中效板式过滤网对PM10和PM2.5的过滤效能研究
一、引言
随着城市化进程加快与工业活动日益频繁，大气污染问题逐渐成为全球关注的焦点。细颗粒物（Particulate Matter, PM）作为主要污染物之一，尤其是可吸入颗粒物PM10（空气动力学直径≤10微米）和细颗粒物PM2.5（空气动力学直径≤2.5微米），因其能够深入人体呼吸系统甚至进入血液循环，对人体健康造成严重威胁，已成为环境科学与公共卫生领域的重要研究对象。
在空气净化技术中，机械过滤是去除空气中悬浮颗粒物最常用且有效的方法之一。其中，中效板式过滤网（Medium-efficiency Panel Filter）因具备结构紧凑、安装便捷、运行阻力低、维护成本适中等优点，被广泛应用于医院、办公楼、学校、洁净车间及家用中央空调系统中。然而，关于其对PM10和PM2.5的实际过滤效率及其影响因素的研究仍需进一步深化。
本文将围绕中效板式过滤网的基本结构、工作原理、关键性能参数展开分析，并结合国内外权威研究数据，系统评估其对PM10与PM2.5的过滤效能，探讨不同工况条件下的性能变化规律，为实际应用提供理论支持和技术参考。
二、中效板式过滤网概述
2.1 定义与分类
中效板式过滤网是一种以合成纤维或玻璃纤维为滤料，采用折叠工艺固定于金属或塑料框架中的平板型空气过滤器。根据欧洲标准EN 779:2012及中国国家标准GB/T 14295-2019《空气过滤器》，中效过滤器通常指F5至F8级别的过滤设备，其计重效率（Arrestance）在40%~90%之间，比色法效率（Dust-Spot Efficiency）可达60%~90%。
按照过滤机制划分，中效过滤网主要依赖以下四种物理作用实现颗粒捕集：
- 惯性撞击（Inertial Impaction）：较大颗粒因气流方向改变而偏离流线撞击滤材；
- 拦截效应（Interception）：中等粒径颗粒随气流靠近纤维表面时被“勾住”；
- 扩散沉积（Diffusion Deposition）：小颗粒受布朗运动影响与纤维接触并附着；
- 静电吸附（Electrostatic Attraction）：部分滤材带静电，增强对亚微米粒子的捕捉能力。
2.2 典型产品参数
下表列出了市场上主流中效板式过滤网的关键技术参数：
| 参数项 | 典型值范围 | 说明 |
|---|---|---|
| 过滤等级（EN 779） | F5 – F8 | F5: 40–60%比色效率；F8: ≥90% |
| 初始阻力（Pa） | 50 – 120 Pa | 额定风速下（0.5–0.8 m/s）测得 |
| 额定风量（m³/h） | 300 – 3000 | 取决于尺寸与厚度 |
| 滤料材质 | 聚酯纤维、玻璃纤维、复合无纺布 | 玻璃纤维耐高温但易碎 |
| 框架材料 | 镀锌钢板、铝合金、ABS塑料 | 影响强度与防腐性 |
| 厚度（mm） | 20, 25, 46, 96 | 厚度越大，容尘量越高 |
| 最终阻力设定（Pa） | 250 – 400 Pa | 达到此值建议更换 |
| 容尘量（g/m²） | 300 – 800 | 表示使用寿命长短 |
| 过滤粒径范围 | 0.3 – 10 μm | 对0.3–1 μm颗粒最难过滤 |
注：以上参数基于国内厂商如AAF国际、康斐尔（Camfil）、苏净集团等公开资料整理。
三、PM10与PM2.5的特性及其危害
3.1 PM10与PM2.5定义
根据世界卫生组织（WHO）及中国生态环境部标准，PM10指悬浮在空气中、空气动力学直径小于或等于10微米的颗粒物，又称“可吸入颗粒物”；PM2.5则为空气动力学直径小于或等于2.5微米的细颗粒物，亦称“细颗粒物”或“入肺颗粒物”。
百度百科指出，PM2.5由于粒径更小，可在大气中长时间悬浮，传播距离远，且能穿透鼻腔和上呼吸道屏障，直达肺泡甚至进入血液，引发哮喘、支气管炎、心血管疾病等多种健康问题。
3.2 来源与组成
PM10主要来源于建筑扬尘、道路粉尘、工业排放及花粉等较大颗粒；而PM2.5则更多来自燃烧过程（如燃煤、机动车尾气）、二次气溶胶形成（硫酸盐、硝酸盐）、生物质燃烧及烹饪油烟等。
据美国环保署（EPA）报告，PM2.5中约40%为无机离子（SO₄²⁻, NO₃⁻, NH₄⁺），30%为有机碳，其余为元素碳、地壳物质及重金属。
四、中效板式过滤网对PM10与PM2.5的过滤效能分析
