折疊式初效過濾器對PM10顆粒物的過濾效率測試 概述 折疊式初效過濾器（Folded Panel Pre-filter）是一種廣泛應用於中央空調係統、工業通風設備、潔淨廠房及空氣淨化裝置中的空氣預處理設備，主要用於攔...
折疊式初效過濾器對PM10顆粒物的過濾效率測試
概述
折疊式初效過濾器（Folded Panel Pre-filter）是一種廣泛應用於中央空調係統、工業通風設備、潔淨廠房及空氣淨化裝置中的空氣預處理設備，主要用於攔截空氣中粒徑較大的懸浮顆粒物，如灰塵、花粉、纖維、皮屑等。其核心功能是保護中效和高效過濾器，延長後端過濾係統的使用壽命，同時降低係統運行阻力與能耗。
在當前大氣汙染日益嚴重的背景下，可吸入顆粒物PM10（Particulate Matter 10μm）已成為影響空氣質量與人體健康的重要汙染物之一。PM10是指空氣動力學直徑小於或等於10微米的顆粒物，能夠深入人體呼吸道，引發哮喘、支氣管炎等呼吸係統疾病，甚至影響心血管係統。因此，評估折疊式初效過濾器對PM10顆粒物的過濾效率，具有重要的現實意義與科研價值。
本文將係統介紹折疊式初效過濾器的基本結構、工作原理、技術參數，並通過實驗測試方法詳細分析其對PM10顆粒物的過濾性能，結合國內外權威研究數據，全麵闡述其在實際應用中的表現。
一、折疊式初效過濾器簡介
1.1 定義與分類
折疊式初效過濾器屬於空氣過濾器的一種，依據《GB/T 14295-2019 空氣過濾器》國家標準，按過濾效率分為初效（G1-G4）、中效（M5-M6）、高中效（F7-F9）和高效（H10-H14）四個等級。其中，折疊式初效過濾器通常對應G3或G4級別，適用於對大顆粒物進行初步過濾。
根據濾材類型，折疊式初效過濾器可分為：
| 類型 | 材料 | 特點 |
|---|---|---|
| 無紡布型 | 聚酯纖維無紡布 | 成本低，透氣性好，耐水性一般 |
| 合成纖維型 | 聚丙烯/聚酯合成纖維 | 過濾效率高，耐濕性強，壽命長 |
| 玻璃纖維型 | 玻纖複合材料 | 高溫耐受性好，但易碎，多用於特殊環境 |
1.2 結構組成
典型的折疊式初效過濾器由以下幾部分構成：
- 濾料層：采用多層波浪形折疊設計，增加有效過濾麵積，提升容塵量。
- 支撐框架：常用鋁合金或鍍鋅鋼板製成，確保結構穩定，防止變形。
- 密封邊條：使用聚氨酯發泡膠或橡膠條密封，防止旁通漏風。
- 防護網：前後加裝金屬絲網，防止濾料被氣流吹破。
該結構設計顯著提升了單位體積內的過濾麵積，相比平板式初效過濾器，其容塵能力提高約30%-50%，且壓降增長緩慢，適合長期連續運行。
二、PM10顆粒物特性與危害
2.1 PM10的定義與來源
PM10指環境空氣中空氣動力學直徑≤10μm的懸浮顆粒物，又稱“可吸入顆粒物”。其主要來源包括：
- 自然源：揚塵、火山灰、海鹽粒子、花粉等；
- 人為源：建築施工、道路揚塵、工業排放、機動車尾氣、燃煤鍋爐等。
據中國生態環境部發布的《2022年中國生態環境狀況公報》，全國地級及以上城市PM10年均濃度為59μg/m³，雖較往年有所下降，但仍高於世界衛生組織（WHO）建議的年均限值20μg/m³。
2.2 健康影響
PM10可通過呼吸進入上呼吸道，沉積於鼻腔、咽喉及支氣管區域。長期暴露可導致：
- 呼吸道炎症、慢性支氣管炎；
- 肺功能下降，尤其對兒童與老年人影響顯著；
- 加劇心腦血管疾病風險（Pope et al., 2002, JAMA）；
- 在發展中國家城市地區，PM10汙染已被列為十大健康風險因素之一（WHO, 2021）。
因此，有效控製室內PM10濃度，成為改善人居環境質量的關鍵環節。
三、測試標準與方法
3.1 國內外測試標準對比
為科學評估折疊式初效過濾器對PM10的過濾效率，需依據標準化測試流程進行。目前國際上通用的標準主要包括：
| 標準編號 | 名稱 | 適用範圍 | 測試粒徑 |
|---|---|---|---|
| GB/T 14295-2019 | 《空氣過濾器》 | 中國國家標準 | ≥5μm計重法，≥0.5μm計數法 |
| EN 779:2012 | 《Particulate air filters for general ventilation》 | 歐洲標準（已廢止） | G1-G4級，人工塵計重效率 |
| ISO 16890:2016 | 《Air filter test methods》 | 國際新標準 | ePM10、ePM2.5分級效率 |
| ASHRAE 52.2-2017 | 《Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices》 | 美國標準 | MERV評級，0.3–10μm顆粒計數 |
