高效颗粒空气过滤器（HEPA）在医疗设施中对空气质量的提升效果
引言
随着现代医学的发展和公众健康意识的增强，医院、诊所、实验室等医疗设施内的空气质量问题日益受到关注。空气中的悬浮微粒、细菌、病毒、真菌孢子以及有害气体不仅影响患者康复，也可能导致医护人员的职业暴露风险增加。特别是在手术室、重症监护室（ICU）、隔离病房及洁净实验室等关键区域，维持高标准的空气质量至关重要。
高效颗粒空气过滤器（High-Efficiency Particulate Air Filter，简称HEPA）作为空气净化系统的核心组件，因其卓越的微粒捕集能力被广泛应用于各类医疗环境中。本文将系统阐述HEPA过滤器的工作原理、技术参数、在医疗设施中的具体应用，并结合国内外权威研究文献，深入分析其对空气质量的实际改善效果。
一、HEPA过滤器的基本定义与工作原理
1.1 定义
根据美国能源部（DOE）标准，高效颗粒空气过滤器（HEPA）是指能够去除空气中至少99.97%直径为0.3微米（μm）颗粒物的过滤装置。这一尺寸被称为“最易穿透粒径”（Most Penetrating Particle Size, MPPS），即在此粒径下过滤效率最低，因此成为衡量HEPA性能的关键指标。
在中国国家标准《GB/T 13554-2020》《高效空气过滤器》中，HEPA过滤器被划分为H11至H14等级，其中H13和H14级符合国际公认的“真正HEPA”标准。
1.2 工作原理
HEPA过滤器并非依靠单一机制实现高效过滤，而是综合运用以下四种物理机制：
| 过滤机制 | 原理描述 | 主要作用粒径范围 |
|---|---|---|
| 惯性碰撞（Inertial Impaction） | 大颗粒因惯性偏离气流方向，撞击纤维被捕获 | >1 μm |
| 拦截效应（Interception） | 中等颗粒随气流靠近纤维表面时被直接接触捕获 | 0.3–1 μm |
| 扩散效应（Diffusion） | 极小颗粒因布朗运动与纤维频繁接触而被捕获 | <0.1 μm |
| 静电吸附（Electrostatic Attraction） | 某些HEPA材料带静电，增强对微小颗粒的吸附力 | 全范围，尤其<0.3 μm |
值得注意的是，尽管传统HEPA主要依赖机械拦截，近年来部分高端产品引入驻极体材料（如聚丙烯熔喷布），通过永久静电场显著提升对亚微米级颗粒的捕获效率（Liu et al., 2020）。
二、HEPA过滤器的技术参数与分类标准
2.1 国际与国内标准对比
| 标准体系 | 标准编号 | HEPA等级划分 | 效率要求（0.3 μm） | 应用场景建议 |
|---|---|---|---|---|
| 欧洲标准（EN 1822） | EN 1822:2009 | E10–E12（普通高效） H13–H14（HEPA） U15–U17（ULPA） |
H13: ≥99.95% H14: ≥99.995% |
医疗洁净室、生物安全实验室 |
| 美国标准（DOE） | DOE-STD-3020-97 | True HEPA: ≥99.97% @ 0.3 μm | ≥99.97% | 核设施、医院通风系统 |
| 中国国家标准 | GB/T 13554-2020 | H11–H14 | H13: ≥99.95% H14: ≥99.995% |
手术室、ICU、负压隔离病房 |
| ISO标准 | ISO 29463 | 分为E、H、U三类，H13对应ISO40 | ≥99.95% | 国际通用洁净环境 |
资料来源：中华人民共和国国家标准化管理委员会（SAC），2020；European Committee for Standardization (CEN), 2009.
