【摘要】阐述了医院手术室恒温恒湿净化空调系统的基本组成和工作原理，讨论了手术室恒温恒湿净化空调系统的运行工况和湿空气的物理特性，并且分析了空气处理过程在i-d图中表示，在此基础上，建立了手术室恒温恒湿净化空调系统的数学模型,并采用MATLAB连续仿真软件进行计算机仿真。

1前言

长期以来，大家一直按工业洁净厂房的要求进行手术室空调系统的设计和施工，片面追求手术室的洁净度，而不太重视手术室的空调效果，造成空调系统有的造价太高，有的达不到要求，特别是夏季湿度达不到要求。而手术室的温度.湿度直接关系到手术室的综合环境，甚至影响到手术最终效果，卫生部.建设部为此在2000年10月结合《军队医院洁净手术部建设标准》联合发布了《医院洁净手术部建设标准》，对手术室的温度.湿度.风速作出了明确的规定，使手术室的温.湿度控制有了依据，对医院手术室空调机组运行的可靠性.经济性.速动性和灵活性等诸方面都提出了更为严格的要求。本文按照新标准要求对一特定手术室空调对象进行动态仿真分析,提示了手术室空调对象运行的内在规律,并在此基础上寻求改善系统及其各部分的动.静态品质的技术措施和合理的控制方式。

2手术室净化空调系统的任务

手术室洁净舒适的环境主要是通过空调技术来实现的，手术室净化空调系统的任务，是在保证使用者的舒适要求.实现良好的室内空气品质的同时，提高手术成功率，减少切口污染。其设计思想和其它民用建筑空调的最大区别在于要通过空气调节技术来降低手术感染率。为此.其送风空气参数应首先满足能够把手术室内所产生的尘菌很快地排出手术室外，至少要能很快飘出手术区，不使沉降在切口内，以保证手术区的洁净度，同时也保证了舒适的手术环境。所以，洁净手术室空调系统应该具有如下特点：

(1)   空气的净化和除菌；

(2)   控制各区域的气流和流速：

(3)   保证不同区域之间合理的气流流向和压力梯度：

(4)   保证医疗上必要的温度和湿度；

(5)   及时快速地排除废气和有害气体。

第1、2、3点是大家研究的重点，而忽视了手术室的温、湿度，本文对此进行了仿真分析。

3净化手术室简介

这是国内具有代表性的手术室，室内采用全封闭结构，墙面采用进口钢板现场焊接，保证了手术室内具有良好的密封性，并使各个连接部位、顶部边、角处实现圆弧光滑过渡，防止挂尘：再在室内喷涂英国进口的手术室专用防裂及抗菌涂料，顶部安装层流送风天花，内装美国进口的AAF—级过滤器.并在中间增设了中速气流补偿装置。手术室地面采用汉高R77自流平.加上防水、防尘、防静电PVC地胶，室内柜均采用嵌入式安装，既不占用空间，顶部又不会积尘（图1).

4手术室空调系统组成

为了实现手术室空调系统的空气调节目的.手术室空气调节装置中设置了空气处理机、空气输送装置、气流分配装置（层流吊顶）、新风、排风及消毒装置。手术室洁净空调系统由净化层流送风天花、恒温恒湿净化空调机组及风管、控制系统三大部分组成：

4.1净化层流送风天花净化送风天花由高效过滤器、静压箱和阻尼散射纱网及中央气流补偿装置等四部分组成，是净化空调系统的末端，安装在手术床的上方，一般均设置在手术室的中央位置（图2)。

4.2净化空调机组(AIRMASTER)AIRMASTER净化空气处理机，是根据英国标准结合国内实际情况而生产的专为洁净手术室工程开发的机组，不但综合控制了手术室的温度和湿度，同时保证室内正压，带走细菌，而且还具有良好的节能效果（图3)。

4.3控制系统

控制系统由以下四个部分组成：传感及变送系统.控制器.执行器、控制对象（图4)。

5手术室空调工况分析

手术室净化空调系统是一个全年全天候的全自动恒温恒湿净化空调系统。

夏季室外空气（状态点1)和室内回风（状态点2)混合.如图5所示.然后按其新鲜空气和室内回风的比例关系确定室内外空气混合的状态点3。状态点3的空气经过空气冷却器冷却减湿后达到状态点4.3-4的过程.即是空气的冷却减湿过程。4点状态的空气再由风机.并经过风管及空气分配器送入手术室内.使室内得到适宜的“人工气候”。

在冬季室内外空气按一定比例进行混合.从而得到混合后的状态点3„过程3-4即为空气经过空气加热器的等湿加热过程，其过程线平行于图6的纵坐标i轴。经过空气加热器加热的空气接着又被电加湿器加湿至状态5。根据已学过的理论，空气的蒸发加湿过程，可近似地当作一个等温过程.故过程线4-5平行于通过点4的等温线，状态点5则是空气处理过程之最后状态。随后，状态点5的空气再由风机.经风管、空气分配器送入手术室。5-2过程就是状态点5的空气送入房间后.在室内放热和吸湿后的状态变化过程。同样若考虑空气经过风机的温升和经过风管的散热，其实际送风空气状态点可能要比点5稍?或稍低。

