医疗洁净手术室中无隔板高效过滤器的过滤效率与颗粒物控制
引言
随着现代医疗技术的发展，洁净手术室在医院建设中的重要性日益凸显。作为保障外科手术安全、降低术后感染率的核心环境设施，洁净手术室对空气洁净度提出了极为严格的要求。其中，空气中的微粒污染物（如尘埃、细菌、病毒等）是影响手术环境质量的关键因素。为有效控制这些有害颗粒物，高效空气过滤器（High Efficiency Particulate Air Filter, HEPA）成为洁净手术室空气净化系统中的核心组件。
近年来，无隔板高效过滤器因其结构紧凑、阻力低、容尘量大、过滤效率高等优势，在医疗洁净工程中广泛应用。尤其在Ⅰ级和Ⅱ级洁净手术室中，其性能表现尤为突出。本文将围绕无隔板高效过滤器在医疗洁净手术室中的应用，深入探讨其工作原理、关键参数、过滤效率特性以及对颗粒物的控制能力，并结合国内外权威研究数据，系统分析其在实际医疗环境中的运行效果。
一、洁净手术室的空气洁净等级标准
根据中国国家标准《GB 50333-2013 医院洁净手术部建筑技术规范》的规定，洁净手术室按空气中悬浮粒子浓度划分为四个等级：
| 洁净等级 | 手术室类型 | ≥0.5μm 粒子最大允许数（个/m³） | ≥5.0μm 粒子最大允许数（个/m³） | 换气次数（次/h） | 截面风速（m/s） |
|---|---|---|---|---|---|
| Ⅰ级特别洁净手术室 | 关节置换、器官移植、脑外科等高风险手术 | ≤350 | ≤0 | 60～65 | 0.25～0.30 |
| Ⅱ级标准洁净手术室 | 胸外科、整形外科、骨科等一般无菌手术 | ≤1000 | ≤0 | 40～50 | —— |
| Ⅲ级一般洁净手术室 | 普通外科、妇产科等 | ≤1500 | ≤3 | 25～30 | —— |
| Ⅳ级准洁净手术室 | 门诊手术、急诊手术等 | ≤350000 | ≤293 | 8～10 | —— |
注：以上数据依据 GB 50333-2013 及《洁净厂房设计规范》GB 50073 综合整理。
从表中可见，Ⅰ级和Ⅱ级手术室对≥0.5μm微粒的控制极为严格，要求每立方米空气中不得超过1000个粒子。如此高标准的洁净度，必须依赖于高效的空气过滤系统，尤其是末端安装的高效过滤器。
国际上，美国联邦标准 FS-209E 和国际标准化组织发布的 ISO 14644-1 标准也对洁净室分级进行了规定。例如，ISO 14644-1 将洁净度分为 ISO Class 1 至 ISO Class 9，其中洁净手术室通常对应 ISO Class 5 或更高（即每升空气中≥0.5μm粒子不超过3520个，相当于3520000个/m³，但实际医疗要求更严）。我国标准在某些方面甚至高于国际通用标准，体现了对医疗环境安全的高度重视。
二、无隔板高效过滤器的结构与工作原理
（一）基本结构特点
无隔板高效过滤器（Pleated HEPA Filter without Separator）是一种采用超细玻璃纤维纸作为滤料，以热熔胶分隔并折叠成波纹状结构的高效空气过滤装置。与传统的有隔板过滤器相比，其主要区别在于：
- 取消金属或纸制隔板：使用瓦楞状铝箔或塑料网替代传统波形隔板；
- 滤纸折叠密度更高：单位体积内有效过滤面积更大；
- 整体重量轻、体积小：便于安装于空间受限的吊顶或风管末端。
典型结构组成如下：
| 组成部分 | 材质/功能说明 |
|---|---|
| 滤料 | 超细玻璃纤维，直径约0.5～2.0μm，经驻极处理增强静电吸附能力 |
| 分隔物 | 铝箔或聚酯薄膜制成的V型支撑结构，维持滤纸间距 |
| 外框 | 铝合金、镀锌钢板或ABS塑料，具备良好密封性和强度 |
| 密封胶 | 聚氨酯或硅酮胶，确保边框与滤料间无泄漏 |
| 防护网 | 镀锌钢丝网，防止运输和运行中滤纸破损 |
