超高效過濾器在醫院隔離病房中對病毒氣溶膠的阻隔效率研究概述 在傳染病防控體係中，醫院隔離病房是防止病原體擴散的關鍵區域。尤其在麵對通過空氣傳播的病毒（如SARS-CoV-2、流感病毒、麻疹病毒等）...
超高效過濾器在醫院隔離病房中對病毒氣溶膠的阻隔效率研究
概述
在傳染病防控體係中，醫院隔離病房是防止病原體擴散的關鍵區域。尤其在麵對通過空氣傳播的病毒（如SARS-CoV-2、流感病毒、麻疹病毒等）時，控製病毒氣溶膠的傳播成為公共衛生和醫療工程領域的重點課題。超高效過濾器（Ultra-Low Penetration Air Filter, 簡稱ULPA Filter）作為潔淨空氣係統的核心組件，在隔離病房中發揮著至關重要的作用。
本文將係統探討超高效過濾器的工作原理、技術參數、在隔離病房中的應用現狀，並結合國內外權威文獻，分析其對病毒氣溶膠的阻隔效率，旨在為醫療機構空氣淨化係統的科學設計與優化提供理論支持和實踐指導。
1. 病毒氣溶膠的基本特性
1.1 病毒氣溶膠的定義與形成機製
病毒氣溶膠是指懸浮於空氣中的含有病毒顆粒的微小液滴或固體顆粒，通常直徑在0.01 μm至10 μm之間。這些顆粒可通過咳嗽、打噴嚏、說話甚至呼吸產生，並在空氣中長時間懸浮，構成遠距離傳播的風險。
根據美國疾病控製與預防中心（CDC）的研究，SARS-CoV-2病毒可附著於飛沫核（droplet nuclei），形成直徑小於5 μm的氣溶膠顆粒，可在室內空氣中滯留數小時，並隨氣流擴散至較遠距離（CDC, 2021）[1]。
1.2 病毒氣溶膠的粒徑分布
不同病毒產生的氣溶膠粒徑存在差異，但多數具有相似的分布特征：
| 病毒類型 | 主要氣溶膠粒徑範圍（μm） | 傳播途徑 | 參考文獻 |
|---|---|---|---|
| SARS-CoV-2 | 0.1 – 5.0 | 飛沫+氣溶膠 | Liu et al., Nature, 2020 [2] |
| 流感病毒（H1N1） | 0.3 – 4.0 | 氣溶膠為主 | Yan et al., PNAS, 2018 [3] |
| 麻疹病毒 | 0.5 – 1.5 | 高度空氣傳播 | CDC, 2019 [4] |
| 結核分枝杆菌 | 1.0 – 3.0 | 氣溶膠傳播 | NiosesH, 2020 [5] |
從表中可見，絕大多數致病性病毒氣溶膠集中在亞微米至微米級範圍，這對空氣過濾器的捕集能力提出了極高要求。
2. 超高效過濾器（ULPA）的技術原理
2.1 工作機理
超高效過濾器主要通過以下四種物理機製實現對微粒的捕獲：
- 慣性撞擊（Inertial Impaction）：適用於較大顆粒（>1 μm），氣流方向改變時，顆粒因慣性脫離流線撞擊濾材。
- 攔截效應（Interception）：當顆粒運動軌跡靠近纖維表麵時被直接攔截。
- 擴散效應（Diffusion）：針對極小顆粒（<0.1 μm），布朗運動增強，增加與纖維接觸概率。
- 靜電吸附（Electrostatic Attraction）：部分ULPA濾材帶有靜電，可增強對中性或帶電微粒的吸附力。
其中，擴散效應在捕獲亞微米級病毒氣溶膠中起主導作用，而ULPA濾材的高密度纖維結構顯著提升了該效應的效率。
2.2 ULPA與HEPA的比較
| 參數 | HEPA Filter（H13-H14） | ULPA Filter（U15-U17） |
|---|---|---|
| 標準依據 | EN 1822:2009 / ISO 29463 | EN 1822:2009 / ISO 29463 |
| 易穿透粒徑（MPPS） | ~0.3 μm | ~0.12 – 0.17 μm |
| 過濾效率（MPPS） | H13: ≥99.95%；H14: ≥99.995% | U15: ≥99.999%；U17: ≥99.9999% |
| 初始阻力（Pa） | 180 – 250 | 220 – 300 |
| 使用壽命（h） | 3,000 – 6,000 | 4,000 – 8,000 |
| 應用場景 | 手術室、實驗室 | 生物安全實驗室、隔離病房 |
數據來源：European Committee for Standardization (CEN), 2009 [6]
可以看出，ULPA過濾器在易穿透粒徑（Most Penetrating Particle Size, MPPS）更小的情況下仍能保持極高的過濾效率，特別適用於捕捉納米級病毒顆粒。
3. ULPA過濾器在醫院隔離病房中的應用
3.1 隔離病房的空氣動力學設計
根據《醫院潔淨手術部建築技術規範》（GB 50333-2013）和《傳染病醫院建築設計規範》（GB 50849-2014），負壓隔離病房需滿足以下條件：
- 室內維持負壓（相對於走廊）：-5 Pa 至 -15 Pa
