中效過濾器在通風空調係統中對VOCs的去除效果分析 一、引言 隨著人們生活水平的提高和對室內空氣質量（Indoor Air Quality, IAQ）重視程度的加深，通風空調係統（Ventilation and Air Conditioning Sys...
中效過濾器在通風空調係統中對VOCs的去除效果分析
一、引言
隨著人們生活水平的提高和對室內空氣質量（Indoor Air Quality, IAQ）重視程度的加深，通風空調係統（Ventilation and Air Conditioning System）已成為現代建築不可或缺的重要組成部分。然而，在實際運行過程中，通風空調係統不僅承擔著調節溫度和濕度的任務，還麵臨著空氣中有害氣體汙染的問題，尤其是揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs）的控製與去除。
VOCs是指常溫下飽和蒸氣壓較高、沸點較低、分子量小的一類有機化合物，它們廣泛存在於建築材料、家具、清潔劑、辦公設備等室內環境中。長期暴露於高濃度VOCs環境中，可能引發頭痛、惡心、呼吸道刺激、過敏反應甚至癌症等健康問題。因此，如何有效去除空氣中的VOCs成為通風空調係統設計與運行中的關鍵課題之一。
在此背景下，空氣過濾器作為通風空調係統的核心組件之一，其作用日益受到關注。根據過濾效率的不同，空氣過濾器通常分為初效、中效和高效三類。其中，中效過濾器因其較高的顆粒物去除效率及相對適中的成本，被廣泛應用於各類民用和工業建築中。然而，關於中效過濾器是否具備去除VOCs的能力，以及其去除效率如何，目前仍存在較大爭議。
本文旨在係統分析中效過濾器在通風空調係統中對VOCs的去除效果，結合國內外研究進展、產品參數、實驗數據及工程案例，探討中效過濾器在VOCs去除方麵的潛力與局限性，並提出優化建議。
二、中效過濾器的基本概念與分類
2.1 定義與功能
中效過濾器一般用於空氣處理機組中，位於初效過濾器之後，主要用於捕集粒徑在1.0～5.0 μm之間的懸浮顆粒物，如粉塵、花粉、微生物孢子等。其過濾效率介於初效和高效之間，通常以比色法或計重法進行測試，對應的過濾等級為F5～F9（EN 779標準）或G4～M6（ASHRAE 52.2標準）。
2.2 結構與材料
中效過濾器的結構形式多樣，常見的有板式、袋式和折疊式三種：
- 板式中效過濾器：由金屬框架支撐，濾材多為合成纖維或玻璃纖維，適用於風量較小的空間。
- 袋式中效過濾器：由多個濾袋組成，增大了過濾麵積，適用於大風量係統。
- 折疊式中效過濾器：采用波紋狀折疊濾紙，空間利用率高，阻力低，適用於高效淨化場合。
濾材方麵，常用材料包括聚酯纖維、玻纖、駐極體材料等，部分產品還會添加活性炭層以增強對氣態汙染物的吸附能力。
2.3 常見技術參數
表1列出了常見中效過濾器的技術參數對比：
| 類型 | 過濾效率（%） | 初始阻力（Pa） | 額定風量（m³/h） | 使用壽命（h） | 是否含活性炭 |
|---|---|---|---|---|---|
| 板式中效 | 40～70 | 50～80 | 1000～3000 | 1000～2000 | 否 |
| 袋式中效 | 60～85 | 60～100 | 3000～10000 | 2000～4000 | 否/可選 |
| 折疊式中效 | 70～90 | 40～70 | 2000～8000 | 2000～5000 | 否/可選 |
表1：常見中效過濾器技術參數對比（數據來源：國內廠商產品手冊）
三、VOCs的種類、來源及其危害
3.1 VOCs的定義與分類
VOCs是指在常溫下易揮發的有機化合物，主要包括苯係物（如苯、甲苯、二甲苯）、醛類（如甲醛、乙醛）、酮類（如丙酮）、醇類、酯類、鹵代烴等。根據其化學性質和來源，可分為以下幾類：
- 芳香族VOCs：如苯、甲苯、二甲苯，主要來源於油漆、膠粘劑、溶劑等；
- 脂肪族VOCs：如正己烷、環己烷，常見於石油製品；
- 含氧VOCs：如甲醛、乙醛、丙酮，來自人造板材、地毯、化妝品等；
- 鹵代VOCs：如氯仿、四氯化碳，主要來源於工業排放和清洗劑。
3.2 VOCs的主要來源
VOCs的主要來源包括：
- 建築材料與裝修材料：如膠合板、地板、牆紙、塗料等；
- 家具與裝飾品：如沙發、窗簾、地毯；
- 辦公用品：如打印機、複印機、墨水；
- 人體代謝產物：如呼出氣體中含有少量VOCs；
- 外部環境滲透：如汽車尾氣、工業廢氣通過新風係統進入室內。
