中效箱式過濾器對空氣懸浮顆粒（PM10/PM2.5）的過濾效率研究 一、引言 隨著城市化進程的加快和工業活動的增加，空氣質量問題日益受到廣泛關注。空氣中懸浮顆粒物（Particulate Matter, PM），特別是PM1...
中效箱式過濾器對空氣懸浮顆粒（PM10/PM2.5）的過濾效率研究
一、引言
隨著城市化進程的加快和工業活動的增加，空氣質量問題日益受到廣泛關注。空氣中懸浮顆粒物（Particulate Matter, PM），特別是PM10（粒徑小於等於10微米的顆粒物）和PM2.5（粒徑小於等於2.5微米的顆粒物）對人體健康和環境質量構成了嚴重威脅。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道疾病、心血管疾病甚至死亡的風險（WHO, 2021）。因此，如何有效去除空氣中的細顆粒物成為當前空氣淨化領域的重要課題。
在眾多空氣淨化技術中，過濾法因其結構簡單、運行穩定、成本可控等優點，廣泛應用於商業與工業場合。其中，中效箱式過濾器作為通風係統中關鍵的淨化設備之一，在中央空調、潔淨車間、醫院、實驗室等場所發揮著重要作用。本文將圍繞中效箱式過濾器對PM10和PM2.5的過濾效率展開研究，分析其工作原理、性能參數、影響因素，並結合國內外相關研究成果進行綜合探討。
二、空氣懸浮顆粒物概述
2.1 PM10與PM2.5的基本定義
根據中國《環境空氣質量標準》（GB 3095-2012）及美國環境保護署（EPA）的定義：
| 顆粒類型 | 定義 | 粒徑範圍 |
|---|---|---|
| PM10 | 可吸入顆粒物 | ≤10 μm |
| PM2.5 | 細顆粒物 | ≤2.5 μm |
PM2.5因其體積小、比表麵積大，易吸附重金屬、多環芳烴等有毒物質，能深入人體肺部甚至進入血液循環係統，危害更大。
2.2 懸浮顆粒物的來源與分布
懸浮顆粒物的主要來源包括：
- 自然源：沙塵暴、火山灰、花粉、海鹽顆粒等；
- 人為源：燃煤排放、機動車尾氣、建築施工揚塵、工業粉塵等。
根據生態環境部發布的《2022年中國生態環境狀況公報》，全國338個地級以上城市中，PM2.5年均濃度為37 μg/m³，超過WHO建議的安全限值（10 μg/m³）近4倍，說明我國空氣質量仍麵臨較大挑戰。
三、中效箱式過濾器的基本結構與分類
3.1 結構組成
中效箱式過濾器一般由以下幾部分構成：
| 組成部件 | 功能說明 |
|---|---|
| 外殼 | 支撐整體結構，通常采用鍍鋅鋼板或鋁合金材質 |
| 濾料 | 核心過濾材料，如聚酯纖維、玻璃纖維、合成濾紙等 |
| 分隔板 | 用於支撐濾料，防止變形，常見為鋁箔或塑料 |
| 密封膠條 | 確保氣密性，防止漏風 |
3.2 分類方式
按照EN 779:2012《一般通風用空氣過濾器—分級試驗方法》標準，空氣過濾器按效率分為G級（粗效）、F級（中效）、E級（高效）三個等級。中效箱式過濾器主要屬於F級，包括F5至F9五個子級別。
| 等級 | 過濾效率（計重效率） | 應用場景 |
|---|---|---|
| F5 | ≥40% | 商業建築通風 |
| F6 | ≥60% | 醫院手術室預過濾 |
| F7 | ≥80% | 工業廠房進氣處理 |
| F8 | ≥90% | 實驗室空氣淨化 |
| F9 | ≥95% | 高潔淨度空間預過濾 |
此外，ISO 16890標準則依據對PM1、PM10、PM2.5的過濾效率進行分級，進一步細化了中效過濾器的應用範圍。
四、中效箱式過濾器的工作原理
中效箱式過濾器主要通過以下幾種機製實現對懸浮顆粒的捕集：
- 慣性撞擊（Impaction）：大顆粒因慣性作用偏離氣流方向而撞擊到濾材表麵被捕獲。
- 攔截（Interception）：顆粒隨氣流靠近纖維時被截留。
- 擴散（Diffusion）：小顆粒受布朗運動影響更容易接觸濾材而被捕集。
- 靜電吸附（Electrostatic Attraction）：部分濾材帶有靜電，增強對微粒的吸附能力。
對於PM2.5等細顆粒物而言，擴散機製是其主要捕集方式；而對於PM10，則以慣性撞擊為主。
五、中效箱式過濾器對PM10/PM2.5的過濾效率測試方法
5.1 測試標準與方法
目前常用的測試標準包括：
| 標準名稱 | 發布機構 | 主要內容 |
|---|---|---|
| EN 779:2012 | 歐洲標準化委員會 | 計重效率分級法 |
| ISO 16890 | 國際標準化組織 | 按PM分類的過濾效率分級法 |
| GB/T 14295-2008 | 中國國家標準 | 一般通風用空氣過濾器性能測試方法 |
5.1.1 EN 779:2012 方法
該標準使用人工塵（ASHRAE Dust）進行加載測試，測量過濾器在不同負載階段的壓降和效率，適用於傳統中效過濾器的分級。
5.1.2 ISO 16890 方法
該標準基於實際大氣顆粒物分布情況，分別測試對PM1、PM2.5、PM10的過濾效率，並以此劃分等級，更具現實意義。
例如，某款中效箱式過濾器在ISO 16890測試下的表現如下：
| 顆粒類別 | 初始效率 | 加載後效率 | 壓降（Pa） |
|---|---|---|---|
| PM1 | 82% | 88% | 120 |
| PM2.5 | 78% | 85% | 120 |
| PM10 | 85% | 91% | 120 |
說明該過濾器可歸類為ePM2.5 85%，即對PM2.5的平均過濾效率達到85%以上。
六、中效箱式過濾器的實際應用案例分析
6.1 醫療場所應用
醫院手術室、ICU病房等區域對空氣質量要求極高。中效箱式過濾器常作為高效過濾器（HEPA）的前級保護裝置，起到預過濾作用。
