W型高效过滤器在生物安全实验室（BSL）中的性能评估

引言

随着全球公共卫生事件的频发，生物安全实验室（Biosafety Level Laboratory, BSL）在疾病防控、病原体研究以及疫苗开发等方面发挥着至关重要的作用。为了保障实验人员和环境的安全，BSL实验室必须配备高效的空气过滤系统。其中，W型高效过滤器（W-type High Efficiency Particulate Air Filter, W-HEPA）因其独特的结构设计和优异的过滤效率，广泛应用于高等级生物安全实验室中。

本文旨在系统评估W型高效过滤器在BSL实验室中的性能表现，包括其基本原理、技术参数、过滤效率、压降特性、使用寿命及维护要求等，并结合国内外相关文献进行综合分析，为科研机构和工程技术人员提供科学依据和技术支持。

一、W型高效过滤器的基本原理与结构特点

1.1 基本原理

W型高效过滤器属于HEPA（High-Efficiency Particulate Air）过滤器的一种，主要用于捕获空气中直径≥0.3 μm的颗粒物，其过滤效率通常达到99.97%以上。W型结构是指滤材折叠成“W”字形排列，相较于传统的平板式或V型结构，具有更大的有效过滤面积和更小的空间占用率。

其工作原理主要依赖于以下几种机制：

拦截：当粒子随气流经过纤维时，由于惯性偏离流线而与纤维接触并被捕获；
扩散：微小粒子受布朗运动影响，随机碰撞纤维而被吸附；
静电吸附：部分W型过滤器通过添加静电材料增强对微粒的吸附能力；
重力沉降：较大颗粒在气流减缓后因重力作用沉降到滤材表面。

1.2 结构特点

特征	描述
滤材类型	玻璃纤维、聚丙烯复合材料等
折叠方式	“W”字形折叠，增加过滤面积
框架材质	铝合金、不锈钢或塑料
密封方式	聚氨酯密封胶或机械密封
安装形式	顶送风/侧送风模块化安装

W型结构相比传统V型结构具有更高的容尘量和更低的初始阻力，适用于高洁净度要求的BSL-3和BSL-4实验室。

二、W型高效过滤器的技术参数与性能指标

2.1 主要技术参数

参数名称	单位	典型值范围	备注
过滤效率（0.3 μm）	%	≥99.97	符合EN 1822标准
初始压降	Pa	150~250	根据风速不同变化
最终压降	Pa	≤600	更换阈值
额定风量	m³/h	1000~3000	取决于尺寸
尺寸规格	mm	610×610×90 / 610×915×90 等	模块化设计
使用寿命	年	3~5	视使用环境而定
工作温度	℃	-20~80	耐高温型号可达120℃
耐湿性	RH%	≤95%	无冷凝水条件

2.2 性能测试方法

根据ISO 14644-3和GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》标准，W型高效过滤器的主要性能测试项目包括：

过滤效率测试：采用钠焰法或激光粒子计数法；
压降测试：测量在额定风量下的初始和最终压降；
泄漏检测：通过扫描检漏法（Scan Test）确保无局部穿透；
容尘量测试：模拟实际运行条件下的灰尘积累情况。

三、W型高效过滤器在BSL实验室中的应用性能评估

3.1 应用场景概述

生物安全实验室按风险等级分为BSL-1至BSL-4四级，其中BSL-3和BSL-4实验室处理高致病性病原微生物，对空气净化系统的依赖程度极高。W型高效过滤器因其高效率、低能耗和良好的空间适应性，成为这些实验室通风系统的核心组件之一。

表1：BSL实验室空气过滤需求对比

实验室等级	是否需要HEPA过滤	排风是否需HEPA过滤	W型适用性
BSL-1	否	否	不推荐
BSL-2	是	是（建议）	推荐
BSL-3	必须	必须	强烈推荐
BSL-4	必须	必须（双级过滤）	必选

3.2 性能评估指标

（1）过滤效率

根据美国CDC（Centers for Disease Control and Prevention）发布的《Biosafety in Microbiological and Biomedical Laboratories》（BMBL）指南，BSL-3及以上实验室的排风系统必须使用HEPA过滤器，且过滤效率应≥99.97%（DOP法）[1]。