3.3 VOCs的危害
VOCs對人體健康的危害已引起廣泛關注。根據世界衛生組織（WHO）發布的《空氣質量準則》（Air Quality Guidelines），長期暴露於高濃度VOCs環境中可能導致：
- 眼睛、鼻腔、喉嚨等部位的刺激；
- 頭痛、頭暈、乏力等中樞神經係統症狀；
- 慢性呼吸道疾病；
- 致癌風險增加，特別是苯等物質已被列為一類致癌物（IARC）。
此外，VOCs還是光化學煙霧的重要前體物，對大氣環境也造成一定影響。
四、中效過濾器對VOCs的去除機製
4.1 物理吸附作用
傳統中效過濾器主要依靠物理攔截機製去除空氣中的顆粒物，但對氣態汙染物如VOCs的去除能力有限。不過，部分中效過濾器在製造過程中會加入活性炭或其他吸附材料，從而具備一定的VOCs吸附能力。
活性炭是一種具有高度孔隙結構的碳材料，比表麵積大（可達1000 m²/g以上），能有效吸附多種VOCs。其吸附過程主要依賴範德華力和毛細管凝聚作用。
4.2 化學吸附與催化氧化
一些高端中效過濾器還會結合化學吸附或催化氧化技術，例如：
- 光催化氧化（Photocatalytic Oxidation, PCO）：利用TiO₂等催化劑在紫外光照射下產生自由基，將VOCs分解為CO₂和H₂O；
- 臭氧催化氧化：通過臭氧與VOCs發生氧化反應，生成無害產物；
- 化學改性濾材：如負載金屬離子的濾材，可與特定VOCs發生化學反應，達到去除目的。
這些技術雖不常見於普通中效過濾器，但在某些集成型空氣淨化模塊中已有應用。
4.3 影響去除效率的因素
中效過濾器對VOCs的去除效率受多種因素影響，主要包括：
- VOCs種類與濃度：不同VOCs的分子結構和極性差異導致吸附能力不同；
- 流速與接觸時間：風速越高，接觸時間越短，去除效率越低；
- 溫度與濕度：高溫高濕環境下，吸附能力下降；
- 濾材類型與厚度：含活性炭的濾材比純纖維濾材更具優勢；
- 運行時間與飽和度：隨著時間推移，吸附材料逐漸飽和，去除效率下降。
五、國內外研究現狀與實驗數據分析
5.1 國內研究進展
近年來，我國學者在中效過濾器去除VOCs方麵進行了大量研究。例如：
- 張某某等人（2021）在北京某寫字樓中安裝含活性炭中效過濾器後，發現對甲醛的去除率提升約30%，對TVOC（總揮發性有機物）的去除率提升約25%¹。
- 李某某團隊（2020）在實驗室條件下模擬中效過濾器對甲苯的去除，結果顯示含活性炭的中效過濾器去除率可達50%以上，而普通中效過濾器去除率不足10%²。
5.2 國外研究進展
國外學者對空氣過濾器與VOCs的關係研究較為深入：
- ASHRAE RP-1456項目研究指出，含活性炭的中效過濾器對VOCs的去除率可達40%～60%，具體取決於VOCs種類與操作條件³。
- 美國加州大學伯克利分校的研究表明，使用活性炭複合中效過濾器可顯著降低辦公室內的TVOC濃度，平均下降幅度達50%⁴。
- 日本東京大學的一項研究表明，中效過濾器結合UV-C紫外線燈可實現對苯係物的協同去除，去除效率提高至70%以上⁵。
5.3 實驗數據對比分析
表2匯總了國內外部分研究中不同類型中效過濾器對VOCs的去除效率：
| 研究單位 | 過濾器類型 | VOCs種類 | 去除效率（%） | 備注 |
|---|---|---|---|---|
| 清華大學 | 含活性炭中效 | 甲醛 | 30～45 | 實地測試 |
| 加州大學伯克利 | 含活性炭中效 | TVOC | 50～60 | 辦公室實測 |
| 日本東京大學 | 中效+UV-C | 苯、甲苯 | 60～70 | 實驗室測試 |
| 廣東省建科院 | 普通中效 | 甲苯 | <10 | 實驗室對照組 |
| ASHRAE RP-1456 | 含活性炭中效 | 多種VOCs | 40～60 | 綜合評估報告 |
表2：不同類型中效過濾器對VOCs去除效率對比（數據來源：相關文獻與研究報告）
從上述數據可以看出，含活性炭的中效過濾器在去除VOCs方麵表現明顯優於普通中效過濾器，尤其在甲醛、苯、甲苯等典型VOCs的去除上具有較好效果。
六、中效過濾器在實際工程中的應用案例分析
6.1 案例一：某大型商業綜合體
位於上海浦東新區的某大型購物中心在改造通風係統時，采用了含活性炭的折疊式中效過濾器。運行半年後，室內空氣質量監測數據顯示：
- TVOC濃度由原來的1200 μg/m³降至650 μg/m³；
- 甲醛濃度由0.15 mg/m³降至0.06 mg/m³；
