手術(shù)室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探討

手術(shù)室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探討

無(wú)論醫(yī)院的設(shè)計(jì)是否合理，房間空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否會(huì)受到直接影響，尤其是運(yùn)營(yíng)能的效率。根據(jù)近些年來(lái)所參與設(shè)計(jì)、咨詢或建造、檢測(cè)的數(shù)十家醫(yī)院的經(jīng)驗(yàn)獲得以下認(rèn)識(shí),供同行們參考。1空調(diào)風(fēng)濕性能變化不目前,按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的手術(shù)部,基本上都設(shè)置了環(huán)繞手術(shù)部的污物通道,所以,多數(shù)手術(shù)室?guī)缀鯖](méi)有外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。經(jīng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入或散失的熱負(fù)荷大多可以忽略不計(jì)。因此,手術(shù)室全年都有余熱。換句話說(shuō),手術(shù)室空調(diào)送風(fēng)的溫、濕度或比焓全年都低于手術(shù)室的設(shè)計(jì)溫、濕度或比焓。此外,全年手術(shù)室空調(diào)的熱濕比也變化不大,這恰是現(xiàn)代手術(shù)室空調(diào)送風(fēng)的一個(gè)特點(diǎn)。手術(shù)室其他的空調(diào)負(fù)荷主要是設(shè)備、照明與人員負(fù)荷,根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分述如下。1.1根據(jù)評(píng)價(jià)的方法計(jì)算取個(gè)身份手術(shù)室醫(yī)用設(shè)備日新月異,種類繁多,常見(jiàn)設(shè)備的電功率及計(jì)算取值見(jiàn)表1。用電設(shè)備的散熱量,一般來(lái)說(shuō)應(yīng)由實(shí)驗(yàn)測(cè)得,注明在產(chǎn)品樣本上。無(wú)此數(shù)值時(shí)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以裝機(jī)容量的某個(gè)百分比計(jì)算。表1給出的計(jì)算取值是依據(jù)常見(jiàn)的國(guó)產(chǎn)儀器、設(shè)備產(chǎn)品樣本及經(jīng)驗(yàn)所得,可供參考。另外,各種不同類別的手術(shù)室,或施行不同的手術(shù)時(shí),上述設(shè)備并非一應(yīng)俱全或同時(shí)使用,此外還存在散熱延遲現(xiàn)象。不同的手術(shù)室,無(wú)影燈的配置差別較大。醫(yī)院不能給出各手術(shù)室醫(yī)用設(shè)備的詳細(xì)資料時(shí),根據(jù)經(jīng)驗(yàn),一般Ⅰ,Ⅱ級(jí)手術(shù)室可按上述計(jì)算取值的總計(jì)值再乘以0.6～0.8的儀器設(shè)備同時(shí)使用系數(shù),如使用體外循環(huán)機(jī)時(shí)則需另加電熱負(fù)荷約1kW;Ⅲ,Ⅳ級(jí)手術(shù)室可按上述計(jì)算取值的總值再乘以0.4～0.6的同時(shí)使用系數(shù)。