洁净手术室空气处理方案分析

天津大学涂先备陈雪芬凌继红

摘要：本文以 I 级洁净手术室为例，对洁；争手术室的冬、夏季空调处理的各种方案进行对比分析。由于不同地区的气象参数存在较大差异，所以各地区在选用空调处理方案时要综合考虑本地区气候特点，选择合适的空调处理方案，在保证使用要求的同时，力求节能。
    关键词：洁净手术室空气处理能耗
    0 ．引言
    尽管这些年来单向流洁净技术已广泛应用于生物洁净手术室，但截至目前，国内外医务界对其功效仍然存在不同的评价。一些医务工作者和研究人员认为通过空气媒介可能引发术后感染的明显例证仅限于异物植入等大型手术，而对于其他一般手术并无充分的医学统计数据给予支持。但对于采取适当的通风净化措施，降低空气中的菌浓，改善手术室环境条件，有助于控制感染率的认识，国内外还是比较一致的。
    正因为如此，在确定医院生物洁净手术室的规模、数量及其他相关技术时，宜与医院的筹建主管部门或医政管理部门、外科医生进行充分沟通，听取他们的想法、意见和建议，并依据现行国家规范做出合理的决定。不宜盲目追求高标准，以至造成手术室初投资及运行费用增加。
    下面以天津地区某 I 级洁净手术室为例，从能耗、可行性等方面分析各种空气处理方案的利弊。
    1 ．手术室热湿负荷及风量计算
    假定该手术室为 7．5m～5．7mX3m 。根据《医院洁净手术部建筑技术规范》 ( 简称《规范》 ) ，设室内设计温度 24～C ，相对湿度 60 ％。天津地区室外夏季设计参数：干球温度 33．4 ℃，湿球温度 26．9～C 。
    1．1 室内热、湿负荷的计算
    手术室内的热湿源主要是人员、照明和医用电器设备。
    1) 人体散热…散湿量
    Q=nΦq
    式中： Q ——人体散热量， w ；
    n ——空调房间内的人员总数；
    Φ ——为群集系数，男子、女子、儿童折合成年男子的散热比例。本算例中男女比例按照 1：1 计算，成年女子的总散热量约为成年男子的 85 ％，则 Φ 取 0．92 ；
    q ——每名成年男子的散热量， w 。

    式中： w ——人体散热量， g/s ；
    n ——空调房间内的人员总数；
    Φ ——为群集系数，取 0．92 ；
    w ——每名成年男子的散湿量， g/h
    根据《空气调节设计手册》， 24 ℃下成年男子轻劳动：显热 70W ，潜热 112W ，全热 {2w,～167g/h ：极轻劳动：显热 70W, 潜热 64W 全热 134W, 散湿量 96g/h; 医护人员工作强度按照轻、极轻劳动 1 ： 2 计算，则平均显热 70W ，平均潜热 80W ，平均全热 150W ，平均散湿量 120Wh 。
    2) 照明散热量
    Qs=n3n6n7N
    式中： Q3 ——照明散热量， w ；
    N ——照明设备的安装功率， w ：
    n3 ——同时使用系数，这里取 1
    n6 ——整流器消耗功率的系数，当整流器在空调房间内时取 1．2 ；当整流器在吊顶内时取 1．0 ；这里取 1．0 ；
    n7 ——安装系数，明装时取 1．o ：暗装且灯罩上部穿有小孔时取 0．5 ～ 0．6 ：暗装灯罩上无孔时，视吊顶内通风情况取 0．6～0．8 ：灯具回风时可取 0．35 ；这里取 0．8 ：
    本算例中照明灯具采用荧光灯， 40W ／支，共计 16 支。
    3) 主要医用电子设备散热量
    一般来说，电子设备的散热量可以实验测得，或通过系数法计算。手术室常用电子设备 66 功率范围与计算取值如表 1 所列。对于 I 级手术室考虑同时使用系数，一般取为 0．6- 0．8 。

表 1 手术室电子设备功率

表 2 手术室负荷计算

    1．2 风量的确定
    1) 送风量的确定
    《规范》中明确规定 I 级洁净手术室最小送风口面积 2．4～2．6=6．24m2 ，手术区工作面高度截面平均风速 0．25 ～ 0．30m/s ，依据天津大学所做的实验研究及现场测试经验，取出风断面平均速度 0．40m/s 能满足要求。
    则，送风量 G=2．6X2．4X0．4X3600≈9000m³/h 。
    2) 新风量的确定
    合理确定新风量不仅关系到冷、热负荷耗量，也影响到过滤设备的寿命。在满足需要的前提下，尽可能选取较低的新风量，从节能和降低运行成本角度考虑是必要的。
    新风量的确定主要依据以下几条，并且选其中最大的：
    (1) 按照《规范》规定换气次数计算的新风量；《规范》规定为 6AC/h ，日、美规定一般为 5AC/h 。
    (2) 补偿室内的排风并能保持室内正压值的新风量；
    《规范》规定每间手术室排风量不能低于 200m³/h 。
    由于室内正压，从缝隙渗漏的风量按下式计算：

