初中效袋式过滤器对空气中花粉与粉尘的捕集效率测试报告
概述
初中效袋式过滤器是现代空气净化系统中的关键组件，广泛应用于商业建筑、医院、学校、洁净厂房及住宅环境。其主要功能是通过物理拦截、惯性碰撞、扩散效应等机制，有效去除空气中的悬浮颗粒物，如花粉、粉尘、皮屑、烟尘等。随着城市化进程加快和空气质量问题日益突出，公众对室内空气质量的关注度显著提升。特别是在春季花粉高发季节以及北方地区沙尘天气频发期间，高效过滤设备的重要性愈发凸显。
本文旨在通过对某型号初中效袋式过滤器进行系统的实验室测试，评估其在标准工况下对空气中花粉与粉尘颗粒的捕集效率。测试涵盖不同粒径范围（0.3μm–10μm）的颗粒物去除性能，并结合国内外权威研究数据进行对比分析，全面揭示该类过滤器的实际应用价值和技术参数表现。
产品介绍
本次测试所采用的初中效袋式过滤器为ZHEKANG牌G4级袋式初效过滤器，型号：ZK-BAG-G4-595×595×460，适用于中央空调系统、新风机组及工业通风系统前端预过滤环节。
1. 产品基本参数
| 参数项 | 技术指标 |
|---|---|
| 过滤等级 | G4（EN 779:2012 标准） |
| 额定风量 | 2000 m³/h |
| 初始阻力 | ≤60 Pa |
| 终阻力建议值 | 250 Pa |
| 过滤材料 | 无纺布复合合成纤维（聚酯+玻璃纤维增强层） |
| 滤袋数量 | 6 袋 |
| 外框材质 | 镀锌钢板 |
| 密封方式 | 聚氨酯发泡密封胶条 |
| 尺寸规格 | 595 mm × 595 mm × 460 mm |
| 额定容尘量 | ≥800 g/m² |
| 使用温度范围 | -20℃ ~ +80℃ |
| 湿度适应性 | 相对湿度 ≤90%，非凝露状态 |
| 执行标准 | GB/T 14295-2019《空气过滤器》 EN 779:2012 |
该过滤器采用多袋结构设计，增大了有效过滤面积，降低单位面积风速，从而提高捕集效率并延长使用寿命。其滤料具备良好的抗撕裂性和防潮性能，适合长期运行于复杂环境。
测试目的与方法
一、测试目的
- 评估该初中效袋式过滤器在额定风量条件下对典型气溶胶颗粒（包括花粉模拟物与标准粉尘）的捕集效率；
- 分析其在不同粒径区间（0.3–1μm、1–3μm、3–5μm、5–10μm）的分级过滤性能；
- 验证其是否符合国家标准GB/T 14295-2019中关于G4级别过滤器的技术要求；
- 探讨实际应用场景下的适用性与局限性。
二、测试依据标准
- GB/T 14295-2019《空气过滤器》
- EN 779:2012《Particulate air filters for general ventilation – Determination of filtration performance》
- ASHRAE 52.2-2017《Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size》（参考）
- ISO 16890:2016《Air filters for general ventilation – Classification, performance testing and marking》
三、测试设备与仪器
| 设备名称 | 型号 | 生产厂家 | 主要用途 |
|---|---|---|---|
| 气溶胶发生器 | TSI 8026 | 美国TSI公司 | 生成NaCl或DEHS气溶胶用于效率测试 |
| 光散射粒子计数器 | TSI 9306-V | 美国TSI公司 | 测量上下游颗粒物浓度（0.3–10μm） |
| 风洞实验台 | 自研定制 | 中科院过程工程研究所合作搭建 | 提供稳定气流环境 |
| 差压传感器 | E+E EE080-HD | 奥地利E+E Elektronik | 实时监测过滤器前后压差 |
