基于TCM模型的洁净手术室人体热舒适性分析

刘春花周广李鸿鸢

1浙江海洋学院海运与港航建筑工程学院

2广东技术师范学院天河学院

3深圳市科创医疗系统工程有限公司

基于TCM模型的洁净手术室人体热舒适性分析

刘春花1周广2李鸿鸢3

1浙江海洋学院海运与港航建筑工程学院

2广东技术师范学院天河学院

3深圳市科创医疗系统工程有限公司

本文提出了一种利用TCM模型进行医院手术室热舒适性分析的CFD仿真研究。本研究旨在利用由ISO7730提出的预测平均投票（PMV）模型分析室内的热舒适性。分析讨论了速度、温度和相对湿度、空气的平均年龄，以及人体表面的温度和相对湿度的分布，计算得到了人体不同部位的PMV和PPD值。仿真结果表明，在人体表面某些部位的PMV和PPD值不在标准ISO定义的可接受的范围，但此手术室的舒适性满足中国国家标准GB/T18049的要求。最后指出TCM模型是一种更全面的热舒适性分析模型。

手术室 TCM模型 热舒适 PMV-PPD

洁净手术室是功能性要求非常高的微环境。我国最新出台的《医院洁净手术部建筑技术规范》GB50333-2013中，对手术部的微环境控制技术提出了很多有针对性的参数要求。新版规范中，对手术室微环境的控制参数，给予设计者相对宽松的参数选择空间，但对环境验收标准提出了高标准要求。这就对设计、建造者提出了更高的要求。本文基于一个工程实例，通过计算流体动力学与TCM模型分析的角度，对环境中的人体舒适性评价进行分析。通过不同计算工况的选择和比较，找到一种既能够满足环境控制要求，又兼顾人体舒适性的环境控制参数，能够为实际环境的建设提供非常精确的参考。

1 TCM模型

TCM模型是考虑了人体热生理现象（人体各部分温度、出汗蒸发等）的热流模拟与热舒适性评价的数值仿真模型。它是STAR-CCM+CFD（计算流体动力学）软件的内置专业分析模块。TCM使用一种专门的一维代码 TIM（德语缩写“Thermo-physiological Occupant Model”）与CFD软件协同工作，可以量化坐在车内或其他封闭空间的人体热生理状态[1]。

TCM模型将人体分成14个部位（如图1，头、躯干、四肢、手和脚等）。每个部位，从表面到内部，分成“皮肤——脂肪——肌肉——核心”四层，考虑各部位之间的热生理体温调节，包括各部位与中央血液积存之间通过血流进行热量转移分配、新陈代谢热生成、肌肉层人体颤抖的发热、皮肤出汗引起的蒸发对流散热（与环境温度、湿度变量相关）、人体与周围环境的辐射换热以及太阳辐射的影响，同时也考虑人体各部位之间的热传导（如图2）[2]。TCM人体模型调用的TIM程序代码综合考虑了上述体温调节的各个因素。可见，TCM模型是一种更全面的热舒适性分析模型。

图1 假人模型（图片来源于UG-NX8.0，Siemens Inc）

图2 人体传热学图示

2 数学模型

2.1 三维几何模型的建立

手术室的几何结构如图3所示。采用三维建模软件建立洁净手术室的三维几何模型如图4）。采用直角坐标系，X、Y、Z坐标轴分别与模型的长、宽、高相对应。模型的长×宽×高为7m×6m×3m。手术室内设置无影灯、麻醉机、椅子、器械台、手术台、吊塔等用具。模型房间内共设置七个假人，分别是麻醉师（anesthetist）、病人（patient）、助手1（assistant_1）、助手2（assistant_2）、医生（surgeon）、器械护士（instrument nurse）、循环护士（circulating nurse）。假人的14个部位是相互独立的几何体，其尺寸比例与真实人体一致。

图3 手术室结构图

图4 计算模型

2.2 几何模型的处理与网格划分

在STAR-CCM+CFD软件里，导入IGES格式的三维几何模型，同时创建新的流体域。软件将显示流体域的所有内部和外部边界，并且这些边界是分散的，其名称的可识别性差。因此必须进行几何模型处理，去掉多余的边界，对七个假人的各14个部位按照TCM要求的命名规则分别命名，对围护结构的外墙、内墙边界、手术室内的各用具边界等分别合并后命名。处理好流体域边界后，对其几何模型进行包面处理并划分出高质量的表面网格和流体计算域的体网格，如图5a所示。由于重点关注的部位是人体表面及其附近的流场热工情况，因此人体表面的网格及其附近的体网格必须采取合适的加密措施，如图5b所示，这对保证分析结果的可靠性至关重要。

图5 网格划分图

采用多面体网格（Poly），网格数为286万多个，网格顶点数313万多个。多面体网格和相同数量的四面体网格（Tetra）相比，不但计算结果更精确，而且求解速度快3～5倍；多面体模型对网格数量的依赖比四面体小，只需四面体网格数的1/4即可保证计算精度[3]。

2.3 CFD与TCM分析物理模型的选择

CFD与TCM分析所需的物理模型的选择结果如表1[1，4]。

表1 CFD与TCM分析物理模型

2.4 边界条件及热工特性设定

手术室室内设计温度25℃、设计相对湿度60%[5]。认为手术室邻室具有相似的空调系统，只考虑墙体的传热。空调设计送风温度24.5℃，相对湿度50%，送风口尺寸为2.6m×2.4m，送风速度为0.3m/s，空调送风量约为2.186kg/s。边界条件及热工特性设定如表2[6～8]。

