高效顆粒空氣過濾器（HEPA）在醫療設施中對空氣質量的提升效果 引言 隨著現代醫學的發展和公眾健康意識的增強，醫院、診所、實驗室等醫療設施內的空氣質量問題日益受到關注。空氣中的懸浮微粒、細菌、...
高效顆粒空氣過濾器（HEPA）在醫療設施中對空氣質量的提升效果
引言
隨著現代醫學的發展和公眾健康意識的增強，醫院、診所、實驗室等醫療設施內的空氣質量問題日益受到關注。空氣中的懸浮微粒、細菌、病毒、真菌孢子以及有害氣體不僅影響患者康複，也可能導致醫護人員的職業暴露風險增加。特別是在手術室、重症監護室（ICU）、隔離病房及潔淨實驗室等關鍵區域，維持高標準的空氣質量至關重要。
高效顆粒空氣過濾器（High-Efficiency Particulate Air Filter，簡稱HEPA）作為空氣淨化係統的核心組件，因其卓越的微粒捕集能力被廣泛應用於各類醫療環境中。本文將係統闡述HEPA過濾器的工作原理、技術參數、在醫療設施中的具體應用，並結合國內外權威研究文獻，深入分析其對空氣質量的實際改善效果。
一、HEPA過濾器的基本定義與工作原理
1.1 定義
根據美國能源部（DOE）標準，高效顆粒空氣過濾器（HEPA）是指能夠去除空氣中至少99.97%直徑為0.3微米（μm）顆粒物的過濾裝置。這一尺寸被稱為“易穿透粒徑”（Most Penetrating Particle Size, MPPS），即在此粒徑下過濾效率低，因此成為衡量HEPA性能的關鍵指標。
在中國國家標準《GB/T 13554-2020》《高效空氣過濾器》中，HEPA過濾器被劃分為H11至H14等級，其中H13和H14級符合國際公認的“真正HEPA”標準。
1.2 工作原理
HEPA過濾器並非依靠單一機製實現高效過濾，而是綜合運用以下四種物理機製：
| 過濾機製 | 原理描述 | 主要作用粒徑範圍 |
|---|---|---|
| 慣性碰撞（Inertial Impaction） | 大顆粒因慣性偏離氣流方向，撞擊纖維被捕獲 | >1 μm |
| 攔截效應（Interception） | 中等顆粒隨氣流靠近纖維表麵時被直接接觸捕獲 | 0.3–1 μm |
| 擴散效應（Diffusion） | 極小顆粒因布朗運動與纖維頻繁接觸而被捕獲 | <0.1 μm |
| 靜電吸附（Electrostatic Attraction） | 某些HEPA材料帶靜電，增強對微小顆粒的吸附力 | 全範圍，尤其<0.3 μm |
值得注意的是，盡管傳統HEPA主要依賴機械攔截，近年來部分高端產品引入駐極體材料（如聚丙烯熔噴布），通過永久靜電場顯著提升對亞微米級顆粒的捕獲效率（Liu et al., 2020）。
二、HEPA過濾器的技術參數與分類標準
2.1 國際與國內標準對比
| 標準體係 | 標準編號 | HEPA等級劃分 | 效率要求（0.3 μm） | 應用場景建議 |
|---|---|---|---|---|
| 歐洲標準（EN 1822） | EN 1822:2009 | E10–E12（普通高效） H13–H14（HEPA） U15–U17（ULPA） |
H13: ≥99.95% H14: ≥99.995% |
醫療潔淨室、生物安全實驗室 |
| 美國標準（DOE） | DOE-STD-3020-97 | True HEPA: ≥99.97% @ 0.3 μm | ≥99.97% | 核設施、醫院通風係統 |
| 中國國家標準 | GB/T 13554-2020 | H11–H14 | H13: ≥99.95% H14: ≥99.995% |
手術室、ICU、負壓隔離病房 |
| ISO標準 | ISO 29463 | 分為E、H、U三類，H13對應ISO40 | ≥99.95% | 國際通用潔淨環境 |
資料來源：中華人民共和國國家標準化管理委員會（SAC），2020；European Committee for Standardization (CEN), 2009.
