医院环境控制中初效、中效与高效过滤器的协同作用研究
引言
医院作为特殊的公共空间，其空气质量直接关系到患者健康、医护人员的工作效率以及医院整体感染控制水平。在现代医院建筑中，空气过滤系统是保障室内空气质量的核心技术之一。其中，初效、中效和高效空气过滤器（Primary, Medium Efficiency and High Efficiency Air Filters）分别承担着不同层级的空气净化任务，并通过协同作用实现对空气中颗粒物、细菌、病毒及其他污染物的有效控制。
本文旨在深入探讨医院环境中初效、中效与高效空气过滤器的功能特性、技术参数及其协同工作机制，分析其在空气净化中的综合效果，并引用国内外权威研究成果进行论证，以期为医院通风系统的优化设计提供理论支持和实践指导。
一、空气过滤器的基本分类与功能定位
根据《空气过滤器》国家标准GB/T 14295-2008，空气过滤器按过滤效率可分为粗效（初效）、中效、亚高效和高效过滤器四大类。在医院环境中，通常采用初效+中效+高效三级过滤组合方式，形成多级屏障体系，以确保空气净化效果达到医用标准。
| 过滤器类型 | 过滤效率等级 | 捕集对象 | 常见材料 | 使用位置 |
|---|---|---|---|---|
| 初效过滤器 | G1-G4 | ≥5μm颗粒 | 合成纤维、金属网 | 新风入口或空调机组前端 |
| 中效过滤器 | F5-F9 | 1~5μm颗粒 | 玻璃纤维、合成无纺布 | 风机段后端或高效前预处理 |
| 高效过滤器 | H10-H14 | ≤1μm颗粒、细菌、病毒 | 超细玻璃纤维纸 | 手术室、ICU等洁净区域末端 |
1.1 初效过滤器：第一道防线
初效过滤器主要用于拦截大颗粒灰尘、毛发、花粉等≥5μm的悬浮颗粒物，保护后续过滤设备免受污染堵塞，延长中效与高效过滤器的使用寿命。常见形式包括板式、袋式和折叠式结构，具有阻力小、价格低、易于更换等特点。
典型参数示例：
| 参数名称 | 材质 | 初始阻力（Pa） | 过滤效率（ASHRAE 52.2） | 使用寿命（h） |
|---|---|---|---|---|
| 初效过滤器（G4） | 合成纤维 | 30~60 | ≥90% @5μm | 2000~3000 |
1.2 中效过滤器：中间净化层
中效过滤器负责进一步去除空气中粒径在1~5μm之间的颗粒物，如微生物孢子、部分细菌及细尘，是连接初效与高效过滤的关键环节。其过滤效率高于初效，常用于风机段之后，防止高效过滤器过早失效。
典型参数示例：
| 参数名称 | 材质 | 初始阻力（Pa） | 过滤效率（EN 779:2012） | 使用寿命（h） |
|---|---|---|---|---|
| 中效过滤器（F7） | 玻璃纤维 | 80~120 | ≥65% @3μm | 4000~6000 |
1.3 高效过滤器：终极净化保障
高效过滤器（HEPA）是空气净化的最后一道防线，能有效拦截≤1μm的微粒，包括细菌、病毒、气溶胶等，广泛应用于手术室、ICU、隔离病房等高洁净度要求的区域。其核心材料为超细玻璃纤维纸，具备高效率、低泄漏率、耐腐蚀等特点。
典型参数示例：
| 参数名称 | 材质 | 初始阻力（Pa） | 过滤效率（IEC 60335-2-69） | 使用寿命（h） |
|---|---|---|---|---|
| 高效过滤器（H13） | 超细玻璃纤维 | 180~250 | ≥99.95% @0.3μm | 10000~15000 |
二、三类过滤器的协同机制分析
在医院通风系统中，初效、中效与高效过滤器并非孤立工作，而是通过逐级过滤、递进净化的方式，共同构建起完整的空气清洁屏障。这种协同机制可从以下几个方面体现：
2.1 粒径分级捕集机制
空气中的颗粒物大小分布广泛，从数微米到纳米级别不等。单一类型的过滤器难以覆盖所有粒径范围，因此需要多级过滤配合。具体分工如下：
| 层级 | 主要处理颗粒物粒径 | 功能目标 |
|---|---|---|
| 初效 | ≥5μm | 去除大颗粒杂质，减少后续负荷 |
| 中效 | 1~5μm | 捕集中等颗粒，提升净化效率 |
| 高效 | ≤1μm | 截留病毒、细菌、气溶胶等微粒 |
该机制参考了美国ASHRAE（American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers）在《ASHRAE Handbook》中提出的“多级过滤理论”，即通过逐级提高过滤精度，实现对空气污染物的全面控制。
2.2 系统压力与能耗优化
过滤器在运行过程中会产生阻力，影响风机能耗与系统效率。若将高效过滤器单独置于前端，其高阻力会导致能耗大幅上升。而通过初效与中效的前置处理，可以显著降低高效过滤器的初始压降，从而优化整体系统性能。
据《中国暖通空调学会》2021年发布的《医院通风系统节能设计指南》指出，采用初效+中效+高效三级过滤模式相比单级高效过滤，可节省约15%~20%的风机能耗。
2.3 延长高效过滤器使用寿命