2.2 常见HEPA过滤器产品参数表
| 型号 | 品牌 | 过滤等级 | 初始阻力（Pa） | 额定风量（m³/h） | 容尘量（g） | 使用寿命（h） | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil FSF 30 | Camfil（瑞典） | H14 | ≤180 | 1,200 | 800 | 8,000–10,000 | 手术室、移植病房 |
| Donaldson Ultra-Web® Z | Donaldson（美国） | H13 | ≤160 | 1,000 | 650 | 7,000–9,000 | ICU、呼吸科病房 |
| 3M Filtrete™ HEPA-14 | 3M（美国） | H14 | ≤200 | 800 | 500 | 6,000–8,000 | 移动式净化设备 |
| 苏净集团 SJ-HEPA-H14 | 苏净（中国） | H14 | ≤170 | 1,500 | 900 | 8,000–12,000 | 生物安全实验室 |
| 菲利斯 GL-HEPA-13 | 菲利斯（中国） | H13 | ≤150 | 2,000 | 1,000 | 10,000+ | 中央空调系统 |
注：数据来源于各厂商公开技术手册（2023年更新）。
三、HEPA在医疗设施中的典型应用场景
3.1 手术室空气净化
手术室是医院感染控制的重点区域。研究表明，空气中浮游菌浓度每增加100 CFU/m³，术后切口感染率上升约2倍（Bischoff et al., 2018）。安装HEPA过滤系统后，可使手术室内颗粒物浓度降低90%以上，细菌总数下降至10 CFU/m³以下（WHO, 2021）。
以北京协和医院为例，其百级洁净手术室采用H14级HEPA配合层流送风系统，实测数据显示PM2.5浓度稳定低于5 μg/m³，远优于《医院洁净手术部建筑技术规范》（GB 50333-2013）规定的10 μg/m³限值。
3.2 重症监护病房（ICU）
ICU患者多为免疫力低下人群，极易发生院内感染。美国疾病控制与预防中心（CDC）报告指出，约10%的ICU患者会经历呼吸机相关性肺炎（VAP），其中空气传播病原体占重要诱因（CDC, 2022）。
上海瑞金医院在ICU加装H13级HEPA后，连续6个月监测显示：
- 空气中总菌落数从平均156 CFU/m³降至23 CFU/m³；
- PM0.3–PM2.5浓度下降87.6%；
- VAP发生率由18.3‰降至9.7‰（p<0.01）。
3.3 负压隔离病房与传染病防控
在新冠疫情期间，HEPA过滤器成为负压隔离病房建设的核心配置。根据《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案（试行第八版）》，收治疑似或确诊患者的隔离区应配备HEPA净化排风系统，确保排风经高效过滤后排放。
清华大学环境学院研究团队对武汉某定点医院进行现场测试发现，使用H14级HEPA后，排风口气溶胶中新冠病毒RNA检出率下降99.2%，且未在室外检测到活病毒（Zhang et al., 2021）。
3.4 药房与制剂室
医院静脉药物配置中心（PIVAS）要求达到A级洁净度（相当于ISO 5级）。HEPA配合垂直单向流设计，可有效防止微粒污染药品。广州中山大学附属第一医院PIVAS运行数据显示，启用HEPA系统后，成品输液微粒超标率由0.8%降至0.03%。
四、HEPA对空气质量关键指标的改善效果
4.1 对颗粒物（PM）的去除效率
| 颗粒物类型 | 平均初始浓度（μg/m³） | HEPA处理后浓度（μg/m³） | 去除率（%） | 文献来源 |
|---|---|---|---|---|
| PM10 | 85 | 3.2 | 96.2 | Li et al., 2019（中国） |
| PM2.5 | 52 | 1.8 | 96.5 | EPA, 2020（美国） |
| PM1.0 | 38 | 0.9 | 97.6 | WHO, 2021 |
| PM0.3 | 25 | 0.3 | 98.8 | Morawska et al., 2020（澳大利亚） |
4.2 对微生物气溶胶的削减能力
| 微生物类型 | 来源 | 初始浓度（CFU/m³） | HEPA过滤后（CFU/m³） | 去除率（%） | 实验条件 |
|---|---|---|---|---|---|
| 金黄色葡萄球菌 | 医护人员飞沫 | 120 | 2.1 | 98.2 | 动态模拟舱，风速0.5 m/s |
| 白色念珠菌 | 地面扬尘 | 85 | 1.5 | 98.2 | 同上 |
| 结核分枝杆菌 | 咳嗽模拟 | 60（等效） | <1 | >99 | BSL-3实验室测试（NIOSH, 2019） |
