Design and optimization of operating theater ventilation and contamination control system through an experimentally validated CFD model

The design of a heating, ventilating and air conditioning (HVAC) system for an operating room is aimed to prevent the risk of infections during surgical operations while maintaining an adequate comfort condition for the patient and the surgical staff. For this reason, it is very important to design an efficient HVAC system. Nowadays new technologies are applied in this field and the CFD modeling represents a very important tool in order to simulate the real behavior of the air flow entering in an operating theater and its ability of removal of particles generated and aero-transported. In fact, its advantages consist in facility of the implementation, saving of money and time comparing with the experimental campaign, and possibility to test in short time other configurations to find an optimum in the design of operating theaters. The aim of this work is the creation of a CFD model of an existing operating theater which is mainly used for the cardiac-surgery, equipped with a partial unidirectional ventilation system and classified, ISO 5 ‘in operational’ conditions, according to the UNI EN ISO 14644-1. The supply air comes from a ceiling filter system composed by 23 absolute filters H14, in accordance with the UNI EN 1822 and assures the unidirectional flow on the surgical table and in the area in which the staff operates. For the internal configuration of the operating theater and the qualification test conditions, it was followed the German standard DIN 1964-4. This is complete for many aspects, and moreover, it gives accurate indications to conduct the test, so that it is repeatable. After the design of 3D-model, meshing simulation of one of the configuration prescribed by the DIN 1964-4, by means the CAD and simulation tools of ANSYS, a validation stage, with an experimental campaign, has followed, in order to create a consistent model adoptable in the future. With the validated model, it was possible to test other configurations different by the real ones in order to show some critical aspects to take into account during the usage of the operating theater and during its design.

La progettazione di un sistema di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria (HVAC) per una sala operatoria, è volto a prevenire il rischio di infezione durante le operazioni chirurgiche per il paziente e per l’equipe medica e a mantenere un’adeguata condizione di comfort per gli stessi. La corretta progettazione di un sistema HVAC, dunque, è di primaria importanza. Ai nostri giorni, in questo campo, sono state introdotte nuove tecnologie, e la modellazione CFD, per simulare il reale comportamento dei flussi d'aria e la sua abilità nel rimuovere il particolato generato e aerotrasportato, rappresenta uno strumento fortemente innovativo. Infatti, tra i suoi vantaggi si evidenziano la semplicità di implementazione, il risparmio di costo e tempo rispetto alle tradizionali campagne sperimentali, e la possibilità di testare, in breve tempo, altre configurazioni per trovare un punto di ottimo durante la progettazione di una sala operatoria. Il cuore del lavoro è stato quindi la creazione di un modello CFD di una sala operatoria esistente che è prevalentemente utilizzata per operazioni di cardiochirurgia, dotata di sistema di ventilazione unidirezionale parziale e, conformemente alla UNI EN ISO 14644-1, classificata ISO 5. L'aria di mandata proviene da un plafone filtrante composto da 23 filtri assoluti H14, secondo la UNI EN 1822 e garantisce flusso unidirezionale nell’area del tavolo operatorio in cui agisce lo staff medico. Per le condizioni di test e la configurazione della sala, si è scelto di seguire la normativa tedesca DIN 1964-4. Questa, a differenza delle altre, fornisce condizioni di test precise così da renderlo ripetibile. Dopo la fase di modellazione 3D, meshatura e simulazione di una delle due configurazioni previste dalla DIN 1964-4, per mezzo degli strumenti CAD e di simulazione di ANSYS, è seguita la fase di validazione mediante una campagna sperimentale, al fine di creare un modello consistente, fruibile nel futuro. A valle della validazione, è stato possibile testare altre configurazioni alternative a quella reale, al fine di rilevare alcuni aspetti critici da considerare durante l'utilizzo della sala operatoria e in fase di progettazione.