潔凈手術室送風形式的探討

一、概述
我國頒布的《醫院潔凈手術部建設標準》為暖通空調領域中一些專門從事醫院潔凈室設計及建造行業的企業提供了依據。但是《標準》中的局部頂送維持主流區單向流的方式一直是關注與爭論的焦點。本文詳細化模型，包括障礙物、人員、燈、設備等，對手術室的各種參數進行模擬，來證實標準中所提要求是否滿足潔凈度。此外由于我國新建的手術室較少，改造的較多，資料表明有些醫院潔凈手術室改造后,用電、用氣費用迅速上升，日常支出成倍增長，給醫院造成不小的經濟負擔。有的醫院潔凈手術室24小時連續運轉，凈化空調系統設計安全系數過大，造成用電量猛升的主要原因。由于空調凈化系統大風量，高阻力，系統中風機發熱已成為主要負荷。減小風機型號就可減少用電量，而減少風機發熱的關鍵在是調節送風量和降低系統阻力。因此如何在保證潔凈度的同時可以節能是我們應該關注的問題。而國外潔凈手術室的送風量均較小，于是試驗者將尋求一種小送風方式在保證潔凈度的同時注意節能。
二、手術室建模
醫院手術室建筑，手術室為Ⅰ級潔凈，手術室面積為8*6m²，吊頂下層高3m，氣流組織為頂送雙側下回，送風口為2.6*2.4m²，回風口為4*0.3m²，手術臺距地0.8m，尺寸為1.8*0.6m²。
三、數學模型及邊界條件
3.1數學模型
暖通領域中普遍采用的k-ε雙方程模型也適合于手術室這種特殊的建筑，限于篇幅，關于該模型的詳細介紹及驗證過程不做介紹。由于手術室的一些設備的特殊性（如無影燈），采用正四面體非結構網格進行網格劃分。
3.2邊界條件
手術室采用二次回風系統，送風量10700m³/h，排風量1000 m³/h，醫護人員冷負荷71*8w,病人冷負荷64*1w，照明1070w，醫用設備3400w，維護結構280w，人體濕負荷潛熱負荷110*8w，地面散濕形成的冷負荷685w。人靜止的發菌量為300個／(人.min)，發塵量為105個／min，地面8m²的發塵量和發菌量相當于一個人員的發塵量和發菌量，而頂棚：墻面：地面的發塵量和發菌量可以近似認為為1：5：100。灰塵體積很小對流場近似認為無影響，而菌落附著在灰塵上。墻采用無滑移速度邊界條件，v=0，溫度和熱流已知。送風口處溫度是連續的，用q/a作為送風速度，氣體不可壓縮，計算時所有的速度采用0初值，溫度初值采用穩定后的舒適溫度。送風口、回風口的濃度模擬的邊界條件為為逃逸邊界條件。濃度場模擬中，為簡化計算，假設微粒和墻體之間的碰撞為彈性碰撞，無動量和能量損失。
四、計算結果分析 
4.1速度場的計算與分析
速度場模擬的主要目的是驗證標準中所提集中送風方式是否滿足它的主流區的單向流，由頂棚送出的風保持垂直單向流到達主流區,手術臺上y=1m主流區速度為0.14～0.28m/s。規范中所提為空態時主流區速度為0.25～0.3m/s，基本符合要求。回風口處附近速度為1.25m/s，小于標準中的1.6m/s。在手術室的寬度方向，在非主流區并未產生大的渦流，在手術室的長度方向主流區以外的區域產生較大的渦流.排風和送風未形成短路。由此可看出局部頂部送風，取0.48m/s的送風速度有足夠的動量維持單向流，可以形成穩定的氣流。
4.2溫度場的計算與分析
主流區溫度為22℃～24.6℃,符合標準22℃～25℃，整體來說室內溫度分布較均勻，由于病人身體表面散熱，因此附近溫度較高。送風溫度為22.8℃，送風溫差比較合理，因此不會引射周圍較臟氣流，使污染增大。
4.3菌落場模擬與分析
按照標準中主流區為100級，周邊區為1000級，菌落和灰塵基本滿足要求（灰塵≥0.5μm的微粒數小于等于35*100個，菌落≤5個），菌落不僅在主流區而且在周邊區都已經滿足了100級要求，而灰塵在主流區處人的附近并不能滿足潔凈要求，污染度達到最大值，因此醫務人員的位置依然是值得研究的問題。如果在正確考慮送風系統以及對手術人員進行必要的培訓，灰塵和菌落的控制將容易得多。
五、帶射流口的送風形式 
規范中提出保證局部單向的流場和主流區菌落和灰塵的濃度,工作面風速需要0.25～0.3m/s,通常需要較大的風量來維持，那么如果尋求一種方式以較小的風速來就可以防止擾動對流場的破壞,這樣將會減少風量，在引言部分提出的問題將得到解決。試驗者嘗試在送風口上加了幾個射流來支持來支撐流場防止外部擾動，在模擬過程中發現如果減小風量，仍用前面的模型模擬，那么在手術臺上方也可保持單向流，但是在醫生頭頂上方氣流發生偏移，于是試驗者在醫生頭部上方附近加了13個射流口，來支持已經開始改變方向的流場，經數次模擬，發現13個模擬出來的結果較好。用20次換氣次數的風量（約3000m³/h）模擬，但結果不甚理想，不能在主流區維持單向流，后又采用35次換氣次數的風量（約5000m³/h）。發現工作區域速度雖然減小但是由于支撐氣流的存在，在主流區依然可以維持單向流，由于速度的減小醫務人員不會產生吹風感，而且雖然射流口采用1m/s得出風速度，但是在幾個射流口下速度均在0.13m/s左右，并不會使醫生產生局部吹風感。由于風量減小，送風溫度降低，主流區溫度也略有降低，但是仍然在標準規定的范圍內，但是醫務人員在手術過程中由于服裝及精神緊張，極少感到冷的感覺，因此略微降低溫度是滿足要求的。
六、結論
手術室的潔凈度對于患者至關重要，高的潔凈度可以降低或者避免手術感染，減少住院天數，減少處置費用。而對于醫院來說小的風量可以節能，減少初投資。如何兩全其美正是本文探討的關鍵所在，因此本文首先對局部頂送風進行數值模擬，在肯定其對手術室的實用性的條件下，進一步對送風口加以改變，通過布置射流口來支持流場，達到維持單向流的目的，并且維持較高的潔凈度，經數值模擬結果表明這種送風形式可以滿足手術室對主流區域的要求，更重要的是減少了風量，僅為原風量的一半。達到了既保證潔凈度同時節能的方法的目的。