Nhận dạng thông số vi khí hậu phòng áp lực âm bằng mô phỏng

TÓM TẮT:

Bài báo nghiên cứu và thiết kế phòng áp lực âm ứng dụng trong lĩnh vực y tế, đặc biệt là trong công tác phòng chống và kiểm soát luồng không khí truyền nhiễm. Một phòng áp lực âm được đưa vào sử dụng cần phải đáp ứng tất cả các tiêu chí thiết kế và an toàn sức khỏe. Theo đó áp suất chênh lệch cần phải đảm bảo và các điều kiện vi khí hậu trong phòng áp lực cần phải phù hợp với con người. Từ các số liệu đo đạc thực tế trên một phòng áp lực âm hiện trạng và kiểm nghiệm mô hình mô phỏng số. Bài báo áp dụng các kiến thức về động lực học, truyền nhiệt và cơ học lưu chất để thiết kế một hệ thống điều hòa không khí (HVAC) cho phòng áp lực âm và các cơ sở lý thuyết về tính toán động lực học lưu chất (CFD), phương pháp thể tích hữu hạn (FVM), từ đó xây dựng nên mô hình mô phỏng nhận dạng các thông số vi khí hậu trong phòng áp lực âm bằng phần mềm thương mại ANSYS FLUENT.

Từ khóa: phòng áp lực âm, nhận dạng thông số vi khí hậu, điều hòa không khí.

Trong thực tế, khi một phòng áp lực âm được đưa vào sử dụng trong bệnh viện thì quá trình khảo sát hay đo đạc các thông số rất hạn chế vì quy trình kiểm soát khuẩn. Để thuận tiện trong công tác nghiên cứu và vận hành phòng áp lực, bài báo đề xuất thiết kế một phòng áp lực và dự kiến xây dựng trên mặt bằng có sẵn. Mục tiêu là ứng dụng công tác phục vụ nghiên cứu và thí nghiệm về sức khỏe con người khi sử dụng phòng áp lực. Đây cũng là cơ sở để mở rộng các thiết kế khác ứng dụng vào lĩnh vực y tế hiện nay.

Với tổng diện tích thiết kế phòng áp lực âm là 20.48 m². Theo tiêu chí thiết kế phòng gồm 3 không gian: phòng đệm, phòng chính và phòng vệ sinh. Nhiệt độ trong phòng là 23℃ và độ ẩm 65%. Trang bị cửa tự động ở phòng đệm và phòng chính, khe cửa cách sàn cố định 10 mm và các miệng cấp khí đặt trên trần và miệng hút đặt gần đầu giường bệnh nhân, mép miệng hút cách sàn 150 mm.

Theo tiêu chí thiết kế phòng áp lực âm về độ sạch và tránh nhiểm khuẩn, trong thiết kế này sử dụng 2 loại vật liệu để làm vách, đó là: (1). Vách panel cách nhiệt MONOWALL cấu tạo bao gồm hai mặt tôn hoặc inox, lõi cách nhiệt PU hoặc PIR, bề mặt cán phẳng hoặc cán gân nhỏ, khổ hữu dụng 1130mm, ngầm liên kết âm dương, chiều dày 50mm - 60mm; (2). Tấm panel SGP sandwich là tấm vách ngăn nội thất được làm bằng cách nén tấm thép PCM và tấm thạch cao, có khả năng chống va đập, cách âm cực tốt, là vách ngăn không cháy, dễ lắp ráp, tháo rời và di chuyển; (3). Lựa chọn vật liệu thiết kế trần: tương tự như thiết kế vách, vật liệu được lựa chọn đề thiết kế trần là vách panel MONOWALL.

2. Thiết kế phòng áp lực âm

Thành lập sơ đồ điều hòa không khí là xác định các quá trình thay đổi trạng thái của không khí trên âm đồ nhằm mục đích xác định các quá trình cần xử lý và năng suất lạnh đáp ứng yêu cầu về tiện nghi của con người và yêu cầu công nghệ phù hợp với điều kiện khí hậu. Tùy vào mục đích và công dụng của công trình, sơ đồ điều hòa không khí được phân loại gồm: sơ đồ thẳng (thải trực tiếp không tuần hoàn), sơ đồ tuần hoàn không khí một cấp, sơ đồ tuần hoàn không khí hai cấp, sơ đồ có phun ẩm bổ sung.

Đối với phòng áp lực âm, sơ đồ phù hợp nhất là sơ đồ thẳng, vì đây là phòng có công dụng phòng chống lây nhiễm, nhưng do nhược điểm của sơ đồ này tốn nhiều năng lượng và diên tích thiết bị lớn, nên nghiên cứu đã sử dụng kết hợp sơ đồ thẳng cho khu vực phòng chính và nhà vệ sinh, sơ đồ tuần hoàn không khí một cấp cho phòng đệm để tiết kiệm năng lượng với điều kiện gió hồi và gió thải được xử lý qua hệ thống HEPA và UV kháng khuẩn.

