什麼是通倉交融手術室？

通倉交融手術室（Barn Integrated Operating Room）是多台手術交匯融合在一個大空間內的簡稱。通常指在一個完全開放的大空間內，有多台手術可同時開展（一般為4台手術）的一個綜合性的手術平台。4台手術的團隊在這平台上有機組合在一起，在手術過程中相互交流、交匯、合作與融合。

在這個綜合手術平台上，建築空間是需控制的，人員數量是受限制的，手術區域環境是可控的，潔凈等級是可變的，空調系統是變風量的，氣流組織是變化的，運行是多樣化的。在交融通倉手術室內，經驗較少的外科醫生和麻醉師能夠在專家指導下，能成功地完成手術，使他們的能力得到了鍛鍊，並且增加了手術數量，減少了人員配置，提高了手術運營效率，又可隨時根據手術技術與裝備的發展而變化。

一、通倉交融手術室設計方案

1.1 手術室概要及平面布局

通倉交融手術室一般能同時開展1~4台手術，在手術進行時，僅需要一位高級麻醉師及一名資深手術醫生，其餘均由麻醉師、主刀醫生及護士完成。一名巡迴護士同時管理4台手術，醫護人員數量配置相比傳統模式縮減25%，大大提高了工作效率，而且手術空間、手術器具與設備、手術人員得以高效利用，最大程度發揮高級外科醫生與高級麻醉師的作用，手術團隊分享臨床專業知識與手術技能，使醫院在有限優質醫療資源下，更快、更省、更安全和更有效地服務治療更多的病人。

通倉交融手術室一般建築面積控制在長23.4m×寬8.4m=196m2（見圖2）內，手術內區與外區面積比1:5.5左右，手術室人員與設備標準配置見表（表１、表2），手術室內設備和人員布置見圖（圖2）。

基於手術性質及對不同手術凈化等級要求的區別，四台手術均可在Ⅰ級潔凈手術室與Ⅲ級潔凈手術室之間任意變級切換，而不影響其它手術的開展。也就是說1#或3#手術區按I級潔凈手術室運行，而其它2#、4#手術區可以是III級潔凈手術室運行。理論上可以有24種運行模式。但當開展移植手術時，通倉交融手術室只能按Ⅰ級潔凈手術室運行。

1.2 空調系統設計方案

通倉交融手術室，共有4個即獨立又關聯的手術區域，為使手術區處於受控狀態，並且各手術區能夠靈活使用，每個手術區採用4套獨立空調系統，而整個手術室採用1套新風空調系統，有利於通倉交融手術室整體壓力控制和正壓維持。

空調系統設計方案的理念是，採用集中新風空調系統消除手術室內濕負荷，循環空調系統調節手術室內溫度，空調的2個系統分別對手術室內溫度和濕度進行獨立控制，使通倉交融手術室整體處於受控狀態，各手術區可靈活使用。

1.2.1 設計參數

手術室室外參數參考上海地區，室內設計參數依據《醫院潔凈手術部建築技術規範》（GB 50333–2013）指標確定：室內溫度24℃，相對濕度50%，單個手術區平均室內人數4.5人。通過計算通倉交融手術室（四個手術區）總冷負荷Q=89.7kW,總濕負荷d =9.28Kg/h,室內冷負荷Qn=31.3kW,新風負荷Qw =58.4kw,每個手術室控制區為2.6m×2.4m，送風量9000m3/h，新風量1000m3/h，排風量500m3/h，滲透風量500m3/h。

1.2.2 溫度濕度獨立控制

根據以上闡述，通倉交融手術室凈化空調系統採用溫度濕度獨立控制（見圖3），其特點是：潔凈手術部內各手術室新風處理後狀態點相同，並且是恆定的，各手術室循環空調系統自成獨立系統，而且各手術室也可以靈活使用。

潔凈手術室新風集中設置有利於滿足各手術室的正壓要求，保證各手術室的壓力梯度。循環空調系統保證手術室的潔凈度，避免空氣交叉感染。排風采用獨立系統，並且與手術室自動門連鎖，當手術室門關閉時排風系統自動開啟，使手術室始終處於正壓受控狀態,各手術區也可以靈活使用。由於新風空調系統承擔手術室內全部濕負荷，新風空調箱冷卻盤管的冷卻除濕能力加大,要求進新風空調箱表冷器的冷水溫度降低。當表冷器冷水進水溫度達不到要求時，可採用直接蒸發冷卻器進行二級冷卻處理。新風空調箱濕工況運行，循環空調箱在干工況狀態下工作，並且新風空調系統控制室內相對濕度，循環空調系統控制手術室溫度，保證手術室在設定的溫濕度範圍內運行，特別是手術室相對濕度必須＜60%。

