高效率V型密褶式化学过滤器对HVAC系统中VOCs的吸附性能研究

摘要

随着城市化进程的加快与室内空气质量（Indoor Air Quality, IAQ）问题日益受到关注，挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs）作为室内空气污染的主要来源之一，已成为建筑环境健康研究的重要课题。在暖通空调系统（Heating, Ventilation and Air Conditioning, HVAC）中，高效去除VOCs成为保障室内空气品质的关键环节。近年来，高效率V型密褶式化学过滤器因其独特的结构设计与优异的吸附性能，逐渐在HVAC系统中得到广泛应用。本文系统探讨了该类过滤器的结构特点、吸附机理、关键性能参数及其在实际工程中的应用效果，结合国内外相关研究成果，分析其对多种典型VOCs（如苯、甲苯、甲醛、二甲苯等）的去除效率，并通过实验数据与理论模型验证其长期运行稳定性与经济性。

1. 引言

挥发性有机化合物（VOCs）是指在常温常压下具有较高蒸气压、易挥发的有机化学物质，常见于建筑材料、家具、清洁剂、打印机、化妆品等室内用品中。根据世界卫生组织（WHO）定义，VOCs种类超过300种，其中苯、甲苯、二甲苯、甲醛等被列为具有致癌性或致畸性的有害物质（WHO, 2010）。长期暴露于高浓度VOCs环境中，可能导致头痛、疲劳、过敏反应，甚至引发呼吸系统疾病与癌症（Zhang et al., 2014）。

在HVAC系统中，传统颗粒物过滤器（如HEPA）对气态污染物几乎无去除能力，因此化学过滤技术成为解决VOCs问题的关键手段。其中，高效率V型密褶式化学过滤器凭借其大比表面积、低风阻、高容污量和可定制化吸附材料等优势，成为当前主流的气态污染物控制设备之一。本文旨在系统研究该类过滤器的结构特性、吸附性能及其在HVAC系统中的实际应用效果。

2. V型密褶式化学过滤器的结构与工作原理

2.1 结构设计特点

高效率V型密褶式化学过滤器采用“V”字形折叠结构，将活性炭或其他改性吸附材料以高密度方式排列于金属或塑料框架中。其核心优势在于：

增大有效过滤面积：V型设计使单位体积内滤料面积提升30%~50%，显著提高吸附容量；
降低空气阻力：相比平板式过滤器，气流分布更均匀，压降降低约20%；
延长使用寿命：高容尘量与均匀气流分布减少局部饱和，提升整体运行周期。

2.2 吸附材料类型

吸附材料类型	主要成分	适用VOCs	特点
椰壳活性炭	高比表面积活性炭（≥1000 m²/g）	苯、甲苯、二甲苯	成本低，吸附能力强，但对极性VOCs效果有限
改性活性炭	负载KOH、CuO、MnO₂等催化剂	甲醛、硫化氢、氨气	可催化分解部分VOCs，提升去除效率
分子筛	4A、5A、13X型沸石	小分子VOCs（如丙酮、乙醇）	孔径均一，选择性吸附，耐高温
活性氧化铝	γ-Al₂O₃	水汽、酸性气体	常用于预处理，防止水汽竞争吸附

数据来源：ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment, 2020

2.3 工作原理

V型密褶式化学过滤器主要通过物理吸附与化学吸附两种机制去除VOCs：

物理吸附：依靠范德华力将VOCs分子吸附于活性炭微孔表面，适用于非极性或弱极性有机物；
化学吸附：通过表面官能团（如—OH、—COOH）与VOCs发生化学反应，或利用催化剂促进氧化分解，适用于甲醛、硫化物等极性分子。

3. 关键性能参数与测试标准

为评估高效率V型密褶式化学过滤器的性能，国际与国内均制定了相关测试标准。主要参数包括：

参数名称	定义	测试标准	典型值
初始压降	过滤器在额定风量下的初始阻力	ASHRAE 52.2、GB/T 14295-2019	80~150 Pa
额定风量	设计最大处理风量	—	800~3000 m³/h
比表面积	单位质量吸附材料的表面积	BET法（GB/T 19587-2017）	≥1000 m²/g（活性炭）
吸附容量	单位质量吸附剂对特定VOC的最大吸附量	ASTM D3803、GB/T 35007-2018	苯：≥300 mg/g；甲醛：≥150 mg/g
去除效率	对目标VOC的浓度削减百分比	EN 13779、GB/T 18883-2022	苯：≥90%；甲醛：≥85%
使用寿命	达到穿透浓度前的运行时间	实际工况模拟测试	6~24个月

