空气过滤器对比分析研究

Comparative and Analytic Research on Air Filter

曹思循

CAO Si-xun

（中国国家博物馆）



空气过滤器对比分析研究

Comparative and Analytic Research on Air Filter

曹思循

CAO Si-xun

（中国国家博物馆）

1 引言

PM2.5、雾霾对于北京人来说已不再陌生，被污染的空气似乎已经司空见惯，且还有不断加重的趋势。PM2.5可以通过支气管和肺泡进入血液，其中的有害气体、重金属等溶解在血液中，对人体健康的伤害较大。PM2.5还可成为病毒和细菌的载体，为呼吸道传染病的传播推波助澜。PM2.5极容易造成心血管疾病，其浓度越高，灰霾天气越多，发病率就越高；同时也降低患者的抵抗力。它们中有50%会沉积在肺中造成肺部硬化，是造成肺癌的头号杀手。各国或组织机构都对污染物制定了标准，如表1所示。中国国家博物馆位于天安门广场东侧，馆藏120余万件文物且每年参观人数将近千万，为保障观众参观环境和文物存放安全，进行了PM2.5检测及过滤效率实验。

2 馆内空气质量现状

中国国家博物馆共有空调机组173台、新风机组51台，全部采用无纺布框架过滤网。近日来北京持续雾霾，对馆内及室外PM2.5进行持续检测，取部分数据列表分析。表2选取了5天室外空气达到严重污染（PM2.5浓度大于250μg/m3）时西入口大厅、一号中央大厅和南办公楼空气数据。西入口大厅是观众主要出入通道，环境受外界影响较大。一号中央大厅位于馆中部与外界空气对流较小，机组设置为全回风状态尽量减小新风流量，大厅气压状态为微正压防止外界空气涉入，所以相比其他部位空气质量较好。南办公楼位于大楼外且无空调机组，新风直接靠开窗流入，空气质量和外界相差不大。

表1 各国或组织机构制定的大气PM10和PM2.5标准

表2 室外及馆内部分区域实测PM2.5值 单位：μg/m3

3 空气过滤器过滤机制对比分析

针对馆内空气现状，对市场上现有过滤器进行分析比较。市场中主流空调PM2.5净化方案有：传统过滤技术（粗效、中效、高中效和亚高效）；高压静电净化装置；静电驻极体过滤单元。

3.1传统过滤技术主要机制

馆内现全部采用此种过滤方式。机械过滤机理可以细分为：筛分、惯性碰撞、直接捕获、布朗扩散4种。其中除了筛分机理外，其他3种都可以归因为微粒与过滤介质之间的微观力的作用，只是按照颗粒被捕获前的运动形态不同而进行了区分。

3.1.1筛分过滤机制

本机制为颗粒最小直径大于相邻纤维间距，嵌入后实现过滤。主要是针对直径较大的颗粒，例如纤维等。

3.1.2惯性碰撞过滤机制

本机制为大直径颗粒在气流的带动下，由于其惯性很大，会脱离气流轨迹，与纤维发生碰撞。主要适用于捕获直径大于1μm的颗粒。

3.1.3直接捕获过滤机制

本机制为由于惯性较小，中等直径的颗粒遇到纤维阻挡后随气流改变方向，当其距离小于颗粒直径的一半时被捕获。主要适用于直径大于0.5μm的颗粒。

3.1.4布朗扩散过滤机制

本机制为较小的粒子在空气分子的热运动撞击下，其运动轨迹是杂乱无规的。这增加了其与纤维碰撞的概率，此捕获机理主要是针对0.1μm以下的灰尘颗粒。

传统过滤技术的主要应用配置有:①采用单道初效空气过滤器（尼龙网/金属网/无纺布）（级别分为 C4/C3/C2/C1）；②采用初效空气过滤器（尼龙网/金属网/无纺布）＋中效或高中效布袋式或板式过滤器（级别分为Z3/Z2/Z1/GZ）；③采用初效空气过滤器＋高中效过滤器＋亚高效或高效过滤器。

3.2高压静电机制应用分析

高压静电空气过滤设备具备固态电源供应系统和自控系统，提供高达9245V直流电至电离线和高达4850V直流电至集尘板，可以产生强大的电力区，使空气悬浮颗粒物和杂质得到最大的电离转移。对通过电子式空气净化系统的空气悬浮颗粒物进行电离化，利用高压电离场将空气中所有的悬浮颗粒物强制附上正电，然后迅速被吸附收集在电子集尘室中。

电子式空气净化系统的高压电离场，会将空气中的细菌、病毒及尘螨等微生物的细胞核破坏并彻底杀死这些有害物质，残余物质会被电子集尘器收集，彻底杜绝了细菌、病毒以及传染病利用中央空调系统进行的繁殖传播，解决了交叉感染。

3.3静电驻极体过滤装置

静电驻极体过滤机制，是在传统过滤机制上增加了静电捕获过滤装置，原材料在生产过程中加入了静电技术，同时原材料采用创新、开放式结构设计。

4 空气过滤器优缺点比较

4.1无纺布初效过滤器

4.1.1 优点

①更换费用相对较低；

②市场上供应商多，有较大选择空间；

③有一定的过滤效果。

4.1.2 缺点

①对于PM2.5过滤效率效果差，空气质量差，室内空气质量无法得到保障；

②使用寿命较短，每月清洗，使用3个月后进行更换；

③过滤效率差，容易对换热器造成堵塞，管道管路积尘，换热器和通风管道清洗周期短；

④无纺布过滤器清洗麻烦，工作量大，需要从机组将过滤器拆除后，统一运送至水房用高压水枪冲洗，运送过程中容易造成扬灰，二次污染，需要使用大量人力、水资源，并且需要将过滤器晒干后，才可以安装在机组里。

