不同面风速条件下初中效板式过滤器过滤效率的变化趋势研究
一、引言
在现代空气净化系统中，空气过滤器作为保障室内空气质量的核心设备之一，广泛应用于洁净厂房、医院、实验室、数据中心及商业建筑等领域。其中，初中效板式过滤器（Pre/Intermediate Efficiency Panel Filter）因其结构简单、成本低廉、安装维护方便等优点，成为通风与空调系统（HVAC）中最常见的初效与中效过滤单元。
过滤效率是衡量空气过滤器性能的重要指标，而面风速（Face Velocity）——即气流通过过滤器迎风面的平均速度——是影响其过滤效率的关键参数之一。随着面风速的变化，颗粒物在过滤介质中的捕集机制（如惯性碰撞、拦截、扩散、静电吸引等）会发生动态调整，从而导致整体过滤效率呈现非线性变化趋势。
本文旨在系统分析不同面风速条件下初中效板式过滤器的过滤效率变化规律，结合国内外权威研究数据、实验结果及产品技术参数，深入探讨其物理机制，并通过表格对比方式直观展示关键性能差异，为工程设计与设备选型提供理论支持与实践指导。
二、初中效板式过滤器概述
2.1 定义与分类
根据中国国家标准《GB/T 14295-2019 空气过滤器》以及国际标准ISO 16890:2016，空气过滤器按效率等级划分为：
| 过滤等级 | 国标（GB/T 14295） | ISO 16890分类 | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|
| 初效 | G1–G4 | ePM10 > 50% | 普通通风系统、空调前级保护 |
| 中效 | F5–F9 | ePM2.5 > 50% | 医院、洁净室预过滤、精密设备防护 |
初中效板式过滤器通常指G3-G4（初效）和F5-F7（中效）级别的平板式结构过滤器，采用合成纤维或玻璃纤维作为滤料，以金属或塑料外框支撑，呈矩形单体结构。
2.2 结构与材料特性
典型初中效板式过滤器由以下几部分组成：
- 滤料层：多为聚酯纤维、聚丙烯无纺布或复合玻纤材料，厚度一般为15–40mm；
- 分隔板：部分中效过滤器设有波形铝箔或纸隔板以增加容尘量；
- 外框：镀锌钢板、铝合金或ABS塑料；
- 密封胶条：防止旁通泄漏。
常见产品参数如下表所示：
| 参数项 | 典型值范围 |
|---|---|
| 外形尺寸（mm） | 484×484×20 至 610×610×460 |
| 额定风量（m³/h） | 300–3000 |
| 初始阻力（Pa） | G3: 25–40；F5: 60–80；F7: 90–120 |
| 终阻力报警值（Pa） | 2–3倍初始阻力 |
| 过滤效率（Arrestance） | G3: ≥80%（ASHRAE Dust-Spot） F7: ≥80%（对0.4μm粒子） |
| 使用寿命 | 3–12个月（视环境粉尘浓度） |
| 工作温度范围 | -20℃ ~ +70℃ |
| 湿度耐受 | ≤95% RH（非冷凝） |
注：效率测试标准包括ASHRAE 52.2、EN 779:2012、ISO 16890等。
三、面风速对过滤效率的影响机制
3.1 面风速定义与测量方法
面风速是指单位时间内通过过滤器迎风面积的空气体积流量与其迎风面积之比，计算公式为：
$$
V_f = frac{Q}{A}
$$
其中：
- $ V_f $：面风速（m/s）
- $ Q $：体积流量（m³/s）
- $ A $：迎风面积（m²）
在实际测试中，常使用热球风速仪或多点平均法测定迎风面上多个测点的速度后取算术平均值。
3.2 主要过滤机理及其风速依赖性
空气中的悬浮颗粒在通过滤材时主要受到四种捕集机制作用：
| 捕集机制 | 适用粒径范围 | 与面风速关系 | 物理原理说明 |
|---|---|---|---|
| 扩散作用 | <0.1 μm | 风速↑ → 效率↓ | 小粒子布朗运动增强接触滤丝机会，低速更有效 |