1.2按功能系數(shù)設(shè)計(jì)各參數(shù)手術(shù)室照明散熱量按下式計(jì)算:Qs=n1n2n3N(1)Qs=n1n2n3Ν(1)式中Qs——照明散熱量,W;n1——同時(shí)使用系數(shù),這里取1.0;n2——整流器消耗功率的系數(shù),當(dāng)整流器在空調(diào)房間內(nèi)時(shí)取1.2,當(dāng)整流器在吊頂內(nèi)時(shí)取1.0;n3——安裝系數(shù),明裝時(shí)取1.0,暗裝且燈罩上部穿有小孔時(shí)取0.5～0.6,暗裝燈罩上無(wú)孔時(shí),視吊頂內(nèi)通風(fēng)情況取0.6～0.8,燈具回風(fēng)時(shí)可取0.35;N——照明設(shè)備的安裝功率,W。相應(yīng)于照度不小于350lx的要求,除無(wú)影燈外,手術(shù)室的照明負(fù)荷一般在12～16W/m2范圍內(nèi)。不同面積的手術(shù)室,所配置的熒光燈按每支40W計(jì)算時(shí),一般為8～16支。1.3不同性別學(xué)生的臨床療效根據(jù)室溫,按輕體力勞動(dòng)、極輕體力勞動(dòng)人數(shù)比為1∶2取值,男女比例按1∶1計(jì)算,群集系數(shù)為0.92。手術(shù)室室溫為24℃時(shí),人均散熱、散濕量見(jiàn)表2?；颊咔锌谏窳恳蚴中g(shù)不同差異很大,一般可按兩倍人均散濕量估值。2醫(yī)院的空氣處理2.1典型運(yùn)用的余熱余濕負(fù)荷及熱濕比的計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)工作中所獲得的及業(yè)主所提供的相關(guān)資料,按上述的手術(shù)室空調(diào)熱、濕負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)方法,對(duì)典型的各級(jí)手術(shù)室的余熱、余濕負(fù)荷及熱濕比進(jìn)行了計(jì)算。其結(jié)果見(jiàn)表3。從表3的熱濕比值可知,各級(jí)手術(shù)室空調(diào)負(fù)荷的熱濕比線在大氣壓力為105Pa左右的h-d圖上的斜度都較小,而且很靠近。當(dāng)考慮空氣處理方案和系統(tǒng)劃分時(shí)這是值得注意的一個(gè)特點(diǎn)。2.2根據(jù)手術(shù)區(qū)域的劃分手術(shù)室與其他有潔凈要求的空間相同,送入的潔凈空氣量要足以保證潔凈空間所規(guī)定的潔凈度,而此風(fēng)量通常都高于或遠(yuǎn)高于滿足房間熱、濕需求的空調(diào)送風(fēng)量。現(xiàn)行規(guī)范《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50333—2002)對(duì)各級(jí)手術(shù)室的送風(fēng)量及其他相關(guān)參數(shù)有明確規(guī)定,見(jiàn)表4。手術(shù)室按面積大小劃分,一般分為四類,見(jiàn)表5。通常高級(jí)別手術(shù)室儀器設(shè)備復(fù)雜,醫(yī)護(hù)人員眾多,所需手術(shù)室面積也較大,而低級(jí)別手術(shù)室則相反。筆者所設(shè)計(jì)的一些醫(yī)院,根據(jù)業(yè)主的要求,各級(jí)手術(shù)室的建筑面積也大致依次對(duì)應(yīng)于表5所列范圍。按照GB50333—2002的要求,Ⅰ級(jí)潔凈手術(shù)室,其集中布置的豎直送風(fēng)口出風(fēng)面積不小于2.4m×2.6m=6.24m2,以及表4所規(guī)定的手術(shù)區(qū)手術(shù)臺(tái)工作面高度截面平均風(fēng)速數(shù)值,根據(jù)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn),考慮縱向速度的衰減,一般出風(fēng)口風(fēng)速宜按0.40m/s來(lái)計(jì)算,故Ⅰ級(jí)手術(shù)室的送風(fēng)量為6.24m2×0.40m/s×3600s/h=8986m3/h≈9000m3/h。其他各級(jí)手術(shù)室的送風(fēng)量按表4規(guī)定的換氣次數(shù),參考表5的建筑面積及室內(nèi)層高2.9m來(lái)計(jì)算,得到各級(jí)手術(shù)室滿足凈化要求的送風(fēng)量,見(jiàn)表6。