- 換氣次數：≥12次/小時
- 排風經高效過濾後高空排放
- 送風係統配置ULPA或HEPA過濾器
在此類環境中，ULPA過濾器通常安裝於集中式空調係統的送風段或局部淨化設備（如生物安全櫃、空氣淨化器）內部，確保進入病房的空氣達到ISO Class 5或更高潔淨等級。
3.2 實際案例：北京某三甲醫院負壓隔離病房改造項目
2020年新冠疫情爆發期間，北京協和醫院對原有隔離病房進行升級改造，引入ULPA過濾係統。改造前後關鍵參數對比見下表：
| 指標 | 改造前（HEPA H13） | 改造後（ULPA U15） | 提升幅度 |
|---|---|---|---|
| 病房內PM0.3濃度（#/cm³） | 120 | 8 | 93.3% |
| 空氣微生物負荷（CFU/m³） | 150 | 12 | 92.0% |
| 換氣效率（ACH） | 10 | 14 | +40% |
| 病毒RNA檢出率（空氣樣本） | 38%（n=50） | 4%（n=50） | ↓90% |
數據來源：Zhang et al., 中華醫院感染學雜誌, 2021 [7]
結果顯示，使用ULPA過濾器後，空氣中病毒核酸的檢出率顯著下降，表明其對病毒氣溶膠具有優異的阻隔能力。
4. ULPA過濾器對病毒氣溶膠的實際阻隔效率評估
4.1 實驗室測試方法
國際上常用的測試標準包括：
- IEC 60335-2-69: 家用空氣淨化器性能測試
- ANSI/ASHRAE 52.2-2017: 一般通風空氣過濾器測試方法
- EN 1822-5:2009: ULPA過濾器分級測試（使用鈉焰法或計數法測定MPPS效率）
在中國，國家空調設備質量監督檢驗中心（NACDC）采用冷發DOP法（鄰苯二甲酸二辛酯）結合激光粒子計數器，對ULPA過濾器進行效率標定。
4.2 不同病毒模型下的過濾效率實測數據
下表匯總了近年來國內外研究機構對ULPA過濾器在模擬病毒氣溶膠環境下的實測結果：
| 研究機構 | 測試病毒/模擬物 | 粒徑（μm） | 過濾效率（%） | 測試標準 | 文獻來源 |
|---|---|---|---|---|---|
| 美國田納西大學 | MS2噬菌體（替代冠狀病毒） | 0.03 – 0.05 | 99.9998% | ANSI/ASHRAE 52.2 | He et al., Aerosol Science, 2021 [8] |
| 德國弗勞恩霍夫研究所 | 熒光聚苯乙烯微球 | 0.1 | 99.9995% | EN 1822 | Kümmerer et al., 2020 [9] |
| 複旦大學環境科學係 | SARS-CoV-2假病毒氣溶膠 | 0.08 – 0.2 | 99.9997% | 自建平台 | Li et al., Environ. Sci. Tech., 2022 [10] |
| 日本東京工業大學 | 流感病毒A/H1N1 | 0.12 | 99.9993% | JIS Z 8122 | Tanaka et al., J. Aerosol Res., 2019 [11] |
上述研究表明，ULPA過濾器對典型病毒尺寸範圍內的氣溶膠顆粒去除率普遍超過99.999%，即穿透率低於10⁻⁵，相當於每十萬顆粒中僅有不到1個能夠通過。
5. 影響ULPA過濾效率的關鍵因素
盡管ULPA過濾器本身具備極高效率，但在實際運行中，多種因素可能影響其性能表現：
| 影響因素 | 對效率的影響機製 | 緩解措施 |
|---|---|---|
| 濾材老化 | 纖維斷裂、靜電衰減導致效率下降 | 定期更換（建議≤6,000小時） |
| 氣流不均 | 局部短路或渦流降低有效過濾麵積 | 安裝均流板，定期檢測風速分布 |
| 潮濕環境 | 水汽凝結堵塞孔隙，促進微生物滋生 | 控製相對濕度在40–60%，加裝預過濾層 |
| 前置過濾器失效 | 大顆粒汙染物快速堵塞ULPA濾芯 | 設置G4+F8兩級前置過濾 |
| 安裝密封不良 | 邊框泄漏造成未過濾空氣旁通 | 使用液槽密封或刀邊密封結構 |
據清華大學建築技術科學係的一項長期監測研究顯示，在維護不當的係統中，ULPA過濾器的實際現場效率可能比實驗室標稱值低10%以上（Chen et al., 2020）[12]。
6. 國內外主流ULPA過濾器產品參數對比
為便於選型參考，以下列出全球知名廠商生產的ULPA過濾器主要技術參數：
| 品牌 | 型號 | 等級 | 尺寸（mm） | 額定風量（m³/h） | 初始阻力（Pa） | 過濾效率（@MPPS） | 材質 | 產地 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil | ULPA 95 | U15 | 610×610×292 | 1,800 | 230 | ≥99.999% | 玻璃纖維+PTFE塗層 | 瑞典 |
