医院I级洁净手术室的流场和温度场的数值模拟

1 引言
　　
　　我国新的《医院洁净手术部建设标准》（以下简称标准）已与2000年10月正式颁布并开始实施，已成为国内新建手术室和旧手术室的主要设计标准。标准采用我国"主流区"理论联系实际科研成果，以保障用较小的同量在关键区域达到较好的控制效果。但这一技术措施的净化效果在学术界也引起了争论，尤其是在I级洁净手术室。为此，本文对实际运行时的I级洁净手术室的流场和温度场进行数值模拟，以验证标准中的部分技术参数范围（主要针对空态手术室）在动态时的可操作性，以及在我国目前的国情下，标准在I级洁净手术室中用局部送风代替全室单向流理论的可行性。
　　在传统的空调设计中，由于送风口、回风口以及室内热源等因素的影响，难以对室内三维流场、速度场进行精确，在一定程度上影响了系统设计及设备选型的技术合理性。采用模型实验的方法对室内气候环境参数的分布情况进行预测虽然可靠，但是预测周期长、价格昂贵，较难在工程中使用。对这样的非线性问题，计算流体力学（CFD，Computational Fluid Dynamics）方法显示了其独特的优越性能，利用CFD技术，快速，廉价，又可有效地了解室内的流场、温度场、浓度场的分布特征，为合理的系统设计及设备选型提供有益的参数资料。
　　目前，国外许多设计所和建设单位都已经将CFD模拟技术应用到实际设计预测中，并取得了较好的效果，尤其是对影剧院及建筑中厅等大空间的设计预测。国内以前在数值计算方面的研究主要集中在运用自己开发的应用程序进行模拟，尤其是对净化空调作的模拟研究比较多。这些模拟大多是二维或简单的三维洁净空调模拟，且主要是空态的，与实际运行时的情况相关较大。本文将利用FLUENT软件对实际运行的I级洁净手术室的流场和温度场进行三维数值模拟，分析动态手术室的气流控制效果。
　　
2 几何模型
　　
　　本文模拟的手术室是按照《医院洁净手术部建设标准》的规定设计的I级洁净手术室。整个模型都严格按照标准的要求进行设计（表1）。
　　　　　　　　　　　　I级洁净手术室部分主要技术参数　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表1

温度（℃ ）	相对温度（%）	房间面积（m2）①	送风面积（m2）	人数(个)	风速(m/s)②	最小新风量(次/h)	排风量(m3/h)
22～25	50～60	40～45		12	0.25～0.30	6	100

　　①房间面积为特大型手术室的最小净面积。
　　②风速为手术区工作台面高度截面平均风速。
　　
　　标准强度关键部位的保护意识，将是洁净的空气送到关键部位。根据我国的科研成果和运行实践，提出了利用主流区工作区的技术思路，将送风口直接布置在手术床上方，采用局部集中送风方式，用洁净气流有效保护关键区域。为此，标准将手术室区分为手术区和周边区，分别给出指标，手术区范围的划分取决于手术室级别要求，对本文模拟的I级洁净手术室，按标准要求，送风口面积为2.4×2.6=6.24m²。本例采用了手术室吊顶送风，直接将洁净气流"填充"到关键区域，切断空气污染的途径，这样便大大降低了手术室的送风量^[4]。
　　根据标准规定，设计几何模型如图1所示。房间尺寸X×Y×Z=8 m×3 m×6 m；送风口2.6 m×2.4 m；两侧下回风，回风口4.0 m×0.3 m，底边离地0.1m；排风口0.4 m×0.4 m；人模型0.4 m×0.2 m×1.7 m；医用设备0.4 m×0.6 m×0.8 m；手术台1.8 m×0.6 m×0.8 m。手术室中人员流程和设备摆放见[2]。工作区高度（空态时离地面0.8 m处）的风速应控制在0.25～0.30m/s范围内，为达到此要求，根据笔者的设计经验，取送风速度为0.46m/s，送风量为10300m³/h，约72次换气，如果按以前仿照工业洁净室设计的百级手术室，工作区达到0.25～0.30m/s的风速需要300～360次换气。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 几何模型
　　　　　　　1-送风口；2-医用灯带；3-回风口；4-排风口；5-医用设备；6-手术床；7-医护人员；8-病人
　　
3 数学模型
　　
　　本文采用标准k-ε模型，它是建立在半经验模型上基础上的，模型输运方程组源于计算紊流动能（k）及其耗散率（ε），适用于模拟室内通风这种高雷诺数的情形。模型中计算k的输运方程源于精确方程，而模型中计算ε的输运方程则由一定的物理含义而在数学上却没有精确的定义。k-ε模型应用的假定条件为：假设流动是充分的紊流，且分子粘性的影响可以忽略。标准k-ε模型仅对充分发展的紊流流动计算有效。有关标准k-ε模型的详细讨论请参考文献[4]。
　　
4 物理边界条件及几何模型离散
　　
　　本例的边界条件（见图1）均根据标准规定并结合实际设计条件给出，如表2所示。
　　　　　　　　　　　　模拟的物理边界条件 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表1

