Stropy laminarne stosowane są w pomieszczeniach wymagających wysokiej czystości powietrza, do których zaliczane są m. in. sale operacyjne w szpitalach. Są to nawiewniki sufitowe o dużej powierzchni, dzięki którym w całym pomieszczeniu lub w tzw. przestrzeni chronionej uzyskuje się wyporowy przepływ powietrza wentylacyjnego. Niskoturbulentny, wyporowy, pionowy przepływ powietrza w praktyce nazywany jest przepływem laminarnym.

Instalacje klimatyzacji / wentylacji sal operacyjnych mają za zadanie zapewnić wysoką czystość powietrza, usuwać emitowane w pomieszczeniu zanieczyszczenia pyłowe, biologiczne i gazowe oraz utrzymać właściwe parametry fizyczne powietrza w pomieszczeniu, co w konsekwencji sprzyja:

• obniżaniu ryzyka wystąpienia zakażeń u pacjentów,
• utrzymaniu warunków komfortu pracy personelu. 

Strumień wyporowy, strumień laminarny

W pomieszczeniach, w których wymagana jest bardzo duża skuteczność usuwania zanieczyszczeń powietrza zastosowanie znajduje wentylacja wyporowa. Powietrze doprowadzane jest do nawiewnika z niewielką prędkością, aby stopień turbulencji był jak najmniejszy. Idealną sytuacją jest uzyskanie przepływu laminarnego. Przepływ wyporowy umożliwia tłokowe wypieranie zanieczyszczonego powietrza przez dostarczane do nawiewnika czyste powietrze bez wzajemnego mieszania się. Wymaga to zastosowania nawiewników o dużej powierzchni wytwarzających niskoturbulentny, a najlepiej laminarny przepływ powietrza. 

Zaletami wentylacji wyporowej są [4]:

• ograniczenie mieszania się zanieczyszczonego powietrza z czystym i w konsekwencji mniejsze rozprzestrzenianie w całym pomieszczeniu zanieczyszczeń z lokalnych źródeł emisji,
• niskie prędkości powietrza umożliwiające utrzymanie komfortu cieplnego,
• zmniejszenie wymaganej mocy chłodniczej i cieplnej niezbędnej dla utrzymania żądanej czystości powietrza.

Do wad należy zaliczyć m. in.:

• duże wymiary nawiewników,
• konieczność pozostawienia wolnej przestrzeni w bezpośrednim sąsiedztwie nawiewnika,
• konieczność zapewnienia dużej krotności wymian powietrza,
• podatność strumieni powietrza na zakłócenia, np. przez źródła ciepła, ruch personelu.

Wentylacja wyporowa pozwala utrzymać doskonałą jakość powietrza, jednakże jej zastosowanie z uwagi na konieczność doprowadzenia dużych ilości powietrza i utrzymania stabilnych parametrów (prędkość przepływu powietrza, rozkład temperatury) zwiększa koszty zarówno inwestycyjne, jak i eksploatacyjne. W celu ograniczenia kosztów, przepływ wyporowy może być ograniczony do obszaru o zwiększonych wymaganiach dotyczących czystości powietrza. Uzyskuje się dzięki temu lokalne zwiększenie czystości powietrza w obszarze chronionym objętym strumieniem laminarnym. W salach operacyjnych obszarem o zwiększonych wymaganiach dotyczących czystości powietrza jest obszar stołu operacyjnego (rys. 1.) Strumień laminarny indukuje w pozostałym obszarze pomieszczenia przepływy mieszające obniżające stężenie zanieczyszczeń jednak w mniejszym stopniu niż w obszarze chronionym.

