关于舒适性空调系统中空气过滤器的研究-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘要：空调过滤器可以过滤大气中的颗粒污染物，提高建筑环境的室内空气品质。本文对舒适性空调系统中空气过滤器的理论发展、性能指标和标准、常用类型以及过滤器的合理选择进行了介绍。
关键词：室内空气品质空气过滤器过滤效率
引言
随着经济的发展和社会的进步，人们对自己的生活环境日益关注。由于室内环境恶化所导致的病态建筑综合症（SBS，Sick Building Syndrome），使得人们的身心健康与工作效率受到很大影响，室内空气品质是衡量室内环境好坏的重要指标，人们已经开始认识到改善室内空气品质的重要性与紧迫性[1]。同时，以往舒适性空调设计偏重热湿处理和气流组织，对空气洁净度缺乏必要重视。不恰当的使用过滤器会对空调系统造成损害，如气道堵塞、风机结垢，换热部件效率低下，温湿度等测量和控制元件失灵，全热交换装置失效等等。对室内人员、设备及装修带来危害，甚至使空调系统本身成为恶化室内空气品质的污染源之一。所以合理配置系统中的过滤器不仅可以改善室内空气品质，也会带来长远的经济效益。
1纤维过滤器过滤理论的研究与发展
空气过滤器的过滤材料内杂乱交织的纤维层在允许气流通过的同时把灰尘拦住。捕集微粒的作用有拦截效应、惯性效应、扩散效应、重力效应和静电效应等。在一个纤维过滤器内，微粒被捕集可能由于所有机理的作用，也可能由于一种或某几种机理的作用，这要根据微粒的尺寸、密度、纤维粗细、纤维层的填充率、气流速度等条件决定[2]。
过滤理论特别是空气过滤理论的研究早在19世纪已经开始，过滤理论由早期的经典过滤理论发展到现代过滤理论及微孔过滤理论。
对微细颗粒运动规律的最早认识是在19世纪初期，植物学家Brown观察了微细颗粒悬浮在液体中的运动（即布朗运动）；1922年，Freundlich发展了对气溶胶过滤规律的认识，提出在0.1～0.2μm半径范围内气溶胶颗粒存在最大渗透率；1931年，Albrecht率先对气流通过单一圆柱纤维运动进行了研究，建立了Albrecht理论，随后Sell对其进行了必要的改进[3]。
1936年，Kaufmann首先把布朗运动和惯性沉淀的概念一同应用到纤维过滤理论中，推导出过滤作用的数学公式；1942年，Langmuir继续对过滤理论进行研究，认为过滤是截留和扩散的集合，而惯性粒子在过滤纤维上的沉淀是可以忽略的[4]。
1952年，Davies把扩散、截留和惯性3种机制结合起来并用公式表示出来[5]，从而建立了新的过滤理论———孤立纤维理论；1958年Friedlander[6]及1967年Yoshioka发展了独立纤维理论，他们对较大雷诺数情况下颗粒的惯性、扩散沉积及重力效应和过滤器阻塞现象进行了研究和总结[7～8]；1967年，Pickaar和Clarenburg试图提出一个纤维过滤器微孔结构的数学理论；1987年Pich及1993年Brown在其专著中描述了过滤理论的最新发展。
现代过滤理论证明了惯性沉淀的正确性和最大穿透力粒子的存在，认为过滤效率是截留效应、布朗扩散效应、重力效应、沉淀效应与压力效应的集合；过滤过程中可能存在的机理有拦截、惯性碰撞、扩散、静电效应、库仑吸引排斥、映像力、电泳力及沉淀（重力）。现代过滤理论中具有代表性的是Davies的过滤理论与Kuwarbara的流场分布。
