吴骁等：浅谈医院手术室开关门对洁净环境的影响

浅谈医院手术室开关门对洁净环境的影响

南京工业大学 吴骁^☆，周斌^△，薛科，丁丽丽

南京天加环境科技有限公司 吴小泉 

摘 要 在医院洁净手术室进行手术过程中，手术质量取决于患者自身情况、手术技术水平高低和手术环境好坏。暖通空调专业从业人员通过设计、施工和检测为营造良好的手术环境提供了保障。经过调研发现洁净手术室实际使用过程中手术室开关门行为很普遍。由于洁净手术室在动态条件下的特征比空态和静态更具有实际意义，为此，本文将通过数值模拟手段研究手术室和邻室之间同时存在温差和压差情况下，开关门过程中手术门界面处的流场和气溶胶扩散特性。结果表明：门关闭阶段的渗透风量远大于门开启阶段的渗透风量，所以建议适当加快门的关闭速度，以减小污染物的侵入量。当手术室温度高于邻室的时候，可以有效减少污染物的侵入，并将污染物控制在手术室的下部空间。

关键词 洁净手术室 建筑通风 气溶胶 温差 压差

0 引言

手术部位感染（Surgical Site Infections, SSIs）是一种常见的手术并发症，SSIs会增加患者的死亡率及医疗支出，造成的直接和间接经济损失非常可观。这给患者自身及其家庭、医疗单位以及整个社会都带来严重的影响。

减少SSIs风险的策略主要集中在：提高患者自身免疫力、提高手术技术水平和提高手术环境三个方面。相关研究表明，空气途径传播是微生物进入切口的最重要途径之一。目前洁净手术室通常采用通风稀释、定向送风气流组织、房间压力控制和空气过滤等洁净技术营造洁净的手术环境。

洁净手术室的净化空调系统性能检测，需要关注在何种状态下进行，即空态、静态和动态。空态指的是室内净化空调设施及功能齐备，但室内没有医疗设备和人员的状态。静态指的是室内净化空调设施及功能齐备并运行，如有医疗设备，医疗设备已安装并可运行，但无工作人员的状态。动态指的是设施以规定的状态运行，有规定的人员在场，并在商定的状况下进行工作。GB50333-2013《医院洁净手术部建筑技术规范》将空态和静态规定为工程检验和定期检验的两种状态^[1]。根据GB50591-2010《洁净室施工及验收规范》的要求，当建设方需要进行洁净室使用验收时，在“工艺全面运行，操作人员在场”的动态条件下由建设方组织进行^[2]。

根据南京工业大学科研团队的现场调研和文献分析，发现医院中因为医疗过程的需要，人员经常在室内走动引起室内流场和颗粒物浓度分布发生变化^[3-13]，而且医护人员会进出洁净手术室，导致手术门经常启闭。根据《空气洁净技术原理》可知，在初始压差为15Pa的洁净室中，外开门、内开门和平移门开门过程中内外压差具有一定的时间特性^[14]。由于手术室邻室的污染物浓度较高，开关门行为会导致室内外之间正压差的波动，室内特定的气流组织是否会失去原有的保护效果？为此，本研究将采用数值模拟方法，研究手术室门开关过程中室内外压差、温差因素作用下引起的手术室与邻室之间气流交换规律，以及污染物随气流迁移扩散的机理。

1 研究对象

本文研究的洁净手术室模型包括两个部分：手术室和前室。由于本研究侧重于研究污染物从前室到手术室的入侵扩散机理，所以建模时将室内的布置简化处理，忽略室内污染源，即不考虑手术医生、护士等医护人员以及手术医疗设备的影响。手术室内只留下手术灯和手术床，因为这两者都位于单向流送风口的正下方，会对送风气流形式产生较大的影响，需要将这影响考虑在内。手术台位于手术室正中间。手术室与前室之间通过隔墙分隔，隔墙厚度为0.30m(L)。