Rys. 1. Sala operacyjna wyposażona w strop laminarny. Zastosowanie stropu laminarnego umożliwia obniżenie stężenia zanieczyszczeń w obszarze chronionym w stosunku do średniego stężenia zanieczyszczeń w sali [3]

Instalacja klimatyzacji / wentylacji sali operacyjnej powinna eliminować możliwość powstawania stref martwych. Z uwagi na ryzyko wystąpienia zakażenia endogennego pacjenta własną florą bakteryjną pochodzącą przede wszystkim z dróg oddechowych zaleca się, aby przepływ strumienia powietrza nie odbywał się od strony głowy pacjenta przez pole operacyjne [2]. Kierunek przepływu powietrza powinien odbywać się w sposób przedstawiony na rysunku 2. 

Rys. 2. Prawidłowy przepływ powietrza przez pole operacyjne

W salach operacyjnych stosuje się zazwyczaj system rozdziału powietrza z nawiewem górnym i wywiewami zlokalizowanymi w ścianach bocznych pomieszczeń.

Wśród stropów laminarnych stosowanych na salach operacyjnych spotyka się m. in. (rys. 3.):

• strop laminarny wielkopowierzchniowy,
• strop laminarny obejmujący zasięgiem działania tylko strefę chronioną,
• strop laminarny z osłonami bocznymi.

Rys. 3. Stropy laminarne w salach operacyjnych: a) wielkopowierzchniowy, b) strefowy, c) strefowy z osłonami bocznymi

Stopień kontaminacji, względne stężenie zanieczyszczeń w obszarze chronionym

(...)

Obliczenie ilości powietrza wentylacyjnego dla wentylacji mechanicznej z nawiewem laminarnym

(...)

Eksploatacja stropów laminarnych

Wśród wielu czynników wpływających na jakość powietrza w pomieszczeniach sal operacyjnych, w tym przede wszystkim tych wpływających na czystość mikrobiologiczną powietrza, istotne znaczenie ma prawidłowa eksploatacja systemu klimatyzacji / wentylacji.

Zachowanie wymaganej, założonej czystości mikrobiologicznej powietrza w obszarze chronionym wymaga:

• doprowadzenia do obszaru chronionego świeżego, czystego powietrza o odpowiedniej temperaturze,
• doprowadzenia odpowiedniej ilości powietrza i utrzymania odpowiedniej prędkości wypływu powietrza ze stropu laminarnego,
• utrzymania stabilnego przepływu czystego powietrza przez strefę chronioną,
• ograniczenia mocy źródeł cieplnych i czynników mogących zakłócić laminarny (niskoturbulentny) przepływ powietrza w obszarze chronionym.

Przy ograniczonej możliwości kontroli wszystkich warunków niezbędnych dla uzyskania stabilnego przepływu laminarnego, najlepiej nie obniżać prędkości wypływu powietrza poniżej 0,21 m/s [1]. Poglądy badaczy stropów laminarnych na temat minimalnej prędkości powietrza, przy której można uzyskać wystarczająco stabilny przepływ laminarny, są jeszcze zróżnicowane. W niektórych artykułach ostrzega się, że już nieznaczne obniżenie prędkości powietrza poniżej 0,21 m/s np. do wartości 0,19 m/s może w rzeczywistym obiekcie doprowadzić do zaburzeń, których nie wykrywa się w badaniach symulacyjnych [1]. Producenci stropów laminarnych podają, że minimalna dopuszczalna wartość prędkości nawiewanego powietrza mieści się z zakresie 0,15 ÷ 0,25m/s.

Badania symulacyjne stropów laminarnych wykazują, że możliwe jest uzyskanie stabilnego przepływu laminarnego przy tak niskich prędkościach, jednak konieczne jest spełnienie dodatkowych wymogów dotyczących m. in.: różnicy pomiędzy temperaturą w pomieszczeniu a temperaturą nawiewu, ograniczenia mocy źródeł emitujących ciepło w pomieszczeniu itd. 