| 流感病毒（H1N1） | 喷雾实验 | 1.2×10⁴ PFU/m³ | 30 PFU/m³ | 99.75 | University of Minnesota, 2020 |
注：PFU = Plaque Forming Units（噬斑形成单位）
4.3 对挥发性有机物（VOCs）的间接影响
虽然HEPA本身不针对气态污染物，但其高密度纤维结构可吸附部分大分子VOCs。当与活性炭复合使用时，整体净化效率显著提升。
一项发表于《Building and Environment》的研究表明，在HEPA+活性炭组合系统中：
- 甲醛去除率可达85%（单独HEPA为12%）；
- 苯系物去除率达91%；
- 臭氧无明显变化（HEPA不催化分解O₃）（Chen et al., 2021）。
五、HEPA系统的维护与性能衰减分析
5.1 性能衰减因素
| 影响因素 | 说明 | 对效率的影响 | 可逆性 |
|---|---|---|---|
| 积尘堵塞 | 颗粒物在滤材表面积累，增加阻力 | 初始效率不变，后期风量下降 | 可更换滤芯 |
| 潮湿环境 | 高湿度导致滤纸变形或霉变 | 可能降低扩散效应效率 | 不可逆，需防潮设计 |
| 化学腐蚀 | 接触强酸碱或消毒剂蒸汽 | 纤维降解，孔隙扩大 | 不可逆 |
| 气流不均 | 安装不当造成旁通泄漏 | 局部效率骤降 | 可调整密封 |
5.2 维护周期建议（基于中国医院实践）
| 使用场所 | 更换周期 | 监测频率 | 判断依据 |
|---|---|---|---|
| 手术室 | 12–18个月 | 每季度一次 | 阻力≥初阻力2倍或效率下降>5% |
| ICU | 18–24个月 | 半年一次 | 视压差计读数及空气质量报告 |
| 普通病房 | 24–36个月 | 年检一次 | 结合PM2.5与菌落总数监测 |
| 生物安全实验室 | 6–12个月 | 每月检测 | 必须符合BSL-2/3标准 |
数据参考：《医院空气净化管理规范》（WS/T 368-2012），国家卫生健康委员会。
六、国内外权威研究综述
6.1 国外研究进展
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美国ASHRAE（2020） 在《HVAC Applications Handbook》中明确指出：“在医疗设施中，HEPA过滤是控制空气传播感染最有效的工程手段之一。”
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英国NHS（National Health Service）指南（2021） 要求所有新建三级医院必须在关键区域配置H13及以上等级HEPA系统，并定期进行DOP（邻苯二甲酸二辛酯）检漏测试。
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Lancet Planetary Health（2022） 发表的一项跨国研究显示，在配备HEPA的医院中，呼吸道感染类疾病的院内传播风险平均降低63%（95% CI: 54–70%）。
6.2 国内科研成果
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复旦大学公共卫生学院（2023） 对长三角地区27家三甲医院调研发现，使用HEPA的医院其空气微生物合格率（≤500 CFU/m³）达98.7%，显著高于未使用者的76.3%（p<0.001）。
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中国建筑科学研究院（2022） 在《洁净技术》期刊发表论文指出，国产H14级HEPA在模拟临床环境下对0.3 μm颗粒的过滤效率稳定在99.998%，已达到国际先进水平。
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钟南山院士团队（2021） 在《中华内科杂志》撰文强调：“在新冠疫情常态化防控背景下，推广HEPA在发热门诊和隔离病房的应用，是切断气溶胶传播链的重要举措。”
七、HEPA与其他空气净化技术的比较
| 技术类型 | 原理 | 对PM2.5效率 | 对微生物效率 | 是否产生副产物 | 成本（相对） | 适用医疗场景 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| HEPA过滤 | 机械拦截 | ≥99.97% | ≥99.9% | 无 | 中高 | 手术室、ICU |
| 紫外线（UV-C） | 破坏DNA/RNA | 低（仅表面杀菌） | 80–95% | 臭氧（部分灯管） | 中 | 表面消毒辅助 |
| 离子净化 | 电荷凝聚沉降 | 70–85% | 60–80% | 臭氧、NOx | 低 | 普通病房 |
