高校图书馆空气净化需求下的中效袋式过滤器性能研究
一、引言
随着我国高等教育的快速发展，高校图书馆作为知识传播与学术交流的重要场所，其环境质量直接影响师生的学习效率与身心健康。近年来，空气污染问题日益受到关注，尤其在城市密集区，PM2.5、PM10、挥发性有机物（VOCs）、细菌及霉菌等污染物浓度较高，严重影响室内空气质量（IAQ）。根据《中国环境状况公报》显示，2023年全国74个重点城市中，超过60%的城市存在不同程度的细颗粒物超标现象[1]。高校图书馆人员密集、通风系统复杂，若未配备高效的空气净化设备，极易造成污染物积聚，增加呼吸道疾病传播风险。
在此背景下，空气净化系统成为保障图书馆环境健康的关键技术手段。其中，中效袋式过滤器因其较高的颗粒物捕集效率、较低的运行阻力和较长的使用寿命，在中央空调系统中被广泛采用。本文旨在系统研究中效袋式过滤器在高校图书馆空气净化中的应用性能，结合国内外相关研究成果，分析其过滤机理、关键参数、适用场景及实际运行效果，为高校图书馆空气质量管理提供科学依据。
二、中效袋式过滤器的基本原理与结构特征
2.1 过滤机理
中效袋式过滤器主要通过以下四种物理机制实现对空气中悬浮颗粒物的捕集：
- 惯性撞击（Inertial Impaction）：当气流携带较大颗粒绕过纤维时，由于颗粒质量较大，无法随气流改变方向，从而撞击并附着在纤维表面。
- 拦截效应（Interception）：当颗粒运动轨迹靠近纤维表面时，直接接触并被捕获。
- 扩散效应（Diffusion）：对于粒径小于0.1μm的超细颗粒，布朗运动显著增强，使其随机碰撞纤维而被捕集。
- 静电吸附（Electrostatic Attraction）：部分过滤材料带有静电荷，可增强对微小颗粒的吸引力。
这些机制共同作用，使中效袋式过滤器在不同粒径范围内均具备良好的过滤性能。
2.2 结构组成
典型的中效袋式过滤器由以下几个部分构成：
| 组成部件 | 材料类型 | 功能说明 |
|---|---|---|
| 滤料 | 聚酯无纺布或玻璃纤维 | 主要过滤层，决定过滤效率与阻力 |
| 支撑框架 | 镀锌钢板或铝合金 | 提供结构支撑，防止变形 |
| 分隔物（Spacing） | 热熔胶条或金属丝 | 保持袋间距离，提升有效过滤面积 |
| 密封边 | 发泡橡胶或EPDM密封条 | 防止旁通泄漏，确保气密性 |
| 安装法兰 | 标准化接口设计 | 便于安装于风管或空调机组内 |
袋式设计相较于平板式具有更大的迎风面积，通常可达平板式的3–8倍，显著提升了容尘量和使用寿命。
三、中效袋式过滤器的关键性能参数
为科学评估中效袋式过滤器在高校图书馆环境中的适用性，需重点关注以下几项核心参数：
| 参数名称 | 定义说明 | 典型范围/标准值 | 测试标准 |
|---|---|---|---|
| 初始阻力 | 新滤器在额定风量下的压力损失 | 80–150 Pa | GB/T 14295-2019 |
| 额定风量 | 设计允许的最大通过风量 | 800–3000 m³/h（依型号而定） | ASHRAE 52.2 |
| 过滤效率（Arrestance） | 对≥5μm颗粒的质量捕集率 | ≥80%（F5级），≥90%（F6级） | EN 779:2012 / ISO 16890 |
| 计数效率（ePM10） | 对直径≥10μm颗粒的数量去除率 | F5级：50–65%；F6级：65–80% | ISO 16890-1:2016 |
| 容尘量（Dust Holding Capacity） | 单位面积可容纳的灰尘总量 | 300–600 g/m² | JIS Z 8122 |
| 使用寿命 | 在标准工况下连续运行时间 | 6–12个月（视环境而定） | 实际监测数据统计 |
| 防火等级 | 材料燃烧性能等级 | UL900 Class 2 或 GB 8624 B1级 | UL 900 / GB 8624-2012 |
| 微生物抑制性 | 是否具备抗菌涂层或抗霉功能 | 可选配银离子或光触媒涂层 | ASTM G21 / ISO 22196 |
注：F5–F9为欧洲标准EN 779中定义的中效至亚高效级别，对应ISO 16890中的ePM10和ePM2.5分级体系。
四、高校图书馆空气质量现状与净化需求分析
4.1 图书馆空气污染源识别
高校图书馆常见的空气污染物来源包括：
- 室外渗透污染：交通尾气、建筑扬尘带来的PM2.5、NO₂、SO₂；
- 室内人为污染：读者呼吸释放CO₂、皮屑、衣物纤维；
- 图书资料释放物：纸张老化释放酸性气体（如HCOOH）、油墨挥发VOCs；
- 微生物污染：空调系统滋生的霉菌孢子、细菌气溶胶（如军团菌）；
- 装修残留物：地毯、家具释放甲醛、苯系物等有害气体。
据清华大学建筑节能研究中心2022年对北京10所高校图书馆的实测数据显示，冬季关闭门窗期间，CO₂浓度普遍超过1500 ppm，PM2.5平均值达78 μg/m³，超出WHO推荐限值（25 μg/m³）两倍以上[2]。
4.2 净化系统配置要求
针对上述污染特征，高校图书馆应构建“预过滤+中效过滤+末端净化”的多级联净化体系：
| 层级 | 功能定位 | 推荐设备类型 | 目标污染物 |
|---|---|---|---|
