I級潔凈手術室送風速度的探討

為控制不同用途用房的室內空氣環境衛生質量，降低手術的外源性感染風險，《醫院潔凈手術部建筑技術規范》GB 50333-2002（舊規范）將潔凈手術室分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ4級潔凈手術室，其中Ⅰ級潔凈手術室的級別zui高，要求的環境無菌程度也zui高。《醫院潔凈手術部建筑技術規范》（報批稿）（新規范）沿用了舊規范的潔凈手術室的級別劃分，但是對于Ⅰ級潔凈手術室的工作區平均風速的測量斷面和工作區平均風速的大小均有調整；舊規范要求的工作區平均風速的測量斷面為距地面0.8m高的送風口投影區域，要求工作區平均風速為0.25～0.30m/s；新規范要求的工作區平均風速的測量斷面為距地面1.2m高的送風口投影區域，要求工作區平均風速為0.20～0.25m/s。依據舊規范的要求，如果在距地面0.8m高的送風口投影區域內獲得0.25～0.30m/s的工作區平均風速，需要送風速度保持在0.40～0.45m/s。設計人員在設計Ⅰ級潔凈手術室時按照送風風速為0.45m/s計算Ⅰ級潔凈手術室的送風量，Ⅰ級潔凈手術室的送風面尺寸為2600*2400mm，Ⅰ級潔凈手術室的送風量為10108.8m³/h。新規范把工作區平均風速的測量斷面提高了0.4m，工作區平均風速的限值也降低了。為了在距地面1.2m高的送風口投影區域獲得0.20～0.25m/s的工作區平均風速，Ⅰ級潔凈手術室的送風速度和送風量需要多大？下面詳細探討。
1、現有文獻的分析研究
為了確定Ⅰ級潔凈手術室的送風量，操作實驗在模型I級手術室實驗室內完成。實驗室圍護結構采用復合彩鋼板組裝而成，實驗室尺寸為5900*4900*2700mm（長*寬*高）。實驗室透視圖見下圖1，末端送風裝置平面圖見圖2。
  （圖1）
        （圖2）
文獻在兩種實驗條件下進行了測試，一種為等溫送風實驗條件1（送風溫度和室內溫度相同），一種為高溫送風實驗條件2（送風溫度高于室內溫度）。
實驗條件1為：室內干球溫度22.0～23.5℃；室內濕球溫度18.0～20.5℃；室內正壓10～13Pa，送風溫差為0℃。在此實驗條件下，文獻得出的送風氣流衰減規律見下表：
從表中可以看出，等溫送風條件下送風的衰減率在0.303～0.369之間，平均值為0.353，按照衰減率計算，如果要在距地1.2m的送風口投影區域獲得0.20～0.25m/s的工作區平均風速，送風速度應在0.309～0.386m/s，送風量應為6941～8671 m³/h。
實驗條件2為：室內干球溫度29.7～30.0℃；室內濕球溫度22.0～24.8℃；室內正壓12～20Pa，送風溫差為1.4℃。在此實驗條件下，文獻得出的送風氣流衰減規律見下表：
從表中可以看出，高溫送風（送風溫度高于室內溫度）條件下送風的衰減率在0.422～0.462之間，平均值為0.443，按照衰減率計算，如果要在距地1.2m的送風口投影區域獲得0.20～0.25m/s的工作區平均風速，送風速度應在0.359～0.449m/s，送風量應為8064～10086m³/h。
對比以上兩種實驗條件下的衰減率，高溫送風條件下的衰減率比等溫送風條件下的衰減率增大了25.5%。這種衰減率的上升是由于熱送風所產生的浮力造成的，文獻未對送冷風（送風溫度低于室內溫度）的氣流衰減率進行實驗。送冷風時，由于受重力影響，送冷風的氣流衰減率比等溫送風的氣流衰減率要小，減小的比率應和送熱風氣流衰減率增大的比率相當，如果氣流衰減率按照25%的減小率計算，送冷風時的氣流衰減率應為：0.353*（1-25%）=0.264，按照上述的衰減率計算，如果要在距地1.2m的送風口投影區域獲得0.20～0.25m/s的工作區平均風速，送風速度應在0.27～0.34m/s，送風量應為6088～7638m³/h。
綜合比較分析，等溫送風的氣流衰減率可以取0.35，該值與《藥廠潔凈室設計、運行與GMP認證》（第二版）關于局部單向流的送風速度中提出的衰減率比較接近，也符合文獻提出的衰減率為0.2～0.4的要求。氣流衰減率取0.35，則送風速度和工作區平均風速之間存在如下的關系：

由上式可以導出：

可以看出，送風速度為工作區平均風速的1.54倍。
氣流衰減率取0.35時，如果在距地1.2m的送風口投影區域獲得0.20～0.25m/s的工作區平均風速，送風速度應為0.31～0.39m/s，送風量應為6964～8761m³/h，取整后為7000～8800m³/h，冷射流（送冷風）時送風衰減率小于上述數值。
2、理論分析
文獻在分析送風射流的流動規律時認為，送風速度和距地1.2m的送風口投影區域的工作區平均風速之間存在如下的關系：