| 光催化氧化（PCO） | 自由基反应 | 60–75% | 70–85% | 甲醛中间产物 | 高 | 实验室（有限） |
| 活性炭吸附 | 物理吸附 | <10% | 无 | 无 | 中 | VOCs治理复合使用 |
资料整合自：EPA Indoor Air Quality Guide (2021)；《环境科学与技术》（2022年第5期）
八、未来发展趋势与挑战
8.1 智能化HEPA系统
新一代HEPA设备正朝着智能化方向发展。例如，德国Testo公司推出的智能HEPA模块，集成PM传感器、压差报警、远程监控功能，可通过APP实时查看滤芯状态。国内企业如格力、美的也已推出具备AI预测更换周期的医用级净化机组。
8.2 纳米纤维材料的应用
静电纺丝制备的纳米级聚酰胺纤维（直径50–200 nm）比传统玻璃纤维更细密，可在更低阻力下实现更高效率。韩国科学技术院（KAIST, 2023）研发的纳米HEPA原型机对0.1 μm颗粒过滤效率达99.999%，同时阻力降低30%。
8.3 可持续性挑战
HEPA滤芯属一次性耗材，大量废弃可能带来环境负担。目前欧盟已启动“Green HEPA”项目，推动可生物降解滤材（如纤维素基复合材料）的研发。中国生态环境部亦在《医疗废物分类目录（2023版）》中建议对HEPA滤芯进行专项回收处理。
参考文献
- GB/T 13554-2020，《高效空气过滤器》，国家市场监督管理总局，2020年发布。
- EN 1822:2009，High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA)，CEN。
- Liu, Y. et al. (2020). "Enhanced filtration performance of electret-modified nanofiber membranes for airborne virus removal." Journal of Membrane Science, 612, 118392。
- Bischoff, W.E. et al. (2018). "Airborne surgical site infections: a systematic review." The Lancet Infectious Diseases, 18(10), e303-e314。
- WHO (2021). Healthcare-associated infections: airborne transmission. World Health Organization。
- CDC (2022). Ventilator-Associated Events Surveillance Report. U.S. Centers for Disease Control and Prevention。
- Zhang, R. et al. (2021). "Suppression of aerosol emission from COVID-19 patients via HEPA filtration in isolation wards." Environmental Science & Technology Letters, 8(5), 408–414。
- Morawska, L. et al. (2020). "Aerosol transmission is an important mode of SARS-CoV-2 spread." Environment International, 145, 106132。
- NIOSH (2019). HEPA Filter Performance Testing under Simulated Mycobacterial Challenge. National Institute for Occupational Safety and Health。
- Chen, Q. et al. (2021). "Combined HEPA and activated carbon filtration for indoor air quality improvement in hospitals." Building and Environment, 195, 107756。
- ASHRAE (2020). ASHRAE Handbook – HVAC Applications. Chapter 7, Healthcare Facilities。
- 钟南山, 蔡绍曦, 等. (2021). “新型冠状病毒气溶胶传播特征及防控策略.” 《中华内科杂志》, 60(4), 301–306。
- 复旦大学公共卫生学院. (2023). 《中国医疗机构空气净化现状调查报告》。
- 中国建筑科学研究院. (2022). “国产高效过滤器性能评测研究.” 《洁净技术》, 40(3), 45–51。
（全文约3,800字）
