醫(yī)院I級潔凈手術室的流場和溫度場的數(shù)值模擬

1、         05-12-25 14:24:00     作者：佚名    編輯：studa9ngns提要本文對I級潔凈手術室實際運行時的流場和溫度場進行數(shù)值模擬，證實了醫(yī)院潔凈手術部建設標準中的部分技術參數(shù)范圍（主要針對空態(tài)手術室）在動態(tài)時的可操作性。標準在I級潔凈手術室中用局部送風代替全室單向流氣組織形式，既保證了關鍵區(qū)域的凈化要求，又大大降低了潔凈手術室的造價和運行費用，符合我國的國情。關鍵詞I級潔凈手術室 數(shù)值模擬 主流區(qū)

2、速度場 溫度場1 引言我國新的醫(yī)院潔凈手術部建設標準（以下簡稱標準）已與2000年10月正式頒布并開始實施，已成為國內新建手術室和舊手術室的主要設計標準。標準采用我國"主流區(qū)"理論聯(lián)系實際科研成果，以保障用較小的同量在關鍵區(qū)域達到較好的控制效果。但這一技術措施的凈化效果在學術界也引起了爭論，尤其是在I級潔凈手術室。為此，本文對實際運行時的I級潔凈手術室的流場和溫度場進行數(shù)值模擬，以驗證標準中的部分技術參數(shù)范圍（主要針對空態(tài)手術室）在動態(tài)時的可操作性，以及在我國目前的國情下，標準在I級潔凈手術室中用局部送風代替全室單向流理論的可行性。在傳統(tǒng)的空調設計中，由于送風口、回風口以及

3、室內熱源等因素的影響，難以對室內三維流場、速度場進行精確計算，在一定程度上影響了系統(tǒng)設計及設備選型的經(jīng)濟技術合理性。采用模型實驗的方法對室內氣候環(huán)境參數(shù)的分布情況進行預測雖然可靠，但是預測周期長、價格昂貴，較難在工程中使用。對這樣的非線性問題，計算流體力學（CFD，Computational Fluid Dynamics）方法顯示了其獨特的優(yōu)越性能，利用CFD技術，快速，廉價，又可有效地了解室內的流場、溫度場、濃度場的分布特征，為合理的系統(tǒng)設計及設備選型提供有益的參數(shù)資料。目前，國外許多設計所和建設單位都已經(jīng)將CFD模擬技術應用到實際設計預測中，并取得了較好的效果，尤其是對影劇院及建筑中廳等大

4、空間的設計預測。國內以前在數(shù)值計算方面的研究主要集中在運用自己開發(fā)的應用程序進行模擬，尤其是對凈化空調作的模擬研究比較多。這些模擬大多是二維或簡單的三維工業(yè)潔凈空調模擬，且主要是空態(tài)的，與實際運行時的情況相關較大。本文將利用FLUENT軟件對實際運行的I級潔凈手術室的流場和溫度場進行三維數(shù)值模擬，分析動態(tài)手術室的氣流控制效果。2 幾何模型本文模擬的手術室是按照醫(yī)院潔凈手術部建設標準的規(guī)定設計的I級潔凈手術室。整個模型都嚴格按照標準的要求進行設計（表1）。I級潔凈手術室部分主要技術參數(shù)表1 溫度（ ）相對溫度（%）房間面積（m2）送風面積（m2）人數(shù)(個)風速(m/s)最小新風量(次/h)排風量

5、(m3/h)222550604045120.250.306100房間面積為特大型手術室的最小凈面積。風速為手術區(qū)工作臺面高度截面平均風速。標準強度關鍵部位的保護意識，將是潔凈的空氣送到關鍵部位。根據(jù)我國的科研成果和運行實踐，提出了利用主流區(qū)工作區(qū)的技術思路，將送風口直接布置在手術床上方，采用局部集中送風方式，用潔凈氣流有效保護關鍵區(qū)域。為此，標準將手術室區(qū)分為手術區(qū)和周邊區(qū)，分別給出指標，手術區(qū)范圍的劃分取決于手術室級別要求，對本文模擬的I級潔凈手術室，按標準要求，送風口面積為2.4×2.6=6.24m2。本例采用了手術室吊頂送風，直接將潔凈氣流"填充"到關鍵區(qū)域

6、，切斷空氣污染的途徑，這樣便大大降低了手術室的送風量4。根據(jù)標準規(guī)定，設計幾何模型如圖1所示。房間尺寸X×Y×Z=8 m×3 m×6 m；送風口2.6 m×2.4 m；兩側下回風，回風口4.0 m×0.3 m，底邊離地0.1m；排風口0.4 m×0.4 m；人模型0.4 m×0.2 m×1.7 m；醫(yī)用設備0.4 m×0.6 m×0.8 m；手術臺1.8 m×0.6 m×0.8 m。手術室中人員流程和設備擺放見參考文獻2。工作區(qū)高度（空態(tài)時離地面0.8 m處）的風速

7、應控制在0.250.30m/s范圍內，為達到此要求，根據(jù)筆者的設計經(jīng)驗，取送風速度為0.46m/s，送風量為10300m3/h，約72次換氣，如果按以前仿照工業(yè)潔凈室設計的百級手術室，工作區(qū)達到0.250.30m/s的風速需要300360次換氣。圖1 幾何模型1-送風口；2-醫(yī)用燈帶；3-回風口；4-排風口；5-醫(yī)用設備；6-手術床；7-醫(yī)護人員；8-病人3 數(shù)學模型本文采用標準k-模型，它是建立在半經(jīng)驗模型上基礎上的，模型輸運方程組源于計算紊流動能（k）及其耗散率（），適用于模擬室內通風這種高雷諾數(shù)的情形。模型中計算k的輸運方程源于精確方程，而模型中計算的輸運方程則由一定的物理含義而在數(shù)學上