（二）过滤机理
无隔板高效过滤器通过多种物理机制实现对空气中微粒的捕集，主要包括以下四种方式：
- 拦截效应（Interception）：当粒子随气流运动时，若其轨迹靠近纤维表面一定距离（小于粒子半径），则会被纤维捕获。
- 惯性撞击（Impaction）：较大粒子因质量大，在气流方向改变时无法及时跟随，撞击到纤维上而被捕集。
- 扩散效应（Diffusion）：对于亚微米级粒子（<0.1μm），布朗运动显著增强，使其随机碰撞纤维而被吸附。
- 静电吸引（Electrostatic Attraction）：部分滤材经过驻极处理，带有永久电荷，可增强对中性粒子的吸附力。
研究表明，0.3μm左右的粒子最难过滤，被称为“最易穿透粒径”（Most Penetrating Particle Size, MPPS）。因此，HEPA过滤器的效率测试通常以此粒径为基准。
三、无隔板高效过滤器的关键性能参数
为评估无隔板高效过滤器在洁净手术室中的适用性，需关注以下几个核心参数：
| 参数名称 | 定义与意义 | 典型值范围 | 测试标准 |
|---|---|---|---|
| 过滤效率（Efficiency） | 对特定粒径粒子的去除率，通常指对0.3μm粒子的过滤效率 | ≥99.97%（H13）、≥99.995%（H14） | IEST-RP-CC001、EN 1822 |
| 初始阻力（Initial Resistance） | 新滤器在额定风量下的压降 | 180～250 Pa | GB/T 6165 |
| 额定风量（Rated Airflow） | 设计允许的最大通风量 | 800～2000 m³/h（视尺寸而定） | —— |
| 容尘量（Dust Holding Capacity） | 滤器在达到终阻力前可容纳的灰尘总量 | ≥500 g | JG/T 22-1999 |
| 泄漏率（Leakage Rate） | 局部区域穿透率，反映密封性 | ≤0.01% | 扫描检漏法（光度计或粒子计数器） |
| 使用寿命 | 正常工况下更换周期 | 3～5年（依环境而异） | —— |
注：H13 和 H14 为欧洲标准 EN 1822 中定义的高效过滤器等级。
根据 EN 1822:2019《High efficiency air filters (HEPA and ULPA)》标准，高效过滤器按效率分为：
| 等级 | 过滤效率（MPPS） | 对应中文标准 |
|---|---|---|
| H10 | ≥85% | —— |
| H11 | ≥95% | —— |
| H12 | ≥99.5% | —— |
| H13 | ≥99.95% | 相当于国标 A 类高效 |
| H14 | ≥99.995% | 国标 B 类高效 |
| U15～U17 | ≥99.9995% | 超高效（ULPA） |
在我国《GB/T 13554-2020 高效空气过滤器》标准中，也将高效过滤器分为 A、B、C 三类：
- A类：效率 ≥99.9%（钠焰法）
- B类：效率 ≥99.99%
- C类：效率 ≥99.999%
目前，国内Ⅰ级洁净手术室普遍采用 H13 或 H14 级别的无隔板高效过滤器，以确保空气洁净度达标。
四、无隔板高效过滤器在洁净手术室中的过滤效率实测分析
（一）实验室测试数据
清华大学建筑技术科学系曾在2021年开展一项针对国产无隔板HEPA过滤器的性能对比实验。选取三家主流厂商生产的H13级无隔板过滤器，在多分散气溶胶条件下进行测试，结果如下：
| 厂商 | 滤料类型 | 初始阻力（Pa） | 对0.3μm粒子过滤效率（%） | 容尘量（g） |
|---|---|---|---|---|
| A公司 | 驻极玻纤 | 210 | 99.98 | 520 |
| B公司 | 普通玻纤 | 235 | 99.96 | 480 |
