1 　概述

《醫院潔凈手術(shù)部建設標準》頒布至今已經(jīng)有一年多了,《標準》對于規范潔凈手術(shù)部設計起到了重要的作用。

對于暖通空調領(lǐng)域來(lái)說(shuō),《標準》中對于不同等級的手術(shù)部的潔凈要求、送風(fēng)量要求、沉降菌濃度要求都作了明確的規定, 使設計工作有據可依。

但是, 對于百級潔凈層流手術(shù)室,《標準》中未對送風(fēng)量作出明確的規定, 只是對工作截面平均風(fēng)速提出了0 .25 ～ 0.3m/s的風(fēng)速要求, 眾所周知, 我國潔凈手術(shù)部設計是基于主流區控制理論的, 對于層流手術(shù)室送風(fēng)單元這種送風(fēng)形式, 又不可能利用射流公式進(jìn)行計算, 因此, 筆者在湘雅醫院層流手術(shù)室設計中利用CFD 技術(shù)進(jìn)行數值模擬計算。

2 　層流手術(shù)室建模

醫院手術(shù)部建筑平面如圖1 所示, 層流手術(shù)室面積為9150×5600m2 , 吊頂下層高3 .0m, 層流手術(shù)室等級為I 級, 空調氣流組織形式為頂送側回, 回風(fēng)口為8 個(gè), 底距0.1m , 風(fēng)口大小為1000×300m2 , 手術(shù)臺距地1 .0m , 尺寸為0.6×1.8m2 。

考慮到手術(shù)過(guò)程中發(fā)菌是室內發(fā)菌量的主要來(lái)源, 筆者用12 個(gè)長(cháng)方柱表示12 個(gè)醫務(wù)人員。為保證模擬的準確性,筆者采用四面體非結構網(wǎng)格劃分方法建模, 該模型的模擬結果即所謂靜態(tài)測試的結果, 建模后結果如圖2 所示。

3 　數值計算模型及邊界條件

3 .1　數值計算模型

在暖通空調領(lǐng)域CFD 計算中, 普遍采的是K -e 雙方程模型, 在本模擬中也不例外, 限于篇幅, 關(guān)于該模型的詳細介紹, 本文不再贅述,請參閱相關(guān)文獻[ 1] 。

在菌落模擬和濃度場(chǎng)模擬中有幾個(gè)假設, (1)菌落都是附著(zhù)于灰塵上的, 計算中用其附著(zhù)的灰塵軌跡作為菌落的軌跡。(2)不考慮溫度的影響, 即忽略溫差驅動(dòng)力。(3)根據有關(guān)文獻, 地面8m2 的發(fā)塵量和發(fā)菌量一個(gè)人員的發(fā)塵發(fā)菌相當, 人靜止的發(fā)菌量為300 個(gè)/(人?min), 發(fā)塵量為105 個(gè)/min, 發(fā)塵量比例頂棚:墻面:地面=1 :5:100。(5)因為灰塵的體積占氣體體積的比例微乎其微, 可以認為對氣流流場(chǎng)沒(méi)有影響, 因此, 模擬中采用非耦合計算。模擬濃度場(chǎng)和菌落場(chǎng)的基本方程為動(dòng)量方程(X 方向)

其中FD=18μ/(D2pρpCc)

Cc =1 +2λ/Dp[ 1 .257+0.4exp(-1.1(Dp/2λ))]

式中　λ——— 為分子平均自由程;

u ——— 空氣速度;

up ——— 粒子速度;

gx ——— 重力;

ρp ——— 粒子密度;

ρ——— 空氣密度;

Fx ——— 其它驅動(dòng)力;

Dp ——— 粒子直徑;

μ——— 動(dòng)力粘滯系數;

Re ——— 雷諾數;

3 .2　邊界條件處理

a、墻體邊界條件:

墻體速度邊界條件采用與紊流核心區不同的數學(xué)模型,將邊界層劃分為粘性底層和對數律層, 數學(xué)模型為:

