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一种新型的洁净手术室控制——控温送风系统

  • 作者:
  • 净化空调网
  • 发布时间:
  • 2021-01-25

同济大学   刘燕敏

上海科仕控制系统有限公司  胡崔健

       【摘  要】 针对洁净手术室层流送风承担热负荷的调温送风与不承担热负荷的等温送风,本文基于 “气流动量、气流流态和温度效应”新评价指标的合理组合提出控温送风系统。控温送风是将送风温度预设在温度阈值内,优先调控送风温差(不大于1.5℃),再调控辅助手段消除余热负荷。不仅适合各类手术,维持良好的手术环境,而且可以同时保障手术人员、麻醉医师与患者体感舒适。

       【关键词 】洁净手术室 层流送风 热湿负荷 保护区域 控温送风

0 引言 

       我国国标GB50333《医院洁净手术部建筑技术规范》(以下简称《规范》)要求在洁净手术室采用非诱导送风气流(医学界俗称为层流)实现对手术环境的控制。但并不是说有了非诱导送风装置就一定有合格的手术环境控制。层流通风对手术部位感染(SSI)控制的许多负面报道,多是层流送风装置不合格所引起的[1],对此德国DIN1946-4做了许多调研工作,并再次肯定层流对手术环境控制的正面效应[2]

       洁净手术室的第一要务就是优先保障手术无菌区域最大、气流质量最佳、抗干扰力最强。为此提出一种新型的手术室的气流模式与设施系统——控温送风系统。将送风温度预设在温度阈值内,优先调控不大于1.5℃的送风温差,再调控辅助调节手段,如采用手术室辐射板壁或周边送风等措施消除余热负荷,保证手术人员、麻醉师和患者体感舒适。

1 局部层流送风评价指标 

       按传统理论,洁净手术室层流送风不仅要求实现无菌无尘的手术环境,还要求承担消除手术室热负荷。即通过调节送风状态来满足以手术人员为主的合适工作环境。如今,提出了手术室层流送风应优先保障保护区域质量的要求,这就涉及到层流送风的性能与评价的问题[3]。特别是局部层流送风气流优先保障保护区域质量的对策。

       按传统理论,评价超净层流送风质量的主要指标分别为送风气流的“流向单一性、流线平行度、断面风速均匀性”。这三个评价指标体现了层流气流排除污染的能力,以及对关键保护区域控制的有效性。但是这些评价指标主要针对全室层流(即送风面积几乎等同于房间天花面积,见图1),通常层流的断面平均风速较大,一般为0.4m/s左右。


图1   全室层流示意图                                                图2   洁净手术室局部层流

       不同于工业洁净厂房的全室层流,洁净手术室采用局部层流,在手术台上方设置局部层流送风装置。根据我国《规范》规定的Ⅰ级洁净手术室的送风面积为2.4m×2.6m,送风速度为0.2m/s-0.25m/s。德国标准DIN 1946-4《室内通风技术》要求手术室的送风面积不小于3.2m×3.2m,送风速度约为0.25m/s[4]。美国ASHRAE170-2017标准《医疗设施通风》[5]中规定手术室的送风口每边要比手术台面的每边大0.3m到0.45m(送风面积约为1.2m×2.4m-1.5m×2.7m),送风速度仅为0.127-0.178m/s。

       不同于全室层流,当局部送风装置的送风气流送入室内因流速较周围的空气快而带动周围空气一起流动,由于送风气流周边压力的变化对周围空气产生引射(或诱导)作用。局部层流送风气流速度越高,引射周边较污染的空气的量越大,对层流形成的洁净无菌区域的干扰越强,使得洁净无菌的保护区域缩小。反之,局部层流送风速度小,虽然引射量减少,但易被周围气流干扰、易受到层流送风与室内空气间的温度差(简称为送风温差)的影响。因此,不能用传统的三大评价指标评价超净局部层流送风对关键区域保护的有效性。