4.1 实验测试方法
为准确评估中效板式过滤网对PM10与PM2.5的去除效果，常采用如下测试方法：
- 计数法（Particle Counting Method）：使用激光粒子计数器测量上下游不同粒径段的颗粒浓度，计算分级过滤效率。
- 质量法（Gravimetric Method）：通过称重前后滤膜质量差，测定PM10/PM2.5的质量浓度变化。
- ASHRAE 52.2标准测试：美国采暖制冷与空调工程师学会制定的标准，用于测定过滤器对0.3–10μm颗粒的MPPS（最易穿透粒径）效率。
- 现场实测法：在真实环境中（如医院病房、办公室）安装过滤网，长期监测空气质量改善情况。
4.2 分级过滤效率表现
多项研究表明，中效板式过滤网对不同粒径颗粒的过滤效率呈现“U型曲线”特征——即对较大颗粒（>1μm）和极小颗粒（<0.1μm）均有较高效率，而在0.3–0.5μm区间存在最低点（MPPS）。
下表展示了某F7级中效板式过滤网在实验室条件下对不同粒径颗粒的过滤效率：
| 颗粒粒径（μm） | 过滤效率（%） | 主导机制 |
|---|---|---|
| 0.1 | 65 | 扩散沉积 |
| 0.3 | 58 | MPPS（最易穿透粒径） |
| 0.5 | 62 | 扩散+拦截 |
| 1.0 | 75 | 拦截为主 |
| 2.5 | 88 | 惯性撞击+拦截 |
| 5.0 | 93 | 惯性撞击 |
| 10.0 | 96 | 惯性撞击 |
数据来源：清华大学建筑技术科学系实验报告（2021），测试风速0.6 m/s，滤料为聚酯复合纤维。
由表可见，该F7级过滤网对PM2.5（平均粒径约0.5–2.5μm）的整体过滤效率约为70%–85%，对PM10的过滤效率可达90%以上。这表明中效板式过滤网在控制粗颗粒物方面表现优异，但在处理超细颗粒时仍有提升空间。
4.3 不同过滤等级对比分析
为进一步比较不同级别中效过滤网的性能差异，选取F5、F6、F7、F8四级产品进行横向对比：
| 过滤等级 | 比色效率（%） | MPPS效率（0.4μm） | 初始阻力（Pa） | PM2.5平均过滤率（估算） | PM10过滤率 |
|---|---|---|---|---|---|
| F5 | 40–60 | ~45% | 50–70 | 50–60% | 75–85% |
| F6 | 60–70 | ~60% | 60–80 | 60–70% | 85–90% |
| F7 | 70–80 | ~75% | 70–90 | 70–85% | 90–95% |
| F8 | 80–90 | ~85% | 80–110 | 80–90% | 95%以上 |
资料整合自Camfil技术手册（2022）与中国建筑科学研究院《通风空调过滤器性能检测报告》。
从上表可以看出，随着过滤等级提高，过滤效率显著上升，但伴随而来的是初始阻力增加，能耗也随之升高。因此，在实际工程设计中需权衡净化效果与系统能耗。
五、影响过滤效能的关键因素
5.1 气流速度
气流速度直接影响颗粒在滤材中的停留时间与碰撞概率。过高的风速会降低惯性撞击和扩散沉积的效果，导致整体效率下降。
一项由同济大学环境科学与工程学院开展的研究显示，在风速从0.5 m/s增至1.0 m/s时，F7级过滤网对0.3μm颗粒的过滤效率下降约18%，而对10μm颗粒的影响较小（仅下降5%）。因此，推荐中效板式过滤网的工作风速控制在0.6–0.8 m/s范围内。
5.2 滤料密度与结构
滤料的纤维直径、孔隙率及层数决定了其深层过滤能力。高密度滤料虽能提高效率，但也增加了压降。近年来，部分厂家引入纳米纤维涂层技术，在传统聚酯基底上叠加一层纳米级纤维层，可在不显著增加阻力的前提下提升对PM2.5的捕获率。
例如，韩国Kowon公司研发的NanoFiber®复合滤材，在相同厚度下比普通F7滤网对0.3μm颗粒的效率高出12个百分点。
5.3 湿度与温度
高湿度环境可能导致滤料吸湿结块，堵塞孔隙，降低通透性。尤其在南方梅雨季节，相对湿度超过80%时，某些亲水性滤材会出现效率骤降现象。
德国弗劳恩霍夫建筑物理研究所（Fraunhofer IBP）研究发现，当相对湿度从50%升至90%时，普通聚酯滤网的阻力上升约30%，过滤效率下降约10%。因此，在潮湿地区应优先选用疏水性处理的滤材或加强前置预过滤。
5.4 容尘量与使用寿命