2.2 常見HEPA過濾器產品參數表
| 型號 | 品牌 | 過濾等級 | 初始阻力（Pa） | 額定風量（m³/h） | 容塵量（g） | 使用壽命（h） | 適用場景 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil FSF 30 | Camfil（瑞典） | H14 | ≤180 | 1,200 | 800 | 8,000–10,000 | 手術室、移植病房 |
| Donaldson Ultra-Web® Z | Donaldson（美國） | H13 | ≤160 | 1,000 | 650 | 7,000–9,000 | ICU、呼吸科病房 |
| 3M Filtrete™ HEPA-14 | 3M（美國） | H14 | ≤200 | 800 | 500 | 6,000–8,000 | 移動式淨化設備 |
| 蘇淨集團 SJ-HEPA-H14 | 蘇淨（中國） | H14 | ≤170 | 1,500 | 900 | 8,000–12,000 | 生物安全實驗室 |
| 菲利斯 GL-HEPA-13 | 菲利斯（中國） | H13 | ≤150 | 2,000 | 1,000 | 10,000+ | 中央空調係統 |
注：數據來源於各廠商公開技術手冊（2023年更新）。
三、HEPA在醫療設施中的典型應用場景
3.1 手術室空氣淨化
手術室是醫院感染控製的重點區域。研究表明，空氣中浮遊菌濃度每增加100 CFU/m³，術後切口感染率上升約2倍（Bischoff et al., 2018）。安裝HEPA過濾係統後，可使手術室內顆粒物濃度降低90%以上，細菌總數下降至10 CFU/m³以下（WHO, 2021）。
以北京協和醫院為例，其百級潔淨手術室采用H14級HEPA配合層流送風係統，實測數據顯示PM2.5濃度穩定低於5 μg/m³，遠優於《醫院潔淨手術部建築技術規範》（GB 50333-2013）規定的10 μg/m³限值。
3.2 重症監護病房（ICU）
ICU患者多為免疫力低下人群，極易發生院內感染。美國疾病控製與預防中心（CDC）報告指出，約10%的ICU患者會經曆呼吸機相關性肺炎（VAP），其中空氣傳播病原體占重要誘因（CDC, 2022）。
上海瑞金醫院在ICU加裝H13級HEPA後，連續6個月監測顯示：
- 空氣中總菌落數從平均156 CFU/m³降至23 CFU/m³；
- PM0.3–PM2.5濃度下降87.6%；
- VAP發生率由18.3‰降至9.7‰（p<0.01）。
3.3 負壓隔離病房與傳染病防控
在新冠疫情期間，HEPA過濾器成為負壓隔離病房建設的核心配置。根據《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案（試行第八版）》，收治疑似或確診患者的隔離區應配備HEPA淨化排風係統，確保排風經高效過濾後排放。
清華大學環境學院研究團隊對武漢某定點醫院進行現場測試發現，使用H14級HEPA後，排風口氣溶膠中新冠病毒RNA檢出率下降99.2%，且未在室外檢測到活病毒（Zhang et al., 2021）。
3.4 藥房與製劑室
醫院靜脈藥物配置中心（PIVAS）要求達到A級潔淨度（相當於ISO 5級）。HEPA配合垂直單向流設計，可有效防止微粒汙染藥品。廣州中山大學附屬第一醫院PIVAS運行數據顯示，啟用HEPA係統後，成品輸液微粒超標率由0.8%降至0.03%。
四、HEPA對空氣質量關鍵指標的改善效果
4.1 對顆粒物（PM）的去除效率
| 顆粒物類型 | 平均初始濃度（μg/m³） | HEPA處理後濃度（μg/m³） | 去除率（%） | 文獻來源 |
|---|---|---|---|---|
| PM10 | 85 | 3.2 | 96.2 | Li et al., 2019（中國） |
| PM2.5 | 52 | 1.8 | 96.5 | EPA, 2020（美國） |
| PM1.0 | 38 | 0.9 | 97.6 | WHO, 2021 |
| PM0.3 | 25 | 0.3 | 98.8 | Morawska et al., 2020（澳大利亞） |
4.2 對微生物氣溶膠的削減能力
| 微生物類型 | 來源 | 初始濃度（CFU/m³） | HEPA過濾後（CFU/m³） | 去除率（%） | 實驗條件 |
|---|---|---|---|---|---|
| 金黃色葡萄球菌 | 醫護人員飛沫 | 120 | 2.1 | 98.2 | 動態模擬艙，風速0.5 m/s |
| 白色念珠菌 | 地麵揚塵 | 85 | 1.5 | 98.2 | 同上 |
| 結核分枝杆菌 | 咳嗽模擬 | 60（等效） | <1 | >99 | BSL-3實驗室測試（NiosesH, 2019） |
| 流感病毒（H1N1） | 噴霧實驗 | 1.2×10⁴ PFU/m³ | 30 PFU/m³ | 99.75 | University of Minnesota, 2020 |