       本文提出评价局部层流送风性能应该是“气流动量、气流流态和温度效应”这三个指标。

       1)气流动量是气流质量与速度的乘积,是指运动气流的作用效应。与气流的质量和速度相关的物理量,气流动量方向与速度的方向相同。气流流速快,送风气流动量大,抗干扰利强,但引射量加大。《规范》规定的手术室局部层流送风的速度很低,但送风面大,送风气流质量大,有足够的动量能维持局部层流,又能控制引射量。

       2)局部送风的气流流态不可能达到流向单一性、流线平行度、断面风速均匀性。要求的气流流态是指非诱导性的置换流,且要求自上而下的垂直气流。《规范》推荐的阻漏层送风装置的气流流态最好。但对于水平层流气流如此低的流速难以维持无菌无尘区域。

       3)温度效应是由层流送风气流与室内空气的温度差引起的。《规范》要求送风气流温度低于室内温度,形成两者间的空气密度差异,相当于因温差引起的热动力,给送风气流有个附加力。加大送风气流流速,使得低流速的送风气流也能送达手术部位(见图3)。热动力对气流运动所起的作用一般不予考虑,只将其作为安全系数。但是对于局部低速层流为了控制引射量,保护无菌区域,温差对气流的作用不容忽略。图3中虚线部分显示了理想的无菌、无尘的保护区域。当然,送风温度也不能太低(或者说送风温差不能太大),否则温度效应使送风气流速度加快,引射量加大,反而使局部层流形成的保护区域缩小(见图4虚线部分)。这就是说,送风温差对局部层流形成的保护区域大小与气流质量相关。


图3  合适送风温差保护区理想                           图4  过大送风温差保护区缩小

       以下将基于气流动量、气流流态和温度效应这三大因子的合理组合来阐述洁净手术室的层流气流对策。

2 空调对流送风与空调辐射换热 

       从温度效应评价指标来讲,似乎送风与室内空气温度相同的等温层流(或者说送风温差为零)所形成的无菌无尘区域最大,保护效果最好。由于像手术室等被调空间内的热湿负荷会随时变化,传统的调节措施不外乎变化送风温度或变化送风流量,来维持被调空间的温湿度稳定。像手术室有洁净要求的被调空间,因洁净度与送风量(或换气次数)相关,只能采用变化送风温度、而不能变化送风量的调节措施。对于等温送风来说,没有能力来调节手术室温湿度,或者说无法承担消除室内热湿负荷。也许可以靠专用新风机组承担全部湿负荷,利用围护结构的辐射板壁承担室内显热负荷。这就是近期国外推荐的洁净手术室等温送风与辐射空调的组合模式,但冷辐射空调可能会出现问题。

       理论上,辐射空调的优点能够利用低品位热媒(如高温冷冻水或低温热水),可以减少送风量,提高热舒适性。但在手术室实际使用效果不太理想,会有以下的局限性。

       理论上讲纯净的空气对热辐射几乎没有反射能力,在一般温度下占空气绝大部分的氮气、氧气等对称双原子气体,视为透热体,或者说不会产生辐射换热而改变空气温度。室内空气只能通过与辐射壁板表面对流换热而变化温度,因此用辐射调节室内空气温度的效率最低,调节过程缓慢。但是辐射换热的好处是直接作用于人体,只要有足够的辐射换热,能使人体感上获得热舒适。但是空调冷辐射不同于热辐射。冷辐射温度范围不大,为了保证辐射壁不结露,辐射壁面至少要高于室内空气状态露点的0.5℃-1℃。又必须低于室内空气温度,否则没有调节作用。但辐射表面温度过低也会使人体感觉不适,极大地限制了辐射空调的供冷能力。冷辐射调节能力也有限,反应速度慢(或调节时间长),不适用工作强度较大而变化较快的工作场所,如手术过程。或者说辐射换热量难以及时消除手术人员手术过程产生的余热量。只能适用工作强度不大,比较平稳的工作状态,如办公室、会议室、居家。在手术过程中只有麻醉医师和患者状态比较平稳。

       辐射换热量除了辐射壁面温度外,还与在室内能与人员进行辐射换热的辐射面积有关。现代手术室内装备很多,板壁上嵌满了各种存放柜、保冷柜、保温柜、控制屏与面板等,众多悬挂的大型显示屏和落地装备也阻隔了手术人员与辐射壁板之间的辐射换热(见图3)。大型洁净手术室内要真正能用作辐射换热的板壁的面积很小,不得不借用顶板。理论计算也许辐射面积够了,但手术区上方是硕大的送风装置,手术人员和患者在送风装置下方,无法接受到冷辐射。也许与麻醉医师可以进行辐射换热。


