基於PM2.5淨化需求的低阻高效過濾器效率測試方法 1. 引言 隨著城市化進程加快和工業排放增加，空氣汙染問題日益嚴重，尤其是細顆粒物（PM2.5）已成為影響公眾健康的重要環境因素。根據世界衛生組織（WH...
基於PM2.5淨化需求的低阻高效過濾器效率測試方法
1. 引言
隨著城市化進程加快和工業排放增加，空氣汙染問題日益嚴重，尤其是細顆粒物（PM2.5）已成為影響公眾健康的重要環境因素。根據世界衛生組織（WHO）發布的《空氣質量指南》（2021年版），長期暴露於高濃度PM2.5環境中會顯著增加呼吸係統疾病、心血管疾病甚至早逝的風險[1]。為應對這一挑戰，空氣淨化設備在家庭、醫院、辦公樓等場所廣泛應用，而其中核心部件——空氣過濾器的性能直接決定了淨化效果。
在眾多過濾技術中，低阻高效過濾器因其在保持較高顆粒物去除效率的同時具備較低氣流阻力，成為當前研究與應用的重點方向。然而，如何科學、準確地評估其對PM2.5的過濾效率，尤其是在不同工況下的表現，仍存在標準不一、測試方法多樣等問題。本文旨在係統闡述基於PM2.5淨化需求的低阻高效過濾器效率測試方法，涵蓋測試原理、實驗裝置、關鍵參數、國內外標準對比及實際應用案例，並結合新研究成果提出優化建議。
2. PM2.5特性及其對過濾器的要求
2.1 PM2.5的定義與來源
PM2.5是指空氣中空氣動力學直徑小於或等於2.5微米的懸浮顆粒物（Particulate Matter, PM）。這類顆粒可深入肺泡甚至進入血液循環，危害極大。其主要來源包括：
- 燃煤與工業排放
- 機動車尾氣
- 建築揚塵
- 生物質燃燒
- 二次氣溶膠形成（如SO₂、NOₓ轉化為硫酸鹽和硝酸鹽）
根據中國生態環境部發布的《中國生態環境狀況公報（2023年）》，全國地級及以上城市PM2.5年均濃度為30 μg/m³，雖較往年有所下降，但仍高於WHO建議的年均5 μg/m³標準[2]。
2.2 過濾器對PM2.5的捕集機製
低阻高效過濾器主要通過以下四種物理機製實現對PM2.5的捕集：
| 捕集機製 | 作用原理 | 主要適用粒徑範圍 |
|---|---|---|
| 慣性碰撞（Inertial Impaction） | 高速氣流中大顆粒因慣性偏離流線撞擊纖維表麵 | >1 μm |
| 截留效應（Interception） | 顆粒隨氣流運動時與纖維表麵接觸並被捕獲 | 0.3–1 μm |
| 擴散沉積（Diffusion Deposition） | 小顆粒受布朗運動影響與纖維碰撞 | <0.1 μm |
| 靜電吸附（Electrostatic Attraction） | 利用駐極體材料產生的靜電場吸引帶電或極化顆粒 | 全粒徑，尤其0.1–0.3 μm |
值得注意的是，0.3 μm左右的顆粒由於上述機製的綜合效應弱，被稱為“易穿透粒徑”（Most Penetrating Particle Size, MPPS），是評價高效過濾器性能的關鍵指標[3]。
3. 低阻高效過濾器的技術特征
3.1 定義與分類
低阻高效過濾器通常指在滿足高效過濾等級（如H11以上）的前提下，具有較低初始壓降（一般≤100 Pa）的空氣過濾產品。常見類型包括：
- 駐極體熔噴非織造布過濾器：利用靜電增強捕集能力，阻力低。
- 納米纖維複合過濾器：通過靜電紡絲技術製備超細纖維層，提高表麵積與攔截效率。
- 梯度密度多層結構過濾器：前層粗纖維預過濾，後層細纖維精過濾，實現分級捕集。
3.2 關鍵產品參數
下表列出了典型低阻高效過濾器的主要技術參數：
| 參數名稱 | 單位 | 典型值範圍 | 測試標準 |
|---|---|---|---|
| 過濾效率（NaCl法，MPPS） | % | 85–99.97 | GB/T 6165-2021 / ISO 29463 |
| 初始阻力 | Pa | 30–90 | ASHRAE 52.2 / JIS Z 8122 |
| 額定風量 | m³/h | 300–1500 | 根據規格定製 |
| 容塵量 | g/m² | 15–40 | EN 779:2012 |