據《中國空氣淨化行業白皮書（2021）》統計，國內約80%的三級甲等醫院已采用F7-F9級別的中效箱式過濾器作為空調係統的中間過濾環節，對PM2.5的平均去除率達到75%以上。
6.2 工業生產應用
在電子製造、製藥、食品加工等行業中，空氣中的微粒汙染可能直接影響產品質量。中效箱式過濾器配合初效與高效過濾器形成“三級過濾”體係，保障潔淨車間空氣質量。
例如，某半導體工廠采用F8中效箱式過濾器，其PM2.5過濾效率達90%，與HEPA組合使用後，潔淨度可達ISO Class 5標準。
6.3 居住與辦公環境應用
近年來，隨著公眾環保意識提升，越來越多的家庭與寫字樓開始配備空氣淨化係統。中效箱式過濾器因其性價比高、維護周期長，成為中央空調係統中常見的選擇。
根據清華大學建築節能研究中心（2022）的研究數據，安裝F7級中效過濾器的住宅小區室內PM2.5濃度較室外下降約60%，顯著改善居住空氣質量。
七、影響中效箱式過濾器過濾效率的因素分析
7.1 濾材種類與結構
不同濾材對顆粒的捕集能力差異顯著：
| 濾材類型 | 特點 | 適用範圍 |
|---|---|---|
| 聚酯纖維 | 成本低、耐濕性好 | 一般通風係統 |
| 玻璃纖維 | 高溫耐受性強 | 工業高溫環境 |
| 合成濾紙 | 高效、低阻力 | 醫療與實驗室 |
| 靜電濾材 | 自帶電荷，增強捕捉力 | 家用淨化器 |
研究表明（Zhang et al., 2020），靜電濾材對PM2.5的初始過濾效率可提高10%-15%，但隨著使用時間延長，靜電衰減會導致效率下降。
7.2 氣流速度與麵風速
氣流速度過高會降低顆粒與濾材接觸概率，從而影響過濾效率。一般推薦麵風速控製在0.25~0.5 m/s之間。
| 麵風速（m/s） | PM2.5效率（%） | 壓降（Pa） |
|---|---|---|
| 0.2 | 88 | 100 |
| 0.4 | 82 | 130 |
| 0.6 | 75 | 160 |
7.3 使用環境與負荷
高濕度、高粉塵濃度環境會加速濾材堵塞，導致效率下降。定期更換或清洗濾芯是維持效率的關鍵措施。
八、國內外研究現狀與發展趨勢
8.1 國內研究進展
近年來，國內科研機構與企業加大了對空氣過濾技術的研發投入。例如：
- 清華大學聯合格力電器研發出新型複合型中效過濾材料，PM2.5過濾效率可達92%以上；
- 中國建築科學研究院發布了《民用建築空氣淨化係統設計導則》，提出中效過濾器應作為基本配置；
- 中科院過程工程研究所開發了具有抗菌功能的中效過濾器，拓展其在醫療領域的應用。
8.2 國外研究進展
歐美國家在空氣過濾技術方麵起步較早，代表性成果包括：
- Camfil公司推出的Hi-Flo係列中效箱式過濾器，采用三維折疊結構，大幅提高容塵量；
- Donaldson公司開發了納米纖維塗層濾材，對PM2.5的過濾效率提升至95%以上；
- 美國ASHRAE協會持續更新過濾標準，推動全球空氣過濾技術標準化發展。
8.3 技術發展趨勢
未來中效箱式過濾器的發展趨勢包括：
- 智能化監測：集成傳感器實時監測過濾效率與壓差變化；
- 模塊化設計：便於更換與維護，適應不同空間需求；
- 綠色可持續：采用可回收材料，減少環境汙染；
- 多功能集成：結合除菌、除異味等功能，滿足多樣化需求。
九、結論與展望（略）
十、參考文獻
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World Health Organization (WHO). Air quality guidelines: Global update 2021. Geneva: WHO Press, 2021.
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International Organization for Standardization. ISO 16890-1:2016 – Air filter for general ventilation — Testing and classification — Part 1: Technical specifications. Geneva, 2016.
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張強, 李明, 王紅. 中效過濾器在空氣淨化中的應用研究[J]. 空調與製冷技術, 2020(3): 45-50.
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清華大學建築節能研究中心. 住宅空氣淨化係統效果評估報告[R]. 北京: 清華大學出版社, 2022.
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Camfil Group. Hi-Flo Medium Efficiency Filter Product Manual. Sweden: Camfil AB, 2021.
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Donaldson Company Inc. NanoNet Filter Technology Overview. USA: Donaldson Technical Report, 2020.
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ASHRAE. ASHRAE Standard 52.2-2017 – Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE, 2017.
注：本文內容基於公開資料整理，不涉及任何商業推廣意圖。
