組合式中效過濾器對PM10與PM2.5過濾性能的對比研究 一、引言 隨著我國城市化進程的加快以及工業活動的持續增長，大氣顆粒物汙染問題日益嚴重，尤其是可吸入顆粒物（PM10）和細顆粒物（PM2.5）對公眾健...
組合式中效過濾器對PM10與PM2.5過濾性能的對比研究
一、引言
隨著我國城市化進程的加快以及工業活動的持續增長，大氣顆粒物汙染問題日益嚴重，尤其是可吸入顆粒物（PM10）和細顆粒物（PM2.5）對公眾健康構成了顯著威脅。世界衛生組織（WHO）指出，長期暴露於高濃度PM2.5環境中，會顯著增加呼吸係統疾病、心血管疾病甚至過早死亡的風險（WHO, 2021）。因此，高效空氣過濾技術在室內空氣質量控製中扮演著至關重要的角色。
組合式中效過濾器（Combined Medium-Efficiency Air Filter）作為現代通風與空調係統中的關鍵組件，廣泛應用於醫院、潔淨廠房、辦公樓及公共建築中。其通過多層濾材的協同作用，實現對空氣中懸浮顆粒物的有效攔截。然而，不同粒徑顆粒物的物理特性差異顯著，導致過濾器對PM10與PM2.5的去除效率存在明顯區別。本文將係統分析組合式中效過濾器對PM10和PM2.5的過濾性能，結合國內外權威研究數據，深入探討其過濾機理、性能參數及實際應用效果。
二、組合式中效過濾器的基本結構與工作原理
2.1 定義與分類
組合式中效過濾器是一種由多個過濾單元組合而成的模塊化空氣過濾設備，通常采用無紡布、玻璃纖維、合成纖維等材料作為濾料，通過折疊、層壓等方式增加過濾麵積，提升容塵量和過濾效率。根據中國國家標準《GB/T 14295-2019 空氣過濾器》的分類，中效過濾器主要包括F5至F9等級，其中F5-F7為中效，F8-F9為高中效。
2.2 結構組成
典型的組合式中效過濾器由以下幾個部分構成：
| 組成部分 | 材料類型 | 功能說明 |
|---|---|---|
| 濾芯 | 聚酯纖維、玻璃纖維 | 主要過濾介質，攔截顆粒物 |
| 框架 | 鋁合金或鍍鋅鋼板 | 支撐結構，保證氣流均勻通過 |
| 分隔板 | 紙質或塑料隔板 | 防止濾紙折疊層塌陷，增大有效過濾麵積 |
| 密封膠條 | 聚氨酯或矽膠 | 防止漏風，確保密封性 |
| 保護網 | 不鏽鋼絲網或塑料網 | 防止濾材破損，增強機械強度 |
2.3 過濾機理
組合式中效過濾器主要通過以下四種物理機製捕獲顆粒物：
-
慣性碰撞（Inertial Impaction）：較大顆粒（如PM10）因質量大，在氣流方向改變時無法跟隨氣流繞過纖維，撞擊並附著在濾材表麵。該機製對粒徑大於1μm的顆粒尤為有效。
-
攔截效應（Interception）：當顆粒隨氣流運動時，若其軌跡與纖維表麵距離小於顆粒半徑，則會被纖維捕獲。
-
擴散沉積（Diffusion Deposition）：對於粒徑小於0.1μm的超細顆粒，布朗運動顯著，使其隨機碰撞纖維而被捕集。該機製對PM2.5中的亞微米顆粒尤為重要。
-
靜電吸附（Electrostatic Attraction）：部分濾材經過駐極處理，帶有靜電荷，可增強對微小顆粒的吸附能力，尤其適用於PM2.5的捕獲。
三、PM10與PM2.5的物理特性對比
為了深入理解過濾性能差異，需首先明確PM10與PM2.5的基本物理特性。
| 參數 | PM10（可吸入顆粒物） | PM2.5（細顆粒物） |
|---|---|---|
| 空氣動力學直徑 | ≤10μm | ≤2.5μm |
| 主要來源 | 揚塵、建築施工、道路揚塵 | 燃煤、機動車尾氣、工業排放 |
| 沉降速度 | 較快（約0.1–1 m/s） | 極慢（<0.01 m/s），可長期懸浮 |
| 進入人體部位 | 上呼吸道 | 可深入肺泡，甚至進入血液 |
| 健康影響 | 引發咳嗽、哮喘 | 導致心血管疾病、肺癌風險上升 |
| 典型濃度（城市） | 50–150 μg/m³ | 30–100 μg/m³ |
數據來源：中國環境監測總站（2023）；WHO Global Air Quality Guidelines, 2021
從上表可見，PM2.5由於粒徑更小、沉降速度慢、穿透性強，其控製難度遠高於PM10。這也決定了過濾器在捕獲PM2.5時需依賴更精細的過濾機製。
四、組合式中效過濾器對PM10與PM2.5的過濾效率測試
4.1 測試標準與方法
國際上廣泛采用的標準包括：
- 歐洲標準 EN 779:2012：按計數效率劃分F5-F9等級。
- 美國ASHRAE 52.2-2017：采用大氣塵計重法和人工塵計數法測定MERV值。
- 中國國家標準 GB/T 14295-2019：規定了中效過濾器的測試方法與性能分級。
測試通常在標準風洞中進行，使用多級離心式粒徑分級器（如Andersen Cascade Impactor）或光學粒子計數器（如TSI 3330）測量上下遊顆粒物濃度，計算過濾效率。
4.2 典型產品參數對比
下表列出了市場上常見的幾種組合式中效過濾器的技術參數及其對PM10與PM2.5的實測過濾效率：
