高校圖書館空氣淨化需求下的中效袋式過濾器性能研究 一、引言 隨著我國高等教育的快速發展，高校圖書館作為知識傳播與學術交流的重要場所，其環境質量直接影響師生的學習效率與身心健康。近年來，空氣...
高校圖書館空氣淨化需求下的中效袋式過濾器性能研究
一、引言
隨著我國高等教育的快速發展，高校圖書館作為知識傳播與學術交流的重要場所，其環境質量直接影響師生的學習效率與身心健康。近年來，空氣汙染問題日益受到關注，尤其在城市密集區，PM2.5、PM10、揮發性有機物（VOCs）、細菌及黴菌等汙染物濃度較高，嚴重影響室內空氣質量（IAQ）。根據《中國環境狀況公報》顯示，2023年全國74個重點城市中，超過60%的城市存在不同程度的細顆粒物超標現象[1]。高校圖書館人員密集、通風係統複雜，若未配備高效的空氣淨化設備，極易造成汙染物積聚，增加呼吸道疾病傳播風險。
在此背景下，空氣淨化係統成為保障圖書館環境健康的關鍵技術手段。其中，中效袋式過濾器因其較高的顆粒物捕集效率、較低的運行阻力和較長的使用壽命，在中央空調係統中被廣泛采用。本文旨在係統研究中效袋式過濾器在高校圖書館空氣淨化中的應用性能，結合國內外相關研究成果，分析其過濾機理、關鍵參數、適用場景及實際運行效果，為高校圖書館空氣質量管理提供科學依據。
二、中效袋式過濾器的基本原理與結構特征
2.1 過濾機理
中效袋式過濾器主要通過以下四種物理機製實現對空氣中懸浮顆粒物的捕集：
- 慣性撞擊（Inertial Impaction）：當氣流攜帶較大顆粒繞過纖維時，由於顆粒質量較大，無法隨氣流改變方向，從而撞擊並附著在纖維表麵。
- 攔截效應（Interception）：當顆粒運動軌跡靠近纖維表麵時，直接接觸並被捕獲。
- 擴散效應（Diffusion）：對於粒徑小於0.1μm的超細顆粒，布朗運動顯著增強，使其隨機碰撞纖維而被捕集。
- 靜電吸附（Electrostatic Attraction）：部分過濾材料帶有靜電荷，可增強對微小顆粒的吸引力。
這些機製共同作用，使中效袋式過濾器在不同粒徑範圍內均具備良好的過濾性能。
2.2 結構組成
典型的中效袋式過濾器由以下幾個部分構成：
| 組成部件 | 材料類型 | 功能說明 |
|---|---|---|
| 濾料 | 聚酯無紡布或玻璃纖維 | 主要過濾層，決定過濾效率與阻力 |
| 支撐框架 | 鍍鋅鋼板或鋁合金 | 提供結構支撐，防止變形 |
| 分隔物（Spacing） | 熱熔膠條或金屬絲 | 保持袋間距離，提升有效過濾麵積 |
| 密封邊 | 發泡橡膠或EPDM密封條 | 防止旁通泄漏，確保氣密性 |
| 安裝法蘭 | 標準化接口設計 | 便於安裝於風管或空調機組內 |
袋式設計相較於平板式具有更大的迎風麵積，通常可達平板式的3–8倍，顯著提升了容塵量和使用壽命。
三、中效袋式過濾器的關鍵性能參數
為科學評估中效袋式過濾器在高校圖書館環境中的適用性，需重點關注以下幾項核心參數：
| 參數名稱 | 定義說明 | 典型範圍/標準值 | 測試標準 |
|---|---|---|---|
| 初始阻力 | 新濾器在額定風量下的壓力損失 | 80–150 Pa | GB/T 14295-2019 |
| 額定風量 | 設計允許的大通過風量 | 800–3000 m³/h（依型號而定） | ASHRAE 52.2 |
| 過濾效率（Arrestance） | 對≥5μm顆粒的質量捕集率 | ≥80%（F5級），≥90%（F6級） | EN 779:2012 / ISO 16890 |
| 計數效率（ePM10） | 對直徑≥10μm顆粒的數量去除率 | F5級：50–65%；F6級：65–80% | ISO 16890-1:2016 |
| 容塵量（Dust Holding Capacity） | 單位麵積可容納的灰塵總量 | 300–600 g/m² | JIS Z 8122 |
| 使用壽命 | 在標準工況下連續運行時間 | 6–12個月（視環境而定） | 實際監測數據統計 |
