超高無隔板高效過濾器在醫院手術室空氣淨化係統中的關鍵作用 一、引言：潔淨空氣與醫療環境的密切關係 隨著現代醫學技術的發展，醫院尤其是手術室對空氣質量的要求日益嚴格。手術室作為實施外科手術的...
超高無隔板高效過濾器在醫院手術室空氣淨化係統中的關鍵作用
一、引言：潔淨空氣與醫療環境的密切關係
隨著現代醫學技術的發展，醫院尤其是手術室對空氣質量的要求日益嚴格。手術室作為實施外科手術的核心區域，其空氣質量直接關係到患者術後感染率、手術成功率以及醫護人員的職業健康。根據世界衛生組織（WHO）發布的《Healthcare-associated infections: a global challenge》報告指出，全球每年約有1.4億例患者因醫療相關感染而受到影響，其中手術部位感染（Surgical Site Infections, SSIs）占相當比例，而空氣中的微生物汙染是重要傳播途徑之一[1]。
為有效控製空氣中懸浮顆粒物（PM）、細菌、病毒及真菌孢子等汙染物，高效空氣過濾技術成為醫院潔淨工程的關鍵組成部分。在眾多空氣過濾設備中，超高無隔板高效過濾器（Ultra Low Penetration Air Filter, ULPA Filter）因其卓越的過濾效率和低阻力特性，在高等級潔淨手術室中發揮著不可替代的作用。
本文將係統闡述超高無隔板高效過濾器的技術原理、產品參數、性能優勢及其在醫院手術室空氣淨化係統中的應用實踐，並結合國內外權威文獻與標準規範，深入分析其在提升醫療環境質量方麵的關鍵價值。
二、超高無隔板高效過濾器的基本概念與技術原理
2.1 定義與分類
超高無隔板高效過濾器是一種用於去除空氣中亞微米級顆粒物的高性能空氣過濾裝置，通常指對粒徑≥0.12μm顆粒物的過濾效率達到99.999%以上的過濾器（即ULPA級）。根據美國國家標準學會/美國采暖、製冷與空調工程師學會（ANSI/ASHRAE）標準52.2-2017《Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size》，ULPA過濾器屬於高級別的空氣過濾設備之一[2]。
按照結構形式，高效過濾器可分為“有隔板”和“無隔板”兩類：
| 類型 | 結構特點 | 適用場景 |
|---|---|---|
| 有隔板高效過濾器 | 使用波紋狀鋁箔或紙板作為分隔片，支撐濾紙折疊成V形結構 | 傳統潔淨室、工業通風係統 |
| 無隔板高效過濾器 | 采用熱熔膠固定玻璃纖維濾紙，以瓦楞紙或聚酯材料作為支撐，整體輕薄緊湊 | 醫療潔淨室、生物安全實驗室、半導體廠房 |
超高無隔板高效過濾器是在無隔板結構基礎上進一步優化的產品，具有更高的容塵量、更低的初阻力和更長的使用壽命。
2.2 工作原理
超高無隔板高效過濾器主要依靠以下四種物理機製實現對空氣中微粒的有效捕集：
- 攔截效應（Interception）：當粒子隨氣流運動接近纖維表麵時，若其半徑大於粒子中心到纖維的距離，則被纖維捕獲。
- 慣性撞擊（Impaction）：較大粒子因慣性無法隨氣流繞過纖維，直接撞擊並附著於纖維上。
- 擴散效應（Diffusion）：極小粒子（<0.1μm）受布朗運動影響，隨機碰撞纖維被捕獲。
- 靜電吸附（Electrostatic Attraction）：部分濾材經過駐極處理，帶有永久靜電荷，增強對微小帶電粒子的吸附能力。
這四種機製共同作用，使超高無隔板高效過濾器在0.1~0.3μm粒徑範圍內達到佳過濾效率——該區間被稱為“易穿透粒徑”（Most Penetrating Particle Size, MPPS）。
三、產品核心參數與性能指標
以下是典型超高無隔板高效過濾器的主要技術參數，依據中國國家標準GB/T 13554-2020《高效空氣過濾器》及歐盟EN 1822:2009《High efficiency air filters (HEPA and ULPA)》製定。
表1：超高無隔板高效過濾器典型技術參數表
| 參數項 | 標準值 | 測試方法 | 備注 |
|---|---|---|---|
| 過濾等級 | U15–U17（EN 1822） | EN 1822:2009 | U15: ≥99.9995% @ 0.12μm；U16: ≥99.99995%；U17: ≥99.999995% |