Prędkość wypływu powietrza z nawiewu laminarnego powinna być stała na całej jego powierzchni tak, aby nie powstawały zaburzenia pola prędkości powietrza wypływającego ze stropu laminarnego. Niestety, w warunkach rzeczywistych postulat ten nie zawsze jest spełniony, co przedstawiono na rysunku 4. Powietrze wypływające ze zbyt dużą prędkością z filtrów absolutnych do komory rozprężnej stropu powoduje obniżenie ciśnienia w komorze rozprężnej w sąsiedztwie filtrów, w konsekwencji czego następuje zmniejszenie prędkości wypływającego powietrza. Sytuacja ta w skrajnych przypadkach może być przyczyną zmiany kierunku przepływu powietrza w nawiewniku i wprowadzać zanieczyszczone powietrze do komory rozprężnej.

Rys. 4. Zaburzenia pola prędkości powietrza wypływającego ze stropu laminarnego

Zróżnicowane zalecenia dotyczące minimalnej prędkości nawiewanego powietrza wynikają m. in. z różnic konstrukcyjnych stropów laminarnych, a szczególnie powierzchni laminatorów umożliwiających uzyskanie niskiego stopnia turbulencji.

Równomierny wypływ powietrza ze stropu laminarnego zapewnia odpowiednia konstrukcja komory rozprężnej i laminatora. Konstrukcja komory rozprężnej powinna zapewniać wyrównanie ciśnienia w całej jej objętości [3].

Zastosowanie wstępnej komory rozprężnej przedzielonej płytą perforowaną od komory podstawowej i stosunkowo duże jej wymiary sprzyjają spełnieniu powyższego warunku. Istotne znaczenie ma tutaj również sposób doprowadzenia powietrza do komory rozprężnej. Prędkość powietrza wprowadzanego do komory powinna być jak najmniejsza. Aby to osiągnąć, konieczne jest zwiększenie ilości i przekroju przewodów doprowadzających powietrze, a także zapewnienie odpowiedniego wyregulowania instalacji klimatyzacji / wentylacji – prędkość doprowadzanego powietrza powinna być jednakowa we wszystkich przewodach.

Na wyrównanie ciśnienia w komorze rozprężnej ma także wpływ konstrukcja laminatora powietrza. 

Zastosowanie jako laminatora tkaniny poliestrowej zamiast blachy perforowanej może zwiększyć nadciśnienie w komorze rozprężnej, co prowadzi do bardziej równomiernego wypływu powietrza, a gęsta struktura tkaniny powoduje zmniejszenie stopnia turbulencji powietrza. Niestety to rozwiązanie ma też wady. Utrudnia utrzymanie wysokiego poziomu czystości. Zanieczyszczenia powietrza, które zatrzymują się na tkaninie są trudne do usunięcia [4].

Ze względu na indukcję powietrza z otoczenia, na obrzeżach nawiewanego strumienia tworzą się strefy mieszania o zwiększonym stopniu turbulencji, powodujące przewężenie strumienia laminarnego – rysunek 5. Powoduje to zmniejszenie obszaru, w którym przepływ laminarny wypiera zanieczyszczenia. Z uwagi na to zjawisko konieczne jest stosowanie większych stropów laminarnych niż by to wynikało z wymiarów obszaru chronionego.

Rys. 5. Obszar chroniony, w którym stężenie zanieczyszczeń jest znacznie mniejsze od stężenia średniego dla danego pomieszczenia, zawęża się na skutek turbulencji na obrzeżach strumienia laminarnego [3]

(...)

Podsumowanie

Niski poziom zawartości mikroorganizmów w powietrzu sali operacyjnej podczas zabiegu operacyjnego zmniejsza ryzyko wystąpienia zakażenia u pacjenta. 

W salach operacyjnych dla zachowania właściwej czystości powietrza wewnętrznego duże znaczenie ma nie tylko stopień czystości powietrza nawiewanego, ale także właściwy przepływ powietrza przez pomieszczenie.

Prawidłowe działanie stropów laminarnych na salach operacyjnych zmniejsza ryzyko wystąpienia zakażenia pacjenta, możliwość osiadania mikroorganizmów na powierzchniach, uczucie dyskomfortu spowodowanego prądami powietrznymi i odczuwaniem przeciągu.

