洁净手术室送风形式的探讨

一、概述
我国颁布的《医院洁净手术部建设标准》为暖通空调领域中一些专门从事医院洁净室设计及建造行业的企业提供了依据。但是《标准》中的局部顶送维持主流区单向流的方式一直是关注与争论的焦点。本文详细化模型，包括障碍物、人员、灯、设备等，对手术室的各种参数进行模拟，来证实标准中所提要求是否满足洁净度。此外由于我国新建的手术室较少，改造的较多，资料表明有些医院洁净手术室改造后,用电、用气费用迅速上升，日常支出成倍增长，给医院造成不小的经济负担。有的医院洁净手术室24小时连续运转，净化空调系统设计安全系数过大，造成用电量猛升的主要原因。由于空调净化系统大风量，高阻力，系统中风机发热已成为主要负荷。减小风机型号就可减少用电量，而减少风机发热的关键在是调节送风量和降低系统阻力。因此如何在保证洁净度的同时可以节能是我们应该关注的问题。而国外洁净手术室的送风量均较小，于是试验者将寻求一种小送风方式在保证洁净度的同时注意节能。
二、手术室建模
医院手术室建筑，手术室为Ⅰ级洁净，手术室面积为8*6m²，吊顶下层高3m，气流组织为顶送双侧下回，送风口为2.6*2.4m²，回风口为4*0.3m²，手术台距地0.8m，尺寸为1.8*0.6m²。
三、数学模型及边界条件
3.1数学模型
暖通领域中普遍采用的k-ε双方程模型也适合于手术室这种特殊的建筑，限于篇幅，关于该模型的详细介绍及验证过程不做介绍。由于手术室的一些设备的特殊性（如无影灯），采用正四面体非结构网格进行网格划分。
3.2边界条件
手术室采用二次回风系统，送风量10700m³/h，排风量1000 m³/h，医护人员冷负荷71*8w,病人冷负荷64*1w，照明1070w，医用设备3400w，维护结构280w，人体湿负荷潜热负荷110*8w，地面散湿形成的冷负荷685w。人静止的发菌量为300个／(人.min)，发尘量为105个／min，地面8m²的发尘量和发菌量相当于一个人员的发尘量和发菌量，而顶棚：墙面：地面的发尘量和发菌量可以近似认为为1：5：100。灰尘体积很小对流场近似认为无影响，而菌落附着在灰尘上。墙采用无滑移速度边界条件，v=0，温度和热流已知。送风口处温度是连续的，用q/a作为送风速度，气体不可压缩，计算时所有的速度采用0初值，温度初值采用稳定后的舒适温度。送风口、回风口的浓度模拟的边界条件为为逃逸边界条件。浓度场模拟中，为简化计算，假设微粒和墙体之间的碰撞为弹性碰撞，无动量和能量损失。
四、计算结果分析 
4.1速度场的计算与分析
速度场模拟的主要目的是验证标准中所提集中送风方式是否满足它的主流区的单向流，由顶棚送出的风保持垂直单向流到达主流区,手术台上y=1m主流区速度为0.14～0.28m/s。规范中所提为空态时主流区速度为0.25～0.3m/s，基本符合要求。回风口处附近速度为1.25m/s，小于标准中的1.6m/s。在手术室的宽度方向，在非主流区并未产生大的涡流，在手术室的长度方向主流区以外的区域产生较大的涡流.排风和送风未形成短路。由此可看出局部顶部送风，取0.48m/s的送风速度有足够的动量维持单向流，可以形成稳定的气流。
4.2温度场的计算与分析
主流区温度为22℃～24.6℃,符合标准22℃～25℃，整体来说室内温度分布较均匀，由于病人身体表面散热，因此附近温度较高。送风温度为22.8℃，送风温差比较合理，因此不会引射周围较脏气流，使污染增大。
4.3菌落场模拟与分析
按照标准中主流区为100级，周边区为1000级，菌落和灰尘基本满足要求（灰尘≥0.5μm的微粒数小于等于35*100个，菌落≤5个），菌落不仅在主流区而且在周边区都已经满足了100级要求，而灰尘在主流区处人的附近并不能满足洁净要求，污染度达到最大值，因此医务人员的位置依然是值得研究的问题。如果在正确考虑送风系统以及对手术人员进行必要的培训，灰尘和菌落的控制将容易得多。
五、带射流口的送风形式 
规范中提出保证局部单向的流场和主流区菌落和灰尘的浓度,工作面风速需要0.25～0.3m/s,通常需要较大的风量来维持，那么如果寻求一种方式以较小的风速来就可以防止扰动对流场的破坏,这样将会减少风量，在引言部分提出的问题将得到解决。试验者尝试在送风口上加了几个射流来支持来支撑流场防止外部扰动，在模拟过程中发现如果减小风量，仍用前面的模型模拟，那么在手术台上方也可保持单向流，但是在医生头顶上方气流发生偏移，于是试验者在医生头部上方附近加了13个射流口，来支持已经开始改变方向的流场，经数次模拟，发现13个模拟出来的结果较好。用20次换气次数的风量（约3000m³/h）模拟，但结果不甚理想，不能在主流区维持单向流，后又采用35次换气次数的风量（约5000m³/h）。发现工作区域速度虽然减小但是由于支撑气流的存在，在主流区依然可以维持单向流，由于速度的减小医务人员不会产生吹风感，而且虽然射流口采用1m/s得出风速度，但是在几个射流口下速度均在0.13m/s左右，并不会使医生产生局部吹风感。由于风量减小，送风温度降低，主流区温度也略有降低，但是仍然在标准规定的范围内，但是医务人员在手术过程中由于服装及精神紧张，极少感到冷的感觉，因此略微降低温度是满足要求的。
六、结论
手术室的洁净度对于患者至关重要，高的洁净度可以降低或者避免手术感染，减少住院天数，减少处置费用。而对于医院来说小的风量可以节能，减少初投资。如何两全其美正是本文探讨的关键所在，因此本文首先对局部顶送风进行数值模拟，在肯定其对手术室的实用性的条件下，进一步对送风口加以改变，通过布置射流口来支持流场，达到维持单向流的目的，并且维持较高的洁净度，经数值模拟结果表明这种送风形式可以满足手术室对主流区域的要求，更重要的是减少了风量，仅为原风量的一半。达到了既保证洁净度同时节能的方法的目的。