如何用计算流体力学指导手术室洁净空调运行优化

引言

某医院手术部共20间手术室，其中I级手术室3间（含1间I级眼科）、II级手术室2间，III级手术室15间（包括1间负压手术室），按照《医院洁净手术部建筑技术规范》（GB50333-2013）标准设计与建设。实际运行中，部分手术室由于人员和医疗设备散热多，冬季仍需要供冷，存在室内温湿度调节响应不及时，周期性波动、甚至无法降到舒适值范围等问题。

由于手术室内的温湿度受气流、风速、出风、回风、排风、热源分布等众多参数影响，且存在明显的滞后效应，单纯通过人工参数调整的试探方式，很难试验出符合实际需要的参数设定集合。本文用CFD（计算流体力学）方法进行数值模拟；根据CFD模拟出的结果，进行现场参数调整试验，可以快速收敛到符合实际需要的数据集合，从而可以准确定位手术室空调效果差的具体原因，并高效完成洁净空调运行优化的目标。

手术室环境数值模拟

1、手术室洁净空调系统介绍

该医院地处江淮平原，属于冬冷夏热气候区，夏季计算干球温度33.2°C、湿球温度28°C；冬季计算干球温度-5°C，计算相对湿度74%。手术室室内洁净空调计算参数为干球温度21~25°C，相对湿度30~60%。

考虑到该院手术部一年四季均有冷热需求，洁净空调冷热源系统采用了四管制的风冷螺杆热泵机组，可以同时独立设置冷热水温度，过渡季节采用自动平衡换热器，无需手动切换。设计供应冷水温度7°C/12°C，热水温度45°C/40°C。

洁净空调的风系统采用循环机组（空调箱）加新风机组（空调箱），具体运行策略采用新风湿度优先控制模式。新风机组配深度除湿机，在夏季工况，将各手术室所需的新风集中降温除湿处理，确保经过处理的新风的绝对含湿量达到设计所需要的水平后进入各循环系统，过干的新风可以抵消室内的显湿。循环机组只须承担室内的显热负荷，使机组盘管趋向于干式运行，避免产生大量冷凝水的同时也避免了传统恒温恒湿处理方式中的大量冷热量抵消，整体能耗大大降低。

每间手术室设一套循环机组、含独立的控制柜、加湿器和排风等。手术室回风总管上安装温湿度传感器，用于实时采集回风的温湿度。控制柜根据设定参数和传感器反馈值，实时控制循环机组冷热水管三通调节阀的开启度。

洁净度保证和灭菌措施方面，采用三级有效安全过滤保证：新风机组的初效过滤器、中效过滤器、亚高效过滤器完成第一级预过滤；循环机组的中效过滤器承担二级过滤任务；送风末端（送风天花送风口）设高效过滤器完成第三级过滤。

手术室环境参数：温度21~25°C，相对湿度30~60%，每间手术室排风量不低于250m3/h。其中，I级手术室工作区平均风速0.20-0.25m/s；III级手术室最小换气18次/小时，最小新风量15~20m3/h。

2、手术室模型构建

国内外先后有多位学者采用CFD方法对I、II级手术室的气流和温湿度分布进行了数值模拟【1】、【2】、【3】，有一定的参考意义，但都是基于理想条件，缺少实际在用的手术室模型参数来指导洁净空调系统的运行。另外，考虑III级手术室数量通常占综合性医院手术室总量的70%以上，本文从该医院的III级手术室实际配置及使用情况出发，充分考虑出风口、排风口、人员和医疗设备散热等变量因素，进行数值模拟。

该医院某间III级手术室的实际环境参数如表1所示：

表格 1  III级手术室环境参数表

根据上述环境参数建立的几何模型如下图所示：

 图表 1   III级手术室几何模型图

手术室内气流属于混合流动，流态为湍流，数学模型采用室内零方程模型。速度与压力耦合采用SIMPLE算法。收敛条件是：流动方程相对误差不大于0.001，能量方程相对误差不大于1e-6。

根据初始设计，本间手术室循环空调箱的最大风量为2700m3/h（对应1.4m x 1.6m出风口的风速为0.335m/s），新风量1000m3/h（对应0.4m x 0.6m排风口的风速为1.157m/s）。

3、手术室模拟结果与分析

速度场模拟：

出风口0.15m/s风速（出风口温度23°C条件下）的速度场模拟结果如图所示：

 图表 2   出风口23°C温度、0.15m/s风条件下：X=3.5m断面流场图

 图表 3   出风口23°C温度、0.15m/s风条件下：Z=2.5m断面流场图

由图2和图3断面流场图可以看出，因为天花顶部排风口的存在，手术台外的排风口下方有明显的涡流，但在手术台上方的气流近似于垂直向下的层流，这样可以很好地保证手术区域不受脏气流的污染。

温度场模拟：

出风口温度23°C（0.10m/s风速条件下）的温度场模拟结果如图所示：

 图表 4  出风口23°C温度、0.10m/s风条件下：X=3.5m断面温度场图

图表 5  出风口23°C温度、0.10m/s风条件下：Z=-2.5m断面温度场图

由图4和图5断面流场图可以看出，在出风口温度23°C（0.10m/s风速条件下），手术台面及其上空的温度不超过27°C。表明按照III级手术室标准所规定的设计的1.4mX2.6m层流罩可以很好地保证手术台面及其上方区域的温度效果。

