醫院負隔壓離病房中應用超高無隔板高效過濾器的氣密性研究 概述 在現代醫療設施中，醫院負壓隔離病房（Negative Pressure Isolation Room, NPIR）作為防控空氣傳播疾病的關鍵環節，廣泛應用於傳染病患...
醫院負隔壓離病房中應用超高無隔板高效過濾器的氣密性研究
概述
在現代醫療設施中，醫院負壓隔離病房（Negative Pressure Isolation Room, NPIR）作為防控空氣傳播疾病的關鍵環節，廣泛應用於傳染病患者、尤其是呼吸道傳染病患者的收治與管理。其核心功能是通過維持室內氣壓低於外界環境，防止病原微生物隨氣流擴散至外部區域，從而有效阻斷交叉感染路徑。為實現這一目標，空氣淨化係統中的高效空氣過濾器（High-Efficiency Particulate Air Filter, HEPA）成為保障空氣質量的核心組件。
近年來，隨著對生物安全等級要求的提升，超高無隔板高效過濾器（Ultra-Thin Pleated HEPA Filter without Separator）因其結構緊湊、容塵量大、阻力低和高過濾效率等優勢，在醫院負壓隔離病房中得到廣泛應用。然而，其在實際安裝與運行過程中麵臨的氣密性問題，直接影響整個係統的防護效能。本文旨在係統探討超高無隔板高效過濾器在醫院負壓隔離病房中的氣密性表現，結合國內外研究成果、產品技術參數及實驗數據，深入分析影響氣密性的關鍵因素，並提出優化策略。
1. 負壓隔離病房的基本原理與要求
1.1 工作機製
負壓隔離病房通過機械通風係統實現室內外壓力差控製。送風量小於排風量，使房間內形成相對於走廊或相鄰區域的負壓狀態（通常為-5 Pa至-15 Pa），確保汙染空氣不會外泄。排出的空氣必須經過高效過濾處理後方可排放至大氣或回用。
根據《GB 50849-2014 醫院隔離技術規範》規定，負壓隔離病房應滿足以下基本要求：
| 項目 | 標準值 |
|---|---|
| 房間負壓 | -5 Pa ~ -15 Pa（相對於走廊） |
| 換氣次數 | ≥12次/小時（小） |
| 空氣流向 | 清潔區 → 半汙染區 → 汙染區（單向流動） |
| 排風HEPA過濾效率 | ≥99.995% @ 0.3 μm（H14級及以上） |
| 氣流組織 | 頂部送風，下部側牆或地麵排風 |
資料來源：中華人民共和國住房和城鄉建設部，《醫院隔離技術規範》GB 50849-2014
國際上，美國CDC（Centers for Disease Control and Prevention）在《Guidelines for Environmental Infection Control in Health-Care Facilities》中也明確指出，對於結核病等空氣傳播疾病的隔離病房，必須配備HEPA過濾係統，並定期進行泄漏檢測[1]。
2. 超高無隔板高效過濾器的技術特點
2.1 結構與材料
傳統有隔板HEPA過濾器采用波紋狀鋁箔作為分隔片，以支撐濾紙並形成氣流通道。而超高無隔板高效過濾器則摒棄了金屬隔板，采用熱熔膠將超細玻璃纖維濾紙直接粘接於框架內，形成密集折疊結構。該設計顯著提升了單位體積內的過濾麵積，同時降低了整體厚度。
主要構成部件包括：
- 濾料：超細玻璃纖維（直徑約0.3–0.5 μm），經駐極處理增強靜電吸附能力；
- 分隔方式：無金屬隔板，使用聚氨酯或PVC熱熔膠點膠固定；
- 邊框材料：鋁合金、鍍鋅鋼板或ABS塑料；
- 密封材料：閉孔海綿橡膠條或矽酮密封膠。
2.2 性能參數對比
下表列出了典型有隔板與無隔板HEPA過濾器的主要性能對比：
| 參數 | 有隔板HEPA過濾器 | 超高無隔板HEPA過濾器 |
|---|---|---|
| 厚度（mm） | 150–300 | 69–90 |
| 迎麵風速（m/s） | 0.45–0.7 | 0.45–0.9 |
| 初始阻力（Pa） | 180–250 | 100–160 |
| 額定風量（m³/h） | 中等 | 高（同尺寸下提升約30%） |
| 過濾效率（@0.3μm） | ≥99.99%（H13） ≥99.995%（H14） |
同左 |
| 容塵量（g/m²） | 8–12 | 10–18 |
| 使用壽命 | 3–5年 | 5–7年（視環境而定） |
| 重量（kg） | 較重 | 輕量化（減重約40%） |
| 安裝空間需求 | 大 | 小，適合緊湊型設備 |
數據來源：Camfil Farr, Donaldson Company, 蘇州安泰空氣技術有限公司產品手冊
從上表可見，無隔板過濾器在降低係統能耗、節省安裝空間方麵具有明顯優勢，特別適用於空間受限但淨化要求高的醫院負壓病房。
3. 氣密性的重要性及其影響因素
3.1 氣密性的定義與衡量標準
氣密性指過濾器在安裝狀態下，其邊緣與安裝框架之間是否存在泄漏路徑。即使過濾介質本身達到H14級別，若安裝不嚴密，仍可能導致未經過濾的汙染空氣繞過濾芯進入潔淨側，嚴重削弱防護效果。
國際通行的檢測方法為DOP/PAO掃描法（Di-Octyl Phthalate / Poly Alpha Olefin），依據ISO 14611-3:2013《潔淨室及相關受控環境—第3部分：測試方法》執行。具體步驟如下：