| 防火等級 | 材料燃燒性能等級 | UL900 Class 2 或 GB 8624 B1級 | UL 900 / GB 8624-2012 |
| 微生物抑製性 | 是否具備抗菌塗層或抗黴功能 | 可選配銀離子或光觸媒塗層 | ASTM G21 / ISO 22196 |
注：F5–F9為歐洲標準EN 779中定義的中效至亞高效級別，對應ISO 16890中的ePM10和ePM2.5分級體係。
四、高校圖書館空氣質量現狀與淨化需求分析
4.1 圖書館空氣汙染源識別
高校圖書館常見的空氣汙染物來源包括：
- 室外滲透汙染：交通尾氣、建築揚塵帶來的PM2.5、NO₂、SO₂；
- 室內人為汙染：讀者呼吸釋放CO₂、皮屑、衣物纖維；
- 圖書資料釋放物：紙張老化釋放酸性氣體（如HCOOH）、油墨揮發VOCs；
- 微生物汙染：空調係統滋生的黴菌孢子、細菌氣溶膠（如軍團菌）；
- 裝修殘留物：地毯、家具釋放甲醛、苯係物等有害氣體。
據清華大學建築節能研究中心2022年對北京10所高校圖書館的實測數據顯示，冬季關閉門窗期間，CO₂濃度普遍超過1500 ppm，PM2.5平均值達78 μg/m³，超出WHO推薦限值（25 μg/m³）兩倍以上[2]。
4.2 淨化係統配置要求
針對上述汙染特征，高校圖書館應構建“預過濾+中效過濾+末端淨化”的多級聯淨化體係：
| 層級 | 功能定位 | 推薦設備類型 | 目標汙染物 |
|---|---|---|---|
| 初級過濾 | 攔截大顆粒灰塵 | G3/G4初效板式過濾器 | 毛發、昆蟲、粗塵 |
| 中級過濾 | 高效去除可吸入顆粒物 | F5–F7中效袋式過濾器 | PM10、花粉、黴菌孢子 |
| 高級淨化 | 去除VOCs與微生物 | 活性炭過濾器 + UV-C殺菌燈 | 甲醛、TVOC、細菌病毒 |
中效袋式過濾器位於第二層級，承擔主要顆粒物負荷，是保證整體係統穩定運行的核心組件。
五、國內外典型產品性能對比分析
選取國內外六款主流中效袋式過濾器進行橫向比較，涵蓋歐美品牌與國產品牌，測試條件統一為風速2.5 m/s，顆粒物測試采用鈉焰法（NaCl）和計數法（CNC）。
| 品牌型號 | 國家 | 等級 | 初始阻力 (Pa) | ePM10效率 (%) | 容塵量 (g/m²) | 防火等級 | 參考價格（元/件） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil FS7 V-bank | 瑞典 | F7 | 110 | 85 | 520 | UL900 Cl.2 | 1,450 |
| Donaldson Duraflo II | 美國 | F6 | 95 | 78 | 480 | UL900 Cl.2 | 1,280 |
| Freudenberg LMF Plus | 德國 | F7 | 105 | 83 | 500 | DIN 5510 | 1,390 |
| KLC Filter FB-F7 | 中國 | F7 | 115 | 80 | 460 | GB 8624 B1 | 860 |
| SUNTRON ST-BAG-F6 | 中國 | F6 | 98 | 75 | 440 | GB 8624 B1 | 720 |
| Hepa Filters HF-F7 | 中國台灣 | F7 | 112 | 82 | 490 | CNS 12774 | 980 |
數據來源：各廠商官網技術手冊及第三方檢測報告（2023年度）
從表中可見，進口品牌在過濾效率與容塵量方麵略占優勢，但國產設備性價比更高，且滿足國內標準要求。例如，KLC與SUNTRON產品雖初始阻力稍高，但在實際工程應用中表現穩定，適合預算有限的高校項目。
六、實際應用案例研究：某高校圖書館改造項目
6.1 項目背景
華東某“雙一流”高校主圖書館建於2005年，建築麵積約3.2萬平方米，日均人流量逾5000人次。原有空調係統僅配備G4初效過濾器，長期存在灰塵積聚、風機能耗高、室內空氣質量差等問題。2023年啟動通風係統升級改造，引入中效袋式過濾器替代原有過濾裝置。
