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层流手术室送风系统的科学运用

发布日期:2019-07-19 20:50 浏览次数:

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,Comvutational

FluidDynamics)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C F D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大空间的设计预测。

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级层流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级层流手术室。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,采用局部集中送风方式,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,对本文模拟的I级层流手术室,按标准要求,送风口面积为2.4 x 2.6 = 6.24 m2。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伙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级层流手术室的流场和温度场进行数值模拟,并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0.25~0.30米范围内,因此集中送风口处送风速度为0.46m /S[4],送风量为10300m3/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模拟,分析动态手术室的气流控制效果。其几何模型如图1所示。房间尺寸X×Y×Z =8×3×6m;送风口2.6×2.4 m ;两侧下回风,回风口4.0×0.3 m ,底边离地0.l m ;排风口0.4×0.4 m ;人模型0.4×0.2×l.7 m ;医用设备0.4×0.6×0.8m ;手术台1.8×0.6×0.8 m。

3数学模型的选择

本文采用RNG k―ε模型,它是在标准k―ε模型的基础上重新组合紊流生成源项而形成的。标准k―ε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(的。模型中计算k的输运方程源于精确方程,而模型中计算s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―ε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―ε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8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,可用来计算k―ε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―ε模型中可压缩性对紊流的影响;

μ1—为紊流粘性系数,可由k和ε计算:

模型常数取如下默认值:

G1ε= 1.4 4,G2ε=1.92,Cμ= 0.9 9,σk= 1.0,σε= 1.3,C3ε= 1.0

这些默认值是由空气和水的紊流剪切流实验确定(包含拟剪切流)并消除了各向同性网格紊流。实验发现这些常数对各种壁面一边界和自由剪切流的情况都有效。

RNGk―ε模型输运方程和标准k―ε模型输运方程有相似的形式:

其中,Gk, Gb、YM含义也与标准k―ε模型相同用这种方法可以得到一个带常数的模型,这些常数部分与标准k―ε模型不同:

G1ε= 1.4 2,G2ε= 1.6 8 ,Cμ= 0.0 8 4 5。

RNGk―ε模型比标准k―ε模型能更好地反映快应变和流线型曲率的影响(主要体现在公式(4)的R项上),因此更适用于模拟室内通风这种高雷诺数的情形。

4物理边界条件及几何模型离散

本例的边界条件(见图1)均根据标准规定并结合实际设计条件给出,如表一所示。本例采用间距.0 2 x .0 2 x .0 2 m的正四面体网络。

5模拟结果与分析

有了以上的数学模型和物理边界条件,笔者模拟了该手术室的流场和温度场,并选取了其中具有代表性的断面进行分析,模拟结果见以下各图(图2―图5 )。

由图2和图3可以看出,在送风口正下方,手术床以上区域(主流区)范围内流场基本可以保证为单向流,满足标准中Ⅰ级层流手术室局部百级的要求。在主流区周围产生了较大的涡流,手术床以下区域,由于回风影响,气流方向发生了明显的倾斜,由此可见,除主流区外的其它区域流态为乱流。排风口离送风口距离较远( 1.9 m ),且排风速度较小( 1.0m/ s ),可见布置是合适的,排风对送风流场影响不大。在实际设计中应注意排风口与送风口间的距离和排风速度,以免发生气流短路现象。

由图4可以清楚地看到Y =1.1m断面(手术床以上0.3 m处断面)各处流速和温度大小的分布。主流区速度大小介于0.19m/ s―0.34m/ s之间,手术床台面对应区域风速介于0.14 m / S―0.1 9m/ s之间.小于标准规定的“手术区工作台面高度( Y = 0.8 m断面)的截面平均风速: 0.25 m / s―0.3m/ s”,但标准中是指空态时手术室的流场。