出风口温度、风速变化对医生及病人的影响

由经验得知，手术室室内的温度主要取决于出风口的温度和风速参数。为便于模拟，将出风口温度分别取值为17°C、20°C和23°C，出风口风速分别取值为0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s，设出风口湿度固定为50%。在上述组合条件下，分别模拟医生和病人体表环境温度，具体模拟结果如下所示。

 图表 6 出风口23°C温度、0.20m/s风条件下：Y=1.2m断面温度场

 图表 7  出风口20°C温度、0.20m/s风条件下：Y=1.2m断面温度场

 图表 8  出风口17°C温度、0.20m/s风条件下：Y=1.2m断面温度场

更多医生与病人体表环境温度的数值模拟汇总如表2所示：

表格 2 医生和病人体表环境温度数值模拟

由表2可知，手术台上病人的体表环境温度，与出风口温度比较接近。而医生由于通常位于层流气流边缘或外侧，其不同高度的体表环境温度与病人有明显差异。例如，出风口20°C、风速0.2或0.3m/s条件下，医生感觉体表环境温度适宜时（20~25°C），病人体表环境温度容易过低（20°C）。反之，出风口23°C、风速0.1m/s的送风参数组合对病人合适（25~28°C），但医生体感则会温度过高（超过30°C）。

4、手术室模型验证与实践指导

在该手术室的情报面板上，可以设置和显示温度、湿度和压差等参数。实际使用中却发现，此情报面板上显示的室内当前温湿度与实际体感相差较大。如图9所显示的当前温度为18.5°C，但用便携式温度计测量发现，手术室1.2m高度平面上，多处的实际温度为24.5°C或以上。

 图表 9  手术室情报面板数据显示图

由图表4的温度场断面得知，回风口的温度值明显低于手术台周边医生的体表环境温度。该手术室现场用红外测温测量出风口的温度为17°C，符合上节数值模拟的理论值预期，从而验证了该手术室的模型可以指导实际应用。情报面板显示温度与实际环境差异的原因是，情报面板上显示的温湿度值是来源于回风管道内温湿度传感器的反馈，不能直接代表手术室空间温湿度。

基于表格2的数值模拟结果，如果需要兼顾手术病人和医生的体感温度需求，该手术室出风口的温度和风速组合采用（23°C、0.2m/s）、（23°C、0.3m/s）、（20°C、0.1m/s）相对合适。情报面板上设置时提交的温度值，就是通过洁净空调箱控制器来设置出风口的温度。由于本手术室情报面板无法设置风速，通过试验将本间手术室的出风口温度值设置为23°C，此时病人体表环境温度实测值为24°，医生体表环境温度实测值为25~27°C，很好地兼顾了手术病人和医生的需求。

本文对此III级手术室的湿度场变化也进行了模拟，限于篇幅，具体过程不再展开。

洁净空调运行策略优化

在用数值模拟指导实际参数调节的过程中，偶尔还是会出现温湿度振荡和收敛速度慢的现象。经过深入分析，此类温湿度失控原因是手术室自动控制软件的温湿度控制逻辑关系造成的。

手术室温湿度控制逻辑常规的做法是：采集手术室回风的温湿度数据，采用PID（比例积分微分）控制空调机组冷热源及加湿器的温湿度输出。它的控制规律为：当控制量的目标值与检测值之间存在误差（或称为控制偏差）时，误差小，操作量就小；误差越大，操作量就越大。此类控制要求被控制流程不能有过冲现象（即超调现象）。然而手术室温湿度数据采集点设置在回风处，使其数据采集具有很大滞后性，不可避免出现超调。且在实际应用中，手术室工作人员希望手术室的温湿度调节时间尽可能快。然而温度的高速响应，更容易造成超调，并很可能形成长时间的温度振荡。

经过优化，该手术室的温度数据采集点改为送风口温度，湿度采集点为回风管中的回风湿度，采用PID控制空调机组冷热源及加湿器的温湿度输出。这样，既保留了采用PID基本控制策略来控制空调机组冷热源及加湿器的温湿度输出的优点，也从根本上解决了回风采集PID调节数据固有的滞后性导致的超调现象。手术室湿度的采集回风数据，是考虑到人员在温度适宜的情况下，对湿度指标不是十分敏感，仅是为了控制病菌生长；且手术室采集实际湿度数据来控制室内湿度，有效地避免了室内湿度波动情况。

结语

本文就III级手术室的实际环境进行了CFD数值模拟，较真实的反映了该手术室的流场、温度场的分布情况，模拟的结果经过现场测试数据验证，可很好地指导此类手术室洁净空调的实际参数优化。根据数值模拟结果和现场测试，进一步优化了该手术室自动控制软件的温湿度控制逻辑关系，温度数据采集点为送风口温度，湿度采集点为回风管中的回风湿度，有效地避免了室内温湿度波动情况的出现。