組合式中效過濾器與高效過濾器的級配設計與效率對比 引言 空氣過濾器作為空氣淨化係統中的核心組件，廣泛應用於醫院、實驗室、電子製造、食品加工及製藥等行業。其主要功能是通過物理或化學方式去除空...
組合式中效過濾器與高效過濾器的級配設計與效率對比
引言
空氣過濾器作為空氣淨化係統中的核心組件，廣泛應用於醫院、實驗室、電子製造、食品加工及製藥等行業。其主要功能是通過物理或化學方式去除空氣中的顆粒物、微生物及其他汙染物，以滿足不同場所對空氣質量的要求。根據過濾效率的不同，空氣過濾器通常分為初效、中效和高效三類。其中，中效過濾器（Medium Efficiency Air Filter）與高效過濾器（High Efficiency Particulate Air, HEPA）在空氣淨化係統中承擔著關鍵作用。
為了提高整體係統的淨化效果並延長高效過濾器的使用壽命，常采用“級配設計”策略，即在高效過濾器前設置中效過濾器作為預處理環節。這種組合不僅有助於提升係統的整體過濾效率，還能有效降低運行成本，避免高效過濾器因過早堵塞而頻繁更換。
本文將圍繞組合式中效過濾器與高效過濾器的級配設計原理、性能參數、效率對比等內容展開深入分析，並結合國內外相關研究文獻進行綜合論述，旨在為工程技術人員提供科學的設計參考。
一、空氣過濾器分類與標準體係
1.1 空氣過濾器分類
按照過濾效率等級劃分，空氣過濾器主要包括以下幾類：
| 類別 | 中文名稱 | 英文縮寫 | 過濾效率範圍 |
|---|---|---|---|
| G1-G4 | 初效過濾器 | Pre-filter | ≥30%（粒徑≥5μm） |
| F5-F9 | 中效過濾器 | MERV 5-16 | ≥50%~85%（粒徑≥1μm） |
| H10-H14 | 高效過濾器 | HEPA | ≥99.97%（粒徑≥0.3μm） |
| U15-U17 | 超高效過濾器 | ULPA | ≥99.999%（粒徑≥0.12μm） |
注：
- MERV（Minimum Efficiency Reporting Value）為美國ASHRAE製定的標準；
- 國內標準多參照GB/T 14295《空氣過濾器》和GB/T 13554《高效空氣過濾器》。
1.2 國內外標準體係對比
| 標準機構 | 標準編號 | 名稱 | 主要適用範圍 |
|---|---|---|---|
| GB/T | GB/T 14295-2020 | 空氣過濾器 | 工業通風係統 |
| GB/T | GB/T 13554-2020 | 高效空氣過濾器 | 醫療、潔淨室等高要求環境 |
| ASHRAE | ANSI/ASHRAE 52.2-2017 | Gravimetric and Dust Spot Testing | 商用HVAC係統 |
| EN | EN 779:2012 | Particle air filters for general ventilation | 歐洲通用通風係統 |
| IEST | IEST-RP-CC001.4 | HEPA and ULPA Filters | 潔淨室技術 |
二、中效與高效過濾器的工作原理與結構特點
2.1 中效過濾器工作原理與結構
中效過濾器主要用於攔截1~5μm之間的懸浮顆粒，通常采用玻璃纖維、聚酯纖維或合成材料作為濾材，具有較高的容塵量和較低的初始阻力。其常見結構形式包括板式、袋式和折疊式。
表1 常見中效過濾器產品參數對比
| 參數 | 板式中效過濾器 | 袋式中效過濾器 | 折疊式中效過濾器 |
|---|---|---|---|
| 過濾效率（MERV） | MERV 6-8 | MERV 8-10 | MERV 9-12 |
| 初始壓差（Pa） | ≤50 | ≤80 | ≤100 |
| 容塵量（g/m²） | 200~300 | 400~600 | 300~500 |
| 使用壽命（月） | 3~6 | 6~12 | 6~12 |
| 適用風速（m/s） | ≤2.5 | ≤2.0 | ≤1.5 |
2.2 高效過濾器工作原理與結構
高效過濾器（HEPA）是一種深度過濾器，通常采用硼矽酸鹽玻璃纖維製成，具有三維網狀結構，能夠有效捕集0.3μm以上的微粒，過濾效率達到99.97%以上。其結構形式主要有有隔板和無隔板兩種。
表2 常見高效過濾器產品參數對比
| 參數 | 有隔板HEPA | 無隔板HEPA |
|---|---|---|
| 過濾效率（0.3μm） | ≥99.97% | ≥99.97% |
| 初始壓差（Pa） | ≤250 | ≤220 |
| 容塵量（g/m²） | 500~800 | 400~600 |
| 使用壽命（年） | 3~5 | 2~4 |
| 適用風速（m/s） | ≤2.0 | ≤1.5 |
| 結構穩定性 | 高 | 較高 |
三、級配設計原理與優化方法
3.1 級配設計的基本概念
所謂“級配設計”，是指在空氣淨化係統中按過濾效率由低到高的順序配置不同類型的過濾器，形成一個逐級過濾的體係。該設計的核心目的是：
- 保護高效過濾器：通過中效過濾器預先去除較大顆粒，減少高效過濾器的負荷；
- 提高係統效率：整體過濾效率顯著高於單一過濾器；
- 延長使用壽命：減緩高效過濾器的堵塞速度，延長其更換周期；
- 降低成本：中效過濾器價格遠低於高效過濾器，可節省維護費用。
3.2 級配設計的典型應用
在潔淨室、手術室、半導體生產車間等高潔淨度環境中，典型的級配設計如下：
- 初效過濾器（G4）：去除大顆粒灰塵，保護後續設備；
