I级洁净手术室送风速度的探讨

为控制不同用途用房的室内空气环境卫生质量，降低手术的外源性感染风险，《医院洁净手术部建筑技术规范》GB 50333-2002（旧规范）将洁净手术室分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ4级洁净手术室，其中Ⅰ级洁净手术室的级别zui高，要求的环境无菌程度也zui高。《医院洁净手术部建筑技术规范》（报批稿）（新规范）沿用了旧规范的洁净手术室的级别划分，但是对于Ⅰ级洁净手术室的工作区平均风速的测量断面和工作区平均风速的大小均有调整；旧规范要求的工作区平均风速的测量断面为距地面0.8m高的送风口投影区域，要求工作区平均风速为0.25～0.30m/s；新规范要求的工作区平均风速的测量断面为距地面1.2m高的送风口投影区域，要求工作区平均风速为0.20～0.25m/s。依据旧规范的要求，如果在距地面0.8m高的送风口投影区域内获得0.25～0.30m/s的工作区平均风速，需要送风速度保持在0.40～0.45m/s。设计人员在设计Ⅰ级洁净手术室时按照送风风速为0.45m/s计算Ⅰ级洁净手术室的送风量，Ⅰ级洁净手术室的送风面尺寸为2600*2400mm，Ⅰ级洁净手术室的送风量为10108.8m³/h。新规范把工作区平均风速的测量断面提高了0.4m，工作区平均风速的限值也降低了。为了在距地面1.2m高的送风口投影区域获得0.20～0.25m/s的工作区平均风速，Ⅰ级洁净手术室的送风速度和送风量需要多大？下面详细探讨。
1、现有文献的分析研究
为了确定Ⅰ级洁净手术室的送风量，操作实验在模型I级手术室实验室内完成。实验室围护结构采用复合彩钢板组装而成，实验室尺寸为5900*4900*2700mm（长*宽*高）。实验室透视图见下图1，末端送风装置平面图见图2。
  （图1）
        （图2）
文献在两种实验条件下进行了测试，一种为等温送风实验条件1（送风温度和室内温度相同），一种为高温送风实验条件2（送风温度高于室内温度）。
实验条件1为：室内干球温度22.0～23.5℃；室内湿球温度18.0～20.5℃；室内正压10～13Pa，送风温差为0℃。在此实验条件下，文献得出的送风气流衰减规律见下表：
从表中可以看出，等温送风条件下送风的衰减率在0.303～0.369之间，平均值为0.353，按照衰减率计算，如果要在距地1.2m的送风口投影区域获得0.20～0.25m/s的工作区平均风速，送风速度应在0.309～0.386m/s，送风量应为6941～8671 m³/h。
实验条件2为：室内干球温度29.7～30.0℃；室内湿球温度22.0～24.8℃；室内正压12～20Pa，送风温差为1.4℃。在此实验条件下，文献得出的送风气流衰减规律见下表：
从表中可以看出，高温送风（送风温度高于室内温度）条件下送风的衰减率在0.422～0.462之间，平均值为0.443，按照衰减率计算，如果要在距地1.2m的送风口投影区域获得0.20～0.25m/s的工作区平均风速，送风速度应在0.359～0.449m/s，送风量应为8064～10086m³/h。
对比以上两种实验条件下的衰减率，高温送风条件下的衰减率比等温送风条件下的衰减率增大了25.5%。这种衰减率的上升是由于热送风所产生的浮力造成的，文献未对送冷风（送风温度低于室内温度）的气流衰减率进行实验。送冷风时，由于受重力影响，送冷风的气流衰减率比等温送风的气流衰减率要小，减小的比率应和送热风气流衰减率增大的比率相当，如果气流衰减率按照25%的减小率计算，送冷风时的气流衰减率应为：0.353*（1-25%）=0.264，按照上述的衰减率计算，如果要在距地1.2m的送风口投影区域获得0.20～0.25m/s的工作区平均风速，送风速度应在0.27～0.34m/s，送风量应为6088～7638m³/h。
综合比较分析，等温送风的气流衰减率可以取0.35，该值与《药厂洁净室设计、运行与GMP认证》（第二版）关于局部单向流的送风速度中提出的衰减率比较接近，也符合文献提出的衰减率为0.2～0.4的要求。气流衰减率取0.35，则送风速度和工作区平均风速之间存在如下的关系：

由上式可以导出：

可以看出，送风速度为工作区平均风速的1.54倍。
气流衰减率取0.35时，如果在距地1.2m的送风口投影区域获得0.20～0.25m/s的工作区平均风速，送风速度应为0.31～0.39m/s，送风量应为6964～8761m³/h，取整后为7000～8800m³/h，冷射流（送冷风）时送风衰减率小于上述数值。
2、理论分析
文献在分析送风射流的流动规律时认为，送风速度和距地1.2m的送风口投影区域的工作区平均风速之间存在如下的关系：

