桑海龙，曹雁南（1.山东省建筑设计研究院；2.山东大学齐鲁医院）
关于手术室空调系统的设计，我国新的国家标准GB50333－2002中已有了较细致的规定，对医院手术部详尽地规定了气流组织型式，系统构成等，十分完善。是我们暖通设计人员指导丛书和必须遵守的标准。笔者最近参与翻译了一部由美国人编写的《医院建筑空调设计手册》2003.5书中引用了Anderw P.Manning博士的一篇关于手术室气流分布方面的实验研究的文章。借此机会简要介绍给大家，以期对有关设计人员开阔思路，提高认识有所帮助。本手册的全部中文翻译也将于近期由科技出版社正式出版。
摘要：本文运用所运用气流模型和微粒跟踪法来比较采用不同的通风系统在手术区以及后台上沉积污染物的危险性。所讨论的通风系统设计包括了通常使用的散流器类型，尤其是常规的、层流的、无吸入式或置换式散流器（我们习惯上称做送风天花）。此外，考虑的换气次数从15到150次/h不等。房间的设备布局得到了由医生和工程师组成的专家组的认可，代表了最先进的手术室设计方案。在此研究中考虑的颗粒的类型主要是大小约10微米的皮屑。微粒从房间内的三个不同的来源释放出来，代表了可能的微粒生长源，并且跟踪它们的运行轨迹以判断它们是否会撞击到手术区或后台。研究结果以列表的方式给出，本文只提供有关结论。其中碰撞的百分数最小的方案即表示是最合适的通风系统。结果显示能提供层流状态的通风系统是最佳的选择，虽然在设计这种系统时也有需要注意的地方。如果散流器布置的尺寸合适，从层流散流器阵列出风的迎面风速0.15～0.18m/s已足够大。
任何外科手术都存在术后感染的危险，对某些手术，例如关节置换，这种风险可能更为严重。术后感染受多种因素的影响：患者因素（对传染的感病性）、手术区因素（手术区的热烟羽1作用）、房间因素（手术室的洁净度）、通风空调系统因素（换气次数以及气流流向）等。目前普遍认为：就引起感染的细菌的而言，它的来源主要是皮屑或颗粒（woods，1986）。上述这些微粒直径大都为十微米的量级，而且是从医护人员和患者的暴露的皮肤上脱落下来的。因此本研究仅考虑这样的污染源。
各国对于手术室的空调系统都制定有相应的标准。例如在德国，手术室的设计标准为DIN1946/4（德国工业标准），最新的版本更新于1999年。这项标准中涉及到了手术室设计中的一些细节问题。送风出口温度的设定应使室内回风温度保持在22℃～26℃。
1.热烟羽：由于热作用而产生的上升气流间。房间实际送风量的确定取决于以下两个因素：空气传播微生物的相对浓度和受保护区域的污染系数或比率。规范中特别列出了两类手术室：A型 这类手术室要求通风系统为置换式，即层流。它们对除菌的要求较高。B型 这类手术室要求通风系统为混流式或置换式。它们对除菌的要求较高。然而，即使对于任何给定的的手术环境，受保护区域污染系数不仅仅和送风系统有关，而且还受其它一些参数的影响（尤其是送风量本身：手术室最小送风流量只能由实验确定）。DIN 4799（1990）年有关实验方法的内容中规定：手术室面积必须为25-60平方米，高度不得低于3米。
ASHRAE《手册》（1999年）建议：气流从天花板进入房间，向下流动经过面墙上几个的排风口排出可能是微生物浓度控制在可接受的水平最有效的气流组织形式。《手册》还建议手术室温度应维持在17℃～26℃，并且保持相对正压。送风口应设置于天花板，排风或回风口应在接近地面部位而且至少设置两个。建议选择单向型散热器，避免使用高诱导天花板散流器或侧墙散流器。对全新风系统建议采用换气率为15次/h，对回风系统为25次/h。此外，虽然一般认为这是最洁净的通风系统，但现有的有关该系统的数据还是互相矛盾的。尤其是层流系统，一般认为它能够使房间保持较低的再生物浓度，但有时也有人，例如Salvati等人（1982），批评它的感染率高于较常规的通风系统。Lewis（1993）提出的理论认为层流系统会对手术区造成冲击。然而这似乎是基于采用的高速层流送风系统：Schmidt（1987）描述了一个层流系统，它的速度至少为（0.45m/s）。
