医院洁净手术室的室内空调参数分析

【摘要】对《医院洁净手术部建设标准》中 I 级洁净手术室的流场和温度场进行了数值模拟，证实了标准中的部分技术参数范围 ( 主要针对静态手术室 ) 在动态时是合适的，并具有可操作性。标准中规定 I 级洁净手术室用局部送风代替全室单向气流组织形式，既保证了关键区域的净化要求，又大大降低了洁净手术室的造价和运行费用，符合我国的国情。 

　引言 

　　空调设计的最终目的是以经济技术合理的系统设计及设备选型实现所要求的室内气候环境 ( 温湿度、气流、污染物质浓度等的分布 ) 。实现对这些环境参数的合理控制，有必要在进行具体设计前，对上述室内气候环境参数的分布情况进行预测，把握不同系统的分布特征。 
　　在传统的设计中，由于送风口、回风口以及室内热源等因素的影响，室内三维流场、速度场难以进行精确计算。模型实验虽然可靠，但是试验周期长、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考资料。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，尤其是对影剧院及建筑中厅等太空间的设计预测。 
　　对于计算流体力学，简单地说就是对描述流体物理现象的基础方程式 ( 运动方程、质量守恒、能量守恒等联立偏微分方程 ) 作离散化处理，进行数值模拟。离散化的对象是作为独立变量的时间与空间变量，求出其对应的速度、温度、浓度、压力等参数。其中离散化处理 ( 时间、空间的分割 ) 直接与计算机的能力 ( 计算速度、内存容量 ) 相关。分割越细，对计算机的能力要求就越高 ( 模拟精度也就相对高 ) 。下面运用 CFD 对 I 级洁净手术室的流场和温度场进行数值模拟。 
　　1. 模拟算例背景 
　　本文模拟的手术室是按照 2000 年 10 月颁布的《医院洁净手术部建设标准》 ( 以下简称标准 ) 的规定设计的 I 级洁净手术室。整个模型按照标准和文献 [1] 手术室典型配置的要求进行设计。标准强调关键部位的保护意识，将最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，标准提出了利用主流区作工作区的技术思路，将送风口直接布置在手术床上方，采用月Ⅻ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，本文模拟的 I 级洁净手术室，按标准要求，送风口面积为 2．4x2．6=6．24m 2 。本例采用手术室吊顶送风，直接将洁净气流“填充”的关键区域，切断空气污染的途径，这样便大大降低了手术室的送风量。 
　　标准已经开始实施，但许多人对手术室内的流场和温度场的分布情况还不是很清晰，并担心将净化所需的大风量集中送到关键区域，是否会对处于主流区的人员 ( 如医生和手术台上的病人 ) 的热舒适性产生负面影响 [2] ；主流区的气流能否保证在动态时不会对医护人员产生吹风感。针对以上情况，本文对动态运行情况下的标准 I 级洁净手术室的流场和温度场进行数值模拟，对模拟结果进行分析。 
　　2. 几何模型 
　　根据标准规定，工作区高度 ( 空态时离地面 0.8m 处 ) 的风速应控制在 0.25 米— 0．30 米范围内，因此集中送风口处送风速度为 0．46m/s [4l ，送风量为 10300m 3/h ，约 72 次换气，而以前遵照工业洁净室设计思路的百级手术室需要几百次换气。本文通过对实际运行的手术室的流场和温度场进行仿真产拟，分析动态手术室的气流控制结果。其几何模型如图 1 所示。房间尺寸 XxYxZ=8x3x6m ；送风口 2．6x2．4m ；两侧下回风，回风口 4．0x0.3m ，底边离地 0.1m ；排风口 0．4x0.4m ：人模型 0．4x0.2mxl．7m ；医用设备 0．4x0.6x0.8m ；手术台 1．8X0．6X0．8m  
　　 
　　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 
　　图 1 模拟手术室几何模型 
　　3. 数学模型的选择 
　　本文采用 RNG k- §模型，它是在标准 k —§模型的基础上重新组合紊流生成源项而形成的。 
　　标准 k —§模型是建立在半经验模型的基础上，模型输运方程组源于计算紊流动能 (k) 及其耗散率 ( § ) 。模型中计算 k 的输运方程源于精确方程，而模型中计算§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- §模型应用的假定条件为：假设流动是充分发展的紊流，且分子粘性的影响可以忽略。标准 k —§模型仅对充分发展的紊流流动计算有效。 
　　紊流动能 k 及其耗散率§可以从下面的输运方程组得到： 
 式中， Gk ——由平均速度梯度引起的紊流动能，可用宋计算 k-s 模型中紊流生成量的模数化； 
　　Gb ——由于浮升力引起的紊流动能； 
　　YM-- 表示在可压缩流体紊流中扰动膨胀对总耗散率的贡献，可以用来计算 k — s 模型中可压缩性对紊流的影响： 
　　µl ——为紊流粘性系数，可由 k 和计算 
　　模型常数取如下默认值： 
　　G1s=1．44 ， G2 =1．92 ， GP = 0．99