| 額定風量 | 800–1200 m³/h（標準尺寸610×610×150mm） | ASHRAE 52.2 | 可定製更大規格 |
| 初始阻力 | ≤180 Pa | IEST-RP-CC001.5 | 比有隔板降低約30% |
| 終阻力報警值 | 450 Pa | —— | 建議更換 |
| 容塵量 | ≥1500 g/m² | JIS Z 8122 | 表麵複合納米塗層可提升至2000g以上 |
| 濾料材質 | 超細玻璃纖維+駐極處理 | SEM觀察 | 直徑≤0.5μm |
| 框架材料 | 鋁合金/鍍鋅鋼板/ABS塑料 | —— | 抗腐蝕、不變形 |
| 密封方式 | 聚氨酯發泡密封/液態矽膠密封 | 泄漏測試 | 氣密性達ISO 14644-3 Class 3 |
| 泄漏率 | ≤0.01% | 掃描檢漏法（DOP/PAO） | 使用光度計或粒子計數器檢測 |
| 使用壽命 | 3–5年（正常工況） | 實際運行監測 | 視前端預過濾效果而定 |
| 工作溫度範圍 | -20℃ ~ +80℃ | —— | 短時耐受可達100℃ |
| 濕度適應性 | ≤90% RH（非凝露） | —— | 特殊塗層可抗高濕 |
注：U15–U17為EN 1822標準中ULPA過濾器分級，對應美國軍標MIL-STD-282中的“超高效”級別。
表2：不同過濾等級對比（基於EN 1822:2009）
| 過濾等級 | 名稱 | 過濾效率（@MPPS） | 適用場合 |
|---|---|---|---|
| H13 | HEPA | ≥99.95% | 普通潔淨室、負壓隔離病房 |
| H14 | HEPA | ≥99.995% | ICU、移植病房 |
| U15 | ULPA | ≥99.9995% | 百級手術室（ISO 5） |
| U16 | ULPA | ≥99.99995% | 千級手術室輔助區、製藥灌裝線 |
| U17 | ULPA | ≥99.999995% | 國防科研、基因測序實驗室 |
從上表可見，醫院Ⅰ級（特別潔淨）手術室必須采用U15及以上等級的過濾器，以確保室內懸浮粒子濃度符合ISO 14644-1 Class 5要求（即每立方米空氣中≥0.5μm粒子不超過3520個）。
四、在醫院手術室空氣淨化係統中的應用架構
4.1 手術室潔淨等級劃分與中國標準
根據中華人民共和國衛生行業標準WS 310.1-2016《醫院消毒供應中心 第1部分：管理規範》以及GB 50333-2013《醫院潔淨手術部建築技術規範》，我國將潔淨手術室劃分為四個等級：
| 等級 | 手術室名稱 | 潔淨度級別（ISO） | 主要用途 | 所需過濾器等級 |
|---|---|---|---|---|
| Ⅰ | 特別潔淨手術室 | ISO 5（百級） | 關節置換、器官移植、腦外科 | U15/U16 |
| Ⅱ | 標準潔淨手術室 | ISO 6（千級） | 胸外科、整形外科 | H14 |
| Ⅲ | 一般潔淨手術室 | ISO 7（萬級） | 普通外科、婦產科 | H13/H14 |
| Ⅳ | 準潔淨手術室 | ISO 8（十萬級） | 門診手術、急診清創 | F8+F9初效+中效 |
由此可見，對於Ⅰ級手術室，必須配置超高無隔板ULPA過濾器作為末端高效過濾單元，才能滿足嚴格的空氣潔淨度要求。
4.2 典型空氣淨化係統流程
一個完整的手術室空氣淨化係統通常包括以下幾個層級：
室外新風 → 初效過濾器（G4/F5） → 中效過濾器（F7/F8） → 表冷器/加熱器 → 加濕器 → 風機 →
→ 高中效過濾器（F9） → 高效送風靜壓箱 → 超高無隔板高效過濾器（U15-U17） → 送風擴散板 → 手術區域其中，超高無隔板高效過濾器位於送風係統的末端，緊鄰手術區上方的送風口，形成“層流”或“亂流”潔淨氣流模式。其作用不僅是過濾殘留微粒，更重要的是保證出口氣流均勻穩定，避免渦流導致汙染物積聚。
4.3 層流手術室中的關鍵角色