图5    手术台周围装备、送风天花与显示屏阻碍了辐射换热

       另外,手术过程中人员固定而使用的电热电动装备与工具不断变化,造成手术室的负荷特点是潜热负荷较为稳定,而显热负荷瞬时变化很快且变化幅度较大[5]。对于室内不断变化的显热负荷靠辐射空调是难以及时消除的。

       空气的比热容比水小得多,改变空气温度比水快。为了提高冷辐射的调节性能,近年来,辐射壁板的冷媒介由空气来替代水。空气媒介冷辐射板壁也开始推广开来。但辐射冷空气媒介是靠专门的空调机供给,是用冷冻水通过热交换盘管取得,热交换盘管水侧与空气侧的传热温差一般为6℃-7℃。这就是说这辐射板壁的媒介不能利用高温冷冻水而节能,仍然需要常规的7℃或更低的冷冻水。

       如上所述,为了满足手术区无菌无尘要求,洁净手术室送风量是固定。采用辐射空调无法降低手术室的送风量。

       可见空气媒介辐射空调用于大型手术室无法显示出“利用低品位热媒,减少送风量以及提高热舒适性”三大优点,唯一得益的也许是麻醉医师与患者。而“供冷能力小、室温调节时间较长、难以及时调节辐射量消除动态负荷、以及造价高”等缺点却暴露无遗。

3 洁净手术室控温送风系统  

       总之,辐射空调手术室是有局限性的。要维持室内设定的温湿度,传统方法将被处理过的层流气流直接送入室内来消除室内热湿负荷,效率最高,调节速度最快,室内热环境控制稳定。直接调节送风气流状态点控制室内温湿度的最大缺点,就是不断改变送风温差会有可能使无菌无尘区域(保护区域)缩小。至于会有气流噪声,吹风感。这倒可以用气流技术来控制的,对身穿全套无菌服的手术人员来说问题不大。

       另外,对流空调的送风气流同时依靠出风动量和送风温差来维持运动。那就说应该发挥对流空调对室内温湿度调节作用,尽量利用温差送风效应,优先消除热湿负荷。从工程角度讲,比周围空气低1.5℃温差的送风气流与等温的送风气流形成的保护区域是差不多的。那为什么对流空调不利用这1.5℃的送风温差,来减少辐射的换热量,而仅仅为了保证层流送风净化效果采用等温送风?

       相对于承担热负荷的调温送风与不承担热负荷的等温送风,我们将优先调控不大于1.5℃送风温差的层流气流称为“控温送风(controlled temperature supply air)”。尽管各国标准或规范要求手术室温度均在21~25℃之间,实际运行中通常将手术室温度控制在22~24℃范围内。如控制送风温差不大于1.5℃,手术室实际送风温度定在20℃-23℃阈值内,定阈值温度控制的送风也被称为定温送风。当然这阈值温度可以根据手术类型自行设定。

       如采用等温送风模式,要求独立新风机组承担全部湿负荷,机器露点控制在11℃左右。独立新风与室内空气混合后再加热到室内等温状态(如室内状态设定23℃),势必浪费了许多加热量。室内的热负荷还得另外靠冷辐射去消除。

       当采用控温送风模式,利用1.5℃温差引起的热动力,就达到同样流速,可以降低局部层流送风量。又能减少独立新风与室内空气混合后加热量(只需要加热到21.5℃)。由于温差送风承担了室内部分负荷,减少了冷辐射供冷量。仍然可以保证局部层流送风形成较为理想的保护区域。

       遵循这个思路,为此提出洁净手术室控温送风系统,(已申请发明专利202010063365.4)。室内冷辐射板壁温度预设在高于室内露点温度2℃。来自集中深度除湿处理的新风,承担所有湿负荷,与室内空气回风混合,优先调控不大于1.5℃的送风温差,加热到设定的阈值温度向手术室送风。使得送风气流实现最大的保护区域、最佳的气流质量。其余显热负荷再由室内设置的冷辐射板壁或其他辅助调节装置承担。如果手术室内负荷较少,加上预设温度的室内冷辐射板壁,仅靠不大于1.5℃的送风温差调节也可能保证室内温湿度控制。

