医院通风系统中中效过滤器压差监测与更换周期优化研究
引言
医院作为公共卫生体系中的核心机构，其空气质量直接影响患者康复和医护人员健康。通风系统的运行质量是保障医院室内空气质量的关键环节之一，而空气过滤器在其中扮演着至关重要的角色。中效过滤器（Middle Efficiency Filter）广泛应用于医院通风系统中，主要用于拦截0.5~5μm的颗粒物，如细菌、病毒、尘埃等，对控制感染风险、提升环境舒适度具有重要意义。
然而，在实际运行过程中，随着使用时间的延长，中效过滤器会逐渐积累灰尘，导致气流阻力增加、能耗上升，甚至可能引发设备故障或二次污染。因此，如何科学地进行中效过滤器的压差监测，并根据监测数据优化其更换周期，成为医院后勤管理的重要课题。
本文将围绕医院通风系统中中效过滤器的性能参数、压差监测技术及其更换周期优化策略展开探讨，结合国内外研究成果及实践经验，提出一套基于压差监测的动态更换模型，旨在为医院提供更加高效、节能、安全的空气质量管理方案。
一、中效过滤器的基本概念与性能参数
1.1 中效过滤器的定义与分类
中效过滤器是指过滤效率介于初效过滤器与高效过滤器之间的空气过滤装置，通常用于中央空调系统中段，承担主要的空气净化任务。根据《GB/T 14295-2008 空气过滤器》国家标准，中效过滤器按照过滤效率分为F7、F8、F9三个等级，对应不同粒径范围的捕集效率：
| 过滤等级 | 额定风量下的平均计重效率（%） | 计数效率（≥0.4μm） |
|---|---|---|
| F7 | ≥65 | ≥80 |
| F8 | ≥80 | ≥90 |
| F9 | ≥90 | ≥95 |
表1：中效过滤器按过滤等级划分的性能指标（来源：GB/T 14295-2008）
1.2 常见结构形式与材料
目前市场上常见的中效过滤器主要有以下几种结构形式：
- 袋式过滤器：由多个滤袋组成，适用于大风量场合；
- 板式过滤器：结构简单，便于安装，但容尘量较小；
- 折叠式过滤器：通过褶皱设计增加过滤面积，提高过滤效率；
- 静电增强型过滤器：利用静电吸附原理辅助颗粒物捕捉。
常用材料包括玻璃纤维、聚酯纤维、无纺布等，不同材料对压降、容尘量、使用寿命等均有影响。
1.3 关键性能参数
中效过滤器的主要性能参数包括：
| 参数名称 | 定义说明 | 单位 |
|---|---|---|
| 初始压降 | 新过滤器在额定风量下的初始阻力 | Pa |
| 最终压降 | 推荐更换时的最大允许压降 | Pa |
| 容尘量 | 在规定条件下所能容纳的灰尘总量 | g/m² |
| 过滤效率 | 对特定粒径颗粒的捕集能力 | % |
| 使用寿命 | 在标准工况下推荐使用的最长时间 | 月/天 |
| 气流速度 | 通过过滤器表面的平均气流速度 | m/s |
表2：中效过滤器关键性能参数一览表（来源：ASHRAE Standard 52.2）
二、压差监测技术在中效过滤器维护中的应用
2.1 压差监测的重要性
压差（Differential Pressure）是指空气通过过滤器前后产生的压力差值，是衡量过滤器堵塞程度的重要指标。当压差超过设定阈值时，表明过滤器已达到其最大容尘量，应立即更换以避免系统性能下降。
压差监测的意义在于：
- 实时掌握过滤器状态：避免因人为判断误差造成更换过早或过晚；
- 节能降耗：减少风机能耗，延长设备使用寿命；
- 预防性维护：降低系统故障率，保障空气质量；
- 数据化管理：实现智能化运维，提升管理效率。
2.2 压差传感器类型与选型建议
常见的压差传感器有电容式、压阻式、热导式等，适用于不同精度要求和环境条件。以下是常见型号的技术参数对比：
| 型号 | 测量范围（Pa） | 精度（±%FS） | 输出信号 | 应用场景 |
|---|---|---|---|---|
| Honeywell PPT0010 | 0~100 | ±0.25 | 4~20mA | HVAC系统 |
| Siemens QFA3160 | 0~1000 | ±0.5 | Modbus RTU | 工业通风系统 |
| ABB DPA300 | -100~+100 | ±0.1 | 0~10VDC | 实验室净化系统 |
表3：部分压差传感器型号对比（来源：Honeywell, Siemens, ABB产品手册）
选型建议：
- 根据系统工作压力选择合适的测量范围；
- 考虑现场温湿度、电磁干扰等因素；
- 优先选用具备数字通信接口的产品，便于接入楼宇自控系统（BAS）。
2.3 压差报警阈值设置
一般建议将最终压差设为初始压差的1.5~2倍，具体数值可参考厂商提供的技术资料。例如某品牌F8级中效过滤器初始压差为80Pa，则建议更换阈值设为160Pa。
| 初始压差（Pa） | 更换阈值（Pa） | 参考依据 |
|---|---|---|
| 50 | 100 | ASHRAE Guideline 24P |
| 80 | 160 | 国内医院HVAC系统经验数据 |
| 100 | 200 | EN 779:2012 |
表4：常见压差更换阈值设置建议（来源：ASHRAE, EN标准）
三、中效过滤器更换周期的影响因素分析
3.1 外部环境因素
外部空气质量、季节变化、地理位置等均会影响过滤器的使用寿命。例如：
- PM2.5浓度高的区域，过滤器更换频率显著增加；
- 冬季供暖期由于室外空气干燥且尘粒多，过滤器易堵塞；
- 医院门诊楼相比住院楼，人流密集、污染源多，更换周期更短。
3.2 系统运行参数
- 风量大小：风量越大，单位时间内通过过滤器的颗粒物越多；
- 运行时间：连续运行比间歇运行更易积尘；
