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医院手术室洁净空调系统设计安装的新观点
2021/4/17
医院手术室净化系统将是未来医用设备发展的趋势和重点方向，而做为手术室净化系统的重中之重的就是空调设计，在新技术不断创新并应用于临床的现代，手术室净化系统的空调设计应导入新的观点。本文将对新的设计理念结合实际应用进行全面的阐述和分析。
简要概括如下：
1、手术室净化空调对手术室空气途径的感染控制有效且不可替代；
2、一个净化空调系统所负担的手术室间数宜少不宜多；
3、引入污染度概念，在降低手术室关键区域污染度的同时，减少高净化级别手术室的送风量；
4、引入局部强化送风的概念，即采用置换气流送风吊顶,在手术室关键区域形成单向流型气流组织，降低手术室关键区域的空气污染度；
5、新风系统采用独立的初、中效两级过滤；
6、采用定风量阀，以保证室内的正压分布。
医院空调的任务应该是，维持室内所需要的气候状态并除去空气中的尘埃、微生物、气味和有害气体。而医院手术室的空调是最重要也是最困难的任务，尤其是控制空气途径造成的术后感染至关重要，因为降低和避免术后感染是保证手术成功、缩短患者恢复时间、降低医疗费用的关键所在。另外手术室空调的另一特点是服务面积虽小但风量大、能耗高、使用时间不确定，因此手术室空调在创造高度洁净的室内气候同时应特别注意空调系统的节能。下面就康诺特施工的天津某医院手术室设计为例，介绍设计者在该设计中体现的设计思路。
一、手术室概况：
本洁净手术部由八间手术室、中央洁净大厅、麻醉室、苏醒室等附属房间组成，手术部位于医技楼二层，手术室无外围护结构，手术室净化级别要求分别为千级（I级）1间、万级（II 级）4间、十万级（III 级）3间，手术室设计温湿度考虑到儿童生理特点，全年控制在Tn=24～28℃，在手术室内就地可调，手术室设计相对湿度Фn=50%～60%。
二、手术室空调风系统的划分：
1.高级别手术室空调系统宜独立设置。所谓高级别手术室是指千级以上手术室，其原因是高级别手术室空调送风量大，如同样面积的手术室，百级手术室的空调风量是十万级的3.4倍，是万级的2.25倍。另外高级别手术室的使用频率远低于低级别手术室，这样无论是一个空调系统负担多个高级别手术室，或是一个空调系统负担一个高级别手术室和多个低级别手术室，都会使空调系统长时间处于"大马拉小车"的运行状态。例如一个空调系统负担1间百级手术室和2间万级手术室或4间十万级手术室，只要高级别手术室不使用，则系统设计风量至少大于此时所需风量的112%和84%，亦即此时系统所需风量仅为系统设计风量的47%和54.3%，而且此种因手术室使用与否引起的风量变化，不宜采用变频调速方式进行调节，只能用调节总风阀的方式调节风量以适应系统风量变化，然而此种方式显然不节能。所以无论从节约能源的角度，或是从使用可靠性、灵活性的角度，高级别手术室都应"按间"独立设置空调系统，即一个净化空调系统对应一间手术室。
2.对于低级别手术室，尽管与高级别手术室相比空调风量小的多，但一个空调系统所负担的手术室间数也不宜过多，因为医院手术室的使用情况具备不确定性。愈是高等级医院，手术室为满足特殊繁忙情况，设置愈多。手术室多，正常情况下的同时使用系数低，这样当一个空调系统所负担的手术室间数较多时，系统常处于"供大于求"的状态，其运行能耗势必较高，就象有的医院所反映的"建的起，用不起"。笔者认为，对于低级别手术室一个空调系统所负担的手术室不宜多于四至五间，而且一个系统负担手术室过多，也会造成使用上的不可靠。
