wprowadzone modele i wskaźniki mogą wymagać dalszej walidacji w różnych warunkach szpitalnych.
Artykuł został opublikowany w Journal of Building Engineering, Volume 96, 1 November 2024, 110571