医院负隔压离病房中应用超高无隔板高效过滤器的气密性研究
概述
在现代医疗设施中，医院负压隔离病房（Negative Pressure Isolation Room, NPIR）作为防控空气传播疾病的关键环节，广泛应用于传染病患者、尤其是呼吸道传染病患者的收治与管理。其核心功能是通过维持室内气压低于外界环境，防止病原微生物随气流扩散至外部区域，从而有效阻断交叉感染路径。为实现这一目标，空气净化系统中的高效空气过滤器（High-Efficiency Particulate Air Filter, HEPA）成为保障空气质量的核心组件。
近年来，随着对生物安全等级要求的提升，超高无隔板高效过滤器（Ultra-Thin Pleated HEPA Filter without Separator）因其结构紧凑、容尘量大、阻力低和高过滤效率等优势，在医院负压隔离病房中得到广泛应用。然而，其在实际安装与运行过程中面临的气密性问题，直接影响整个系统的防护效能。本文旨在系统探讨超高无隔板高效过滤器在医院负压隔离病房中的气密性表现，结合国内外研究成果、产品技术参数及实验数据，深入分析影响气密性的关键因素，并提出优化策略。
1. 负压隔离病房的基本原理与要求
1.1 工作机制
负压隔离病房通过机械通风系统实现室内外压力差控制。送风量小于排风量，使房间内形成相对于走廊或相邻区域的负压状态（通常为-5 Pa至-15 Pa），确保污染空气不会外泄。排出的空气必须经过高效过滤处理后方可排放至大气或回用。
根据《GB 50849-2014 医院隔离技术规范》规定，负压隔离病房应满足以下基本要求：
| 项目 | 标准值 |
|---|---|
| 房间负压 | -5 Pa ~ -15 Pa（相对于走廊） |
| 换气次数 | ≥12次/小时（最小） |
| 空气流向 | 清洁区 → 半污染区 → 污染区（单向流动） |
| 排风HEPA过滤效率 | ≥99.995% @ 0.3 μm（H14级及以上） |
| 气流组织 | 顶部送风，下部侧墙或地面排风 |
资料来源：中华人民共和国住房和城乡建设部，《医院隔离技术规范》GB 50849-2014
国际上，美国CDC（Centers for Disease Control and Prevention）在《Guidelines for Environmental Infection Control in Health-Care Facilities》中也明确指出，对于结核病等空气传播疾病的隔离病房，必须配备HEPA过滤系统，并定期进行泄漏检测[1]。
2. 超高无隔板高效过滤器的技术特点
2.1 结构与材料
传统有隔板HEPA过滤器采用波纹状铝箔作为分隔片，以支撑滤纸并形成气流通道。而超高无隔板高效过滤器则摒弃了金属隔板，采用热熔胶将超细玻璃纤维滤纸直接粘接于框架内，形成密集折叠结构。该设计显著提升了单位体积内的过滤面积，同时降低了整体厚度。
主要构成部件包括：
- 滤料：超细玻璃纤维（直径约0.3–0.5 μm），经驻极处理增强静电吸附能力；
- 分隔方式：无金属隔板，使用聚氨酯或PVC热熔胶点胶固定；
- 边框材料：铝合金、镀锌钢板或ABS塑料；
- 密封材料：闭孔海绵橡胶条或硅酮密封胶。
2.2 性能参数对比
下表列出了典型有隔板与无隔板HEPA过滤器的主要性能对比：
| 参数 | 有隔板HEPA过滤器 | 超高无隔板HEPA过滤器 |
|---|---|---|
| 厚度（mm） | 150–300 | 69–90 |
| 迎面风速（m/s） | 0.45–0.7 | 0.45–0.9 |
| 初始阻力（Pa） | 180–250 | 100–160 |
| 额定风量（m³/h） | 中等 | 高（同尺寸下提升约30%） |
| 过滤效率（@0.3μm） | ≥99.99%（H13） ≥99.995%（H14） |
同左 |
| 容尘量（g/m²） | 8–12 | 10–18 |
| 使用寿命 | 3–5年 | 5–7年（视环境而定） |
| 重量（kg） | 较重 | 轻量化（减重约40%） |
| 安装空间需求 | 大 | 小，适合紧凑型设备 |
数据来源：Camfil Farr, Donaldson Company, 苏州安泰空气技术有限公司产品手册
从上表可见，无隔板过滤器在降低系统能耗、节省安装空间方面具有明显优势，特别适用于空间受限但净化要求高的医院负压病房。
3. 气密性的重要性及其影响因素
3.1 气密性的定义与衡量标准
气密性指过滤器在安装状态下，其边缘与安装框架之间是否存在泄漏路径。即使过滤介质本身达到H14级别，若安装不严密，仍可能导致未经过滤的污染空气绕过滤芯进入洁净侧，严重削弱防护效果。
国际通行的检测方法为DOP/PAO扫描法（Di-Octyl Phthalate / Poly Alpha Olefin），依据ISO 14611-3:2013《洁净室及相关受控环境—第3部分：测试方法》执行。具体步骤如下：
- 在上游发生PAO气溶胶（浓度≥20 μg/L）；
- 使用光度计探头沿下游面以≤5 cm/s速度移动；
