F6袋式过滤器与G4预过滤器协同使用效果研究
引言
随着工业生产、医疗环境、洁净室及空气净化系统对空气质量要求的日益提高，空气过滤技术作为保障室内空气洁净度的关键环节，受到了广泛关注。在众多空气过滤设备中，袋式过滤器（Bag Filter）与预过滤器（Pre-filter）因其高效、稳定、经济等优点，被广泛应用于各类通风与空调系统中。其中，F6袋式过滤器和G4预过滤器作为中效与初效过滤系统的典型代表，常被协同配置于空气处理机组（AHU）或新风系统中，以实现对空气中颗粒物的逐级过滤，提升整体系统效率与设备寿命。
本文旨在系统研究F6袋式过滤器与G4预过滤器在实际应用中的协同过滤效果，分析其在不同环境条件下的性能表现，探讨其在压降、容尘量、过滤效率及运行成本等方面的综合优势，并结合国内外权威研究数据，提供理论支持与实践参考。
一、空气过滤器分类与标准体系
1.1 国际与国内空气过滤器标准
空气过滤器的性能评估主要依据国际标准化组织（ISO）和各国国家标准。目前，国际上广泛采用 ISO 16890:2016 标准，该标准根据过滤器对PM10、PM2.5、PM1等颗粒物的过滤效率进行分类。此外，欧洲标准 EN 779:2012 仍被部分国家沿用，将过滤器分为G1-G4（初效）、F5-F9（中效）、H10-H14（高效）等类别。
中国国家标准 GB/T 14295-2019《空气过滤器》 参照EN 779标准，将过滤器分为初效（G1-G4）、中效（F5-F9）和高效（H10-H14）三个等级。其中，G4为初效过滤器的最高等级，F6属于中效过滤器范畴。
| 过滤器等级 | 标准依据 | 过滤效率（≥0.4μm颗粒） | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|
| G1-G3 | GB/T 14295-2019 | 60%~80% | 普通通风系统、工业厂房 |
| G4 | GB/T 14295-2019 | ≥90% | 医院回风、洁净室预处理 |
| F5 | GB/T 14295-2019 | 40%~60% | 商业建筑、数据中心 |
| F6 | GB/T 14295-2019 | 60%~80% | 医疗洁净区、制药车间 |
| F7-F9 | GB/T 14295-2019 | 80%~95% | 高洁净度要求环境 |
数据来源：GB/T 14295-2019《空气过滤器》
1.2 F6与G4过滤器的定位
- G4预过滤器：主要用于拦截空气中较大的颗粒物（如粉尘、花粉、纤维等），粒径通常在5μm以上，作为系统的第一道防线，保护后续高效或中效过滤器。
- F6袋式过滤器：属于中效过滤器，可有效去除3~10μm范围内的颗粒物，常用于洁净室、医院手术室、实验室等对空气质量有中等以上要求的场所。
二、F6袋式过滤器与G4预过滤器技术参数对比
下表列出了典型F6袋式过滤器与G4预过滤器的主要技术参数，便于对比分析其性能差异。
| 参数项 | G4预过滤器（板式/袋式） | F6袋式过滤器（聚酯纤维） |
|---|---|---|
| 过滤等级 | G4 | F6 |
| 初始阻力（Pa） | 50~80 | 100~150 |
| 终阻力（Pa） | 250 | 450 |
| 过滤效率（≥5μm） | ≥90% | ≥60%（对0.4μm颗粒） |
| 容尘量（g/m²） | 300~500 | 600~800 |
| 滤材类型 | 合成纤维、无纺布 | 聚酯纤维、PET |
| 结构形式 | 板式、折叠式、袋式 | 多袋式（4~6袋） |
| 使用寿命（月） | 3~6 | 6~12 |
| 适用风速（m/s） | 0.25~0.5 | 0.25~0.45 |
| 是否可清洗 | 部分可清洗 | 一次性使用 |
| 平均价格（元/台） | 80~150 | 200~400 |
数据来源：江苏某过滤器制造企业产品手册（2023）、Camfil官方技术文档（2022）
从上表可见，F6袋式过滤器在容尘量、过滤效率和使用寿命方面均优于G4预过滤器，但其初始压降较高，能耗相对较大。因此，单独使用F6过滤器在高粉尘环境中易快速堵塞，导致系统风量下降、能耗上升。
三、F6与G4过滤器协同工作机理
3.1 协同过滤原理
在空气处理系统中，F6袋式过滤器与G4预过滤器通常采用“串联”布置方式：空气首先进入G4预过滤器，去除大颗粒杂质后，再进入F6袋式过滤器进行精细过滤。这种“初效+中效”的组合方式，可实现颗粒物的分级拦截，延长F6过滤器的使用寿命，降低系统维护成本。
