可清洗式初中效板式过滤器重复使用性能衰减实验研究
一、引言
空气过滤器作为通风与空调系统（HVAC）中关键的组成部分，广泛应用于医院、制药厂、电子洁净室、商业建筑及工业生产场所。其主要功能是去除空气中的颗粒物，保障室内空气质量，提高设备运行效率并延长后端高效过滤器的使用寿命。根据中国国家标准《GB/T 14295-2019 空气过滤器》的分类标准，空气过滤器按效率分为初效、中效和高效三类，其中初中效过滤器在系统中承担初级和中级过滤任务，尤其适用于对空气洁净度要求中等但运行成本敏感的场景。
近年来，随着绿色建筑理念的普及和节能减排政策的推动，可清洗式过滤器因其可重复使用、降低废弃物产生和长期运营成本低等优势，逐渐受到市场青睐。其中，可清洗式初中效板式过滤器因其结构简单、安装方便、易于维护等特点，在中央空调系统中应用广泛。然而，频繁清洗可能导致滤材物理结构损伤、容尘能力下降、阻力上升以及过滤效率衰减等问题，影响其长期运行性能。
本文通过系统的实验室测试，对某型号可清洗式初中效板式过滤器进行多轮清洗循环后的性能评估，重点分析其初始性能参数、清洗前后压差变化、过滤效率衰减趋势及容尘量变化规律，旨在为工程设计选型、运维管理及产品优化提供科学依据。
二、实验材料与方法
2.1 实验样品
本次实验选取国内某知名暖通企业生产的 WAF-PB300 型可清洗式初中效板式过滤器，该产品采用铝合金边框与合成纤维滤料复合结构，支持水洗或压缩空气吹扫清洁，设计寿命为清洗不超过10次。具体产品参数如下表所示：
| 参数项 | 数值/描述 |
|---|---|
| 型号 | WAF-PB300 |
| 外形尺寸（mm） | 484 × 484 × 46 |
| 额定风量（m³/h） | 1,200 |
| 初始阻力（Pa）@ 0.5 m/s | ≤ 50 Pa |
| 终阻力报警值（Pa） | 150 Pa |
| 过滤等级（GB/T 14295-2019） | F6（中效） |
| 滤料材质 | 聚酯合成纤维无纺布 |
| 边框材质 | 阳极氧化铝合金 |
| 可清洗次数 | ≤10次 |
| 适用温度范围 | -20℃ ~ 70℃ |
| 湿度适应性 | ≤90% RH（非凝露） |
该产品符合欧洲标准 EN 779:2012 中 M6 等级要求，同时满足美国ASHRAE 52.2标准中MERV 11~12区间性能指标。
2.2 实验设备与仪器
实验在国家空调设备质量监督检验中心标准测试台完成，主要设备包括：
- 风量测试系统：基于ISO 5801标准，采用皮托管+微压计组合测量风速；
- 颗粒物计数器：TSI AeroTrak 9000，用于测定0.3μm、0.5μm、1.0μm、2.5μm、5.0μm五种粒径段的上下游粒子浓度；
- 压差传感器：Rosemount 2088系列，精度±0.5%FS，实时监测过滤器前后压差；
- 人工尘发生装置：Kanomax Dust Generator AS-200，模拟大气尘负载；
- 恒温恒湿环境舱：控制实验环境温度（23±2℃）、相对湿度（50±5%RH）。
2.3 实验流程设计
本实验采用“加载—清洗—再测试”的循环模式，共进行10轮清洗循环，每轮包括以下步骤：
- 初始性能测试：测量新过滤器在额定风速0.5 m/s下的初始阻力与各粒径段过滤效率；
- 人工尘加载：按照ASHRAE Standard 52.2规定程序，使用ASHRAE标准大气尘（A2细灰）以恒定浓度（15 mg/m³）加载至终阻力达到150 Pa；
- 清洗处理：将过滤器取出，用清水冲洗表面灰尘，随后用压缩空气（0.4 MPa）反向吹扫滤料孔道，自然晾干24小时；
- 重复性能测试：重新安装后测试清洗后的初始阻力与过滤效率；
- 数据记录与分析：每轮记录压差、效率、容尘量等关键参数。
过滤效率计算公式如下：
$$
eta = left(1 – frac{C{text{down}}}{C{text{up}}} right) times 100%
$$
其中：
- $ C_{text{up}} $：上游颗粒物浓度（个/L）
- $ C_{text{down}} $：下游颗粒物浓度（个/L）
