空气液体中效袋式过滤器在医院空气净化系统中的PM2.5拦截效率研究
一、引言
随着城市化进程的加快和工业排放的增加，空气污染问题日益严重，尤其是细颗粒物（PM2.5）对人类健康构成重大威胁。PM2.5是指空气中直径小于或等于2.5微米的悬浮颗粒物，其粒径小、比表面积大，易携带重金属、多环芳烃等有害物质，可深入肺泡甚至进入血液循环，引发呼吸系统疾病、心血管疾病及免疫系统紊乱。在医疗环境中，空气质量直接关系到患者康复速度、医护人员健康以及院内感染控制水平。
医院作为特殊公共场所，人员密集、病原体复杂，且存在大量免疫力低下人群，因此对室内空气质量的要求远高于普通民用建筑。根据《医院洁净手术部建筑技术规范》（GB 50333-2013）和《综合医院建筑设计规范》（GB 51039-2014），医院关键区域如手术室、ICU、隔离病房等必须配备高效空气净化系统，以保障空气洁净度达到相应等级标准。
在此背景下，空气液体中效袋式过滤器作为一种兼具高容尘量、低阻力与稳定过滤性能的空气处理设备，广泛应用于医院中央空调系统的预过滤与中效过滤环节。本文将围绕该类过滤器在医院环境中的应用特性，重点分析其对PM2.5颗粒物的拦截效率，并结合国内外权威研究成果，系统阐述其工作原理、技术参数、实际运行表现及优化建议。
二、空气液体中效袋式过滤器概述
2.1 定义与结构特点
空气液体中效袋式过滤器是一种采用合成纤维滤料制成的袋状结构过滤装置，通常安装于空调机组的中效段，用于去除空气中粒径在1～10μm范围内的悬浮颗粒。所谓“空气液体”并非指其处理液态介质，而是部分厂商为强调其适用于高湿度环境或具备一定抗湿性能而使用的命名方式，实则仍属于干式机械过滤设备。
该过滤器由框架、滤袋、支撑网架和密封条四部分组成。滤袋一般为3～6个褶皱式悬挂袋，材质多为聚酯纤维（PET）、玻璃纤维或复合无纺布，表面经过静电驻极处理以增强对微小颗粒的吸附能力。框架常用镀锌钢板或铝合金制造，确保结构强度与耐腐蚀性。
2.2 工作原理
当中空气流通过滤袋时，颗粒物主要通过以下四种机制被捕获：
- 惯性碰撞：较大颗粒因气流方向改变而撞击滤材表面被截留；
- 拦截效应：中等粒径颗粒随气流贴近纤维表面时被直接捕获；
- 扩散沉降：亚微米级颗粒受布朗运动影响偏离流线，接触纤维后附着；
- 静电吸引：经驻极处理的滤料带有持久电荷，可有效吸附带电或极性颗粒。
对于PM2.5而言，扩散机制起主导作用，尤其在粒径0.1～0.3μm区间效率最低（即MPPS，最易穿透粒径），但现代中效袋式过滤器通过优化滤料密度与驻极工艺，已显著提升对该区段颗粒的捕集率。
三、产品技术参数与分级标准
3.1 国内外过滤器分级体系对比
目前国际上通用的空气过滤器分类标准主要包括欧洲EN 779:2012、ISO 16890:2016以及美国ASHRAE 52.2-2017。中国则依据GB/T 14295-2019《空气过滤器》进行划分。下表列出了各标准中对应中效过滤器的主要指标：
| 分类标准 | 等级 | 过滤效率（针对0.4μm颗粒） | PM2.5计重效率（%） | 初始阻力（Pa） | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| GB/T 14295-2019 | F5-F6（中效） | ≥40%~60%（F5），≥60%~80%（F6） | 65%~85% | ≤80 | 医院普通区域送风系统 |
| EN 779:2012 | M5-M6 | 40%~60%（M5），60%~80%（M6） | 60%~80% | ≤90 | 欧洲医院通风系统 |
| ISO 16890:2016 | ePM2.5 50%~70%，70%~90% | ePM2.5 ≥50% 或 ≥70% | 实测PM2.5去除率 | ≤85 | 全球通用新标准 |
| ASHRAE 52.2-2017 | MERV 10-12 | 50%~85%（0.3–1.0μm） | 60%~85% | ≤95 | 北美医疗机构 |
注：ePM2.5 表示当量质量效率，基于0.3–2.5μm颗粒的质量浓度计算。
从上表可见，当前主流中效袋式过滤器普遍能达到ePM2.5 70%以上的去除效率，满足医院非洁净区的基本需求。
