医院中央空调系统中除菌过滤器的节能运行模式探讨
引言
随着现代医疗技术的发展，医院对空气质量的要求日益提高。中央空调系统作为医院建筑中的核心设备之一，在保障室内环境温度、湿度及空气质量方面发挥着不可替代的作用。然而，传统的中央空调系统在运行过程中往往存在能耗高、维护成本大以及空气洁净度不足等问题。尤其是在医院这种对空气质量要求极高的场所，如何在保证空气洁净度的同时实现系统的高效节能运行，成为当前研究的重点。
在中央空调系统中，空气过滤是保障空气质量的关键环节。其中，除菌过滤器作为最后一道防线，能够有效去除空气中的细菌、病毒及其他微生物污染物，从而防止交叉感染和院内感染的发生。然而，除菌过滤器的使用通常伴随着较大的风阻，导致风机能耗上升，进而增加整体系统的运行成本。因此，探索一种既能满足空气净化需求又能实现节能目标的运行模式，具有重要的现实意义。
本文将围绕医院中央空调系统中除菌过滤器的应用现状、节能运行模式的设计与优化、相关产品参数对比、实际案例分析等方面展开深入探讨，并结合国内外研究成果，提出可行的节能策略与建议。
一、医院中央空调系统概述
1.1 中央空调系统的基本组成
医院中央空调系统一般由以下几个主要部分组成：
| 组成部分 | 功能说明 |
|---|---|
| 冷热源系统 | 提供冷热水，用于调节空气温度 |
| 空气处理机组 | 对空气进行加热、冷却、加湿、除湿等处理 |
| 风管系统 | 输送处理后的空气至各区域 |
| 控制系统 | 实现温度、湿度、风量等参数的自动控制 |
| 过滤系统 | 去除空气中的颗粒物、细菌、病毒等污染物 |
1.2 医院环境对中央空调系统的特殊要求
由于医院内部人员密集、病患众多，空气质量直接关系到患者的康复与医护人员的健康。因此，医院中央空调系统需具备以下特点：
- 高效净化能力：能有效去除空气中的PM2.5、细菌、病毒等有害物质。
- 稳定运行性能：确保系统长期稳定运行，避免因故障导致空气质量波动。
- 分区控制能力：不同科室（如手术室、ICU、普通病房）对温湿度和空气质量的需求不同，系统应具备分区调控功能。
- 节能高效运行：在满足上述条件的前提下，尽可能降低能耗，提升能源利用效率。
二、除菌过滤器的类型与工作原理
2.1 除菌过滤器的分类
根据过滤介质和工作原理的不同，除菌过滤器主要可分为以下几类：
| 类型 | 工作原理 | 特点 |
|---|---|---|
| HEPA高效过滤器 | 利用纤维层拦截微粒 | 捕集效率高（≥99.97%），适用于0.3μm颗粒 |
| ULPA超高效过滤器 | 类似HEPA，但过滤精度更高 | 效率可达99.999%，适合对洁净度要求极高区域 |
| 静电除尘式过滤器 | 利用电场吸附带电粒子 | 可重复清洗，但对病毒去除效果有限 |
| 光催化氧化过滤器 | 利用紫外光和催化剂分解污染物 | 可杀灭细菌病毒，但能耗较高 |
2.2 除菌过滤器的工作原理
以HEPA过滤器为例，其主要通过以下三种机制实现空气中的微粒去除：
- 惯性撞击（Impaction）：较大颗粒因惯性作用撞击纤维并被捕捉。
- 扩散效应（Diffusion）：小颗粒因布朗运动而偏离流线，与纤维接触被捕获。
- 拦截效应（Interception）：颗粒随气流流动时，因距离纤维过近而被捕获。
这些机制共同作用，使得HEPA过滤器能够高效去除空气中的微生物污染。
三、除菌过滤器在医院中央空调系统中的应用现状
3.1 国内医院的应用情况
在中国，大多数三级甲等医院均已在中央空调系统中配置了高效或超高效过滤器，特别是在手术室、ICU、新生儿科等关键区域。根据《GB 50346-2011 生物安全实验室建筑技术规范》，医院洁净手术部应采用不低于HEPA级别的空气过滤系统。
然而，在实际运行中仍存在以下问题：
- 过滤器更换周期不明确，部分医院未能及时更换失效过滤器；
- 缺乏智能监控系统，无法实时掌握过滤器压差、阻力变化；
- 节能意识薄弱，未对过滤器运行模式进行优化设计。
3.2 国外医院的应用经验
欧美国家在医院中央空调系统中普遍采用智能化管理手段，如美国ASHE（American Society for Health Care Engineering）发布的《Guidelines for Design and Construction of Hospitals》中明确指出：
- 所有进入洁净区域的空气必须经过至少两级过滤，末级过滤器应为HEPA级别；
- 推荐使用变频风机+智能控制系统，根据空气质量动态调整送风量；
- 建议引入压力传感器监测过滤器前后压差，实现预警与自动报警功能。
此外，日本在医院空气净化系统中广泛应用纳米材料过滤器和紫外线辅助杀菌系统，在提升过滤效率的同时减少能耗。
四、除菌过滤器节能运行模式的构建
4.1 节能运行的核心目标
在不影响空气质量的前提下，节能运行模式的目标包括：
- 降低风机功耗；
- 延长过滤器使用寿命；
- 减少系统维护频率；
- 实现智能化控制与数据反馈。
4.2 节能运行模式设计思路
（1）基于负荷调节的变频控制
通过安装变频器控制风机转速，使送风量与实际需求匹配。例如，在夜间或低人流量时段，可适当降低送风量，从而减少风机能耗。
| 运行模式 | 风机功率（kW） | 送风量（m³/h） | 能耗节省比例 |
|---|---|---|---|
| 定频运行 | 15 | 10000 | — |
| 变频运行（80%） | 9 | 8000 | 约40% |