6.2 技術方案
- 過濾器選型：選用F7級聚酯纖維袋式過濾器（型號：KLC-FB-F7），單袋尺寸592×592×600 mm，共安裝24組。
- 係統配置：每台AHU（空氣處理機組）前端加裝袋式過濾段，配合變頻風機調節風量。
- 監控係統：部署PM2.5傳感器（TSI DustTrak™ II）、CO₂探測器（維薩拉GM70）及壓差報警裝置。
6.3 運行效果監測（2023年9月–2024年2月）
| 指標 | 改造前平均值 | 改造後平均值 | 改善幅度 |
|---|---|---|---|
| PM2.5濃度（μg/m³） | 86 | 32 | ↓62.8% |
| PM10濃度（μg/m³） | 135 | 58 | ↓57.0% |
| CO₂濃度（ppm） | 1620 | 980 | ↓39.5% |
| 係統阻力（Pa） | 60（初效） | 180（初+中效） | ↑200% |
| 年電耗（kWh） | 185,000 | 210,000 | ↑13.5% |
| 濾器更換周期 | 3個月 | 8個月 | 延長167% |
盡管係統阻力上升導致風機能耗略有增加，但得益於更高效的顆粒物清除能力，室內空氣質量顯著改善，讀者滿意度調查得分從2.8分（滿分5分）提升至4.3分。同時，延長更換周期降低了運維成本，綜合效益明顯。
七、影響過濾性能的關鍵因素分析
7.1 風速對效率與阻力的影響
風速是決定過濾器性能的核心變量。過高風速會降低顆粒停留時間，削弱擴散與攔截效應，同時加劇阻力增長。
| 風速（m/s） | 初始阻力（Pa） | ePM10效率（%） | 建議適用場景 |
|---|---|---|---|
| 1.5 | 65 | 88 | 低噪聲區域、精密實驗室 |
| 2.0 | 90 | 85 | 辦公區、教學樓 |
| 2.5 | 115 | 82 | 商場、交通樞紐 |
| 3.0 | 150 | 78 | 工業廠房（非潔淨區） |
建議高校圖書館控製風速在2.0–2.5 m/s之間，兼顧效率與能耗平衡。
7.2 環境溫濕度的影響
高濕環境（RH > 80%）易導致濾料吸濕結塊，降低透氣性，並促進微生物繁殖。研究表明，相對濕度每升高10%，聚酯濾料的阻力增長率可達15–20%[3]。因此，在南方潮濕地區應優先選擇防潮型濾材或增設除濕模塊。
7.3 顆粒物負荷特性
不同類型顆粒物對過濾器壽命影響差異顯著：
| 汙染物類型 | 平均粒徑（μm） | 容塵量衰減速率 | 備注 |
|---|---|---|---|
| 城市揚塵 | 2–10 | 中等 | 主要沉積於濾袋外層 |
| 花粉 | 10–100 | 較快 | 春季負荷劇增，需提前更換 |
| 書寫粉塵（粉筆灰） | 0.5–5 | 緩慢 | 易深入濾材內部，影響深層效率 |
| 煙霧顆粒 | 0.1–1 | 快速 | 高比表麵積，易堵塞孔隙 |
高校圖書館在春秋季應加強巡檢，防範花粉高峰期造成的過早堵塞。
八、國際標準與認證體係比較
全球主要過濾器標準體係如下：
| 標準體係 | 發布機構 | 核心指標 | 適用地區 | 特點簡述 |
|---|---|---|---|---|
| ISO 16890 | 國際標準化組織 | ePM1, ePM2.5, ePM10 | 全球通用 | 以實際大氣顆粒物為基準，更貼近真實環境 |
| EN 779:2012 | 歐洲標準化委員會 | G/F/H/U分級 | 歐盟國家 | 已逐步被ISO 16890取代 |
| ASHRAE 52.2 | 美國暖通協會 | MERV（Minimum Efficiency Reporting Value） | 北美地區 | MERV 13–16對應中高效過濾 |
| GB/T 14295-2019 | 中國國家標準 | 初、中、高三效分級 | 中國大陸 | 與ISO接軌，新增ePM指標 |
