组合式中效过滤器对PM10与PM2.5过滤性能的对比研究
一、引言
随着我国城市化进程的加快以及工业活动的持续增长，大气颗粒物污染问题日益严重，尤其是可吸入颗粒物（PM10）和细颗粒物（PM2.5）对公众健康构成了显著威胁。世界卫生组织（WHO）指出，长期暴露于高浓度PM2.5环境中，会显著增加呼吸系统疾病、心血管疾病甚至过早死亡的风险（WHO, 2021）。因此，高效空气过滤技术在室内空气质量控制中扮演着至关重要的角色。
组合式中效过滤器（Combined Medium-Efficiency Air Filter）作为现代通风与空调系统中的关键组件，广泛应用于医院、洁净厂房、办公楼及公共建筑中。其通过多层滤材的协同作用，实现对空气中悬浮颗粒物的有效拦截。然而，不同粒径颗粒物的物理特性差异显著，导致过滤器对PM10与PM2.5的去除效率存在明显区别。本文将系统分析组合式中效过滤器对PM10和PM2.5的过滤性能，结合国内外权威研究数据，深入探讨其过滤机理、性能参数及实际应用效果。
二、组合式中效过滤器的基本结构与工作原理
2.1 定义与分类
组合式中效过滤器是一种由多个过滤单元组合而成的模块化空气过滤设备，通常采用无纺布、玻璃纤维、合成纤维等材料作为滤料，通过折叠、层压等方式增加过滤面积，提升容尘量和过滤效率。根据中国国家标准《GB/T 14295-2019 空气过滤器》的分类，中效过滤器主要包括F5至F9等级，其中F5-F7为中效，F8-F9为高中效。
2.2 结构组成
典型的组合式中效过滤器由以下几个部分构成：
| 组成部分 | 材料类型 | 功能说明 |
|---|---|---|
| 滤芯 | 聚酯纤维、玻璃纤维 | 主要过滤介质，拦截颗粒物 |
| 框架 | 铝合金或镀锌钢板 | 支撑结构，保证气流均匀通过 |
| 分隔板 | 纸质或塑料隔板 | 防止滤纸折叠层塌陷，增大有效过滤面积 |
| 密封胶条 | 聚氨酯或硅胶 | 防止漏风，确保密封性 |
| 保护网 | 不锈钢丝网或塑料网 | 防止滤材破损，增强机械强度 |
2.3 过滤机理
组合式中效过滤器主要通过以下四种物理机制捕获颗粒物：
-
惯性碰撞（Inertial Impaction）：较大颗粒（如PM10）因质量大，在气流方向改变时无法跟随气流绕过纤维，撞击并附着在滤材表面。该机制对粒径大于1μm的颗粒尤为有效。
-
拦截效应（Interception）：当颗粒随气流运动时，若其轨迹与纤维表面距离小于颗粒半径，则会被纤维捕获。
-
扩散沉积（Diffusion Deposition）：对于粒径小于0.1μm的超细颗粒，布朗运动显著，使其随机碰撞纤维而被捕集。该机制对PM2.5中的亚微米颗粒尤为重要。
-
静电吸附（Electrostatic Attraction）：部分滤材经过驻极处理，带有静电荷，可增强对微小颗粒的吸附能力，尤其适用于PM2.5的捕获。
三、PM10与PM2.5的物理特性对比
为了深入理解过滤性能差异，需首先明确PM10与PM2.5的基本物理特性。
| 参数 | PM10（可吸入颗粒物） | PM2.5（细颗粒物） |
|---|---|---|
| 空气动力学直径 | ≤10μm | ≤2.5μm |
| 主要来源 | 扬尘、建筑施工、道路扬尘 | 燃煤、机动车尾气、工业排放 |
| 沉降速度 | 较快（约0.1–1 m/s） | 极慢（<0.01 m/s），可长期悬浮 |
| 进入人体部位 | 上呼吸道 | 可深入肺泡，甚至进入血液 |
| 健康影响 | 引发咳嗽、哮喘 | 导致心血管疾病、肺癌风险上升 |
| 典型浓度（城市） | 50–150 μg/m³ | 30–100 μg/m³ |
数据来源：中国环境监测总站（2023）；WHO Global Air Quality Guidelines, 2021
从上表可见，PM2.5由于粒径更小、沉降速度慢、穿透性强，其控制难度远高于PM10。这也决定了过滤器在捕获PM2.5时需依赖更精细的过滤机制。
四、组合式中效过滤器对PM10与PM2.5的过滤效率测试
4.1 测试标准与方法
国际上广泛采用的标准包括：
- 欧洲标准 EN 779:2012：按计数效率划分F5-F9等级。
- 美国ASHRAE 52.2-2017：采用大气尘计重法和人工尘计数法测定MERV值。
- 中国国家标准 GB/T 14295-2019：规定了中效过滤器的测试方法与性能分级。
测试通常在标准风洞中进行，使用多级离心式粒径分级器（如Andersen Cascade Impactor）或光学粒子计数器（如TSI 3330）测量上下游颗粒物浓度，计算过滤效率。
4.2 典型产品参数对比
下表列出了市场上常见的几种组合式中效过滤器的技术参数及其对PM10与PM2.5的实测过滤效率：