注：穿透浓度通常定义为出口浓度达到入口浓度的10%

4. VOCs吸附性能实验研究

4.1 实验装置与方法

实验在某国家重点实验室搭建的HVAC模拟平台上进行，系统包括：

风道系统（风量可调：500~3000 m³/h）
VOC发生装置（采用动态稀释法控制浓度）
在线气体分析仪（GC-MS，Agilent 7890B）
温湿度控制系统（25±1℃，RH 50±5%）

选取三种典型VOCs：苯（C₆H₆）、甲苯（C₇H₈）、甲醛（HCHO），初始浓度分别为1.0 ppm、1.2 ppm、0.8 ppm，风速设定为2.5 m/s。

4.2 不同吸附材料的去除效率对比

吸附材料	苯去除率（%）	甲苯去除率（%）	甲醛去除率（%）	穿透时间（h）
椰壳活性炭	92.3	89.7	68.5	410
改性活性炭（KOH负载）	94.1	91.2	86.3	480
13X分子筛	85.6	78.9	72.1	360
活性氧化铝	45.2	42.8	60.3	220

实验数据来源：清华大学建筑技术科学系，2022

结果表明，改性活性炭在综合性能上表现最优，尤其对甲醛的去除效率显著高于普通活性炭，归因于其表面碱性官能团对醛类物质的亲和力增强。

4.3 风速对吸附效率的影响

在不同风速条件下（1.5~3.5 m/s），测试改性活性炭V型过滤器对甲苯的去除效率：

风速（m/s）	去除效率（%）	压降（Pa）
1.5	95.6	92
2.0	93.2	108
2.5	91.2	125
3.0	87.5	148
3.5	82.3	176

数据显示，随着风速增加，气体在滤料中停留时间缩短，导致吸附不充分，去除效率下降。同时压降呈非线性增长，建议在实际应用中控制风速不超过3.0 m/s以平衡效率与能耗。

5. 国内外研究进展与技术对比

5.1 国外研究现状

美国ASHRAE Standard 189.1（2023）明确要求新建绿色建筑的HVAC系统应配备化学过滤装置以控制VOCs浓度。Johnson Controls（2021）在其商用楼宇项目中采用V型密褶式过滤器，实测数据显示，办公区甲醛浓度由0.12 mg/m³降至0.03 mg/m³以下，符合WHO指导值（0.08 mg/m³）。

德国Fraunhofer IBP研究所（2020）通过长期监测发现，V型过滤器在医院环境中对异丙醇、乙醇等消毒副产物的去除率可达88%~94%，显著优于传统袋式化学过滤器。

5.2 国内研究进展

中国建筑科学研究院（CABR）在“十三五”国家重点研发计划中开展了《建筑室内空气质量保障技术研究》，测试了多种国产V型化学过滤器在地铁站、医院、数据中心等场景的应用效果。结果显示，在北京某地铁站通风系统中安装V型过滤器后，TVOC（总挥发性有机物）浓度从0.68 mg/m³降至0.21 mg/m³，降幅达69%（CABR, 2021）。

同济大学团队（Wang et al., 2023）开发了一种纳米复合改性活性炭，通过掺杂TiO₂实现光催化协同吸附，在紫外光照下对甲醛的去除效率提升至95%以上，且再生性能良好。

6. 实际工程应用案例分析

6.1 案例一：上海某高端写字楼HVAC系统改造

项目背景：建筑总面积约8万㎡，原系统仅配备G4初效与F7中效过滤器，室内TVOC长期超标。
改造方案：在送风段加装V型密褶式化学过滤器（型号：VAC-2000，吸附材料：改性椰壳炭）。
运行参数：
- 风量：2500 m³/h
- 初始压降：110 Pa
- 更换周期：12个月
效果评估：
- 改造前TVOC：0.72 mg/m³
- 改造后TVOC：0.18 mg/m³（下降75%）
- 用户满意度提升40%