- 中效過濾器（F7-F9）：進一步去除細小顆粒，預處理空氣；
- 高效過濾器（H13-H14）：實現終高效過濾，確保潔淨度達標。
表3 不同應用場景下的級配設計方案示例
| 應用場景 | 初效過濾器 | 中效過濾器 | 高效過濾器 | 目標潔淨度等級 |
|---|---|---|---|---|
| 普通空調係統 | G3 | F5 | — | ISO 14644-1 Class 9 |
| 實驗室通風 | G4 | F7 | H13 | ISO 14644-1 Class 7 |
| 手術室送風 | G4 | F8 | H14 | ISO 14644-1 Class 5 |
| 半導體車間 | G4 | F9 | H14+ULPA | ISO 14644-1 Class 3 |
3.3 級配設計的優化原則
- 匹配風量與風速：不同過濾器對風速敏感性不同，需合理控製流速；
- 壓降平衡：保證各級過濾器之間的壓降協調，避免係統能耗過高；
- 容塵能力遞增：前級過濾器應具備更高的容塵能力；
- 經濟性評估：綜合考慮采購成本、維護頻率與能耗。
四、中效與高效過濾器效率對比分析
4.1 過濾效率對比
從過濾效率來看，中效過濾器與高效過濾器存在明顯差異：
| 參數 | 中效過濾器（F7-F9） | 高效過濾器（H13-H14） |
|---|---|---|
| 測試粒徑（μm） | ≥1.0 | ≥0.3 |
| 過濾效率（%） | 80~95 | ≥99.97 |
| 測試標準 | EN 779 / GB/T 14295 | GB/T 13554 / IEST RP CC001.4 |
| 適用場合 | 預處理、一般潔淨區 | 關鍵區域、高潔淨空間 |
4.2 壓力損失與能耗比較
高效過濾器由於濾材密度高、結構複雜，其初始壓差顯著高於中效過濾器。下表列出了典型產品的壓力損失數據：
表4 不同類型過濾器的壓力損失對比
| 過濾器類型 | 初始壓差（Pa） | 終壓差（Pa） | 平均壽命（h） |
|---|---|---|---|
| 初效（G4） | 25~40 | 100 | 1000~2000 |
| 中效（F8） | 60~80 | 250 | 3000~5000 |
| 高效（H13） | 200~250 | 500 | 10000~15000 |
說明： 當壓差達到設定上限時，需更換過濾器，否則會增加風機能耗，影響係統效率。
4.3 容塵量與使用壽命對比
中效過濾器因其較大的容塵空間和較低的過濾精度，通常具有較長的使用壽命。相比之下，高效過濾器因過濾精度高、濾材致密，容塵能力有限，因此更換周期較短。
表5 容塵量與使用壽命對比
| 過濾器類型 | 容塵量（g/m²） | 更換周期（月） | 更換成本（元/㎡） |
|---|---|---|---|
| 中效（F8） | 400~600 | 6~12 | 80~150 |
| 高效（H13） | 500~800 | 24~60 | 500~1000 |
五、組合式過濾器的實際應用案例分析
5.1 案例一：某三級甲等醫院手術室空氣淨化係統
該醫院采用“初效（G4） + 中效（F8） + 高效（H14）”三級過濾方案，經測試，手術室內PM2.5濃度降至0.1mg/m³以下，細菌總數控製在1cfu/m³以內，達到ISO 14644-1 Class 5標準。
引用文獻：
- 李明等，《醫院潔淨手術室空氣過濾係統設計研究》，《暖通空調》，2021年第4期。
- ASHRAE Handbook—HVAC Applications, 2020.
5.2 案例二：某半導體芯片廠潔淨車間
該車間采用“初效（G4） + 中效（F9） + 高效（H14） + ULPA”四級過濾方案，空氣中0.1μm顆粒數控製在每立方米10個以下，滿足Class 1潔淨度要求。
引用文獻：
- 王強等，《超淨間空氣淨化係統設計與實踐》，《潔淨與空調技術》，2022年第2期。
- IEST-RP-CC001.4 (2013).
六、結論與展望（略）
參考文獻
- 李明等. 醫院潔淨手術室空氣過濾係統設計研究[J]. 暖通空調, 2021(4): 45-50.
- 王強等. 超淨間空氣淨化係統設計與實踐[J]. 潔淨與空調技術, 2022(2): 33-38.
- ASHRAE Handbook—HVAC Applications. Atlanta: ASHRAE, 2020.
- IEST-RP-CC001.4. HEPA and ULPA Filters. Institute of Environmental Sciences and Technology, 2013.
- 國家標準化管理委員會. GB/T 14295-2020 空氣過濾器[S]. 北京: 中國標準出版社, 2020.
- 國家標準化管理委員會. GB/T 13554-2020 高效空氣過濾器[S]. 北京: 中國標準出版社, 2020.
- EN 779:2012. Particle air filters for general ventilation – Determination of the filtration performance [S].
- ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2017. Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size [S].
（全文完）
