Kontekst badania
Wentylacja wyporowa (DV) charakteryzuje się wysoką skutecznością usuwania zanieczyszczeń i niskim zużyciem energii, jednak jej stosowanie w salach chorych w okresie grzewczym jest istotnie utrudnione. Ciepłe powietrze nawiewane oraz opadające strugi chłodnego powietrza przy oknach zaburzają stratyfikację temperaturową, prowadząc do wtórnego mieszania powietrza i pogorszenia jakości powietrza w strefie przebywania pacjentów. Wcześniejsze badania autorów wykazały, że zastosowanie indukcyjnych nawiewników ściennych (IU) poprawia komfort i efektywność DV, jednak w warunkach zimowych nadal występowały problemy z transportem zanieczyszczeń do strefy oddychania. Artykuł wpisuje się w lukę badawczą dotyczącą poprawy działania DV w salach szpitalnych podczas ogrzewania, bez stosowania dodatkowych aktywnych systemów grzewczych.
Cele i hipotezy
Celem pracy było zbadanie, czy połączenie lokalnych wywiewów sufitowych z pasywnymi elementami sterującymi przepływem powietrza (zasłony przyłóżkowe, przegrody obwodowe, okapy sufitowe) może istotnie poprawić skuteczność wentylacji wyporowej w salach wielołóżkowych w warunkach grzewczych. Autorzy postawili hipotezę, że:
- rozproszenie wywiewu (zamiast jednego centralnego) zwiększy efektywność usuwania zanieczyszczeń,
- zasłony montowane do sufitu (bez szczeliny górnej) umożliwią pełniejsze wykształcenie przepływu wyporowego,
- lokalizacja wywiewów w pobliżu ścian poprawi wychwytywanie zanieczyszczeń unoszących się wzdłuż ścian (efekt Coandy).
Metody badawcze
Badania przeprowadzono w pełnoskalowym laboratorium odwzorowującym czterołóżkową salę szpitalną. Zastosowano:
- eksperymenty stacjonarne z użyciem gazu znacznikowego (mieszanina CO₂–He) emitowanego z manekinów pacjentów,
- pomiary rozkładu temperatury i stężeń w wielu punktach przestrzeni,
- numeryczne symulacje CFD (RANS, model k–ε) w celu analizy mechanizmów przepływu oraz wariantów lokalizacji i wydatków wywiewu.
Analizowano 28 przypadków eksperymentalnych oraz kilkanaście wariantów symulacyjnych, różniących się:
- typem zasłon (brak, zasłony sufitowe, zasłony szynowe, krótkie okapy),
- długością przegród obwodowych,
- lokalizacją źródła zanieczyszczeń (łóżko przyścienne lub wewnętrzne),
- rozmieszczeniem i wydatkiem wywiewów.
Jako miary efektywności zastosowano znormalizowane stężenie w strefie oddychania oraz skuteczność usuwania zanieczyszczeń (CRE).
Rezultaty badań i ich interpretacja
Wyniki wykazały, że sama obecność lokalnych wywiewów nie jest wystarczająca do zapewnienia DV w okresie grzewczym. Kluczowe znaczenie ma konfiguracja elementów pasywnych:
- Zasłony sufitowe bez szczeliny górnej w połączeniu z lokalnymi wywiewami znacząco poprawiły skuteczność wentylacji – znormalizowane stężenia w strefie oddychania spadły poniżej 0,1 w warunkach optymalnych.
- Zasłony szynowe z przerwą przy suficie prowadziły do układu quasi-wyporowego, z częściowym mieszaniem i gorszą efektywnością.
- Krótkie okapy sufitowe oraz brak zasłon nie pozwalały na utrzymanie DV – obserwowano charakterystyczne dla wentylacji mieszającej rozkłady stężeń.
- Wywiewy zlokalizowane przy ścianach skuteczniej przechwytywały strugi zanieczyszczonego powietrza unoszące się wzdłuż ścian, ograniczając przenoszenie zanieczyszczeń między boksami.
- Dodatkowe przegrody obwodowe miały znaczenie drugorzędne, o ile zastosowano odpowiednie zasłony i wywiewy.
Symulacje CFD potwierdziły obserwacje eksperymentalne i pozwoliły wyjaśnić mechanizmy przepływu, w szczególności rolę szczeliny górnej zasłon oraz rozkładu strumieni nawiewu i wywiewu.
Wnioski
Badanie dowodzi, że praktyczne, pasywne rozwiązania architektoniczno-instalacyjne, uzupełnione o rozproszone wywiewy sufitowe, mogą skutecznie przezwyciężyć ograniczenia wentylacji wyporowej w salach szpitalnych w okresie grzewczym. Najbardziej efektywnym rozwiązaniem okazało się zastosowanie zasłon przyłóżkowych montowanych do sufitu (bez szczeliny) wraz z lokalnymi wywiewami umieszczonymi w pobliżu ścian. Rozwiązanie to nie wymaga istotnych zmian w systemach HVAC, nie pogarsza komfortu cieplnego i nie powoduje wzrostu zapotrzebowania na energię.
Ograniczenia zakresu badawczego
Autorzy wskazują na kilka ograniczeń:
- uproszczoną reprezentację pacjentów (geometria, pozycja ciała),
- zastosowanie gazu znacznikowego jako substytutu aerozoli, bez uwzględnienia większych kropli, sedymentacji i depozycji,
- analizę stanów ustalonych, bez uwzględnienia dynamiki ruchu pacjentów, personelu i zasłon,
- ograniczenie do jednego typu sali (czterołóżkowej) i warunków klimatycznych.
Dalsze badania powinny obejmować bardziej złożone modele emisji zanieczyszczeń, analizy nieustalone oraz różne typy oddziałów szpitalnych.
Artykuł opublikowano w Building and Environment.