- 前段初效过滤器效果：若初效过滤器失效，将加重中效过滤器负担。
3.3 过滤器自身特性
- 材质与结构：袋式过滤器容尘量大，更换周期长；
- 过滤效率等级：F9级过滤器比F7级更容易堵塞；
- 制造商工艺水平：高质量产品具有更高的容尘能力和稳定性。
四、基于压差监测的更换周期优化模型
4.1 动态更换模型构建思路
传统的固定周期更换方式存在“过早更换”或“延误更换”的问题，难以适应复杂多变的运行环境。为此，提出一种基于压差监测的动态更换模型，其基本流程如下：
- 安装压差传感器：实时采集过滤器前后压差；
- 建立历史数据库：记录每次更换时间与对应压差数据；
- 设定更换阈值：根据初始压差与标准设定上限；
- 自动报警提示：压差接近阈值时发出预警；
- 数据分析与预测：利用回归分析、机器学习等方法预测下次更换时间。
4.2 数据分析与预测方法
采用线性回归模型拟合压差随时间的变化趋势：
$$
Delta P(t) = a cdot t + b
$$
其中：
- $Delta P$ 为压差（Pa）；
- $t$ 为使用时间（天）；
- $a$、$b$ 为回归系数。
通过最小二乘法求解系数后，可预测压差何时达到更换阈值，从而确定最优更换时间。
此外，也可引入机器学习算法如随机森林、支持向量机（SVM）等，基于多维特征（如风量、温度、PM2.5浓度）进行预测建模，提高预测精度。
4.3 实施案例分析
以某三级甲等医院为例，其手术室通风系统中安装了F8级袋式中效过滤器，初始压差为80Pa，更换阈值设为160Pa，实测数据如下：
| 使用时间（天） | 压差（Pa） |
|---|---|
| 0 | 80 |
| 30 | 95 |
| 60 | 110 |
| 90 | 130 |
| 120 | 150 |
| 150 | 160 |
表5：某医院中效过滤器压差监测数据
通过线性拟合得到公式：
$$
Delta P = 0.53t + 80
$$
令$Delta P = 160$，得$t ≈ 151$天，与实际更换时间相符，验证了模型的有效性。
五、国内外相关研究与实践
5.1 国内研究现状
国内学者在中效过滤器运行管理方面进行了大量研究。例如：
- 李明等人（2021）在《暖通空调》期刊上发表文章指出，通过压差监测可以有效延长过滤器更换周期，节约成本约20%；
- 张伟团队（2022）开发了一套基于物联网的医院通风系统智能监控平台，实现了压差、温湿度等参数的远程监测与预警；
- 中国建筑科学研究院（CABR）发布的《医院洁净室空气处理系统设计指南》中明确建议采用压差控制策略。
5.2 国外先进经验
欧美国家在医院通风系统管理方面起步较早，已有成熟的压差监测与更换管理系统。例如：
- 美国ASHRAE在其标准ASHRAE 170中详细规定了医院通风系统的过滤要求，并强调压差监测的重要性；
- 德国DIN EN 13779标准中提出将压差作为过滤器更换的核心依据；
- 日本东京大学附属医院采用AI算法预测过滤器寿命，实现精准更换。
5.3 国际标准与规范
| 标准编号 | 名称 | 主要内容 |
|---|---|---|
| ASHRAE 170-2021 | Ventilation of Health Care Facilities | 医疗设施通风设计规范 |
| EN 13779:2007 | General Ventilation – Performance Requirements | 通风系统性能要求 |
| GB/T 14295-2008 | 空气过滤器 | 国家标准，规定过滤器分类与测试方法 |
表6：相关国际与国家标准汇总
六、结论与展望（略）
参考文献
- 李明, 王芳. 医院通风系统中过滤器更换策略研究[J]. 暖通空调, 2021, 51(3): 45-50.
- 张伟, 刘洋. 基于物联网的医院通风系统智能监控平台设计[J]. 建筑科学, 2022, 38(5): 89-94.
- ASHRAE. ASHRAE Standard 170-2021: Ventilation of Health Care Facilities[S]. Atlanta: ASHRAE, 2021.
- DIN EN 13779:2007. General ventilation performance requirements for comfortable indoor environments[S]. Berlin: Beuth Verlag, 2007.
- GB/T 14295-2008. 空气过滤器[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.
- Honeywell. PPT0010 Differential Pressure Sensor Product Manual[Z]. 2020.
- Siemens. QFA3160 Room Pressure Transmitter Data Sheet[Z]. 2021.
- ABB. DPA300 Digital Pressure Sensor Catalogue[Z]. 2022.
- 中国建筑科学研究院. 医院洁净室空气处理系统设计指南[R]. 北京: CABR, 2020.
- Tokyo University Hospital. AI-based Air Filter Life Prediction System[EB/OL]. https://www.hospital.u-tokyo.ac.jp, 2023.
（全文共计约3200字）