1.2.3 手術室的h-d圖分析

通倉交融手術室新風集中處理，新風處理到I級手術區和III級手術區公共狀態點（其含濕量小於手術室內含濕量）,循環空調系統各手術區分別獨立處理，夏季處理過程h-d圖（見圖4），冬季處理過程h-d圖（見圖5）。

夏季，新風處理到L1點（公共狀態點）,新風處理狀態點由do=dn—W/1.2L（其中do為送風含濕量，dn為室內含濕量，W為濕負荷）確定。由於手術室的濕負荷主要是人員散濕，在手術過程中，室內人員是固定的，因此室內濕負荷基本恆定，所以L1點基本是固定的。由於Ⅰ、Ⅲ級手術室濕負荷不同，因此含濕量差Δd也不同，確定的公共狀態點能保證不同級別手術室的室內溫濕度在《規範》許可範圍內既可。

新風W先經三維熱管預冷至W′，由於新風需從W′點處理到L1點，一級表冷器往往難以實現，因此通常採用兩級表冷器來處理，第一級表冷器將新風由W′點冷卻到L點（一般為室內狀態點的等焓線與相對濕度95%線的交點），第二級表冷器將新風由L點冷卻到L1點。由於兩個表冷器處理後的出風溫度不同，所以其所需的冷水進水溫度也不同（通常表冷器冷水進水溫度比出風溫度低4 ℃左右）。在一個集中空調系統內要提供兩種不同的冷水溫度，水系統比較複雜也不經濟，通常第一級表冷器採用集中空調系統提供冷源（或採用獨立冷源——多功能熱泵機組），第二級表冷器採用直接蒸發盤管。

根據各手術室的控制調節需要，將新風從L1點經三維熱管再熱至T點，循環風與處理到T點的新風在手術室送風靜壓箱（送風天花）內混合到C點，考慮機器內升溫至C′，再降溫至熱濕比線上O點，送入手術室內。

此方案新風空調箱承擔了降溫除濕功能，循環空調箱在干工況狀態下運行，可減少細菌滋生繁殖，對控制手術室內無菌環境十分有利，而且簡化了空調系統控制。當手術室內顯熱變化時，控制循環空調箱進行加熱或降溫處理，而且循環空調箱控制溫度反應速度較快，控制精度也較高。

冬季，新風從W點加熱到H點（在L1點的等溫線上），再等溫加濕到與公共狀態點L1，並根據各手術室的控制調節需要，將新風從L1點加熱至T點，與循環風在手術室送風靜壓箱內混合到C點，再降溫至熱濕比線上O點，送入手術室內。新風空調箱承擔加熱、加濕功能。當手術室進行制熱或製冷功能轉換時，新風的共同送風狀態點始終維持不變，空調系統轉換簡單，使用靈活方便。

綜上所述，新風空調箱對新風進行冷卻、再熱（夏季）或加熱、加濕（冬季）處理到一個共同的送風狀態點，循環空調箱對室內迴風進行冷卻（加熱）處理；集中新風系統與室內循環系統互不干擾，控制系統穩定可靠。

1.3 通倉交融手術室氣流組織

有序的氣流組織設計是保證通倉交融手術室的潔凈度，防止菌塵污染的重要措施，上部送風下部迴風的氣流組織設計，可以有效控制各手術區菌塵沉降污染。但受通倉交融手術室平面及各種條件限制，上部下回氣流組織有一定困難，我們按現有成熟的設計經驗,送風形式設計成：I級手術區上部送風，1/3風量下回，2/3風量上回，而III級手術區上部送風，全部採用下迴風，並且I級和III級手術室下部迴風不是平行於手術台長邊兩側，而是在手術台短邊一側（見圖8），風量平衡計算表見下表（表3）。

1.4 手術區I/III級別轉換

《醫院潔凈手術部建築技術規範》第8.2.1條規定，「I級~III級潔凈手術室內集中布置於手術台上方的非誘導型送風裝，應使包括手術台的一定區域即手術區處於潔凈氣流形成的主流區內。」我們從I級~III級潔凈手術室集中送風裝置面積中發現（圖6），不同級別的送風面積長度是固定的，不同的是寬度。

這樣為我們了提供解決I/III級手術區轉換的思路，將手術區集中送風裝置分成三個送風箱體，可完美解決I/III級轉換難題（圖7）。將I級手術區送風裝置（2600×2400）分成3個箱體，即中心箱體1個（2600×2400）為在長邊二側各增加1個箱體（2600×500）。將3個箱體組合使用即可達到I/III級手術區轉換。當使用中心箱體時為III級手術區，當中心箱體和二側箱體同時使用時為I級手術區。

