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手术室带宽口低速空气幕的异温异速送风系统

Different temperature and different speed air supply system of air curtain with wide air outlet and low airflow velocity in an operating room.

同济大学刘燕敏沈晋明

摘要针对目前洁净手术室的传统送风装置抗干扰性较差以及难以同时满足医患需求，提出宽口低速空气幕异温异速送风装置及其净化空调系统。在手术台正上方设置三个独立的送风箱体。中间主层流送风装置送入无菌无尘、温度较高、风速较低的室内的循环风，在患者的手术部位形成无菌无尘的局部环境，便于围术期患者体温管理，同时满足了麻醉师的舒适度。两侧各配置宽口低速空气幕送风装置，送入温湿度较低、风速较高的洁净无菌送风，既保护了中心主层流送风气流，又符合了手术人员需求，有效排除了在手术中的发尘与发菌。从根本上改变了手术室传统的同一箱体的送风装置的结构与同温同速的送风方式，是一项具有自主知识产权、值得推广的技术。

关键词 洁净手术室送风装置空气幕抗干扰性医患需求宽口低速异温异速

引言

洁净手术室的送风装置是实现手术区域环境控制的关键部件。从手术环境控制特点与要求来说，手术室送风装置自身性能比手术室空调系统及控制系统更为重要。但在实际工程中设计、评标或施工中往往更重视手术室空调系统性能及控制系统，而不是送风装置自身性能[1]。

无论是我国还是其他发达国家的医院建设标准，高级别手术室常常要求在手术台正上方设置局部的层流送风装置。局部层流只是一种约定的俗称，医学界较为常用。在不同的标准中分别被较为科学地定义为单向流、低湍流度置换流或非诱导送风气流。我国GB50333-2013《医院洁净手术部建筑技术规范》（以下简称《规范》）规定[2]的Ⅰ级洁净手术室的送风装置的送风面积为2.4m×2.6m，在工作面上的送风速度为0.2~0.25m/s。德国DIN1946-4-2018《医疗建筑与用房通风》要求[3]Ia手术室送风装置面积为3.2 m×3.2m，送风量≥900m³/（h·㎡出口面积），相当于送风风速≥0.25m/s。美国ASHRAE170-2017标准《医疗设施通风》中规定[4]手术室的送风口每边要比手术台面的每边大0.3m到0.45m（送风面积约为1.2m×2.4m ~ 1.5m×2.7m），送风速度为0.127~0.178m/s。

现有洁净手术室送风装置的不足与对策

1.1 洁净手术室层流送风装置的不足

层流送风装置应有两大基本功能，一是将无尘无菌空气迅速置换保护区内所有污染空气，确保手术部位洁净无菌；二是防止层流外侧的不太干净的空气渗入保护区内。尽管层流送风装置已被普遍使用，但是在实际使用中暴露出两大不足：

1）层流送风抗干扰差 由于洁净手术室普遍采用局部送风装置，送出高洁净度层流气流，送风装置的周边的较污染的空气会被不断地引射到层流气流中，使得洁净气流形成的洁净无菌区域缩小。局部层流断面风速不断减小，易受周围气流干扰。另外还易受送风温度与室内空气的温度差的影响。有时会使无菌区域缩小。有时会难以到达工作面。无法保证手术区高度无菌无尘区域的要求。在手术过程的实时测定中，常常会发现I 级洁净手术室的送风装置实际形成的仅仅是Ⅲ级洁净手术室的无菌无尘区域。

2）送风温湿度无法同时满足医患 由于手术室的局部层流送风是以同一温湿度、同一风速送出，而送风温度是优先满足手术人员的舒适度为前提，以提高手术效率。手术小组人员穿着全套无菌服、工作强度较大，需要的温度与湿度较低，风速偏高。这样的送风温度往往易使得手术患者温度偏低，甚至出现低温症。处在患者头部的麻醉医生也会感到冷，有吹风感，不舒适。

1.2 提高洁净手术室层流送风装置性能传统对策

为了提高送风装置层流的抗干扰性，保证送风质量，一般采用以下三种对策：

1）在手术室送风装置四周添加较高的围挡，有的围挡甚至高达1m，保护送风气流能平稳送下来，这种围挡也被称为稳流器，但对手术小组无影灯或气塔的操作有影响，给手术人员有压抑感。为了减少对手术人员压抑感，实际手术室常常将围挡做得较低（见图1）或将带围挡送风装置做成全透明的，与供气桥架结合在一起（见图2）。