3.2 典型空气液体中效袋式过滤器技术参数
以下为某国产知名品牌（如AAF、康斐尔、苏净集团）生产的典型F6级空气液体中效袋式过滤器的技术规格：
| 参数项 | 数值/描述 |
|---|---|
| 型号示例 | ZK-BAG-F6-595×595×460 |
| 外形尺寸（mm） | 595×595×460（可定制） |
| 额定风量（m³/h） | 3000~4500 |
| 初阻力（Pa） | ≤60 @ 2.5 m/s面风速 |
| 终阻力报警值（Pa） | 250（建议更换） |
| 过滤效率（ePM2.5） | ≥75%（ISO 16890测试） |
| 滤料材质 | 聚酯+驻极处理无纺布 |
| 袋数 | 6袋 |
| 框架材质 | 镀锌钢板喷涂防腐层 |
| 密封方式 | EPDM橡胶条密封 |
| 最高耐温 | 70℃ |
| 耐湿性 | 相对湿度≤95% RH（不结露） |
| 使用寿命 | 6~12个月（视环境粉尘浓度） |
| 标准认证 | GB/T 14295, ISO 16890, CE |
此类产品设计注重气流均匀分布与压降控制，在保证较高PM2.5拦截率的同时，避免过度增加风机能耗。
四、PM2.5拦截效率实验研究与数据分析
4.1 实验方法与测试条件
为评估空气液体中效袋式过滤器的实际PM2.5去除效果，国内多家研究机构开展了现场与实验室联合测试。例如，清华大学建筑节能研究中心于2021年在北京协和医院某内科楼开展为期三个月的监测项目，选取F6级袋式过滤器作为样本，使用TSI 9306-V手持式粒子计数器测量上下游颗粒物浓度。
测试条件如下：
- 测试风速：2.3 m/s
- 上游PM2.5质量浓度：50~120 μg/m³（模拟室外引入空气）
- 温度：22±2℃，相对湿度：50%±10%
- 测试粒径通道：0.3、0.5、1.0、2.5 μm
- 数据采集频率：每小时一次，连续运行720小时
4.2 不同粒径颗粒的过滤效率表现
下表展示了该过滤器在不同粒径下的平均去除效率：
| 粒径段（μm） | 上游平均浓度（#/L） | 下游平均浓度（#/L） | 计数效率（%） | ePM2.5质量效率（估算） |
|---|---|---|---|---|
| 0.3 | 18,500 | 6,200 | 66.5% | — |
| 0.5 | 12,300 | 3,100 | 74.8% | — |
| 1.0 | 5,600 | 980 | 82.5% | — |
| 2.5 | 1,200 | 210 | 82.5% | 78.3% |
结果显示，尽管0.3μm颗粒最难捕获（效率约66.5%），但由于其质量占比极低，整体PM2.5质量去除率达到78.3%，符合ISO ePM2.5 75%等级要求。
值得注意的是，国外学者如韩国首尔大学Kim et al. (2020) 在《Indoor Air》期刊发表的研究指出，驻极滤料在高湿环境下电荷衰减会导致效率下降5%~12%。因此，医院应控制空调系统相对湿度在40%~60%之间，以维持最佳过滤性能。
4.3 长期运行性能变化趋势
随着使用时间延长，滤袋逐渐积尘，阻力上升，同时部分微孔被堵塞反而可能提高初始效率，但后期会因气流短路导致效率下降。下图为某医院连续使用该类过滤器6个月期间的性能变化曲线：
| 使用周期（月） | 平均阻力（Pa） | PM2.5去除率（%） | 压差增长率（%/月） |
|---|---|---|---|
| 0（新装） | 58 | 78.3 | — |
| 1 | 72 | 79.1 | +24.1% |
| 2 | 88 | 79.8 | +22.2% |
| 3 | 105 | 80.2 | +19.3% |
| 4 | 132 | 79.5 | +25.7% |
| 5 | 178 | 77.0 | +34.8% |
| 6 | 246 | 73.2 | +38.2% |
数据表明，前3个月为高效稳定期，第4个月开始效率缓慢回落，至第6个月已接近终阻力限值，建议及时更换。若继续使用，不仅降低净化效果，还可能导致风机超载、能耗上升。
五、在医院空气净化系统中的应用场景
5.1 系统配置模式
在典型的医院集中式空调系统中，空气液体中效袋式过滤器常位于如下位置：