       控温送风的消除室内显热负荷的辅助调节装置,可以采用了以下三种方式:

       1)如有低品位热媒(高温冷冻水与低温热水),优先采用水媒介的辐射板壁,这是传统辐射空调节能的关键所在。但是水媒介的辐射换热调节性能较差。

       2)如没有低品位媒介,只要手术室进行微创手术等工作强度不大的医疗过程,室内有足够面积的板壁用作辐射换热用,可采用空气媒介的辐射板壁。空气媒介比水媒介的辐射换热调节性能好,另外空气媒介的辐射板壁只有单层板壁,几乎无比热容,有利于控制辐射板壁结露。

       3)如果是大型洁净手术室,手术过程工作强度较大,手术所用设备或装置较多,使得热负荷变化较快,则推荐采用“周边辅助送风”的方法。除了控温的层流送风外,“周边辅助送风”发挥了上述原用于中空辐射板壁的循环空调机组产生的空调风的作用。如果将这循环空调风改为向设置在板壁的周边送风口送风,将空调风直接吹向板壁,沿着板壁向下流动,直到底部回风口,再返回到空调机组。这种“周边辅助送风”的循环空调风不仅以对流换热方式直接参与了室内直接的热湿交换,而且间接冷却(或加热)了板壁,不管板壁是否有装备,只要有表面就会被冷却(或加热)成为辐射面,参与辐射换热。这样的周边辅助送风大大增强了整个系统的处理大型手术室的热湿负荷的能力。

       当然也可以采用冷剂媒介作辐射板壁,只是目前使用较少,经济性不强。

4 结语 

       洁净手术室控温送风系统是基于气流动量、气流流态和温度效应的合理组合提出的,认为等温层流送风并非最佳形式。洁净手术室应该优先保证层流送风净化效果,实现最大的保护区域与最佳的气流质量。而不是传统的温湿度优先的送风状态调节而影响层流送风效果,也不是层流等温送风方式。等温层流送风与辐射组合的空调形式理论上分析可能不错,但实际上在手术过程中保持等温送风也许不现实的。空气媒介辐射空调用于大型手术室没能表现出“利用低品位热媒,减少送风量以及提高热舒适性”的三大优点。

       洁净手术室控温送风是一种新型的气流形式,是气流动量、气流流态和温度效应的合理组合。将送风温度与辐射温度预设在温度阈值内,优先调控不大于1.5℃的送风温差,再调控辅助调节手段消除热负荷,维持良好的手术环境,保障手术人员、麻醉医师与患者体感舒适。这辅助调节手段可以是水媒介、空气媒介的辐射换热形式,或周边送风形式。上海科仕控制系统有限公司已实现了这套控制程序。只有这样,对于手术等工作强度较大的工作场所,才能尽可能使对流换热承担负荷,减轻辐射换热负荷的份额。总之,洁净手术室控温送风对各类手术室显示出强大的适应性与有效性,是一种值得推广的系统形式。

参考文献  

       1. Sebastian Fischer, Martin Thieves, Tobias Hirsch, et al. Reduction of Airborne Bacterial Burden in the OR by Installation of Unidirectional Displacement Airflow (UDF) Systems[J]. Medical Science Monitor. 2015; 21: 2367–2374.

       2. 沈晋明,许钟麟,德国标准DIN1946-4-2018解读[J].暖通空调,2020,50(4):40-46.

       3.毛继传,沈晋明,洁净室阻漏送风末端装置性能与评价[J].洁净与空调技术,2004(1):37-41.

       4.沈晋明,保罗尼诺穆拉,刘燕敏,简介美国ASHRAE标准170-2013 [J].暖通空调,2014, 44(10):1-7.

       5.沈晋明,聂一新,洁净手术室控制新技术:‘湿度优先控制’[J].洁净与空调技术,2007(3):17-20.