Comparative and Analytic Research on Air Filter

曹思循

CAO Si-xun

（中國國家博物館）

?

空氣過濾器對比分析研究

Comparative and Analytic Research on Air Filter

曹思循

CAO Si-xun

（中國國家博物館）

1 引言

PM2.5、霧霾對于北京人來說已不再陌生，被污染的空氣似乎已經(jīng)司空見慣，且還有不斷加重的趨勢。PM2.5可以通過支氣管和肺泡進入血液，其中的有害氣體、重金屬等溶解在血液中，對人體健康的傷害較大。PM2.5還可成為病毒和細菌的載體，為呼吸道傳染病的傳播推波助瀾。PM2.5極容易造成心血管疾病，其濃度越高，灰霾天氣越多，發(fā)病率就越高；同時也降低患者的抵抗力。它們中有50%會沉積在肺中造成肺部硬化，是造成肺癌的頭號殺手。各國或組織機構(gòu)都對污染物制定了標準，如表1所示。中國國家博物館位于天安門廣場東側(cè)，館藏120余萬件文物且每年參觀人數(shù)將近千萬，為保障觀眾參觀環(huán)境和文物存放安全，進行了PM2.5檢測及過濾效率實驗。

2 館內(nèi)空氣質(zhì)量現(xiàn)狀

中國國家博物館共有空調(diào)機組173臺、新風機組51臺，全部采用無紡布框架過濾網(wǎng)。近日來北京持續(xù)霧霾，對館內(nèi)及室外PM2.5進行持續(xù)檢測，取部分數(shù)據(jù)列表分析。表2選取了5天室外空氣達到嚴重污染（PM2.5濃度大于250μg/m3）時西入口大廳、一號中央大廳和南辦公樓空氣數(shù)據(jù)。西入口大廳是觀眾主要出入通道，環(huán)境受外界影響較大。一號中央大廳位于館中部與外界空氣對流較小，機組設置為全回風狀態(tài)盡量減小新風流量，大廳氣壓狀態(tài)為微正壓防止外界空氣涉入，所以相比其他部位空氣質(zhì)量較好。南辦公樓位于大樓外且無空調(diào)機組，新風直接靠開窗流入，空氣質(zhì)量和外界相差不大。

表1 各國或組織機構(gòu)制定的大氣PM10和PM2.5標準

表2 室外及館內(nèi)部分區(qū)域?qū)崪yPM2.5值 單位：μg/m3

3 空氣過濾器過濾機制對比分析

針對館內(nèi)空氣現(xiàn)狀，對市場上現(xiàn)有過濾器進行分析比較。市場中主流空調(diào)PM2.5凈化方案有：傳統(tǒng)過濾技術(shù)（粗效、中效、高中效和亞高效）；高壓靜電凈化裝置；靜電駐極體過濾單元。

3.1傳統(tǒng)過濾技術(shù)主要機制

館內(nèi)現(xiàn)全部采用此種過濾方式。機械過濾機理可以細分為：篩分、慣性碰撞、直接捕獲、布朗擴散4種。其中除了篩分機理外，其他3種都可以歸因為微粒與過濾介質(zhì)之間的微觀力的作用，只是按照顆粒被捕獲前的運動形態(tài)不同而進行了區(qū)分。

3.1.1篩分過濾機制

本機制為顆粒最小直徑大于相鄰纖維間距，嵌入后實現(xiàn)過濾。主要是針對直徑較大的顆粒，例如纖維等。

3.1.2慣性碰撞過濾機制

本機制為大直徑顆粒在氣流的帶動下，由于其慣性很大，會脫離氣流軌跡，與纖維發(fā)生碰撞。主要適用于捕獲直徑大于1μm的顆粒。

3.1.3直接捕獲過濾機制

本機制為由于慣性較小，中等直徑的顆粒遇到纖維阻擋后隨氣流改變方向，當其距離小于顆粒直徑的一半時被捕獲。主要適用于直徑大于0.5μm的顆粒。

3.1.4布朗擴散過濾機制

本機制為較小的粒子在空氣分子的熱運動撞擊下，其運動軌跡是雜亂無規(guī)的。這增加了其與纖維碰撞的概率，此捕獲機理主要是針對0.1μm以下的灰塵顆粒。

傳統(tǒng)過濾技術(shù)的主要應用配置有:①采用單道初效空氣過濾器（尼龍網(wǎng)/金屬網(wǎng)/無紡布）（級別分為 C4/C3/C2/C1）；②采用初效空氣過濾器（尼龍網(wǎng)/金屬網(wǎng)/無紡布）＋中效或高中效布袋式或板式過濾器（級別分為Z3/Z2/Z1/GZ）；③采用初效空氣過濾器＋高中效過濾器＋亞高效或高效過濾器。

