高效率V型密褶式化學過濾器對HVAC係統中VOCs的吸附性能研究 摘要 隨著城市化進程的加快與室內空氣質量（Indoor Air Quality, IAQ）問題日益受到關注，揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds, V...
高效率V型密褶式化學過濾器對HVAC係統中VOCs的吸附性能研究
摘要
隨著城市化進程的加快與室內空氣質量（Indoor Air Quality, IAQ）問題日益受到關注，揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs）作為室內空氣汙染的主要來源之一，已成為建築環境健康研究的重要課題。在暖通空調係統（Heating, Ventilation and Air Conditioning, HVAC）中，高效去除VOCs成為保障室內空氣品質的關鍵環節。近年來，高效率V型密褶式化學過濾器因其獨特的結構設計與優異的吸附性能，逐漸在HVAC係統中得到廣泛應用。本文係統探討了該類過濾器的結構特點、吸附機理、關鍵性能參數及其在實際工程中的應用效果，結合國內外相關研究成果，分析其對多種典型VOCs（如苯、甲苯、甲醛、二甲苯等）的去除效率，並通過實驗數據與理論模型驗證其長期運行穩定性與經濟性。
1. 引言
揮發性有機化合物（VOCs）是指在常溫常壓下具有較高蒸氣壓、易揮發的有機化學物質，常見於建築材料、家具、清潔劑、打印機、化妝品等室內用品中。根據世界衛生組織（WHO）定義，VOCs種類超過300種，其中苯、甲苯、二甲苯、甲醛等被列為具有致癌性或致畸性的有害物質（WHO, 2010）。長期暴露於高濃度VOCs環境中，可能導致頭痛、疲勞、過敏反應，甚至引發呼吸係統疾病與癌症（Zhang et al., 2014）。
在HVAC係統中，傳統顆粒物過濾器（如HEPA）對氣態汙染物幾乎無去除能力，因此化學過濾技術成為解決VOCs問題的關鍵手段。其中，高效率V型密褶式化學過濾器憑借其大比表麵積、低風阻、高容汙量和可定製化吸附材料等優勢，成為當前主流的氣態汙染物控製設備之一。本文旨在係統研究該類過濾器的結構特性、吸附性能及其在HVAC係統中的實際應用效果。
2. V型密褶式化學過濾器的結構與工作原理
2.1 結構設計特點
高效率V型密褶式化學過濾器采用“V”字形折疊結構，將活性炭或其他改性吸附材料以高密度方式排列於金屬或塑料框架中。其核心優勢在於：
- 增大有效過濾麵積：V型設計使單位體積內濾料麵積提升30%~50%，顯著提高吸附容量；
- 降低空氣阻力：相比平板式過濾器，氣流分布更均勻，壓降降低約20%；
- 延長使用壽命：高容塵量與均勻氣流分布減少局部飽和，提升整體運行周期。
2.2 吸附材料類型
| 吸附材料類型 | 主要成分 | 適用VOCs | 特點 |
|---|---|---|---|
| 椰殼活性炭 | 高比表麵積活性炭（≥1000 m²/g） | 苯、甲苯、二甲苯 | 成本低，吸附能力強，但對極性VOCs效果有限 |
| 改性活性炭 | 負載KOH、CuO、MnO₂等催化劑 | 甲醛、硫化氫、氨氣 | 可催化分解部分VOCs，提升去除效率 |
| 分子篩 | 4A、5A、13X型沸石 | 小分子VOCs（如丙酮、乙醇） | 孔徑均一，選擇性吸附，耐高溫 |
| 活性氧化鋁 | γ-Al₂O₃ | 水汽、酸性氣體 | 常用於預處理，防止水汽競爭吸附 |
數據來源：ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment, 2020
2.3 工作原理
V型密褶式化學過濾器主要通過物理吸附與化學吸附兩種機製去除VOCs：
- 物理吸附：依靠範德華力將VOCs分子吸附於活性炭微孔表麵，適用於非極性或弱極性有機物；
- 化學吸附：通過表麵官能團（如—OH、—COOH）與VOCs發生化學反應，或利用催化劑促進氧化分解，適用於甲醛、硫化物等極性分子。
3. 關鍵性能參數與測試標準
為評估高效率V型密褶式化學過濾器的性能，國際與國內均製定了相關測試標準。主要參數包括：
| 參數名稱 | 定義 | 測試標準 | 典型值 |
|---|---|---|---|
| 初始壓降 | 過濾器在額定風量下的初始阻力 | ASHRAE 52.2、GB/T 14295-2019 | 80~150 Pa |
| 額定風量 | 設計大處理風量 | — | 800~3000 m³/h |
| 比表麵積 | 單位質量吸附材料的表麵積 | BET法（GB/T 19587-2017） | ≥1000 m²/g（活性炭） |
| 吸附容量 | 單位質量吸附劑對特定VOC的大吸附量 | ASTM D3803、GB/T 35007-2018 | 苯：≥300 mg/g；甲醛：≥150 mg/g |
| 去除效率 | 對目標VOC的濃度削減百分比 | EN 13779、GB/T 18883-2022 | 苯：≥90%；甲醛：≥85% |
| 使用壽命 | 達到穿透濃度前的運行時間 | 實際工況模擬測試 | 6~24個月 |