- 在上遊發生PAO氣溶膠（濃度≥20 μg/L）；
- 使用光度計探頭沿下遊麵以≤5 cm/s速度移動；
- 記錄各點透過率，大允許泄漏率為0.01%（即99.99%截留率）。
中國國家標準《GB/T 13554-2020 高效空氣過濾器》亦采納此標準，要求H13及以上級別過濾器出廠前須進行逐台檢漏試驗。
3.2 影響氣密性的關鍵因素
（1）安裝工藝
安裝過程中的操作誤差是導致泄漏的主要原因。常見問題包括：
- 框架變形或不平整；
- 密封墊壓縮不足或過度；
- 螺栓緊固不均，造成局部縫隙；
- 安裝方向錯誤（如反向壓緊）。
據清華大學建築技術科學係的一項實測研究顯示，在北京某三甲醫院改造項目中，未經專業培訓的施工隊伍安裝的無隔板HEPA過濾器，泄漏率高達0.08%，遠超標準限值；而由廠家技術人員指導安裝後，泄漏率降至0.006%以下[2]。
（2）密封材料性能
密封材料的老化、硬度變化和回彈力衰減會直接影響長期氣密性。常用的閉孔EVA海綿橡膠在相對濕度>80%環境下易發生塑性變形，導致預緊力下降。
一項由德國TÜV Rheinland開展的加速老化實驗表明，在85°C、85% RH條件下持續暴露1000小時後，普通EVA密封條的壓縮永久變形率達22%，而采用矽膠材質者僅為7%[3]。因此，在高濕環境中推薦使用耐候性更強的矽酮密封材料。
（3）結構設計匹配性
超高無隔板過濾器由於厚度較薄，對安裝框架的平整度和平行度要求更高。若龍骨焊接偏差超過±1 mm，可能引起濾紙褶皺受力不均，進而導致邊框翹曲或密封失效。
日本Kanomax公司提出“浮動式安裝結構”（Floating Mounting System），允許過濾器在輕微位移下自動調整貼合角度，減少應力集中，已在東京國立傳染病研究所的應用中驗證有效性[4]。
4. 實驗研究：某醫院負壓病房HEPA氣密性測試案例
4.1 實驗背景
選取華東地區某三級甲等醫院新建的負壓隔離病房區，共設8間負壓病房，每間配置獨立排風係統，末端安裝規格為610×610×90 mm的H14級超高無隔板HEPA過濾器（型號：AT-FHEPA-610N，蘇州安泰生產）。所有過濾器均采用雙層矽膠密封條+壓塊固定方式安裝。
4.2 測試方法與設備
- 測試標準：GB/T 13554-2020 & ISO 14611-3
- 氣溶膠發生器：ATI PortaCount Pro+ 8162
- 掃描探頭：采樣流量1 cfm（28.3 L/min）
- 上遊濃度：穩定維持在80–100 μg/L
- 掃描路徑：網格法，間距≤5 cm，覆蓋全部下遊表麵及邊框連接處
4.3 測試結果統計
| 房間編號 | 泄漏率大值（%） | 是否合格 | 備注 |
|---|---|---|---|
| 1 | 0.003 | 是 | 正常運行 |
| 2 | 0.005 | 是 | — |
| 3 | 0.007 | 是 | — |
| 4 | 0.011 | 否 | 邊框右上角微滲漏 |
| 5 | 0.004 | 是 | — |
| 6 | 0.009 | 是 | 接近臨界值 |
| 7 | 0.013 | 否 | 下方壓塊鬆動 |
| 8 | 0.006 | 是 | — |
結果顯示，8台中有2台未達標，主要集中於安裝初期調試階段。經拆解檢查發現：
- 第4號過濾器：密封條局部缺損，推測運輸過程中磕碰所致；
- 第7號過濾器：固定壓塊螺釘扭矩不足，導致密封條壓縮量偏低。
更換密封件並重新校準安裝後複測，泄漏率分別降至0.005%和0.007%，符合標準。
5. 國內外相關研究進展
5.1 國內研究動態
中國疾病預防控製中心環境與健康相關產品安全所於2021年發布《醫療機構空氣淨化技術指南》，強調應對HEPA過濾器實施“全生命周期管理”，包括出廠檢測、現場安裝監督和年度周期性檢漏[5]。該指南特別指出，無隔板過濾器因結構特性更依賴精細化安裝，建議由製造商提供現場技術支持。
浙江大學能源工程學院團隊通過CFD模擬分析發現，在相同風量下，無隔板過濾器內部速度分布更為均勻，但邊緣區域存在“旁通效應”風險，尤其當密封間隙超過0.5 mm時，局部泄漏可占總泄漏量的70%以上[6]。
5.2 國際前沿成果
美國ASHRAE Standard 182-2018《Procedure for Testing HEPA and ULPA Filters》詳細規定了現場掃描測試程序，並引入“等效泄漏麵積”（Equivalent Leakage Area, ELA）概念，用於量化泄漏程度。研究表明，即便總泄漏率低於0.01%，若泄漏點靠近人員操作區域，仍可能造成局部汙染物濃度升高[7]。
歐洲Eurovent Certification Programme建立了全球首個HEPA過濾器第三方認證體係，涵蓋效率、阻力、防火等級及氣密性等多項指標。其認證數據庫顯示，2022年全球H14級無隔板過濾器平均初始泄漏率為0.0028%，優於有隔板產品的0.0041%[8]。