    式中 l —缝隙长度， m ；
    Δ p ——室内要求保持正压或负压值， mmH20 ；或 9．8 Δ P ， Pa ；
    α 、 n 严密程度有关的常数。
    一般 n 值在 1～2 之间，对于没有进行过漏损试验的窗，则可取 n=1．5 。
    d 值随门、窗的型式不同而不同，一般可取下列数值；密封程度好的， α=1～3 ；一般的 a=3～8 ；不好的 a=8～40 。
    缝隙长度／是指门、窗等轮廓线的总长度。
    本算例中，计手术室有 2 扇门，缝隙长度／取 16m 。根据《规范》中对洁净手术室的最小静压差的要求， I 级 Δ p 取 8Pa ，即 0．816mmH20 。 α 和 n 分别取 10 、 1．5 。
    (3) 人员卫生所需新风量
    为满足卫生要求，《规范》规定洁净手术室有 60m³/h 人的新风量。

表 3 手术室最小新风量

    根据计算， I 级洁净手术室最小新风量取 770m³/h 。因麻醉方法不同，手术中释放的麻醉气体量也相差很多。欧洲某些国家规定的新风量较大，与其麻醉方式有关，也与其气象条件有关，国内经验采用 5～6AC/h 满足需要。
    由焓湿图查得室内空气状态点 N ：仁 24 ℃， φ=55 ％， i=50．3kj/kg ， d=10．2g/kg
    夏季室外设计参数 W ： t=33．4 ℃， t=26．9 C ， φ=6l% ， i=84Akj/kg ， d=19．8g/kg
    2 空气处理方案的比较
    方案一：采用由新风机组承担全部负荷的二次回风方式，这是当前应用较为普遍的一种模式。新风集中处理，再送至手术室的加压风机、净化机组，与室内循环风混合，经末级中在新风机组，室内机组无湿源，可避免滋生细菌，送风量便于独立控制和关断。缺点是当与其他手术室共用一个新风系统时，室内温湿度不便随意独立调节。当然也可以各手术室系统单独设置空气处理设备，分别处理新风，相对于集中处理新风的方法室内温湿度调节更容易些。蛋初投资稍打，其具体空气处理过程为：

在 c 线上确定送风状态点 O 的其他参数： t=23．1 ℃， d=10．1g/kg ， φ=57 ％；

该方案中新风处理至室内等湿线以下，回风没有进行热湿处理，只是经风机加压后直接与处理过的新风混合，再经高效空气过滤器后送入室内。因此实际上是由新风承担了全部室内热湿负荷。但是新风处理焓差达到 47kj/kg ，对新风机组的要求相对较高，表冷器供回水温为 7 — 12 ℃时，某些地区需要设置 6 排表冷盘管才能保证要求。图 1 是处理过程在 i — d 图上的表示。

图 1 方案 — 空气处理过程

方案二：采用带再热的一次回风方式，这种处理方案，参数较易控制，与方案一相比，对表冷器也无特殊要求。但因空气处理过程存在冷热抵消，运行能耗较大。其具体空调净化系统设置方案可能是单风机系统，也可以是串联风机系统，即空调机组对新风、回风进行热湿处理后，送至邻近手术室的加压过滤机组，并进行二次加热后送入室内。空气处理过程如下：

    计算可知，方案二比方案一能量消耗要大许多。原因在于一次混合后的空气被处理到机器露点后，为了维持室内温湿度，需要将送风温度升高至送风状态点，因此进行二次加热，冷热量的抵消造成能量浪费。一般来说，洁净手术室采用二次回风系统为宜。
    方案三：考虑到方案一没有采用一次回风，因而提出了增设一次回风的二次回风方式作为方案三。其空气处理过程为：

由方案一计算可知，新风承担全部负荷时 I 级手术室新风量为 810m³/h ，仅超出最小新风量 40m³/h ，一次回风意义不大。
方案四：对于一些高温高湿地区，例如上海、广州、武汉、香港等地，室外焓值较大，新风机组需进行大焓差处理，将新风直接处理至露点相对比较困难。确是如此时，可以采用除湿机对新风集中去湿。新风经新风机组、除湿机集中处理，承担全部负荷，在这一点上与方案一相同。具体空气处理过程如下：

