一种新型的洁净手术室控制——控温送风系统

2021-07-16 访问量:226

一种新型的洁净手术室控制——控温送风系统

刘彦民,同济大学

上海科仕控制系统有限公司胡翠建

【摘要】针对承受热负荷的调温送风和不承受热负荷的等温送风,本文根据“风量、风量”新评价指标的合理性模式和温度效应”在洁净手术室。结合提出了一种温控送风系统。温控送风是将送风温度预置在温度阈值内,优先调整送风温差(不大于1.5℃),再通过调整辅助手段消除余热负荷。它不仅适用于各种手术,保持良好的操作环境,同时还能保证外科医生、麻醉师和患者的舒适度。

【关键词】洁净手术室、层流送风、热湿负荷、防护区域、温控送风

0 简介

我国国家标准GB50333《医院洁净手术室建设技术规范》(以下简称《规范》)要求采用非诱导气流(医学界俗称层流)来进行控制洁净手术室的操作环境。但并不是说有了无诱导送风装置,就一定要有合格的手术环境控制。许多关于层流通气控制手术部位感染(SSI)的负面报道大多是由不合格的层流送风装置引起的[1]。对此,德国DIN1946-4做了大量的研究工作,再次肯定了层流的作用。手术环境控制的积极作用[2].

洁净手术室的首要任务是优先保证最大的无菌区域、最佳的气流质量和最强的抗干扰能力。为此,提出了一种新型的手术室温度控制和送风系统中的气流方式和设施系统。将送风温度预设在温度阈值内,优先调整送风温差不大于1.5℃,再调整辅助调整方式,如采用辐射板墙或周边送风消除手术室余热负荷,保证手术人员、麻醉师和患者的舒适感。

1 局部层流送风评价指标

按照传统理论,洁净手术室的层流送风不仅需要实现无菌、无尘的手术环境,还需要消除手术室内的热负荷。即通过调节供气状态,主要为手术人员提供合适的工作环境。现在提出手术室的层流送风应优先考虑保护区的质量,这涉及到层流送风的性能和评价[3]。尤其是局部层流送风优先采取对策,保证保护区质量。

按照传统理论,评价超净层流送风质量的主要指标是送风的“流向的均匀性、流线的平行度、截面风速的均匀性”。这三个评价指标反映了层流消除污染的能力和重点保护区控制的有效性。但这些评价指标主要是针对整个房间的层流(即送风面积几乎等于房间的吊顶面积,见图1)。一般为层流比较大,一般在0.4m/s左右。

图1 全室层流示意图 图2 洁净手术室局部层流

与工业洁净厂房的全室层流不同,洁净手术室采用局部层流,在手术台上方设置局部层流送风装置。根据我国《规范》,一级洁净手术室送风面积为2.4m×2.6m,送风速度为0.2m/s-0.25m/ s。德国标准DIN 1946-4《室内通风技术》要求手术室送风面积不小于3.2m×3.2m,送风速度约0.25m/s [4]。美国ASHRAE170-2017标准《医疗设施通风》[5]规定,手术室每一侧送风口大于手术台每侧0.3m至0.45m(送风面积约为1.2m× 2.4m-1.5m×2.7m),送风速度仅为0.127-0.178m/s。

与整个房间的层流不同,当局部送风装置的气流进入房间时,因为流速比周围空气快,周围的空气会一起流动,周围的空气会因周围气流的压力变化而被喷出。 (或感应)效果。局部层流送风速度越高,喷射口周围的污染空气量越大,对层流形成的洁净无菌区的干扰越强,洁净无菌保护区越小。反之,局部层流送风速度小,虽然喷射量减少,但易受周围气流干扰,易受层流送风与室内空气(简称送风)温差的影响。空气温差)。因此,传统的三个评价指标不能用来评价超净局部层流送风对重点区域保护的有效性。