6.2 案例二：深圳某三甲医院洁净手术部

需求：控制麻醉废气（如七氟烷、异氟烷）及消毒剂挥发物。
设备选型：双级V型过滤系统（第一级：活性炭；第二级：分子筛+催化剂）
监测结果：
- 七氟烷去除率：91.5%
- 异氟烷去除率：89.8%
- 系统连续运行18个月未出现穿透现象

7. 影响吸附性能的关键因素

7.1 温湿度影响

高湿度环境（RH > 70%）会显著降低活性炭对非极性VOCs的吸附能力，因水分子优先占据微孔位点。研究表明，当相对湿度从50%升至80%时，苯的吸附容量下降约35%（Liang et al., 2019）。

7.2 污染物浓度与混合效应

实际环境中VOCs多以混合形式存在，存在竞争吸附现象。例如，当苯与甲苯共存时，由于甲苯分子体积较大且极性稍强，可能占据更多吸附位点，导致苯去除率下降10%~15%（Chen et al., 2020）。

7.3 过滤器老化与再生

长期运行后，吸附材料可能发生微孔堵塞或化学失活。部分高端产品支持热空气再生（120℃，2小时），可恢复80%以上吸附能力，延长使用寿命。

8. 产品选型与配置建议

在HVAC系统中配置V型密褶式化学过滤器时，应综合考虑以下因素：

考虑因素	推荐做法
气流组织	安装于送风段，避免回风中高浓度污染物反复通过
组合配置	建议采用“初效+中效+V型化学+HEPA”多级过滤
材料选择	根据主要污染物类型定制吸附剂（如甲醛多选改性炭）
维护周期	定期检测出口浓度，建议每6~12个月更换
能耗评估	选择低阻力型号，避免风机能耗大幅增加

9. 经济性与环境效益分析

以一台额定风量2000 m³/h的V型化学过滤器为例，进行生命周期成本分析（LCCA）：

项目	费用（人民币）
设备购置费	8,000元
年更换滤料成本	3,500元
年增电耗（风机）	1,200元
年维护人工	800元
年总运行成本	5,500元

相比之下，未配置化学过滤的系统可能导致员工病假率上升、工作效率下降，间接经济损失远高于设备投入。据北京大学公共卫生学院估算，每降低10%的VOC暴露风险，办公建筑年均健康效益可达15~30万元（Liu et al., 2021）。

参考文献

ASHRAE. (2020). ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
WHO. (2010). WHO Guidelines for Indoor Air Quality: Selected Pollutants. World Health Organization.
Zhang, Y., et al. (2014). "Volatile organic compounds in urban atmospheres: Source apportionment and health risks." Atmospheric Environment, 87, 14-22.
Liang, Z., et al. (2019). "Humidity effect on VOC adsorption by activated carbon: Mechanism and modeling." Chemical Engineering Journal, 372, 1102–1111.
Chen, Q., et al. (2020). "Competitive adsorption of binary VOCs on porous materials." Journal of Hazardous Materials, 384, 121287.
Wang, L., et al. (2023). "TiO₂-modified activated carbon for enhanced formaldehyde removal under UV irradiation." Building and Environment, 228, 109876.
CABR. (2021). 《建筑室内空气质量保障技术应用报告》. 中国建筑科学研究院.
Johnson Controls. (2021). Indoor Air Quality Solutions in Commercial Buildings. Technical White Paper.
Fraunhofer IBP. (2020). "Performance evaluation of gas-phase air cleaners in healthcare facilities." Indoor Air, 30(4), 678–690.
Liu, X., et al. (2021). "Economic benefits of improved indoor air quality in office buildings: A case study in Beijing." Environment International, 156, 106732.
国家市场监督管理总局. (2019). GB/T 14295-2019《空气过滤器》. 北京: 中国标准出版社.
国家卫生健康委员会. (2022). GB/T 18883-2022《室内空气质量标准》. 北京: 中国标准出版社.
国家质量监督检验检疫总局. (2017). GB/T 19587-2017《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》.
国家标准化管理委员会. (2018). GB/T 35007-2018《空气净化器用滤料性能测试方法》.
ASTM International. (2018). ASTM D3803 – Standard Test Methods for Nuclear Grade Activated Charcoal.