| 使用壽命 | h | 3000–8000 | 實際運行條件決定 |
| 材料構成 | — | PP+PET+駐極體塗層 | — |
| 過濾等級（EN 1822） | — | H11–H13 | EN 1822-1:2009 |
注：H13級過濾器對MPPS的過濾效率需≥99.95%，初始阻力通常控製在100 Pa以內。
4. 過濾器效率測試方法體係
4.1 國內外主要測試標準對比
目前全球範圍內有多個權威機構製定了空氣過濾器測試標準，其側重點略有不同。
| 標準編號 | 發布機構 | 適用範圍 | 測試氣溶膠 | 測試粒徑 | 效率計算方式 |
|---|---|---|---|---|---|
| GB/T 6165-2021 | 中國國家標準化管理委員會 | 高效及超高效過濾器 | NaCl、DOP | 0.1–0.5 μm掃描 | 計數法（上下遊粒子數比） |
| ISO 29463:2022 | 國際標準化組織 | 高效/超高效過濾器 | DEHS、PAO | 掃描法測MPPS | 局部穿透率與整體效率 |
| EN 1822-1:2009 | 歐洲標準化委員會 | HEPA/ULPA過濾器 | DEHS | 0.1–0.3 μm | MPPS點效率分級（H10-H14） |
| ASHRAE 52.2-2017 | 美國采暖製冷空調工程師學會 | 一般通風過濾器 | KCl、ASHRAE塵 | 粒徑分段（0.3–10 μm） | MERV評級（Minimum Efficiency Reporting Value） |
| JIS Z 8122:2015 | 日本工業標準 | 潔淨室用過濾器 | Dioctyl phthalate (DOP) | 0.1–0.5 μm | 粒子計數法 |
從上表可見，EN 1822與ISO 29463更強調對MPPS的精確測量，適用於高端醫療、半導體等行業；而ASHRAE 52.2側重綜合性能評估，適合民用與商業建築領域。中國國家標準GB/T 6165已逐步與國際接軌，采用鈉焰法和粒子計數法雙軌製。
4.2 測試原理與流程
4.2.1 測試係統組成
典型的低阻高效過濾器效率測試平台由以下部分構成：
- 氣溶膠發生器：用於生成穩定、單分散或窄分布的測試顆粒，常用NaCl、DEHS或KCl。
- 混合腔：確保氣溶膠均勻分布。
- 上遊采樣探頭：位於過濾器入口前，采集未過濾空氣樣本。
- 下遊采樣探頭：位於過濾器出口後，采集過濾後空氣。
- 粒子計數器：高精度光學粒子計數器（OPC），可分辨0.1 μm以上顆粒。
- 流量控製係統：包括風機、節流閥和質量流量計，維持恒定風速（通常為0.02–0.05 m/s麵風速）。
- 壓差傳感器：測量過濾器前後壓降。
- 數據采集係統：實時記錄效率、阻力、溫濕度等參數。
4.2.2 測試步驟（以GB/T 6165為例）
-
將待測過濾器安裝於測試台上，密封良好；
-
開啟氣溶膠發生器，調節濃度至（20±5）mg/m³；
-
穩定運行10分鍾後，使用粒子計數器分別測量上下遊0.3 μm、0.5 μm、1.0 μm、3.0 μm、5.0 μm五個粒徑檔的粒子濃度；
-
每個粒徑至少采集3次數據，取平均值；
-
計算各粒徑下的過濾效率：
$$
eta = left(1 – frac{C{text{down}}}{C{text{up}}} right) times 100%
$$其中，$ C{text{up}} $ 和 $ C{text{down}} $ 分別為上下遊粒子數濃度。
-
同時記錄初始壓降；
-
可選：進行容塵量測試，持續引入標準粉塵直至壓降上升至初阻的2倍。
4.3 PM2.5專項測試方案設計
針對PM2.5淨化的實際應用場景，傳統測試方法存在一定局限性。例如，NaCl氣溶膠雖穩定性好，但與真實大氣中複雜成分（有機碳、黑碳、硫酸鹽等）差異較大。為此，近年來發展出多種改進型測試方法。
4.3.1 多組分複合氣溶膠測試法
參考清華大學王海燕團隊的研究[4]，采用模擬真實PM2.5成分的複合氣溶膠進行測試，具體配方如下：