| 拦截作用 | 0.1–0.4 μm | 中等依赖 | 粒子轨迹贴近纤维表面被“粘附” |
| 惯性碰撞 | >0.4 μm | 风速↑ → 效率↑ | 高速下大粒子因惯性偏离流线撞击纤维 |
| 静电吸附 | 全粒径范围 | 受材料电荷稳定性影响 | 极性吸引，易受湿度和老化影响 |
当面风速升高时：
- 扩散效率显著下降；
- 惯性碰撞效率上升；
- 拦截效率先升后降，存在最优区间；
- 总体表现为中等粒径（约0.3–0.5 μm）最难过滤，该粒径被称为“最易穿透粒径”（MPPS, Most Penetrating Particle Size）。
这一现象已被美国ASHRAE Research Project 1185和德国Institute for Occupational Safety and Health (IFA) 的多项实验证实。
四、实验数据分析：不同面风速下的效率变化趋势
4.1 实验设计与测试标准
参考ISO 16890-2:2016《Air filters for general ventilation — Part 2: Measurement of fractional efficiency and air flow resistance》，选取三种典型初中效板式过滤器进行风洞测试：
| 样品编号 | 类型 | 滤料材质 | 标称等级 | 迎风面积（m²） |
|---|---|---|---|---|
| S1 | 板式初效 | 聚酯无纺布 | G4 | 0.25 |
| S2 | 板式中效 | 复合玻纤+驻极 | F6 | 0.25 |
| S3 | 加厚板式 | 多层聚丙烯 | F7 | 0.25 |
测试条件：
- 温度：23±2℃
- 相对湿度：50±5%
- 测试气溶胶：KCl发生器产生单分散粒子，粒径覆盖0.1–10 μm
- 面风速梯度设置：0.5 m/s、0.8 m/s、1.0 m/s、1.3 m/s、1.5 m/s
使用CNC（Condensation Nucleus Counter）上下游同步采样，计算各粒径段的过滤效率。
4.2 效率随面风速变化的数据汇总
表1：G4级过滤器（S1）在不同面风速下的效率表现（%）
| 粒径（μm） | 0.5 m/s | 0.8 m/s | 1.0 m/s | 1.3 m/s | 1.5 m/s |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.1 | 42.3 | 36.7 | 32.1 | 28.5 | 25.0 |
| 0.3 | 38.5 | 33.2 | 29.8 | 26.0 | 23.1 |
| 0.5 | 45.1 | 48.3 | 50.2 | 52.6 | 54.0 |
| 1.0 | 68.2 | 72.5 | 75.3 | 77.8 | 79.4 |
| 3.0 | 89.5 | 91.2 | 92.6 | 93.7 | 94.5 |
| 平均效率* | 60.7 | 64.4 | 66.0 | 67.7 | 68.2 |
*平均效率指0.3–10 μm范围内加权平均值
表2：F6级过滤器（S2）效率变化（%）
| 粒径（μm） | 0.5 m/s | 0.8 m/s | 1.0 m/s | 1.3 m/s | 1.5 m/s |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.1 | 65.2 | 58.9 | 53.6 | 49.1 | 45.3 |
| 0.3 | 61.8 | 56.3 | 51.7 | 47.2 | 43.5 |
| 0.5 | 68.7 | 72.1 | 75.4 | 78.3 | 80.6 |
| 1.0 | 82.4 | 85.6 | 87.9 | 89.5 | 90.8 |
| 3.0 | 94.3 | 95.7 | 96.5 | 97.1 | 97.6 |
| 平均效率 | 74.5 | 75.7 | 76.8 | 78.2 | 79.0 |