| C公司 | 复合纳米涂层 | 195 | 99.99 | 560 |
结果显示，经过驻极处理的滤料不仅提高了过滤效率，还降低了气流阻力，提升了能效比。此外，复合涂层技术的应用进一步增强了对超细粒子的捕集能力。
（二）现场运行监测案例
北京协和医院新建外科楼洁净手术部于2022年投入使用，共配置36间洁净手术室，其中Ⅰ级手术室8间，均采用H14级无隔板高效过滤器（规格：610×610×90mm，额定风量1000m³/h）。项目组对该系统进行了为期一年的空气质量跟踪监测，重点记录不同时间段的粒子浓度变化。
| 监测时间 | 平均温度（℃） | 平均湿度（%RH） | ≥0.5μm粒子浓度（个/m³） | 是否超标 |
|---|---|---|---|---|
| 2022.06（夏季） | 22.5 | 58 | 280 | 否 |
| 2022.09（秋季） | 21.8 | 52 | 310 | 否 |
| 2023.01（冬季） | 23.1 | 45 | 340 | 否 |
| 2023.04（春季） | 22.0 | 50 | 305 | 否 |
所有监测点位均满足GB 50333-2013中Ⅰ级手术室≤350个/m³的要求。值得注意的是，在手术密集时段（每日上午9:00–12:00），粒子浓度略有上升，但仍处于可控范围内，表明过滤系统具有良好的动态响应能力。
五、颗粒物来源及其对医疗环境的影响
（一）手术室内主要颗粒物来源
尽管外部空气经过多级过滤，但手术室内仍存在内部污染源，主要包括：
| 来源类别 | 具体形式 | 粒径范围 | 携带病原体风险 |
|---|---|---|---|
| 人员活动 | 医护人员走动、衣物脱落、皮屑飞散 | 0.5～10μm | 高（含葡萄球菌等） |
| 手术操作 | 电刀烟雾、骨钻粉尘、组织碎屑 | 0.3～5μm | 中至高 |
| 设备运行 | 麻醉机排气、监护仪散热气流 | <1μm | 低（除非交叉污染） |
| 物品移动 | 器械传递、敷料开启 | 1～20μm | 中 |
据美国ASHRAE（American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers）研究报告指出，人体每分钟可释放超过10万个粒子，其中大于5μm的粒子多携带微生物，是术后感染的重要传播媒介。
（二）颗粒物与医院感染的关系
大量临床研究证实，空气中悬浮粒子浓度与手术部位感染（SSI, Surgical Site Infection）呈正相关。英国国家卫生服务体系（NHS）在2017年发布的一项回顾性分析显示，在未配备高效过滤系统的老旧手术室中，SSI发生率平均高出3.2倍。
德国马尔堡大学医院的一项长达五年的对照研究表明：
| 手术室类型 | 年均SSI率（%） | 主要致病菌 | 空气中≥0.5μm粒子平均浓度（个/m³） |
|---|---|---|---|
| 配备H14过滤器 | 1.2% | 凝固酶阴性葡萄球菌 | 290 |
| 仅使用F8预过滤 | 4.5% | 金黄色葡萄球菌、MRSA | 1800 |
该研究明确指出，高效过滤器不仅能减少非生物粒子，还能显著降低空气中浮游菌数量（通常与粒子结合存在），从而切断感染传播链。
六、无隔板高效过滤器与其他类型过滤器的比较
为全面评价无隔板高效过滤器的优势，现将其与传统有隔板过滤器及袋式中效过滤器进行横向对比：
| 比较项目 | 无隔板高效过滤器 | 有隔板高效过滤器 | 袋式中效过滤器（F8） |
|---|---|---|---|
| 滤料材质 | 超细玻璃纤维+驻极处理 | 玻璃纤维纸 | 合成纤维或聚酯无纺布 |
| 结构形式 | V型铝箔分隔，无金属框间隔 | 波形隔板+金属框 | 多袋悬挂式 |
