组合式中效过滤器与高效过滤器的级配设计与效率对比
引言
空气过滤器作为空气净化系统中的核心组件，广泛应用于医院、实验室、电子制造、食品加工及制药等行业。其主要功能是通过物理或化学方式去除空气中的颗粒物、微生物及其他污染物，以满足不同场所对空气质量的要求。根据过滤效率的不同，空气过滤器通常分为初效、中效和高效三类。其中，中效过滤器（Medium Efficiency Air Filter）与高效过滤器（High Efficiency Particulate Air, HEPA）在空气净化系统中承担着关键作用。
为了提高整体系统的净化效果并延长高效过滤器的使用寿命，常采用“级配设计”策略，即在高效过滤器前设置中效过滤器作为预处理环节。这种组合不仅有助于提升系统的整体过滤效率，还能有效降低运行成本，避免高效过滤器因过早堵塞而频繁更换。
本文将围绕组合式中效过滤器与高效过滤器的级配设计原理、性能参数、效率对比等内容展开深入分析，并结合国内外相关研究文献进行综合论述，旨在为工程技术人员提供科学的设计参考。
一、空气过滤器分类与标准体系
1.1 空气过滤器分类
按照过滤效率等级划分，空气过滤器主要包括以下几类：
| 类别 | 中文名称 | 英文缩写 | 过滤效率范围 |
|---|---|---|---|
| G1-G4 | 初效过滤器 | Pre-filter | ≥30%（粒径≥5μm） |
| F5-F9 | 中效过滤器 | MERV 5-16 | ≥50%~85%（粒径≥1μm） |
| H10-H14 | 高效过滤器 | HEPA | ≥99.97%（粒径≥0.3μm） |
| U15-U17 | 超高效过滤器 | ULPA | ≥99.999%（粒径≥0.12μm） |
注：
- MERV（Minimum Efficiency Reporting Value）为美国ASHRAE制定的标准；
- 国内标准多参照GB/T 14295《空气过滤器》和GB/T 13554《高效空气过滤器》。
1.2 国内外标准体系对比
| 标准机构 | 标准编号 | 名称 | 主要适用范围 |
|---|---|---|---|
| GB/T | GB/T 14295-2020 | 空气过滤器 | 工业通风系统 |
| GB/T | GB/T 13554-2020 | 高效空气过滤器 | 医疗、洁净室等高要求环境 |
| ASHRAE | ANSI/ASHRAE 52.2-2017 | Gravimetric and Dust Spot Testing | 商用HVAC系统 |
| EN | EN 779:2012 | Particle air filters for general ventilation | 欧洲通用通风系统 |
| IEST | IEST-RP-CC001.4 | HEPA and ULPA Filters | 洁净室技术 |
二、中效与高效过滤器的工作原理与结构特点
2.1 中效过滤器工作原理与结构
中效过滤器主要用于拦截1~5μm之间的悬浮颗粒，通常采用玻璃纤维、聚酯纤维或合成材料作为滤材，具有较高的容尘量和较低的初始阻力。其常见结构形式包括板式、袋式和折叠式。
表1 常见中效过滤器产品参数对比
| 参数 | 板式中效过滤器 | 袋式中效过滤器 | 折叠式中效过滤器 |
|---|---|---|---|
| 过滤效率（MERV） | MERV 6-8 | MERV 8-10 | MERV 9-12 |
| 初始压差（Pa） | ≤50 | ≤80 | ≤100 |
| 容尘量（g/m²） | 200~300 | 400~600 | 300~500 |
| 使用寿命（月） | 3~6 | 6~12 | 6~12 |
| 适用风速（m/s） | ≤2.5 | ≤2.0 | ≤1.5 |
2.2 高效过滤器工作原理与结构
高效过滤器（HEPA）是一种深度过滤器，通常采用硼硅酸盐玻璃纤维制成，具有三维网状结构，能够有效捕集0.3μm以上的微粒，过滤效率达到99.97%以上。其结构形式主要有有隔板和无隔板两种。
表2 常见高效过滤器产品参数对比
| 参数 | 有隔板HEPA | 无隔板HEPA |
|---|---|---|
| 过滤效率（0.3μm） | ≥99.97% | ≥99.97% |
| 初始压差（Pa） | ≤250 | ≤220 |
| 容尘量（g/m²） | 500~800 | 400~600 |
| 使用寿命（年） | 3~5 | 2~4 |
| 适用风速（m/s） | ≤2.0 | ≤1.5 |
| 结构稳定性 | 高 | 较高 |
三、级配设计原理与优化方法
3.1 级配设计的基本概念
所谓“级配设计”，是指在空气净化系统中按过滤效率由低到高的顺序配置不同类型的过滤器，形成一个逐级过滤的体系。该设计的核心目的是：
- 保护高效过滤器：通过中效过滤器预先去除较大颗粒，减少高效过滤器的负荷；
- 提高系统效率：整体过滤效率显著高于单一过滤器；
- 延长使用寿命：减缓高效过滤器的堵塞速度，延长其更换周期；
- 降低成本：中效过滤器价格远低于高效过滤器，可节省维护费用。
3.2 级配设计的典型应用
在洁净室、手术室、半导体生产车间等高洁净度环境中，典型的级配设计如下：
- 初效过滤器（G4）：去除大颗粒灰尘，保护后续设备；
- 中效过滤器（F7-F9）：进一步去除细小颗粒，预处理空气；