1992年，Payet、Gougeon和Attoui考虑了气体在单一纤维上的滑动，对经典理论引入修正系数，使得理论与实验数据更好地吻合。1995年，Rosnert提出分散在单一纤维体表面的颗粒以不规则的分布和常常形成树枝状结构为特征，建立了最新改善的理论和颗粒在单一纤维体上的空间分布[9]。利用此理论和计算程序可预测颗粒的沉积。
2001年，Thomas等对过滤器在产生阻塞的情况下进行了空气过滤的理论与实验研究，提出了过滤器在滤饼存在的情况下，过滤效率及压力损失的计算模型[8]。近几年来，国外许多学者对空气过滤器在积尘情况下的效率性能及滤饼的形成和机理进行了理论实验及模拟研究，取得了一定的成果[8～11]。
过滤理论的研究尚不完善，国内有关过滤机理的研究文献比较少，不同结构过滤器的捕集效率和压力损失的理论计算，过滤器的负荷特性对捕集效率及压力损失的影响及滤料的结构特性对捕集效率及压力损失的影响等问题，都有待研究解决。因此，过滤理论的进一步研究对空气过滤技术的发展具有重大意义和实用价值。
2过滤器的性能指标与标准
评价过滤器性能的特性指标有：面速或滤速、效率、阻力和容尘量等。其中最主要的是效率[2]。各国家、各厂商使用的测试方法不统一，对过滤器效率的解释和表达就会大相径庭。
目前国际上的通用标准大致有如下几个。最早有美国国家标准局NBS的比色法和美国过滤器研究所AFI的人工尘计重法。后来美国ASHARE学会制定了以大气尘源的比色法ASHARE52-76被许多国家认同和采用。1992年美国ASHARE学会对比色法进行了修正，以ASHARE52.1 1992颁布。我国针对比色法测试时间过长，易受大气尘浓度波动的影响，在世界上最早采用大气尘分组计数法，于1990年颁布国家标准GB12218-89《一般通风用空调过滤器性能测试方法》。欧洲空气处理设备制造商协会也相应地制定了大气尘计数法EUROVENT 4/9，准备替代EUROVENT 4/5[12]。国内外主要国家几种空气过滤器标准和效率的比较请参见表1。
气流通过单一圆柱纤维运动进行了研究，建立了Albrecht理论，随后Sell对其进行了必要的改进[3]。1936年，Kaufmann首先把布朗运动和惯性沉淀的概念一同应用到纤维过滤理论中，推导出过滤作用的数学公式；1942年，Langmuir继续对过滤理论进行研究，认为过滤是截留和扩散的集合，而惯性粒子在过滤纤维上的沉淀是可以忽略的[4]。
1952年，Davies把扩散、截留和惯性3种机制结合起来并用公式表示出来[5]，从而建立了新的过滤理论———孤立纤维理论；1958年Friedlander[6]及1967年Yoshioka发展了独立纤维理论，他们对较大雷诺数情况下颗粒的惯性、扩散沉积及重力效应和过滤器阻塞现象进行了研究和总结[7～8]；1967年，Pickaar和Clarenburg试图提出一个纤维过滤器微孔结构的数学理论；1987年Pich及1993年Brown在其专著中描述了过滤理论的最新发展。
现代过滤理论证明了惯性沉淀的正确性和最大穿透力粒子的存在，认为过滤效率是截留效应、布朗扩散效应、重力效应、沉淀效应与压力效应的集合；过滤过程中可能存在的机理有拦截、惯性碰撞、扩散、静电效应、库仑吸引排斥、映像力、电泳力及沉淀（重力）。现代过滤理论中具有代表性的是Davies的过滤理论与Kuwarbara的流场分布。