式中，m为射流衰减系数；
    F₀为送风口面积，m²；对于Ⅰ级手术室来说，F₀=2.6m*2.4m=6.24m²；
    x为送风口至测试断面的距离，m。
射流衰减系数与风口本身的特性相关的参数，它的大小只取决于送风口的本身的特性。文献中并没有给出适合Ⅰ级洁净手术室送风口的射流衰减系数的取值，如何获得Ⅰ级洁净手术室送风口的射流衰减系数成为一个关键问题。
由上式可得：

利用文献给出的实测送风速度和工作区平均风速之间的对应关系，采用上式计算出一系列射流衰减系数，见下表。式中的F₀=6.24m²，送风口至测试断面的距离x=1.9m。将这一系列射流衰减系数的平均值0.435作为Ⅰ级洁净手术室送风口的射流衰减系数。

当手术室的层高为3m时，距地1.2m的送风口投影区域的测试断面到送风口的距离x=1.8m，射流衰减系数为0.435，F₀=6.24m²代入可得：

气流衰减率：

按照0.317的气流衰减率，如果在距地1.2m的送风口投影区域获得0.20～0.25m/s的工作区平均风速，送风速度应为0.29～0.37m/h，送风量应为6515～8312m³/h，取整后为6600～8400m³/h。
3、Ⅰ级洁净手术室送风风速及送风量的确定
对于层高为3.0m的Ⅰ级洁净手术室，计算所得与文献分析所得的结果差异的原因在于文献所采用的实验室的层高为2.7m，工作区平均风速的测试断面距地面0.8m，送风面和工作区平均风速的测试断面之间的距离为1.9m；而实际测试和理论探讨的Ⅰ级洁净手术室的层高为3.0m，工作区平均风速的测试断面距地面1.2m，送风面和工作区平均风速的测试断面之间的距离为1.8m；文献的送风射流距离比实际测试和理论研究的射流距离大了100mm，因此造成了衰减率的差异，实际测试发现相差几厘米风速就会发生显著的变化。综合比较现有文献、理论研究、实际测试所得的气流衰减率，认为层高为3.0m高的Ⅰ级洁净手术室的气流衰减率宜取0.32，这个衰减率既包含在现有文献的分析研究所得的数值范围内，又比理论研究的结果相对保险。按照0.32的气流衰减率，如果在距地1.2m的送风口投影区域获得0.20～0.25m/s的工作区平均风速，送风速度应在0.30～0.37m/s，送风量应在6739～8312m³/h，上述送风量取整后为6800～8400m³/h。上述送风量适合于3.0m高的Ⅰ级洁净手术室；对于层高不是3.0m的Ⅰ级洁净手术室的送风速度和送风量可以根据公式和计算确定。
当手术室的层高为2.9m时，1.2m的送风口投影区域的测试断面到送风口的距离x=1.7m，按照上述公式计算气流的衰减率为：

同理可得其它层高的Ⅰ级洁净手术室的送风速度和送风量，计算结果见下表：

在进行Ⅰ级洁净手术室设计时可以参照此表进行设计，并根据实际工程的送风温差调整送风量的大小。由于新规范规定洁净手术室的净高不宜低于2.7m，因此表中只给到层高为2.7m的Ⅰ级洁净手术室的送风速度和送风量的取值。表中的结果为理论计算所得，实际手术室中送风速度的衰减会受到手术室的大小、布局、送风面的大小、回风口的布置、送风温差等因素影响。
4、新旧规范Ⅰ级洁净手术室送风面风速和送风量比较
由于工作区平均风速的测量断面和所要求的工作区平均风速的数值有变化，新规范和旧规范相比，Ⅰ级洁净手术室的送风速度和送风量有变化，变化情况见下表：

表中针对的是层高为3.0m的Ⅰ级洁净手术室。可以看出，要达到新规范的工作区平均风速的要求，Ⅰ级洁净手术室的送风量可以按照7000～8600m³/h进行设计计算，比按照旧规范计算所得的送风量减少了1600m³/h，减少的送风量相当于原设计风量的16%。如果Ⅰ级洁净手术室的层高小于3.0m，送风量减小的比例会更大。送风量减小了，在进行Ⅰ级洁净手术室设计时，风机参数也可以适当减小，空调机组表冷器的冷负荷和热负荷都会随之减小，这样就会在一定程度上降低Ⅰ级洁净手术室的造价和运行费用，对于建设方来说是非常有利的。
考虑到低温送风时的气流衰减率减小，在距地1.2m的送风口投影区域达到0.20～0.25m/s的工作区平均风速所需的送风速度和送风量会减小，因此新规范标准从减少送风量的角度出发进行了如下的规定：在手术进行过程中，Ⅰ～Ⅲ级洁净手术室净化空调系统宜根据需要使送风温度能够在低于室温状况下运行。