医院I级洁净手术室的流场和温度场的数值模拟

1、医院I级洁净手术室的流场和温度场的数值模拟                        提要本文对I级洁净手术室实际运行时的流场和温度场进行数值模拟，证实了医院洁净手术部建设标准中的部分技术参数范围（主要针对空态手术室）在动态时的可操作性。标准在I级洁净手术室中用局部送风代替全室单向流气组织形式，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

2、行费用，符合我国的国情。关键词I级洁净手术室 数值模拟 主流区 速度场 温度场1 引言我国新的医院洁净手术部建设标准（以下简称标准）已与2000年10月正式颁布并开始实施，已成为国内新建手术室和旧手术室的主要设计标准。标准采用我国"主流区"理论联系实际科研成果，以保障用较小的同量在关键区域达到较好的控制效果。但这一技术措施的净化效果在学术界也引起了争论，尤其是在I级洁净手术室。为此，本文对实际运行时的I级洁净手术室的流场和温度场进行数值模拟，以验证标准中的部分技术参数范围（主要针对空态手术室）在动态时的可操作性，以及在我国目前的国情下，标准在I级洁净手术室中用局部送风代替全

3、室单向流理论的可行性。在传统的空调设计中，由于送风口、回风口以及室内热源等因素的影响，难以对室内三维流场、速度场进行精确计算，在一定程度上影响了系统设计及设备选型的经济技术合理性。采用模型实验的方法对室内气候环境参数的分布情况进行预测虽然可靠，但是预测周期长、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数资料。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

4、实际设计预测中，并取得了较好的效果，尤其是对影剧院及建筑中厅等大空间的设计预测。国内以前在数值计算方面的研究主要集中在运用自己开发的应用程序进行模拟，尤其是对净化空调作的模拟研究比较多。这些模拟大多是二维或简单的三维工业洁净空调模拟，且主要是空态的，与实际运行时的情况相关较大。本文将利用FLUENT软件对实际运行的I级洁净手术室的流场和温度场进行三维数值模拟，分析动态手术室的气流控制效果。2 几何模型本文模拟的手术室是按照医院洁净手术部建设标准的规定设计的I级洁净手术室。整个模型都严格按照标准的要求进行设计（表1）。I级洁净手术室部分主要技术参数表1 温度（ ）相对温度（%）房间面积（m2）送

5、风面积（m2）人数(个)风速(m/s)最小新风量(次/h)排风量(m3/h)222550604045120.250.306100房间面积为特大型手术室的最小净面积。风速为手术区工作台面高度截面平均风速。标准强度关键部位的保护意识，将是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，提出了利用主流区工作区的技术思路，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，标准将手术室区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级洁净手术室，按标准要求，送风口面积为2.4×2.6=6.24m2。本例采用了手术

6、室吊顶送风，直接将洁净气流"填充"到关键区域，切断空气污染的途径，这样便大大降低了手术室的送风量4。根据标准规定，设计几何模型如图1所示。房间尺寸X×Y×Z=8 m×3 m×6 m；送风口2.6 m×2.4 m；两侧下回风，回风口4.0 m×0.3 m，底边离地0.1m；排风口0.4 m×0.4 m；人模型0.4 m×0.2 m×1.7 m；医用设备0.4 m×0.6 m×0.8 m；手术台1.8 m×0.6 m×0.8 m。手术室中人员流程和设

7、备摆放见参考文献2。工作区高度（空态时离地面0.8 m处）的风速应控制在0.250.30m/s范围内，为达到此要求，根据笔者的设计经验，取送风速度为0.46m/s，送风量为10300m3/h，约72次换气，如果按以前仿照工业洁净室设计的百级手术室，工作区达到0.250.30m/s的风速需要300360次换气。送风速度（m/s）排风量（m3/h）冷负荷（W）医护人员病人照明（1）医用设备围护结构（W/（m2·K）0.46100071×1264×1人80030001.17(t=2K)注：（1）采光荧光灯作为泛光照明，不计手术集中照明。本例采用间距0.2 m×0.2 m×0.2 m的正四面体网格。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，满足标准中的I级洁净手术室局部百级的要求。在主流区周围产生了较大涡流，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，除主流区外的其他区域无法保证单向流，其流态为乱流。排风口离送风口距离较远（