| Donaldson | Ultra-Web® Z | U16 | 484×484×150 | 1,200 | 210 | ≥99.9995% | 合成納米纖維 | 美國 |
| AAF International | MediCare ULPA | U17 | 500×500×365 | 1,500 | 280 | ≥99.9999% | 多層玻璃纖維 | 英國 |
| 重慶銀海潔 | YHJ-ULPA-U15 | U15 | 600×600×300 | 1,700 | 240 | ≥99.999% | 進口玻纖+熱壓成型 | 中國 |
| 上海菲特爾莫古 | FMG-ULPA-U16 | U16 | 592×592×370 | 1,900 | 260 | ≥99.9995% | 納米熔噴+駐極處理 | 中國 |
注：MPPS測試條件為0.12–0.17 μm粒徑區間，采用計數法測定
國產ULPA過濾器近年來在材料工藝和製造精度方麵進步顯著，部分產品已接近國際先進水平，且成本更低，適合大規模推廣應用。
7. ULPA在重大公共衛生事件中的實戰表現
7.1 新冠疫情期間的應用成效
2020年初，武漢火神山、雷神山醫院在建設過程中全麵采用ULPA過濾係統。據武漢市衛健委發布的《應急醫院運行白皮書》顯示：
- 兩院共設置負壓隔離病房約1,600間，全部配備U15級及以上過濾裝置；
- 空氣中新冠病毒RNA陽性率從初期的27.6%降至運營一個月後的3.1%；
- 醫務人員感染率控製在0.45%，顯著低於未使用高效過濾係統的定點醫院（平均2.3%）。
該成果被世界衛生組織（WHO）列為“疫情中空氣淨化的佳實踐案例”之一（WHO Report, 2020）[13]。
7.2 國際經驗：韓國首爾峨山醫院生物安全病房
韓國在MERS疫情後建立了高標準的BSL-3級隔離病房體係。首爾峨山醫學中心在其新型負壓病房中采用了“雙ULPA冗餘過濾”設計——即送風和排風係統均配置U17級過濾器。
一項為期兩年的追蹤研究表明，該係統對空氣中β冠狀病毒的清除效率達99.9999%，且連續運行期間未發生任何院內空氣傳播事件（Park et al., J. Korean Med. Sci., 2021）[14]。
8. ULPA過濾器與其他空氣淨化技術的協同作用
雖然ULPA過濾器在顆粒物去除方麵表現出色，但單一技術難以應對所有汙染類型。因此，現代隔離病房常采用多級複合淨化係統，常見組合如下：
| 淨化技術 | 功能特點 | 與ULPA的協同優勢 |
|---|---|---|
| 活性炭過濾 | 吸附揮發性有機物（VOCs）、異味 | 保護ULPA免受化學腐蝕，延長壽命 |
| 紫外線殺菌（UV-C） | 滅活穿過濾網的活病毒、細菌 | 提供二次滅活保障，彌補物理過濾局限 |
| 等離子體淨化 | 分解氣態汙染物，產生自由基殺滅微生物 | 可置於ULPA前後，提升整體生物安全性 |
| 光催化氧化（PCO） | 在光照下分解有機物和病毒包膜 | 適用於持續低濃度汙染環境 |
例如，解放軍總醫院第八醫學中心在結核病隔離區采用“F8預濾 + ULPA U15 + UV-C 254nm”三級淨化方案，使空氣中結核杆菌的濃度降低至不可檢出水平（<1 CFU/m³），顯著降低了醫護人員的職業暴露風險（Wang et al., 中國防癆雜誌, 2023）[15]。
9. 標準與認證體係
為確保ULPA過濾器的質量與性能一致性，全球建立了嚴格的認證體係：
| 認證機構 | 標準名稱 | 適用範圍 | 關鍵要求 |
|---|---|---|---|
| CEN（歐洲） | EN 1822:2009 | ULPA/HEPA分級 | 必須測定MPPS效率，劃分U15–U17等級 |
| ASME（美國） | ASME AG-1, Section FC | 核設施與生物安全實驗室 | 要求抗震、耐高溫、零泄漏 |
| CNS（中國） | GB/T 32085-2015 | 生物安全實驗室空氣過濾器 | 規定效率、阻力、強度、微生物耐受性 |
| IEST（國際） | IEST-RP-CC001.5 | 潔淨室過濾器安裝與檢漏 | 推薦使用PAO或DOP氣溶膠進行現場掃描檢漏 |
在中國，自2021年起，國家藥監局將用於傳染病防控的ULPA過濾器納入醫療器械管理範疇，要求生產企業取得II類醫療器械注冊證，進一步提升了產品質量監管力度。
10. 經濟性與可持續發展考量
盡管ULPA過濾器性能優越，但其較高的初投資和運行能耗也引發關注。以一間標準負壓隔離病房為例，年度運行成本估算如下：
| 成本項目 | 年費用（人民幣） | 占比 | 說明 |
|---|---|---|---|
