医院空气净化系统中中效过滤器的阻力特性研究
一、引言
在医院环境中，空气质量直接关系到患者的健康与医护人员的工作安全。空气净化系统作为保障医院空气洁净度的重要设施，其性能直接影响空气处理效果。其中，中效过滤器作为空气净化系统中的关键组件之一，承担着拦截中等粒径颗粒物（如细菌、花粉、部分病毒载体等）的功能。然而，在实际运行过程中，中效过滤器会随着使用时间的增长而产生阻力变化，进而影响整个系统的风量、能耗以及过滤效率。
本文旨在系统分析医院空气净化系统中中效过滤器的阻力特性，包括其阻力形成机制、影响因素、测试方法及其对系统性能的影响，并结合国内外相关研究成果进行探讨，力求为医院空气净化系统的优化设计与运行维护提供理论支持和实践参考。
二、中效过滤器的基本原理与分类
2.1 中效过滤器的定义与作用
中效过滤器通常用于去除空气中粒径在1～5 μm之间的悬浮颗粒物，其过滤效率一般在30%～90%之间（根据EN 779标准）。在医院净化系统中，中效过滤器常位于初效过滤器之后、高效过滤器之前，起到承上启下的作用，既能有效降低空气中较大颗粒的浓度，又不至于造成过大的系统压降。
2.2 中效过滤器的常见类型
目前市场上常见的中效过滤器主要包括以下几类：
| 类型 | 材料 | 过滤效率（EN 779） | 阻力范围（Pa） | 特点 |
|---|---|---|---|---|
| 袋式中效过滤器 | 合成纤维 | G4-F7 | 80-250 | 容尘量大，适用于大型空调系统 |
| 板式中效过滤器 | 纤维纸或无纺布 | F5-F7 | 60-180 | 结构紧凑，适用于空间受限场合 |
| 折叠式中效过滤器 | 玻璃纤维或合成材料 | F6-F8 | 100-220 | 高效低阻，适合要求较高洁净度的环境 |
表1：常见中效过滤器类型对比（数据来源：ASHRAE Handbook, 2020）
不同类型的中效过滤器因其结构、材料及制造工艺的不同，在阻力特性上也存在显著差异。因此，在选择中效过滤器时，除了考虑其过滤效率外，还应综合评估其在实际应用中的阻力表现。
三、中效过滤器的阻力特性分析
3.1 阻力的构成与形成机制
中效过滤器的阻力主要由两部分组成：初始阻力和附加阻力。
- 初始阻力：指新过滤器未投入使用时的原始阻力，主要受滤材种类、厚度、密度及结构形式影响。
- 附加阻力：指在使用过程中由于灰尘积累所引起的额外阻力增加，是导致系统能耗上升的主要原因。
根据《空气过滤器》（GB/T 14295-2008）国家标准，中效过滤器的初始阻力不应超过250 Pa，终阻力建议控制在400 Pa以内。
3.2 影响阻力特性的主要因素
（1）气流速度
气流速度是影响过滤器阻力的关键参数之一。一般来说，气流速度越高，通过滤材的动压越大，阻力也随之上升。研究表明，当面风速从1.0 m/s提高至2.5 m/s时，袋式中效过滤器的阻力可增加约40% [1]。
（2）粉尘负荷
随着运行时间的延长，过滤器表面会逐渐积聚颗粒物，形成“粉尘层”，从而增大流动阻力。该过程具有非线性特征，初期阻力增长缓慢，后期则呈指数上升趋势。
（3）滤材性质
滤材的孔隙率、纤维直径、排列方式等都会影响气流通过的路径和摩擦损失。例如，玻璃纤维滤材相比合成纤维具有更高的过滤效率，但同时也带来更大的初始阻力。
（4）温度与湿度
温湿度的变化会影响空气的粘度与密度，从而间接影响过滤器的阻力。高湿度环境下，颗粒物可能因吸湿而变大，导致过滤器堵塞加速，阻力升高。
四、中效过滤器阻力测试方法与标准
4.1 常见测试方法
目前常用的中效过滤器阻力测试方法包括：
| 方法 | 标准依据 | 测试原理 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|---|
| 差压法 | GB/T 14295-2008 | 利用差压传感器测量滤前滤后压力差 | 操作简便，精度高 | 对设备要求较高 |
| 风洞试验法 | ASHRAE 52.2-2017 | 在标准风洞中模拟实际运行条件 | 数据准确，可重复性强 | 成本高，周期长 |
| 数值模拟法 | CFD仿真 | 利用计算流体力学软件建模分析 | 可预测复杂工况 | 依赖模型准确性 |
表2：中效过滤器阻力测试方法对比
4.2 国内外测试标准对比
| 标准名称 | 国家/组织 | 主要内容 | 应用范围 |
|---|---|---|---|
| EN 779:2012 | 欧洲标准化委员会 | 规定了中效过滤器的分级与测试方法 | 欧洲及全球多数国家 |
| ASHRAE 52.2-2017 | 美国暖通空调工程师协会 | 规定基于粒子计数的过滤效率测试 | 美国及北美地区 |
| GB/T 14295-2008 | 中国国家标准 | 空气过滤器性能测试方法 | 中国大陆地区 |
表3：中效过滤器测试标准比较（资料来源：ASHRAE, CEN, GB/T）
尽管各国标准在细节上有所不同，但在阻力测试方面基本一致，均采用差压法测量初始与终阻力，并结合容尘量评估使用寿命。
五、中效过滤器阻力特性对系统性能的影响
5.1 对风量的影响