式中，m為射流衰減系數；
    F₀為送風口面積，m²；對于Ⅰ級手術室來說，F₀=2.6m*2.4m=6.24m²；
    x為送風口至測試斷面的距離，m。
射流衰減系數與風口本身的特性相關的參數，它的大小只取決于送風口的本身的特性。文獻中并沒有給出適合Ⅰ級潔凈手術室送風口的射流衰減系數的取值，如何獲得Ⅰ級潔凈手術室送風口的射流衰減系數成為一個關鍵問題。
由上式可得：

利用文獻給出的實測送風速度和工作區平均風速之間的對應關系，采用上式計算出一系列射流衰減系數，見下表。式中的F₀=6.24m²，送風口至測試斷面的距離x=1.9m。將這一系列射流衰減系數的平均值0.435作為Ⅰ級潔凈手術室送風口的射流衰減系數。

當手術室的層高為3m時，距地1.2m的送風口投影區域的測試斷面到送風口的距離x=1.8m，射流衰減系數為0.435，F₀=6.24m²代入可得：

氣流衰減率：

按照0.317的氣流衰減率，如果在距地1.2m的送風口投影區域獲得0.20～0.25m/s的工作區平均風速，送風速度應為0.29～0.37m/h，送風量應為6515～8312m³/h，取整后為6600～8400m³/h。
3、Ⅰ級潔凈手術室送風風速及送風量的確定
對于層高為3.0m的Ⅰ級潔凈手術室，計算所得與文獻分析所得的結果差異的原因在于文獻所采用的實驗室的層高為2.7m，工作區平均風速的測試斷面距地面0.8m，送風面和工作區平均風速的測試斷面之間的距離為1.9m；而實際測試和理論探討的Ⅰ級潔凈手術室的層高為3.0m，工作區平均風速的測試斷面距地面1.2m，送風面和工作區平均風速的測試斷面之間的距離為1.8m；文獻的送風射流距離比實際測試和理論研究的射流距離大了100mm，因此造成了衰減率的差異，實際測試發現相差幾厘米風速就會發生顯著的變化。綜合比較現有文獻、理論研究、實際測試所得的氣流衰減率，認為層高為3.0m高的Ⅰ級潔凈手術室的氣流衰減率宜取0.32，這個衰減率既包含在現有文獻的分析研究所得的數值范圍內，又比理論研究的結果相對保險。按照0.32的氣流衰減率，如果在距地1.2m的送風口投影區域獲得0.20～0.25m/s的工作區平均風速，送風速度應在0.30～0.37m/s，送風量應在6739～8312m³/h，上述送風量取整后為6800～8400m³/h。上述送風量適合于3.0m高的Ⅰ級潔凈手術室；對于層高不是3.0m的Ⅰ級潔凈手術室的送風速度和送風量可以根據公式和計算確定。
當手術室的層高為2.9m時，1.2m的送風口投影區域的測試斷面到送風口的距離x=1.7m，按照上述公式計算氣流的衰減率為：

同理可得其它層高的Ⅰ級潔凈手術室的送風速度和送風量，計算結果見下表：

在進行Ⅰ級潔凈手術室設計時可以參照此表進行設計，并根據實際工程的送風溫差調整送風量的大小。由于新規范規定潔凈手術室的凈高不宜低于2.7m，因此表中只給到層高為2.7m的Ⅰ級潔凈手術室的送風速度和送風量的取值。表中的結果為理論計算所得，實際手術室中送風速度的衰減會受到手術室的大小、布局、送風面的大小、回風口的布置、送風溫差等因素影響。
4、新舊規范Ⅰ級潔凈手術室送風面風速和送風量比較
由于工作區平均風速的測量斷面和所要求的工作區平均風速的數值有變化，新規范和舊規范相比，Ⅰ級潔凈手術室的送風速度和送風量有變化，變化情況見下表：

表中針對的是層高為3.0m的Ⅰ級潔凈手術室。可以看出，要達到新規范的工作區平均風速的要求，Ⅰ級潔凈手術室的送風量可以按照7000～8600m³/h進行設計計算，比按照舊規范計算所得的送風量減少了1600m³/h，減少的送風量相當于原設計風量的16%。如果Ⅰ級潔凈手術室的層高小于3.0m，送風量減小的比例會更大。送風量減小了，在進行Ⅰ級潔凈手術室設計時，風機參數也可以適當減小，空調機組表冷器的冷負荷和熱負荷都會隨之減小，這樣就會在一定程度上降低Ⅰ級潔凈手術室的造價和運行費用，對于建設方來說是非常有利的。
考慮到低溫送風時的氣流衰減率減小，在距地1.2m的送風口投影區域達到0.20～0.25m/s的工作區平均風速所需的送風速度和送風量會減小，因此新規范標準從減少送風量的角度出發進行了如下的規定：在手術進行過程中，Ⅰ～Ⅲ級潔凈手術室凈化空調系統宜根據需要使送風溫度能夠在低于室溫狀況下運行。