其协同工作机理如下：
- G4预过滤器：拦截空气中粒径大于5μm的颗粒物（如灰尘、棉絮、昆虫残骸等），减轻F6过滤器的负荷。
- F6袋式过滤器：进一步捕获3~10μm的细小颗粒物（如细菌载体、烟尘、花粉等），提升出风空气质量。
- 压降分担：G4过滤器承担部分压降，避免F6过滤器在初期即承受高阻力，延长其有效运行周期。
3.2 实验验证：协同过滤效率测试
为验证F6与G4协同使用的效果，某研究机构在实验室环境下搭建了测试平台，采用激光粒子计数器（TSI 9306）对不同组合下的过滤效率进行测量。测试条件如下：
- 风量：2000 m³/h
- 测试颗粒物：KCl气溶胶（0.3~10μm）
- 环境温度：25±2℃
- 相对湿度：50%±5%
测试结果如下表所示：
| 过滤组合 | 初始效率（≥0.5μm） | 终效率（阻力达终值时） | 平均容尘量（g） | 系统总压降（Pa） |
|---|---|---|---|---|
| 单独使用F6 | 65% | 78% | 420 | 410 |
| 单独使用G4 | 45% | 52% | 380 | 230 |
| G4 + F6（串联） | 82% | 91% | 850 | 380 |
数据来源：清华大学建筑技术科学系《空气过滤系统性能测试报告》，2021
结果显示，G4与F6协同使用时，系统对0.5μm以上颗粒物的初始过滤效率提升至82%，远高于单独使用任一过滤器；同时，总容尘量达到850g，约为单独使用F6的2倍。这表明预过滤器显著延长了主过滤器的使用寿命。
四、实际应用案例分析
4.1 医院洁净手术室系统
某三甲医院新建洁净手术部采用“G4预过滤 + F6袋式过滤 + H13高效过滤”三级过滤系统。系统运行一年后，对各过滤器的更换频率与压降变化进行统计：
| 过滤器等级 | 更换周期（月） | 初始压降（Pa） | 终压降（Pa） | 颗粒物浓度下降率 |
|---|---|---|---|---|
| G4 | 4 | 60 | 240 | 75% |
| F6 | 10 | 120 | 430 | 92% |
| H13 | 24 | 180 | 550 | 99.97% |
数据来源：《中国医院建筑与装备》2022年第3期
分析表明，G4预过滤器有效拦截了手术室回风中的皮屑、纤维等大颗粒物，使F6过滤器的更换周期延长至10个月，相比未设预过滤的系统（平均6个月更换）节省维护成本约35%。
4.2 工业喷涂车间通风系统
某汽车制造厂喷涂车间空气中含有大量漆雾颗粒（粒径1~5μm），若直接使用F6过滤器，极易堵塞。引入G4预过滤器后，系统运行稳定性显著提升。
| 指标 | 未设G4预过滤 | 设G4预过滤 |
|---|---|---|
| F6更换频率 | 每2个月 | 每6个月 |
| 系统风量衰减率 | 18%/月 | 5%/月 |
| 年维护成本（万元） | 12.5 | 6.8 |
数据来源：《暖通空调》2023年第5期
结果显示，预过滤器的引入使F6过滤器寿命提升3倍，系统风量稳定性提高，间接降低了风机能耗。
五、国内外研究进展与文献综述
5.1 国外研究动态
ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师学会） 在其《HVAC Systems and Equipment Handbook》中明确指出：“在中高效过滤系统中，初效预过滤器可显著延长主过滤器寿命，建议在高污染环境中强制配置G3-G4级预过滤器。”（ASHRAE, 2020）
Camfil（瑞典） 的研究团队通过长期实测发现，在城市商业建筑中，使用G4预过滤器可使F6袋式过滤器的使用寿命延长40%~60%，同时降低系统能耗约15%（Camfil, 2021, "Life Cycle Cost Analysis of Air Filter Systems"）。
德国弗劳恩霍夫研究所（Fraunhofer IBP） 在2019年的一项研究中指出，G4+F6组合在PM2.5去除效率上可达85%以上，适用于对空气质量要求较高的办公与教育环境（Fraunhofer IBP, 2019, "Indoor Air Quality Improvement through Multi-Stage Filtration"）。
