中效过滤器与初效过滤器串联使用的协同过滤机制研究
一、引言
在现代空气处理系统中，空气过滤技术已成为保障空气质量、提高设备运行效率和延长设备寿命的关键环节。根据过滤效率的不同，空气过滤器通常被分为初效过滤器（Primary Filter）、中效过滤器（Medium Efficiency Filter）和高效过滤器（High Efficiency Particulate Air, HEPA）。其中，初效过滤器主要用于拦截大颗粒物（如灰尘、毛发等），而中效过滤器则负责捕捉更细小的颗粒物（如花粉、微生物孢子等）。两者串联使用时，能够形成一种互补性的协同过滤机制，在提升整体过滤效率的同时，降低后续高效过滤器的负荷，从而优化整个空气处理系统的性能。
本文将围绕中效过滤器与初效过滤器串联使用的协同过滤机制展开深入探讨，包括其工作原理、产品参数对比、应用案例分析以及国内外相关研究成果。文章旨在为工程设计人员、环境工程师及空气净化系统维护人员提供科学依据和技术参考。
二、空气过滤器分类与作用机制概述
2.1 初效过滤器
初效过滤器一般采用金属网、无纺布或合成纤维材料制成，具有结构简单、阻力低、易于清洗和更换等特点。其主要功能是去除空气中粒径大于5μm的颗粒物，防止这些较大颗粒进入后续过滤系统造成堵塞或损坏。
典型参数如下表所示：
| 参数名称 | 初效过滤器 |
|---|---|
| 过滤效率（≥5μm） | 60% – 80% |
| 阻力 | ≤50 Pa |
| 材质 | 无纺布、金属网 |
| 使用周期 | 1-3个月 |
| 安装位置 | 空气处理机组入口处 |
2.2 中效过滤器
中效过滤器通常由玻璃纤维、聚酯纤维或多层复合材料构成，适用于对空气中的微粒进行进一步净化，过滤粒径范围在1~5μm之间的颗粒物。它常用于中央空调系统、洁净室、医院通风系统等领域。
典型参数如下表所示：
| 参数名称 | 中效过滤器 |
|---|---|
| 过滤效率（≥1μm） | 80% – 95% |
| 阻力 | 50-150 Pa |
| 材质 | 玻璃纤维、聚酯纤维 |
| 使用周期 | 3-6个月 |
| 安装位置 | 初效之后，HEPA之前 |
三、中效与初效过滤器串联使用的协同机制分析
3.1 协同过滤的基本原理
在空气处理系统中，初效过滤器作为第一道屏障，首先拦截大颗粒污染物，从而减少中效过滤器的负担，使其专注于捕获更细小的颗粒物。这种分工协作的方式不仅提高了整体过滤效率，还有效延长了中效过滤器的使用寿命，降低了系统维护成本。
3.2 协同效应的表现形式
（1）负载分配效应
初效过滤器通过物理拦截方式去除大部分大颗粒污染物，使中效过滤器免受过早堵塞的影响。研究表明，当初效过滤器的效率达到70%以上时，可减少中效过滤器约40%的初始负荷（Zhang et al., 2018）。
（2）压降优化效应
串联配置下，初效过滤器承担了部分压力损失，使得中效过滤器的运行阻力更加平稳，有助于维持空气流动的稳定性。实验数据显示，在标准工况下，初效+中效组合的总阻力约为单一中效过滤器的1.2倍，但过滤效率提升了近20%（ASHRAE, 2019）。
（3）容尘能力增强效应
由于初效过滤器提前去除了大量灰尘颗粒，中效过滤器的容尘空间得以充分利用，从而延长了整体系统的清洁周期。据《暖通空调》期刊报道，某医院中央空调系统在安装初效+中效组合后，过滤器更换频率从每季度一次延长至半年一次（李等人，2020）。
四、产品参数对比与选型建议
为了更好地理解不同品牌和型号的初效与中效过滤器之间的差异，以下列出几个常见品牌的参数对比：
表1：初效过滤器主要品牌参数对比
| 品牌 | 材质 | 效率（≥5μm） | 阻力（Pa） | 尺寸（mm） | 推荐更换周期 |
|---|---|---|---|---|---|
| Camfil | 合成纤维 | 75% | 30 | 484×484×21 | 2个月 |
| Donaldson | 金属网 | 65% | 20 | 592×592×20 | 3个月 |
| 金羚羊 | 无纺布 | 70% | 35 | 592×592×20 | 1个月 |
表2：中效过滤器主要品牌参数对比
| 品牌 | 材质 | 效率（≥1μm） | 阻力（Pa） | 尺寸（mm） | 推荐更换周期 |
|---|---|---|---|---|---|
| Freudenberg | 玻璃纤维 | 90% | 100 | 610×610×45 | 4个月 |
| MANN+HUMMEL | 聚酯纤维 | 85% | 90 | 592×592×45 | 5个月 |
| 苏净集团 | 复合材料 | 88% | 110 | 592×592×45 | 3个月 |
选型建议：
- 工业厂房：推荐使用Camfil初效+Freudenberg中效组合，兼顾高效率与低阻力。
- 医院洁净室：建议选用Donaldson初效+MANN+HUMMEL中效组合，确保长时间稳定运行。
- 商业楼宇：苏净集团国产中效搭配金羚羊初效，性价比高，适合预算有限项目。
五、实际应用案例分析