4.2高压静电除尘装置

4.2.1 优点

①过滤PM2.5效率高但必须配合初效过滤网使用；

②阻力小，节省风机和电能；

③能消灭细菌、病毒等有害物质。

4.2.2 缺点

①虽然电子净化器初始过滤效率都比较高，但是过滤器的过滤效率都是在未捕尘的状态下测试的，而实际使用时，电子净化器会因为捕获的灰尘量增加会逐渐产生电晕封闭现象，致使电子净化器没有相应的净化效果，这时需要对净化器进行清洗。

②需要外接电源，对于机组数量多的用户而言，能耗成本支出费用增加，接通电源为220～380V非安全电压，应用环境潮湿、黑暗、接触材料全部为导体，因此存在一定安全隐患。

表3 各种过滤网过滤效果测试

③高压静电除尘过滤机制，无论采用正晕电场还是负晕电场，都会产生臭氧及氮氧化合物等有害物质，只是前者较后者相对低一些而已。室内空气高压静电除尘装置多采用正晕电场，但同时正晕电场产生的电场较低，正晕电场的击穿临界电场较低，所以运行稳定性较差。

④对于风速要求较高的机组，通常在风速高于2.5m/s后，效率有所下降。

⑤清洗工作通常需要专业维保单位（或供货厂家）进行，清洗成本高。如安排自己物业员工清洗，难度大且容易损坏设备；长时间使用后，积尘板被电离氧化，十分难清洗，需要使用药物清洗（积尘板再次被氧化）；氧化后的积尘板积尘效果逐渐衰减，并且越来越难清洗，积尘效果越来越差，形成恶性循环，造成积尘效果不佳，二次扬灰，失去积尘效果。

4.3静电驻极体过滤装置

4.3.1 优点

①过滤PM2.5效率高。

②不需要外接电源，不增加任何能耗，不产生任何有害气体，不存在任何安全隐患。

③静电驻极体过滤装置，安装、更换、维护简单、便捷，与无纺布框架过滤器使用相同框架，无需大量施工和对机组改造，对于机组过滤段要求较低。

4.3.2 缺点

①虽然过滤PM2.5效率高，但使用一段时间后阻力会有所增加。

②过滤PM2.5的高效过滤网，不能清洗且半年必须更换。

③在各种过滤器中，使用后更换清洗费用最高。

5 空气过滤器测试数据

针对各种空气过滤器进行过滤效果测试，测试结果见表3。测试日室外空气PM2.5浓度为137μg/m3，属于中度污染。方案二为新风口安装一道无纺布过滤网，机组内再装一道无纺布过滤网，共安装两道无纺布过滤网。方案一、方案三、方案四为在机组内安装3种过滤器测试数据。

6 结束语

各种空气过滤器都有自己的优缺点。总体而言，过滤PM2.5效率越高运行费用越贵，应根据要达到的目标选用合适空气过滤器。若遇雾霾天气应尽量减少外出活动和关闭门窗，对减少对人体的损害有一定的作用。在家中还应开启空气净化器，因为即使关闭门窗也无法完全阻挡室外污染空气的进入。若以75μg/m3作为室内PM2.5质量浓度限值，气密性较低的塑钢平开窗承受室外PM2.5污染浓度约为175μg/m3，而气密性较高的断桥铝上悬窗承受室外PM2.5污染度可达到300μg/m3，可见当室外污染较重时都需要室内开启空气净化器。但空气净化器无法降低室内二氧化碳浓度（规范规定每人需要30m3/h新风），可在中午（此时浓度一般为一天中最低）开一会儿窗来维持室内良好环境。

参考文献

[1] 王清勤.室外细颗粒物建筑围护结构穿透及被动控制措施

[J].暖通空调，2014,45（12）：8-13.

[2] 喻京英.口罩能否挡住PM2.5[R].人民日报海外版，2011.

[3] 环境保护部.环境空气质量标准[J].空气质量准则，2012.

【摘要】众所周知，空气污染日益加剧，室内空气超标。论文基于过滤器过滤原理不同，对3种不同类型的过滤器进行对比分析研究，揭示出各种过滤器的优缺点；并以国家博物馆过滤效率数据为研究背景，在相同工况下分析得出各种过滤器的过滤工况的使用条件，为今后进行过滤器选择奠定基础。

（National Museum of China）

【Abstract】It is well known that air pollution is increasingly intensifying.Indoor air quality is over standard.Based on different filter principle of filter,three different types of filters carry on comparative analysis.The paper reveals the advantages and disadvantages of various filters.And the research background is in national museum of China.In the same working conditions,the paper analyses on application conditions of various filters,and to provide basis for future selection of filter.

【关键词】PM2.5；空气污染；空气过滤器；过滤效率

【Keywords】PM2.5; air pollution; air filter; filtration efficiency