| 型號 | 濾料材質 | 過濾等級（EN 779） | 初始阻力（Pa） | 額定風速（m/s） | PM10過濾效率（%） | PM2.5過濾效率（%） | 容塵量（g/m²） | 標準測試條件 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| FM-F6 | 聚酯+玻璃纖維 | F6 | 60 | 0.8 | 75–80 | 60–65 | 350 | EN 779:2012 |
| FM-F7 | 複合纖維（駐極） | F7 | 80 | 0.8 | 85–90 | 70–75 | 400 | EN 779:2012 |
| FM-F8 | 玻璃纖維+靜電層 | F8 | 110 | 0.8 | 92–95 | 82–86 | 450 | EN 779:2012 |
| AM-2000 | 納米纖維複合材料 | F7 | 75 | 0.7 | 88 | 78 | 380 | ASHRAE 52.2 |
| HEPACORE-M | 多層梯度過濾結構 | F8 | 105 | 0.8 | 94 | 88 | 500 | GB/T 14295 |
數據來源：某知名過濾器製造商技術手冊（2023）；清華大學建築節能研究中心測試報告
從上表可以看出：
- 隨著過濾等級從F6提升至F8，PM10和PM2.5的過濾效率均顯著提高。
- 駐極處理和納米纖維技術的應用顯著提升了對PM2.5的捕獲能力，尤其在F7及以上等級中表現突出。
- F8級過濾器對PM2.5的平均過濾效率可達85%以上，接近部分高效過濾器（HEPA）的低端水平。
4.3 不同粒徑下的效率曲線分析
根據美國ASHRAE的研究，中效過濾器的過濾效率隨粒徑變化呈現“U型”曲線特征，即在0.3μm左右效率低，稱為“易穿透粒徑”（Most Penetrating Particle Size, MPPS）。
| 粒徑（μm） | F6過濾器效率（%） | F7過濾器效率（%） | F8過濾器效率（%） |
|---|---|---|---|
| 0.1 | 55 | 68 | 80 |
| 0.3 | 50 | 62 | 75 |
| 1.0 | 70 | 80 | 90 |
| 2.5 | 78 | 86 | 93 |
| 5.0 | 82 | 88 | 95 |
| 10.0 | 85 | 92 | 97 |
數據來源：ASHRAE Technical Bulletin, 2020；Liu et al., 2021
分析表明：
- 對於PM10（平均粒徑約5–10μm），主要依賴慣性碰撞和攔截機製，因此過濾效率普遍較高，F6級即可達到80%以上。
- 對於PM2.5（尤其是0.3–1.0μm區間），由於其處於MPPS附近，擴散和攔截機製均較弱，導致過濾效率相對較低。F6級對0.3μm顆粒的過濾效率僅約50%，而F8級可提升至75%以上。
五、國內外研究進展與實證數據
5.1 國內研究綜述
清華大學張寅平等（2020）在《建築科學》期刊發表的研究指出，在北京某辦公建築中安裝F7級組合式中效過濾器後，室內PM2.5濃度從室外的78 μg/m³降至32 μg/m³，去除效率達59%；而對PM10的去除效率則高達78%。研究認為，中效過濾器在實際應用中對粗顆粒物控製效果顯著，但對細顆粒物仍需配合其他淨化手段。
中國建築科學研究院（CABR）2022年發布的《公共建築室內空氣質量控製技術導則》建議：在PM2.5汙染嚴重地區，宜采用F8及以上等級的中效過濾器，並定期更換以維持效率。
5.2 國際研究對比
美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）的Fisk等人（2019）在《Indoor Air》上發表的綜述指出，F7級過濾器在典型住宅通風係統中可使PM2.5暴露水平降低40–60%，而F8級可進一步提升至65–75%。研究強調，過濾器的初始效率與容塵量是影響長期性能的關鍵因素。
歐洲空氣質量專家Wierzbicka等（2021）在《Science of the Total Environment》中對斯德哥爾摩12棟辦公樓的實測數據顯示，采用F7過濾器的建築室內PM2.5濃度比未過濾建築低52%，而PM10降低幅度達70%以上。研究還發現，過濾器在運行3–6個月後，因積塵導致阻力上升，效率下降約10–15%，建議建立定期維護製度。
5.3 實際案例分析
以下為某醫院中央空調係統改造前後的空氣質量監測數據：
| 指標 | 改造前（無中效過濾） | 改造後（F8組合式中效） | 去除率（%） |
|---|---|---|---|
| 室外PM2.5（μg/m³） | 85 | 85 | — |
| 室內PM2.5（μg/m³） | 68 | 21 | 69 |
| 室外PM10（μg/m³） | 120 | 120 | — |
| 室內PM10（μg/m³） | 95 | 28 | 71 |
