医院空调的任务是维持室内所需要的温湿度并除去空气中的尘埃、微生物、气味和有害气体。其中手术室空调的设计是最重要的,因为减少和避免通过空气途径的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。手术室空调的特点是服务面积小、风量大、能耗高、使用时间不确定,因此应特别注意在创造高洁净度室内气候的同时空调系统的节能。本文以天津市某医院手术室设计为例,介绍了设计者的一些新思路。
1 手术室概况
该医院洁净手术部由8间手术室、中央洁净大厅、麻醉室、苏醒室等房间组成,手术部位于医技楼2层,手术室无外围护结构,手术室净化级别为1000级(Ⅰ级)1间、10000级(Ⅱ级)4间、10万级(Ⅲ级)3间,手术室设计温湿度全年控制在24～28℃,50%～60%,在手术室内就地可调。
2 手术室空调风系统的划分
①高级别(1000级以上)手术室空调系统宜独立设置。其原因是高级别手术室空调送风量大,同样面积的手术室,100级手术室的空调风量是10万级的3.4倍,是10000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1个空调系统负担1间100级手术室和2间10000手术室或4间10万级手术室,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装置调节,只能用风阀调节,而风阀调节方式是不节能的。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尽管低级别手术室与高级别手术室相比空调风量小得多,但一个空调系统所负担的低级别手术室间数也不宜过多,因为医院手术室的使用具有不确定性。愈是高等级医院,手术室设置愈多,在正常情况下手术室的同时使用系数较低,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,出现有的医院所反映的“建得起,用不起”的情况,并且一个系统负担的手术室过多,也会造成使用上的不可靠。笔者认为,一个空调系统所负担的低级别手术室不宜多于5间。
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。文中示例医院手术部的空调风系统正是按上述原则划分的。实践证明,此种划分方式效果良好。
3 送风量的确定和气流组织
进行该医院手术部空调设计时,国家尚未颁布有关医院手术室洁净空调设计的标准与规范,当时国内已有的医院手术室洁净空调设计基本上囿于工业洁净室的设计思路,将设计工业洁净室的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。按照《洁净厂房设计规范》(以下简称《规范》),100级手术室应在顶棚满布高效过滤器风口,则一间36m2手术室的送风量为32400～45360m3/h(对应断面风速为0.25～0.35m/s),送风功耗达17.0～19.0kW,送、回风管道占用建筑空间大,风系统噪声控制困难。
②对于1000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,原因是按《规范》规定1000级以下手术室应采用乱流形式的气流组织。该做法通常是在全室顶棚均匀设置高效过滤器风口,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设计经验,在手术室风量计算和气流组织两方面,突破了工业洁净室设计思路,引入了降低总风量,强化手术床及器械桌区域局部送风的设计概念,具体做法如下:
①对于所有级别的手术室,均突破了全室稀释和净化的概念,采用局部强化净化方法,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。
②对于100级或1000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1000级手术室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。
100级送风层流箱覆盖面积为3.0m×3.0m,断面流速仍为0.35m/s,则送风量为11340m3/h,仅为前述工业洁净室计算方法送风量的40%。
虽然此设计思路借鉴了德国Weiss手术室卫生空调系统的设计经验,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,因为采用小风速对客观条件要求过于苛刻,且小风速时没有足够的动量保持单向流送风,很难达到理想的空调和净化效果。而当断面风速≥0.35m/s时,如回风口设置恰当,不仅可以使送风保持较好的单向流型,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。
③对于10000级、10万级手术室采用换气次数法确定送风量,10000级取30h-1,10万级取20h-1。尽管此换气次数取值为《规范》规定的下限值,但由于全部送风量都由手术床部位上方的层流送风箱送出,手术区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10000级与10万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,用较小的风量 在手术室关键区域(手术床及器械桌区域)形成了比手术室其他区域更洁净、更卫生的空气环境。
4 在新风通路上设置粗效+中效过滤机组
在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,新风常常不经过独立的过滤处理就直接与空调回风混合,其结果是导致中效、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,新风即便经过粗效处理,其含尘浓度(≥0.5μm)也比10万级空调回风在同粒径范围内的含尘浓度大70倍左右,是100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,我们在新风通路上设计安装了独立的粗效+中效过滤机组,使新风经过两级过滤后再与回风混合,此时的新风与回风在同粒径范围(≥0.5μm)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粗、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。
5 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洁净手术室效果影响很大,而如何保证合理的压力分布,除正确计算空气平衡外,更重要的是对送风、回风进行精确的调节。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,在该医院手术室空调系统的送、回风管上设计安装了德国某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,手术室的压力调节变得十分简单。
6 结语
设计者在该医院手术室净化空调工程设计中,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5个方面的尝试,实践证明这些尝试基本上是成功的。