我們以I級手術區為例進行分析，送風為中心箱體和二側箱體，送風總箱體（2600×2400），送風量9000m3/h，箱體面積2600×2400=6.24m2，截面風速0.4m/s，送風管分以送風裝置長邊左右6路分支管，分別送入3個箱體。每路送風管上安裝定風量閥，並固定設計風量，保證整個送風裝置截面風速的均勻。每個定風量設雙位控制，實施送風狀態與關閉狀態的切換。為維持各分支管路風量平衡，必須選擇壓力無關型定風量裝置，才會隨過濾器積塵而阻力增加等因數改變風量，長期維持送風裝置截面風速的恆定。同樣III級手術區送風時，開啟中心箱體（2600×1400），送風量3000m3/h，箱體面積260×1400=3.64m2，截面風速0.22m/s。關閉二側箱體的定風量閥，實現低級別運行，大大減少了送風量，可以降低運行費用與能耗。具體變級別方式見表4。

1.5 手術區I/III級轉換的空調系統實施

通倉交融手術室I級手術區送風量9000m3/h, III級手術區送風量3000m3/h,送風量比為3:1。根據風量與風壓平方 (L/L1=H/H11/2) 關係計算，當循環空調箱送風量9000m3/h,機外余壓600Pa時滿足I級手術區潔凈度要求，當轉換III級手術區時，風量需減少到原送風量的1/3,機外余壓降至66Pa左右，顯然不能滿足克服風系統阻力的要求。按風量-風壓性能曲線，當空調系統完成後，管網性能曲線固定，而改變風機性能曲線必然的，也是可行的。我們將I級手術區9000m3/h的送風機，設計成二台4500m3/h的相同性能曲線的風機，當運行I級手術時，開二颱風機，而運行III級手術時，開一颱風機，這樣當送風機4500m3/h改變3000m3/h時，機外余壓600Pa降為400Pa。按管網特性方程式H=KQ2計算，由於I/III級手術區合用一套管路，阻力係數確定，風量減少使系統阻力減少2.25倍，循環風機產生的風壓完全能克服風系統阻力。

一颱風機單獨工作時的風量大於並聯工作時每颱風機的風量，二颱風機並聯工作時，其並聯工作時的風量不可能比單台泵工作時的風量成倍數增加（L1+L2＜2L1）。因此在選擇風機時，應考慮相同型號風機在並聯運行時，均處在風量高效率工作點而且風量大於單颱風機風量的因數。

1.6 四管製冷熱源

潔凈手術室一年四季處於製冷、再加熱、制熱這種特殊狀況，在以往的潔凈手術室設計中，冷熱源採用風冷熱泵機組或冷水機組+熱水鍋爐，水系統採用二管制或四管制，潔凈空調箱再加熱採用電加熱或熱水盤管。風冷熱泵機組難以滿足同時供冷供熱的要求，而潔凈空調箱採用冷卻去濕再加熱，形成冷熱量互相「抵消」， 造成明顯不合理的能耗，使潔凈手術室成為醫院高能耗部門。採用多功能冷熱源一體機，替代鍋爐+冷水機組製冷和制熱設備，是手術室一種比較合理的冷熱源選擇方案。

冷熱源採用四管制多功能空氣源熱泵，可實現同時解決潔凈手術部冷凍去濕、再加熱的要求，達到恆溫恆濕控制的目的。該方案取消空調箱內電加熱，利用多功能空氣源熱泵餘熱作為再加熱熱源，節約了大量冷熱量互相「抵消」的能耗。同時在過渡季節手術室可同時製冷制熱，各類手術室之間互相不干擾。通過近幾年在手術室的實際運行，取得了較好的節能效果。

二、氣流模擬（CFD）試驗

為驗證通倉交融手術室採用上部迴風氣流組織的合理性，我們搭建了1:1實體模型(1/2型)，目前正在做實體模型氣流模擬試驗， 主要檢驗：

（1）手術區內上迴風是否影響在手術主流有效區域內單向流氣流。

（2）條形上部迴風口和下部迴風口結合迴風是否合理。

（3）I/III級級別轉換在多少時間內氣流達到相對平衡。

（4）手術室內溫濕度場分布。

（5）各手術區按I/III級運行時互相干擾問題。

模擬實驗具體結果將在以後文章中討論。CFD模擬圖（見圖8）得出主要結論：

（1）手術燈對氣流的影響較大，導致手術燈下方出現渦旋。但在非手術燈下方，流線基本保持直線。

（2）在污物通道處設置下部迴風口，導致手術室潔凈通道側出現較大渦旋，但此渦旋並未影響手術關鍵區。

（3）上部迴風口迴風量大，能夠在各個手術區之間形成氣流方向向上的「空氣幕」。

三、防止氣流交叉感染措施

通倉交融手術室內氣流組織是防止通倉交融手術室交叉感染的關鍵，也是通倉交融手術室潔凈技術的核心。我們從氣流組織和細菌控制三方面著手。首先各手術區採用各自獨立的空調系統，為了使二台手術區之間氣流儘量互不干擾，空調設計氣流組織為，I級手術區大風量送風時，採用2/3風量上回，送風天花送風氣流下降到手術床高度後成U型氣流上回至迴風口（見圖9），使二台手術區之間形成潔凈氣幕。當III級手術區小風量送風時，無法形成氣流幕，採用下迴風。手術室採用上迴風形式與國家有關規範相牴觸，我們正在實驗室做氣流模擬和細菌檢測實驗，論證上迴風的合理性（國外手術室有上迴風工程實例），實驗室初步檢測結果：潔凈度滿足潔凈手術室的級別要求。