6手术室空调对象建立模型

根据《医院洁净手术部建筑技术规范》及<医院洁净手术部建设标准》的规定和要求.不同级别的手术室有不同的设计要求：

6.1手术室空调参数（见表1)

6.2不同级别手术室的热，湿负荷（见表2)

6.3室外空气参数（南京地区）

6.3.1夏季空调参数：温度=35.2℃,相对湿度=62%,风速=2.3m/s,含湿量=22.5g/kg。

6.3.2冬季空调参数：温度=_6℃,相对湿度=71%.风速=2.5m/s,含湿量=1+6g/kg。

手术室恒温恒湿净化空调系统采用智能控制技术，其控制系统为一综合模型，该模型是根据供水温度作为冬.夏工况的选择依据，供水温度大于25℃为冬季采暖工况，小于25℃为夏季制冷工况如图7所示。

7手术室恒温恒湿净化空调系统仿真及动态特性分

7.1冬季仿真

将冬季的温度与湿度模型进行组合，相对湿度的计算由定值22℃换成温度模型的仿真温度，从而真实地反应出温.湿度的动态响应过程。

在响应曲线中可以看到，相对湿度受温度的影响较大，在温度变化快的时候，相对湿度主要受温度变化的影响，在温度达到稳态，相对湿度受湿度控制系统的影响才表现出来.这在夏季也是一样的。这里的PID控制参数主要是为了观察系统运行的动态特性.在实际运行过程中，适当的PID参数设置可以掩盖湿度控制系统的作用。（如图8.图9所示）

7.2夏季仿真

与冬季模型一样.夏季模型也是将温度.湿度模型组合到一起.但夏季与冬季的组合不同.冬季的温度.湿度是两个独立的控制模型，除了温度对相对湿度的计算有影响外.两个模型是独立的.因此将两个模型简单的相加组合就能达到要求.而夏季除湿和降温共同一个控制器，两个模型同时受到这个控制器的控制.因此两个模型的组合就比较复杂。本模型采取将两误差信号进行选择处理的智能控制方式.温度和湿度信号经耦合后形成一个控制信号控制温控阀.通过表冷器降温或除湿.同时补偿模型对超调部分分别进行补偿.使系统的两个参数均达到控制要求（图10)。系统仿真结果如下：从图11中可以看出.在250秒时，温度湿度均低于设定值.此时加入了温度和湿度补偿，加入补偿后温度.湿度在1000秒时，两者达到设定控制要求，静态误差在设计范围内。在2500秒时系统达到最终稳态时，温度.湿度均达到稳定，此时温控W开度在25%左右，温度补偿为0,湿度补偿为1%。

7.3控制参数整定及优化手术室净化空调系统采用了工业控制中应用最多的PID方法控制。因PD控制器的参数与系统所处的稳态工况有关，一旦工况改变了，控制器参数的“最佳”值也就随着改变.这就意味着需要适时地整定控制器的控制参数。控制参数的整定方法主要是经验数据法.试凑法和扩充临界比例度法.本文主要是通过试凑法结合经验数据进行控制参数整定。

8仿真与试验比较

试验条件：室外温度4℃,室外湿度90%(雨天），室内起始温度20℃,室内湿度62%,设定温度24℃.设定湿度60%,试验数据见附录1。并在同样条件下进行仿真.结果如下：

从仿真结果可以看出，实际运行与仿真结果有一定的差异,表现在实际运行中响应相对要慢一些,主要是因为仿真时只考虑了机械设备自身发热的影响，对实际过程中其它干扰，如：开门、人员走动.漏风等无法作出准确描述的部分均没有完全考虑，同时在测量上也存在一定的误差.水温也不一定恒定，在建立模型时将传感器.执行器.冷热源等均处理为理想状态,从而造成模型与实际情况会存在一定的差异，但从图12中可以看出，实际运行与模型仿真的差异已经很小,两者在动态响应上是一致的.仿真与实际结果有较强的一致性。

9结果分析

通过数值仿真分析，对手术室设计中的空气调节系统动态特性作了初步分析与研究,并据此对手术室空调系统的设计和评价阐述了一些看法。

(1) 冬季模型比较简单，系统的响应也是一个比较稳定的过程.容易控制；而夏季模型则比较复杂.系统控制也比较困难。在控制方式上应以PI控制为主。在控制参数调整上，还是以试凑法结合经验数据法比较合适。

(6)       经观察特定条件下特定手术室冬季温.湿度试验与仿真响应曲线结果.从中可以看到实际运行效果与仿真结果有较好的一致性,可反应房间的温.温度的动态变化特性。

(7)       本文的仿真模型.控制方法及参数的整定方法对一般集中送风空调及其它恒温恒湿空调对象的仿真也有一定的参考价值。

(8)       过去大多数人主要研究温度和湿度的独立响应过程，对温湿度耦合运行研究的较少，本文结合手术室净化空调这个特定对象对温度、湿度耦合控制方法进行了仿真与分析.其结果对工程施工.设备调试.项目设计等均有较强的参考价值和指导意义。