1992年，Payet、Gougeon和Attoui考虑了气体在单一纤维上的滑动，对经典理论引入修正系数，使得理论与实验数据更好地吻合。1995年，Rosnert提出分散在单一纤维体表面的颗粒以不规则的分布和常常形成树枝状结构为特征，建立了最新改善的理论和颗粒在单一纤维体上的空间分布[9]。利用此理论和计算程序可预测颗粒的沉积。
2001年，Thomas等对过滤器在产生阻塞的情况下进行了空气过滤的理论与实验研究，提出了过滤器在滤饼存在的情况下，过滤效率及压力损失的计算模型[8]。近几年来，国外许多学者对空气过滤器在积尘情况下的效率性能及滤饼的形成和机理进行了理论实验及模拟研究，取得了一定的成果[8～11]。
过滤理论的研究尚不完善，国内有关过滤机理的研究文献比较少，不同结构过滤器的捕集效率和压力损失的理论计算，过滤器的负荷特性对捕集效率及压力损失的影响及滤料的结构特性对捕集效率及压力损失的影响等问题，都有待研究解决。因此，过滤理论的进一步研究对空气过滤技术的发展具有重大意义和实用价值。
2 过滤器的性能指标与标准
评价过滤器性能的特性指标有：面速或滤速、效率、阻力和容尘量等。其中最主要的是效率[2]。各国家、各厂商使用的测试方法不统一，对过滤器效率的解释和表达就会大相径庭。
目前国际上的通用标准大致有如下几个。最早有美国国家标准局NBS的比色法和美国过滤器研究所AFI的人工尘计重法。后来美国ASHARE学会制定了以大气尘源的比色法ASHARE52-76被许多国家认同和采用。1992年美国ASHARE学会对比色法进行了修正，以ASHARE52.1 1992颁布。我国针对比色法测试时间过长，易受大气尘浓度波动的影响，在世界上最早采用大气尘分组计数法，于1990年颁布国家标准GB12218-89《一般通风用空调过滤器性能测试方法》。欧洲空气处理设备制造商协会也相应地制定了大气尘计数法EUROVENT 4/9，准备替代EUROVENT 4/5[12]。国内外主要国家几种空气过滤器标准和效率的比较请参见表1。

3 过滤器的常用类型
常用的一般通风用过滤器有板式过滤器，袋式过滤器和刚性紧凑式过滤器等。
板式过滤器结构简单，价格低廉，用于比较干净场所的空调系统预过滤和净化要求不高的舒适性空调系统。其滤材为蓬松的针刺无纺布或玻璃纤维材料，目前国内普遍使用的金属和尼龙过滤网的大气尘计重效率最高不超过30％[16]。
袋式过滤器是舒适性空调系统中最常见的过滤器种类。它的效率可以达到比色法40％～95％(F5~F8)，以及计重法80％~90％(G3～G4)[16]。F5～F8过滤器的传统过滤材料为玻璃纤维。但是近年来，以熔喷法制造的聚丙烯纤维过滤材料取代了传统玻纤材料约一半的市场。G3与G4过滤器的滤材主要为涤纶无纺布，为了满足国内用户重复使用的要求，有时人们在滤料中添加黏合剂以使材料可以经受水洗[17]。
常见的刚性紧凑式过滤器分为无隔板过滤器和有隔板过滤器。无隔板过滤器由于性价比高，正逐渐替代有隔板过滤器。国际上绝大多数此类过滤器都采用湿法超细玻纤滤纸，而我国近年来大多采用熔喷化纤滤纸(多为聚丙烯材料)。由于化纤滤纸带静电，在实验室测试初始效率或许能达到所标效率，但在实际使用时随着静电的很快消失，效率也会骤然下降。在实际使用现场和实验室中的多次测试表明，使用了两周后的化纤滤纸过滤器的效率等级最高仅相当于F6[18]。
采用玻纤滤纸的一般通风用刚性紧凑型过滤器的效率为ASHRAE 60％～98％(F6～F9)。干法熔喷玻纤滤料和化纤滤料均不抗水。因此，湿法玻纤滤纸制成的过滤器对微生物颗粒有更好的抑制作用。