其次在二台手術區內安裝DNA實時細菌檢測和分析設備，該設備採用DNA基因技術檢測細菌成份，當手術區細菌濃度超過標準值時報警，啟動潔凈空調箱加大細菌超標手術區的送風量，形成該手術區對二側手術區正壓，使手術區細菌濃度始終處於標準值。最後當各手術區手術結束不同步時，為防止各手術區術後打包交叉感染，採用密閉污物小車（圖11）替代術後打包，將術後各類器械、輔料等物品全部裝入密閉小車內，密閉運出手術室送入醫院中心供應室，徹底消除各手術區交叉感染潛在風險。

四、空調節能性分析

4.4.1 U型三維熱管夏季預冷

目前手術室空調系統基本上有二種方案，傳統的一次迴風加再熱系統，另外一種是溫度濕度獨立控制、新風濕度優先控制。二種空調系統方案從h-d圖上分析，從L1點加熱到T點，可利用餘熱、廢熱進行加熱。新風冷卻後再加熱有多種方案，如可採用多功能熱泵機組的廢熱再加熱，也可採用直接蒸發冷卻器的冷凝熱再加熱。本方案採用三維熱管技術，在新風空調箱表冷器前後側增加U型熱管，夏季新風預冷卻，可節省冷量Q=4000×1.2×(90.6-85.2)/3600=7.2kW，經新風直膨機深度冷卻後，再將新風再熱Q = 4000×1.2×(33-29.4)/3600=4.8kW，節省新風能耗約12kW。採用三維熱管技術，在夏季對提高新風最終處理溫度，在冬季減少新風相對濕度，使新風控制系統內出風口空氣相對濕度不大於75%。

4.4.2 溫濕度獨立控制方案節能分析

通倉交融手術室空調方案放棄了一次迴風加再熱方案傳統方案，採用溫度濕度獨立控制、新風濕度優先控制方案，並在新風空調箱內採用三維熱管技術。經計算比較，通倉交融手術室夏季總冷量94.4kW，其中：新風機組中一級製冷段由冷水機組承擔48.8kW，二級製冷段由直膨機承擔20.4kW，循環機組冷量5.2kW（單台冷量6.3kW），冬季總熱量34.4kW，新風加熱量 21.6kW，循環機組加熱量12.8kW（單台熱量3.2kW），加濕量25kg/h。

對比傳統的一次迴風加再熱方案，總冷量約為199.48kW，其中：新風機組冷量46.68kW，循環機組冷量150.8kW。兩方案比較，採用溫濕度獨立控制方案，總冷量約為94.4kW，每年運行1500h，年耗能14.16萬kW·h電。採用一次迴風再加熱方案，總冷量約為199.48kW，如每年運行1500h，年耗能29.92萬kW·h電；前者比後者每年少用電15.76萬kW·h。按熱泵機組最低COP=3.0估算，一間通倉交融手術室一年可節電315.24kW。

作者將通倉交融手術室空調方案，採用傳統的一次迴風加再熱方案和溫度濕度獨立控制方案進行比較結果如表5所示。

註：一次迴風加再加熱方案I-D圖，見暖通空調 2015年增刊2。

五、 結論

5.1 通倉交融手術室在國內醫院建設標準或規範中，如我國《醫院潔凈手術部建築技術規範》（GB 50333–2013）尚未涉及，需要不斷努力從控制思路、設計計算、實體模型、數值模擬等方面在具體工程中驗證後實施。

5.2 我國胸外科微創手術已經不亞於國外，通倉交融手術室能在很大程度上提高手術室運營效率，改善感染控制並最大程度降低運行成本。對於我國大型專科醫院手術室來說，這是一個「減量增效」的新思路。

5.3 通倉交融手術室可減少醫護人員總數量約25%，高級麻醉師及資深護士約37.5%，人力成本降低9.38%，手術量可提高25%以上，經濟效益增加顯著。

5.4 通艙交融手術室空調系統有四大特點：

（1）手術室溫濕度獨立控制；

（2）空調冷熱源四管制系統；

（3）I/III潔凈等級可轉換；

（4）上迴風和下迴風形式有機組合。

5.5 通倉交融手術室潔凈I/III等級可轉換，使在切除不良結節的手術量過程中，需調正手術方案，擴大手術視野而轉換潔凈度成為可能。