　　　注：（1）采光荧光灯作为泛光照明，不计手术集中照明。

　　本例采用间距0.2 m×0.2 m×0.2 m的正四面体网格。
　　
5 模拟结果与分析
　　
　　有了以上的数学模型和物理边界条件，笔者模拟了该手术室的流场和温度场，并选取了其中具有代表性的断面进行分析，模拟结果见以下各图（图2～图5）。
　　由图2和图3可看出，在送风口正下方，手术床以上区域（主流区）范围内流场基本可以保证为单向流，满足标准中的I级洁净手术室局部百级的要求。在主流区周围产生了较大涡流，手术床以下区域，由于回风影响，气流方向发生了明显的倾斜，由此可见，除主流区外的其他区域无法保证单向流，其流态为乱流。排风口离送风口距离较远（1.9m），且排风速度较小（1.0m/s），因此，排风对送风流场影响不大，在实际设计中应注意排风口与送风口间的距离和排风速度，以免产生气流短路的现象。
　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 Z=3m断面流场图
　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3 Z=4m断面流场图
　　
　　由图4可以清楚地看到Y=1.1m断面（手术床以上0.3处断面）各处流速和温度大小的分布。主流区速度大小介于0.19～0.34m/s之间，手术床台面对应区域风速介于0.14～0.19m/s之间，小于标准规定的"手术区工作台面高度（Y=0.8m断面）的截面平均风速：0.25～0.3m/s"，但标准中是指空态手术室，无手术床。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4 Y=1.1m断面流场等速线图
　　
　　从图5和图7可以看出，主流区温度最接近单向流送风温度（22℃），大约在295.17K(22.02℃)左右。主流区内医护人员表面0.2m范围内温度梯度较大（ΔT^人=3.2℃）。主流区医护人员人体表面温度约为25℃，而周边区气流速度（约0.1m/s）比主流区气流速度（约0.4m/s）小得多，该区医护人员体表温度也较高，约27℃。手术床区域温度为297.39K(24.24℃)，温升主要是为病人散热所致。从中可以看出，由于送风量较大，除热源表面外，室内温度分布比较均匀，大致在22.2～22.8℃范围内，能够保证室内热舒适要求。从图6、图7中可以看出，主流区外科医生头顶0.1m处温度大约为24℃，气流速度0.14m/s，周边区医护人员头顶0.1m处温度大约为30℃，气流速度0.06m/s。0.06～0.14m/s的气流速度低于一般认为的舒适性风速域值0.15m/s，不会使医护人员产生吹风感，这与有的文献单纯的理论分析得出结论不太符合。相反，据我们对多家按标准建成洁净手术部的医院的调查了解到，在医护人员对感觉中，鲜有关于"冷"或吹风感的抱怨，事实上，更多的人员认为手术室内经常过热或过闷。对这种理论与实践上的反差进行探讨，笔者认为出现这种现象的主要原因之一是，手术过程中的医护人员身穿内外两层洁净服，按ISO标准测算，洁净服的热阻在0.12 m²·K/W至0.16 m²·K/W的范围内，相当于美国学者A.P. Gagge 所提出的衣服热阻单位0.8～1.0clo，高于一般为确定热舒适区所进行的实验中被测人员的衣服热阻（0.6～0.8clo），且手术过程中的医护人员均戴帽子和口罩，心理和生理都处于高度紧张状态。综合上述分析，可以认为局部集中送风方式对室内人员的热舒适不会造成负面影响，不会出现"吹冷风"的感觉。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5 Y=1.1m断面温度场等温线图
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图6 Y=3m断面流场等速线图
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图7 Y=3m断面温度场等温线图
　　
　　由于手术室是以细菌浓度为主，净化为保证手段，引起感染的是致病菌，并要求达到一定浓度才能引起术后感染，浓度场只能反应含尘浓度的分布情况，而无菌室中有尘埃不一定有细菌，更不一定是致病菌。因此，模拟浓度场有时并没有十分重要的实际意义。
　　
5 结论
　　
　　本文通过以上对《医院洁净手术部建设标准》I级洁净手术室的数值模拟，较真实的反映了该洁净手术室的流场和温度场的分布情况。经过分析认为，局部集中送风方式对室内人员的热舒适不会造成负面影响，不会出现"吹冷风"的感觉。证实了标准中的部分技术参数范围（主要针对空态手术室）的可操作性，合理性。标准在I级洁净手术室中用局部百级代替全室单向流气流组织形式，既保证了手术关键区的净化要求，又大大减小了送风量，降低了该关洁净手术室的造价和运行费用，既保证了技术要求，又符合我国的国情。
　　
　　
参考文献
　　
　　1 日本Flakt K.K., 谭洪卫等，空调，1999，1：1～16
　　2 许钟麟，暖通空调，2001，5：2～6
　　3 医院洁净手术部建设标准，2000-10
　　4 沈晋明，暖通空调，2001，5：7～9
　　5 陶文铨，数值传热学，西安：西安大学出版社，1988
　　6 许为全，曹莉，洁净技术，2001，4：8～11