3.中央清洁大厅、清洁走廊、高级别手术间的准备区、无菌室等应由一个单独的空调系统负担，目的是保证手术室外部空气环境时时处于"临战"状态，那种将以上部位空调合在低级别手术室空调系统中的做法显然不合理。因为合在一起的空调系统，或是在手术室停止使用时系统送风能耗过大，或是无法保证手术室外部气候环境处于受控状态。
总之，手术部空调风系统的划分原则应该是运行可靠、调节灵活、各司其责、节约能源。
三、送风量确定和气流组织：
该医院手术部进行空调设计时，国家尚未出版有关医院手术室洁净空调设计标准/规范，并且当时国内已有医院手术室洁净空调设计，基本上用于工业洁净室的设计思路，然而将工业洁净室设计思路照搬到医院手术室洁净空调设计中会带来两个问题：
①高级别洁净室风量过大，如按照《洁净厂房设计规范》（以下简称规范），百级手术室应在顶棚满布高效过滤器风口，则一间36㎡手术室的送风量为32400m/h~45360m/h（对应断面风速为0.25m/s~0.35m/s），如此大的送风量，送风功耗达17.0kW~19.0kW，送、回风管道占用建筑空间大，风系统噪声控制困难。
②对于千级以下手术室，在相同风量下手术室关键区域污染度控制不理想，原因是套用《规范》千级以下手术室可采用乱流形式的气流组织。通常的做法是在全室顶棚均匀设置高效过滤器风口，此气流组织形式的理论依据是"全室稀释和净化"，然而根据德国标准DIN1946/4中关于污染浓度的概念，此种"全室稀释和净化"的气流组织形式，在理想情况下可以使室内达到相同的细菌浓度，此时污染度为1，而如果突破"全室稀释和净化"的工业洁净室气流组织方式，会在手术室关键区域获得更低的污染度。针对以上问题，设计者参考德国Weiss手术室卫生空调系统的经验，在手术室风量计算和气流组织方面，突破工业洁净室设计思路，引入降低总风量，强化局部送风，重在手术床及器械桌区域的设计概念，具体做法如下：
A.对于所有级别的手术室，均突破了全室稀释和净化的概念，引入局部强化净化观点，将所有手术室的送风口均集中布置在手术床的上方，即以无影灯吊杆为中心设置"层流送风箱"，根据级别不同采用不同送风断面尺寸。
B.对于百级或千级手术室，采用洁净气流覆盖区域面积乘以此送风区域断面风速的方式确定风量。如本工程的千级手术室所采用送风层流箱覆盖面积为2.4m×2.4m，断面流速0.35m/s，因此送风量为7258m3/h，如果为百级，则采用送风层流箱覆盖面积为3.0m×3.0m，断面流速仍为0.35m/s，则送风量11340m3/h，仅为前述工业洁净室计算方法的40%。虽然此设计思路借鉴了德国Weiss手术室卫生空调系统的经验，但本工程并未采用德国学者介绍的大面积、小送风量（即大面积、低风速）的方式，因为根据国内医院的具体情况，采用小风速时对客观条件要求过于苛刻，且小风速时气流没有足够的动量保持送风的单向流，很难达到理想的空调和净化效果。而当断面风速30.35m/s时，如回风口设置恰当，不仅可以使送风保持较好单向流型，而且其单向流的分流高度会小于0.6m，即分流高度低于手术床的操作面标高。
C.对于万级、十万级手术室采用换气次数法确定送风量，万级取n=30次/h，十万级取n=20次/h。尽管此换气次数取值为《规范》规定的下限值，但由于采用了全部送风量由手术床部位上方的"层流送风箱"送出，其手术区达到的细菌浓度为室内其他区域的50%，即手术区域空气的污染度由全室稀释和净化方式的1降为局部强化送风方式的0.5。本工程万级与十万级手术室的"层流送风箱"送风面积分别为2.4m×1.2m和1.5m×1.5m，送风断面风速均为0.35m/s。
总之，采用以上设计思路的该医院手术室，在投入使用后效果良好，达到了用较小的风量，在手术室关键区域（手术床及器械桌区域）形成一个比手术室其他区域更洁净、更卫生的气候环境。
