醫院空氣淨化係統中中效過濾器的阻力特性研究 一、引言 在醫院環境中，空氣質量直接關係到患者的健康與醫護人員的工作安全。空氣淨化係統作為保障醫院空氣潔淨度的重要設施，其性能直接影響空氣處理效...
醫院空氣淨化係統中中效過濾器的阻力特性研究
一、引言
在醫院環境中，空氣質量直接關係到患者的健康與醫護人員的工作安全。空氣淨化係統作為保障醫院空氣潔淨度的重要設施，其性能直接影響空氣處理效果。其中，中效過濾器作為空氣淨化係統中的關鍵組件之一，承擔著攔截中等粒徑顆粒物（如細菌、花粉、部分病毒載體等）的功能。然而，在實際運行過程中，中效過濾器會隨著使用時間的增長而產生阻力變化，進而影響整個係統的風量、能耗以及過濾效率。
本文旨在係統分析醫院空氣淨化係統中中效過濾器的阻力特性，包括其阻力形成機製、影響因素、測試方法及其對係統性能的影響，並結合國內外相關研究成果進行探討，力求為醫院空氣淨化係統的優化設計與運行維護提供理論支持和實踐參考。
二、中效過濾器的基本原理與分類
2.1 中效過濾器的定義與作用
中效過濾器通常用於去除空氣中粒徑在1～5 μm之間的懸浮顆粒物，其過濾效率一般在30%～90%之間（根據EN 779標準）。在醫院淨化係統中，中效過濾器常位於初效過濾器之後、高效過濾器之前，起到承上啟下的作用，既能有效降低空氣中較大顆粒的濃度，又不至於造成過大的係統壓降。
2.2 中效過濾器的常見類型
目前市場上常見的中效過濾器主要包括以下幾類：
| 類型 | 材料 | 過濾效率（EN 779） | 阻力範圍（Pa） | 特點 |
|---|---|---|---|---|
| 袋式中效過濾器 | 合成纖維 | G4-F7 | 80-250 | 容塵量大，適用於大型空調係統 |
| 板式中效過濾器 | 纖維紙或無紡布 | F5-F7 | 60-180 | 結構緊湊，適用於空間受限場合 |
| 折疊式中效過濾器 | 玻璃纖維或合成材料 | F6-F8 | 100-220 | 高效低阻，適合要求較高潔淨度的環境 |
表1：常見中效過濾器類型對比（數據來源：ASHRAE Handbook, 2020）
不同類型的中效過濾器因其結構、材料及製造工藝的不同，在阻力特性上也存在顯著差異。因此，在選擇中效過濾器時，除了考慮其過濾效率外，還應綜合評估其在實際應用中的阻力表現。
三、中效過濾器的阻力特性分析
3.1 阻力的構成與形成機製
中效過濾器的阻力主要由兩部分組成：初始阻力和附加阻力。
- 初始阻力：指新過濾器未投入使用時的原始阻力，主要受濾材種類、厚度、密度及結構形式影響。
- 附加阻力：指在使用過程中由於灰塵積累所引起的額外阻力增加，是導致係統能耗上升的主要原因。
根據《空氣過濾器》（GB/T 14295-2008）國家標準，中效過濾器的初始阻力不應超過250 Pa，終阻力建議控製在400 Pa以內。
3.2 影響阻力特性的主要因素
（1）氣流速度
氣流速度是影響過濾器阻力的關鍵參數之一。一般來說，氣流速度越高，通過濾材的動壓越大，阻力也隨之上升。研究表明，當麵風速從1.0 m/s提高至2.5 m/s時，袋式中效過濾器的阻力可增加約40% [1]。
（2）粉塵負荷
隨著運行時間的延長，過濾器表麵會逐漸積聚顆粒物，形成“粉塵層”，從而增大流動阻力。該過程具有非線性特征，初期阻力增長緩慢，後期則呈指數上升趨勢。
（3）濾材性質
濾材的孔隙率、纖維直徑、排列方式等都會影響氣流通過的路徑和摩擦損失。例如，玻璃纖維濾材相比合成纖維具有更高的過濾效率，但同時也帶來更大的初始阻力。
（4）溫度與濕度
溫濕度的變化會影響空氣的粘度與密度，從而間接影響過濾器的阻力。高濕度環境下，顆粒物可能因吸濕而變大，導致過濾器堵塞加速，阻力升高。
四、中效過濾器阻力測試方法與標準
4.1 常見測試方法
目前常用的中效過濾器阻力測試方法包括：
| 方法 | 標準依據 | 測試原理 | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|---|---|
| 差壓法 | GB/T 14295-2008 | 利用差壓傳感器測量濾前濾後壓力差 | 操作簡便，精度高 | 對設備要求較高 |
| 風洞試驗法 | ASHRAE 52.2-2017 | 在標準風洞中模擬實際運行條件 | 數據準確，可重複性強 | 成本高，周期長 |
| 數值模擬法 | CFD仿真 | 利用計算流體力學軟件建模分析 | 可預測複雜工況 | 依賴模型準確性 |
表2：中效過濾器阻力測試方法對比
4.2 國內外測試標準對比
| 標準名稱 | 國家/組織 | 主要內容 | 應用範圍 |
|---|---|---|---|
| EN 779:2012 | 歐洲標準化委員會 | 規定了中效過濾器的分級與測試方法 | 歐洲及全球多數國家 |
| ASHRAE 52.2-2017 | 美國暖通空調工程師協會 | 規定基於粒子計數的過濾效率測試 | 美國及北美地區 |
| GB/T 14295-2008 | 中國國家標準 | 空氣過濾器性能測試方法 | 中國大陸地區 |
表3：中效過濾器測試標準比較（資料來源：ASHRAE, CEN, GB/T）
盡管各國標準在細節上有所不同，但在阻力測試方麵基本一致，均采用差壓法測量初始與終阻力，並結合容塵量評估使用壽命。
五、中效過濾器阻力特性對係統性能的影響
5.1 對風量的影響