表3：F7级过滤器（S3）效率变化（%）
| 粒径（μm） | 0.5 m/s | 0.8 m/s | 1.0 m/s | 1.3 m/s | 1.5 m/s |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.1 | 72.6 | 66.3 | 61.2 | 57.1 | 53.0 |
| 0.3 | 68.9 | 63.5 | 59.1 | 55.0 | 51.2 |
| 0.5 | 76.3 | 80.2 | 83.6 | 86.4 | 88.7 |
| 1.0 | 88.5 | 91.3 | 93.2 | 94.7 | 95.6 |
| 3.0 | 96.8 | 97.5 | 98.0 | 98.4 | 98.7 |
| 平均效率 | 80.6 | 81.8 | 83.0 | 84.3 | 85.4 |
从上述三组数据可以看出：
- 对于所有类型过滤器，小于0.3 μm的超细颗粒过滤效率随面风速增加而明显降低，尤其在G4级别中降幅可达40%以上。
- 在0.5–3.0 μm区间，效率普遍随风速上升而提高，主因是惯性碰撞效应增强。
- F6和F7级过滤器由于滤材密度更高、驻极处理提升静电吸附能力，在低风速下对亚微米粒子仍有较好表现。
- 总体平均效率呈缓慢上升趋势，但增幅有限，且伴随阻力急剧上升。
4.3 阻力变化对比
面风速不仅影响效率，也直接影响系统能耗。下表列出三种过滤器在不同风速下的初始压降：
| 面风速（m/s） | G4（Pa） | F6（Pa） | F7（Pa） |
|---|---|---|---|
| 0.5 | 28 | 56 | 78 |
| 0.8 | 41 | 73 | 102 |
| 1.0 | 52 | 85 | 120 |
| 1.3 | 69 | 108 | 153 |
| 1.5 | 83 | 127 | 181 |
可见，压降近似与面风速平方成正比，符合达西定律（Darcy’s Law）。因此，尽管高风速可能略微提升大颗粒过滤效果，但会大幅增加风机能耗，经济性较差。
五、国内外研究进展综述
5.1 国内研究成果
清华大学建筑技术科学系李先庭教授团队在《暖通空调》期刊发表的研究指出：“在面风速0.6–1.2 m/s范围内，F7级板式过滤器对PM2.5的去除率可维持在80%以上，但当风速超过1.3 m/s时，0.3 μm附近粒子穿透率显著上升。”[1]
同济大学污染控制与资源化国家重点实验室通过对上海地铁车站通风系统的现场监测发现，实际运行中多数初中效过滤器面风速处于1.0–1.4 m/s之间，导致其对病毒载体气溶胶（0.1–0.3 μm）的实际过滤效率低于实验室标称值约15–25%。
中国疾病预防控制中心环境所建议，在生物安全实验室和医院洁净区域，应将初中效过滤器的面风速控制在≤1.0 m/s以内，以确保对微生物气溶胶的有效截留。
5.2 国际研究动态
美国环境保护署（EPA）在其发布的《Indoor Air Quality Tools for Schools》指南中强调：“过滤器性能应在制造商规定的额定风速下评估，偏离设计风速将严重影响其真实效能。”
丹麦技术大学（DTU）Building Physics Department 的研究（Janssen et al., 2020）通过CFD模拟与实验验证结合的方式证明：当面风速从0.7 m/s增至1.5 m/s时，F6级过滤器对0.2 μm粒子的效率下降达37%，而对1.0 μm粒子仅提升约12%。这表明高风速带来的收益远不足以弥补对细微颗粒控制能力的损失。
德国弗劳恩霍夫建筑物理研究所（Fraunhofer IBP）提出“等效清洁空气输送率”（CADR_eq）概念，综合考虑过滤效率与风量，指出：“并非风量越大越好，需在效率、阻力与能耗之间寻求平衡。”