本文提出评价局部层流送风性能应以“气流、气流状态和温度效应”三个指标为指标。

1)气流是气流质量和速度的乘积,是指移动气流的效果。与气流质量和速度有关的物理量。气流方向与速度方向相同。风量快,风量大,抗干扰性强,但喷射量增加。 《规范》规定的手术室局部层流送风速度很低,但送风面大,送风气流质量大,有足够的动量维持局部层流并控制喷射量。

2)局部送风的气流模式无法实现流向的统一、流线的平行度、截面风速的均匀性。所需的气流模式是指无感应位移流,需要从上到下的垂直气流。 《规范》推荐的防漏层送风装置的气流状态为最佳。然而,水平层流的流速如此之低,很难保持无菌无尘的区域。

3)温度效应是由层流送风气流与室内空气的温差引起的。 《规范》要求送风气流温度低于室内温度,形成两者的空气密度差,相当于温差引起的热功率,对送风有附加作用力。供应空气流量。增加送风流量,使低流量的送风流量也可以输送到手术部位(见图3)。一般不考虑热功率对气流运动的影响,仅作为安全系数使用。但为了控制喷射量和保护无菌区,局部低速层流不能忽视温差对气流的影响。图3中的虚线显示了理想的无菌无尘保护区,当然送风温度不能太低(也就是说送风温差不能太大),否则温度效应会增加送风速度和喷射量增加,会减少局部层流形成的保护区域(见图4中虚线) 局部风温差形成的保护区域大小层流与气流质量有关。

图 3 理想送风温差保护区 图 4 过度送风温差保护区缩小

下面将根据气流、气流状态和温度效应三个因素的合理组合来说明洁净手术室的层流气流对策。

2 空调对流送风与空调辐射换热

从温度效应评价指标看,送风与室内空气温度相同的等温层流(或送风温差为零)形成最大的无菌无尘区,并且保护效果最好。由于手术室等调整空间内的热湿负荷会随时发生变化,传统的调整措施无非是改变送风温度或改变送风流量来维持调整后的温度和湿度。空间。如手术室对调整空间有洁净度要求,因为洁净度与送风量(或换气次数)有关,只能采取改变送风温度的调整措施,但送风量不能改变。对于等温送风,无法调节手术室温湿度,也无法消除室内热湿负荷。或许可以依靠专用的新风机组来承受所有的湿负荷,而利用围护结构的辐射板墙来承受室内的显热负荷。这是国外最近推荐的洁净手术室等温送风与辐射空调的组合方式,但冷辐射空调可能会出现问题。

辐射空调的优点是理论上可以使用低档热介质(如高温冷冻水或低温热水),可以减少送风量,提高热舒适度。但在手术室的实际使用效果并不理想,会存在以下局限性。

理论上,纯空气对热辐射几乎没有反射能力。在常温下占空气大部分的氮和氧等对称双原子气体被认为是透热的,或不会产生辐射热交换。并改变空气温度。室内空气只能通过与辐射墙板表面的对流和热交换来改变其温度。因此手术室净化,辐射调节室内空气温度的效率最低,调节过程缓慢。但是,辐射热交换的优点是直接影响人体。只要有足够的辐射热交换,人体就会感到热舒适。但是空调的冷辐射不同于热辐射。冷辐射温度范围不大。为保证辐射墙不结露,辐射墙表面必须至少高于室内空气露点0.5℃-1℃。必须低于室内空气温度,否则无调节。但是,辐射面温度过低,使人体感到不舒服,大大限制了辐射空调的制冷能力。冷辐射调节能力也有限,响应速度慢(或调节时间长),不适合工作强度大、变化快的工作场所,如外科手术。换言之,辐射热交换难以及时消除手术人员产生的余热。只能应用于相对稳定的工作环境,如办公室、会议室、家庭等,工作强度较低。手术过程中,只有麻醉师和患者处于相对稳定的状态。

辐射热交换除了与壁面辐射温度有关,还与室内可与人进行辐射热交换的辐射面积有关。现代手术室设备齐全。墙壁上摆满了各种储物柜、冷却器、保温柜、控制屏和面板。众多的大型悬浮显示屏和落地设备也阻挡了操作人员与辐射墙板之间的辐射。热交换(见图3)。大型洁净手术室可用于辐射热交换的墙体面积很小,不得不借用吊顶。辐射理论上计算可能就够了区域,但手术区上方有巨大的供气装置,供气装置下方的操作者和患者均无法接受冷辐射,或许可以与麻醉师进行辐射热交换。