四、设置初效+中效新风过滤机组
一些手术室的净化空调系统设计中，新风的过滤问题未能引起充分的重视，新风常常是不经过独立的过滤处理而直接与空调回风混合，其结果导致中效、高效过滤器寿命缩短，更换频繁，系统的运行维护成本加大，甚至影响手术室的正常使用。这是因为新风与回风混合前，两者的空气含尘浓度相差过大，新风即便经过初效处理，其处理后的含尘浓度（30.5mm）也比十万级空调回风在同粒径范围内的含尘浓度大70倍左右，是百级空调回风同粒径范围内含尘浓度的几万倍，从而使中效乃至高效过滤器没有足够的保护。为解决此问题，我们在新风通路上安装了独立的初效+中效新风过滤机组，使新风经过两级过滤后再与回风混合，此时混合前的新风与回风在同粒径范围（30.5mm）的含尘浓度比较接近，真正起到了保护中效、高效过滤器的作用，而且新风过滤机组的初、中效过滤器清洗、更换方便，与更换高效过滤器相比投资少，维护简便。在新风通路上设置新风过滤机组的另一优点是确保了新风量，因为定风量的新风过滤机组本身就相当于一台"计量泵"。
五、采用定风量阀解决空气平衡问题：
手术部各区域的压力分布对于保证洁净手术室效果影响很大，而如何保证合理的压力分布，除空气平衡计算正确外，更重要的是送风、回风均应有良好的调节手段。以往风量调节装置主要是手动对开多叶调节阀，此种阀门用于风量的精调节并不理想，实践中有着调节困难、调试周期长的问题。针对此问题，儿童医院工程手术室空调系统的送、回风管采用了德国TROX公司的自力式定风量阀，此阀可以自动消除风管压力对风量的影响，阀体外部有风量调节刻度盘，调节十分方便，安装此阀后，手术室的压力调整变得十分简单，现场几乎无需费时进行压力调整。
结语：总之设计者在该医院手术室净化空调工程中，应借鉴国外先进的经验，结合我国的具体情况，本着"降低风量、改善效果、节约能源、方便调节、提高可靠性"的原则，进行了以上五个方面的尝试，实践证明这些尝试基本上是成功的。
简要概括如下：
1、手术室净化空调对手术室空气途径的感染控制有效且不可替代；
2、一个净化空调系统所负担的手术室间数宜少不宜多；
3、引入污染度概念，在降低手术室关键区域污染度的同时，减少高净化级别手术室的送风量；
4、引入局部强化送风的概念，即采用置换气流送风吊顶,在手术室关键区域形成单向流型气流组织，降低手术室关键区域的空气污染度；
5、新风系统采用独立的初、中效两级过滤；
6、采用定风量阀，以保证室内的正压分布。
医院空调的任务应该是，维持室内所需要的气候状态并除去空气中的尘埃、微生物、气味和有害气体。而医院手术室的空调是最重要也是最困难的任务，尤其是控制空气途径造成的术后感染至关重要，因为降低和避免术后感染是保证手术成功、缩短患者恢复时间、降低医疗费用的关键所在。另外手术室空调的另一特点是服务面积虽小但风量大、能耗高、使用时间不确定，因此手术室空调在创造高度洁净的室内气候同时应特别注意空调系统的节能。下面就康诺特施工的天津某医院手术室设计为例，介绍设计者在该设计中体现的设计思路。
一、手术室概况：
本洁净手术部由八间手术室、中央洁净大厅、麻醉室、苏醒室等附属房间组成，手术部位于医技楼二层，手术室无外围护结构，手术室净化级别要求分别为千级（I级）1间、万级（II 级）4间、十万级（III 级）3间，手术室设计温湿度考虑到儿童生理特点，全年控制在Tn=24～28℃，在手术室内就地可调，手术室设计相对湿度Фn=50%～60%。
二、手术室空调风系统的划分：