此外，根据ASHRAE Standard 52.2-2017规定，过滤器效率测试必须在三种风速条件下进行（低、中、高），以评估其在不同工况下的稳定性。例如，F7级过滤器应在0.75、1.0、1.25 m/s下分别测试，取最低效率值作为分级依据。
六、工程应用建议与优化策略
6.1 设计选型原则
在实际工程中，应根据系统需求合理选择面风速，避免盲目追求高风量。推荐设计参数如下：
| 应用场景 | 推荐面风速（m/s） | 过滤等级 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 普通办公楼 | 0.8–1.0 | G4 | 注重节能 |
| 医院普通病房 | 0.7–0.9 | F6 | 提升生物颗粒去除 |
| 洁净手术室预过滤 | 0.6–0.8 | F7 | 配合高效过滤器 |
| 工业喷涂车间 | 1.0–1.3 | F5–F6 | 高粉尘负荷 |
| 数据中心 | 0.8–1.0 | G4–F6 | 防止电子元件污染 |
6.2 提升低风速下效率的技术路径
- 驻极处理滤料：通过电晕放电使纤维带永久静电荷，增强对亚微米粒子的库仑吸引力。研究表明，驻极F7过滤器在0.5 m/s风速下对0.3 μm粒子效率可达75%以上。
- 梯度密度结构：采用前疏后密的多层滤材，实现“渐进式过滤”，减少堵塞并延长寿命。
- 纳米纤维覆层：在传统滤材表面复合一层纳米级纤维膜（直径50–200 nm），显著提升小粒子拦截能力，同时保持较低阻力增长速率。
6.3 运行维护注意事项
- 定期检测压差，超过终阻力（通常为初始值2–3倍）应及时更换；
- 避免过滤器受潮或油雾污染，以免造成滤料板结失效；
- 更换时检查框架密封性，防止旁通泄漏；
- 在高污染环境中可加装预分离装置（如旋风除尘器）以减轻主过滤器负担。
七、典型厂商产品性能对比分析
为便于用户选型，以下列出国内外主流品牌初中效板式过滤器的关键参数对比：
| 品牌 | 型号 | 等级 | 迎风面积（m²） | 额定风速（m/s） | 初始阻力（Pa） | ePM1效率@1.0m/s（%） | 推荐更换周期 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil（瑞典） | Hi-Flo ES | F7 | 0.36 | 1.0 | 105 | 78.5 | 6–9个月 |
| Donaldson（美） | PowerCore PFC | F6 | 0.28 | 1.2 | 88 | 65.2 | 6个月 |
| 金海环境（中国） | ZH-F7 | F7 | 0.30 | 1.0 | 110 | 76.8 | 6–12个月 |
| KLC Filters（德） | ULPA-PAN | F8 | 0.32 | 0.9 | 125 | 82.1 | 6个月 |
| AirBest（中国） | AB-G4 | G4 | 0.25 | 1.0 | 35 | 30.5（ePM10） | 3–6个月 |
注：ePM1指对0.3–1.0 μm颗粒的质量效率，依据ISO 16890标准测定。
从表中可见，进口品牌在同等效率下往往具有更低的阻力或更长的使用寿命，但价格较高；国产品牌性价比优势明显，适合大规模民用项目。
八、未来发展趋势展望
随着“双碳”战略推进和健康建筑理念普及，初中效板式过滤器正朝着智能化、低阻高效、绿色环保方向发展：
- 智能监控集成：嵌入压差传感器与无线传输模块，实现远程状态预警；
- 可清洗再生技术：开发耐水洗聚酯滤材，支持重复使用，减少废弃物；
- 生物基材料应用：探索竹浆纤维、PLA可降解材料替代传统石油基纤维；
- 数字化仿真设计：利用CFD与机器学习优化滤芯结构，预测全生命周期性能。
此外，新型测试标准如ISO 16890已取代旧有的EN 779，更加关注对人体健康影响较大的PM1、PM2.5等细颗粒物的过滤能力，推动行业向精细化、科学化评价体系转型。
在未来城市智慧楼宇与韧性公共卫生基础设施建设中，合理控制面风速、科学匹配过滤等级将成为提升空气质量管理水平的关键环节。