其中，ISO 16890:2016 是目前先進、科學的空氣過濾器測試標準，它摒棄了傳統的G/M/F分類體係，轉而采用基於顆粒物尺寸的效率分級方式，特別是引入了 ePM10（Effective PM10 Efficiency）概念，即對0.3–10μm顆粒物的質量過濾效率，更貼近實際應用需求。
3.2 實驗設計與測試流程
3.2.1 測試設備
本次測試采用符合ISO 16890標準的全自動空氣過濾器測試台，主要設備包括：
- 氣溶膠發生器（KCl或DEHS氣溶膠）
- 光散射粒子計數器（TSI Model 3330）
- 差壓傳感器（精度±1Pa）
- 風洞係統（風速可調，範圍0.5–1.5 m/s）
- 溫濕度監控儀
3.2.2 測試條件設置
| 參數 | 設定值 |
|---|---|
| 測試風速 | 0.8 m/s（標準工況） |
| 測試溫度 | 23±2℃ |
| 相對濕度 | 45±5% RH |
| 氣溶膠類型 | KCl固體顆粒（模擬PM10） |
| 顆粒濃度 | 20–30 mg/m³（人工塵） |
| 測試時間 | 初始效率測試 + 容塵量至終阻力階段 |
3.2.3 效率計算公式
根據ISO 16890規定，ePM10效率計算如下：
[
eta{ePM10} = left(1 – frac{C{down}}{C_{up}}right) times 100%
]
其中：
- ( C_{up} )：上遊顆粒物質量濃度（mg/m³）
- ( C_{down} )：下遊顆粒物質量濃度（mg/m³）
效率測試分三個階段進行：初始效率、中期效率（容塵50%時）、終期效率（達到終阻力時）。
四、產品參數與性能測試結果
4.1 樣品信息
本次測試選取國內某知名廠商生產的三款典型折疊式初效過濾器，型號分別為FP-G3、FP-G4-A、FP-G4-B，具體參數如下表所示：
| 參數 | FP-G3 | FP-G4-A | FP-G4-B |
|---|---|---|---|
| 外形尺寸（mm） | 484×484×21 | 592×592×22 | 610×610×25 |
| 濾料材質 | 聚酯無紡布 | 聚丙烯合成纖維 | 複合玻纖+聚酯 |
| 折數（褶數） | 24 | 30 | 32 |
| 迎風麵積（m²） | 0.23 | 0.35 | 0.37 |
| 初始阻力（Pa） | ≤25 | ≤30 | ≤35 |
| 終阻力（Pa） | 100 | 100 | 120 |
| 額定風量（m³/h） | 1200 | 1800 | 2000 |
| 標準等級（GB/T） | G3 | G4 | G4 |
| 標準等級（ISO 16890） | ePM10 50% | ePM10 65% | ePM10 70% |
4.2 過濾效率測試結果
在標準測試條件下，三款產品對PM10顆粒物的過濾效率表現如下：
| 測試階段 | FP-G3 | FP-G4-A | FP-G4-B |
|---|---|---|---|
| 初始效率（ePM10） | 52.3% | 66.8% | 71.2% |
| 中期效率（容塵50%） | 58.1% | 70.5% | 74.6% |
| 終期效率（達終阻） | 61.4% | 73.2% | 76.8% |
| 平均效率（ePM10） | 57.3% | 70.2% | 74.2% |
| 初始阻力（Pa） | 22 | 28 | 32 |
| 終阻力（Pa） | 98 | 96 | 115 |
| 容塵量（g） | 280 | 350 | 410 |
從數據可以看出：
- 所有樣品在運行過程中均表現出“效率上升”趨勢，這是由於顆粒物在濾料表麵形成“粉塵層”，增強了篩分與慣性捕集作用（王誌良等，2020，《暖通空調》）；
- FP-G4-B因采用複合濾材與更高褶數設計，展現出優的綜合性能，平均ePM10效率達74.2%，接近部分中效過濾器水平；
- FP-G3雖為G3級，但在實際PM10過濾中仍具備一定能力，適合對空氣質量要求不高的普通商業場所。
4.3 不同粒徑段的分級效率分析
進一步采用TSI 3330粒子計數器對0.3–10μm顆粒進行分檔統計，得到各型號在不同粒徑區間的過濾效率分布：
| 粒徑區間（μm） | FP-G3 | FP-G4-A | FP-G4-B |
|---|---|---|---|
| 0.3–0.5 | 28.5% | 35.2% | 38.7% |
| 0.5–1.0 | 36.8% | 45.6% | 50.1% |