在垂直單向流（Vertical Laminar Flow）手術室中，超高無隔板高效過濾器常以“滿布式”安裝於天花板，覆蓋麵積可達60%以上。例如，在北京協和醫院新建外科樓的Ⅰ級手術室中，采用了Philips Honeycomb™係列U16無隔板過濾器，布置密度為每平方米安裝1.8塊610×610mm模塊，實現向下均勻送風速度0.25~0.35 m/s，確保手術切口區域始終處於“潔淨氣幕”保護之下[3]。
研究表明，使用ULPA過濾器的層流係統可使空氣中浮遊菌濃度降至<1 CFU/m³（菌落形成單位），遠低於國家規定的10 CFU/m³限值（WS/T 368-2011《醫療機構空氣淨化技術規範》），顯著降低手術部位感染風險。
五、國內外研究進展與臨床證據支持
5.1 國外研究綜述
美國哈佛大學公共衛生學院曾在《The New England Journal of Medicine》發表一項長達10年的追蹤研究，比較了使用HEPA（H14）與ULPA（U15）過濾係統的骨科手術室SSI發生率。結果顯示，采用ULPA係統的手術室SSI發生率下降42.3%（p<0.01），尤其是在全髖關節置換術中表現尤為明顯[4]。
另一項由德國慕尼黑工業大學主導的研究表明，ULPA過濾器對新冠病毒（SARS-CoV-2）氣溶膠的去除效率高達99.9998%，配合適當的換氣次數（ACH≥20），可在15分鍾內將室內病毒載量降低兩個數量級[5]。
5.2 國內研究成果
中國疾病預防控製中心環境所聯合華中科技大學同濟醫學院開展了一項多中心研究，選取全國12家三甲醫院的潔淨手術室進行空氣質量監測。數據顯示，配備超高無隔板高效過濾器的手術室中，≥0.5μm粒子濃度平均為2100 particles/m³，顯著低於未使用ULPA設備的對照組（平均6800 particles/m³）；同時，空氣細菌總數控製在0.8 CFU/m³以內，優於國家標準[6]。
此外，複旦大學附屬中山醫院在《中華醫院感染學雜誌》發表論文指出，自2019年起全麵升級手術室末端過濾係統為U16級無隔板過濾器後，該院心髒外科手術的深部切口感染率由原來的1.7%降至0.9%，三年累計減少院內感染經濟損失逾1200萬元人民幣[7]。
六、技術優勢與工程實踐優勢
6.1 相較於傳統有隔板過濾器的優勢
| 對比維度 | 超高無隔板高效過濾器 | 傳統有隔板高效過濾器 |
|---|---|---|
| 厚度 | 通常為60–150mm | 通常為150–292mm |
| 重量 | 3–6 kg（標準尺寸） | 8–15 kg |
| 阻力 | 初始≤180 Pa | 初始≥220 Pa |
| 安裝空間需求 | 小，適合緊湊型天花結構 | 大，需預留足夠檢修空間 |
| 泄漏風險 | 極低（一體成型密封） | 較高（鋁箔拚接處易漏） |
| 更換頻率 | 3–5年 | 2–3年 |
| 成本（初期） | 略高10–15% | 較低 |
| 全生命周期成本 | 更優（節能+維護少） | 較高（能耗大+頻繁更換） |
數據來源：中國建築科學研究院《潔淨室用過濾器能效評估報告》（2022）
6.2 節能減排效益
由於超高無隔板高效過濾器具有較低的氣流阻力，可顯著降低風機能耗。據清華大學建築節能研究中心測算，在日均運行18小時的Ⅰ級手術室中，采用無隔板ULPA係統相比傳統有隔板係統，年節電量可達8,500 kWh/台，相當於減少碳排放約6.8噸CO₂/年[8]。
此外，其輕量化設計也減輕了建築承重負擔，便於老舊醫院改造項目中更新淨化係統。
七、選型與安裝注意事項
7.1 選型要點
在選擇超高無隔板高效過濾器時，應綜合考慮以下因素：
- 過濾效率等級：根據手術室等級選擇U15或U16；
- 尺寸匹配性：常見尺寸為484×484×90mm、610×610×90mm、610×610×150mm等，需與靜壓箱接口一致；
- 防火等級：應滿足GB 8624-2012 B1級難燃要求；
- 檢漏可行性：優先選擇帶掃描孔或可在線檢測接口的產品；
- 供應商資質：需具備CNAS認證實驗室出具的完整檢測報告。
7.2 安裝與維護建議
- 安裝前應對靜壓箱內部徹底清潔，防止二次汙染；
- 采用專用起重工具輕拿輕放，避免濾紙破損；
- 安裝後必須進行現場掃描檢漏測試，使用PAO（聚α烯烴）氣溶膠發生器配合粒子計數器逐點掃描；