注：PFU = Plaque Forming Units（噬斑形成單位）
4.3 對揮發性有機物（VOCs）的間接影響
雖然HEPA本身不針對氣態汙染物，但其高密度纖維結構可吸附部分大分子VOCs。當與活性炭複合使用時，整體淨化效率顯著提升。
一項發表於《Building and Environment》的研究表明，在HEPA+活性炭組合係統中：
- 甲醛去除率可達85%（單獨HEPA為12%）；
- 苯係物去除率達91%；
- 臭氧無明顯變化（HEPA不催化分解O₃）（Chen et al., 2021）。
五、HEPA係統的維護與性能衰減分析
5.1 性能衰減因素
| 影響因素 | 說明 | 對效率的影響 | 可逆性 |
|---|---|---|---|
| 積塵堵塞 | 顆粒物在濾材表麵積累，增加阻力 | 初始效率不變，後期風量下降 | 可更換濾芯 |
| 潮濕環境 | 高濕度導致濾紙變形或黴變 | 可能降低擴散效應效率 | 不可逆，需防潮設計 |
| 化學腐蝕 | 接觸強酸堿或消毒劑蒸汽 | 纖維降解，孔隙擴大 | 不可逆 |
| 氣流不均 | 安裝不當造成旁通泄漏 | 局部效率驟降 | 可調整密封 |
5.2 維護周期建議（基於中國醫院實踐）
| 使用場所 | 更換周期 | 監測頻率 | 判斷依據 |
|---|---|---|---|
| 手術室 | 12–18個月 | 每季度一次 | 阻力≥初阻力2倍或效率下降>5% |
| ICU | 18–24個月 | 半年一次 | 視壓差計讀數及空氣質量報告 |
| 普通病房 | 24–36個月 | 年檢一次 | 結合PM2.5與菌落總數監測 |
| 生物安全實驗室 | 6–12個月 | 每月檢測 | 必須符合BSL-2/3標準 |
數據參考：《醫院空氣淨化管理規範》（WS/T 368-2012），國家衛生健康委員會。
六、國內外權威研究綜述
6.1 國外研究進展
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美國ASHRAE（2020） 在《HVAC Applications Handbook》中明確指出：“在醫療設施中，HEPA過濾是控製空氣傳播感染有效的工程手段之一。”
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英國NHS（National Health Service）指南（2021） 要求所有新建三級醫院必須在關鍵區域配置H13及以上等級HEPA係統，並定期進行DOP（鄰苯二甲酸二辛酯）檢漏測試。
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Lancet Planetary Health（2022） 發表的一項跨國研究顯示，在配備HEPA的醫院中，呼吸道感染類疾病的院內傳播風險平均降低63%（95% CI: 54–70%）。
6.2 國內科研成果
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複旦大學公共衛生學院（2023） 對長三角地區27家三甲醫院調研發現，使用HEPA的醫院其空氣微生物合格率（≤500 CFU/m³）達98.7%，顯著高於未使用者的76.3%（p<0.001）。
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中國建築科學研究院（2022） 在《潔淨技術》期刊發表論文指出，國產H14級HEPA在模擬臨床環境下對0.3 μm顆粒的過濾效率穩定在99.998%，已達到國際先進水平。
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鍾南山院士團隊（2021） 在《中華內科雜誌》撰文強調：“在新冠疫情常態化防控背景下，推廣HEPA在發熱門診和隔離病房的應用，是切斷氣溶膠傳播鏈的重要舉措。”
七、HEPA與其他空氣淨化技術的比較
| 技術類型 | 原理 | 對PM2.5效率 | 對微生物效率 | 是否產生副產物 | 成本（相對） | 適用醫療場景 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| HEPA過濾 | 機械攔截 | ≥99.97% | ≥99.9% | 無 | 中高 | 手術室、ICU |
| 紫外線（UV-C） | 破壞DNA/RNA | 低（僅表麵殺菌） | 80–95% | 臭氧（部分燈管） | 中 | 表麵消毒輔助 |
| 離子淨化 | 電荷凝聚沉降 | 70–85% | 60–80% | 臭氧、NOx | 低 | 普通病房 |
| 光催化氧化（PCO） | 自由基反應 | 60–75% | 70–85% | 甲醛中間產物 | 高 | 實驗室（有限） |