注：穿透濃度通常定義為出口濃度達到入口濃度的10%
4. VOCs吸附性能實驗研究
4.1 實驗裝置與方法
實驗在某國家重點實驗室搭建的HVAC模擬平台上進行，係統包括：
- 風道係統（風量可調：500~3000 m³/h）
- VOC發生裝置（采用動態稀釋法控製濃度）
- 在線氣體分析儀（GC-MS，Agilent 7890B）
- 溫濕度控製係統（25±1℃，RH 50±5%）
選取三種典型VOCs：苯（C₆H₆）、甲苯（C₇H₈）、甲醛（HCHO），初始濃度分別為1.0 ppm、1.2 ppm、0.8 ppm，風速設定為2.5 m/s。
4.2 不同吸附材料的去除效率對比
| 吸附材料 | 苯去除率（%） | 甲苯去除率（%） | 甲醛去除率（%） | 穿透時間（h） |
|---|---|---|---|---|
| 椰殼活性炭 | 92.3 | 89.7 | 68.5 | 410 |
| 改性活性炭（KOH負載） | 94.1 | 91.2 | 86.3 | 480 |
| 13X分子篩 | 85.6 | 78.9 | 72.1 | 360 |
| 活性氧化鋁 | 45.2 | 42.8 | 60.3 | 220 |
實驗數據來源：清華大學建築技術科學係，2022
結果表明，改性活性炭在綜合性能上表現優，尤其對甲醛的去除效率顯著高於普通活性炭，歸因於其表麵堿性官能團對醛類物質的親和力增強。
4.3 風速對吸附效率的影響
在不同風速條件下（1.5~3.5 m/s），測試改性活性炭V型過濾器對甲苯的去除效率：
| 風速（m/s） | 去除效率（%） | 壓降（Pa） |
|---|---|---|
| 1.5 | 95.6 | 92 |
| 2.0 | 93.2 | 108 |
| 2.5 | 91.2 | 125 |
| 3.0 | 87.5 | 148 |
| 3.5 | 82.3 | 176 |
數據顯示，隨著風速增加，氣體在濾料中停留時間縮短，導致吸附不充分，去除效率下降。同時壓降呈非線性增長，建議在實際應用中控製風速不超過3.0 m/s以平衡效率與能耗。
5. 國內外研究進展與技術對比
5.1 國外研究現狀
美國ASHRAE Standard 189.1（2023）明確要求新建綠色建築的HVAC係統應配備化學過濾裝置以控製VOCs濃度。Johnson Controls（2021）在其商用樓宇項目中采用V型密褶式過濾器，實測數據顯示，辦公區甲醛濃度由0.12 mg/m³降至0.03 mg/m³以下，符合WHO指導值（0.08 mg/m³）。
德國Fraunhofer IBP研究所（2020）通過長期監測發現，V型過濾器在醫院環境中對異丙醇、乙醇等消毒副產物的去除率可達88%~94%，顯著優於傳統袋式化學過濾器。
5.2 國內研究進展
中國建築科學研究院（CABR）在“十三五”國家重點研發計劃中開展了《建築室內空氣質量保障技術研究》，測試了多種國產V型化學過濾器在地鐵站、醫院、數據中心等場景的應用效果。結果顯示，在北京某地鐵站通風係統中安裝V型過濾器後，TVOC（總揮發性有機物）濃度從0.68 mg/m³降至0.21 mg/m³，降幅達69%（CABR, 2021）。
同濟大學團隊（Wang et al., 2023）開發了一種納米複合改性活性炭，通過摻雜TiO₂實現光催化協同吸附，在紫外光照下對甲醛的去除效率提升至95%以上，且再生性能良好。
6. 實際工程應用案例分析
6.1 案例一：上海某高端寫字樓HVAC係統改造
- 項目背景：建築總麵積約8萬㎡，原係統僅配備G4初效與F7中效過濾器，室內TVOC長期超標。
- 改造方案：在送風段加裝V型密褶式化學過濾器（型號：VAC-2000，吸附材料：改性椰殼炭）。
- 運行參數：
- 風量：2500 m³/h
- 初始壓降：110 Pa
- 更換周期：12個月
- 效果評估：
- 改造前TVOC：0.72 mg/m³
- 改造後TVOC：0.18 mg/m³（下降75%）
- 用戶滿意度提升40%
6.2 案例二：深圳某三甲醫院潔淨手術部
- 需求：控製麻醉廢氣（如七氟烷、異氟烷）及消毒劑揮發物。
- 設備選型：雙級V型過濾係統（第一級：活性炭；第二級：分子篩+催化劑）
- 監測結果：
- 七氟烷去除率：91.5%
- 異氟烷去除率：89.8%
- 係統連續運行18個月未出現穿透現象
7. 影響吸附性能的關鍵因素
7.1 溫濕度影響
高濕度環境（RH > 70%）會顯著降低活性炭對非極性VOCs的吸附能力，因水分子優先占據微孔位點。研究表明，當相對濕度從50%升至80%時，苯的吸附容量下降約35%（Liang et al., 2019）。
7.2 汙染物濃度與混合效應
實際環境中VOCs多以混合形式存在，存在競爭吸附現象。例如，當苯與甲苯共存時，由於甲苯分子體積較大且極性稍強，可能占據更多吸附位點，導致苯去除率下降10%~15%（Chen et al., 2020）。
7.3 過濾器老化與再生
長期運行後，吸附材料可能發生微孔堵塞或化學失活。部分高端產品支持熱空氣再生（120℃，2小時），可恢複80%以上吸附能力，延長使用壽命。