5.2 国内研究现状
清华大学建筑节能研究中心 在2020年对北京10个公共建筑的空调系统进行调研，发现配置G4预过滤器的系统中，F6过滤器平均更换周期为9.2个月，而未配置的系统仅为5.1个月，差异显著（江亿等，2020，《建筑科学》）。
同济大学暖通实验室 通过CFD模拟与实测结合，验证了G4预过滤器对F6过滤器表面气流均匀性的改善作用，减少了局部堵塞现象，提升了整体过滤效率（张旭等，2021，《暖通空调》）。
中国建筑科学研究院 在《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015中建议：“空调系统宜设置初效+中效两级过滤，初效过滤器不应低于G3级，中效过滤器不应低于F5级。”这一规定进一步推动了G4+F6组合的普及。
六、经济性与能效分析
6.1 成本效益对比
以下为某办公楼空调系统（风量5000 m³/h）在两种配置下的年度运行成本对比：
| 项目 | 仅F6过滤 | G4 + F6组合 |
|---|---|---|
| F6更换次数/年 | 2次 | 1次 |
| G4更换次数/年 | 0 | 3次 |
| 过滤器总成本（元） | 800 | 650（200×3 + 400） |
| 风机能耗增加（kWh） | 1200 | 600 |
| 电费（0.8元/kWh） | 960 | 480 |
| 年总成本（元） | 1760 | 1130 |
注：风机能耗增加源于过滤器压降上升导致风机电耗增加。
结果显示，尽管G4+F6组合增加了预过滤器的采购成本，但由于F6更换频率降低和风机能耗减少，年总成本反而下降35.8%。
6.2 碳排放影响
根据《中国建筑能耗研究报告2022》，空调系统占公共建筑总能耗的50%以上。过滤器压降每增加100Pa，风机能耗约上升8%~12%。通过优化过滤器配置，降低系统阻力，有助于实现“双碳”目标。
以年运行2000小时计，G4+F6组合相比单独使用F6，每年可节电600 kWh，减少碳排放约480 kg CO₂（按0.8 kg CO₂/kWh计算）。
七、选型与安装建议
7.1 选型原则
- 环境粉尘浓度：高粉尘环境（如工厂、车站）应优先配置G4预过滤器。
- 系统风量：风量大于3000 m³/h时，推荐使用袋式G4过滤器，其容尘量优于板式。
- 空间布局：确保过滤器前后留有足够检修空间（建议≥300mm），避免气流短路。
7.2 安装注意事项
- G4过滤器应安装在F6之前，且方向正确（箭头指向气流方向）。
- 定期检查密封条，防止漏风。
- 建议加装压差计，实时监控过滤器阻力变化。
参考文献
- GB/T 14295-2019，空气过滤器[S]. 北京：中国标准出版社，2019.
- ASHRAE. HVAC Systems and Equipment Handbook[M]. Atlanta: ASHRAE, 2020.
- Camfil. Life Cycle Cost Analysis of Air Filter Systems[R]. Stockholm: Camfil AB, 2021.
- Fraunhofer IBP. Indoor Air Quality Improvement through Multi-Stage Filtration[R]. Holzkirchen: Fraunhofer, 2019.
- 江亿, 薛志峰. 中国建筑节能发展研究报告2020[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2020.
- 张旭, 李峥嵘. 多级过滤系统在公共建筑中的应用研究[J]. 暖通空调, 2021, 51(5): 45-50.
- 中国建筑科学研究院. GB 50189-2015 公共建筑节能设计标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2015.
- TSI Incorporated. 9306 Handheld Particle Counter User Manual[Z]. 2020.
- 江南. 空气过滤器性能测试方法研究[J]. 净化技术，2022, 41(3): 12-16.
- 清华大学建筑节能研究中心. 北京市公共建筑空调系统运行调研报告[R]. 北京：清华大学，2021.
（全文约3800字）
