1 概述
《醫(yī)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(guī)范潔凈手術(shù)部設計起到了重要的作用。
對于暖通空調(diào)領域來說,《標準》中對于不同等級的手術(shù)部的潔凈要求、送風量要求、沉降菌濃度要求都作了明確的規(guī)定, 使設計工作有據(jù)可依。
但是, 對于百級潔凈層流手術(shù)室,《標準》中未對送風量作出明確的規(guī)定, 只是對工作截面平均風速提出了0 .25 ~ 0.3m/s的風速要求, 眾所周知, 我國潔凈手術(shù)部設計是基于主流區(qū)控制理論的, 對于層流手術(shù)室送風單元這種送風形式, 又不可能利用射流公式進行計算, 因此, 筆者在湘雅醫(yī)院層流手術(shù)室設計中利用CFD 技術(shù)進行數(shù)值模擬計算。
2 層流手術(shù)室建模
醫(yī)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(diào)氣流組織形式為頂送側(cè)回, 回風口為8 個, 底距0.1m , 風口大小為1000×300m2 , 手術(shù)臺距地1 .0m , 尺寸為0.6×1.8m2 。
考慮到手術(shù)過程中發(fā)菌是室內(nèi)發(fā)菌量的主要來源, 筆者用12 個長方柱表示12 個醫(yī)務人員。為保證模擬的準確性,筆者采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法建模, 該模型的模擬結(jié)果即所謂靜態(tài)測試的結(jié)果, 建模后結(jié)果如圖2 所示。
3 數(shù)值計算模型及邊界條件
3 .1 數(shù)值計算模型
在暖通空調(diào)領域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, 關于該模型的詳細介紹, 本文不再贅述,請參閱相關文獻[ 1] 。
在菌落模擬和濃度場模擬中有幾個假設, (1)菌落都是附著于灰塵上的, 計算中用其附著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(qū)動力。(3)根據(jù)有關文獻, 地面8m2 的發(fā)塵量和發(fā)菌量一個人員的發(fā)塵發(fā)菌相當, 人靜止的發(fā)菌量為300 個/(人?min), 發(fā)塵量為105 個/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沒有影響, 因此, 模擬中采用非耦合計算。模擬濃度場和菌落場的基本方程為動量方程(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(qū)動力;
Dp ——— 粒子直徑;
μ——— 動力粘滯系數(shù);
Re ——— 雷諾數(shù);
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(qū)不同的數(shù)學模型,將邊界層劃分為粘性底層和對數(shù)律層, 數(shù)學模型為:
式中 Ck ———Karman 常數(shù), 取0 .42
E——— 經(jīng)驗數(shù)值, 取9 .81。
Up ——— 網(wǎng)格點速度。
Kp ——— 網(wǎng)格點湍動能。
yp ——— 網(wǎng)格點與墻面的距離。
μ——— 流體紊流粘滯系數(shù)。
濃度場模擬中, 為簡化計算, 假設微粒和墻體之間的碰撞為彈性碰撞, 無動量和能量損失。
b 、風口邊界條件
送風單元模型
嚴格來講, 送風單元的數(shù)值模型應該是相當復雜的, 首先, 潔凈氣流經(jīng)送風單元進入房間應該是個動量守恒的過程, 而從另一方面考慮, 送風單元的氣流進入房間, 送風斷面在離開孔板后速度應該減小, 所以動量似乎是減小了。這兩方面看起來是非常復雜的, 不能用不可壓的模型來描述, 而在我們暖通領域的模擬中, 往往不考慮氣體的可壓縮性, 所以會導致這種矛盾的現(xiàn)象。根據(jù)某送風單元廠家的測試結(jié)論, 百級送風單元(www..com)下0.3m 斷面送風速度大致為0.47m/s,這一結(jié)果比廠家用Q(風量)/A(送風單元面積)計算而得的送風速度相差不大;為簡化模型, 筆者采用Q/ A 作為送風單元以下的送風速度。
濃度模擬中, 定義該邊界條件為逃逸邊界條件。
回風口模型
回風口為8 個1 ×0.3m2 的方型回風口, 每個回風口回風量占總量的12.5 %。假設回風口滿足充分發(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(jié)果分析
4 .1 速度場模擬結(jié)果分析
本模擬的主要目的是研究送風量對工作面風速的影響,為手術(shù)的空調(diào)設計提供依據(jù)。計算時分別計算了0.41m/ s、0 .45m/ s、0 .48m/ s、0.50m/ s、0.52m/ s、0.54m/ s 時其工作面速度場分布, 模擬結(jié)果如圖3 、4、5 所示。
綜合模擬結(jié)果, 將工作面速度極值會成圖6 所示的曲線, 由模擬結(jié)果可以看出(1)在出口風速的0.48m/ s 時, 工作面平均風速基本可以達到《標準》中提出的0.25 ~ 0.3m/ s。(2)從曲線圖可以注意到, 隨著出口風速的增大, 工作面風速增大的速度逐漸減慢, 也就是說, 曲于受到手術(shù)床邊界條件的影響, 增加出口風速來提高工作面風速是不經(jīng)濟的, 且會造成靠近工作面附近區(qū)域速度梯度增大, 手術(shù)區(qū)上方產(chǎn)生吹風感。(3)從送風單元模型可以看出, 由于出口風速的確定方法是Q/A, 而孔板送風的送風速度是稍大于這個風速的,因此,模擬風量應該是設計的保守風量。
4 .2 落菌數(shù)模擬結(jié)果分析
模擬結(jié)果中, 顯示工作區(qū)域均滿足百級的落菌要求百級的落菌要求(5 個/m3)。由模擬結(jié)果可見, 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題了, 在如此大的層流送風環(huán)境下, 工作區(qū)甚至部分周邊區(qū)都能滿足落菌量要求。
4 .3 含塵量模擬結(jié)果分析
從模擬結(jié)果來看,(1)在送風速度0.41m/ s 以上時, 手術(shù)區(qū)工作面高度的含塵量基本都要以滿足百級要求(≥0.5μm的微粒數(shù)目小于等于35×100 個)。(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, 在人員周圍較大范圍內(nèi)不能夠達到百級潔凈要求。(3)模擬結(jié)果顯示, 實際運行過程中, 室內(nèi)濃度分布和主流區(qū)控制理論略有不同, 在手術(shù)臺和人員之間存在一個污峰區(qū), 要減少這個區(qū)域的影響, 有必要對醫(yī)務人員進行層流手術(shù)室的使用方面的培訓, 盡量減少對主流區(qū)流型的破壞。
5 結(jié)論
(1)通過結(jié)潔凈層流手術(shù)室的數(shù)值模擬, 筆者認為0.48m/ s 的送風速度(風量10782m3/h)可以滿足《標準》中對手術(shù)工作面斷面風速的要求。
(2)在0 .48m/ s 的送風風速情況下, 工作區(qū)的含塵濃度和落菌量完全可以滿足百級層流手術(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(yī)務人員進行必要的層流手術(shù)室使用培訓。