1.高级别手术室空调系统宜独立设置。所谓高级别手术室是指千级以上手术室，其原因是高级别手术室空调送风量大，如同样面积的手术室，百级手术室的空调风量是十万级的3.4倍，是万级的2.25倍。另外高级别手术室的使用频率远低于低级别手术室，这样无论是一个空调系统负担多个高级别手术室，或是一个空调系统负担一个高级别手术室和多个低级别手术室，都会使空调系统长时间处于"大马拉小车"的运行状态。例如一个空调系统负担1间百级手术室和2间万级手术室或4间十万级手术室，只要高级别手术室不使用，则系统设计风量至少大于此时所需风量的112%和84%，亦即此时系统所需风量仅为系统设计风量的47%和54.3%，而且此种因手术室使用与否引起的风量变化，不宜采用变频调速方式进行调节，只能用调节总风阀的方式调节风量以适应系统风量变化，然而此种方式显然不节能。所以无论从节约能源的角度，或是从使用可靠性、灵活性的角度，高级别手术室都应"按间"独立设置空调系统，即一个净化空调系统对应一间手术室。
2.对于低级别手术室，尽管与高级别手术室相比空调风量小的多，但一个空调系统所负担的手术室间数也不宜过多，因为医院手术室的使用情况具备不确定性。愈是高等级医院，手术室为满足特殊繁忙情况，设置愈多。手术室多，正常情况下的同时使用系数低，这样当一个空调系统所负担的手术室间数较多时，系统常处于"供大于求"的状态，其运行能耗势必较高，就象有的医院所反映的"建的起，用不起"。笔者认为，对于低级别手术室一个空调系统所负担的手术室不宜多于四至五间，而且一个系统负担手术室过多，也会造成使用上的不可靠。
3.中央清洁大厅、清洁走廊、高级别手术间的准备区、无菌室等应由一个单独的空调系统负担，目的是保证手术室外部空气环境时时处于"临战"状态，那种将以上部位空调合在低级别手术室空调系统中的做法显然不合理。因为合在一起的空调系统，或是在手术室停止使用时系统送风能耗过大，或是无法保证手术室外部气候环境处于受控状态。
总之，手术部空调风系统的划分原则应该是运行可靠、调节灵活、各司其责、节约能源。
三、送风量确定和气流组织：
该医院手术部进行空调设计时，国家尚未出版有关医院手术室洁净空调设计标准/规范，并且当时国内已有医院手术室洁净空调设计，基本上用于工业洁净室的设计思路，然而将工业洁净室设计思路照搬到医院手术室洁净空调设计中会带来两个问题：
①高级别洁净室风量过大，如按照《洁净厂房设计规范》（以下简称规范），百级手术室应在顶棚满布高效过滤器风口，则一间36㎡手术室的送风量为32400m/h~45360m/h（对应断面风速为0.25m/s~0.35m/s），如此大的送风量，送风功耗达17.0kW~19.0kW，送、回风管道占用建筑空间大，风系统噪声控制困难。
②对于千级以下手术室，在相同风量下手术室关键区域污染度控制不理想，原因是套用《规范》千级以下手术室可采用乱流形式的气流组织。通常的做法是在全室顶棚均匀设置高效过滤器风口，此气流组织形式的理论依据是"全室稀释和净化"，然而根据德国标准DIN1946/4中关于污染浓度的概念，此种"全室稀释和净化"的气流组织形式，在理想情况下可以使室内达到相同的细菌浓度，此时污染度为1，而如果突破"全室稀释和净化"的工业洁净室气流组织方式，会在手术室关键区域获得更低的污染度。针对以上问题，设计者参考德国Weiss手术室卫生空调系统的经验，在手术室风量计算和气流组织方面，突破工业洁净室设计思路，引入降低总风量，强化局部送风，重在手术床及器械桌区域的设计概念，具体做法如下：
A.对于所有级别的手术室，均突破了全室稀释和净化的概念，引入局部强化净化观点，将所有手术室的送风口均集中布置在手术床的上方，即以无影灯吊杆为中心设置"层流送风箱"，根据级别不同采用不同送风断面尺寸。