式中　Ck ———Karman 常數, 取0 .42

E——— 經(jīng)驗數值, 取9 .81。

Up ——— 網(wǎng)格點(diǎn)速度。

Kp ——— 網(wǎng)格點(diǎn)湍動(dòng)能。

yp ——— 網(wǎng)格點(diǎn)與墻面的距離。

μ——— 流體紊流粘滯系數。

濃度場(chǎng)模擬中, 為簡(jiǎn)化計算, 假設微粒和墻體之間的碰撞為彈性碰撞, 無(wú)動(dòng)量和能量損失。

b 、風(fēng)口邊界條件

送風(fēng)單元模型

嚴格來(lái)講, 送風(fēng)單元的數值模型應該是相當復雜的, 首先, 潔凈氣流經(jīng)送風(fēng)單元進(jìn)入房間應該是個(gè)動(dòng)量守恒的過(guò)程, 而從另一方面考慮, 送風(fēng)單元的氣流進(jìn)入房間, 送風(fēng)斷面在離開(kāi)孔板后速度應該減小, 所以動(dòng)量似乎是減小了。這兩方面看起來(lái)是非常復雜的, 不能用不可壓的模型來(lái)描述, 而在我們暖通領(lǐng)域的模擬中, 往往不考慮氣體的可壓縮性, 所以會(huì )導致這種矛盾的現象。根據某送風(fēng)單元廠(chǎng)家的測試結論, 百級送風(fēng)單元(www..com)

濃度模擬中, 定義該邊界條件為逃逸邊界條件。

回風(fēng)口模型

回風(fēng)口為8 個(gè)1 ×0.3m2 的方型回風(fēng)口, 每個(gè)回風(fēng)口回風(fēng)量占總量的12.5 %。假設回風(fēng)口滿(mǎn)足充分發(fā)展段紊流出口模型。濃度模擬中,此邊界條件也為逃逸邊界條件。

4 　計算結果分析

4 .1　速度場(chǎng)模擬結果分析

本模擬的主要目的是研究送風(fēng)量對工作面風(fēng)速的影響,為手術(shù)的空調設計提供依據。計算時(shí)分別計算了0.41m/ s、0 .45m/ s、0 .48m/ s、0.50m/ s、0.52m/ s、0.54m/ s 時(shí)其工作面速度場(chǎng)分布, 模擬結果如圖3 、4、5 所示。

綜合模擬結果, 將工作面速度極值會(huì )成圖6 所示的曲線(xiàn), 由模擬結果可以看出(1)在出口風(fēng)速的0.48m/ s 時(shí), 工作面平均風(fēng)速基本可以達到《標準》中提出的0.25 ～ 0.3m/ s。(2)從曲線(xiàn)圖可以注意到, 隨著(zhù)出口風(fēng)速的增大, 工作面風(fēng)速增大的速度逐漸減慢, 也就是說(shuō), 曲于受到手術(shù)床邊界條件的影響, 增加出口風(fēng)速來(lái)提高工作面風(fēng)速是不經(jīng)濟的, 且會(huì )造成靠近工作面附近區域速度梯度增大, 手術(shù)區上方產(chǎn)生吹風(fēng)感。(3)從送風(fēng)單元模型可以看出, 由于出口風(fēng)速的確定方法是Q/A, 而孔板送風(fēng)的送風(fēng)速度是稍大于這個(gè)風(fēng)速的,因此,模擬風(fēng)量應該是設計的保守風(fēng)量。

4 .2　落菌數模擬結果分析

模擬結果中, 顯示工作區域均滿(mǎn)足百級的落菌要求百級的落菌要求(5 個(gè)/m3)。由模擬結果可見(jiàn), 在百級潔凈手術(shù)設計中, 落菌量已不是設計需要考慮的主要問(wèn)題了, 在如此大的層流送風(fēng)環(huán)境下, 工作區甚至部分周邊區都能滿(mǎn)足落菌量要求。

4 .3　含塵量模擬結果分析

從模擬結果來(lái)看,(1)在送風(fēng)速度0.41m/ s 以上時(shí), 手術(shù)區工作面高度的含塵量基本都要以滿(mǎn)足百級要求(≥0.5μm的微粒數目小于等于35×100 個(gè))。(2)由于人員是房間主要的塵源之一, 所以, 人員對工作面濃度分布影響較大, 如圖所示, 在人員周?chē)^大范圍內不能夠達到百級潔凈要求。(3)模擬結果顯示, 實(shí)際運行過(guò)程中, 室內濃度分布和主流區控制理論略有不同, 在手術(shù)臺和人員之間存在一個(gè)污峰區, 要減少這個(gè)區域的影響, 有必要對醫務(wù)人員進(jìn)行層流手術(shù)室的使用方面的培訓, 盡量減少對主流區流型的破壞。

5 　結論

(1)通過(guò)結潔凈層流手術(shù)室的數值模擬, 筆者認為0.48m/ s 的送風(fēng)速度(風(fēng)量10782m3/h)可以滿(mǎn)足《標準》中對手術(shù)工作面斷面風(fēng)速的要求。

(2)在0 .48m/ s 的送風(fēng)風(fēng)速情況下, 工作區的含塵濃度和落菌量完全可以滿(mǎn)足百級層流手術(shù)室的潔凈度要求。

(3)由于人員對層流手術(shù)室潔凈度有很大影響, 應對醫務(wù)人員進(jìn)行必要的層流手術(shù)室使用培訓。