高效过滤器成本较高，且更换频率受限于使用环境。通过初效与中效的预处理，可有效延缓高效过滤器的堵塞速度，延长其使用寿命。研究表明，在配备初效+中效预过滤的情况下，高效过滤器的更换周期可延长30%以上。
三、医院环境中空气过滤系统的应用案例分析
3.1 北京协和医院洁净手术部空气过滤系统
北京协和医院是国内最早引入高效空气过滤系统的大型综合性医院之一。其洁净手术部采用三级过滤系统，具体配置如下：
| 层级 | 过滤器类型 | 过滤效率 | 安装位置 |
|---|---|---|---|
| 一级 | 初效过滤器（G4） | ≥90% @5μm | 新风进口 |
| 二级 | 中效过滤器（F7） | ≥65% @3μm | 风机箱内 |
| 三级 | 高效过滤器（H13） | ≥99.95% @0.3μm | 手术室送风口 |
该系统自2015年投入使用以来，手术室空气质量达标率长期保持在98%以上，术后感染率显著下降。
3.2 上海瑞金医院ICU病房空气处理系统
上海瑞金医院ICU病房采用模块化空气处理单元（AHU），内置三级过滤系统，并配备紫外线灭菌装置。其过滤流程如下：
| 步骤 | 过滤器类型 | 过滤对象 | 控制目标 |
|---|---|---|---|
| 第一步 | 初效过滤器 | 大颗粒粉尘 | 降低PM10浓度 |
| 第二步 | 中效过滤器 | 细菌、真菌孢子 | 减少生物污染 |
| 第三步 | 高效过滤器 | 病毒、气溶胶 | 实现ISO Class 5洁净等级 |
该系统经第三方检测机构验证，空气含菌量控制在<1 CFU/m³，远低于国家《医院洁净手术部建筑技术规范》（GB 50333-2013）规定的标准值。
四、国内外相关研究综述
4.1 国内研究进展
国内学者近年来围绕医院空气过滤系统开展了大量实证研究。例如，清华大学建筑学院李教授团队（2022）在《暖通空调》期刊发表论文指出，三级过滤系统在控制医院空气中PM2.5和PM10浓度方面表现出良好效果，尤其在冬季雾霾频发期间，可显著改善室内空气质量。
此外，《中华医院管理杂志》2021年第37卷刊文指出，三级过滤系统在防控呼吸道传染病（如流感、新冠）传播方面具有重要意义，尤其是在负压隔离病房的应用中，能够有效阻断病毒气溶胶传播途径。
4.2 国际研究现状
国际上，世界卫生组织（WHO）在其《Health Aspects of Air Pollution in Indoor Environments》报告中强调，医院应优先采用多级过滤系统以保障医疗环境安全。美国CDC（疾病控制与预防中心）也建议医疗机构在关键区域安装HEPA过滤器，以降低交叉感染风险。
欧洲标准化委员会（CEN）发布的EN 13779标准明确指出，医院通风系统应至少包含初效、中效和高效三级过滤，以满足ISO 14644-1中关于洁净室等级的要求。
五、产品选型建议与工程实施要点
5.1 过滤器选型原则
在医院空气过滤系统设计中，应遵循以下选型原则：
- 匹配性原则：各级过滤器的效率应呈递进关系，避免出现“跳跃式”效率设置；
- 经济性原则：在保证净化效果的前提下，尽量选用性价比高的产品；
- 维护便利性原则：选择便于拆卸、更换的过滤器结构，降低运维成本；
- 兼容性原则：考虑与现有HVAC系统兼容，避免因阻力过大导致系统失衡。
5.2 工程实施注意事项
- 定期监测与更换：建立过滤器压差监测系统，依据阻力变化及时更换；
- 密封性检查：确保过滤器与框架之间密封严密，防止旁通漏风；
- 配套消毒措施：结合紫外线、臭氧等辅助手段增强灭菌效果；
- 系统平衡调节：新风与回风比例应合理调节，确保空气循环稳定。
六、结语（略）
参考文献
- GB/T 14295-2008. 空气过滤器[S].
- GB 50333-2013. 医院洁净手术部建筑技术规范[S].
- ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment, 2020.
- WHO. Health Aspects of Air Pollution in Indoor Environments, 2018.
- EN 13779: Ventilation for Non-residential Buildings – Performance Requirements for Ventilation and Room Conditioning Systems, 2007.
- 李某某等. 医院空气过滤系统在PM2.5控制中的应用研究[J]. 暖通空调, 2022(6): 45-50.
- 张某某等. 三级过滤系统在ICU病房空气质量控制中的实证研究[J]. 中华医院管理杂志, 2021, 37(4): 312-316.
- CDC. Guidelines for Environmental Infection Control in Health-Care Facilities, 2003.
- 清华大学建筑学院. 医院空气净化系统设计与评估[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2020.
（全文约3600字）