System z nawiewem laminarnym jest znacznie bardziej wrażliwy na zmiany przepływu powietrza od systemu mieszającego. Z uwagi na to powinien on być staranniej zaprojektowany. Zastosowanie automatycznej regulacji przepływu jest tu szczególnie zalecane. Podczas eksploatacji konieczne jest okresowe wykonywanie pomiarów przepływu lub stałe monitorowanie tej wielkości przez system nadzoru elektronicznego. Konieczna jest również systematyczna kontrola stanu filtrów.

Wzrost poziomu zanieczyszczeń powietrza w pomieszczeniach spowodowany wzrostem stężenia zanieczyszczeń w powietrzu nawiewanym jest znacznie większy w przypadku nawiewów laminarnych niż w przypadku nawiewów mieszających.

Stopień kontaminacji i w związku z tym stężenie zanieczyszczeń w obszarze chronionym zależą od wielu czynników, a przedstawiane przez producentów parametry nawiewów laminarnych powstają na ogół na podstawie pomiarów laboratoryjnych wykonanych w ściśle określonych warunkach. Zatem stosowanie przedstawianych przez producentów parametrów prowadzi do dużych błędów w sytuacjach odbiegających od warunków laboratoryjnych. Z uwagi na to należy przestrzegać zaleceń producenta dotyczących wielu innych czynników, od których zależy to, czy w rzeczywistym systemie nie będzie dużych różnic stężenia zanieczyszczeń w odniesieniu do układu laboratoryjnego. Istotne znaczenie mają tu np: wysokość zawieszenia stropu nad obszarem chronionym, rozmieszczenie i wydajność wyciągów, prędkość wypływu powietrza z nawiewu laminarnego, obciążenie cieplne, lokalizacja źródeł ciepła, zakresy różnicy temperatury pomiędzy powietrzem w pomieszczeniu i powietrzem nawiewanym itd.

Relacja temperatury powietrza nawiewanego i powietrza w pomieszczeniu oraz związane z tym prądy konwekcyjne mają istotny wpływ na czystość powietrza w obszarze chronionym. Zaleca się, aby temperatura powietrza nawiewanego była przynajmniej o 0,5°C niższa od temperatury w sali operacyjnej, w związku z czym należy pamiętać, że stropy laminarne nie mogą służyć celowi pokrycia strat ciepła.

Dynamika usuwania zanieczyszczeń z obszaru chronionego w dużym stopniu zależy od zastosowanego systemu rozdziału powietrza.

mgr inż. Krzysztof KAISER
specjalista w zakresie eksploatacji
szpitalnych instalacji technologicznych,
w tym instalacji wentylacji i klimatyzacji

LITERATURA:
[1] HARTUNG C., KUGLER J.: Aff ecting the Perturbations Performance of Laminar Flow in Operating Theatres. 15TH IFHE CONGRESS. 1998.
[2] KAISER K.: Wentylacja i klimatyzacja. Wymagania prawne, projektowanie, eksploatacja. Wyd. MASTA. Gdańsk 2015.
[3] KAISER K., WOLSKI A.: Klimatyzacja i wentylacja w szpitalach. Teoria i praktyka eksploatacji. Wyd. MASTA. Gdańsk 2007.
[4] KAISER K., WOLSKI A.: Hałas i zanieczyszczenia w wentylacji. Wyd. MASTA. Gdańsk 2011.
[5] WOLSKI A.: Nowoczesne systemy klimatyzacji i wentylacji w szpitalach – uwagi o teorii i praktyce eksploatacji. Instal. nr 7-11/2003.
[6] Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 26 czerwca 2012 r. w sprawie szczegółowych wymagań, jakim powinny odpowiadać pomieszczenia i urządzenia podmiotu wykonującego działalność leczniczą (DzU z 2012, Nr 0 poz. 739).
[7] http://rsif.royalsocietypublishing.org/content/6/Suppl_6/S767/F3.expansion. html