| 成分 | 質量比例 | 來源模擬 |
|---|---|---|
| 硫酸銨 ((NH₄)₂SO₄) | 30% | 二次無機氣溶膠 |
| 硝酸銨 (NH₄NO₃) | 20% | 二次無機氣溶膠 |
| 黑碳（炭黑） | 15% | 機動車尾氣 |
| 有機物（鄰苯二甲酸二辛酯，DOP） | 20% | 揮發性有機物氧化產物 |
| 地殼元素（SiO₂、Al₂O₃混合） | 15% | 揚塵 |
該方法能更真實反映過濾器在複雜汙染環境中的性能衰減規律。
4.3.2 動態負載測試（Dynamic Loading Test）
借鑒美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）提出的動態老化模型[5]，在測試過程中持續注入標準大氣塵（ASHRAE Dust），模擬長期使用過程中的積塵影響。測試周期通常設定為72小時，每6小時記錄一次效率與阻力變化。
實驗結果顯示，某些低阻過濾器在初期效率高達98%，但在負載48小時後效率下降至90%以下，表明其容塵能力有限。因此，僅看初始效率不足以評價實際性能。
5. 實驗數據分析與案例研究
5.1 不同類型過濾器性能對比
選取市場上常見的三種低阻高效過濾器，在相同測試條件下（風速0.03 m/s，NaCl氣溶膠，MPPS=0.3 μm）進行對比測試：
| 過濾器類型 | 初始效率（%） | 初始阻力（Pa） | 負載後效率（72h, %） | 阻力增長（ΔP, Pa） | 綜合評分（效率×壽命/阻力） |
|---|---|---|---|---|---|
| 駐極體熔噴濾材（A品牌） | 98.2 | 45 | 94.1 | +68 | 8.3 |
| 納米纖維複合濾材（B品牌） | 99.5 | 78 | 97.8 | +42 | 9.1 |
| 梯度多層PP/PET（C品牌） | 96.8 | 38 | 92.3 | +85 | 6.7 |
數據來源：中國建築科學研究院空調所2023年度檢測報告
分析可知，納米纖維複合型過濾器雖然初始阻力略高，但效率保持性和抗堵塞性能優，適合高潔淨要求場所；而普通駐極體濾材性價比高，適用於家用空氣淨化器。
5.2 溫濕度對過濾效率的影響
根據浙江大學陳光明教授團隊的研究[6]，相對濕度（RH）顯著影響駐極體材料的靜電保持能力。實驗數據顯示：
| RH (%) | 過濾效率變化（vs 幹燥狀態） | 原因分析 |
|---|---|---|
| 30% | +1.2% | 靜電增強擴散效應 |
| 50% | ±0.5% | 平衡狀態 |
| 70% | -3.8% | 水分子屏蔽電荷，降低靜電吸引力 |
| 90% | -7.5% | 纖維潤濕導致結構變形 |
因此，在高濕環境下應優先選用疏水性材料或添加防水塗層。
6. 國內外研究進展與技術創新
6.1 新型測試技術的發展
近年來，激光誘導熒光（LIF） 和 掃描電遷移率粒徑譜儀（SMPS） 被引入過濾器測試領域，可實現亞微米級顆粒的高分辨率分析。美國科羅拉多大學博爾德分校的研究表明，SMPS結合差分電遷移分析器（DMA）可精確識別MPPS位置，誤差小於±0.02 μm[7]。
此外，在線監測係統逐漸普及，如 Honeywell 和 Camfil 推出的智能過濾器模塊，內置壓差傳感器與粒子計數單元，可實時反饋效率衰減趨勢。
6.2 人工智能輔助預測模型
北京航空航天大學李峂課題組開發了基於機器學習的過濾器壽命預測模型，輸入參數包括初始效率、阻力、容塵量、運行風速、環境PM2.5濃度等，輸出為剩餘使用壽命（RUL）。該模型在某地鐵站空氣淨化係統中驗證，預測準確率達89.6%[8]。
7. 應用場景與選型建議
7.1 不同場所的過濾器選型對照表
| 應用場景 | PM2.5濃度範圍（μg/m³） | 推薦過濾等級 | 風阻要求 | 特殊考慮 |
|---|---|---|---|---|
| 家庭住宅 | 35–150 | H11–H12 | <80 Pa | 噪音控製、能耗 |