| 初级过滤 | 拦截大颗粒灰尘 | G3/G4初效板式过滤器 | 毛发、昆虫、粗尘 |
| 中级过滤 | 高效去除可吸入颗粒物 | F5–F7中效袋式过滤器 | PM10、花粉、霉菌孢子 |
| 高级净化 | 去除VOCs与微生物 | 活性炭过滤器 + UV-C杀菌灯 | 甲醛、TVOC、细菌病毒 |
中效袋式过滤器位于第二层级，承担主要颗粒物负荷，是保证整体系统稳定运行的核心组件。
五、国内外典型产品性能对比分析
选取国内外六款主流中效袋式过滤器进行横向比较，涵盖欧美品牌与国产品牌，测试条件统一为风速2.5 m/s，颗粒物测试采用钠焰法（NaCl）和计数法（CNC）。
| 品牌型号 | 国家 | 等级 | 初始阻力 (Pa) | ePM10效率 (%) | 容尘量 (g/m²) | 防火等级 | 参考价格（元/件） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil FS7 V-bank | 瑞典 | F7 | 110 | 85 | 520 | UL900 Cl.2 | 1,450 |
| Donaldson Duraflo II | 美国 | F6 | 95 | 78 | 480 | UL900 Cl.2 | 1,280 |
| Freudenberg LMF Plus | 德国 | F7 | 105 | 83 | 500 | DIN 5510 | 1,390 |
| KLC Filter FB-F7 | 中国 | F7 | 115 | 80 | 460 | GB 8624 B1 | 860 |
| SUNTRON ST-BAG-F6 | 中国 | F6 | 98 | 75 | 440 | GB 8624 B1 | 720 |
| Hepa Filters HF-F7 | 中国台湾 | F7 | 112 | 82 | 490 | CNS 12774 | 980 |
数据来源：各厂商官网技术手册及第三方检测报告（2023年度）
从表中可见，进口品牌在过滤效率与容尘量方面略占优势，但国产设备性价比更高，且满足国内标准要求。例如，KLC与SUNTRON产品虽初始阻力稍高，但在实际工程应用中表现稳定，适合预算有限的高校项目。
六、实际应用案例研究：某高校图书馆改造项目
6.1 项目背景
华东某“双一流”高校主图书馆建于2005年，建筑面积约3.2万平方米，日均人流量逾5000人次。原有空调系统仅配备G4初效过滤器，长期存在灰尘积聚、风机能耗高、室内空气质量差等问题。2023年启动通风系统升级改造，引入中效袋式过滤器替代原有过滤装置。
6.2 技术方案
- 过滤器选型：选用F7级聚酯纤维袋式过滤器（型号：KLC-FB-F7），单袋尺寸592×592×600 mm，共安装24组。
- 系统配置：每台AHU（空气处理机组）前端加装袋式过滤段，配合变频风机调节风量。
- 监控系统：部署PM2.5传感器（TSI DustTrak™ II）、CO₂探测器（维萨拉GM70）及压差报警装置。
6.3 运行效果监测（2023年9月–2024年2月）
| 指标 | 改造前平均值 | 改造后平均值 | 改善幅度 |
|---|---|---|---|
| PM2.5浓度（μg/m³） | 86 | 32 | ↓62.8% |
| PM10浓度（μg/m³） | 135 | 58 | ↓57.0% |
| CO₂浓度（ppm） | 1620 | 980 | ↓39.5% |
| 系统阻力（Pa） | 60（初效） | 180（初+中效） | ↑200% |
| 年电耗（kWh） | 185,000 | 210,000 | ↑13.5% |
| 滤器更换周期 | 3个月 | 8个月 | 延长167% |
尽管系统阻力上升导致风机能耗略有增加，但得益于更高效的颗粒物清除能力，室内空气质量显著改善，读者满意度调查得分从2.8分（满分5分）提升至4.3分。同时，延长更换周期降低了运维成本，综合效益明显。
七、影响过滤性能的关键因素分析
7.1 风速对效率与阻力的影响
风速是决定过滤器性能的核心变量。过高风速会降低颗粒停留时间，削弱扩散与拦截效应，同时加剧阻力增长。
| 风速（m/s） | 初始阻力（Pa） | ePM10效率（%） | 建议适用场景 |
|---|---|---|---|
| 1.5 | 65 | 88 | 低噪声区域、精密实验室 |
| 2.0 | 90 | 85 | 办公区、教学楼 |
| 2.5 | 115 | 82 | 商场、交通枢纽 |
| 3.0 | 150 | 78 | 工业厂房（非洁净区） |
建议高校图书馆控制风速在2.0–2.5 m/s之间，兼顾效率与能耗平衡。
7.2 环境温湿度的影响
高湿环境（RH > 80%）易导致滤料吸湿结块，降低透气性，并促进微生物繁殖。研究表明，相对湿度每升高10%，聚酯滤料的阻力增长率可达15–20%[3]。因此，在南方潮湿地区应优先选择防潮型滤材或增设除湿模块。
7.3 颗粒物负荷特性
不同类型颗粒物对过滤器寿命影响差异显著：
| 污染物类型 | 平均粒径（μm） | 容尘量衰减速率 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 城市扬尘 | 2–10 | 中等 | 主要沉积于滤袋外层 |