以上文章的观点都是基于实验结果而得出的。但是，一项新的技术――计算流体力学（CFD）（有时也称作气流模型）已被证明在方案选择，包括对房间气流参数和污染物扩散的研究方面，功能强大而且非常有效（Ziang et al. 1995;Haghighat et al. 1994）。另外，CFD模拟计算可以有多种输出的方式，例如可输出有关参数在房间内具体分布的有用的细节及总体影响。因此，本研究采用CFD为主要研究手段。主要考虑两个目标区域：手术区和后台。考虑后一个目标区域的理由是，一旦皮屑落到后台上，很容直接污染手术器具。
研究目的：
本文所介绍的研究的主要目的是：运用先进的数值模型和经验数据来评价一些房间参数在降低手术区和后台感染危险中的作用。如：
·通风流量
·散流器的类型和位置
·送风温度
·排风位置
·给定相同的参数，评价各通风系统清除微粒的效果。
·为一个通用的手术室设计方法提供一个建筑学和工程应用的工具。
研究方法：
目前，基于CFD建立起来的气流模型已经相当成熟，可以求解基本的Navier-Stlkes方程形式的质量、动量、能量守恒方程。
瞬变值＋对流值－扩散项＝源项
其中：
气流模型用数万甚至数十万个单元组成的网格来描述房间的几何形状、热和污染源以及空气本身，采用数值计算的方法求解N－S方程组（不详述）。以及相应空间离散化，把手术室分割为许多单元。在此项研究中，运用有限容积法将方程离散化并求解。
运用迭代法求解离散方程组，经反复迭代后，使其每个单元的结果符合质量、动量、能量守恒原理。这样，就可以描绘房间内任何区域的气流状况，同时也可以表示出空气的其它参数（如温度）的分布。计算过程如下：
·计算流体速度场、温度场、湍流参数的分布。
·规定释放一定数量微粒的源的位置。注意微粒并不是连续释放的，它们只是在分析的起始时刻（即t＝0秒）从源的位置被释放。
执行计算程序求出每一个微粒从初始时刻到3600秒的运动轨迹。分析的输出结果包括：
·经通风设备排出房间的微粒的百分比随时间的变化。
·在总的计算时间（3600秒）内，落在所设定的目标（手术区或后台台面）上的微粒的百分比。注意：由于落在手术区或后台上的微粒数量很少，所以只计算出总数，没有必记下随时间的变化情况。
基本模型情况
一个典型手术室的布局，如医护人员的数量、灯光、仪器、工作台、患者等，作为CFD模拟的基本模型。在研究的初始阶段，一个由医生和工程师组成的专家组一致同意了这个典型手术室的布局。考虑到象气瓶等物品会影响手术室内大型设备的移动，限制手术台的布置，并且清洗困难，所以没有将其列入其中。专家组还认为手术室应更多地转向从天花板接入气体管线，因为这样的管道不会对气流造成明显的障碍。其他重要的设备，象C－arm2，也没有列入其中，原因是专家组认为它不属于手术室“典型设备”。
2.专用X光机
现在认识到，这些设备会影响手术室内气流和温度的分布，它们应该在将来的研究中加以考虑。在上述模型的基础上，对送排风口的位置、送风温度、换气次数等参数共采用9种不同方案，进行了计算计算分析比较。
结论
1.具有相同换气次数的方案在由通风系统除去微粒的百分比方面表现出显著的不同。
2．大幅度增加换气次数的做法可以很有效地除去微粒，但是这并不一定意味着碰撞所关心表面的微粒的百分比将持续减小。
3.来自主源或护士源的微粒撞击手术区的百分比相当低，还不到1%。这是由于手术区引起的热烟羽相对占主导地位而造成的。仅当微粒在手术区附近释放时，特别是从手术源释放，其撞击手术区的百分比才变得较大。