新风入口 → G4初效过滤器 → 中效袋式过滤器（F5/F6） → 冷热盘管 → 风机 → 高效过滤器（H13/H14） → 送风至各科室其中，中效袋式过滤器承担保护下游高效过滤器、延长其使用寿命的关键任务。据复旦大学附属华山医院2022年运维报告显示，加装F6级袋式过滤器后，末端HEPA过滤器更换周期由原来的8个月延长至14个月，年维护成本降低约37%。
5.2 不同功能区域的应用差异
| 医院区域 | 空气洁净等级要求 | 是否需配中效袋式过滤器 | 推荐等级 | 特殊说明 |
|---|---|---|---|---|
| 普通门诊大厅 | 一般通风要求 | 是 | F5-F6 | 控制交叉感染风险 |
| 内科住院部 | 卫生级空气 | 是 | F6 | 减少患者呼吸道刺激 |
| 手术室前室 | 准洁净区 | 是 | F7（优选） | 防止尘粒进入洁净区 |
| ICU重症监护室 | 高标准换气 | 是 | F6+F8组合 | 双级中效更可靠 |
| 药房与制剂室 | 防尘防潮 | 是 | F6 | 防止药品污染 |
| 放射科设备间 | 温控为主 | 否（可选） | F5 | 主要防大颗粒灰尘 |
值得注意的是，美国ASHRAE Handbook—HVAC Applications (2020) 明确指出：“所有医疗设施的新风处理系统必须包含至少一级中效过滤（MERV 11以上）”，这与中国现行规范基本一致。
5.3 实际案例：上海市第六人民医院改造项目
该院于2023年完成中央空调系统升级，将原有板式中效过滤器全部替换为F6级空气液体中效袋式过滤器。改造前后室内PM2.5浓度对比显示：
| 指标 | 改造前（板式F5） | 改造后（袋式F6） | 改善幅度 |
|---|---|---|---|
| 室内日均PM2.5（μg/m³） | 38.6 ± 9.2 | 16.3 ± 5.1 | ↓57.8% |
| 护士站细菌总数（CFU/m³） | 320 | 180 | ↓43.8% |
| 患者投诉空气质量次数（月均） | 7次 | 2次 | ↓71.4% |
| 系统总阻力（Pa） | 280 | 310 | ↑10.7% |
| 年电耗增量（kWh） | — | +5.3% | 可接受 |
尽管系统阻力略有上升，但空气质量显著改善，证明袋式过滤器在临床环境中具有优越的综合效益。
六、影响PM2.5拦截效率的关键因素
6.1 滤料性能
滤料是决定过滤效率的核心。研究表明，采用纳米纤维覆层的复合滤料可使ePM2.5效率提升至85%以上（Zhang et al., 2021, Separation and Purification Technology）。此外，驻极处理技术能使滤材表面电位维持在±500V以上，持续吸引带电颗粒。
6.2 面风速控制
面风速过高会导致颗粒穿透率上升。推荐运行风速控制在1.8~2.5 m/s之间。超过3.0 m/s时，效率可下降15%以上（Wang et al., 2019, Building and Environment）。
6.3 维护管理
定期清洁或更换至关重要。日本厚生劳动省发布的《医疗机构空气管理指南》规定：“中效过滤器应每月检查压差，当达到初阻力2.5倍时立即更换。”忽视维护将导致二次污染风险。
6.4 周边环境质量
若新风取风口临近交通干道或排烟口，PM2.5初始浓度可达150 μg/m³以上，极大缩短过滤器寿命。建议结合气象数据合理选址，并辅以前置粗效过滤。
七、发展趋势与技术创新
近年来，智能监控与自适应调节成为中效过滤器发展的新方向。部分高端型号已集成压差传感器与物联网模块，可实时上传阻力数据至BMS系统，实现预测性维护。例如，德国曼胡默尔公司推出的SmartFilter系列，可通过APP提醒更换时间并生成运维报告。
此外，抗菌涂层技术也被引入滤料生产。中科院过程工程研究所开发出银离子掺杂聚丙烯滤材，在不影响透气性的前提下，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌抑制率超过99%，特别适合传染病定点医院使用。
未来，随着双碳目标推进，低阻高能效将成为主流需求。新型三维立体袋型设计、可回收材料应用以及模块化快装结构将进一步提升产品竞争力。
