063 气流组织形式对洁净手术室净化效果的影响

气流组织形式对洁净手术室净化效果的影响 天津大学环境科学与工程学院 王运平 邢金城 凌继红 李永攀 摘要：针对相同室内条件、不同气流 组织形式下（垂直流和 单向流）的两种模型，运用 CFD在不同送风速 度时对两种流型室内粒子情况进行了数值模拟计算。以关键区沉降粒子、切口区捕集粒子和室内滞留粒 子为三个指标，对垂直单向流和水平 单向流的净化效果进 行比较研究，得出以下 结论：在相同的风量下， 水平流情况下的手术关键区沉降粒子数明显少于垂直流；在切口捕集粒子数上，垂直流送 风速度为 0.250.3m/s ，水平流送风速度为0.280.37m/s时，即可达到较好的效果；在相同风量下，水平单向流情 况下室内滞留粒子数明显少于垂直单向流情况下的室内滞留粒子。 关键词： 气流组织 洁净手术室 手术关键区 切口区 室内滞留粒子 1 前言 我国的 GB50333-2002医院洁净手术部建筑技术规范 推荐 I 级手术室使用单向垂直流，而国内 外学术界对于垂直流和水平流两种流型哪一种更适宜一直存在争议。从美国、日本两国情况来看，早 期采用水平单向流的形式多于垂直单向流的形式，随着无影灯的改进对垂直气流的干扰逐渐减少，应 用局部垂直单向流方式的洁净手术室逐渐增多。与美、日相比，欧洲一贯倾向于垂直单向流，对于两 种流型的净化效果争论一直不断。 为此，本文在相同风量下，以手术关键区沉降粒子、切口区捕集粒子和室内滞留粒子为三个指标， 对垂直单向流和水平单向流的净化效果进行数值模拟的比较研究。 2 物理模型和数学模型 2.1 物理模型 图 1 I 级手术室示意图 手术室的物理模型如图 1 和图 2 所示。 房间尺寸：8770mm5380mm3000mm 垂直流送风口尺寸：3000mm3000mm 垂直流回风口尺寸：800mm400mm(距地高度 100mm) 水平流送风口尺寸：2950mm2050mm(距地高度 500mm) 水平流回风口尺寸：2000mm1300mm(距地高度 500mm) 排风口尺寸：400mm400mm 图 2 室内设备及医护人员布置图 2.2 数学模型 为了简化计算，模型进行了如下假设： 1) 室内气流为不可压缩常物性牛顿粘性流体，稳态流动； 2) 假设送风面上风速均匀； 3) 不考虑辐射换热； 4) 手术室中细菌散发源仅考虑人员； 5) 不考虑微生物的沉降、自然衰减和自然生长； 6) 忽略由于人员扰动带来的气流影响。 许多研究表明：手术室中的细菌主要是由脱落的皮肤碎屑携带的，脱落的皮屑是最表面的角质层。 角质层的厚度总共约 100200m,由 20 层重叠在一起的死亡扁平细胞构成，每层的厚度约 510m。 同时，Woods 等人估计：手术台前手术人员散发的典型碎屑平均直径约 7.5m。在模拟过程中，粒子 的密度取 1000kg/m3。从概率的角度，人体的细菌可能从任一位置散出，但是在相同的散发率下，细 菌的散发位置不同将导致不同的室内浓度场的分布。从最不利的角度出发，在数值模拟中，人员细菌 散发位置设定在上半身和面部。 数值模拟中采用 K- 标准双方程模型计算气流运动，采用拉格朗日法追踪粒子。医护人员的散发 粒子数目为 600CFU/人.min。计算中，粒子受力考虑了气流力、重力、温度梯度导致的热泳力、亚观 粒子的布朗力，考虑横向速度梯度引起的 saffman 升力。 室内所有壁面为无滑移壁面，设备及人员的边界条件设定如表 1 所示。 表 1 室内人员及设备的边界条件 室内设备 数量 尺寸 边界条件及功率 无影灯 2 台 直径 600mm 常热流，2150W 照明灯 8 组 300mm1500mm 常热流，872W 心肺功能仪 1 台 500mm500mm1200mm 常热流，80W 麻醉机 1 台 500mm500mm1200mm 常热流，30W 医护人员 7 人 身高 1700mm 常壁温，300K 3 数值计算 3.1 计算工况 因为沉降生物粒子是造成手术部位感染的直接因素，而沉降粒子的分布主要受气流的影响，在模 拟中分别在相同送风方式（垂直或水平单向流）不同风量和相同风量不同送风方式的情况下，对手术 室的气流和手术关键区（病人上方，1m 高度）粒子数目进行了比较。