表2 边界条件及热工特性设定

3 模拟结果分析

3.1 房间速度分布

不同截面的速度分布如图6、图7所示。回流主要发生在手术室的上部，特别是在设备和人员所在的区域。通过手术台的气流不是直接来自天花板散流器，手术室的四个角是空气条件最差的位置。手术室集中送风装置送风面以下0.1m的截面上的送风速度均匀分布，在0.1m/s～0.4m/s之间[9]，符合规范的要求。

图6 X=3.85截面处的速度分布

图7 Z=1.02截面处的速度分布

3.2 房间温度分布

图8、图9代表了不同截面的温度分布，可以看出，工作区所在位置的温度都是均匀分布的，并且工作区的温度变化不超过3℃。

图8 X=3.85截面处的温度分布

图9 Z=1.02截面处的温度分布

3.3 房间平均空气龄分布

平均空气年龄是指在一个特定位置空气的平均寿命，代表了空气的“新鲜”程度。某一点的空气年龄越小，空气越清新，空气质量越好。图10、11为不同截面处的房间平均空气龄分布图，可以看出，工作区的空气都是相对比较新鲜的空气，正如已经看到的，手术室的角落所在的位置平均空气龄高达150s，空气最不新鲜，这和速度分布的结果是一致的。

图10 Y=2.5截面处的平均空气龄分布

图11 Z=1.02截面处的平均空气龄分布

3.4 房间相对湿度RH（%）分布

图12、13代表不同截面处的相对湿度分布，空气湿度必须保持在可接受的水平，因为它与人体的热舒适密切相关。国际标准以及中国国家标准所规定的室内相对湿度范围均为30%～60%。可以看出图中手术室的相对湿度接近60%，符合要求。

图12 Z=1.02截面处的湿度分布

图13 Y=2.5截面处的湿度分布

3.5 人体表面温度与相对湿度分布

图14为人体表面的温度分布图。可以看到，七个假人头部的温度均比较高，病人右上肢与左上肢的温度较低，对于外科医生而言除了头部和手以外的其他位置温度都较低，因为热量是从体内传到体外的，服装热阻越大，表面温度越低。

图14 人体表面的温度分布

图15为人体表面的相对湿度分布图（假人位置同图14）。可以看出，七个假人头部和手部的相对湿度都较低；由于温度变化较小，其他部位的相对湿度差异不明显，这与前述人体表面的温度分布的结果一致。根据工程热力学的相关知识，相对湿度是温度的函数，在其它条件相同的情况下，温度高意味着相对湿度低[10]。

图15 人体表面的湿度分布

4 PMV与PPD人体舒适性评价

前面提到，TCM模型的特点是考虑了人体的热生理现象，其PMV指标（预期平均评价）与PPD（预期限不满意百分率）热舒适评价指标也是针对人体14个不同部位的所谓当地热舒适性评价[1]。人体各部位的PMV与PPD值计算结果如表3。

表3 人体各部位PMV与PPD（%）值

ISO7730指出，当PMV处于-0.5～+0.5（PMV值从-3～+3，对应人体热感觉从冷到热，PMV值为0时代表热感觉适中），PPD小于10%时，人体处于热舒适状态[11]。GB/T18049的PMV推荐值为-1.0～+1.0，PPD推荐值为≤27%[12]。可见此手术室的舒适性完全满足我国国家标准要求；对于国际标准，人体各部位的右手与右脚基本处于微热状态。

5 结论

利用TCM人体模型与CFD耦合起来分析人体的热舒适性，有助于综合考虑人体各部位之间热生理体温调节的内在因素与空气流速、温度、水蒸汽质量分数、表面辐射及太阳辐射等流体和热边界条件的外在因素的共同影响。

从分析结果来看，TCM人体模型能给出综合考虑了上述因素的热舒适性评价指标PMV（或PPD）值，指出人体各部位是否处于热舒适状态。这有助于设计师根据目前人体的热舒适状态，去考察房间温度、湿度的分布、太阳辐射与气流组织情况，及时发现存在的问题，并做出相应调整，提高设计质量。

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

[2]唐连伟.更全面的热舒适性分析方法—STAR-CCM+考虑人体模型的热舒适性分析[Z].CDAJ-China

[3]李明,李明高.STAR-CCM+与流场计算[M].北京:机械工业出版社,2011

[4]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,2001

[5]王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004

[6]公共建筑节能设计标准(GB 50189-2005)[S].2005

[7]陆耀庆.实用供热空调设计手册(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2007

[8]刘荣向.基于新陈代谢率及皮肤温度的人体热舒适实验研究[D].青岛:青岛理工大学,2010

[9]张熙民.传热学(第五版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2007

[10]洁净手术部建筑技术规范(GB50333-2013)[S].北京:中国建筑工业出版社,2013

[11]廉乐明.工程热力学(第五版)[M].北京:中国建筑工业出版社, 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]中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定(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.

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1003-0344（2015）01-019-5

2013-12-22

刘春花（1980～），女，硕士，讲师；浙江省舟山市临城新区海大南路1号浙江海洋学院海运与港航建筑工程学院（316022）；E-mail:liuzi1001@163.com