基于CFD-RSM的医院肿瘤药物配制洁净室送风条件多目标优化

《ENERGY AND BUILDINGS》：CFD–RSM-based multi-objective optimization of supply-air conditions in a hospital oncology pharmaceutical cleanroom

　　

本研究针对一家实际运行的医院药物配制洁净室，提出了一种整合计算流体动力学（CFD）、实验设计（DoE）、响应面法（RSM）及层次分析法（AHP）-熵权混合加权法的多目标分析与优化框架。该洁净室为ISO 7级，用于化疗药物配制，内部安装有两台ISO 5级II级B2型生物安全柜（BSC）。研究人员通过现场测量数据对基线计算流体动力学（CFD）模型进行了验证，并采用Box-Behnken设计（BBD）方法在基线域、初始目标域和移位目标域三个连续运行域内组织了数值模拟实验。研究以送风速度、送风温度和送风含湿量为自变量，以热不适指数（TDI）、能量利用指数（EUI）、呼吸区暴露指数（BZEI）和污染物去除效率（CRE）为性能评价指标。研究人员通过混合层次分析法（AHP）-熵权法将归一化后的指标整合为综合评分（CS），用于多准则决策。研究发现，初始目标域呈现响应面边界寻求行为，据此研究人员对实验域进行了顺序移位，将目标域中心重新定位至综合性能更优的区域。在移位目标域中，各响应面模型均表现出较高的统计充分性，综合评分模型的决定系数（R2）为0.9721，且无失拟现象。经CFD确认，最佳移位BBD工况（送风速度0.34 m/s，送风温度17.85 ℃，含湿量0.0055 kg/kg）的全局得分相对误差约为1.2%。代表性折中工况（送风速度0.33 m/s，送风温度17.75 ℃，含湿量0.0050 kg/kg）的全局得分差异约为8%。此外，蒙特卡洛不确定性传播分析表明，在考察的运行输入不确定性情景下，所识别的高性能区域内各工况的排序保持稳定。与验证基线工况（送风速度0.60 m/s）相比，移位目标域中的代表性工况送风速度降至0.33 m/s，对应送风量及换气次数约减少45%，表明在不牺牲综合通风性能的前提下具有可观的通风节能潜力。研究结果证实，运行域的定义与移位是CFD-RSM优化流程中的关键方法步骤，所提出的框架为医院制药洁净室的通风及热湿控制策略调整提供了量化决策支持。

**论文解读：基于CFD-RSM的医院肿瘤药物配制洁净室送风条件多目标优化**

**一、研究背景与现存问题**

医院药物配制洁净室需维持严格的环境控制，以确保产品保护、职业安全及运营合规。在抗肿瘤药物等高危无菌制剂的配制场景中，不当的气流组织、热不稳定或湿度控制不足，可能导致污染物沉积、降低工艺可靠性并增加操作人员暴露于危险化合物的风险。医院药学洁净室的环境保障依赖多重安全屏障，包括受控的建筑布局、高效过滤、压差梯度、专用排风系统、生物安全柜（BSC）、合格空气系统及标准化操作规程。其中，暖通空调（HVAC）系统必须确保温度、相对湿度、压差、气流方向性及风速等参数稳定。计算流体动力学（CFD）已成为分析受控环境气流结构、传热及污染物输运的重要工具。然而，现有文献仍缺乏将CFD、实验设计（DoE）/响应面法（RSM）、多准则加权、呼吸区暴露评估及运行域精细化整合应用于实际医院制药洁净室的综合研究。现有研究在复杂三维气流环境中的运行可调送风变量探索以及呼吸区暴露的显式考虑方面仍显不足。

**二、研究目标与研究内容**

本研究以巴西里约热内卢一家公立肿瘤医院中心药房内的化疗药物配制洁净室为对象，提出一种整合CFD、DoE、RSM及混合层次分析法（AHP）-熵权法的多目标分析优化框架。研究以送风速度、送风温度和送风含湿量为设计变量，以工作站热舒适、呼吸区局部污染物暴露、污染物去除效率及通风能量利用指数为性能准则，旨在识别满足多准则折中的HVAC运行区域。该洁净室为ISO 7级，负压运行，内部安装两台ISO 5级II级B2型BSC，采用100%全新风空调系统。

**三、主要方法与关键技术**

研究人员采用了以下主要技术方法。其一，基于OpenFOAM?平台建立了三维稳态CFD模型，采用RANS k–ω SST湍流模型、Boussinesq近似及被动标量输运方程模拟气流、温度、湿度及污染物分布。其二，开展了现场实验测量，使用Testo 174H温湿度记录仪和Alnor RVA501叶轮风速仪在12个监测点采集了24小时温度、相对湿度及风速数据，用于边界条件定义与CFD模型验证。其三，采用Box-Behnken设计（BBD）组织数值模拟实验，每个运行域包含15个工况，并基于最小二乘回归拟合二次响应面模型。其四，采用混合AHP-熵权法对归一化后的性能指标进行加权，构建全局多准则综合评分，并通过蒙特卡洛模拟进行运行输入不确定性传播分析。

**四、研究结果**

**1. 基线与初始目标域：改进方向的识别**

基线域与初始目标域的对比显示，单纯的热可接受性不足以区分洁净室的运行质量。基线工况下呼吸区相对湿度经常高于受控环境的理想范围，反映了缺乏有效的送风除湿。初始目标域将送风冷却、除湿和再热视为可行操作，呼吸区相对湿度更接近40–60%的推荐范围，表明热湿控制得到改善，问题结构更清晰。但初始目标域的最佳工况位于研究域边界，响应面呈边界寻求行为，表明存在进一步向更优区域移位的空间。