为了节省计算时间，在模拟计算 中待流场稳定后，人体开始散发粒子，散发时间 1 分钟，计算 3 分钟，对比手术关键区粒子沉降数目 和室内滞留粒子数目。具体工况如表 2 所示： 表 2 计算工况表 风量（m 3/h） 12960 11340 9720 8100 6180 5832垂直单向流 风速(m/s) 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.18 风量（m 3/h） 12932 11620 9886 8112 6139 5832水平单向流 风速(m/s) 0.59 0.53 0.45 0.37 0.28 0.266 对不同风量下的气流组织进行模拟后可以看出，送风速度越大，气流对手术关键区的影响明显， 能够更好的保持单向流的特性。而且该模型中 3000mm3000mm 的送风口相对于传统的 2600mm2400mm 的送风口而言，即使在较小的送风速度下，从送风到回风过程气流组织单向流特性 明显，无疑对提高手术室环境有很好的效果。 3.2 垂直流不同送风速度下的粒子数比较 从结果可以看出，随着送风速度的减小，沉降在手术关键区的粒子数增多，同时室内滞留粒 子数也在增多，而且在送风速度达到 0.35m/s 以下时增加趋势更加明显。具体结果及比较如表 3 和 图 3、4 所示： 表 3 垂直流模拟结果 送风速度(m/s) 0.18 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 手术关键区捕捉微生物数 CFU 70 63 61 57 41 44 室内滞留的微生物数 CFU 1556 1058 914 755 737 504 010 2030 4050 6070 80 0.18 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4风 速 （ m/s） CFU 沉 降 粒 子 数 图 3 垂直流不同送风速度下手术关键区沉降粒子数 0500 10001500 20002500 30003500 1 20 40 60 80 100 120 140 160 180时 间 (s) CFU 0.18m/s0.2m/s 0.25m/s0.3m/s 0.35m/s0.4m/s 图 4 垂直流不同送风速度下室内滞留粒子数随时间的变化 3.3 水平单向流不同送风速度下的粒子数比较 在水平单向流的情况下，无论是高风速还是低风速的工况，手术室内都能很好的保持单向流的特 性，特别是在手术关键区虽然风速有所减小，但是气流的作用依然明显，因此可以更好的控制粒子的 运动，防止粒子沉降在手术关键区。同时从图中也可以看出，在高风速下在送风口两侧会形成涡流， 随着送风速度的减小，涡流区域减小，但是粒子的散发源处于涡流区的下风向，应该不会影响到室内 的粒子排出。 （1） 水平流不同送风速度下粒子数的比较 从结果可以看出，随着送风速度的减小，沉降在手术关键区的粒子数增多，同时室内滞留粒 子数也在增多，而且在送风速度达到 0.45m/s 以下时增加趋势更加明显。