- 建議每6個月進行一次阻力監測，當阻力達到終阻力70%時啟動預警；
- 更換時應佩戴防護裝備，舊濾芯按醫療廢棄物處理。
八、未來發展趨勢與技術創新方向
隨著智能醫療與綠色建築理念的推進，超高無隔板高效過濾器正朝著以下幾個方向發展：
- 智能化集成：嵌入壓差傳感器、RFID標簽，實現遠程監控與自動報警；
- 納米複合濾材：引入TiO₂、Ag⁺等抗菌塗層，兼具殺菌功能；
- 可再生設計：探索靜電除塵+高效過濾耦合係統，延長使用壽命；
- 低碳製造：采用生物基粘合劑與可回收框架材料，降低碳足跡。
例如，荷蘭飛利浦公司已推出SmartFilter™係列智能ULPA模塊，內置IoT通信模塊，可實時上傳過濾狀態至醫院BMS係統，提前預測更換周期，提高運維效率[9]。
與此同時，中國科學院過程工程研究所正在研發基於石墨烯改性玻璃纖維的新型濾材，初步實驗顯示其對0.1μm粒子的過濾效率可達99.99999%，且阻力下降15%，有望在未來五年內實現產業化應用[10]。
參考文獻
[1] World Health Organization. Healthcare-associated infections: a global challenge. Geneva: WHO Press, 2021.
[2] ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size.
[3] 北京協和醫院基建處.《外科大樓潔淨手術室淨化係統設計與運行報告》. 2020.
[4] Weber A.H., et al. "Impact of ULPA Filtration on Surgical Site Infections in Orthopedic Implant Surgery." N Engl J Med, 2018; 379(15): 1432–1441.
[5] Müller T., et al. "Efficiency of ULPA Filters Against SARS-CoV-2 Aerosols in Hospital Environments." Indoor Air, 2021; 31(4): 987–995.
[6] 中國疾控中心.《全國醫院潔淨手術室空氣質量監測藍皮書（2020-2022）》. 北京: 人民衛生出版社, 2023.
[7] 張偉, 等. “U16級無隔板高效過濾器在心髒手術室的應用效果分析.” 《中華醫院感染學雜誌》, 2022; 32(10): 1456–1459.
[8] 清華大學建築節能研究中心.《醫療建築淨化係統能耗白皮書》. 2022.
[9] Philips Healthcare. SmartFilter™ Product Brochure. Eindhoven: Royal Philips, 2023.
[10] 中科院過程工程所.《新型納米複合高效濾材研發進展通報》. 2023年內部技術簡報.
相關術語解釋
- ULPA（Ultra Low Penetration Air Filter）：超低穿透率空氣過濾器，對0.12μm以上粒子過濾效率≥99.9995%。
- MPPS（Most Penetrating Particle Size）：易穿透粒徑，通常在0.1–0.3μm之間，是評價高效過濾器性能的關鍵指標。
- CFU（Colony Forming Unit）：菌落形成單位，用於衡量空氣中活微生物數量。
- ISO 14644-1：國際標準化組織發布的潔淨室及相關受控環境標準，定義了從ISO 1到ISO 9共九個潔淨等級。
擴展閱讀
- GB 50333-2013《醫院潔淨手術部建築技術規範》
- EN 1822:2009《High efficiency air filters (HEPA and ULPA)》
- ASHRAE Handbook – HVAC Applications, Chapter 7: Health Care Facilities
- 《空氣淨化工程技術與應用》（吳元煒主編，中國建築工業出版社）
（全文約3800字）
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