基于TCM模型的潔凈手術(shù)室人體熱舒適性分析

劉春花周廣李鴻鳶

1浙江海洋學(xué)院海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院

2廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院

3深圳市科創(chuàng)醫(yī)療系統(tǒng)工程有限公司

基于TCM模型的潔凈手術(shù)室人體熱舒適性分析

劉春花1周廣2李鴻鳶3

1浙江海洋學(xué)院海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院

2廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院

3深圳市科創(chuàng)醫(yī)療系統(tǒng)工程有限公司

本文提出了一種利用TCM模型進(jìn)行醫(yī)院手術(shù)室熱舒適性分析的CFD仿真研究。本研究旨在利用由ISO7730提出的預(yù)測平均投票（PMV）模型分析室內(nèi)的熱舒適性。分析討論了速度、溫度和相對濕度、空氣的平均年齡，以及人體表面的溫度和相對濕度的分布，計(jì)算得到了人體不同部位的PMV和PPD值。仿真結(jié)果表明，在人體表面某些部位的PMV和PPD值不在標(biāo)準(zhǔn)ISO定義的可接受的范圍，但此手術(shù)室的舒適性滿足中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18049的要求。最后指出TCM模型是一種更全面的熱舒適性分析模型。

手術(shù)室 TCM模型 熱舒適 PMV-PPD

潔凈手術(shù)室是功能性要求非常高的微環(huán)境。我國最新出臺(tái)的《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》GB50333-2013中，對手術(shù)部的微環(huán)境控制技術(shù)提出了很多有針對性的參數(shù)要求。新版規(guī)范中，對手術(shù)室微環(huán)境的控制參數(shù)，給予設(shè)計(jì)者相對寬松的參數(shù)選擇空間，但對環(huán)境驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)提出了高標(biāo)準(zhǔn)要求。這就對設(shè)計(jì)、建造者提出了更高的要求。本文基于一個(gè)工程實(shí)例，通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)與TCM模型分析的角度，對環(huán)境中的人體舒適性評價(jià)進(jìn)行分析。通過不同計(jì)算工況的選擇和比較，找到一種既能夠滿足環(huán)境控制要求，又兼顧人體舒適性的環(huán)境控制參數(shù)，能夠?yàn)閷?shí)際環(huán)境的建設(shè)提供非常精確的參考。

1 TCM模型

TCM模型是考慮了人體熱生理現(xiàn)象（人體各部分溫度、出汗蒸發(fā)等）的熱流模擬與熱舒適性評價(jià)的數(shù)值仿真模型。它是STAR-CCM+CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）軟件的內(nèi)置專業(yè)分析模塊。TCM使用一種專門的一維代碼 TIM（德語縮寫“Thermo-physiological Occupant Model”）與CFD軟件協(xié)同工作，可以量化坐在車內(nèi)或其他封閉空間的人體熱生理狀態(tài)[1]。

TCM模型將人體分成14個(gè)部位（如圖1，頭、軀干、四肢、手和腳等）。每個(gè)部位，從表面到內(nèi)部，分成“皮膚——脂肪——肌肉——核心”四層，考慮各部位之間的熱生理體溫調(diào)節(jié)，包括各部位與中央血液積存之間通過血流進(jìn)行熱量轉(zhuǎn)移分配、新陳代謝熱生成、肌肉層人體顫抖的發(fā)熱、皮膚出汗引起的蒸發(fā)對流散熱（與環(huán)境溫度、濕度變量相關(guān)）、人體與周圍環(huán)境的輻射換熱以及太陽輻射的影響，同時(shí)也考慮人體各部位之間的熱傳導(dǎo)（如圖2）[2]。TCM人體模型調(diào)用的TIM程序代碼綜合考慮了上述體溫調(diào)節(jié)的各個(gè)因素。可見，TCM模型是一種更全面的熱舒適性分析模型。

圖1 假人模型（圖片來源于UG-NX8.0，Siemens Inc）

圖2 人體傳熱學(xué)圖示

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 三維幾何模型的建立

手術(shù)室的幾何結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用三維建模軟件建立潔凈手術(shù)室的三維幾何模型如圖4）。采用直角坐標(biāo)系，X、Y、Z坐標(biāo)軸分別與模型的長、寬、高相對應(yīng)。模型的長×寬×高為7m×6m×3m。手術(shù)室內(nèi)設(shè)置無影燈、麻醉機(jī)、椅子、器械臺(tái)、手術(shù)臺(tái)、吊塔等用具。模型房間內(nèi)共設(shè)置七個(gè)假人，分別是麻醉師（anesthetist）、病人（patient）、助手1（assistant_1）、助手2（assistant_2）、醫(yī)生（surgeon）、器械護(hù)士（instrument nurse）、循環(huán)護(hù)士（circulating nurse）。假人的14個(gè)部位是相互獨(dú)立的幾何體，其尺寸比例與真實(shí)人體一致。