具体结果及比较如表 4 和 图 5、6 所示： 表 4 水平流模拟结果 风速（ m/s） 0.266 0.28 0.37 0.45 0.53 0.59 手术关键区捕捉微生物数 CFU 68 54 40 31 23 24 室内滞留的微生物数 CFU 467 433 278 275 303 271 010 2030 4050 6070 80 0.266 0.28 0.37 0.45 0.53 0.59风 速 （ m/s） CFU 沉 降 粒 子 数 图 5 水平流不同送风速度下手术关键区沉降粒子数 0500 10001500 20002500 30003500 4000 1 20 40 60 80 100 120 140 160 180 时 间 （ s） CFU 0.266m/s0.28m/s 0.37m/s0.45m/s 0.53m/s0.59m/s 图 6 水平流不同风速下室内滞留粒子随时间的变化 4 垂直流与水平流的比较 为了对比垂直流和水平流的净化效果，两种气流组织方式在几乎相同的风量下（风量误差不超过 3%） ，比较手术关键区沉降粒子数、切口区沉降粒子数和室内滞留粒子数。为了便于比较，以垂直流 的风量为基准。 0 10 20 30 40 50 60 70 80 5832 6180 8100 9720 11340 12960 风 量 （ m3/h） CF U 垂 直 流 水 平 流 图 7 两种气流组织方式下手术关键区沉降粒子数 从图 7 可以看到，在相同的风量下，水平流情况下的手术关键区沉降粒子数明显少于垂直流。只 有在风量为 5832m3/h 的情况下二者比较接近，其原因是水平流在较低送风速度下，手术关键区风速衰 减较大，以致粒子受重力的作用影响占主导地位。因此，随着风量的增加，二者差异越来越大。 手术的感染主要是通过直接或间接接触感染、病人自身感染和空气感染，据研究浮游于空气中的 病菌落入伤口而造成的感染占全部感染的 25%，因此该模拟中考虑了切口捕集的粒子数作为手术室性 能的评价指标之一。为了消除切口位置不同对模拟结果的影响，模型中在病人身上设置了三个切口同 时捕集粒子。每个切口尺寸 15cm x 15cm，具体位置见图 8： 图 8 切口位置布置图 模拟结果如表 5 所示： 表 5 垂直流和水平流三个切口捕集粒子数之和比较 风量(m 3/h) 12960 11340 9720 8100 6180 5832 垂直流对应风速（m/s） 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.18 垂直流切口捕集粒子数(CFU) 8 8 7 7 10 14 水平流对应风速（m/s） 0.59 0.53 0.45 0.37 0.28 0.266 水平流切口捕集粒子数(CFU) 1 1 2 6 6 13 从结果来看，垂直流结果规律性不是很好，其原因可能是在垂直流情况下，由于医护人员手术中 需要弯腰操作，粒子受人体表面所形成的热烟羽及人员站位等对气流的干扰比较强，对于 3m3m 的 送风天花比较合适的风速在 0.25m/s0.30m/s。而水平流呈现出来的结果比较有规律性，气流从病人上 方流过，粒子的运动受干扰比较小,水平流送风速度为 0.28m/s0.37m/s 时即可。总体而言，水平流的 情况要优于垂直流。 为了更全面的比较垂直流和水平流的净化效果，下面将对粒子散发 3 分钟后室内滞留粒子数进行 比较。如图 9 所示： 0200 400600 8001000 12001400 16001800 5832 6180 8100 9720 11340 12960 风 量 （ m3/h） CFU 垂 直 流水 平 流 图 9 垂直流与水平流室内滞留粒子比较 从图 9 可以看出，水平单向流情况下室内滞留粒子数明显少于垂直单向流情况下的室内滞留粒子。 综合比较，水平单向流的送风量在小于垂直单向流的送风量时，可以达到相同甚至更好的净化效 果，因此可以减少能耗，有一定的节能潜力。 参考文献 【1】 魏学孟，程锁明，王琳彦，巴峰， 两种单向流洁净手术室的比较，洁净与空调技术， 1999（3） 【2】 颜伟，CFD 技术在百级洁净手术室设计中的应用，建筑热能通风空调，2002（6） 【3】 涂光备，涂有等，对医院手术室空调通风设计的一些建议，暖通空调，2009（4） 【4】 涂光备，涂有，对当前医院手术室建设中一些问题的思考，暖通空调，2007（1）