2 边界设置和工况对比

本模型的边界条件设置如表1所示。

表1边界条件设置参数

在前室环境中，人员是颗粒物最主要的散发源，其次，地面、四周墙面以及吊顶也会散发颗粒物。依据文献[14]中的建议值，取人员静止时的平均发尘量为1×10⁵个/（人·min），人员活动时的平均发尘量为5×10⁵个/（人·min）。并且，室内围护结构表面发尘量，以地面为准，其发尘量为：8m²地面的发尘量大约与一个静止的人的发尘量相等^[14]，则地面及围护结构的发尘量取为1.25×10⁴个/（min·m²）。假设前室中有一位医护人员正在活动，则前室环境中的颗粒物总的散发量为：18100个/s。考虑到数值模拟过程的难度，忽略颗粒物的沉降和悬浮效应，而对前室散发的颗粒物作简化处理，认为这些颗粒物散发后会比较均匀地悬浮在前室环境中。门开启前，先在前室中释放30s时间的颗粒物，以便在前室环境中形成比较均匀的初始颗粒物浓度场。本课题在研究过程中将取1μm、3μm、5μm、7μm四种不同粒径的颗粒物来进行模拟，以探究不同粒径大小的颗粒物从前室到手术室的迁移扩散效果。

手术室内维持450m³/h的正压风量，相对于前室可以形成6Pa的稳定正压。在数值模拟的过程中，维持这6Pa的恒定正压。为了简化计算，且考虑到手术室的空间比较小，则忽略室内温度的分层和不均匀分布，认为两室内都可以形成均匀的温度场。

本研究对比了两种工况：(1) 手术室依据层流送风温度而形成23℃的均匀温度场，通过设置不同的前室送风温度来形成不同的前室温度，从而形成不同的温差工况。此种情况时，手术室温度（T_n）低于前室温度（T_w），具体的温差工况设置见表2。(2) 手术室依据层流送风温度而形成23℃的均匀温度场，通过设置不同的前室送风温度来形成不同的前室温度，但此种情况时，手术室温度（T_n）高于前室温度（T_w），具体的温差工况设置见表3。

表2 手术室与前室的温差工况设置（T_n<T_w）

表3 手术室与前室的温差工况设置（T_n>T_w）

3 理论模型

本模型中手术室和邻室之间仅有温差时的示意图如图2所示。在正压压差和温差同时作用下的示意图如图3所示。
 

图2手术室与前室之间仅有温差作用时手术门界面处的气流模型

图3手术室与前室之间同时存在温差和正压作用时手术门界面处的气流模型

4 模拟结果

4.1 T_n<T_w时不同工况下的气流交换规律和颗粒物扩散机理研究

当手术室温度小于前室温度（T_n<T_w）时，手术室与前室之间的气流交换量分别如图4和图5所示。

图4 工况1-1～1-5时从前室进入手术室的空气渗透率随时间变化图

图5 T_n<T_w时工况1-1～1-5的各个不同阶段的渗透风量图

温差效应的增强贯穿于整个门开关过程之中，由图5和图5可以看出，在工况1-1～工况1-5的不同阶段，门关闭阶段的渗透风量远大于门开启阶段的渗透风量。就各个温差工况平均而言，门关闭阶段的渗透风量约为门开启阶段的3倍。然而门的开启过程和门的关闭过程关于门全开阶段而言是两个对称的运动过程，但在这两个阶段中的渗透风量却有如此大的差别，这还是归因于温差效应随着门开关过程不断增强的这一现象。所以温差效应的凸显是一个动态的过程，其作用会随着门开关的过程不断增强，而并不是维持不变的。

当手术室温度小于前室温度（T_n<T_w）时，手术室与前室之间的颗粒物扩散特性（t=11s时刻位于Z=3.4m平面）如图6所示。颗粒跟随气流扩散进入手术室后，都聚集于手术室靠近门洞的上部空间，在手术室上部的积聚的颗粒物可能会对手术区造成潜在的威胁。并且温差越大，所侵入颗粒物的量越多，侵入程度更严重（侵入更深）。

图6 T_n<T_w时工况1-1～1-5的颗粒物浓度云图

4.2 T_n>T_w时不同工况下的气流交换规律和颗粒物扩散机理研究

当手术室温度高于前室温度（T_n>T_w）时，手术室与前室之间的气流交换量分别如图7和图8所示。从工况2-1至工况2-5，门关闭阶段的渗透风量也远大于门开启阶段的渗透风量。就不同工况平均而言，门关闭阶段的渗透风量约为门开启阶段的4.7倍。这同样归因于温差效应随着门开关过程不断增强的这一现象。但不同的是，在温差为3℃、4℃、5℃这三个工况下，门关闭阶段的渗透风量甚至超过了门全开阶段的渗透风量。因为T_n>T_w时，正压送风气流与温差对流的相互“抵消”现象使得温差效应的显现过程减慢了，在这种情况下，温差效应到了门关闭阶段才达到最强的效果。