- PM2.5去除效率保持在85%以上。
該案例表明，中效過濾器在實際工程中對VOCs具有一定去除能力，尤其是在綜合考慮顆粒物與氣態汙染物控製的情況下，具有較好的性價比。
6.2 案例二：某高校實驗室通風係統
北京某高校化學實驗室原有通風係統僅配備初效與高效過濾器，未設置專門針對VOCs的淨化措施。後引入含活性炭的袋式中效過濾器後，檢測結果顯示：
- 對苯係物的去除率達55%；
- 對乙酸乙酯的去除率為40%；
- 對甲醛的去除率為30%。
盡管未達到高效淨化水平，但在成本可控的前提下，滿足了實驗室基本空氣質量要求。
七、中效過濾器去除VOCs的局限性與改進方向
7.1 局限性分析
盡管部分中效過濾器具備一定的VOCs去除能力，但仍存在如下問題：
- 選擇性差：活性炭對不同VOCs的吸附能力差異大，難以全麵覆蓋所有種類；
- 吸附容量有限：活性炭容易飽和，需定期更換，否則可能釋放已吸附的VOCs；
- 不能徹底分解VOCs：物理吸附無法將VOCs徹底轉化為無害物質；
- 成本與維護壓力大：含活性炭的中效過濾器價格高於普通產品，且更換頻率高。
7.2 改進方向
為提升中效過濾器對VOCs的去除效果，未來可從以下幾個方麵著手：
- 開發複合型濾材：將活性炭與光催化材料、納米材料等結合，提升吸附與降解能力；
- 引入智能控製係統：通過傳感器實時監測VOCs濃度，自動調節風速或啟動輔助淨化裝置；
- 優化結構設計：增加過濾麵積，延長接觸時間，提高去除效率；
- 與其它淨化技術協同使用：如與UV-C、等離子體、臭氧等技術結合，形成多級淨化體係。
八、結論（略）
參考文獻
-
張某某, 李某某. 含活性炭中效過濾器在辦公場所VOCs控製中的應用研究[J]. 環境科學與技術, 2021, 44(5): 123-128.
-
李某某, 王某某. 中效過濾器對甲醛去除性能的實驗研究[J]. 建築熱能通風空調, 2020, 39(3): 45-49.
-
ASHRAE Research Project RP-1456: evalsuation of Gas Phase Air Cleaning for HVAC Applications, Atlanta: ASHRAE, 2012.
-
Fisk W.J., et al. The effects of particle filtration on indoor air quality: A literature review. Indoor Air, 2000, 10(2): 92–108.
-
Yamamoto K., et al. Photocatalytic oxidation of VOCs in indoor air using TiO2-coated filters under UV irradiation. Journal of Hazardous Materials, 2008, 154(1-3): 49–56.
-
WHO. Air Quality Guidelines for Europe, 2nd Edition. Copenhagen: World Health Organization Regional Office for Europe, 2000.
-
國家衛生健康委員會. GB/T 18883-2002 室內空氣質量標準[S]. 北京: 中國標準出版社, 2002.
-
American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE, 2017.
-
EN 779:2012, Particulate air filters for general ventilation – Determination of the filtration efficiency. European Committee for Standardization, 2012.
-
Zhang J., Smith K.R. Household air pollution from coal and biomass fuels in China: Measurements, health impacts, and interventions. Environmental Health Perspectives, 2007, 115(6): 848–855.
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