| 活性炭吸附 | 物理吸附 | <10% | 無 | 無 | 中 | VOCs治理複合使用 |
資料整合自：EPA Indoor Air Quality Guide (2021)；《環境科學與技術》（2022年第5期）
八、未來發展趨勢與挑戰
8.1 智能化HEPA係統
新一代HEPA設備正朝著智能化方向發展。例如，德國Testo公司推出的智能HEPA模塊，集成PM傳感器、壓差報警、遠程監控功能，可通過APP實時查看濾芯狀態。國內企業如格力、美的也已推出具備AI預測更換周期的醫用級淨化機組。
8.2 納米纖維材料的應用
靜電紡絲製備的納米級聚酰胺纖維（直徑50–200 nm）比傳統玻璃纖維更細密，可在更低阻力下實現更高效率。韓國科學技術院（KAIST, 2023）研發的納米HEPA原型機對0.1 μm顆粒過濾效率達99.999%，同時阻力降低30%。
8.3 可持續性挑戰
HEPA濾芯屬一次性耗材，大量廢棄可能帶來環境負擔。目前歐盟已啟動“Green HEPA”項目，推動可生物降解濾材（如纖維素基複合材料）的研發。中國生態環境部亦在《醫療廢物分類目錄（2023版）》中建議對HEPA濾芯進行專項回收處理。
參考文獻
- GB/T 13554-2020，《高效空氣過濾器》，國家市場監督管理總局，2020年發布。
- EN 1822:2009，High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA)，CEN。
- Liu, Y. et al. (2020). "Enhanced filtration performance of electret-modified nanofiber membranes for airborne virus removal." Journal of Membrane Science, 612, 118392。
- Bischoff, W.E. et al. (2018). "Airborne surgical site infections: a systematic review." The Lancet Infectious Diseases, 18(10), e303-e314。
- WHO (2021). Healthcare-associated infections: airborne transmission. World Health Organization。
- CDC (2022). Ventilator-Associated Events Surveillance Report. U.S. Centers for Disease Control and Prevention。
- Zhang, R. et al. (2021). "Suppression of aerosol emission from COVID-19 patients via HEPA filtration in isolation wards." Environmental Science & Technology Letters, 8(5), 408–414。
- Morawska, L. et al. (2020). "Aerosol transmission is an important mode of SARS-CoV-2 spread." Environment International, 145, 106132。
- NiosesH (2019). HEPA Filter Performance Testing under Simulated Mycobacterial Challenge. National Institute for Occupational Safety and Health。
- Chen, Q. et al. (2021). "Combined HEPA and activated carbon filtration for indoor air quality improvement in hospitals." Building and Environment, 195, 107756。
- ASHRAE (2020). ASHRAE Handbook – HVAC Applications. Chapter 7, Healthcare Facilities。
- 鍾南山, 蔡紹曦, 等. (2021). “新型冠狀病毒氣溶膠傳播特征及防控策略.” 《中華內科雜誌》, 60(4), 301–306。
- 複旦大學公共衛生學院. (2023). 《中國醫療機構空氣淨化現狀調查報告》。
- 中國建築科學研究院. (2022). “國產高效過濾器性能評測研究.” 《潔淨技術》, 40(3), 45–51。
（全文約3,800字）
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