**2. 移位目标域：实验设计与综合评分响应**

基于初始目标域的边界寻求趋势，研究人员将实验域向更优区域方向移动，定义了移位目标域，即送风速度0.24–0.34 m/s、送风温度16.85–18.85 ℃、送风含湿量0.0035–0.0055 kg/kg，并实施了新的BBD设计。结果显示，移位域内BZEI*与CRE*呈强正相关（Pearson r = 0.9308，Spearman ρ = 0.9496），证实两者在全局评分中可能存在信息冗余。混合权重中TDI*占主导（权重0.5107），其次为BZEI*（0.2492）和EUI*（0.2400）。最高综合评分工况为送风速度0.34 m/s、送风温度17.85 ℃、含湿量0.0055 kg/kg，综合评分CS = 0.9152。

**3. 移位响应面模型的统计充分性**

移位目标域中各归一化指标和全局综合评分的拟合响应面模型均表现出高统计充分性。各缩减二次模型的决定系数均在0.96以上，调整后R2均高于0.94，失拟项均不显著。基于预测残差平方和（PRESS）的留一交叉验证预测R2范围为0.8980至0.9804，表明模型具有良好的泛化能力，无明显过拟合。全局评分模型的R2 = 0.9721，调整后R2 = 0.9219，整体回归显著（p = 0.0023），失拟不显著（p = 0.4697）。

**4. 全局评分响应面与运行折中区域**

全局评分响应面显示高评分区域集中在一个连贯的设计空间内，对应于移位域内中等偏高的送风速度、接近域中心的送风温度，以及区间上部的含湿量。研究人员在该区域选取了代表性折中工况，即送风速度0.33 m/s、送风温度17.75 ℃、含湿量0.0050 kg/kg。该工况位于移位设计空间内部，与现有冷却-除湿-再热HVAC架构兼容。

**5. 折中区域的物理解释**

个体响应面分析表明，TDI*主要由送风温度及其与含湿量的耦合控制；BZEI*和CRE*主要受送风速度、送风温度及其交互作用影响；EUI*则受气流强度与送风温度的耦合行为强烈影响。这些结果证实各性能指标由不同物理机制主导，单一指标无法确定全局最优，需依赖多准则综合。

**6. 折中区域的数值确认与稳健性评估**

CFD确认模拟显示，最佳移位BBD工况的RSM预测与CFD结果在所有归一化指标上的相对差异均低于4%，全局得分差异约1.2%。代表性折中工况的TDI*差异为8.12%，而BZEI*和EUI*差异低于1.5%和1.0%，全局得分差异约8%，RSM预测偏保守。两个工况的CFD确认全局得分均落在模型95%预测区间内。蒙特卡洛不确定性传播分析表明，在送风速度0.005–0.025 m/s、温度0.16 ℃和含湿量1.35×10?? kg/kg的输入不确定性下，Case 8始终保留最高的平均传播得分，高性能区域的识别未被破坏。呼吸区控制体尺寸敏感性测试显示，控制体缩放至75%时BZEI变化约-13.4%至-14.3%，缩放至125%时仅增加约2.6%至2.7%，相对比较关系保持稳定。

**7. 总体讨论**

研究表明，洁净室的多准则行为由热湿控制与气流组织的交互作用主导。移位域策略将初始边界驱动响应转化为更稳健和可解释的多准则设计区域。代表性工况的送风速度较基线降低约45%，显示通风节能潜力，但该结果应视为相对通风能量利用指标，而非年度能耗或经济成本估算。识别出的运行区域应视为数值改造目标而非即时可用设定值，实施前需进行现场调试、气流平衡、压差验证及生物安全柜运行确认。所提出的方法框架可推广至其他设施，但数值结果不具有直接迁移性。

**五、研究结论**

本研究提出了一个整合CFD-RSM框架，用于ISO 7医院制药洁净室的多准则分析与优化。研究方法结合了经过验证的CFD模型、BBD、RSM及混合AHP-熵权加权法，评估了不同运行域下的热舒适、呼吸区暴露、污染物去除和通风能量利用。结果表明，运行域的定义对优化问题的结构起决定性作用。基线域揭示了现有HVAC运行的局限性，特别是热湿稳健性方面；初始目标域指明了改进方向，但最佳区域接近研究域边界，从而促成了移位目标域的建立。在移位目标域中，响应面模型对个体指标和全局评分均表现出高统计充分性。个体响应面显示各性能指标受不同物理机制控制，证实洁净室是一个多准则系统，无法从单一指标可靠推断最优。全局评分响应面综合了所选决策准则，识别出移位域内一个数值稳健的折中区域，代表性工况为送风速度0.33 m/s、送风温度17.75 ℃、含湿量0.0050 kg/kg。CFD确认模拟与RSM预测之间的一致性支持了移位响应面在该设计空间内的可靠性。由于实验验证仅针对基线工况，优化后的移位域应被视为数值预测和CFD确认的运行区域，而非现场验证的HVAC控制策略。工程实践方面，通过运行调节送风速度、温度和含湿量可获得显著的洁净室性能改善，无需对房间布局或通风架构进行重大改动。域移位策略自然收敛于低于验证基线的送风速度，表明可实现通风需求的大幅降低，同时保持高综合性能，有助于降低HVAC能耗。未来工作应包括优化运行条件下的实验验证、现场调试、粒子计数与压差验证、瞬态模拟、门开事件、替代占用与污染源情景、拉格朗日粒子输运、联合概率不确定性传播、帕累托前沿分析、年度能耗及成本效益评估、改造实施规划与控制系统评估。