3.2高壓靜電機制應用分析

高壓靜電空氣過濾設備具備固態(tài)電源供應系統(tǒng)和自控系統(tǒng)，提供高達9245V直流電至電離線和高達4850V直流電至集塵板，可以產(chǎn)生強大的電力區(qū)，使空氣懸浮顆粒物和雜質(zhì)得到最大的電離轉(zhuǎn)移。對通過電子式空氣凈化系統(tǒng)的空氣懸浮顆粒物進行電離化，利用高壓電離場將空氣中所有的懸浮顆粒物強制附上正電，然后迅速被吸附收集在電子集塵室中。

電子式空氣凈化系統(tǒng)的高壓電離場，會將空氣中的細菌、病毒及塵螨等微生物的細胞核破壞并徹底殺死這些有害物質(zhì)，殘余物質(zhì)會被電子集塵器收集，徹底杜絕了細菌、病毒以及傳染病利用中央空調(diào)系統(tǒng)進行的繁殖傳播，解決了交叉感染。

3.3靜電駐極體過濾裝置

靜電駐極體過濾機制，是在傳統(tǒng)過濾機制上增加了靜電捕獲過濾裝置，原材料在生產(chǎn)過程中加入了靜電技術(shù)，同時原材料采用創(chuàng)新、開放式結(jié)構(gòu)設計。

4 空氣過濾器優(yōu)缺點比較

4.1無紡布初效過濾器

4.1.1 優(yōu)點

①更換費用相對較低；

②市場上供應商多，有較大選擇空間；

③有一定的過濾效果。

4.1.2 缺點

①對于PM2.5過濾效率效果差，空氣質(zhì)量差，室內(nèi)空氣質(zhì)量無法得到保障；

②使用壽命較短，每月清洗，使用3個月后進行更換；

③過濾效率差，容易對換熱器造成堵塞，管道管路積塵，換熱器和通風管道清洗周期短；

④無紡布過濾器清洗麻煩，工作量大，需要從機組將過濾器拆除后，統(tǒng)一運送至水房用高壓水槍沖洗，運送過程中容易造成揚灰，二次污染，需要使用大量人力、水資源，并且需要將過濾器曬干后，才可以安裝在機組里。

4.2高壓靜電除塵裝置

4.2.1 優(yōu)點

①過濾PM2.5效率高但必須配合初效過濾網(wǎng)使用；

②阻力小，節(jié)省風機和電能；

③能消滅細菌、病毒等有害物質(zhì)。

4.2.2 缺點

①雖然電子凈化器初始過濾效率都比較高，但是過濾器的過濾效率都是在未捕塵的狀態(tài)下測試的，而實際使用時，電子凈化器會因為捕獲的灰塵量增加會逐漸產(chǎn)生電暈封閉現(xiàn)象，致使電子凈化器沒有相應的凈化效果，這時需要對凈化器進行清洗。

②需要外接電源，對于機組數(shù)量多的用戶而言，能耗成本支出費用增加，接通電源為220～380V非安全電壓，應用環(huán)境潮濕、黑暗、接觸材料全部為導體，因此存在一定安全隱患。

表3 各種過濾網(wǎng)過濾效果測試

③高壓靜電除塵過濾機制，無論采用正暈電場還是負暈電場，都會產(chǎn)生臭氧及氮氧化合物等有害物質(zhì)，只是前者較后者相對低一些而已。室內(nèi)空氣高壓靜電除塵裝置多采用正暈電場，但同時正暈電場產(chǎn)生的電場較低，正暈電場的擊穿臨界電場較低，所以運行穩(wěn)定性較差。