从图5和图7可以看出,主流区温度最接近单向流送风温度( 22℃),大约在2 95.17 K( 22.02℃)左右。主流区内医护人员表面0.2m范围内温度梯度较大(△T人= 3.2℃)。主流区医护人员人体表面温度约为25℃,而周边区气流速度(约0.1m / S)比主流区气流速度(约.0 4 m / S )小得多,该区医护人员体表温度也较高,约为27℃。手术床区域温度为297.39 K ( 24.24℃),温升主要为病人散热所致。从中可以看出,由于送风量较大,除热源表面外,室内温度分布比较均匀,大致在22.2℃―22.28℃范围内,能够保证室内热舒适要求。从图7还可以看出,主流区外科医生头顶0.1m处温度大约为2 4℃,气流速度0.14 m / S ,周边区医护人员头顶0.1m处温度大约为30℃,气流速度0.0 6m / S。.00 6~0.14m / S的气流速度处于一般认为的舒适性风速域值0.05~0.15m / S,不会使医护人员产生吹风感,这与有的文献单纯从舒适理论分析得出结论不太符合。相反,我们曾对多家按标准建成洁净手术部的医院进行调查研究,医护人员在手术室内感觉,鲜有“冷”或吹风感的抱怨。事实上,更多的医护人员认为手术室内经常过热或过闷。笔者对于这种理论与实践上的反差进行探讨。

认为出现这种现象的主要原因之一是衣着和心理状态不同,手术过程中的医护人员内穿洗手衣,外穿无菌服,且手术过程中的医护人员均戴帽子和口罩,心理和生理都处于高度紧张状态。与办公室环境差别太大。按ISO标准测算,单无菌服的热阻在0.12 m2·k / w至0.16 m2·k / w的范围内,相当于美国学者A.P.Gagge所提出的衣服热阻单位0.8―1.0clo,高于一般为确定热舒适区所进行的实验中被测人员的衣服热阻( 0.6―0.8clo)。综上分析,可以认为局部集中送风方式对室内医护人员的热舒适不会造成负面影响,无论理论分析还是实感反映基本上均处于热舒适状态。

本文并没有对手术室进行浓度场分析,这是因为手术室主要是控制细菌浓度,净化只是保障手段,引起术后感染的不是尘埃浓度,也不是大气杂菌。是特定的致病菌,而且还要求达到一定浓度。最新1999年版的美国供热、制冷和空调工程师学会( ASHRAE)的手册中的应用篇规定对于全新风的手术室最小换气次数为15 h-1;而允许回风的手术室最小换气次数为25 h-1,新风量换气次数不小于5h-1。显然全新风和允许回风的手术室两者换气次数相差较大,所达到的洁净度级别肯定是不会相同的,但是两者在卫生学上是等价的,或者说引起术后感染率无差异。可见单纯模拟室内尘埃浓度场有时并没有十分重要的实际意义

5结论

本文通过以上对《医院洁净手术部建设标准》Ⅰ级层流手术室的数值模拟,较真实地反映了该层流手术室的流场和温度场的分布情况。经过分析认为,局部集中送风方式对室内人员的热舒适不会造成负面影响,不会出现“吹冷风”的感觉。

证实了标准中的部分技术参数范围(主要针对静态手术室)在动态时的可操作性与合理性。标准运用主流区理论的局部送风替代全室单向流气流组织形式,既保证了手术关键区的净化要求,又大大减小了送风量,降低了该类层流手术室的造价和运行费用,既保证了技术要求,又符合我国的国情。

参考文献

1.许钟麟,主流区理论─我国医院层流手术室要求集中布置送风口的理论基础,《暖通空调》,2001,第5期

2.许为全,曹莉,关于医院手术室净化空调设计方法的研讨,《洁净与空调技术》, 2001 ,第4期

3.《医院洁净手术部建设标准》,2000年1 0月

4.沈晋明,洁净手术部的净化空调系统设计理念与方法,《暖通空调》,2001,第5期

5 .陶文锉,数值传热学,西安交通大学出版社,198 8

6.沈晋明,层流手术室菌尘控制与送风量的确定,《洁净与空调技术》,2001,第2期

7.许钟麟,空气洁净技术原理,同济大学出版社,1 9 9 8

8 .涂光备等,洁净室空调设计的一些问题,第五届海峡两岸制冷技术交流会论文专辑,上海,2001.7

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