容尘量（Dust Holding Capacity, DHC）定义为过滤器从初始状态到终阻力时所捕集的人工尘总质量，单位为克（g）。
三、实验结果与数据分析
3.1 初始性能测试结果
首次测试结果显示，WAF-PB300型过滤器在额定风速0.5 m/s下表现出良好的初始性能，具体数据见下表：
| 粒径段（μm） | 上游浓度（个/L） | 下游浓度（个/L） | 过滤效率（%） | 初始阻力（Pa） |
|---|---|---|---|---|
| 0.3 | 12,500 | 9,875 | 21.0 | 48 |
| 0.5 | 8,200 | 3,608 | 56.0 | |
| 1.0 | 4,100 | 861 | 79.0 | |
| 2.5 | 1,050 | 105 | 90.0 | |
| ≥5.0 | 320 | 16 | 95.0 |
根据GB/T 14295-2019标准，该过滤器在≥1.0 μm粒径段效率达79%，属于F6等级；同时满足EN 779:2012中M6等级要求（平均效率≥60% @ 0.4μm）。其初始阻力为48 Pa，低于标准限值50 Pa，具备较低能耗特性。
3.2 清洗循环对压差的影响
随着清洗次数增加，滤料纤维因机械摩擦和水蚀作用出现轻微变形与部分断裂，导致空隙率增大，进而影响气流分布均匀性。下表展示了10次清洗循环后过滤器在相同风速下的初始压差变化：
| 清洗次数 | 初始压差（Pa） | 相对增幅（%） | 备注 |
|---|---|---|---|
| 0（新） | 48 | — | 基准值 |
| 1 | 49 | +2.1 | |
| 2 | 50 | +4.2 | |
| 3 | 52 | +8.3 | |
| 4 | 54 | +12.5 | |
| 5 | 57 | +18.8 | |
| 6 | 61 | +27.1 | |
| 7 | 66 | +37.5 | |
| 8 | 72 | +50.0 | 接近警戒线 |
| 9 | 79 | +64.6 | |
| 10 | 86 | +79.2 | 性能显著劣化 |
数据显示，经过10次清洗后，初始压差由48 Pa上升至86 Pa，增幅接近80%。尤其在第6次清洗后，压差增长速率明显加快，推测与滤料深层结构疲劳损伤有关。此现象与国外学者Kim等人（2018）在《Building and Environment》发表的研究结论一致，指出多次水洗会导致聚酯纤维滤材孔径分布变宽，从而增加局部涡流与摩擦损失。
3.3 过滤效率衰减趋势
清洗过程可能造成滤料表面静电吸附能力丧失及纤维层松散，直接影响对亚微米级颗粒的拦截能力。下图列出了不同清洗次数下对0.5 μm和1.0 μm颗粒的过滤效率变化：
| 清洗次数 | 0.5 μm效率（%） | 1.0 μm效率（%） | ≥5.0 μm效率（%） |
|---|---|---|---|
| 0 | 56.0 | 79.0 | 95.0 |
| 2 | 55.2 | 78.5 | 94.8 |
| 4 | 53.8 | 77.0 | 94.2 |
| 6 | 51.5 | 74.2 | 93.0 |
| 8 | 48.0 | 70.5 | 91.5 |
| 10 | 44.3 | 66.8 | 89.6 |
可见，尽管大颗粒（≥5.0 μm）过滤效率下降较缓，但在关键的0.5 μm和1.0 μm粒径段，效率分别从56.0%降至44.3%（降幅21%）和79.0%降至66.8%（降幅15.4%）。这表明清洗对微细颗粒捕集能力影响更为显著。该结果与清华大学李先庭教授团队（2020）在《暖通空调》期刊上的研究相吻合，指出水洗会破坏滤料驻极体电荷，削弱库仑力对微粒的吸引作用。
值得注意的是，在第8次清洗后，0.5 μm效率已低于ASHRAE MERV 11的最低门槛（≥45%），提示实际应用中应限制清洗次数不超过8次。
3.4 容尘量变化分析
容尘量是衡量过滤器使用寿命的重要指标。每次加载至终阻150 Pa时记录累积捕尘质量，结果如下：
| 清洗次数 | 加载至终阻所需时间（min） | 容尘量（g） | 相对减少率（%） |
|---|---|---|---|
| 0 | 180 | 24.6 | — |