| 1.0–2.5 | 48.3% | 58.9% | 64.2% |
| 2.5–5.0 | 56.7% | 67.4% | 72.5% |
| 5.0–10.0 | 63.2% | 74.8% | 78.6% |
數據顯示，所有型號對較大顆粒（>5μm）的捕集效率明顯高於小顆粒，符合慣性碰撞與攔截機製主導的理論預期（ASHRAE Handbook, 2020）。值得注意的是，FP-G4-B在2.5–5.0μm區間效率已超過70%，表明其具備一定的PM2.5初級攔截能力，這在初效過濾器中較為罕見。
五、影響過濾效率的關鍵因素分析
5.1 濾料材質與結構
濾料是決定過濾性能的核心要素。聚丙烯合成纖維因其纖維細、孔隙均勻、靜電駐極特性，在捕捉亞微米顆粒方麵優於傳統聚酯無紡布（Zhang et al., 2019, Aerosol Science and Technology）。此外，折疊密度（褶高與間距比）直接影響迎風麵積與氣流分布，過高褶數可能導致局部氣流短路，反而降低效率。
5.2 風速與運行時間
測試表明，當風速從0.5 m/s提升至1.2 m/s時，三款產品的初始效率平均下降8%–12%，阻力則呈指數增長。因此，推薦實際應用中控製麵風速在0.6–0.9 m/s之間，以平衡效率與能耗。
隨著運行時間延長，容塵量增加，過濾效率先升後穩，但阻力持續上升。當阻力達到終阻值時，必須更換，否則將導致風機負荷過大，係統能效下降。
5.3 環境濕度影響
高濕環境（RH > 70%）可能使無紡布濾料吸濕結塊，堵塞孔隙，導致效率下降與壓差驟增。而合成纖維材料具有較好疏水性，更適合潮濕地區使用（李強，2021，《製冷與空調》）。
六、應用場景與選型建議
6.1 典型應用領域
| 應用場景 | 推薦型號 | 說明 |
|---|---|---|
| 商業寫字樓 | FP-G4-A | 平衡成本與效率，適合中等汙染環境 |
| 工廠車間 | FP-G4-B | 高粉塵環境，需高容塵與高效率 |
| 醫院門診區 | FP-G4-A 或 更高級別 | 作為預過濾，保護HEPA係統 |
| 學校教室 | FP-G3 或 FP-G4-A | 成本敏感，但需基本PM10防護 |
| 地下車庫 | FP-G4-B | 高碳粒與粉塵負荷，需耐用型產品 |
6.2 選型要點
- 匹配風量：確保過濾器額定風量不低於係統設計風量；
- 考慮終阻力：避免頻繁更換，應選擇容塵量大、終阻合理的型號；
- 維護便利性：優先選用可清洗或易拆卸結構；
- 環保要求：部分地區要求過濾器符合RoHS或REACH標準。
七、國內外研究進展與對比
7.1 國內研究現狀
近年來，清華大學、同濟大學、西安建築科技大學等高校在空氣過濾領域開展了大量研究。例如，劉曉華團隊（2021）通過CFD模擬優化了折疊式過濾器內部流場分布，提出“等距非對稱褶型”設計，可使效率提升約9%。中國建築科學研究院編製的《公共建築節能設計標準》GB 50189明確要求新風係統必須設置G3級以上初效過濾器，推動了高性能初效產品的普及。
7.2 國外先進技術
歐美國家在空氣過濾技術研發方麵處於領先地位。美國Camfil公司推出的“CityTech”係列初效過濾器，采用納米纖維塗層技術，ePM10效率可達80%以上，同時保持低壓降。德國MANN+HUMMEL開發的“Blue Pleat”產品，結合抗菌塗層與防黴處理，特別適用於高濕熱帶地區。
日本則注重精細化管理，東京都政府規定所有公共場所空調係統必須每季度檢測過濾器壓差，並記錄更換周期，確保過濾效能始終處於可控狀態。
八、經濟性與可持續性分析
8.1 使用成本比較
以一個麵積為1000㎡的辦公樓為例，空調係統風量約為20,000 m³/h，配置10台592×592規格過濾器：
| 型號 | 單價（元） | 更換周期（月） | 年耗材成本（元） |
|---|---|---|---|
| FP-G3 | 80 | 3 | 3,200 |
| FP-G4-A | 120 | 4 | 3,600 |
| FP-G4-B | 160 | 6 | 3,200 |
盡管FP-G4-B單價較高，但由於更換頻率低，年總成本與FP-G3相當，且過濾效果更優，具有更高的性價比。
8.2 環保與回收
部分高端產品已實現可回收設計，濾料可分離後進行焚燒或再生處理。歐盟推行的EPBD（Energy Performance of Buildings Directive）要求新建建築采用可循環過濾材料，未來我國也有望出台類似政策。
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