De prestatie van een ventilatie-systeem van een operatieka-mer hangt af van vele facto-

ren. Natuurlijk van het ontwerp vanhet systeem zelf, maar ook van ont-werpkeuzes die in de rest van de ruim-te zijn gemaakt, en zelfs van de manierwaarop de ruimte wordt gebruikt. Ditresulteert in een groot aantal ontwerp-parameters die in de besluitvormingmoet worden betrokken. Vanwege hetgrote aantal ontwerpparameters is hetbelangrijk om de relatieve belangrijk-heid van deze parameters voor de pres-tatie in de ruimte te weten.

Weten welke ontwerpparameters erbelangrijk zijn is de eerste stap naareen prestatiegebaseerd ontwerpproces.Dit geldt voor ontwerpparameters,zoals de afmetingen van het plenum,maar ook voor gebruiksparameters,zoals de plaats van de instrumenttafels.

Belangrijke gebruiksparameters vor-men een set situaties waarmee de ont-werper rekening moet houden.Belangrijke ontwerpparameters vor-men de keuzes waarbij de ontwerperzich bewust moet zijn van de conse-quenties voor de ventilatie-effectivi-teit. Ontwerpkeuzes voor onbelangrij-

ke parameters kunnen worden geno-men op basis van andere criteria, zoalsgebruiksgemak of kosten.

Om te ontdekken welke parameters ervan belang zijn, kan een gevoeligheids-analyse worden uitgevoerd. Om deventilatie-effectiviteit te bepalen wordgebruik gemaakt van CFD-simulaties.Verschillende voorbeelden van toepas-sing van deze techniek voor operatie-kamers kunnen in de literatuur wor-den teruggevonden. [1 en 2]

Bij het uitvoeren van een gevoelig-heidsanalyse moet eerst wordenbepaald welke techniek er zal wordentoegepast. Er zullen hier twee technie-ken worden vergeleken, namelijk eenMonte Carlo-variant en de methodevan Morris. Het grootste verschil tus-sen beide methoden is dat bij MonteCarlo-analyse tussen twee simulatiesalle parameters een andere waarde aan-nemen, terwijl bij de methode vanMorris er tussen twee simulaties tel-kens slechts één parameter van waardeverandert.

Bij Monte Carlo-analyse zal een grote-re variatie aan situaties worden geëva-lueerd. De gevoeligheid zal dan ook

onder een groot aantal omstandighe-den worden getoetst. Omdat de ande-re parameters tegelijkertijd veranderenis het minder duidelijk welke verande-

20 ONDERWIJS EN ONDERZOEK

Het doel van een ventilatiesysteem in een operatiekamer is om deoperatiewond vrij te houden van bacteriën die zich door de luchtbewegen. Om dit te bereiken worden ziekenhuizen tegenwoordiguitgerust met een laminair downflow systeem. Gefilterde luchtwordt met lage snelheid door het plafond toegevoerd, zodat hetrustig naar de patiënt kan zakken voordat het contaminatiebron-nen passeert.

- door ing. W.A.C. Zoon*, dr.ir. M.G.L.C. Loomans* en prof.dr. ir. J.L.M. Hensen*

Vooronderzoek gevoeligheidsanalyseoperatiekamerventilatie

* TU Eindhoven, Faculteit Bouwkunde

Ing. W

.A.C

. Z

oon

Dr.

ir. M

.G.L

.C. Lo

omans

Prof

.dr.

ir. J.

L.M

. H

ense

n

ringen aan welke parameter moetenworden toegekend. Als ook niet lineai-re en tweede of hogere orde verbandenmoeten worden aangetoond, zal hetaantal simulaties dat moet wordengemaakt snel toenemen.

Bij Morris-analyse wordt slechts éénparameter tegelijkertijd veranderd tus-sen twee opeenvolgende simulaties.Een verandering in de uitvoer kanzodoende direct worden teruggevoerdop de veranderde invoerparameter.Een voorbeeld van een studie waarbijde combinatie van Morris-analyse enCFD is toegepast is gepresenteerddoor [3].

In dit artikel zal een onderzoek naarde minimum voorwaarden waaraaneen gevoeligheidsanalyse van een ven-tilatiesysteem van een operatiekamermoet voldoen worden gepresenteerd.De gevoeligheidsanalyse zelf zal wor-den gebruikt om experimenten te ont-werpen.

METHODEEen van de benodigdheden van eengoede gevoeligheidsanalyse is eenkwantitatieve indicator voor de presta-tie van het systeem. In dit onderzoekwordt de protectiefactor zoals gedefi-nieerd in de VDI 2167 (2007)gebruikt als indicator om de effectivi-teit van de ventilatie te bepalen. Deel-tjes worden op zes punten op de vloerrondom de operatietafel losgelaten. DeProtectiefactor (PF) wordt bepaalddoor de concentratie van deeltjes in hetoperatiegebied vast te stellen. Bereke-ning gebeurt met de volgende formule:

(1)

C is de concentratie op de operatie-tafel, Cref is de referentieconcentratie ineen volledig gemixte ruimte. De Pro-tectiefactor wordt bepaald op driepunten op de operatietafel, en op hetmidden van alle instrumenttafels.