| 醫院病房 | <15（潔淨區） | H13 | <100 Pa | 微生物控製 |
| 辦公樓宇 | 50–100 | H11 | <70 Pa | 能效比（EER） |
| 潔淨室（Class 7） | <5 | H13–H14 | <120 Pa | 氣密性、掃描檢漏 |
| 工業車間 | 100–500 | F8+F9+H10組合 | <150 Pa | 耐高溫、耐腐蝕 |
7.2 維護與更換策略
建議建立定期檢測製度，當出現以下情況之一時應考慮更換：
- 壓差達到初阻的2倍；
- 實測PM2.5淨化效率下降超過15個百分點；
- 外觀明顯變色或破損；
- 運行時間超過製造商推薦壽命（通常3–5年）。
參考文獻
[1] World Health Organization. WHO global air quality guidelines: particulate matter (PM2.5 and PM10), ozone, nitrogen dioxide, sulfur dioxide and carbon monoxide. Geneva: WHO Press, 2021.
[2] 生態環境部. 《2023年中國生態環境狀況公報》. 北京: 生態環境部, 2024.
[3] D. Y. H. Pui, S. C. Yu, and B. Y. H. Liu. "Experimental study of particle penetration through commercial HVAC filters." Aerosol Science and Technology, vol. 12, no. 2, pp. 503–518, 1990.
[4] 王海燕, 劉曉東, 張強. “複合氣溶膠法在空氣淨化器性能測試中的應用.”《環境科學學報》, 第41卷, 第5期, 2021, pp. 1892–1900.
[5] Singer, B.C., et al. Performance of residential air cleaning devices under realistic operating conditions. LBNL Report No. 52667, 2003.
[6] 陳光明, 周偉, 李娜. “相對濕度對駐極體空氣過濾材料性能的影響.”《功能材料》, 第45卷, 第8期, 2014, pp. 8012–8016.
[7] Johnson, G.R., et al. "evalsuation of HEPA filter performance using SMPS and optical particle counters." Journal of the International Society for Respiratory Protection, vol. 25, no. 1, pp. 45–56, 2008.
[8] 李峂, 王磊, 趙陽. “基於LSTM神經網絡的空氣過濾器壽命預測模型.”《暖通空調》, 第53卷, 第3期, 2023, pp. 67–73.
[9] GB/T 6165-2021. 《高效空氣過濾器性能試驗方法 鈉焰法和計數法》. 北京: 中國標準出版社, 2021.
[10] EN 1822-1:2009. High efficiency air filters (HEPA and ULPA). Brussels: CEN.
[11] ASHRAE Standard 52.2-2017. Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE, 2017.
[12] JIS Z 8122:2015. Methods of test for air filter units. Tokyo: Japanese Standards Association.
（全文約3,600字）
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