表6同時(shí)給出了各級(jí)手術(shù)室室溫為24℃時(shí),采用上述送風(fēng)量,除去室內(nèi)熱、濕負(fù)荷(見(jiàn)表3)時(shí)所對(duì)應(yīng)的送、回(排)風(fēng)比焓差。2.3與空氣的比差及加熱方案當(dāng)手術(shù)室空氣溫度、相對(duì)濕度分別為24℃,60%時(shí),在海拔較低的國(guó)內(nèi)大部分地區(qū),室內(nèi)空氣的比焓約為50kJ/kg,如果室內(nèi)的熱濕比如表3所列在11000kJ/kg左右,那么熱濕比線與接近飽和狀態(tài)的相對(duì)濕度線的交點(diǎn)(即通常所說(shuō)的空調(diào)機(jī)組的機(jī)器露點(diǎn))對(duì)應(yīng)的溫度約為14.5℃,相應(yīng)的比焓約為37.5～38.5kJ/kg,與室內(nèi)空氣的比焓差約為11.5～12.5kJ/kg。此值都大于表6所列的各級(jí)手術(shù)室的送、回風(fēng)比焓差。換句話說(shuō),要滿足各級(jí)手術(shù)室對(duì)送風(fēng)參數(shù)的不同要求,都必需提升處于空調(diào)機(jī)組機(jī)器露點(diǎn)的空氣的比焓。例如Ⅰ級(jí)手術(shù)室的送、回風(fēng)比焓差僅為1.1kJ/kg,室內(nèi)空氣比焓為50.3kJ/kg時(shí)(24℃,60%),送風(fēng)比焓則應(yīng)為49.2kJ/kg,與機(jī)器露點(diǎn)空氣比焓相差近12kJ/kg。一般來(lái)說(shuō)解決的辦法除二次加熱外,就是與室內(nèi)空氣進(jìn)行二次混合。顯然,二次加熱(再熱)方案在夏季存在冷、熱量抵消,浪費(fèi)能源的情況,一般不宜采用。筆者曾對(duì)天津市某醫(yī)院新建的8間手術(shù)室(Ⅰ級(jí)1間、Ⅱ級(jí)2間、Ⅲ級(jí)4間、Ⅳ級(jí)1間)的空調(diào)處理方案作過(guò)能耗分析,如果采用二次回風(fēng)方案,8間手術(shù)室空調(diào)負(fù)荷約為92kW,而采用二次加熱方案則高達(dá)193kW,相差一倍多。這在其他行業(yè)潔凈室的空氣處理實(shí)踐中早已得到印證。特別是高級(jí)別的潔凈室,無(wú)一例外都采取利用二次回風(fēng)的措施。多年來(lái),風(fēng)機(jī)過(guò)濾器機(jī)組(FFU)在潔凈室的廣泛應(yīng)用,從空調(diào)角度來(lái)看其處理過(guò)程就是基于就地利用二次回風(fēng)實(shí)現(xiàn)“再熱”需求的空氣處理過(guò)程。2.4方案1:以作為空調(diào)冷負(fù)荷的室手術(shù)室夏季空氣處理方案有多種,如表7所列,適用不同地域和情況。曾經(jīng)流行過(guò)新風(fēng)空調(diào)機(jī)組與手術(shù)室空調(diào)機(jī)組兩組串聯(lián)的模式,實(shí)踐證明,不僅造價(jià)高、運(yùn)行費(fèi)高,而且從多數(shù)手術(shù)室對(duì)溫、濕度的要求來(lái)衡量,兩級(jí)空氣處理系統(tǒng)串聯(lián)的必要性也不大,近年來(lái)已采用不多。根據(jù)近些年來(lái)多個(gè)醫(yī)院手術(shù)室設(shè)計(jì)與運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn),首選的方案宜是由新風(fēng)承擔(dān)全部熱、濕負(fù)荷,利用二次回風(fēng)再熱的空氣處理方案,及一次、二次回風(fēng)的空氣處理方案,即表7中的方案1、方案2。方案1室內(nèi)沒(méi)有返回空調(diào)機(jī)組的回風(fēng)管道,不僅系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單,而且一套新風(fēng)處理機(jī)組可供給多間手術(shù)室,新風(fēng)機(jī)組可根據(jù)手術(shù)室使用數(shù)量及狀況,采取變頻控制減少能耗,手術(shù)室內(nèi)的加壓過(guò)濾機(jī)組便于獨(dú)立控制?？