B.对于百级或千级手术室，采用洁净气流覆盖区域面积乘以此送风区域断面风速的方式确定风量。如本工程的千级手术室所采用送风层流箱覆盖面积为2.4m×2.4m，断面流速0.35m/s，因此送风量为7258m3/h，如果为百级，则采用送风层流箱覆盖面积为3.0m×3.0m，断面流速仍为0.35m/s，则送风量11340m3/h，仅为前述工业洁净室计算方法的40%。虽然此设计思路借鉴了德国Weiss手术室卫生空调系统的经验，但本工程并未采用德国学者介绍的大面积、小送风量（即大面积、低风速）的方式，因为根据国内医院的具体情况，采用小风速时对客观条件要求过于苛刻，且小风速时气流没有足够的动量保持送风的单向流，很难达到理想的空调和净化效果。而当断面风速30.35m/s时，如回风口设置恰当，不仅可以使送风保持较好单向流型，而且其单向流的分流高度会小于0.6m，即分流高度低于手术床的操作面标高。
C.对于万级、十万级手术室采用换气次数法确定送风量，万级取n=30次/h，十万级取n=20次/h。尽管此换气次数取值为《规范》规定的下限值，但由于采用了全部送风量由手术床部位上方的"层流送风箱"送出，其手术区达到的细菌浓度为室内其他区域的50%，即手术区域空气的污染度由全室稀释和净化方式的1降为局部强化送风方式的0.5。本工程万级与十万级手术室的"层流送风箱"送风面积分别为2.4m×1.2m和1.5m×1.5m，送风断面风速均为0.35m/s。
总之，采用以上设计思路的该医院手术室，在投入使用后效果良好，达到了用较小的风量，在手术室关键区域（手术床及器械桌区域）形成一个比手术室其他区域更洁净、更卫生的气候环境。
四、设置初效+中效新风过滤机组
一些手术室的净化空调系统设计中，新风的过滤问题未能引起充分的重视，新风常常是不经过独立的过滤处理而直接与空调回风混合，其结果导致中效、高效过滤器寿命缩短，更换频繁，系统的运行维护成本加大，甚至影响手术室的正常使用。这是因为新风与回风混合前，两者的空气含尘浓度相差过大，新风即便经过初效处理，其处理后的含尘浓度（30.5mm）也比十万级空调回风在同粒径范围内的含尘浓度大70倍左右，是百级空调回风同粒径范围内含尘浓度的几万倍，从而使中效乃至高效过滤器没有足够的保护。为解决此问题，我们在新风通路上安装了独立的初效+中效新风过滤机组，使新风经过两级过滤后再与回风混合，此时混合前的新风与回风在同粒径范围（30.5mm）的含尘浓度比较接近，真正起到了保护中效、高效过滤器的作用，而且新风过滤机组的初、中效过滤器清洗、更换方便，与更换高效过滤器相比投资少，维护简便。在新风通路上设置新风过滤机组的另一优点是确保了新风量，因为定风量的新风过滤机组本身就相当于一台"计量泵"。
五、采用定风量阀解决空气平衡问题：
手术部各区域的压力分布对于保证洁净手术室效果影响很大，而如何保证合理的压力分布，除空气平衡计算正确外，更重要的是送风、回风均应有良好的调节手段。以往风量调节装置主要是手动对开多叶调节阀，此种阀门用于风量的精调节并不理想，实践中有着调节困难、调试周期长的问题。针对此问题，儿童医院工程手术室空调系统的送、回风管采用了德国TROX公司的自力式定风量阀，此阀可以自动消除风管压力对风量的影响，阀体外部有风量调节刻度盘，调节十分方便，安装此阀后，手术室的压力调整变得十分简单，现场几乎无需费时进行压力调整。
结语：总之设计者在该医院手术室净化空调工程中，应借鉴国外先进的经验，结合我国的具体情况，本着"降低风量、改善效果、节约能源、方便调节、提高可靠性"的原则，进行了以上五个方面的尝试，实践证明这些尝试基本上是成功的。
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