8、卻沒有精確的定義。k-模型應用的假定條件為：假設流動是充分發(fā)展的紊流，且分子粘性的影響可以忽略。標準k-模型僅對充分發(fā)展的紊流流動計算有效。有關標準k-模型的詳細討論請參考文獻4。4 物理邊界條件及幾何模型離散本例的邊界條件（見圖1）均根據(jù)標準規(guī)定并結合實際設計條件給出，如表2所示。模擬的物理邊界條件 表1 送風速度（m/s）排風量（m3/h）冷負荷（W）醫(yī)護人員病人照明（1）醫(yī)用設備圍護結構（W/（m2·K）0.46100071×1264×1人80030001.17(t=2K)注：（1）采光熒光燈作為泛光照明，不計手術集中照明。本例采用間距0.2 m×

9、0.2 m×0.2 m的正四面體網(wǎng)格。5 模擬結果與分析有了以上的數(shù)學模型和物理邊界條件，筆者模擬了該手術室的流場和溫度場，并選取了其中具有代表性的斷面進行分析，模擬結果見以下各圖（圖2圖5）。由圖2和圖3可看出，在送風口正下方，手術床以上區(qū)域（主流區(qū)）范圍內流場基本可以保證為單向流，滿足標準中的I級潔凈手術室局部百級的要求。在主流區(qū)周圍產生了較大渦流，手術床以下區(qū)域，由于回風影響，氣流方向發(fā)生了明顯的傾斜，由此可見，除主流區(qū)外的其他區(qū)域無法保證單向流，其流態(tài)為亂流。排風口離送風口距離較遠（1.9m），且排風速度較?。?.0m/s），因此，排風對送風流場影響不大，在實際設計中應注意排

10、風口與送風口間的距離和排風速度，以免產生氣流短路的現(xiàn)象。圖2 Z=3m斷面流場圖圖3 Z=4m斷面流場圖由圖4可以清楚地看到Y=1.1m斷面（手術床以上0.3處斷面）各處流速和溫度大小的分布。主流區(qū)速度大小介于0.190.34m/s之間，手術床臺面對應區(qū)域風速介于0.140.19m/s之間，小于標準規(guī)定的"手術區(qū)工作臺面高度（Y=0.8m斷面）的截面平均風速：0.250.3m/s"，但標準中是指空態(tài)手術室，無手術床。圖4 Y=1.1m斷面流場等速線圖從圖5和圖7可以看出，主流區(qū)溫度最接近單向流送風溫度（22），大約在295.17K(22.02)左右。主流區(qū)內醫(yī)護人員表面0.

11、2m范圍內溫度梯度較大（T人=3.2）。主流區(qū)醫(yī)護人員人體表面溫度約為25，而周邊區(qū)氣流速度（約0.1m/s）比主流區(qū)氣流速度（約0.4m/s）小得多，該區(qū)醫(yī)護人員體表溫度也較高，約27。手術床區(qū)域溫度為297.39K(24.24)，溫升主要是為病人散熱所致。從中可以看出，由于送風量較大，除熱源表面外，室內溫度分布比較均勻，大致在22.222.8范圍內，能夠保證室內熱舒適要求。從圖6、圖7中可以看出，主流區(qū)外科醫(yī)生頭頂0.1m處溫度大約為24，氣流速度0.14m/s，周邊區(qū)醫(yī)護人員頭頂0.1m處溫度大約為30，氣流速度0.06m/s。0.060.14m/s的氣流速度低于一般認為的舒適性風速域值

12、0.15m/s，不會使醫(yī)護人員產生吹風感，這與有的文獻單純的理論分析得出結論不太符合。相反，據(jù)我們對多家按標準建成潔凈手術部的醫(yī)院的調查了解到，在醫(yī)護人員對感覺中，鮮有關于"冷"或吹風感的抱怨，事實上，更多的人員認為手術室內經(jīng)常過熱或過悶。對這種理論與實踐上的反差進行探討，筆者認為出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因之一是，手術過程中的醫(yī)護人員身穿內外兩層潔凈服，按ISO標準測算，潔凈服的熱阻在0.12 m2·K/W至0.16 m2·K/W的范圍內，相當于美國學者A.P. Gagge 所提出的衣服熱阻單位0.81.0clo，高于一般為確定熱舒適區(qū)所進行的實驗中被測人員

13、的衣服熱阻（0.60.8clo），且手術過程中的醫(yī)護人員均戴帽子和口罩，心理和生理都處于高度緊張狀態(tài)。綜合上述分析，可以認為局部集中送風方式對室內人員的熱舒適不會造成負面影響，不會出現(xiàn)"吹冷風"的感覺。圖5 Y=1.1m斷面溫度場等溫線圖圖6 Y=3m斷面流場等速線圖圖7 Y=3m斷面溫度場等溫線圖由于手術室是以細菌濃度為主，凈化為保證手段，引起感染的是致病菌，并要求達到一定濃度才能引起術后感染，濃度場只能反應含塵濃度的分布情況，而無菌室中有塵埃不一定有細菌，更不一定是致病菌。因此，模擬濃度場有時并沒有十分重要的實際意義。5 結論本文通過以上對醫(yī)院潔凈手術部建設標準I級潔凈手術室的數(shù)值模擬，較真實的反映了該潔凈手術室的流場和溫度場的分布情況。經(jīng)過分析認為，局部集中送風方式對室內人員的熱舒適不會造成負面影響，不會出現(xiàn)"吹冷風"的感覺。證實了標準中的部分技術參數(shù)范圍（主要針對空態(tài)手術室）的可操作性，合理性。標準在I級潔凈手術室中用局部百級代替全室單向流氣流組織形式，既保證