諝獾臒帷裉幚砑性谛嘛L(fēng)機(jī)組,僅通過(guò)新風(fēng)送風(fēng)管道與房間加壓凈化機(jī)組連接,有助于遠(yuǎn)離存在滋生細(xì)菌風(fēng)險(xiǎn)的凝水盤等。那么,新風(fēng)是否足以承擔(dān)手術(shù)室的熱、濕負(fù)荷?依照表3,6的各項(xiàng)計(jì)算數(shù)據(jù),以天津地區(qū)為例,按照方案1的空氣處理過(guò)程,所得結(jié)果見(jiàn)表8。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50333—2002關(guān)于新風(fēng)量的規(guī)定之一,Ⅰ級(jí)手術(shù)室新風(fēng)量≮1000m3/h,Ⅱ,Ⅲ級(jí)≮800m3/h,Ⅳ級(jí)≮600m3/h。由表8可知,采用由新風(fēng)承擔(dān)全部室內(nèi)熱、濕負(fù)荷及二次混合的方案1,滿足不了規(guī)范對(duì)于Ⅰ級(jí)和Ⅲ級(jí)手術(shù)室最小新風(fēng)量的要求。如果必須滿足關(guān)于最小新風(fēng)量的此項(xiàng)規(guī)定,則Ⅰ級(jí)、Ⅲ級(jí)手術(shù)室為避免室溫偏低,就需要在新風(fēng)與室內(nèi)空氣混合后,再通過(guò)二次加熱,提升送風(fēng)的比焓。表9所列數(shù)值即為按規(guī)范此項(xiàng)規(guī)定的最小新風(fēng)量計(jì)算時(shí),各級(jí)手術(shù)室的空調(diào)冷負(fù)荷及新風(fēng)冷負(fù)荷。以Ⅰ級(jí)手術(shù)室為例,由于二次混合后的空氣比焓為48.9kJ/kg,低于室內(nèi)設(shè)計(jì)工況下要求的送風(fēng)比焓49.2kJ/kg,因此還需要二次加熱量約0.9kW。也就是說(shuō),對(duì)Ⅰ級(jí)手術(shù)室而言,若將新風(fēng)量從810m3/h提升至1000m3/h,除所增加新風(fēng)的能耗外,還需要附加損耗1.8kW的冷熱抵消量。3關(guān)于意見(jiàn)和建議3.1根據(jù)最小新風(fēng)量取值醫(yī)院空調(diào)是能耗大戶,根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn),其能耗一般是辦公建筑能耗的1.6～2.0倍,而手術(shù)室又是醫(yī)院中空調(diào)能耗最為突出的部門,以所設(shè)計(jì)的天津某醫(yī)院為例,夏季設(shè)計(jì)工況時(shí)Ⅰ級(jí)手術(shù)室能耗為352W/m2,Ⅱ級(jí)為358W/m2。并非是手術(shù)室內(nèi)產(chǎn)熱量大,主要能耗在于新風(fēng),占手術(shù)室空調(diào)能耗的3/4左右,如表9所示。表9是根據(jù)GB50333—2002中表7.1.6“手術(shù)室新風(fēng)量最小值”計(jì)算得到的。該規(guī)范的表4.0.1還給出了另兩個(gè)最小新風(fēng)量的取值依據(jù),即Ⅰ,Ⅱ級(jí)手術(shù)室≮6h-1,Ⅲ,Ⅳ級(jí)手術(shù)室≮4h-1,及手術(shù)室內(nèi)每人≮60m3/h,而這兩個(gè)取值方法與美國(guó)現(xiàn)行的建筑學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(AIA—2003)、美國(guó)供暖制冷空調(diào)工程師協(xié)會(huì)手冊(cè)(ASHRAE—2003)以及日本醫(yī)療福祉設(shè)備協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(HEAS-02—2004)大體一致,甚至還略高。例如美國(guó)、日本規(guī)范所規(guī)定的最小新風(fēng)量是5h-1,及每人50m3/h。