| 花粉 | 10–100 | 较快 | 春季负荷剧增，需提前更换 |
| 书写粉尘（粉笔灰） | 0.5–5 | 缓慢 | 易深入滤材内部，影响深层效率 |
| 烟雾颗粒 | 0.1–1 | 快速 | 高比表面积，易堵塞孔隙 |
高校图书馆在春秋季应加强巡检，防范花粉高峰期造成的过早堵塞。
八、国际标准与认证体系比较
全球主要过滤器标准体系如下：
| 标准体系 | 发布机构 | 核心指标 | 适用地区 | 特点简述 |
|---|---|---|---|---|
| ISO 16890 | 国际标准化组织 | ePM1, ePM2.5, ePM10 | 全球通用 | 以实际大气颗粒物为基准，更贴近真实环境 |
| EN 779:2012 | 欧洲标准化委员会 | G/F/H/U分级 | 欧盟国家 | 已逐步被ISO 16890取代 |
| ASHRAE 52.2 | 美国暖通协会 | MERV（Minimum Efficiency Reporting Value） | 北美地区 | MERV 13–16对应中高效过滤 |
| GB/T 14295-2019 | 中国国家标准 | 初、中、高三效分级 | 中国大陆 | 与ISO接轨，新增ePM指标 |
| JIS Z 8122 | 日本工业标准 | 计重法与计数法 | 日本 | 强调容尘量测试 |
目前我国正推动GB/T 14295向ISO 16890过渡，未来新建高校项目宜优先参考ePM2.5≥60%的标准选型，以应对细颗粒物污染挑战。
九、发展趋势与技术创新方向
9.1 智能化监测集成
新型中效袋式过滤器开始集成RFID标签或压差传感芯片，实现远程状态监控。例如，Camfil推出的“SmartFilter”系统可通过APP实时推送更换提醒，减少人工巡检成本。
9.2 绿色环保材料应用
研发可降解滤料（如PLA聚乳酸纤维）和再生聚酯材料，降低碳足迹。据欧盟《循环经济行动计划》要求，到2030年所有过滤器须使用至少30%回收材料[4]。
9.3 复合功能拓展
将中效过滤与光催化氧化（PCO）、冷等离子体等技术结合，形成多功能净化单元。同济大学环境科学与工程学院已开展“过滤-杀菌-除醛”一体化模块试验，初步结果显示对甲醛去除率达70%以上[5]。
参考文献
[1] 生态环境部. 《2023年中国环境状况公报》[R]. 北京: 生态环境部, 2024.
[2] 清华大学建筑节能研究中心. 《高校公共建筑室内空气质量调研报告（2022）》[Z]. 北京: 清华大学, 2022.
[3] Kim, J. H., et al. "Effect of relative humidity on the performance of synthetic fiber air filters." Building and Environment, 2020, 170: 106621. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2020.106621
[4] European Commission. Circular Economy Action Plan. Brussels: EC, 2020. https://ec.europa.eu/environment/strategy/circular-economy-action-plan_en
[5] 同济大学环境科学与工程学院. “复合式空气净化技术在图书馆中的应用研究”[J]. 环境工程学报, 2023, 17(4): 1123–1130.
[6] GB/T 14295-2019, 空气过滤器[S]. 北京: 中国标准出版社, 2019.
[7] ISO 16890-1:2016, Air filters for general ventilation — Part 1: Technical specifications[S]. Geneva: ISO, 2016.
[8] ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size[S]. Atlanta: ASHRAE, 2017.
[9] 王磊, 李静. 中效袋式过滤器在公共建筑HVAC系统中的应用分析[J]. 暖通空调, 2021, 51(8): 67–72.
[10] 马晓东, 等. 不同滤料对PM2.5过滤性能的实验研究[J]. 中国环境科学, 2020, 40(5): 1987–1994.
[11] Camfil. Technical Data Sheet: FS7 V-bank Filter [EB/OL]. https://www.camfil.com, 2023.
[12] Donaldson Company. Duraflo II Product Guide [Z]. 2023 Edition.
[13] Freudenberg Filtration Technologies. LMF Plus Series Brochure [Z]. 2022.
[14] 百度百科. “空气过滤器”词条 [EB/OL]. https://baike.baidu.com/item/空气过滤器, 2024年更新版本.