| 型号 | 滤料材质 | 过滤等级（EN 779） | 初始阻力（Pa） | 额定风速（m/s） | PM10过滤效率（%） | PM2.5过滤效率（%） | 容尘量（g/m²） | 标准测试条件 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| FM-F6 | 聚酯+玻璃纤维 | F6 | 60 | 0.8 | 75–80 | 60–65 | 350 | EN 779:2012 |
| FM-F7 | 复合纤维（驻极） | F7 | 80 | 0.8 | 85–90 | 70–75 | 400 | EN 779:2012 |
| FM-F8 | 玻璃纤维+静电层 | F8 | 110 | 0.8 | 92–95 | 82–86 | 450 | EN 779:2012 |
| AM-2000 | 纳米纤维复合材料 | F7 | 75 | 0.7 | 88 | 78 | 380 | ASHRAE 52.2 |
| HEPACORE-M | 多层梯度过滤结构 | F8 | 105 | 0.8 | 94 | 88 | 500 | GB/T 14295 |
数据来源：某知名过滤器制造商技术手册（2023）；清华大学建筑节能研究中心测试报告
从上表可以看出：
- 随着过滤等级从F6提升至F8，PM10和PM2.5的过滤效率均显著提高。
- 驻极处理和纳米纤维技术的应用显著提升了对PM2.5的捕获能力，尤其在F7及以上等级中表现突出。
- F8级过滤器对PM2.5的平均过滤效率可达85%以上，接近部分高效过滤器（HEPA）的低端水平。
4.3 不同粒径下的效率曲线分析
根据美国ASHRAE的研究，中效过滤器的过滤效率随粒径变化呈现“U型”曲线特征，即在0.3μm左右效率最低，称为“最易穿透粒径”（Most Penetrating Particle Size, MPPS）。
| 粒径（μm） | F6过滤器效率（%） | F7过滤器效率（%） | F8过滤器效率（%） |
|---|---|---|---|
| 0.1 | 55 | 68 | 80 |
| 0.3 | 50 | 62 | 75 |
| 1.0 | 70 | 80 | 90 |
| 2.5 | 78 | 86 | 93 |
| 5.0 | 82 | 88 | 95 |
| 10.0 | 85 | 92 | 97 |
数据来源：ASHRAE Technical Bulletin, 2020；Liu et al., 2021
分析表明：
- 对于PM10（平均粒径约5–10μm），主要依赖惯性碰撞和拦截机制，因此过滤效率普遍较高，F6级即可达到80%以上。
- 对于PM2.5（尤其是0.3–1.0μm区间），由于其处于MPPS附近，扩散和拦截机制均较弱，导致过滤效率相对较低。F6级对0.3μm颗粒的过滤效率仅约50%，而F8级可提升至75%以上。
五、国内外研究进展与实证数据
5.1 国内研究综述
清华大学张寅平等（2020）在《建筑科学》期刊发表的研究指出，在北京某办公建筑中安装F7级组合式中效过滤器后，室内PM2.5浓度从室外的78 μg/m³降至32 μg/m³，去除效率达59%；而对PM10的去除效率则高达78%。研究认为，中效过滤器在实际应用中对粗颗粒物控制效果显著，但对细颗粒物仍需配合其他净化手段。
中国建筑科学研究院（CABR）2022年发布的《公共建筑室内空气质量控制技术导则》建议：在PM2.5污染严重地区，宜采用F8及以上等级的中效过滤器，并定期更换以维持效率。
5.2 国际研究对比
美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的Fisk等人（2019）在《Indoor Air》上发表的综述指出，F7级过滤器在典型住宅通风系统中可使PM2.5暴露水平降低40–60%，而F8级可进一步提升至65–75%。研究强调，过滤器的初始效率与容尘量是影响长期性能的关键因素。
欧洲空气质量专家Wierzbicka等（2021）在《Science of the Total Environment》中对斯德哥尔摩12栋办公楼的实测数据显示，采用F7过滤器的建筑室内PM2.5浓度比未过滤建筑低52%，而PM10降低幅度达70%以上。研究还发现，过滤器在运行3–6个月后，因积尘导致阻力上升，效率下降约10–15%，建议建立定期维护制度。
5.3 实际案例分析
以下为某医院中央空调系统改造前后的空气质量监测数据：
| 指标 | 改造前（无中效过滤） | 改造后（F8组合式中效） | 去除率（%） |
|---|---|---|---|
| 室外PM2.5（μg/m³） | 85 | 85 | — |
| 室内PM2.5（μg/m³） | 68 | 21 | 69 |
| 室外PM10（μg/m³） | 120 | 120 | — |
| 室内PM10（μg/m³） | 95 | 28 | 71 |