    为了便于比较，本计算例仍采用天津地区的室外气象参数计算。计算过程如下：
    由方案一知 I 级手术室的机器露点 L ： t=14．3～C ， i=37．6kj/kg ， d ： 9．2g/kg ， φ =90 ％。考虑 0．5 ℃风机温升，得实际点 U ： t=14．8～C ， i=38．1kj/kg ， d=9．2g/kg ， φ= 87 ％，
    为满足除湿机性能要求，假定新风在除湿机前处理至 Lx ，使得 dL ， --dL ≤去湿机额定工况单位除湿量。过 L 点做等湿线，过 Il 做等焙线，相交得 M 点。主要状态参数如下：
    Li ： t～20．2 C ， i=54．3kj/kg ， d ； 13．4g/kg ， φ= 90 ％，
    M 点： F30．6～C ， i=54．3kj/kg ， d ； 9．29/k8 ， φ= 33 ％，
    空调机组处理风量 G ： 510+1584+3273=5667m³/h
    空调机组前表冷器负荷 Qwl=1．2X5667X(84．4 — 54．3)/3600=56．9KW
    后表冷器负荷 Qw2=1．2X5667X(54．3-37．6)/3600=31．5KW
    除湿机再生风量 Gz=1/3X5667=1889m³/h
    除湿机再生加热量 Qz=(c/3.6)lzpz(t3-tw)=1．01/3．6X1889XI．2X(120 — 33．4)=55074W≈55．1KW
    总能耗 Q=56．9+31．5+55．1=143．5KW

图 3 方案四空气处理过程

    单纯从节能角度讲，这种方式不可取。处理过程中存在较大的能量抵消，初投资也大。但对保证潮湿地区夏季室内湿度不超过规定值比较有保证，同时对冷源要求也较低。由于运行不经济，管理较复杂，除某些特殊条件外，一般情况下不推荐使用。
    方案五：与前各方案不同的是，考虑室内循环风，增设干式冷却盘管意图分担部分显热负荷，而全部湿负荷仍由新风承担。提出这种方案的想法是既要系统末端具备吸收部分热负荷的能力，以减轻新风的负担，又可以分室予以调节，又避免出现湿工况。这种新风承担部分热负荷和室内全部湿负荷的空气处理方案为：

    由于 I 级手术室设计送风量较大，相应送风焓差较小，对循环风采取显冷措施意义不大。干工况适用于室内湿负荷稳定且较大，送风焓差大，对新风量要求较低的情况，比如病房等。采用干工况方式对新风机组的要求较高，排数增多，提供冷量增加，要求冷水温度较低，机器的露点较低，需要进行大焓差处理。
    3 ．总结
    综合以上分析，对于高温高湿地区，例如上海、武汉、广州、香港等地，夏季室外湿球温度均在 27 ℃以上，室外焓值在 85 kj/kg 以上，室外状态点与空调机组露点的焓差在 45kj/kg 以上。将新风直接处理至机器露点比较困难，不适宜采用方案一，可根据实际情况选用方案
    二、方案三或方案四。即先将新风与回风一次混合降低进风焓值，或将新风处理至某点，由除湿机除去湿负荷，降温后与回风混合，达到送风状态。
    对于干燥地区，例如呼和浩特、兰州、乌鲁木齐等地，夏季室外焓值在 70kj/kg 以下，室外状态点与空调机组露点的焓差在 30ki/kg 以下。这些地区可以采用方案一，即将新风直接处理至机器露点，与循环风混合后即可送室内。拉萨比较特殊，夏季室外设计参数于球温度 22．8 ℃ ，湿球温度 13．5 ℃，其焓值为 31ki 比 8 ，低于送风露点。也就是说在夏季，
    拉萨地区空气处理也是加湿的一个过程。而对于其他地区，例如北京、天津、西安、哈尔滨等地，夏季室外焓值在 70 ～ 85kj/kg 之间，室外状态点与露点的焓差在 30 ～ 45kj/kg 之间。可以根据实际情况选择方案，约束条件比较少。
    而对于室内循环机组采用于工况的方案，在手术室设计中并不适用。首先手术室要求送风焓差较小，新风量较大。再者室内人员比较多，湿负荷较大，对新风机组的要求较高。而且室内湿负荷不稳定，瞬时湿负荷较大，于冷系统不易保证室内设计参数。
    冬季工况：由于不考虑建筑围护结构散热，手术室冬季热湿比线与夏季不会发生太大变化，即相当于定露点工况。具体空气处理过程基本一致，主要是室外新风预热的问题。可以根据冬季室外设计参数，采用电加热、蒸汽换热，见图 4 。对于严寒地区，比如哈尔滨冬季室外设计温度低至一 29 ℃，可以将新风电预热至 W2 ，然后喷蒸气加湿至机器露点，或采用湿膜加湿器；或者使用蒸汽排管的换热器将室外空气预热至 w2 ，但需要要配备性能良好的疏水器，以防凝水滞留而被冻裂，新风采气口还要设置保温阀，非工作班应关闭严实。还可以采用电预热与热水换热相结合的方式，即将先新风电预热至 o ℃以上的某点 w 比如 3 ℃，然后使新风通过热水换热器，加热至 w再进行绝热加湿，达到机器露点。为了节约电耗，利用排风与新风的板式换热器回收部分热能也是严寒地区冬季处理方案的一种选择。

图 4 手术室冬季工况空气处理过程

发布者：admin 发布日期：2005-06-27 14:57

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