2）送风装置四周设置窄口高速空气幕（见图3），用空气幕提高送风气流抗干扰性是常用的措施，国外公司常常在送风装置周围设置窄口高速空气幕（见图4）。实际手术室为避免空气幕的高速气流对手术人员的强烈的吹风感，有的将高速空气幕向外移，避开手术人员，这样扩大了中间的主送风气流面积（见图4），或中心区域出现湍流（见图5）。依据我们的研究成果（沈晋明 1981），高速气流由于其强烈的引射作用，不仅干扰了中心的层流气流，而且中心送风气流由于被大量引射，被扰动，使得中心气流速度不断减少，送风气流质量下降。

3）还有的要求采用等温送风的送风装置 在手术室送风装置在围手术期内采用等温送风来保证洁净气流不收缩，免受送风温差对洁净气流的干扰，但对抗动态干扰的作用不大[6]。另外，手术室的热湿负荷还需要采用其他手段消除，会增加造价与运行费用。

1.3 改善手术室所有人员的热舒适性传统对策

传统手术室送风只是满足手术小组人员，无法同时满足手术患者、巡回护士和麻醉医生需求。

手术环境温度控制一般在22℃-24℃，手术患者身上的切口使皮肤保温作用的散失，加上麻醉剂的作用。婴幼儿与年迈手术患者在手术过程中易发生低体温，即使是中青年患者全麻手术超过3h或一般手术超过2h，也会出现术中低体温，对手术患者危害十分严重。围术期患者体温管理是手术护理的一个重要内容。最常用的措施就是给患者添加保温毯，根据围术期患者体温管理的要求调节保温毯的温度。其中一次性充气式保温毯对围手术期患者的体温管理较为理想（见图6）。但有报道，泄漏的热空气会干扰层流手术区域[7][8]，有可能加大手术部位感染。至于麻醉医生、巡回护士只能多穿些衣服。

围术期患者的体温管理另一项要求是手术过程的需求。大多数心脏外科手术需要在术中为患者建立体外循环、施行心脏手术时，利用体外循环泵临时代替患者的心脏功能。在开始建立患者体外循环时，要对患者施行低温麻醉，要求手术室快速降温，在几分钟内将患者周围空气降到20℃以下，尽可能降低患者基础代谢和对组织的损伤；在撤除患者体外循环后，又要求手术室能够快速升温。在几分钟内将患者周围空气升到25℃以上。过去最常用的措施就是急剧改变送风温度使整个手术室空气温度达到手术要求。不仅耗能，而且使手术室内所有的人员承受过冷（或过热）的温度。

另外，现在微创手术越来越多，有报道空调的冷风会使腔镜的温度下降，腔镜起雾变混浊，有碍于微创手术顺利实施，延长了手术时间，增加手术部位感染的风险。

洁净手术室送风装置的革新

如上所述，手术室送风装置的传统结构与送风方式无法同时满足层流送风气流抗干扰力及医患需求这两大问题，必须针对洁净手术室传统的送风装置的弊病，结合气幕洁净棚的科研成果[5]，对传统的送风装置进行彻底的革新，对窄口高速空气幕进行改进。手术室送风装置设置的空气幕，不同于大空间的出入门上安装的窄口高速空气幕。既不需要配置的空气幕对门外强烈气流与频繁出入人流的隔离，也不需要气幕有足够高的速度到达地面时完全隔断外侧的干扰。手术室送风装置的空气幕主要干扰是手术医护人员的操作过程，而非人员进出。而气幕有足够高的风速到达地面会带着沉降菌尘反弹反而不利。为此，本文提出了带宽口低速空气幕的异温异速的新型送风装置（已申请发明专利2020113693901）。

2.1 送风装置配置宽口低速空气幕

气幕洁净棚的科研成果表明在送风装置配置宽口低速空气幕的隔离效果要比设置窄口高速空气幕好得多[5]。从理论分析与实验验证送风气流的引射量与相邻气流速度差有关。两者气流速度差越大，引射量越大。如在主层流送风装置两侧配置宽口低速空气幕，由于空气幕与相邻气流的流速差小，不仅对送风装置空气幕外侧不太干净的空气引射量小。而且对空气幕内侧主层流气流由于相对速度差更小使得引射量更小，或者说，低速空气幕对中心的主层流气流干扰小。另外，因空气幕宽度大，使得气幕洁净气流外侧不太洁净的气流难以穿透进入中心主层流气流。空气幕的宽口与低速提高了对外抗干扰力、保证了主送风气流的质量，优于手术室传统的送风装置或采用窄口高速空气幕的送风装置。