国内《GB 19489-2008 实验室生物安全通用要求》也明确规定，BSL-3实验室的供风和排风均应设置HEPA过滤器，以防止交叉污染和病原体泄露[2]。

（2）压降与能耗

W型高效过滤器由于其较大的迎风面积，在相同风量下压降较低，从而降低风机能耗。例如，某型号W型过滤器在额定风量2000 m³/h下的初始压降为180 Pa，比传统V型产品低约20%[3]。

（3）耐久性与更换周期

在高污染环境下，如BSL-4实验室，W型过滤器可通过定期监测压降变化判断更换时机。一般认为，当压降达到初始值的2倍或超过600 Pa时应予以更换[4]。

四、国内外相关研究进展与案例分析

4.1 国内研究现状

中国近年来在生物安全实验室建设方面取得了长足进步。国家疾控中心（China CDC）下属多个BSL-3实验室均采用W型高效过滤器作为主过滤单元。

例如，武汉P3实验室在建设过程中，采用了德国MANN+HUMMEL公司生产的W型HEPA过滤器，经第三方检测机构验证，其过滤效率达99.995%，满足EN 1822标准[5]。

此外，清华大学生物医学工程系对国产W型高效过滤器进行了长期跟踪测试，结果显示其在连续运行2年后仍保持良好性能，压降未超过500 Pa[6]。

4.2 国外研究进展

美国NIH（National Institutes of Health）在其《Laboratory Design Guide》中明确指出，W型高效过滤器适用于高洁净度、高气流负荷的生物安全实验室，尤其适合用于负压隔离区的排风系统[7]。

欧洲标准化委员会（CEN）制定的EN 1822标准对HEPA/U15级过滤器提出了详细分级标准，其中W型结构因其优异的性能被列入U15类推荐结构[8]。

日本国立感染症研究所（NIID）在其BSL-4实验室改造项目中，将原有V型过滤器更换为W型结构，显著提升了空气处理效率并降低了运维成本[9]。

五、W型高效过滤器的优缺点分析

5.1 优点

高过滤效率：满足BSL-3及以上实验室的严格要求；
低压降特性：减少风机能耗，提高系统整体能效；
大容尘量：延长更换周期，降低维护频率；
结构紧凑：节省空间，便于模块化安装；
可集成性好：易于与自动化控制系统集成。

5.2 缺点

初期成本较高：相比普通HEPA过滤器价格略高；
更换过程复杂：需专业人员操作，避免二次污染；
对安装精度要求高：密封不良易导致泄漏；
不适用于极端湿度环境：需配合除湿设备使用。

六、维护与管理建议

为确保W型高效过滤器在BSL实验室中持续稳定运行，应建立完善的维护管理制度：

定期压降监测：每季度记录一次压降数据，绘制趋势图；
年度泄漏检测：使用扫描检漏仪进行全面检查；
定期更换计划：根据压降和使用时间制定更换周期；
更换过程规范：采用专用工具和防护措施，防止污染物释放；
数据归档与分析：建立过滤器生命周期档案，优化运维策略。

七、结论（省略）

参考文献

[1] Centers for Disease Control and Prevention (CDC). Biosafety in Microbiological and Biomedical Laboratories (BMBL), 5th Edition. U.S. Department of Health and Human Services, 2009.

[2] 中华人民共和国国家标准 GB 19489-2008. 实验室生物安全通用要求[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.

[3] 李明, 张伟. W型高效过滤器在生物安全实验室中的应用研究[J]. 净化空调与洁净室, 2021(4): 32-37.

[4] American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). ASHRAE Handbook – HVAC Systems and Equipment, 2020.

[5] 武汉国家生物安全实验室技术报告[R]. 武汉病毒研究所, 2020.

[6] 清华大学生物医学工程系. 国产W型高效过滤器性能评估报告[Z]. 2022.

[7] National Institutes of Health (NIH). NIH Design Requirements Manual, 2018 Edition.

[8] CEN European Committee for Standardization. EN 1822-1:2019, High efficiency air filters (HEPA and ULPA) — Part 1: Classification, performance testing, marking[S].

[9] National Institute of Infectious Diseases (NIID), Japan. Annual Report on Laboratory Safety and Operations, 2021.

（全文约3200字）