| 設備購置 | 80,000 | 40% | 含ULPA模塊、風機、控製係統 |
| 電力消耗 | 60,000 | 30% | 按24小時運行，電價0.8元/kWh計算 |
| 濾芯更換 | 30,000 | 15% | 每1.5年更換一次ULPA，單價約6萬元 |
| 維護檢測 | 20,000 | 10% | 包括檢漏、效率測試、記錄管理 |
| 其他 | 10,000 | 5% | 備件、培訓等 |
| 合計 | 200,000 | 100% |
然而，考慮到其在防止院內感染、保護醫護人員健康方麵的巨大社會效益，ULPA係統的投入產出比仍具合理性。據北京大學公共衛生學院測算，每避免一例院內感染可節省直接醫療成本約12萬元，間接社會成本更高（Liu et al., 衛生經濟研究, 2022）[16]。
此外，隨著國產材料技術突破和智能製造普及，ULPA過濾器價格呈逐年下降趨勢。預計到2025年，國產U15級過濾器均價將比2020年降低30%以上，推動其在基層醫療機構的普及。
參考文獻
[1] CDC. Scientific Brief: SARS-CoV-2 Transmission. August 2021.
[2] Liu, Y. et al. Aerodynamic analysis of SARS-CoV-2 in two hospitals. Nature, 582, 557–560 (2020).
[3] Yan, J. et al. Infectious virus in exhaled breath of symptomatic seasonal influenza cases. PNAS, 115(51), 12985–12990 (2018).
[4] CDC. Measles Principles of Isolation and Transmission-Based Precautions. 2019.
[5] NiosesH. Control of Infectious Agents in the Workplace. DHHS (NiosesH) Publication No. 2020-114.
[6] CEN. EN 1822:2009 — High efficiency air filters (HEPA and ULPA). Brussels: European Committee for Standardization.
[7] 張偉等. 負壓隔離病房空氣淨化係統改造效果評價. 中華醫院感染學雜誌, 2021, 31(5): 673–676.
[8] He, X. et al. Removal efficiency of ULPA filters against viral aerosols. Aerosol Science and Technology, 55(4), 412–421 (2021).
[9] Kümmerer, D. et al. Performance of ULPA filters under real-world conditions. Fraunhofer IBP Report, 2020.
[10] 李強等. 基於假病毒氣溶膠的ULPA過濾效率實驗研究. 環境科學與技術, 2022, 45(3): 88–95.
[11] Tanaka, H. et al. Influenza virus penetration through ULPA filters. Journal of Aerosol Research, 33(2), 112–119 (2019).
[12] 陳誌遠等. 醫院空氣淨化係統現場性能衰減規律研究. 暖通空調, 2020, 50(8): 1–7.
[13] WHO. Infection prevention and control during health care when novel coronavirus (nCoV) infection is suspected. Interim Guidance, 2020.
[14] Park, S. et al. Biosesafety performance of double-ULPA system in MERS isolation wards. J Korean Med Sci., 36(12), e89 (2021).
[15] 王磊等. 多級淨化係統在結核病隔離病房的應用. 中國防癆雜誌, 2023, 45(2): 145–149.
[16] 劉芳等. 醫院空氣淨化投入產出效益分析. 衛生經濟研究, 2022, 39(4): 23–27.
（全文約3,680字）
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