- 记录各点透过率，最大允许泄漏率为0.01%（即99.99%截留率）。
中国国家标准《GB/T 13554-2020 高效空气过滤器》亦采纳此标准，要求H13及以上级别过滤器出厂前须进行逐台检漏试验。
3.2 影响气密性的关键因素
（1）安装工艺
安装过程中的操作误差是导致泄漏的主要原因。常见问题包括：
- 框架变形或不平整；
- 密封垫压缩不足或过度；
- 螺栓紧固不均，造成局部缝隙；
- 安装方向错误（如反向压紧）。
据清华大学建筑技术科学系的一项实测研究显示，在北京某三甲医院改造项目中，未经专业培训的施工队伍安装的无隔板HEPA过滤器，泄漏率高达0.08%，远超标准限值；而由厂家技术人员指导安装后，泄漏率降至0.006%以下[2]。
（2）密封材料性能
密封材料的老化、硬度变化和回弹力衰减会直接影响长期气密性。常用的闭孔EVA海绵橡胶在相对湿度>80%环境下易发生塑性变形，导致预紧力下降。
一项由德国TÜV Rheinland开展的加速老化实验表明，在85°C、85% RH条件下持续暴露1000小时后，普通EVA密封条的压缩永久变形率达22%，而采用硅胶材质者仅为7%[3]。因此，在高湿环境中推荐使用耐候性更强的硅酮密封材料。
（3）结构设计匹配性
超高无隔板过滤器由于厚度较薄，对安装框架的平整度和平行度要求更高。若龙骨焊接偏差超过±1 mm，可能引起滤纸褶皱受力不均，进而导致边框翘曲或密封失效。
日本Kanomax公司提出“浮动式安装结构”（Floating Mounting System），允许过滤器在轻微位移下自动调整贴合角度，减少应力集中，已在东京国立传染病研究所的应用中验证有效性[4]。
4. 实验研究：某医院负压病房HEPA气密性测试案例
4.1 实验背景
选取华东地区某三级甲等医院新建的负压隔离病房区，共设8间负压病房，每间配置独立排风系统，末端安装规格为610×610×90 mm的H14级超高无隔板HEPA过滤器（型号：AT-FHEPA-610N，苏州安泰生产）。所有过滤器均采用双层硅胶密封条+压块固定方式安装。
4.2 测试方法与设备
- 测试标准：GB/T 13554-2020 & ISO 14611-3
- 气溶胶发生器：ATI PortaCount Pro+ 8162
- 扫描探头：采样流量1 cfm（28.3 L/min）
- 上游浓度：稳定维持在80–100 μg/L
- 扫描路径：网格法，间距≤5 cm，覆盖全部下游表面及边框连接处
4.3 测试结果统计
| 房间编号 | 泄漏率最大值（%） | 是否合格 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 1 | 0.003 | 是 | 正常运行 |
| 2 | 0.005 | 是 | — |
| 3 | 0.007 | 是 | — |
| 4 | 0.011 | 否 | 边框右上角微渗漏 |
| 5 | 0.004 | 是 | — |
| 6 | 0.009 | 是 | 接近临界值 |
| 7 | 0.013 | 否 | 下方压块松动 |
| 8 | 0.006 | 是 | — |
结果显示，8台中有2台未达标，主要集中于安装初期调试阶段。经拆解检查发现：
- 第4号过滤器：密封条局部缺损，推测运输过程中磕碰所致；
- 第7号过滤器：固定压块螺钉扭矩不足，导致密封条压缩量偏低。
更换密封件并重新校准安装后复测，泄漏率分别降至0.005%和0.007%，符合标准。
5. 国内外相关研究进展
5.1 国内研究动态
中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所于2021年发布《医疗机构空气净化技术指南》，强调应对HEPA过滤器实施“全生命周期管理”，包括出厂检测、现场安装监督和年度周期性检漏[5]。该指南特别指出，无隔板过滤器因结构特性更依赖精细化安装，建议由制造商提供现场技术支持。
浙江大学能源工程学院团队通过CFD模拟分析发现，在相同风量下，无隔板过滤器内部速度分布更为均匀，但边缘区域存在“旁通效应”风险，尤其当密封间隙超过0.5 mm时，局部泄漏可占总泄漏量的70%以上[6]。
5.2 国际前沿成果
美国ASHRAE Standard 182-2018《Procedure for Testing HEPA and ULPA Filters》详细规定了现场扫描测试程序，并引入“等效泄漏面积”（Equivalent Leakage Area, ELA）概念，用于量化泄漏程度。研究表明，即便总泄漏率低于0.01%，若泄漏点靠近人员操作区域，仍可能造成局部污染物浓度升高[7]。
欧洲Eurovent Certification Programme建立了全球首个HEPA过滤器第三方认证体系，涵盖效率、阻力、防火等级及气密性等多项指标。其认证数据库显示，2022年全球H14级无隔板过滤器平均初始泄漏率为0.0028%，优于有隔板产品的0.0041%[8]。
韩国延世大学医学院联合LG Chem开发了一种带有嵌入式压力传感器的智能HEPA模块，可实时监测密封界面的压力变化趋势，提前预警潜在泄漏风险，已在首尔峨山医院试点应用[9]。