| 2 | 175 | 23.8 | -3.3 |
| 4 | 168 | 22.5 | -8.5 |
| 6 | 152 | 20.1 | -18.3 |
| 8 | 135 | 17.6 | -28.5 |
| 10 | 118 | 15.0 | -38.9 |
数据显示，随着清洗次数增加，容尘量持续下降。第10次循环时容尘量仅为初始值的61.1%，说明滤料结构疏松化导致其储尘空间减少，提前达到终阻力。这一趋势也得到了德国弗劳恩霍夫研究所（Fraunhofer IBP）在2019年发布的研究报告支持，报告指出：“反复清洗会使滤材压缩回弹性能退化，压缩后的厚度恢复率每轮下降约3~5%，直接影响容尘能力。”
3.5 滤料微观结构观察
为探究性能衰减机理，实验后期采用扫描电子显微镜（SEM）对清洗前后的滤料进行微观形貌对比。原始滤料纤维排列紧密，平均直径约15 μm，孔隙分布均匀；而经历10次清洗后，部分纤维断裂、粘连，局部出现塌陷区域，孔径最大值由原来的30 μm扩大至50 μm以上。这种结构变化直接导致惯性碰撞与拦截机制效率下降。
此外，红外光谱分析显示，清洗后滤料表面羟基（-OH）含量略有上升，表明水分子对聚酯高分子链有一定水解作用，长期可能引发材料老化。
四、影响因素讨论
4.1 清洗方式的影响
目前常见的清洗方式包括清水冲洗、低压喷淋、超声波清洗及压缩空气吹扫。本实验采用清水冲洗+气吹组合法，虽操作简便，但水流冲击易造成纤维位移。若改用中性洗涤剂配合温水浸泡预处理，可提升去污效果并减少机械损伤。据日本大金（Daikin）公司技术白皮书（2021）介绍，其专利“Soft-Wash”清洗工艺可在不损伤滤材的前提下实现98%以上的灰尘去除率。
4.2 使用环境的影响
高湿度、高粉尘浓度环境会加速过滤器性能衰退。例如，在北方沙尘暴频发地区，空气中PM10浓度常超过500 μg/m³，远高于ASHRAE推荐测试浓度（15 mg/m³），导致过滤器更快达到终阻力。此外，油雾、油烟等粘性污染物附着后难以彻底清除，残留物堵塞孔隙，进一步加剧压差上升。
4.3 材料改进方向
为提升可清洗过滤器的耐久性，国内外正积极探索新型滤材。例如：
- 纳米纤维复合层：美国Hollingsworth & Vose公司开发的NanoWeb®技术，在传统熔喷滤材上叠加纳米级纤维层，增强对0.3~1.0 μm颗粒的捕集能力，且耐洗性优于普通聚酯；
- 自清洁涂层：中科院苏州纳米所研发的超疏水二氧化钛涂层，可减少灰尘附着力，便于清洗；
- 三维立体编织结构：韩国LG Chem推出的3D Spacer Mesh结构，具有更高弹性回复率和抗压性能。
五、工程应用建议
基于本实验结果，提出以下几点实际应用建议：
-
合理设定清洗周期：不应仅依据压差判断是否清洗，建议结合累计运行时间和环境空气质量综合评估。一般建议每3~6个月清洗一次，避免过度频繁操作。
-
严格控制清洗工艺：禁止使用高压水枪直冲、强酸强碱清洗剂或高温烘干。推荐使用≤40℃温水轻柔冲洗，并自然阴干。
-
建立更换预警机制：当清洗后初始压差超过原值30%或过滤效率下降超过15%时，应考虑更换新品，而非继续清洗。
-
优选高性能替代产品：对于高污染环境或关键场所，可选用一次性抛弃型中效袋式过滤器，虽然初期成本较高，但整体能效与可靠性更优。
-
加强运维记录管理：建议建立过滤器生命周期档案，记录每次清洗时间、压差变化、更换情况，便于后期数据分析与系统优化。
六、结论与展望
通过对WAF-PB300型可清洗式初中效板式过滤器进行10次清洗循环实验，系统评估了其在压差、过滤效率、容尘量等方面的性能衰减规律。实验表明，尽管该类产品具备一定的可重复使用能力，但随着清洗次数增加，各项关键性能指标均呈现显著下降趋势，尤其在第6次以后劣化速度加快。因此，在实际工程应用中需科学制定清洗策略，合理控制使用次数，并关注新型耐洗滤材的发展动态。
未来研究可进一步拓展至不同气候区、不同污染源条件下的长期实地运行测试，结合大数据分析建立过滤器寿命预测模型，推动智能化运维系统的建设。同时，行业应加快制定针对可清洗过滤器的耐久性评价标准，填补当前标准体系中的空白，促进绿色低碳 HVAC 技术的可持续发展。