④對于風速要求較高的機組，通常在風速高于2.5m/s后，效率有所下降。

⑤清洗工作通常需要專業(yè)維保單位（或供貨廠家）進行，清洗成本高。如安排自己物業(yè)員工清洗，難度大且容易損壞設備；長時間使用后，積塵板被電離氧化，十分難清洗，需要使用藥物清洗（積塵板再次被氧化）；氧化后的積塵板積塵效果逐漸衰減，并且越來越難清洗，積塵效果越來越差，形成惡性循環(huán)，造成積塵效果不佳，二次揚灰，失去積塵效果。

4.3靜電駐極體過濾裝置

4.3.1 優(yōu)點

①過濾PM2.5效率高。

②不需要外接電源，不增加任何能耗，不產(chǎn)生任何有害氣體，不存在任何安全隱患。

③靜電駐極體過濾裝置，安裝、更換、維護簡單、便捷，與無紡布框架過濾器使用相同框架，無需大量施工和對機組改造，對于機組過濾段要求較低。

4.3.2 缺點

①雖然過濾PM2.5效率高，但使用一段時間后阻力會有所增加。

②過濾PM2.5的高效過濾網(wǎng)，不能清洗且半年必須更換。

③在各種過濾器中，使用后更換清洗費用最高。

5 空氣過濾器測試數(shù)據(jù)

針對各種空氣過濾器進行過濾效果測試，測試結(jié)果見表3。測試日室外空氣PM2.5濃度為137μg/m3，屬于中度污染。方案二為新風口安裝一道無紡布過濾網(wǎng)，機組內(nèi)再裝一道無紡布過濾網(wǎng)，共安裝兩道無紡布過濾網(wǎng)。方案一、方案三、方案四為在機組內(nèi)安裝3種過濾器測試數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語

各種空氣過濾器都有自己的優(yōu)缺點?？傮w而言，過濾PM2.5效率越高運行費用越貴，應根據(jù)要達到的目標選用合適空氣過濾器。若遇霧霾天氣應盡量減少外出活動和關閉門窗，對減少對人體的損害有一定的作用。在家中還應開啟空氣凈化器，因為即使關閉門窗也無法完全阻擋室外污染空氣的進入。若以75μg/m3作為室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度限值，氣密性較低的塑鋼平開窗承受室外PM2.5污染濃度約為175μg/m3，而氣密性較高的斷橋鋁上懸窗承受室外PM2.5污染度可達到300μg/m3，可見當室外污染較重時都需要室內(nèi)開啟空氣凈化器。但空氣凈化器無法降低室內(nèi)二氧化碳濃度（規(guī)范規(guī)定每人需要30m3/h新風），可在中午（此時濃度一般為一天中最低）開一會兒窗來維持室內(nèi)良好環(huán)境。

參考文獻

[1] 王清勤.室外細顆粒物建筑圍護結(jié)構(gòu)穿透及被動控制措施

[J].暖通空調(diào)，2014,45（12）：8-13.

[2] 喻京英.口罩能否擋住PM2.5[R].人民日報海外版，2011.

[3] 環(huán)境保護部.環(huán)境空氣質(zhì)量標準[J].空氣質(zhì)量準則，2012.

【摘要】眾所周知，空氣污染日益加劇，室內(nèi)空氣超標。論文基于過濾器過濾原理不同，對3種不同類型的過濾器進行對比分析研究，揭示出各種過濾器的優(yōu)缺點；并以國家博物館過濾效率數(shù)據(jù)為研究背景，在相同工況下分析得出各種過濾器的過濾工況的使用條件，為今后進行過濾器選擇奠定基礎。

（National Museum of China）

【Abstract】It is well known that air pollution is increasingly intensifying.Indoor air quality is over standard.Based on different filter principle of filter,three different types of filters carry on comparative analysis.The paper reveals the advantages and disadvantages of various filters.And the research background is in national museum of China.In the same working conditions,the paper analyses on application conditions of various filters,and to provide basis for future selection of filter.

【關鍵詞】PM2.5；空氣污染；空氣過濾器；過濾效率

【Keywords】PM2.5; air pollution; air filter; filtration efficiency