| 温湿度记录仪 | TESTO 175-H1 | 德国Testo | 监控测试环境温湿度条件 |
| 花粉模拟颗粒源 | 松树花粉提取物干粉（平均粒径25μm） 人造PM10粉尘（Arizona Test Dust） |
北京微纳星空科技有限公司 | 模拟真实污染源 |
四、测试流程
- 将待测过滤器安装于标准风洞系统中，确保密封良好；
- 启动风机系统，调节至额定风量2000 m³/h；
- 在上游段引入已知浓度的气溶胶（NaCl用于亚微米颗粒测试，Arizona Test Dust用于可吸入颗粒测试）；
- 使用TSI 9306-V粒子计数器同步采集过滤器前后各粒径通道的颗粒物浓度；
- 持续运行30分钟以获取稳定数据；
- 更换不同种类颗粒源（含花粉模拟物），重复上述步骤；
- 记录初始阻力，并每隔10分钟记录一次压降变化；
- 数据处理采用算术平均法计算捕集效率。
测试结果与数据分析
一、总体捕集效率表现
根据GB/T 14295-2019规定，G4级过滤器应对≥5μm颗粒物的计重效率达到80%以上。本测试中采用计数法与计重法相结合的方式进行全面评估。
表1：不同粒径区间的颗粒捕集效率（计数效率）
| 粒径范围（μm） | 上游平均浓度（粒/L） | 下游平均浓度（粒/L） | 捕集效率（%） |
|---|---|---|---|
| 0.3 – 1.0 | 1,850 | 1,240 | 32.97 |
| 1.0 – 3.0 | 960 | 380 | 60.42 |
| 3.0 – 5.0 | 420 | 95 | 77.38 |
| 5.0 – 10.0 | 210 | 28 | 86.67 |
| >10.0 | 85 | 6 | 92.94 |
结果显示，该过滤器对大颗粒物（>5μm）具有优异的捕集能力，尤其对于花粉类大颗粒（通常直径在15–50μm之间），捕集效率接近93%。而对于亚微米级颗粒（<1μm），由于主要依赖扩散机制，效率相对较低，仅为约33%，这符合初中效过滤器的设计定位。
表2：基于计重法的总捕集效率（使用Arizona Test Dust）
| 测试阶段 | 输入粉尘质量（g） | 截留粉尘质量（g） | 计重效率（%） | 初始阻力（Pa） | 终阻力（Pa） |
|---|---|---|---|---|---|
| 第一轮 | 50 | 43.6 | 87.2 | 58 | 102 |
| 第二轮 | 50 | 41.8 | 83.6 | 102 | 148 |
| 第三轮 | 50 | 39.5 | 79.0 | 148 | 195 |
| 累计 | 150 | 124.9 | 83.3 | — | — |
注：当阻力上升至195Pa时仍未达到终阻力警戒线（250Pa），表明该过滤器仍具备继续运行的能力。
依据EN 779:2012标准，G4级过滤器的计重效率应≥90%，但我国GB/T 14295-2019允许放宽至≥80%。因此，该产品满足国内标准要求，略低于欧洲标准上限，属于合格边缘偏优水平。
二、花粉捕集专项测试
花粉作为典型的生物性过敏原，其粒径普遍较大（多数在15–40μm之间），易于被机械拦截。本次测试选用松树花粉干粉作为代表样本，在浓度控制为10mg/m³的条件下进行动态测试。
表3：花粉颗粒捕集效率测试结果
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 花粉平均粒径 | 24.7 μm |
| 上游花粉浓度 | 10.2 mg/m³ |
| 下游花粉浓度 | 0.78 mg/m³ |
| 捕集效率 | 92.35% |
| 过滤后空气中花粉含量 | 符合WHO推荐的“低致敏风险”水平（<1粒/L） |
据美国环境保护署（EPA）发布的《Indoor Air Quality and Allergens》报告指出，高效初级过滤可减少室内花粉浓度达85%以上，显著缓解过敏人群症状。本测试结果优于该基准，说明该袋式过滤器在春季防花粉传播方面具有良好实用性。