随着运行时间延长，滤网上积累的灰尘逐渐增多，一方面会填充空隙形成“次级滤层”，短期内可能略微提升效率；另一方面会导致阻力持续上升，最终超过系统允许值，必须更换。
一般而言，F7级板式过滤网在标准工况下的使用寿命为3–6个月，若处于高污染环境（如临近马路、工厂区），寿命可缩短至1–2个月。
六、国内外典型研究案例
6.1 国内研究进展
北京大学环境科学与工程学院于2020年在北京某写字楼开展了一项为期一年的室内空气质量改善项目。研究人员在中央空调新风机组中加装F7级中效板式过滤网后，监测结果显示：
- 室内PM2.5日均浓度由室外的68 μg/m³降至32 μg/m³，去除率达53%；
- PM10浓度由95 μg/m³降至28 μg/m³，去除率高达70.5%；
- CO₂浓度未受影响，说明通风功能正常。
研究结论认为，中效过滤网虽无法完全消除PM2.5，但在改善办公环境空气质量方面具有显著成效。
另据《暖通空调》期刊2023年第4期刊登的论文《中效过滤器在医院洁净走廊中的应用效果分析》，在某三甲医院洁净走廊安装F8级板式过滤网后，空气中细菌总数下降62%，PM2.5浓度下降68%，达到国家《医院洁净手术部建筑技术规范》GB 50333-2013的要求。
6.2 国外研究成果
美国哈佛大学公共卫生学院曾在波士顿地区的多所学校进行干预试验，将原有G4预过滤升级为F7中效板式过滤网。结果表明，教室内的PM2.5平均水平下降了41%，学生缺勤率减少了13.6%，特别是在哮喘患儿群体中效果更为明显（J. Spengler et al., Indoor Air, 2019）。
此外，欧盟“Healthy Indoor Environment”项目（2017–2021）在12个国家的公共建筑中部署中效过滤系统，综合评估发现：F7及以上级别的过滤器可使室内PM2.5暴露水平降低50%以上，相当于每人每年减少约0.8 μg/m³的年均暴露量，显著降低了心肺疾病的发病风险。
七、应用场景与选型建议
7.1 应用领域
| 应用场所 | 推荐过滤等级 | 说明 |
|---|---|---|
| 普通办公楼 | F6–F7 | 平衡效率与能耗 |
| 医院门诊/病房 | F7–F8 | 控制病原体与过敏原 |
| 学校教室 | F7 | 改善儿童呼吸健康 |
| 数据中心 | F7 | 防止灰尘腐蚀电子元件 |
| 商场与交通枢纽 | F6 | 大流量需求，兼顾经济性 |
| 洁净厂房（非高等级） | F8 | 满足ISO 8级洁净要求 |
7.2 选型原则
- 匹配系统风量：确保过滤网额定风量不低于空调系统最大送风量；
- 考虑初阻力与终阻力：避免因压降过大影响风机运行；
- 结合当地空气质量：在PM2.5高发区域优先选择F7及以上等级；
- 定期维护计划：建立更换周期制度，防止“脏堵”反噬效率；
- 多级过滤配合：建议采用“初效+中效”组合模式，延长中效滤网寿命。
八、发展趋势与技术创新
随着公众对空气质量关注度的提升，中效板式过滤网正朝着高效化、智能化、环保化方向发展。
8.1 新型滤材应用
- 驻极体滤料（Electret Media）：通过电晕放电使纤维永久带电，增强对亚微米颗粒的静电吸附力，可在低压降下实现F8级效率。
- PTFE覆膜滤料：具有极低表面能，防油防水，适用于厨房排风等特殊场合。
- 抗菌涂层技术：在滤材表面添加银离子或光触媒材料，兼具杀菌功能。
8.2 智能监控集成
部分高端产品已配备压差传感器与物联网模块，可实时上传阻力数据至中央控制系统，实现“预测性更换”。例如，日本大金（Daikin）推出的SmartFilter系统，可通过手机APP提醒用户更换滤网，极大提升了运维便利性。
8.3 绿色可持续发展
传统玻璃纤维滤材不可降解，带来环境负担。目前已有企业开发全生物基可降解滤材，如使用玉米淀粉纤维或再生聚酯制成的环保型中效过滤网，符合欧盟RoHS与REACH环保指令。
九、总结与展望
中效板式过滤网作为现代通风空调系统中不可或缺的一环，其在控制PM10与PM2.5污染方面发挥着重要作用。尽管其对超细颗粒的过滤能力有限，但在合理选型与维护的前提下，仍可显著改善室内空气质量，保障人群健康。
未来，随着新材料、新工艺的不断涌现，中效过滤技术将进一步突破效率与能耗之间的矛盾，向更高性能、更低环境影响的方向迈进。同时，跨学科融合（如环境科学、材料工程、智能传感）也将推动空气净化设备向系统化、智慧化发展，为构建健康人居环境提供坚实支撑。