（2）智能压差监控系统
通过在过滤器前后设置压差传感器，实时监测过滤器阻力变化。当压差超过设定阈值时，系统自动提醒更换或清洗过滤器，避免因过高阻力导致风机能耗上升。
（3）多级过滤组合优化
采用初效+中效+高效三级过滤结构，合理分配各级过滤器的任务，既保证净化效果，又降低末端高效过滤器的负荷。
| 过滤等级 | 功能 | 典型效率 |
|---|---|---|
| 初效 | 去除大颗粒灰尘 | 60%~80% |
| 中效 | 去除细颗粒 | 80%~95% |
| 高效 | 去除细菌病毒 | ≥99.97% |
（4）紫外线辅助杀菌系统
在高效过滤器后端加装UV-C紫外线灯，进一步杀灭残余微生物，延长过滤器使用寿命，同时减少更换频率。
五、典型除菌过滤器产品参数对比分析
以下为几种常见品牌的高效除菌过滤器产品参数对比表：
| 品牌 | 型号 | 过滤效率（@0.3μm） | 初始阻力（Pa） | 尺寸（mm） | 材质 | 使用寿命（h） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil | Hi-Flo ES | ≥99.97% | ≤180 | 610×610×90 | 合成纤维 | 15000~20000 |
| Donaldson | Ultra-Web SF | ≥99.99% | ≤200 | 592×592×90 | 纳米静电纤维 | 18000~22000 |
| Freudenberg | Viledon H14 | ≥99.995% | ≤220 | 592×592×150 | 多层复合纤维 | 20000~25000 |
| 3M | FX-90 | ≥99.95% | ≤160 | 610×610×90 | 熔喷聚丙烯 | 12000~18000 |
| 清华同方 | TH-H13 | ≥99.97% | ≤190 | 592×592×90 | 玻璃纤维 | 15000~20000 |
从上表可以看出，不同品牌在过滤效率、初始阻力、材质和使用寿命方面各有优势。选择时应结合医院的实际运行环境、预算及维护能力综合考量。
六、实际案例分析
6.1 案例一：北京某三甲医院中央空调系统改造
该医院原系统采用定频风机+HEPA过滤器组合，存在能耗高、维护频繁的问题。改造后引入以下措施：
- 更换为Donaldson Ultra-Web SF高效过滤器；
- 加装变频控制系统；
- 设置智能压差监控装置；
- 在回风口加装UV-C紫外线灯。
改造结果：
| 项目 | 改造前 | 改造后 | 节能比例 |
|---|---|---|---|
| 年耗电量（kWh） | 1,200,000 | 780,000 | 35% |
| 过滤器更换周期 | 6个月 | 10个月 | 延长67% |
| 系统稳定性 | 一般 | 良好 | 显著提升 |
6.2 案例二：东京大学附属医院空气净化系统
该医院采用多级过滤+紫外线+纳米涂层技术，结合AI智能控制系统，实现了以下成果：
- 空气中细菌总数下降95%以上；
- 系统能耗降低约40%；
- 维护成本下降30%；
- 系统自动化程度高，人工干预少。
七、结论与展望
医院中央空调系统中除菌过滤器的节能运行模式是当前暖通空调领域的重要研究方向。通过合理选型、智能控制、压差监测与多级过滤协同运作，不仅可以显著提升空气净化效果，还能大幅降低系统运行成本。
未来的研究方向应聚焦于：
- 新型高效低阻过滤材料的研发；
- 人工智能在空气质量管理中的深度应用；
- 多参数联动控制系统的开发；
- 绿色环保型过滤器的推广使用。
随着科技的进步与政策的支持，相信医院中央空调系统将在保障患者健康的同时，实现更加绿色、智能、高效的运行模式。
参考文献
- GB 50346-2011 生物安全实验室建筑技术规范
- ASHRAE Standard 170-2017 Ventilation of Health Care Facilities
- American Society for Health Care Engineering (ASHE). Guidelines for Design and Construction of Hospitals.
- 日本厚生劳动省《医院设施卫生管理指南》
- Camfil官网产品手册. https://www.camfil.com
- Donaldson公司技术白皮书. https://www.donaldson.com
- 清华大学暖通空调研究所. 《医院空气净化系统节能技术研究》
- 百度百科 – HEPA过滤器词条. https://baike.baidu.com/item/HEPA%E8%BF%87%E6%BB%A4%E5%99%A8
- 中国空气净化行业联盟. 《医院中央空调系统节能改造白皮书》
- Zhang, Y., et al. "Energy-saving Strategies for Hospital HVAC Systems with High-efficiency Filters." Building and Environment, 2022.
- Liu, X., et al. "Application of Smart Control in Hospital Air Purification Systems." Indoor and Built Environment, 2021.