图7 工况2-1～2-5时从前室进入手术室的空气渗透率随门开关过程的变化

当手术室温度高于前室温度（T_n>T_w）时，手术室与前室之间的颗粒物扩散特性（t=11s时刻位于Z=3.4m平面）如图9所示。当温差为2℃时，由于出流在门洞交界面处起到的“屏障”作用，很好的阻隔了从前室到手术室的气流，同时也阻隔了颗粒物的入侵。当温差为3℃、4℃、5℃时，颗粒随着气流进入手术室内而积聚在“三角”涡流区内，且温差越大，三角涡流区的范围越大。在这种情况下，颗粒物的侵入深度仅为0.5m左右，侵入的颗粒物被控制在手术室空间的下部，这比较符合手术室的环境控制理念。并且同第一种情况(T_n<T_w)相比而言，颗粒物的侵入范围以及侵入深度更小。

4.3气流交换量的理论预测值和数值模拟值的对比验证

如图10所示，在工况2-3下，利用公式（2）计算了3℃的情况下从前室进入手术室的空气渗透量，并与模拟结果所得出的计算值进行了对比。由图可知，模拟计算所得的空气渗透率与理论计算所得的空气渗透率随着门开关过程呈现出相同的变化趋势。但是理论计算值相比模拟计算值而言较大，尤其是在门的开启阶段。这是因为，如前所述，在模拟计算过程中，温差效应是随着门开启过程而不断增强的。而在理论计算中，温差效应从一开始就达到最强的效果，并不随门开关过程发生变化。所以导致了理论计算值偏大，但是在大多数时间段内，理论计算值与模拟计算值的误差都在10%以内。而在另一方面，通过模拟值与理论计算值的对比，也进一步验证了本文模拟所选湍流模型的可靠性。

图10 工况2-3下从前室进入手术室的空气渗透率的模拟与理论计算值对比
 

5 结论和讨论

本文研究了手术门开关过程中在手术门界面处的气流和颗粒物扩散特性，发现当手术室温度高于邻室时，将有利于该动态过程中手术室内洁净环境的营造，并得到以下主要结论：

(1) 温差效应随着门开关过程而不断增强。所以，这就导致了在门关闭阶段的渗透风量比门开启阶段的渗透风量更大。就各个温差工况平均而言，当手术室温度低于前室时，门关闭阶段的渗透风量约为门开启阶段的3倍；当手术室温度高于前室时，门关闭阶段的渗透风量约为门开启阶段的4.7倍。所以，建议适当加快门的关闭速度，以减小污染物的侵入量。

(2) 当手术室温度低于邻室的时候，温差对流与手术室正压出流是相互“叠加”的效果。这会导致大量的渗透风携带着污染物进入手术室，侵入深度达到1.5m，且颗粒物都积聚在手术室的上部空间。这与手术室环境控制理念相违背，不利于保护手术室的洁净环境。

(3) 当手术室温度高于邻室的时候，温差对流与手术室正压出流是相互“抵消”的效果。这种情况下，出流在门洞交界面处起到的“屏障”作用，有效减少了从前室到手术室的渗透气流，同时也减少了污染物的侵入，侵入深度约为0.5m。并且侵入的污染物被控制在手术室的下部空间，这比较符合手术室的环境控制理念。同时，建议将手术室与邻室之间的温差控制在1～2℃之间，能够达到减少污染物侵入量的最佳效果。

6 致谢

感谢南京天加环境科技有限公司提供手术室实验场地，同时感谢国家自然科学基金项目(51508267)和江苏省第十四批“六大人才高峰”高层次人才项目（JNHB-043）的资金支持。

参考文献

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[14] 许钟麟. 空气洁净技术原理(第四版)[M]. 科学出版社. 2014. P298

^☆吴骁，男，1996年10月生，在读硕士研究生

^△周斌（通讯作者）

地址：南京市中山北路200号南京工业大学暖通工程系76号信箱

邮编：210009

E-mail: bin.zhou@njtech.edu.cn

个人简介：周斌，南京工业大学暖通工程系副教授、硕士生导师，目前担任城建学院实验中心主任，同时还担任《暖通空调》特约通讯员和青委会委员、国际标准组织ISO/TC142 WG04 HEPA/ULPA中国专家组成员、全国洁净室及相关受控环境标准化技术委员会(SAC/TC319)委员、中国颗粒学会青年理事、中国环境科学学会室内环境与健康分会会员、中国过滤与分离协会会员。主要从事室内空气品质、微污染控制、空气洁净技术的研究。主持国家自然科学基金项目、江苏省六大人才高峰项目和江苏省自然科学基金项目。