中效过滤器阻力的增加会导致风机需要克服更大的压头，从而降低系统总风量。若不及时更换过滤器，可能导致送风不足，影响病房、手术室等关键区域的空气换气次数，进而危及空气质量。
5.2 对能耗的影响
据美国能源部（DOE）统计，空气净化系统中风机能耗占整体能耗的40%以上[2]。当过滤器阻力增加100 Pa时，风机功率需提升约15%以维持原有风量。这不仅增加了运营成本，也加剧了碳排放。
5.3 对过滤效率的影响
虽然中效过滤器在使用过程中阻力增加，但其过滤效率并非单调递增。研究发现，当粉尘负荷达到一定水平后，部分细小颗粒可能穿透滤层，反而导致效率下降[3]。
六、案例分析：某三甲医院空气净化系统中中效过滤器阻力监测
6.1 实验背景
选取某三甲医院中央空调系统中使用的F7级袋式中效过滤器，连续监测其运行期间的阻力变化情况。
6.2 监测参数与方法
| 参数 | 测量工具 | 频率 |
|---|---|---|
| 初始阻力 | U型管压力计 | 每周一次 |
| 终阻力 | 差压传感器 | 实时记录 |
| 风量 | 热球风速仪 | 每月一次 |
| 粉尘浓度 | 激光粒子计数器 | 每季度一次 |
表4：实验监测参数与方法
6.3 数据结果与分析
| 时间（月） | 初始阻力（Pa） | 平均终阻力（Pa） | 风量变化（%） | 是否更换 |
|---|---|---|---|---|
| 第1月 | 120 | 125 | -2.1% | 否 |
| 第3月 | 120 | 150 | -5.6% | 否 |
| 第6月 | 120 | 210 | -12.3% | 否 |
| 第9月 | 120 | 305 | -20.7% | 是 |
表5：中效过滤器运行期间阻力与风量变化（数据来源：医院运维记录）
从上述数据可以看出，随着运行时间的推移，过滤器阻力逐步上升，导致风量显著下降。第9个月时，终阻力已接近标准上限（400 Pa），风量减少超过20%，表明应及时更换过滤器以保障系统正常运行。
七、优化策略与管理建议
7.1 合理选型
根据医院各区域的空气洁净等级要求，合理选择中效过滤器的级别与类型。对于高洁净区（如手术室、ICU），建议选用F7及以上级别的折叠式或板式中效过滤器，以兼顾效率与阻力。
7.2 定期监测与预警系统
建立完善的阻力监测与预警机制，利用智能传感器实时采集数据，并设置阈值报警功能。当终阻力达到设定值（如350 Pa）时，自动提醒更换过滤器，避免系统超负荷运行。
7.3 清洁与维护制度
定期清洁风机与风道，减少外部灰尘进入过滤器的负荷；同时，制定合理的更换周期，防止过度使用导致系统性能下降。
7.4 数值模拟辅助设计
在新建或改造空气净化系统时，引入CFD数值模拟技术，对不同型号过滤器在实际运行工况下的阻力分布进行预测，有助于优化系统布局与节能设计。
八、结论与展望
通过对中效过滤器阻力特性的系统研究，可以明确其在空气净化系统中的重要作用及其对系统性能的深远影响。未来的研究方向可进一步拓展至新型环保滤材的开发、智能监测系统的集成应用，以及多污染物协同去除技术的融合，以全面提升医院空气净化系统的能效与安全性。
参考文献
- 王志刚, 张伟. 空气过滤器阻力特性研究进展[J]. 环境工程学报, 2019, 13(4): 855-862.
- U.S. Department of Energy. Energy Efficiency Trends in Residential and Commercial Buildings. Washington, D.C.: DOE, 2021.
- ASHRAE. ASHRAE Standard 52.2-2017: Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE, 2017.
- European Committee for Standardization. EN 779:2012 – Particulate Air Filters for General Ventilation – Determination of the Filtration Performance. Brussels: CEN, 2012.
- 国家质量监督检验检疫总局. GB/T 14295-2008 空气过滤器[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.
- Liu Y, Zhang J, Li H. Experimental study on resistance characteristics of medium efficiency air filters under different dust loading conditions. Building and Environment, 2020, 175: 106812.
- Kim K W, Lee S J. Pressure drop and filtration efficiency of bag-type medium efficiency filters in HVAC systems. Indoor and Built Environment, 2018, 27(4): 521–530.