图5 手术台周围的设备、送风顶棚、显示屏阻碍辐射传热

此外,操作人员在操作过程中使用的电加热和用电设备和工具也在不断变化。手术室的负荷特点是潜热负荷比较稳定,而显热负荷变化快,变化大[5]。辐射空调难以消除不断变化的室内显热负荷。

空气的比热容远小于水,空气的温度变化比水快。为了提高冷辐射的调节性能,近年来,辐射墙板的冷媒已被空气代替水代替。空气介导的冷辐射板也开始普及。但是,辐射冷空气介质是由专用空调供应,通过与冷冻水的换热盘管获得。换热盘管水侧和空气侧的传热温差一般为6℃-7℃。这意味着辐射板墙的介质不能使用高温冷冻水来节能,仍然需要7℃以下的常规冷冻水。

如上所述,为了满足手术区无菌、无尘操作的要求,洁净手术室的送风量是固定的。使用辐射空调并不能减少手术室的送风量。

由此可见,大型手术室采用空气介质辐射空调无法发挥“使用低档热介质、减少送风量、提高热舒适性”三大优势。唯一的好处可能是麻醉师和患者。但其“制冷量小、室温调节时间长、难以及时调整辐射剂量以消除动负荷、成本高”等缺点都暴露无遗。

3 洁净手术室温度控制及送风系统

简而言之,辐射空调手术室有其局限性。为维持设定的室内温湿度,传统方式将处理后的层流气流直接送入室内,消除室内热湿负荷,效率最高,调节速度最快,室内热环境控制稳定。直接调节送风气流状态来控制室内温湿度的最大缺点是不断改变送风温差可能会减少无菌无尘区(保护区)。至于气流的噪音,吹的感觉。这可以通过气流技术来控制,对于穿着全套无菌袍的手术人员来说,这不是什么大问题。

此外,对流空调的送风量取决于空气的动量和空气的温差来维持运动。也就是说,对流空调要起到调节室内温湿度的作用,充分利用温差的送风效果,优先消除热湿负荷。从工程上看,低于周围空气温差1.5℃的送风气流与等温送风气流形成的保护区相似。那为什么对流空调不利用这个1.5℃送风温差来减少辐射热交换,而只用等温送风来保证层流送风的净化效果呢?

与承受热负荷的调温送风和不承受热负荷的等温送风相比,我们更倾向于控制温差不超过1.5℃的层流风量作为“受控空气供应”。送风温度)”。虽然国家标准或规定要求操作室温度在21~25℃之间手术室净化系统,但实际操作中操作室温度通常控制在22~24℃范围内。如果温差为受控送风不大于1.5℃,手术室实际送风温度设定在20℃-23℃阈值内,固定阈值温度控制的送风也称为恒温供应。当然,可以根据手术类型设置阈值温度。

如果采用等温送风方式,需要独立的新风机组承担全部湿负荷,机器露点控制在11℃左右。独立的新风与室内空气混合后加热到室内等温状态(例如室内状态设置为23℃),必然会浪费大量供暖。房间内的热负荷也必须通过冷辐射来消除。

采用温控送风方式时,利用1.5℃温差产生的热功率,达到相同流速,可减少局部层流送风。也可降低独立新风混入室内空气的制热能力(只需加热至21.5℃)。由于温差送风承担部分室内负荷,冷辐射制冷量降低。仍能保证局部层流送风形成较理想的保护区。

根据这个想法,为此提出了一种用于洁净手术室的温控送风系统。 (已申请发明专利2.4)。室内冷辐射板温度预设为高于室内露点温度2°C。从浓缩除湿处理的新风承担所有湿度负荷,与室内回风混合,优先调节送风温差不大于1.5℃,加热至设定阈值温度向手术室送风,最大限度地提高送风量flow 剩余显热负荷由安装在房间内的冷辐射板墙或其他辅助调节装置承担,如果手术室的负荷较小,再加上预设温度的室内冷辐射板墙,则仅取决于调节送风温差大于1.5℃也可以保证室内温湿度控制。