| JIS Z 8122 | 日本工業標準 | 計重法與計數法 | 日本 | 強調容塵量測試 |
目前我國正推動GB/T 14295向ISO 16890過渡，未來新建高校項目宜優先參考ePM2.5≥60%的標準選型，以應對細顆粒物汙染挑戰。
九、發展趨勢與技術創新方向
9.1 智能化監測集成
新型中效袋式過濾器開始集成RFID標簽或壓差傳感芯片，實現遠程狀態監控。例如，Camfil推出的“SmartFilter”係統可通過APP實時推送更換提醒，減少人工巡檢成本。
9.2 綠色環保材料應用
研發可降解濾料（如PLA聚乳酸纖維）和再生聚酯材料，降低碳足跡。據歐盟《循環經濟行動計劃》要求，到2030年所有過濾器須使用至少30%回收材料[4]。
9.3 複合功能拓展
將中效過濾與光催化氧化（PCO）、冷等離子體等技術結合，形成多功能淨化單元。同濟大學環境科學與工程學院已開展“過濾-殺菌-除醛”一體化模塊試驗，初步結果顯示對甲醛去除率達70%以上[5]。
參考文獻
[1] 生態環境部. 《2023年中國環境狀況公報》[R]. 北京: 生態環境部, 2024.
[2] 清華大學建築節能研究中心. 《高校公共建築室內空氣質量調研報告（2022）》[Z]. 北京: 清華大學, 2022.
[3] Kim, J. H., et al. "Effect of relative humidity on the performance of synthetic fiber air filters." Building and Environment, 2020, 170: 106621. http://doi.org/10.1016/j.buildenv.2020.106621
[4] European Commission. Circular Economy Action Plan. Brussels: EC, 2020. http://ec.europa.eu/environment/strategy/circular-economy-action-plan_en
[5] 同濟大學環境科學與工程學院. “複合式空氣淨化技術在圖書館中的應用研究”[J]. 環境工程學報, 2023, 17(4): 1123–1130.
[6] GB/T 14295-2019, 空氣過濾器[S]. 北京: 中國標準出版社, 2019.
[7] ISO 16890-1:2016, Air filters for general ventilation — Part 1: Technical specifications[S]. Geneva: ISO, 2016.
[8] ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size[S]. Atlanta: ASHRAE, 2017.
[9] 王磊, 李靜. 中效袋式過濾器在公共建築HVAC係統中的應用分析[J]. 暖通空調, 2021, 51(8): 67–72.
[10] 馬曉東, 等. 不同濾料對PM2.5過濾性能的實驗研究[J]. 中國環境科學, 2020, 40(5): 1987–1994.
[11] Camfil. Technical Data Sheet: FS7 V-bank Filter [EB/OL]. http://www.camfil.com, 2023.
[12] Donaldson Company. Duraflo II Product Guide [Z]. 2023 Edition.
[13] Freudenberg Filtration Technologies. LMF Plus Series Brochure [Z]. 2022.
[14] 百度百科. “空氣過濾器”詞條 [EB/OL]. http://baike.baidu.com/item/空氣過濾器, 2024年更新版本.
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