化学过滤器使用活性炭作为主要过滤材料。活性炭材料绝大部分微孔的孔径在5～500 A!之间，单位材料中微孔的总表面积可达700～2300 m2/g[18]。根据材料的处理方法，活性炭吸附分为物理吸附和化学吸附。物理吸附主要靠的是范德华力。经化学处理而使材料与有害气体产生化学反应的吸附称为化学吸附。活性炭靠范德华力抓到气体分子，材料上的化学成分与污染物反应，生成固体成分或无害的气体。
4过滤器的选择
过滤器应根据不同场合性能要求的不同进行相应配置。评价过滤器主要有四项特性指标：过滤速度、过滤效率、阻力和容尘量，因此在进行过滤器的选择时也应该参照这四个性能参数进行相应选择。
①选用过滤面积大的过滤器。过滤面积越大，滤速越低，过滤器阻力就越小。在特定过滤器结构条件下，反映滤速的是过滤器的额定风量。在相同截面积下，希望允许的额定风量越大越好，而在低于额定风量下运行，效率提高阻力降低。同时增加过滤面积是延长过滤器使用寿命最有效的手段。经验表明，对同种结构、同样滤料的过滤器。当终阻力确定时，过滤面积增加50％，过滤器的使用寿命延长70％～80％[16]。但是在考虑增加过滤面积的同时还要考虑到过滤器的结构和现场条件。
②合理确定各级过滤器效率。空调设计时，应首先根据实际要求确定最末一级过滤器的效率，然后选择起保护作用的预过滤器。要妥善匹配各级过滤器的效率，善于利用和配置粗、中效过滤器各自的最佳过滤粒径范围。而预过滤器的选择应根据使用环境、备件费用、运行能耗、维护费用等因素综合考虑决定。不同效率等级的空气过滤器对不同大小的灰尘颗粒的最低计数过滤效率如图1所示[18]，它通常是指不带静电的新过滤器的效率。同时舒适性空调过滤器的配置应不同于净化空调系统，并且对空气过滤器的安装、防漏等也应提出不同的要求。

③过滤器的阻力主要有滤料阻力和过滤器结构阻力构成，过滤器积灰阻力增加，当阻力增加到某一规定值时过滤器报废。终阻力直接关系到过滤器的使用寿命、系统风量变化范围、系统能耗。低效率的过滤器常使用直径大于10nm的粗纤维滤料，纤维间空隙大，过大的阻力有可能将过滤器上的积灰吹散，引起二次污染，而此时阻力不再增加，过滤效率为零。因此要严格限制G4以下过滤器的终阻力值。
④过滤器的容尘量是和使用期限有直接关系的指标。过滤器在积尘的过程中，效率低的过滤器更易显示初效率先增加后下降的特点。一般舒适性中央空调系统使用的大多数过滤器是一次性的，它们根本无法清洗或从经济角度上考虑不值得清洗。
5 结论及建议
通过对空气过滤器性能等的研究，本文得到以下
结论：
①没有使用好过滤器的空调系统可能成为污染源或促进交叉污染。在空调系统中装有效率足够高的过滤器才是确保优质空气品质的必需措施。
②过滤理论已由经典过滤理论发展到现代过滤理论及微孔过滤理论。
③评价过滤器的效率必须注明测试方法，各国家和厂商使用的测试方法不统一，测试结果就会大相径庭。
④过滤器应针对不同场合的要求进行配置，在选择时应善于利用和配置粗、中效过滤器各自的最佳过滤粒径范围。
⑤对悬浮粒子的过滤作用不仅仅依赖于过滤器的最初选择与配置，更重要在于对过滤器的维护和管理。不但要从热湿处理效率角度上去考虑问题，而且还要从室内空气品质角度上去管理空调系统。合理的运行与科学的维护管理是解决室内空气品质的必要条件。
⑥现有的空调系统设计时应该认真选择及校核过滤器以达到配置要求；建议有关政府部门尽快制定有关民用建筑通风空调和空气过滤系统的设计、运行、维护、检查的科学规范和标准。

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