用于消除室内显热负荷的温控送风辅助调节装置可采用以下三种方式:

1)如果有低档热介质(高温冷冻水和低温热水),优先选择水介质的辐射板墙。这是传统辐射空调节能的关键。但水介质的辐射传热调节性能较差。

2)如果没有低档介质,只要手术室正在进行微创手术等工作强度低的医疗程序,室内墙体就有足够的面积进行辐射热交换,并且可以使用空气介质的辐射壁。空气介质比水介质具有更好的辐射传热调节性能。另外,空气介质的辐射板墙只有单层板墙,几乎没有比热容,有利于控制辐射板墙的冷凝。

3)如果是大型洁净手术室,手术过程的工作强度高,手术设备或装置较多,热负荷变化快,那么“周边辅助送风”推荐方法。除了温控层流送风外,“周边辅助送风”还起到了上述循环空调机组产生的空调风的作用,该空调机原本用于中空辐射板墙。如果将循环空调风改为向设置在板壁上的外围出风口吹气,则空调风直接吹向板壁,并沿板壁向下流动,直至底部回风口,然后返回空调机组。这种“外围辅助送风”的循环空调风手术室净化系统,不仅通过对流换热直接参与室内的直接热湿交换,而且还间接冷却(或加热)板墙。无论面板墙是否配备,只要有表面,它就会冷却(或加热)成为辐射表面并参与辐射热交换。这样的外围辅助送风,大大增强了整个系统应对大型手术室热湿负荷的能力。

当然也可以采用制冷剂介质作为辐射板墙,但目前使用较少,经济性不强。

4 结论

基于气流、气流状态和温度效应的合理组合,提出了洁净手术室温控送风系统。相信等温层流送风不是最好的形式。在洁净手术室中,应优先保证层流送风的净化效果,以达到最大的防护面积和最佳的气流质量。影响层流送风效果的既不是传统的以温湿度为主的送风条件调节,也不是层流等温送风方式。空调结合等温送风和辐射的形式在理论上可以很好地分析,但在运行过程中保持等温送风可能是不现实的。大型手术室使用的空气介质辐射空调未能发挥“使用低档热介质、减少送风量、提高热舒适性”三大优势。

洁净手术室的温控送风是一种新型的气流,它是气流、气流模式和温度效应的合理组合。将送风温度和散热温度预置在温度阈值内,优先调整送风温差不大于1.5℃手术室净化,再调整辅助调节手段消除热负荷,保持良好的运行环境,并保护手术人员、麻醉师和患者感到舒适。这种辅助调节装置可以是水介质、空气介质辐射热交换形式,也可以是周边送风形式。上海科视控制系统有限公司实施了这套控制程序。只有这样,对于手术等工作强度较大的工作场所,对流换热才能尽可能多地承受负荷,减少辐射换热负荷的份额。总之,洁净手术室温控送风对各种手术室具有很强的适应性和有效性,是一种值得推广的系统形式。

参考资料

1. Sebastian Fischer、Martin Thieves、Tobias Hirsch 等。安装单向置换气流 (UDF) 系统减少手术室中空气传播的细菌负担[J].医学科学监视器。 2015年; 21: 2367– 2374.

2.沉晋明,许仲林,德国标准DIN1946-4-2018解读[J].HVAC,2020,50(4):40-46.

3.毛继传,沉金明,洁净室送风末端装置性能与评价[J].清洁与空调技术,2004(1):37-41.

4.沉晋明, Paul Nino Mulla, Liu Yanmin, 美国ASHRAE标准170-2013简介[J].暖通空调, 2014, 44(10):1-7.

5.沉晋明,聂以新,洁净手术室控制新技术:“湿度优先控制”[J].清洁与空调技术,2007 (3):17-20.

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