In de VDI 2167 wordt ook een opstel-ling van verwarmde poppen beschre-ven die moet worden gebruikt bij hetbepalen van de protectiefactor van eenkamer. Deze opstelling is in dit onder-zoek als basis gebruikt. De dimensiesvan de ruimte zijn vergelijkbaar met

die van een mock-up waarin eerdermetingen zijn verricht. [4]. De inrich-ting van de ruimte, zowel wat het ven-tilatiesysteem als het gebruik van deruimte betreft zijn onderdeel van degevoeligheidsanalyse. De parametershiervoor zijn vermeld in tabel 1. Eenvoorbeeldconfiguratie is afgebeeld infiguur 1.

GRIDONAFHANKELIJKHEIDSSTUDIEVoor zowel de Monte Carlo als deMorris-analyse is het aantal simulatiesafhankelijk van het aantal parametersdat wordt onderzocht. Dit betekentdat, gezien het aantal parameters datin tabel 1 genoemd wordt het genere-ren van de individuele simulaties moetworden geautomatiseerd. Het creërenvan het grid is onderdeel van dezeautomatisering.

In de eerste stap is er gekozen voor eenuniform grid met cellen van 30 cm.Dit is stap voor stap gereduceerd totcellen van 10 centimeter. Voorbeeldenzijn te vinden in figuur 2.

De convergentie van de individuelesimulaties wordt beoordeeld door dehierboven gedefinieerde protectiefac-tor op verschillende punten te volgen.Voor de CFD-simulaties wordtgebruik gemaakt van het programmaFluent (referentie toevoegen).

Methode gevoeligheidsanalyseOm de methode te toetsen, is voor deoperatiekamer een Monte Carlo analy-se uitgevoerd, met een relatief grofgrid en slechts zeven verschillendeparameters. Het doel hiervan was omte evalueren of de methode bruikbareresultaten op kan leveren. Het alterna-tief, de methode van Morris, is hier

21TVVL Magazine 3/2009

Een voorbeeld van een van de onderzochte configuraties.

- FIGUUR 1 -

Ontwerpparameters Gebruiksparameters

Breedte plenum Positie lamp langs de tafel

Breedte middenplenum Afstand van de lamp tot de tafel

Lengte plenum Hoek van de lamp met de normaal van de tafel

Aandeel luchtafvoer bovenhoeken Aantal instrumenttafels links

Temperatuurverschil toevoerplenums Aantal instrumenttafels rechts

Toevoersnelheid Aantal instrumenttafels voeteneinde

Snelheidsverschil toevoerplenums Vermogen randverlichting

Lengte Schort om plenum Aantal mensen om de operatietafel

Vermogen steunverwarming Vermogen apparatuur in de periferie

Lengte kamer beweging in het operatiegebied

Hoogte kamer Beweging in de periferie

Breedte kamer

Keuze lamp

Samenvatting van de ontwerp- en gebruiksparameters van de gevoeligheidsanalyse.

- TABEL 1 -

niet toegepast. In plaats daarvan zijnde resultaten vergeleken met die van[3], waarbij de Morris-methode is toe-gepast op CFD simulaties.

De onderzochte parameters zijn tevinden in tabel 2.

RESULTATENIn figuur 3 is de verticale tempera-

tuurgradiënt in de periferie van deruimte voor verschillende afmetingenvan het grid te zien. De gradiënt ishalverwege het voeteneinde van deoperatietafel en de achterwand van deruimte gemaakt.

Resultaten van de voorlopige MonteCarlo-analyse met een grof grid zijnweergegeven in figuur 5. Hierin komtduidelijk naar voren dat het tempera-

tuurverschil tussen de inblaasplenumseen belangrijke factor is. figuur 6 geeftweer hoe de correlatiecoëfficiënten zichontwikkelen met het aantal simulaties.

DISCUSSIEAls er van een uniform grid gebruikwordt gemaakt, blijft het automatischgenereren van simulatiebestanden voorgevoeligheidsanalyse ongecompliceerd,omdat de vraag of het grid op de juisteplaats verfijnd is niet ontstaat. Deresultaten van de gridstudie laten ech-ter zien dat, indien een uniform gridwordt gebruikt, de cellen significantkleiner moeten zijn dan 10 cm als deprotectiefactor nauwkeurig moet wor-den uitgerekend. Dit komt onderandere door de grote gradiënten vandie protectiefactor die rondom de ins-trumenttafels op kunnen treden. Infiguur 7 staat hiervan een voorbeeld.