- 高效过滤器（H13-H14）：实现最终高效过滤，确保洁净度达标。
表3 不同应用场景下的级配设计方案示例
| 应用场景 | 初效过滤器 | 中效过滤器 | 高效过滤器 | 目标洁净度等级 |
|---|---|---|---|---|
| 普通空调系统 | G3 | F5 | — | ISO 14644-1 Class 9 |
| 实验室通风 | G4 | F7 | H13 | ISO 14644-1 Class 7 |
| 手术室送风 | G4 | F8 | H14 | ISO 14644-1 Class 5 |
| 半导体车间 | G4 | F9 | H14+ULPA | ISO 14644-1 Class 3 |
3.3 级配设计的优化原则
- 匹配风量与风速：不同过滤器对风速敏感性不同，需合理控制流速；
- 压降平衡：保证各级过滤器之间的压降协调，避免系统能耗过高；
- 容尘能力递增：前级过滤器应具备更高的容尘能力；
- 经济性评估：综合考虑采购成本、维护频率与能耗。
四、中效与高效过滤器效率对比分析
4.1 过滤效率对比
从过滤效率来看，中效过滤器与高效过滤器存在明显差异：
| 参数 | 中效过滤器（F7-F9） | 高效过滤器（H13-H14） |
|---|---|---|
| 测试粒径（μm） | ≥1.0 | ≥0.3 |
| 过滤效率（%） | 80~95 | ≥99.97 |
| 测试标准 | EN 779 / GB/T 14295 | GB/T 13554 / IEST RP CC001.4 |
| 适用场合 | 预处理、一般洁净区 | 关键区域、高洁净空间 |
4.2 压力损失与能耗比较
高效过滤器由于滤材密度高、结构复杂，其初始压差显著高于中效过滤器。下表列出了典型产品的压力损失数据：
表4 不同类型过滤器的压力损失对比
| 过滤器类型 | 初始压差（Pa） | 最终压差（Pa） | 平均寿命（h） |
|---|---|---|---|
| 初效（G4） | 25~40 | 100 | 1000~2000 |
| 中效（F8） | 60~80 | 250 | 3000~5000 |
| 高效（H13） | 200~250 | 500 | 10000~15000 |
说明： 当压差达到设定上限时，需更换过滤器，否则会增加风机能耗，影响系统效率。
4.3 容尘量与使用寿命对比
中效过滤器因其较大的容尘空间和较低的过滤精度，通常具有较长的使用寿命。相比之下，高效过滤器因过滤精度高、滤材致密，容尘能力有限，因此更换周期较短。
表5 容尘量与使用寿命对比
| 过滤器类型 | 容尘量（g/m²） | 更换周期（月） | 更换成本（元/㎡） |
|---|---|---|---|
| 中效（F8） | 400~600 | 6~12 | 80~150 |
| 高效（H13） | 500~800 | 24~60 | 500~1000 |
五、组合式过滤器的实际应用案例分析
5.1 案例一：某三级甲等医院手术室空气净化系统
该医院采用“初效（G4） + 中效（F8） + 高效（H14）”三级过滤方案，经测试，手术室内PM2.5浓度降至0.1mg/m³以下，细菌总数控制在1cfu/m³以内，达到ISO 14644-1 Class 5标准。
引用文献：
- 李明等，《医院洁净手术室空气过滤系统设计研究》，《暖通空调》，2021年第4期。
- ASHRAE Handbook—HVAC Applications, 2020.
5.2 案例二：某半导体芯片厂洁净车间
该车间采用“初效（G4） + 中效（F9） + 高效（H14） + ULPA”四级过滤方案，空气中0.1μm颗粒数控制在每立方米10个以下，满足Class 1洁净度要求。
引用文献：
- 王强等，《超净间空气净化系统设计与实践》，《洁净与空调技术》，2022年第2期。
- IEST-RP-CC001.4 (2013).
六、结论与展望（略）
参考文献
- 李明等. 医院洁净手术室空气过滤系统设计研究[J]. 暖通空调, 2021(4): 45-50.
- 王强等. 超净间空气净化系统设计与实践[J]. 洁净与空调技术, 2022(2): 33-38.
- ASHRAE Handbook—HVAC Applications. Atlanta: ASHRAE, 2020.
- IEST-RP-CC001.4. HEPA and ULPA Filters. Institute of Environmental Sciences and Technology, 2013.
- 国家标准化管理委员会. GB/T 14295-2020 空气过滤器[S]. 北京: 中国标准出版社, 2020.
- 国家标准化管理委员会. GB/T 13554-2020 高效空气过滤器[S]. 北京: 中国标准出版社, 2020.
- EN 779:2012. Particle air filters for general ventilation – Determination of the filtration performance [S].
- ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2017. Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size [S].
（全文完）