在手术过程中对手术区域的干扰主要来自手术台两侧的手术医生，手术患者的头部是麻醉区域，麻醉医生用幕布将手术区与麻醉区隔开（见图7）。为此，我们只要在主送风装置两侧设置宽口低速空气幕，就可以隔离了主要干扰。不用像国外在送风装置四周布置空气幕，这样减少了气幕送风量而降低了能耗。

空气幕速度低固然引射量小，但从另一角度考虑，速度低、气流稳定性较差、影响了抗干扰力效果，我们在空气幕送风装置出口内设置不大于100mm×100mm的格栅，将一股大气流变成多股小气流的集合，提高了隔离性。

要增强宽口低速空气幕抗干扰性能与对主送风气流保护的关键，是实现中间主送风气流与两侧空气幕气流两者的风速配比最佳。尤其是宽口低速空气幕的技术参数选定，这取决于主送风装置以及所在手术室的物理尺度与环控要求。对于《规范》规定或推荐的手术室物理尺度与合规的送风装置已经有了最佳的结构与气流配比。非标准送风装置则需要将主送风气流与两侧空气幕气流的最佳配比可由CFD气流模拟与实测验证。

2.2 宽口低速异温异速的送风装置的开发

如上所述，传统洁净手术室内采用同一送风装置的结构与同温同速的送风方式（见图8），难以同时满足手术患者、巡回护士和麻醉医生对温湿度需求。配置空气幕也不能一味强调抗干扰力效果的最佳参数配比。在开发宽口低速异温异速送风装置时要同时兼顾医患需求与隔离效果。

我们在洁净手术室的手术台正上方设置的主层流送风装置、两侧各配置宽口低速空气幕送风装置、手术台的长边两侧下部设置若干回风口。将中间主层流送风装置与两侧宽口低速空气幕送风装置构成三个独立送风箱体，出风口均设置HEPA过滤器。三个独立的送风装置并列，各自送风管上均配置与压力无关的定风量装置（见图9）。保障三个独立送风箱体是实现最佳风速的配比的前提，从根本上改变了传统手术室同一送风装置的结构与同温同速的送风方式。并将主层流送风装置与两侧宽口低速空气幕送风装置连接2台不同的空气处理机组。

送风装置的中间层流箱连接循环风空气处理机组。送入温度较高、风速较低的室内循环风气流保证了手术部位无菌无尘要求。也可按照围术期患者体温管理需求调节送风温度，避免了手术患者低温症，同时也满足了麻醉师的舒适度。对于像心脏外科、脑外科等手术，也可按需在循环风空气处理机组内单独设置直膨式盘管，急剧改变送风温度以满足手术要求的在几分钟内将患者周围空气急速降温或升温，而不需要急速改变整个手术室的温度，既节能又有效。

由于宽口低速空气幕的送风气流不仅起到隔离作用，而且要服务于手术人员。两侧的空气幕送风箱连接自采新风的空调机组，送入处理过的温度与湿度较低、风速较高的送风，送风状态可以根据室内负荷与手术人员要求来调节。在保证中心层流送风装置宽度前提下，空气幕的宽度可以大一些，以满足我国《规范》对各级洁净手术室的送风装置尺寸的规定。另外空气幕送到手术人员头部高度一般风速不会高于0.5m/s，手术人员穿戴完备的无菌服，对风速不敏感而对温度敏感，也符合了手术人员操作时的需求。

由于上述两大革新，使得宽口低速空气幕异温异速送风装置突破了传统送风装置的结构与送风方式（见图8），不仅宽口低速空气幕提高了主层流气流抗干扰性，而且异温异速三个独立送风装置能同时满足医患对温湿度的要求（见图9），尤其是可实施围手术期患者体温管理。有效维持了室内最佳的无菌、洁净、医患舒适的手术环境。

手术室宽口低速空气幕送风装置系统配置

用于手术室宽口低速空气幕送风装置，中间主层流送风装置服务于手术台，宽度不应小于1m，长度与两侧空气幕送风装置一样应为2.6m，以使送风气流能笼罩手术台，保护手术切口。因两侧宽口低速空气幕保护，中间主层流送风装置不需要太宽，送风速度不要高于0.25m/s。两侧宽口低速空气幕要求送风速度不应高于1m/s，空气幕宽度不小于100mm。空气幕宽度可以大一些，送风速度可相应减少一些，只要大于主层流送风装置送风速度的50%就行。