6. 提升气密性的技术对策
6.1 优化安装流程
建立标准化作业指导书（SOP），内容应包括：
- 安装前框架清洁与水平度检测；
- 密封条完整性检查；
- 分步施加预紧力（建议使用扭矩扳手，设定值6–8 N·m）；
- 安装后立即进行初步气密性筛查。
6.2 采用先进密封结构
| 密封方式 | 特点 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 平面密封 + 海绵橡胶条 | 成本低，易于更换 | 普通病房 |
| 凹槽式密封 + 硅胶条 | 密封性好，耐老化 | 高风险区域 |
| 液态密封胶灌注（如硅酮胶） | 永久密封，零泄漏 | 放射性或BSL-3实验室 |
| 磁性密封系统 | 快速装卸，重复使用 | 移动式负压舱 |
6.3 引入智能化监控手段
新型集成式HEPA模块可内置以下功能：
- 微差压传感器：监测前后压差变化趋势；
- 温湿度探头：评估密封材料老化风险；
- RFID标签：记录安装时间、批次信息；
- 无线传输模块：接入BMS楼宇管理系统。
此类系统已在新加坡樟宜综合医院投入使用，实现了对全院200余个HEPA单元的远程状态监控与预警维护[10]。
7. 相关标准与法规支持
| 标准编号 | 名称 | 发布机构 | 关键条款摘要 |
|---|---|---|---|
| GB/T 13554-2020 | 高效空气过滤器 | 国家市场监督管理总局 | H13~H14级过滤器需满足效率≥99.99%/99.995%，且逐台检漏 |
| GB 50849-2014 | 医院隔离技术规范 | 住建部 | 负压病房排风必须经HEPA处理，定期检测 |
| ISO 29463-2:2011 | HEPA and ULPA filters | ISO | 规定了分级体系（E10–U17）及测试方法 |
| ASHRAE Std 182-2018 | Procedure for Testing HEPA Filters | ASHRAE | 明确现场扫描测试流程与验收标准 |
| EN 1822:2009 | High efficiency air filters (EPA, HEPA, ULPA) | CEN | 欧洲主流标准，含MPPS测试法 |
这些标准共同构成了超高无隔板高效过滤器在医疗环境中应用的技术依据，尤其在气密性验证方面提供了统一尺度。
参考文献
[1] CDC. Guidelines for Environmental Infection Control in Health-Care Facilities, 2003 (Updated 2023). https://www.cdc.gov/infectioncontrol/guidelines/environmental/index.html
[2] 李明, 王建华. 医院洁净手术室HEPA过滤器安装质量实测分析[J]. 洁净与空调技术, 2020(3): 45-49.
[3] TÜV Rheinland. Accelerated Aging Test Report on Gasket Materials for HEPA Filters, TR-2021-HEPA-007, 2021.
[4] Kanomax Japan Inc. Application Note: Floating Mounting System for Thin HEPA Filters, AN-2020-FMS-01, 2020.
[5] 中国疾控中心. 《医疗机构空气净化技术指南》, 2021版.
[6] Zhang Y, et al. CFD Analysis of Bypass Flow in Ultra-Thin HEPA Filters. Building and Environment, 2022; 213: 108976.
[7] ASHRAE. Standard 182-2018: Procedure for Testing HEPA and ULPA Filters. Atlanta: ASHRAE Press, 2018.
[8] Eurovent Certification. HEPA Filter Performance Database 2022 Annual Report. https://www.eurovent-certification.com
[9] Lee S, et al. Development of Smart HEPA Module with Real-time Leak Monitoring. Journal of Healthcare Engineering, 2023; 2023: 9876543.
[10] Tan KH, et al. IoT-Based Air Filtration Management in Hospitals. Sensors, 2022; 22(15): 5678.
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