4.在手术源/手术区分析中，每小时换气次数不如通风系统的设计重要。特别地，每小时换气次数为20次的方案与每小时换气次数为150次的方案比较，其碰撞手术台的微粒的百分比相对较低。
5.在提供层流状态的系统中，排风位置采用高低结合的方案比仅采用低位或高位的效果要好。不过，其差异并没有大到不能选用低位或高位系统的程度。
6.就污染控制而言，提供层流流动状态的系统是手术室通风系统的最佳选择，因为它们使撞击手术区的微粒所占百分比最小。不过需要注意层流散流器组的尺寸大小的选择。如果层流散流器组的尺寸大小选择正确，在层流装置中，层流散流器组的面速度选择为（0.15m/s～0.18m/s）就足够了。
进一步讨论散流器组的大小问题可以看到，通风系统设计中考虑的主要因素是控制手术室的中心地区。特别是房间中间的手术灯及的术人员代表房间中部的一个很大的发热密度。微粒可以被这些散热物体产生的浮升气流捕获，在这一区域通风失去了对微粒的控制。不过，如果采用层流型系统，微粒将改为由将要排出室外的气流带动。于是理想的情况是，散流器组的尺寸应当足够大，以便能够覆盖主要散热物体。
7.此外，另一个因素是由手术区产生的热烟羽，如果不是层流状态不够强，致使微粒能逆着热烟羽而撞向手术区，这是Lewis（1993）着重指出的危险，那么热烟羽应当满足以下保护手术区。
讨论
Mass：如果内部负荷更高，我们是否应推荐采用更低的送风温度？
Farhad Memarzadeh：如果制定的标准要求排风温度相等，那么送风温度将自动降低。一般情况下，关键之处在于中心热烟羽（对微粒）的控制。如果送风温度不能随着负荷降低。那么热烟羽可能失去控制，至少在某种程度上会这样。
Leon Kloostra,Chief Engineer,Titus,Richardson,Tex.：①直接设置在手术台上方的手术室的灯给我们以什么影响？②即便有最好的气流设计以及将无影灯直接设置在手术台上方，空气传播的感染还是会增加吗？
Memarzadeh：①手术室灯将仍是中心热烟羽的组成部分。若要产生较大的效果，它们似乎必须被移到中心区域外部。②可能对感染率有一些影响，不过这取决于气流对手术室灯与其周围物体之间的相互作用的反应的方式。这些影响可能是不利的，也可能是有益的。
Nicholas Smilanich,President,Sensrt Development Corporation,Rock River,Ohio：①模型可用于挥发性有机化合物（VOC）的分布状态吗？②模型也可用于真菌及霉菌吗？
Memarzadeh：①关于挥发性有机化合物，其不大可能影响到手术区。此外，房间内不大可能有存放挥发性有机化合物。②关于真菌和霉菌，它们的大小跨越很大的范围。例如，青霉菌大小为3～5微米，黑霉病菌达到75微米。这个模型将在某种程度上是可以适用的，尺寸越大的颗粒越容易撞向手术区或沉积在房间内。尺寸较小的颗粒不容易碰撞落下。
Scott M.Fanning,P.E.,Principla,Fanning,Fanning and Associates,Inc.,Lubbock,Tex：你的报告显示采用低回风有利于限制创伤部位的感染。为优化灭菌控制请您详细指出回风格栅的数量和位置。
Memarzadeh：采用高位和低位排风混合使用的方案可使外科手术区的感染率降为最低，所以这种方案优于只用低位排风的方案，尽管差异相对较小。至于排风口的最佳位置及数量，需要对更多的方案进行计算以便确定这些值，因为本研究关于这方面的算例还不够多。
参考文献：
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