Interessant is dat het berekenen van detemperatuurgradiënt met een relatiefgrof grid een redelijk resultaat geeft,terwijl dit voor de protectiefactor niet

22 ONDERWIJS EN ONDERZOEK

Voorbeelden van verschillende celgroottes (links: 0.20 m; rechts: 0.10 m).

- FIGUUR 2 -

Verticale temperatuurgradiënt in de periferie van de kamervoor verschillende celgroottes.

- FIGUUR 3 -

Protectiefactor op de instrumenttafels als functie van de celgrootte.

- FIGUUR 4 -

Variabelen gebruikt in de voorlopige Monte Carlo-analyse.

- TABEL 2 -

Variabele minimum maximum

Breedte plenum [m] 2,8 3,6

Breedte centrale plenum [m] 0,8 1,4

Toevoersnelheid [m/s] 0,2 0,35

Temperatuurverschil toevoer [K] 0 2

Verwarmingsvermogen [W] 0 3.000

Lengte randafscherming [m] 0 1

Ventilatieafvoer in de bovenhoeken [%] 0 40

het geval is. Om de protectiefactornauwkeurig te berekenen loont het omhet grid lokaal te verfijnen. Waar ditmoet gebeuren hangt af van de casus.Er zal dus een oplossing moeten wor-den gevonden als dit moet wordengeautomatiseerd.

Als een minimale protectiefactor voorde instrumenttafels van, bijvoorbeeld1,5 gewenst is, is het wellicht mogelijkom toch met een grof grid te rekenen.Dit zou in lijn zijn met de “CouplingDecision Procedure Methodology”zoals beschreven door [5].

Hoewel het grid in de simulaties tegrof was om nauwkeurige resultaten te

geven, gaf de Monte Carlo-analyse eenduidelijke rangorde aan. Na 30 simu-laties waren er nog enkele wisselingenin de rangorde, maar sommige para-meters waren duidelijk belangrijkerdan andere. Dit betekent dat voor hetgebruik van een Monte Carlo-analyse30 parameters volstaat. Voor een ver-gelijkbare Morris-analyse, ook metzeven parameters, moeten 32 simula-ties worden verricht. [6]

CONCLUSIESDe celgrootte om nauwkeurig de VDI2167 protectiefactor te bepalen is sig-nificant kleiner dan 10 cm. Omdathet teveel rekentijd kost om veel simu-laties met een dergelijk fijn grid uit tevoeren, zal een grid moeten wordengebruikt dat lokaal verfijnd is.

De Monte Carlo-analyse geeft alleeninformatie over de lineaire correlatie.Soms is dit voldoende, maar waar-schijnlijk is dat hier niet het geval.Omdat er niet duidelijk op het aantalsimulaties kan worden bespaard, zal inde uiteindelijke analyse van de metho-de van Morris gebruik wordengemaakt.

DANKBETUIGINGDit onderzoek wordt financieel onder-steund door de stichting PIT (Stich-ting Promotie Installatietechniek) enDeerns raadgevende ingenieurs.

REFERENTIES 1. Brohus H., Balling K.D., Jeppesen

D., 2006, The effect of moving heatsources upon the stratification inrooms ventilated by displacement

ventilation. Indoor Air, Volume 16issue 5, pp. 356-372.

2. Chow T.T., Yang X.Y., 2003, Per-formance of ventilation system in anon-standard operating room, Buil-ding and environment, Volume 38,Issue 12 p.p. 1401-1411.

3. Brohus H, Nielsen P, Petersen A,Sommerlund-Larsen K, 2007, Sen-sitivity analysis of fire dynamicssimulation, Proceedings of Room-vent 2007.

4. Zoon W.A.C., v.d. HeijkantS.A.M., Hensen J.L.M., LoomansM.G.L.C., 2007, Assessment of theperformance of the airflow in anoperating theatre, Proceedings ofRoomvent 2007.

5. Djunaedy, E. 2005. External coup-ling between building energy simula-tion and computational fluid dyna-mics, PhD thesis Technical univer-sity of Eindhoven.

6. Saltelli A., Tarantola S, Campolon-go F., Ratto M. 2004, Sensitivityanalysis in practice, John Wiley &Sons Inc., England.

23TVVL Magazine 3/2009

Absolute waarde van de correlatiecoëfficiënt tus-sen de protectiefactor op de operatietafel enzeven verschillende ontwerpparameters.

- FIGUUR 5 -

Ontwikkeling van de correlatiecoëfficiënt van de verschillende parameters inde Monte Carlo-analyse.

- FIGUUR 6 -

Voorbeeld van een berekende protectie-factor voor een verticale doorsnede inde operatiekamer (links: instrumenttafelaan de linkerzijde van de operatietafel;rechts: instrumenttafel aan het voeten-einde van de operatietafel).

- FIGUUR 7 -