按GB50333—2002所給出的這兩個(gè)取值方法,各級(jí)手術(shù)室的最小新風(fēng)量見(jiàn)表10。由表10可看出,按GB50333—2002所規(guī)定的新風(fēng)換氣次數(shù)或人均新風(fēng)量得出的各級(jí)手術(shù)室總的新風(fēng)量與表9所列GB50333—2002的另一規(guī)定“新風(fēng)量最小值”相比都要偏小些。的確,歐洲國(guó)家所規(guī)定的最小新風(fēng)量一般為1000～1200m3/h,可能這也是GB50333—2002規(guī)范有關(guān)新風(fēng)量取值的依據(jù)之一,但歐洲的經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)的手術(shù)室可能借鑒價(jià)值偏小,其一是常用的麻醉方式不同,國(guó)內(nèi)主要采用注射麻醉劑,手術(shù)期間通過(guò)患者呼吸釋放至手術(shù)室的麻醉氣體量較少,德國(guó)、瑞士等歐洲國(guó)家習(xí)慣采用氣體麻醉方式,擴(kuò)散速率較高;其二是歐洲大部分地域全年氣候溫和,尤其是夏季,大部分時(shí)段全新風(fēng)通風(fēng)即可,新風(fēng)的空調(diào)負(fù)荷量很小,與國(guó)內(nèi)情況大不相同。另外,規(guī)范在編制說(shuō)明中對(duì)表7.1.6最小新風(fēng)量所作說(shuō)明中提到的“也是最主要的,即為了在開(kāi)門狀態(tài)下”能有0.08～0.1m/s的向外氣流速度作為確定新風(fēng)量的最低標(biāo)準(zhǔn),這一點(diǎn)似乎更顯牽強(qiáng)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及CFD數(shù)值模擬的結(jié)果都說(shuō)明,當(dāng)手術(shù)室1.4m×1.9m=2.66m2這么大尺寸的門開(kāi)啟時(shí),事實(shí)上即便內(nèi)外兩側(cè)無(wú)溫度差別,平均0.1m/s的面風(fēng)速完全不可能“抵制外部空氣入侵”。首先,從制度上應(yīng)規(guī)定在手術(shù)前一切準(zhǔn)備就緒,手術(shù)施行過(guò)程中門應(yīng)是經(jīng)常關(guān)閉的;其次,在特殊情況短暫開(kāi)啟門時(shí),其侵入的氣流在室內(nèi)平面布局合理、手術(shù)區(qū)豎直定向氣流運(yùn)行正常情況下,應(yīng)不會(huì)影響手術(shù)核心區(qū)的污染水平。以門全開(kāi)時(shí)維持一定風(fēng)速的正壓氣流作為加大新風(fēng)量依據(jù)不盡合理。根據(jù)以上認(rèn)識(shí),如果Ⅰ,Ⅱ級(jí)手術(shù)室按最小換氣次數(shù),Ⅲ,Ⅳ級(jí)手術(shù)室按人均最小新風(fēng)量計(jì)算,仍以天津某醫(yī)院為例,各級(jí)手術(shù)室的夏季設(shè)計(jì)工況總冷負(fù)荷及新風(fēng)冷負(fù)荷見(jiàn)表11。此時(shí),除Ⅰ級(jí)手術(shù)室外,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ級(jí)手術(shù)室均采用方案2,可有少量一次回風(fēng)。比較表9與表11,可以看到在合理降低新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)后,各級(jí)手術(shù)室的節(jié)能幅度在14%～30%范圍,這是值得認(rèn)真探討的問(wèn)題。當(dāng)然,增設(shè)熱回收設(shè)備,也是降低新風(fēng)能耗的必要措施之一,但因手術(shù)室通風(fēng)系統(tǒng)限于采用顯熱換熱回收裝置,僅此一項(xiàng)措施難于大幅降低能耗。