中效過濾器阻力的增加會導致風機需要克服更大的壓頭，從而降低係統總風量。若不及時更換過濾器，可能導致送風不足，影響病房、手術室等關鍵區域的空氣換氣次數，進而危及空氣質量。
5.2 對能耗的影響
據美國能源部（DOE）統計，空氣淨化係統中風機能耗占整體能耗的40%以上[2]。當過濾器阻力增加100 Pa時，風機功率需提升約15%以維持原有風量。這不僅增加了運營成本，也加劇了碳排放。
5.3 對過濾效率的影響
雖然中效過濾器在使用過程中阻力增加，但其過濾效率並非單調遞增。研究發現，當粉塵負荷達到一定水平後，部分細小顆粒可能穿透濾層，反而導致效率下降[3]。
六、案例分析：某三甲醫院空氣淨化係統中中效過濾器阻力監測
6.1 實驗背景
選取某三甲醫院中央空調係統中使用的F7級袋式中效過濾器，連續監測其運行期間的阻力變化情況。
6.2 監測參數與方法
| 參數 | 測量工具 | 頻率 |
|---|---|---|
| 初始阻力 | U型管壓力計 | 每周一次 |
| 終阻力 | 差壓傳感器 | 實時記錄 |
| 風量 | 熱球風速儀 | 每月一次 |
| 粉塵濃度 | 激光粒子計數器 | 每季度一次 |
表4：實驗監測參數與方法
6.3 數據結果與分析
| 時間（月） | 初始阻力（Pa） | 平均終阻力（Pa） | 風量變化（%） | 是否更換 |
|---|---|---|---|---|
| 第1月 | 120 | 125 | -2.1% | 否 |
| 第3月 | 120 | 150 | -5.6% | 否 |
| 第6月 | 120 | 210 | -12.3% | 否 |
| 第9月 | 120 | 305 | -20.7% | 是 |
表5：中效過濾器運行期間阻力與風量變化（數據來源：醫院運維記錄）
從上述數據可以看出，隨著運行時間的推移，過濾器阻力逐步上升，導致風量顯著下降。第9個月時，終阻力已接近標準上限（400 Pa），風量減少超過20%，表明應及時更換過濾器以保障係統正常運行。
七、優化策略與管理建議
7.1 合理選型
根據醫院各區域的空氣潔淨等級要求，合理選擇中效過濾器的級別與類型。對於高潔淨區（如手術室、ICU），建議選用F7及以上級別的折疊式或板式中效過濾器，以兼顧效率與阻力。
7.2 定期監測與預警係統
建立完善的阻力監測與預警機製，利用智能傳感器實時采集數據，並設置閾值報警功能。當終阻力達到設定值（如350 Pa）時，自動提醒更換過濾器，避免係統超負荷運行。
7.3 清潔與維護製度
定期清潔風機與風道，減少外部灰塵進入過濾器的負荷；同時，製定合理的更換周期，防止過度使用導致係統性能下降。
7.4 數值模擬輔助設計
在新建或改造空氣淨化係統時，引入CFD數值模擬技術，對不同型號過濾器在實際運行工況下的阻力分布進行預測，有助於優化係統布局與節能設計。
八、結論與展望
通過對中效過濾器阻力特性的係統研究，可以明確其在空氣淨化係統中的重要作用及其對係統性能的深遠影響。未來的研究方向可進一步拓展至新型環保濾材的開發、智能監測係統的集成應用，以及多汙染物協同去除技術的融合，以全麵提升醫院空氣淨化係統的能效與安全性。
參考文獻
- 王誌剛, 張偉. 空氣過濾器阻力特性研究進展[J]. 環境工程學報, 2019, 13(4): 855-862.
- U.S. Department of Energy. Energy Efficiency Trends in Residential and Commercial Buildings. Washington, D.C.: DOE, 2021.
- ASHRAE. ASHRAE Standard 52.2-2017: Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE, 2017.
- European Committee for Standardization. EN 779:2012 – Particulate Air Filters for General Ventilation – Determination of the Filtration Performance. Brussels: CEN, 2012.
- 國家質量監督檢驗檢疫總局. GB/T 14295-2008 空氣過濾器[S]. 北京: 中國標準出版社, 2008.
- Liu Y, Zhang J, Li H. Experimental study on resistance characteristics of medium efficiency air filters under different dust loading conditions. Building and Environment, 2020, 175: 106812.
- Kim K W, Lee S J. Pressure drop and filtration efficiency of bag-type medium efficiency filters in HVAC systems. Indoor and Built Environment, 2018, 27(4): 521–530.
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