圖3 手術(shù)室結(jié)構(gòu)圖

圖4 計(jì)算模型

2.2 幾何模型的處理與網(wǎng)格劃分

在STAR-CCM+CFD軟件里，導(dǎo)入IGES格式的三維幾何模型，同時(shí)創(chuàng)建新的流體域。軟件將顯示流體域的所有內(nèi)部和外部邊界，并且這些邊界是分散的，其名稱的可識(shí)別性差。因此必須進(jìn)行幾何模型處理，去掉多余的邊界，對七個(gè)假人的各14個(gè)部位按照TCM要求的命名規(guī)則分別命名，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外墻、內(nèi)墻邊界、手術(shù)室內(nèi)的各用具邊界等分別合并后命名。處理好流體域邊界后，對其幾何模型進(jìn)行包面處理并劃分出高質(zhì)量的表面網(wǎng)格和流體計(jì)算域的體網(wǎng)格，如圖5a所示。由于重點(diǎn)關(guān)注的部位是人體表面及其附近的流場熱工情況，因此人體表面的網(wǎng)格及其附近的體網(wǎng)格必須采取合適的加密措施，如圖5b所示，這對保證分析結(jié)果的可靠性至關(guān)重要。

圖5 網(wǎng)格劃分圖

采用多面體網(wǎng)格（Poly），網(wǎng)格數(shù)為286萬多個(gè)，網(wǎng)格頂點(diǎn)數(shù)313萬多個(gè)。多面體網(wǎng)格和相同數(shù)量的四面體網(wǎng)格（Tetra）相比，不但計(jì)算結(jié)果更精確，而且求解速度快3～5倍；多面體模型對網(wǎng)格數(shù)量的依賴比四面體小，只需四面體網(wǎng)格數(shù)的1/4即可保證計(jì)算精度[3]。

2.3 CFD與TCM分析物理模型的選擇

CFD與TCM分析所需的物理模型的選擇結(jié)果如表1[1，4]。

表1 CFD與TCM分析物理模型

2.4 邊界條件及熱工特性設(shè)定

手術(shù)室室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度25℃、設(shè)計(jì)相對濕度60%[5]。認(rèn)為手術(shù)室鄰室具有相似的空調(diào)系統(tǒng)，只考慮墻體的傳熱。空調(diào)設(shè)計(jì)送風(fēng)溫度24.5℃，相對濕度50%，送風(fēng)口尺寸為2.6m×2.4m，送風(fēng)速度為0.3m/s，空調(diào)送風(fēng)量約為2.186kg/s。邊界條件及熱工特性設(shè)定如表2[6～8]。

表2 邊界條件及熱工特性設(shè)定

3 模擬結(jié)果分析

3.1 房間速度分布

不同截面的速度分布如圖6、圖7所示?；亓髦饕l(fā)生在手術(shù)室的上部，特別是在設(shè)備和人員所在的區(qū)域。通過手術(shù)臺(tái)的氣流不是直接來自天花板散流器，手術(shù)室的四個(gè)角是空氣條件最差的位置。手術(shù)室集中送風(fēng)裝置送風(fēng)面以下0.1m的截面上的送風(fēng)速度均勻分布，在0.1m/s～0.4m/s之間[9]，符合規(guī)范的要求。

圖6 X=3.85截面處的速度分布

圖7 Z=1.02截面處的速度分布

3.2 房間溫度分布

圖8、圖9代表了不同截面的溫度分布，可以看出，工作區(qū)所在位置的溫度都是均勻分布的，并且工作區(qū)的溫度變化不超過3℃。

圖8 X=3.85截面處的溫度分布

圖9 Z=1.02截面處的溫度分布

3.3 房間平均空氣齡分布

平均空氣年齡是指在一個(gè)特定位置空氣的平均壽命，代表了空氣的“新鮮”程度。某一點(diǎn)的空氣年齡越小，空氣越清新，空氣質(zhì)量越好。圖10、11為不同截面處的房間平均空氣齡分布圖，可以看出，工作區(qū)的空氣都是相對比較新鮮的空氣，正如已經(jīng)看到的，手術(shù)室的角落所在的位置平均空氣齡高達(dá)150s，空氣最不新鮮，這和速度分布的結(jié)果是一致的。

圖10 Y=2.5截面處的平均空氣齡分布

圖11 Z=1.02截面處的平均空氣齡分布

3.4 房間相對濕度RH（%）分布

圖12、13代表不同截面處的相對濕度分布，空氣濕度必須保持在可接受的水平，因?yàn)樗c人體的熱舒適密切相關(guān)。國際標(biāo)準(zhǔn)以及中國國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的室內(nèi)相對濕度范圍均為30%～60%?？梢钥闯鰣D中手術(shù)室的相對濕度接近60%，符合要求。

圖12 Z=1.02截面處的濕度分布

圖13 Y=2.5截面處的濕度分布

3.5 人體表面溫度與相對濕度分布

圖14為人體表面的溫度分布圖?？梢钥吹?，七個(gè)假人頭部的溫度均比較高，病人右上肢與左上肢的溫度較低，對于外科醫(yī)生而言除了頭部和手以外的其他位置溫度都較低，因?yàn)闊崃渴菑捏w內(nèi)傳到體外的，服裝熱阻越大，表面溫度越低。