| 过滤器阻力（Pa） | — | 115（初始）→ 180（6个月后） | — |
数据来源：上海市某三甲医院后勤保障部，2023年报告
该案例表明，F8级组合式中效过滤器在实际运行中对PM10和PM2.5均有显著去除效果，且对PM10的去除率略高于PM2.5，符合理论预期。
六、影响过滤性能的关键因素
6.1 滤材特性
| 因素 | 对PM10的影响 | 对PM2.5的影响 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 纤维直径 | 中等 | 显著 | 纤维越细，比表面积越大，利于捕获细颗粒 |
| 孔隙率 | 较小 | 较大 | 低孔隙率提高拦截效率，但增加阻力 |
| 静电驻极处理 | 轻微 | 显著 | 静电可增强对亚微米颗粒的吸附力 |
| 多层梯度结构 | 有益 | 显著有益 | 外层粗滤保护内层精滤，延长寿命 |
6.2 运行条件
| 条件 | 对PM10过滤影响 | 对PM2.5过滤影响 | 原因分析 |
|---|---|---|---|
| 风速增加 | 效率下降 | 效率显著下降 | 气流速度高，颗粒停留时间短，捕获概率降低 |
| 相对湿度 >70% | 轻微影响 | 显著影响 | 高湿环境下纤维吸水，静电效应减弱 |
| 积尘量增加 | 初期提升 | 后期下降 | 初始积尘形成“二次过滤层”，但后期堵塞导致效率下降 |
清华大学李先庭教授团队（2021）研究发现，当相对湿度从40%升至80%时，驻极滤材对0.3μm颗粒的过滤效率下降可达20%，而对10μm颗粒影响不足5%。
七、经济性与维护策略
7.1 成本效益分析
| 过滤等级 | 单价（元/㎡） | 使用寿命（月） | 年更换成本（元/㎡） | PM2.5年均去除量（kg） |
|---|---|---|---|---|
| F6 | 80 | 6 | 160 | 1.2 |
| F7 | 120 | 8 | 180 | 1.8 |
| F8 | 180 | 10 | 216 | 2.5 |
假设年运行300天，风量1000m³/h，PM2.5浓度50μg/m³
从上表可见，F8级过滤器虽然初始成本较高，但因其更高的去除效率和较长寿命，在长期运行中单位污染物去除成本更低。
7.2 维护建议
- 更换周期：建议F6级每6个月更换，F7级每8个月，F8级每10–12个月，或根据压差计读数（超过初始阻力1.5倍时更换）。
- 清洗禁忌：组合式中效过滤器为一次性使用产品，不可水洗或吹扫，以免破坏滤材结构。
- 安装要求：确保密封良好，避免旁通漏风，建议使用压敏胶带或液态密封胶。
参考文献
- 世界卫生组织（WHO）. (2021). Global Air Quality Guidelines: PM2.5, PM10, O₃, NO₂, SO₂ and CO. Geneva: WHO Press.
- 中国国家标准化管理委员会. (2019). GB/T 14295-2019 空气过滤器. 北京: 中国标准出版社.
- ASHRAE. (2017). ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE.
- 张寅平, 赵彬, 李先庭. (2020). 中效空气过滤器在办公建筑中的PM2.5控制效果研究. 建筑科学, 36(5), 45–52.
- Liu, Y., et al. (2021). Performance evaluation of medium-efficiency filters for PM2.5 removal in urban buildings. Building and Environment, 198, 107832.
- Fisk, W. J., et al. (2019). Benefits and costs of improving indoor air quality in offices. Indoor Air, 29(2), 187–200.
- Wierzbicka, A., et al. (2021). Field study of particle filtration efficiency in office buildings in Northern Europe. Science of the Total Environment, 756, 143876.
- 中国建筑科学研究院. (2022). 公共建筑室内空气质量控制技术导则. 北京: CABR Press.
- 上海市环境监测中心. (2023). 上海市环境空气质量年报. 上海: 上海市生态环境局.
- TSI Incorporated. (2020). Operation Manual for Model 3330 Optical Particle Counter. Shoreview, MN: TSI.
（全文约3,680字）