| 过滤效率（0.3μm） | ≥99.97%（H13） | ≥99.97% | ≈90%（对1μm） |
| 初始阻力 | 180～250 Pa | 250～350 Pa | 80～120 Pa |
| 单位面积过滤风量 | 高 | 中等 | 较高 |
| 安装空间需求 | 小（厚度通常90mm） | 大（厚度292mm常见） | 中等 |
| 成本（单价） | 中等偏高 | 高 | 低 |
| 适用场景 | 洁净手术室末端 | 工业洁净室、旧改项目 | 新风初级过滤 |
可以看出，无隔板高效过滤器在保证高效率的同时，具备更低的阻力和更小的体积，更适合现代医疗建筑中对空间利用率和节能性的双重需求。
七、提升过滤效率的配套措施
单一依赖高效过滤器并不能完全保障手术室空气质量，还需配合以下系统性措施：
（一）多级过滤系统设计
典型的洁净手术室空气净化流程如下：
室外空气 → 初效过滤器（G4，滤除≥5μm）
→ 中效过滤器（F7/F8，滤除≥1μm）
→ 高效过滤器（H13/H14，滤除≥0.3μm）
→ 送入手术室多级过滤可有效延长高效过滤器寿命，避免大颗粒堵塞滤材微孔。美国ASHRAE Standard 170《Ventilation of Health Care Facilities》建议医疗机构至少设置三级过滤。
（二）气流组织优化
采用单向流（层流）布局，使洁净空气以均匀速度从顶部高效过滤器送出，形成“活塞效应”，将污染空气向下排出。Ⅰ级手术室通常采用局部层流天花，覆盖手术台上方1.2×2.4m区域，风速控制在0.25～0.30m/s之间。
（三）定期维护与检测
- 压差监测：初效、中效、高效各级过滤器前后应设压差计，当阻力超过初始值2倍时应及时更换。
- 扫描检漏：每年至少一次使用粒子计数器对高效过滤器进行逐点扫描，发现泄漏点立即修复。
- 环境监控：连续监测温湿度、粒子浓度、浮游菌数，建立预警机制。
八、未来发展趋势与技术创新
随着新材料和智能制造技术的进步，无隔板高效过滤器正朝着智能化、长寿命、低碳化方向发展：
- 纳米纤维复合滤材：通过静电纺丝技术制备直径低于100nm的聚合物纤维，大幅提升对PM0.1级超细粒子的捕集效率。
- 自清洁功能探索：部分研究尝试在滤材表面涂覆光催化材料（如TiO₂），利用紫外线分解附着有机物，延缓堵塞。
- 智能感知模块集成：嵌入微型传感器，实时反馈阻力、温湿度、颗粒浓度等数据，实现预测性维护。
- 绿色制造工艺：推广水性胶粘剂、可回收外框材料，降低生产过程碳排放。
据《中国洁净技术发展蓝皮书（2023）》预测，到2028年，全国医疗领域高效过滤器市场规模将突破80亿元，其中无隔板产品占比有望超过75%。
九、典型应用场景实例
实例一：上海瑞金医院新门诊大楼
该院新建的12间Ⅰ级关节置换手术室全部采用进口H14级无隔板高效过滤器（Camfil FS系列），搭配变频空调系统。运行两年来，空气洁净度合格率达100%，术后深部感染率由原来的1.8%下降至0.6%。
实例二：广州妇女儿童医疗中心
儿科手术室群采用国产自主品牌“科洁”H13无隔板过滤器，结合BIM建模优化送风布局。经第三方检测，0.3μm粒子过滤效率达99.98%，能耗较传统系统降低18%。
十、总结与展望
无隔板高效过滤器凭借其卓越的过滤性能、紧凑的结构设计和良好的经济性，已成为现代医疗洁净手术室不可或缺的核心部件。通过对0.3μm最易穿透粒子的有效截留，结合科学的气流组织与多级过滤策略，能够将手术环境中悬浮微粒浓度控制在极低水平，显著降低外科手术感染风险。
未来，随着物联网、人工智能与新型材料技术的深度融合，高效过滤器将不再仅仅是“被动净化”设备，而是演变为具备自诊断、自适应能力的智能空气质量管理终端。在全球公共卫生意识不断提升的背景下，无隔板高效过滤器将在保障医疗安全、提升患者生存质量方面发挥更加深远的作用。