圖14 人體表面的溫度分布

圖15為人體表面的相對濕度分布圖（假人位置同圖14）?？梢钥闯觯邆€(gè)假人頭部和手部的相對濕度都較低；由于溫度變化較小，其他部位的相對濕度差異不明顯，這與前述人體表面的溫度分布的結(jié)果一致。根據(jù)工程熱力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，相對濕度是溫度的函數(shù)，在其它條件相同的情況下，溫度高意味著相對濕度低[10]。

圖15 人體表面的濕度分布

4 PMV與PPD人體舒適性評價(jià)

前面提到，TCM模型的特點(diǎn)是考慮了人體的熱生理現(xiàn)象，其PMV指標(biāo)（預(yù)期平均評價(jià)）與PPD（預(yù)期限不滿意百分率）熱舒適評價(jià)指標(biāo)也是針對人體14個(gè)不同部位的所謂當(dāng)?shù)責(zé)崾孢m性評價(jià)[1]。人體各部位的PMV與PPD值計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 人體各部位PMV與PPD（%）值

ISO7730指出，當(dāng)PMV處于-0.5～+0.5（PMV值從-3～+3，對應(yīng)人體熱感覺從冷到熱，PMV值為0時(shí)代表熱感覺適中），PPD小于10%時(shí)，人體處于熱舒適狀態(tài)[11]。GB/T18049的PMV推薦值為-1.0～+1.0，PPD推薦值為≤27%[12]?？梢姶耸中g(shù)室的舒適性完全滿足我國國家標(biāo)準(zhǔn)要求；對于國際標(biāo)準(zhǔn)，人體各部位的右手與右腳基本處于微熱狀態(tài)。

5 結(jié)論

利用TCM人體模型與CFD耦合起來分析人體的熱舒適性，有助于綜合考慮人體各部位之間熱生理體溫調(diào)節(jié)的內(nèi)在因素與空氣流速、溫度、水蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)、表面輻射及太陽輻射等流體和熱邊界條件的外在因素的共同影響。

從分析結(jié)果來看，TCM人體模型能給出綜合考慮了上述因素的熱舒適性評價(jià)指標(biāo)PMV（或PPD）值，指出人體各部位是否處于熱舒適狀態(tài)。這有助于設(shè)計(jì)師根據(jù)目前人體的熱舒適狀態(tài)，去考察房間溫度、濕度的分布、太陽輻射與氣流組織情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題，并做出相應(yīng)調(diào)整，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

[1]User Guide,STAR-CCM+Version 6.04.014,CD-adapco[Z].2011

[2]唐連偉.更全面的熱舒適性分析方法—STAR-CCM+考慮人體模型的熱舒適性分析[Z].CDAJ-China

[3]李明,李明高.STAR-CCM+與流場計(jì)算[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011

[4]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2001

[5]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004

[6]公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 50189-2005)[S].2005

[7]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(第二版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007

[8]劉榮向.基于新陳代謝率及皮膚溫度的人體熱舒適實(shí)驗(yàn)研究[D].青島:青島理工大學(xué),2010

[9]張熙民.傳熱學(xué)(第五版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007

[10]潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范(GB50333-2013)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013

[11]廉樂明.工程熱力學(xué)(第五版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2007

[12]ISO7730.Moderate Thermal Environments;Determination of the PMV and PPD Indices and Specification of the Conditions for Thermal Comfort[S].Geneva:International Standard Organization,1984

[13]中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測定及熱舒適條件的規(guī)定(G B/T18049-2000)[S].2000

The rm a l Com fort Ana lys is of Hum a n Body in a Cle a n Ope ra ting Room ba s e d on TCM Mode l

LIU Chun-hua1,ZHOU Guang2,LI Hong-yuan3
1 College of Shipping and Ports Construction Engineering,Zhejiang Ocean University
2 Tianhe College of Guangdong Polytechnic Normal University
3 Shenzhen Kechuang Medical System Engineering Co Ltd.

This paper presents a CFD study for thermal comfort in a hospital operating room.The research aims to analyze the indoor thermal comfort using the PMV model which has been presented by ISO7730.Solutions of the distribution of airflow velocity,temperature,and relative humidity,mean age of air,temperature and relative humidity of human body surface are presented and discussed.The PMV and PPD are calculated for assessing thermal comfort based on TCM model.The simulation results show that the values of PMV and PPD in some parts of human body surface are not within the standard acceptable range defined by ISO,but this operating room’s comfortableness satisfies China national standards GB/T18049 request.It is found that TCM model is a more comprehensive model for thermal comfort analysis.

clean room,TCM model,thermal comfort,PMV-PPD

1003-0344（2015）01-019-5

2013-12-22

劉春花（1980～），女，碩士，講師；浙江省舟山市臨城新區(qū)海大南路1號浙江海洋學(xué)院海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院（316022）；E-mail:liuzi1001@163.com