| 過濾器阻力（Pa） | — | 115（初始）→ 180（6個月後） | — |
數據來源：上海市某三甲醫院後勤保障部，2023年報告
該案例表明，F8級組合式中效過濾器在實際運行中對PM10和PM2.5均有顯著去除效果，且對PM10的去除率略高於PM2.5，符合理論預期。
六、影響過濾性能的關鍵因素
6.1 濾材特性
| 因素 | 對PM10的影響 | 對PM2.5的影響 | 說明 |
|---|---|---|---|
| 纖維直徑 | 中等 | 顯著 | 纖維越細，比表麵積越大，利於捕獲細顆粒 |
| 孔隙率 | 較小 | 較大 | 低孔隙率提高攔截效率，但增加阻力 |
| 靜電駐極處理 | 輕微 | 顯著 | 靜電可增強對亞微米顆粒的吸附力 |
| 多層梯度結構 | 有益 | 顯著有益 | 外層粗濾保護內層精濾，延長壽命 |
6.2 運行條件
| 條件 | 對PM10過濾影響 | 對PM2.5過濾影響 | 原因分析 |
|---|---|---|---|
| 風速增加 | 效率下降 | 效率顯著下降 | 氣流速度高，顆粒停留時間短，捕獲概率降低 |
| 相對濕度 >70% | 輕微影響 | 顯著影響 | 高濕環境下纖維吸水，靜電效應減弱 |
| 積塵量增加 | 初期提升 | 後期下降 | 初始積塵形成“二次過濾層”，但後期堵塞導致效率下降 |
清華大學李先庭教授團隊（2021）研究發現，當相對濕度從40%升至80%時，駐極濾材對0.3μm顆粒的過濾效率下降可達20%，而對10μm顆粒影響不足5%。
七、經濟性與維護策略
7.1 成本效益分析
| 過濾等級 | 單價（元/㎡） | 使用壽命（月） | 年更換成本（元/㎡） | PM2.5年均去除量（kg） |
|---|---|---|---|---|
| F6 | 80 | 6 | 160 | 1.2 |
| F7 | 120 | 8 | 180 | 1.8 |
| F8 | 180 | 10 | 216 | 2.5 |
假設年運行300天，風量1000m³/h，PM2.5濃度50μg/m³
從上表可見，F8級過濾器雖然初始成本較高，但因其更高的去除效率和較長壽命，在長期運行中單位汙染物去除成本更低。
7.2 維護建議
- 更換周期：建議F6級每6個月更換，F7級每8個月，F8級每10–12個月，或根據壓差計讀數（超過初始阻力1.5倍時更換）。
- 清洗禁忌：組合式中效過濾器為一次性使用產品，不可水洗或吹掃，以免破壞濾材結構。
- 安裝要求：確保密封良好，避免旁通漏風，建議使用壓敏膠帶或液態密封膠。
參考文獻
- 世界衛生組織（WHO）. (2021). Global Air Quality Guidelines: PM2.5, PM10, O₃, NO₂, SO₂ and CO. Geneva: WHO Press.
- 中國國家標準化管理委員會. (2019). GB/T 14295-2019 空氣過濾器. 北京: 中國標準出版社.
- ASHRAE. (2017). ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE.
- 張寅平, 趙彬, 李先庭. (2020). 中效空氣過濾器在辦公建築中的PM2.5控製效果研究. 建築科學, 36(5), 45–52.
- Liu, Y., et al. (2021). Performance evalsuation of medium-efficiency filters for PM2.5 removal in urban buildings. Building and Environment, 198, 107832.
- Fisk, W. J., et al. (2019). Benefits and costs of improving indoor air quality in offices. Indoor Air, 29(2), 187–200.
- Wierzbicka, A., et al. (2021). Field study of particle filtration efficiency in office buildings in Northern Europe. Science of the Total Environment, 756, 143876.
- 中國建築科學研究院. (2022). 公共建築室內空氣質量控製技術導則. 北京: CABR Press.
- 上海市環境監測中心. (2023). 上海市環境空氣質量年報. 上海: 上海市生態環境局.
- TSI Incorporated. (2020). Operation Manual for Model 3330 Optical Particle Counter. Shoreview, MN: TSI.
（全文約3,680字）
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