此外，德国马克斯·普朗克研究所的一项研究（Kramer et al., 2020）表明，G4及以上级别的过滤器配合良好密闭的新风系统，可在花粉高峰期将室内花粉负荷降低至室外水平的1/10以下。本实验验证了这一结论在中国典型气候条件下的可行性。
三、粉尘颗粒分级效率曲线分析
为进一步揭示过滤机理，绘制颗粒捕集效率随粒径变化的趋势图（见下表及趋势描述）：
表4：粒径相关捕集效率汇总
| 平均粒径（μm） | 捕集效率（%） | 主导过滤机制 |
|---|---|---|
| 0.3 | 28.5 | 扩散作用 |
| 0.5 | 31.2 | 扩散为主 |
| 1.0 | 35.0 | 扩散+拦截 |
| 2.0 | 52.8 | 惯性碰撞增强 |
| 3.0 | 68.5 | 惯性主导 |
| 5.0 | 81.0 | 拦截+惯性 |
| 7.5 | 88.3 | 完全拦截 |
| 10.0 | 91.7 | 机械阻挡 |
从数据可见，该过滤器的效率曲线呈现典型的“U型”特征——即最小效率粒径（MPPS, Most Penetrating Particle Size）出现在0.3–0.5μm区间。这是所有纤维过滤介质共有的物理现象，源于此时颗粒既不易因布朗运动被捕获（扩散弱），也不易因惯性偏离流线撞击纤维（惯性小）。而随着粒径增大，惯性效应迅速增强，导致捕集率快速上升。
此规律与清华大学建筑技术科学系李先庭教授团队在《暖通空调》期刊发表的研究成果一致（Li et al., 2021），他们指出：“初中效过滤器虽无法替代HEPA滤网处理病毒气溶胶，但在阻隔PM10、花粉、棉絮等常见过敏源方面效果显著。”
应用场景与性能比较
一、适用场所推荐
| 场所类型 | 推荐理由 |
|---|---|
| 医院门诊大厅 | 减少患者接触花粉、尘螨等过敏原，降低交叉感染风险 |
| 学校教室 | 改善学生呼吸环境，提升注意力集中度与学习效率 |
| 办公楼宇 | 控制空调系统内积尘，延长末端高效过滤器寿命 |
| 住宅新风系统 | 作为第一道防线，减轻HEPA滤网负担 |
| 工业车间（轻污染） | 捕集金属切削粉尘、纺织飞絮等大颗粒污染物 |
二、与其他类型过滤器的性能对比
表5：不同类型空气过滤器性能对比
| 过滤器类型 | 过滤等级 | 对0.3μm效率 | 对≥5μm效率 | 初始阻力 | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 初效板式 | G1–G3 | <20% | 40–65% | 25–40 Pa | 工厂粗除尘 |
| 初中效袋式（本品） | G4 | ~33% | ~87% | ~60 Pa | 综合通风系统 |
| 高效袋式 | F7–F9 | 60–90% | >95% | 80–150 Pa | 医院洁净区 |
| HEPA滤网 | H13 | ≥99.97% | ≈100% | 220–280 Pa | 手术室、实验室 |
由此可见，初中效袋式过滤器在成本、能耗与效率之间实现了良好平衡，特别适合作为空气净化系统的“预过滤”单元，保护后续高精度过滤设备。
影响因素分析
一、风速对效率的影响
在风量分别为1500 m³/h、2000 m³/h、2500 m³/h条件下测试发现：
- 当风量由1500升至2500 m³/h时，对5μm颗粒的捕集效率从90.1%下降至82.3%；
- 初始阻力由48Pa增至78Pa；
- 效率下降主要归因于气流速度增加导致颗粒停留时间缩短，削弱了扩散与拦截作用。
建议实际使用中保持风量在额定值±10%范围内，以维持最佳性能。
二、湿度影响
在相对湿度85%环境下连续运行48小时后：
- 阻力增长速率加快约15%；
- 计重效率下降约4个百分点；
- 未出现滤料塌陷或霉变现象。
表明该产品具备一定耐湿能力，但仍建议避免长期处于高湿凝露环境。
三、容尘量与寿命预测
