醫院潔凈手術室的室內空調參數分析

【摘要】對《醫院潔凈手術部建設標準》中 I 級潔凈手術室的流場和溫度場進行了數值模擬，證實了標準中的部分技術參數范圍 ( 主要針對靜態手術室 ) 在動態時是合適的，并具有可操作性。標準中規定 I 級潔凈手術室用局部送風代替全室單向氣流組織形式，既保證了關鍵區域的凈化要求，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。 

　引言 

　　空調設計的最終目的是以經濟技術合理的系統設計及設備選型實現所要求的室內氣候環境 ( 溫濕度、氣流、污染物質濃度等的分布 ) 。實現對這些環境參數的合理控制，有必要在進行具體設計前，對上述室內氣候環境參數的分布情況進行預測，把握不同系統的分布特征。 
　　在傳統的設計中，由于送風口、回風口以及室內熱源等因素的影響，室內三維流場、速度場難以進行精確計算。模型實驗雖然可靠，但是試驗周期長、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，為合理的系統設計及設備選型提供有益的參考資料。目前，國外許多設計所和建設單位都已經將 CFD 模擬技術應用到實際設計預測中，尤其是對影劇院及建筑中廳等太空間的設計預測。 
　　對于計算流體力學，簡單地說就是對描述流體物理現象的基礎方程式 ( 運動方程、質量守恒、能量守恒等聯立偏微分方程 ) 作離散化處理，進行數值模擬。離散化的對象是作為獨立變量的時間與空間變量，求出其對應的速度、溫度、濃度、壓力等參數。其中離散化處理 ( 時間、空間的分割 ) 直接與計算機的能力 ( 計算速度、內存容量 ) 相關。分割越細，對計算機的能力要求就越高 ( 模擬精度也就相對高 ) 。下面運用 CFD 對 I 級潔凈手術室的流場和溫度場進行數值模擬。 
　　1. 模擬算例背景 
　　本文模擬的手術室是按照 2000 年 10 月頒布的《醫院潔凈手術部建設標準》 ( 以下簡稱標準 ) 的規定設計的 I 級潔凈手術室。整個模型按照標準和文獻 [1] 手術室典型配置的要求進行設計。標準強調關鍵部位的保護意識，將最潔凈的空氣送到關鍵部位。根據我國的科研成果和運行實踐，標準提出了利用主流區作工作區的技術思路，將送風口直接布置在手術床上方，采用月Ⅻ集中送風方式，用潔凈氣流有效保護關鍵區域。為此，標準將手術室分為手術區和周邊區，分別給出指標，手術區范圍的劃分取決于手術室級別要求，本文模擬的 I 級潔凈手術室，按標準要求，送風口面積為 2．4x2．6=6．24m 2 。本例采用手術室吊頂送風，直接將潔凈氣流“填充”的關鍵區域，切斷空氣污染的途徑，這樣便大大降低了手術室的送風量。 
　　標準已經開始實施，但許多人對手術室內的流場和溫度場的分布情況還不是很清晰，并擔心將凈化所需的大風量集中送到關鍵區域，是否會對處于主流區的人員 ( 如醫生和手術臺上的病人 ) 的熱舒適性產生負面影響 [2] ；主流區的氣流能否保證在動態時不會對醫護人員產生吹風感。針對以上情況，本文對動態運行情況下的標準 I 級潔凈手術室的流場和溫度場進行數值模擬，對模擬結果進行分析。 
　　2. 幾何模型 
　　根據標準規定，工作區高度 ( 空態時離地面 0.8m 處 ) 的風速應控制在 0.25 米— 0．30 米范圍內，因此集中送風口處送風速度為 0．46m/s [4l ，送風量為 10300m 3/h ，約 72 次換氣，而以前遵照工業潔凈室設計思路的百級手術室需要幾百次換氣。本文通過對實際運行的手術室的流場和溫度場進行仿真產擬，分析動態手術室的氣流控制結果。其幾何模型如圖 1 所示。房間尺寸 XxYxZ=8x3x6m ；送風口 2．6x2．4m ；兩側下回風，回風口 4．0x0.3m ，底邊離地 0.1m ；排風口 0．4x0.4m ：人模型 0．4x0.2mxl．7m ；醫用設備 0．4x0.6x0.8m ；手術臺 1．8X0．6X0．8m  
　　 
　　1 送風口 2 醫用燈帶 3 回風口 4 排風口 5 醫用設備 6 手術床 7 醫護人員 8 病人 
　　圖 1 模擬手術室幾何模型 
　　3. 數學模型的選擇 
　　本文采用 RNG k- §模型，它是在標準 k —§模型的基礎上重新組合紊流生成源項而形成的。 
　　標準 k —§模型是建立在半經驗模型的基礎上，模型輸運方程組源于計算紊流動能 (k) 及其耗散率 ( § ) 。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學上卻沒有精確的定義。 
　　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 —§模型僅對充分發展的紊流流動計算有效。 
　　紊流動能 k 及其耗散率§可以從下面的輸運方程組得到： 
 式中， Gk ——由平均速度梯度引起的紊流動能，可用宋計算 k-s 模型中紊流生成量的模數化； 
　　Gb ——由于浮升力引起的紊流動能； 
　　YM-- 表示在可壓縮流體紊流中擾動膨脹對總耗散率的貢獻，可以用來計算 k — s 模型中可壓縮性對紊流的影響： 
　　µl ——為紊流粘性系數，可由 k 和計算 
　　模型常數取如下默認值： 
　　G1s=1．44 ， G2 =1．92 ， GP = 0．99