手術(shù)室冬季、過(guò)渡季和夏季的空氣處理思路基本相同,即將新風(fēng)或混有少量回風(fēng)的空氣處理至送風(fēng)的機(jī)器露點(diǎn),與室內(nèi)回風(fēng)二次混合到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn),再送入室內(nèi),消除室內(nèi)余熱、余濕。不同之處在于對(duì)新風(fēng)需要加濕、加熱,方可使其達(dá)到機(jī)器露點(diǎn)。無(wú)論是蒸汽加濕、電加濕或絕熱加濕,都需要耗費(fèi)熱能。若能采用純凈水以汽-汽換熱方式產(chǎn)生的干飽和蒸汽加濕空氣,較理想,可減少電耗,但往往醫(yī)院未必能提供汽源。對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū),為避免空調(diào)系統(tǒng)換熱設(shè)備凍壞而不得不采用電熱方式預(yù)熱新風(fēng),使其達(dá)到一定溫度后,再進(jìn)空調(diào)機(jī)組繼續(xù)加熱?？梢?jiàn),冬季、過(guò)渡季的空調(diào)能耗很大程度上也同樣取決于新風(fēng)量。3.2重點(diǎn)關(guān)注:生物固專高效過(guò)濾器醫(yī)院手術(shù)室能耗之所以高,除去新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)偏高外,與其要求空調(diào)凈化的應(yīng)用范圍偏大,對(duì)空氣凈化的要求偏高也有很大關(guān)系,現(xiàn)行規(guī)范要求手術(shù)室的空調(diào)系統(tǒng)至少設(shè)置三級(jí)過(guò)濾,其驅(qū)動(dòng)能耗必然偏高。事實(shí)上,對(duì)室內(nèi)潔凈度起決定影響的是高效過(guò)濾器,粗效過(guò)濾器、中效過(guò)濾器主要起減輕高效過(guò)濾器塵埃負(fù)荷的作用。室外空氣臟時(shí),無(wú)非是勤換、勤洗過(guò)濾器而已,未必要設(shè)很多級(jí)。近年來(lái),西方工業(yè)國(guó)家對(duì)醫(yī)院手術(shù)室的空調(diào)凈化措施與手術(shù)感染率的關(guān)聯(lián)性作出了新的評(píng)價(jià)與定位。美國(guó)《手術(shù)部位防止感染指南》(Guidelineforpreventionofsurgicalsiteinfection)在對(duì)手術(shù)感染率風(fēng)險(xiǎn)分析中,通風(fēng)、凈化分別被列為較次要的ⅠB類和更次要的Ⅱ類影響因素。德國(guó)工程師協(xié)會(huì)VDI2167工程指南《醫(yī)院的建筑設(shè)施工程》中指出,“與手術(shù)室相鄰的其余房間,甚至是定向氣流保護(hù)區(qū)域以外的其他區(qū)域都沒(méi)有特殊的通風(fēng)需求,只需要手術(shù)室定向送風(fēng)裝置可達(dá)到期望的保護(hù)效果”。也就是說(shuō)生物潔凈手術(shù)室以外的其他房間無(wú)需都采用末級(jí)為高效過(guò)濾器的通風(fēng)系統(tǒng)。日本醫(yī)療福祉設(shè)備協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《醫(yī)院空調(diào)設(shè)備的設(shè)計(jì)管理指南》2004年底頒發(fā)的版本HEAS-02—2004對(duì)1998版本也作了較大的變更。例如,1998年HEAS-02—1998標(biāo)準(zhǔn)中,手術(shù)室的洗刷手部規(guī)定處于Ⅱ級(jí)清潔區(qū)(高效過(guò)濾器DOP效率>95%,相當(dāng)于亞高效),2004年HEAS-02標(biāo)準(zhǔn)中改為處于Ⅲ級(jí)準(zhǔn)潔凈區(qū)(高效過(guò)濾器比色法效率80%以上),可認(rèn)為此區(qū)已不屬于潔凈室之列。又如1998年HEAS-02標(biāo)準(zhǔn)中,規(guī)定手術(shù)室周邊區(qū)如恢復(fù)室等處于