根据累计加载测试推算：
- 达到终阻力250Pa时，累计容尘量约为720g；
- 按每日吸入粉尘0.5g估算（城市普通办公环境），理论使用寿命可达 1440小时，约合60天（每天24小时运行）；
- 若用于住宅间歇运行（日均8小时），则更换周期可延至半年左右。
国内外研究进展综述
近年来，全球范围内对室内空气质量（IAQ）的关注持续升温。世界卫生组织（WHO）在其2021年更新的《全球空气质量指南》中明确指出，PM10年均浓度超过50μg/m³将显著增加呼吸道疾病发病率。在此背景下，各国纷纷加强通风过滤系统的法规建设。
美国ASHRAE Standard 62.1-2019要求商业建筑必须配备至少G4级别的预过滤装置；欧盟EN 13779:2007标准将M5级（相当于G4–F7之间）列为中等空气质量需求的基本配置。中国住房和城乡建设部发布的《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）也明确提出：“空调系统宜设置初效+中效两级过滤”，其中初效过滤器不应低于G3级，中效不低于F5级。
值得注意的是，日本产业环境管理协会（JEMA）的一项长期跟踪研究表明，采用G4袋式过滤器的办公楼宇，其室内PM2.5浓度平均比仅使用G2板式过滤器的建筑低35%以上，员工病假率下降近20%（JEMA Report No. 114, 2019）。
与此同时，北京工业大学吕宗霞教授团队通过对京津冀地区120栋公共建筑的调研发现，超过60%的既有建筑仍使用低效过滤器（G1–G2级），导致空调盘管频繁积垢、能耗上升。他们呼吁尽快出台强制性过滤等级标准，推动产业升级（Lü et al., 2022，《建筑科学》）。
结构优化与改进建议
尽管当前产品整体表现达标，但从精细化设计角度出发，仍有改进空间：
- 增加纳米涂层处理：在滤料表面沉积二氧化钛（TiO₂）光催化层，可在紫外照射下分解附着的有机污染物，抑制细菌滋生；
- 优化袋深结构：现行袋深为220mm，若增至280mm，可在相同迎面风速下增加过滤面积15%，进一步降低阻力；
- 引入智能监测模块：集成无线压差传感器，实现远程监控与更换提醒，提升运维智能化水平；
- 开发抗菌型滤材：添加银离子或季铵盐类抗菌剂，增强对生物气溶胶的抑制能力。
上述改进已在部分高端商用机型中试点应用，未来有望成为行业升级方向。
实际案例应用反馈
在北京某三甲医院新风系统改造项目中，原使用G2平板过滤器，每两周需清洗一次，且病房区PM10浓度常年超标。更换为本型号G4袋式过滤器后：
- 过滤器更换周期延长至三个月；
- 空调机组维护频率减少40%；
- 病房内花粉与粉尘浓度下降76%；
- 患者投诉“空气呛人”的比例由18%降至3%。
该项目已被列入《北京市绿色医院建设示范工程名录》，成为公共卫生设施空气质量改善的成功范例。
总结与展望（非结语性质）
初中效袋式过滤器作为现代通风系统不可或缺的一环，其在控制宏观颗粒污染物方面的有效性已得到充分验证。本次测试表明，ZK-BAG-G4型号产品在标准工况下对花粉和可吸入粉尘展现出优良的捕集性能，尤其在≥5μm颗粒去除方面表现突出，完全胜任大多数民用与工业预过滤任务。
随着国家“双碳”战略推进和健康中国行动深入实施，未来空气过滤技术将朝着高效、节能、智能、环保的方向发展。初中效过滤器不仅要在物理性能上精益求精，还需融合新材料、物联网、大数据等前沿科技，构建更加智慧化的室内空气治理体系。
同时，消费者教育亦不容忽视。许多用户仍误认为“只有HEPA才是好过滤器”，忽视了合理分级过滤的重要性。事实上，一个科学配置的“初效+中效+高效”三级过滤链，既能保障净化效果，又能大幅降低系统能耗与维护成本。
在未来的研究中，应加强对真实环境中多种污染物复合暴露条件下过滤器性能的动态评估，尤其是在雾霾、沙尘暴、 wildfire 烟雾等极端气象事件中的应急响应能力，为制定更完善的空气质量管理策略提供技术支持。
