醫(yī)院I級潔凈手術(shù)室的流場和溫度場的數(shù)值模擬

1、醫(yī)院I級潔凈手術(shù)室的流場和溫度場的數(shù)值模擬                        提要本文對I級潔凈手術(shù)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(shù)部建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中的部分技術(shù)參數(shù)范圍（主要針對空態(tài)手術(shù)室）在動態(tài)時的可操作性。標(biāo)準(zhǔn)在I級潔凈手術(shù)室中用局部送風(fēng)代替全室單向流氣組織形式，既保證了關(guān)鍵區(qū)域的凈化要求，又大大降低了潔凈手術(shù)室的造價和運

2、行費用，符合我國的國情。關(guān)鍵詞I級潔凈手術(shù)室 數(shù)值模擬 主流區(qū) 速度場 溫度場1 引言我國新的醫(yī)院潔凈手術(shù)部建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)）已與2000年10月正式頒布并開始實施，已成為國內(nèi)新建手術(shù)室和舊手術(shù)室的主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)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(guān)鍵區(qū)域達到較好的控制效果。但這一技術(shù)措施的凈化效果在學(xué)術(shù)界也引起了爭論，尤其是在I級潔凈手術(shù)室。為此，本文對實際運行時的I級潔凈手術(shù)室的流場和溫度場進行數(shù)值模擬，以驗證標(biāo)準(zhǔn)中的部分技術(shù)參數(shù)范圍（主要針對空態(tài)手術(shù)室）在動態(tài)時的可操作性，以及在我國目前的國情下，標(biāo)準(zhǔn)在I級潔凈手術(shù)室中用局部送風(fēng)代替全

3、室單向流理論的可行性。在傳統(tǒng)的空調(diào)設(shè)計中，由于送風(fēng)口、回風(fēng)口以及室內(nèi)熱源等因素的影響，難以對室內(nèi)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(shè)計及設(shè)備選型的經(jīng)濟技術(shù)合理性。采用模型實驗的方法對室內(nèi)氣候環(huán)境參數(shù)的分布情況進行預(yù)測雖然可靠，但是預(yù)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(xué)（CFD，Computational Fluid Dynamics）方法顯示了其獨特的優(yōu)越性能，利用CFD技術(shù)，快速，廉價，又可有效地了解室內(nèi)的流場、溫度場、濃度場的分布特征，為合理的系統(tǒng)設(shè)計及設(shè)備選型提供有益的參數(shù)資料。目前，國外許多設(shè)計所和建設(shè)單位都已經(jīng)將CFD模擬技術(shù)應(yīng)用到

4、實際設(shè)計預(yù)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空間的設(shè)計預(yù)測。國內(nèi)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(yīng)用程序進行模擬，尤其是對凈化空調(diào)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(diào)模擬，且主要是空態(tài)的，與實際運行時的情況相關(guān)較大。本文將利用FLUENT軟件對實際運行的I級潔凈手術(shù)室的流場和溫度場進行三維數(shù)值模擬，分析動態(tài)手術(shù)室的氣流控制效果。2 幾何模型本文模擬的手術(shù)室是按照醫(yī)院潔凈手術(shù)部建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定設(shè)計的I級潔凈手術(shù)室。整個模型都嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)的要求進行設(shè)計（表1）。I級潔凈手術(shù)室部分主要技術(shù)參數(shù)表1 溫度（ ）相對溫度（%）房間面積（m2）送

5、風(fēng)面積（m2）人數(shù)(個)風(fēng)速(m/s)最小新風(fēng)量(次/h)排風(fēng)量(m3/h)222550604045120.250.306100房間面積為特大型手術(shù)室的最小凈面積。風(fēng)速為手術(shù)區(qū)工作臺面高度截面平均風(fēng)速。標(biāo)準(zhǔn)強度關(guān)鍵部位的保護意識，將是潔凈的空氣送到關(guān)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(shù)思路，將送風(fēng)口直接布置在手術(shù)床上方，采用局部集中送風(fēng)方式，用潔凈氣流有效保護關(guān)鍵區(qū)域。為此，標(biāo)準(zhǔn)將手術(shù)室區(qū)分為手術(shù)區(qū)和周邊區(qū)，分別給出指標(biāo)，手術(shù)區(qū)范圍的劃分取決于手術(shù)室級別要求，對本文模擬的I級潔凈手術(shù)室，按標(biāo)準(zhǔn)要求，送風(fēng)口面積為2.4×2.6=6.24m2。本例采用了手術(shù)

6、室吊頂送風(fēng)，直接將潔凈氣流"填充"到關(guān)鍵區(qū)域，切斷空氣污染的途徑，這樣便大大降低了手術(shù)室的送風(fēng)量4。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，設(shè)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(fēng)口2.6 m×2.4 m；兩側(cè)下回風(fēng)，回風(fēng)口4.0 m×0.3 m，底邊離地0.1m；排風(fēng)口0.4 m×0.4 m；人模型0.4 m×0.2 m×1.7 m；醫(yī)用設(shè)備0.4 m×0.6 m×0.8 m；手術(shù)臺1.8 m×0.6 m×0.8 m。手術(shù)室中人員流程和設(shè)

7、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(fēng)速應(yīng)控制在0.250.30m/s范圍內(nèi)，為達到此要求，根據(jù)筆者的設(shè)計經(jīng)驗，取送風(fēng)速度為0.46m/s，送風(fēng)量為10300m3/h，約72次換氣，如果按以前仿照工業(yè)潔凈室設(shè)計的百級手術(shù)室，工作區(qū)達到0.250.30m/s的風(fēng)速需要300360次換氣。送風(fēng)速度（m/s）排風(fēng)量（m3/h）冷負荷（W）醫(yī)護人員病人照明（1）醫(yī)用設(shè)備圍護結(jié)構(gòu)（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(shù)集中照明。本例采用間距0.2 m×0.2 m×0.2 m的正四面體網(wǎng)格。5 模擬結(jié)果與分析有了以上的數(shù)學(xué)模型和物理邊界條件，筆者模擬了該手術(shù)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(jié)果見以下各圖（圖2圖5）。由圖2和圖3可看出，在送風(fēng)口正下方，手術(shù)床以上區(qū)域（主流區(qū)）范圍內(nèi)流場基本可以保證為單向流，滿足標(biāo)準(zhǔn)中的I級潔凈手術(shù)室局部百級的要求。在主流區(qū)周圍產(chǎn)生了較大渦流，手術(shù)床以下區(qū)域，由于回風(fēng)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(fēng)口離送風(fēng)口距離較遠（