案例一：某大型医院中央空调系统改造
该医院原仅使用中效过滤器，系统运行一段时间后发现风机能耗上升、风量下降明显。经检测发现过滤器频繁堵塞，导致系统效率下降。随后引入初效过滤器前置处理，结果如下：
| 指标 | 改造前 | 改造后 | 变化幅度 |
|---|---|---|---|
| 平均风量 | 1200 m³/h | 1450 m³/h | +20.8% |
| 风机功耗 | 3.5 kW | 3.0 kW | -14.3% |
| 更换周期 | 3个月 | 6个月 | 延长100% |
| PM2.5去除率 | 70% | 85% | 提升21.4% |
该案例表明，初效+中效串联使用显著提升了系统的能效和净化效果。
案例二：某电子制造厂洁净车间
在原有系统中仅配备高效过滤器的情况下，车间内PM0.3颗粒浓度持续偏高。后增加初效+中效两级预过滤，结果显示：
| 污染物类型 | 初期浓度（个/m³） | 改造后浓度（个/m³） | 去除率 |
|---|---|---|---|
| PM0.3 | 12000 | 2800 | 76.7% |
| PM1.0 | 9500 | 1200 | 87.4% |
| PM2.5 | 6000 | 800 | 86.7% |
由此可见，中效与初效过滤器的协同作用对于超细颗粒物的控制同样具有重要意义。
六、国内外研究现状综述
6.1 国内研究进展
近年来，国内学者在空气过滤器协同作用方面进行了大量研究。例如：
- 清华大学建筑学院（王等人，2021）通过对北京某写字楼的实测数据分析指出，初效+中效组合比单独使用中效过滤器的系统节能达12%，且室内空气质量指标显著改善。
- 中国建筑科学研究院（张等人，2022）开展实验室模拟研究，验证了初效过滤器在减轻中效过滤器负荷方面的有效性，尤其是在高粉尘浓度环境下更为突出。
6.2 国外研究进展
国际上，美国ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师协会）和欧洲Eurovent（欧洲通风设备制造商协会）均对多级过滤系统的协同机制进行了系统研究。
- ASHRAE Standard 52.2-2017中明确指出，多级过滤系统应优先考虑初效+中效+高效三级配置，以实现最优的能耗与过滤效率平衡。
- 丹麦Technical University of Denmark的研究团队（Nielsen et al., 2020）通过CFD模拟发现，初效过滤器的存在可使中效过滤器的容尘分布更均匀，从而延长其使用寿命。
七、影响因素与优化策略
7.1 影响协同过滤效果的主要因素
| 影响因素 | 描述 |
|---|---|
| 空气含尘浓度 | 浓度越高，初效过滤器负荷越大，需定期更换 |
| 温湿度条件 | 高湿环境下，某些材质易吸水，影响过滤效率 |
| 过滤器材质匹配 | 不同材质之间可能存在吸附特性差异，需合理搭配 |
| 气流速度 | 高速气流可能降低过滤效率，建议控制在2.5 m/s以下 |
7.2 优化策略建议
- 定期监测与更换：建立过滤器更换周期管理制度，结合压差传感器实时监控过滤器状态。
- 智能控制系统集成：利用BMS（楼宇管理系统）实现自动切换与报警提示，提升运维效率。
- 材质适配性评估：选择兼容性强的初效与中效材料组合，避免因静电吸附或化学反应造成效率下降。
- 气流组织优化：合理布置进风口与过滤器间距，减少湍流影响，提高过滤均匀性。
八、结语（略）
参考文献
- ASHRAE. (2019). ASHRAE Standard 52.2-2017: Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE.
- Nielsen, P., et al. (2020). CFD Simulation of Multi-stage Air Filtration Systems in Cleanrooms. Building and Environment, 178, 106889.
- 张强, 李芳, 王磊. (2018). 初效与中效过滤器协同作用研究. 暖通空调, 48(3), 45–50.
- 王浩然, 陈晓东. (2021). 北京某写字楼空气过滤系统节能优化研究. 建筑科学, 37(5), 112–118.
- 张伟, 刘志刚. (2022). 初效过滤器对中效过滤器性能影响的实验研究. 中国环境科学学会学术年会论文集.
- 李明, 黄涛. (2020). 医院中央空调系统过滤器配置优化实践. 中国医院建筑与装备, (4), 78–82.
- Eurovent. (2021). Eurovent Recommendation 4/23: Selection and Application of Air Filters in HVAC Systems. Brussels: Eurovent Association.
注：本文内容参考并整合了来自百度百科、ASHRAE标准、中国知网、万方数据库及相关厂商资料，力求数据准确、引用规范。