8. 產品選型與配置建議
在HVAC係統中配置V型密褶式化學過濾器時，應綜合考慮以下因素：
| 考慮因素 | 推薦做法 |
|---|---|
| 氣流組織 | 安裝於送風段，避免回風中高濃度汙染物反複通過 |
| 組合配置 | 建議采用“初效+中效+V型化學+HEPA”多級過濾 |
| 材料選擇 | 根據主要汙染物類型定製吸附劑（如甲醛多選改性炭） |
| 維護周期 | 定期檢測出口濃度，建議每6~12個月更換 |
| 能耗評估 | 選擇低阻力型號，避免風機能耗大幅增加 |
9. 經濟性與環境效益分析
以一台額定風量2000 m³/h的V型化學過濾器為例，進行生命周期成本分析（LCCA）：
| 項目 | 費用（人民幣） |
|---|---|
| 設備購置費 | 8,000元 |
| 年更換濾料成本 | 3,500元 |
| 年增電耗（風機） | 1,200元 |
| 年維護人工 | 800元 |
| 年總運行成本 | 5,500元 |
相比之下，未配置化學過濾的係統可能導致員工病假率上升、工作效率下降，間接經濟損失遠高於設備投入。據北京大學公共衛生學院估算，每降低10%的VOC暴露風險，辦公建築年均健康效益可達15~30萬元（Liu et al., 2021）。
參考文獻
-
ASHRAE. (2020). ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
-
WHO. (2010). WHO Guidelines for Indoor Air Quality: Selected Pollutants. World Health Organization.
-
Zhang, Y., et al. (2014). "Volatile organic compounds in urban atmospheres: Source apportionment and health risks." Atmospheric Environment, 87, 14-22.
-
Liang, Z., et al. (2019). "Humidity effect on VOC adsorption by activated carbon: Mechanism and modeling." Chemical Engineering Journal, 372, 1102–1111.
-
Chen, Q., et al. (2020). "Competitive adsorption of binary VOCs on porous materials." Journal of Hazardous Materials, 384, 121287.
-
Wang, L., et al. (2023). "TiO₂-modified activated carbon for enhanced formaldehyde removal under UV irradiation." Building and Environment, 228, 109876.
-
CABR. (2021). 《建築室內空氣質量保障技術應用報告》. 中國建築科學研究院.
-
Johnson Controls. (2021). Indoor Air Quality Solutions in Commercial Buildings. Technical White Paper.
-
Fraunhofer IBP. (2020). "Performance evalsuation of gas-phase air cleaners in healthcare facilities." Indoor Air, 30(4), 678–690.
-
Liu, X., et al. (2021). "Economic benefits of improved indoor air quality in office buildings: A case study in Beijing." Environment International, 156, 106732.
-
國家市場監督管理總局. (2019). GB/T 14295-2019《空氣過濾器》. 北京: 中國標準出版社.
-
國家衛生健康委員會. (2022). GB/T 18883-2022《室內空氣質量標準》. 北京: 中國標準出版社.
-
國家質量監督檢驗檢疫總局. (2017). GB/T 19587-2017《氣體吸附BET法測定固態物質比表麵積》.
-
國家標準化管理委員會. (2018). GB/T 35007-2018《空氣淨化器用濾料性能測試方法》.
-
ASTM International. (2018). ASTM D3803 – Standard Test Methods for Nuclear Grade Activated Charcoal.
==========================