我国《规范》规定Ⅱ级洁净手术室为标准手术室，其送风装置的送风面积为1.8m×2.6m。我们以Ⅱ级洁净手术室为例，带宽口低速空气幕的异温异速的送风装置的中间主层流送风装置尺寸为1.0m*2.6m，面风速为0.22m/s。两侧的空气幕送风装置的尺寸为0.4m×2.6m，面风速为0.5m/s。送风装置及其净化空调系统的设计如图8所示。

在洁净手术室的手术台正上方设置的主层流送风装置4、两侧配置宽口低速空气幕送风装置5。手术台的长边两侧设置若干回风口1。三个独立的送风装置4与5末端设置高效空气过滤器，回风口1处设置中效过滤器。

连接手术室主层流送风装置是循环风空调机组2，将室内空气经回风口1中效过滤器的循环风3送入主层流送风装置4，将无菌无尘的送风气流笼罩手术台区域，如此不断循环。循环风空调机组配置根据手术室内实施的手术要求，一般情况下只要配置空调加热器，实施围手术期患者体温管理。对于需要急速降温或升温的心外、脑外等手术的循环机组就需要配置直膨式盘管及相关系统。

考虑到现在洁净手术部大多独立设置多功能四管制热泵机组作为冷热源。服务于两侧配置宽口低速空气幕送风装置的室外空调机组7采用一次回风再加热的处理方式，这是十分成熟的恒温恒湿控制系统[9]。将新风9经粗中效过滤器与室内空气经回风口1中效过滤器的回风8混合后，再将经空气热湿处理的送风6，送入两侧空气幕送风装置，承担室内全部热湿负荷。两侧的空气幕送风装置无菌无尘气流笼罩着手术人员。送风装置空气幕的空调机组7由室内设置温度与湿度传感器自动控制，也可以手术人员自行设定。

结语

总之，本文提出的宽口低速空气幕异温异速送风装置在手术室的手术台正上方设置三个独立的送风箱体，使三个独立送风气流实现最佳风速配比，兼顾了医患的需求与抗干扰性能。中间主层流送风装置送入洁净无菌、温度较高、风速较低的室内的循环风，在患者的手术部位形成无菌无尘的局部环境，同时满足了麻醉师的舒适度。两侧各配置宽口低速空气幕送风装置，送入温度与湿度较低、风速较高的洁净无菌送风，保护了中心主层流送风气流，同时使手术人员笼罩在温湿度较低、风速较高的洁净无菌的气流，符合了手术人员手术需求，排除了在操作中的发尘与发菌。由室内温湿度传感器控制空气幕的送风状态，消除手术室动态负荷。从根本上改变了手术室传统的同一箱体的送风装置的结构与同温同速的送风方式。

手术室带宽口低速空气幕的异温异速送风系统增强了手术室洁净送风气流抗干扰力，保证了洁净无菌区域，同时满足医患的温湿度需求。优先保证手术部位的无菌无尘的手术环境。提高手术人员与麻醉医生工作效率，便于实施围手术期患者体温管理，有利于手术实施，有助于有效地降低手术部位感染，是一项具有自主知识产权的技术。希望有意愿合作的企业与我们合作推广这项新技术。

参考文献

1. 沈晋明，手术室送风天花的重要性与安全性[J].中国医院建筑与装备,2011(10):72-77

2. 沈晋明,刘燕敏，GB50333-2014《医院洁净手术部建筑技术规范》编制思路[J].暖通空调，2014, 44(4): 41-47.

3. 沈晋明,许钟麟,德国标准DIN1946-4-2018解读[J].暖通空调,2020,50(4):40-46

4. 沈晋明,保罗尼诺穆拉,刘燕敏，简介美国ASHRAE标准170-2013 [J].暖通空调,2014, 44(10):1-7.

5. 沈晋明, 气幕洁净棚特性研究[J].洁净技术，1983(1):8-12

6.刘燕敏,胡崔健,一种新型的洁净手术室控制——控温送风系统，净化空调网，公众号

7.Kellam MD, Dieckmann LS, Austin PN: Forced-air warming devices and the risk of surgical site infections [J].AORN,2013; 98:354–369

8.Kazuhiro Shirozu,Tetsuya Kai,Hidekazu Setoguchi, Nobuyasu Ayagaki,Sumio Hoka, Effects of Forced Air Warming on Airflow around the Operating Table[J].Anesthesiology January , 2018, Vol. 128, 79–84