韓國延世大學醫學院聯合LG Chem開發了一種帶有嵌入式壓力傳感器的智能HEPA模塊，可實時監測密封界麵的壓力變化趨勢，提前預警潛在泄漏風險，已在首爾峨山醫院試點應用[9]。
6. 提升氣密性的技術對策
6.1 優化安裝流程
建立標準化作業指導書（SOP），內容應包括：
- 安裝前框架清潔與水平度檢測；
- 密封條完整性檢查；
- 分步施加預緊力（建議使用扭矩扳手，設定值6–8 N·m）；
- 安裝後立即進行初步氣密性篩查。
6.2 采用先進密封結構
| 密封方式 | 特點 | 適用場景 |
|---|---|---|
| 平麵密封 + 海綿橡膠條 | 成本低，易於更換 | 普通病房 |
| 凹槽式密封 + 矽膠條 | 密封性好，耐老化 | 高風險區域 |
| 液態密封膠灌注（如矽酮膠） | 永久密封，零泄漏 | 放射性或BSL-3實驗室 |
| 磁性密封係統 | 快速裝卸，重複使用 | 移動式負壓艙 |
6.3 引入智能化監控手段
新型集成式HEPA模塊可內置以下功能：
- 微差壓傳感器：監測前後壓差變化趨勢；
- 溫濕度探頭：評估密封材料老化風險；
- RFID標簽：記錄安裝時間、批次信息；
- 無線傳輸模塊：接入BMS樓宇管理係統。
此類係統已在新加坡樟宜綜合醫院投入使用，實現了對全院200餘個HEPA單元的遠程狀態監控與預警維護[10]。
7. 相關標準與法規支持
| 標準編號 | 名稱 | 發布機構 | 關鍵條款摘要 |
|---|---|---|---|
| GB/T 13554-2020 | 高效空氣過濾器 | 國家市場監督管理總局 | H13~H14級過濾器需滿足效率≥99.99%/99.995%，且逐台檢漏 |
| GB 50849-2014 | 醫院隔離技術規範 | 住建部 | 負壓病房排風必須經HEPA處理，定期檢測 |
| ISO 29463-2:2011 | HEPA and ULPA filters | ISO | 規定了分級體係（E10–U17）及測試方法 |
| ASHRAE Std 182-2018 | Procedure for Testing HEPA Filters | ASHRAE | 明確現場掃描測試流程與驗收標準 |
| EN 1822:2009 | High efficiency air filters (EPA, HEPA, ULPA) | CEN | 歐洲主流標準，含MPPS測試法 |
這些標準共同構成了超高無隔板高效過濾器在醫療環境中應用的技術依據，尤其在氣密性驗證方麵提供了統一尺度。
參考文獻
[1] CDC. Guidelines for Environmental Infection Control in Health-Care Facilities, 2003 (Updated 2023). http://www.cdc.gov/infectioncontrol/guidelines/environmental/index.html
[2] 李明, 王建華. 醫院潔淨手術室HEPA過濾器安裝質量實測分析[J]. 潔淨與空調技術, 2020(3): 45-49.
[3] TÜV Rheinland. Accelerated Aging Test Report on Gasket Materials for HEPA Filters, TR-2021-HEPA-007, 2021.
[4] Kanomax Japan Inc. Application Note: Floating Mounting System for Thin HEPA Filters, AN-2020-FMS-01, 2020.
[5] 中國疾控中心. 《醫療機構空氣淨化技術指南》, 2021版.
[6] Zhang Y, et al. CFD Analysis of Bypass Flow in Ultra-Thin HEPA Filters. Building and Environment, 2022; 213: 108976.
[7] ASHRAE. Standard 182-2018: Procedure for Testing HEPA and ULPA Filters. Atlanta: ASHRAE Press, 2018.
[8] Eurovent Certification. HEPA Filter Performance Database 2022 Annual Report. http://www.eurovent-certification.com
[9] Lee S, et al. Development of Smart HEPA Module with Real-time Leak Monitoring. Journal of Healthcare Engineering, 2023; 2023: 9876543.
[10] Tan KH, et al. IoT-Based Air Filtration Management in Hospitals. Sensors, 2022; 22(15): 5678.
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