Sơ đồ và nguyên lý: (Hình 1, Hình 2)

Hình 1: Sơ đồ

Hình 2: Phân phối không khí

3. Thiết lặp và giải bài toán

Hình 3: Lưu đồ thi

Quy trình:

[1]                    Kích hoạt phương trình năng lượng

                        Models­­­ -> Energy -> On

[2]                    Mô hình rối

                        Models -> Viscous -> k – epsilon (2 eqn)

[3]                    Mô hình bức xạ

                        Models -> Radiation -> Discrete Ordinates (DO)

[4]                    Mô hình vận chuyển chất (Species Transport)

                        Models -> Species -> Species Transport

Mô hình CAD của bài toán được xây dựng bằng phần mềm SpaceClaim dựa trên bản vẽ thiết kế sơ bộ. Với mô hình càng chi tiết, kết quả càng chính xác với điều kiện cần phải đảm bảo chất lượng trong quá trình chia lưới. Vì vậy, mô hình càng chi tiết càng tốn kém tài nguyên của máy tính và thời gian để giải về kết quả hội tụ. Để giảm lượng tính toán và tiết kiệm thời gian, bài báo giản lược hóa một số chi tiết như con người, các thiết bị và cách bo góc cạnh sắc nhọn thành các hình học cơ bản trong quá trình xây dựng mô hình CAD. (Hình 3, Hình 4, Hình 5, Hình 6)

Hình 4: Mô hình CAD

Hình 5: Mô hình cơ thể của con người

Hình 6: Mô hình lưới phòng áp lực âm

4. Mô phỏng

Đánh giá các thông số vi khí hậu phòng áp lực âm theo thiết kế sơ bộ và so sánh kết quả giữa áp suất trong phòng áp lực khi có gắn ống thông gió giữa phòng đệm và phòng chính. Với các giá trị lưu lượng không khí cấp, khí thải, nhiệt độ môi trường và nhiệt độ bề mặt của vật thể là không đổi.

5. Áp suất phòng trước điều chỉnh

Hình 7: Áp suất trước điều chỉnh

Hình 8: Đồ thị

Khảo sát thay đổi áp suất trong phòng áp lực âm tương ứng với các giá trị D lần lượt là [50, 75, 100, 125, 150] mm. Tìm ra áp suất phù hợp cho phòng áp lực âm theo các tiêu chí. (Hình 7, Hình 8)

Hình 9: Trường hợp S=150 mm  

Hình 10: Đồ thị

Áp suất phòng chính khoảng -13.5 Pa và âm nhiều hơn phòng đệm là 4 Pa với trường hợp khi lắp đặt ống thông gió với đường kính là 150mm. (Hình 9, Hình 10)

Kết quả thu được: tăng tiết diện của ống cầu thông gió hay nói cách khác điều chỉnh van tiết lưu để không khí có thể lưu thông từ phòng đệm sang phòng chính chỉ làm giảm áp suất trong phòng chính, áp suất phòng đệm vẫn không chênh nhiều so với bạn đầu khí chưa lắp ống thông gió. Điều này chứng tỏ, việc phòng áp lực âm khi có phòng đệm sẽ đảm bảo hơn trong việc duy trì áp suất âm trong trường hợp cửa phòng chính mở ra, nhằm tránh trường hợp không khí ô nhiễm có thể thoát ra ngoài.

Nhiệt độ và độ ẩm không khí

Hình 11: Phân bố nhiệt

Hình 12: Phân bố nhiệt độ

Kết quả mô phỏng cho thấy nhiệt độ không khí ở phòng chính tương đối cao hơn phòng đệm từ 1 đến 2℃ cùng một giá trị nhiệt độ không khí khi cấp vào. Tại phòng chính luồng không khí nóng có xu hướng di chuyển gần trần và không khí lạnh tập trung ở gần tường và sàn. Nhiệt độ trung bình trong phòng chính là 24℃, nhiệt độ trong phòng chính lớn hơn nhiệt độ thổi vào phòng là 8℃ (đảm bảo yêu cầu vệ sinh). (Hình 11, Hình 12)

Hình 13: Phân bố độ độ ẩm

Hình 14: Phân bố độ ẩm

Độ ẩm trong phòng đệm ở mức 72% và độ ẩm trong phòng chính nằm trong 50 đến 60% so với thông số độ ẩm trong thiết kế sơ bộ là 65%. (Hình 13, Hình 14)

6. Kết luận

Bài báo trình bày phương hướng thiết kế hệ thống phòng áp lực âm và nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng CFD để nhận dạng thông số vi khí hậu, từ đó đánh giá tiện nghi nhiệt trong phòng đáp ứng mức độ thoải mái và an toàn sức khỏe của con người khi sử dụng phòng áp lực âm. Trên cơ sở một số phương pháp thiết kế hệ thống HVAC và tuân theo các tiêu chuẩn, tiêu chí thiết kế, nghiên cứu đã thiết kế được phòng áp lực âm trên phần mềm CAD. Dựa trên cơ sở lý thuyết về CFD, nghiên cứu đã xây dựng mô hình nhận dạng được vi khí hậu phòng áp lực âm trên phần mềm ANSYS FLUENT. Kiểm nghiệm mô phỏng số với mô hình thí nghiệm.

Lời cảm ơn:

- Bản quyền phần mềm AutoCAD2020 và Inventor2020 được hỗ trợ bởi Công ty TNHH ONECAD VIET NAM.