F 级中效过滤器对细颗粒物过滤及容尘性能研究

王亚男，王 宇

（1.天津城建大学 天津300384；2.天津大学 天津300072）

近年来雾霾天气逐渐加重，人们对颗粒物的危害展开了大量研究. 空气中的颗粒物可以对人们的身体健康产生严重的影响[1-3]. 研究表明室内颗粒物约55%～75%来源于室外[4]，空气过滤器作为大气环境与建筑室内环境之间的一道“筛子”，是通风空调系统的一个重要环节. 建筑室内的颗粒物主要由空调系统中的空气过滤器来控制[5]，经研究发现经过系统过滤处理的空气送入室内可以有效改善室内空气品质[6].

F 级中效过滤器是组合空调机组中最常用的过滤去除亚微米颗粒物、保障室内空气品质的过滤器[7]，而过滤器最重要的特性指标是阻力、效率、容尘量[8].过滤器的阻力与风机能耗、建筑能耗有关，降低空气过滤器的阻力，可以明显降低通风系统的建造和运行成本[9]，所以研究过滤器阻力是必要的[10-11].滤效率有计数效率和计重效率两种表示方法，虽然学者对两者之间的换算关系进行了研究探讨[12-13]，但是目前还没有统一的换算公式，规范中制定的颗粒物标准值都是质量浓度，室外设计浓度也是质量浓度，因此本研究以计重效率来评价过滤器的过滤性能.容尘量是反映过滤器寿命的指标，空气过滤器在整个使用期内大部分时间都处于积尘状态[14]，研究积尘量对其阻力和效率影响是必要的.在《F 级中效过滤器对PM2.5的过滤效率及性能研究》一文中对F 级过滤器的阻力做了详细的阐述，故本文主要对F 级中效过滤器的过滤效率、容尘量、以及积尘过程中过滤器阻力、效率的变化进行分析，并以天津地区为例，对几类过滤器进行经济性分析.

1 试验部分

1.1 试件选取

通过市场调研，发现使用最多的中效过滤器的结构主要有袋式和板式，滤料有化纤和玻纤. 本文选取了几类F 级中效过滤器进行实验，产品类型及具体参数见表1 所示.

1.2 测试仪器和测试方法

依据国内外有关的过滤器性能检测的标准（GB/T14295—2008《空气过滤器》[15]、EN779：2012[16]、ANSI/ASHRAE 52.2—2007[17]、ANSI/ASHRAE 52.1—1992[18]）设计建造了空气过滤器检测装置，该实验装置可以对过滤器进行阻力测试、效率测试、风量风压功率测试及容尘量测试. 该检测台的原理为：环境空气由风机吸入口进入喷嘴，经过气溶胶发生器、混合管、测试前段、待测试过滤器、最后经过末端过滤器排出，如图1所示.

表1 产品规格参数

图1 过滤器测试台性能结构

1.2.1 测试仪器

本实验主要测量的是过滤器的分级效率、容尘量及容尘过程中过滤器阻力及效率的变化情况，主要的测试仪器如表2 所示.

表2 主要测试仪器

1.2.2 测试方法

（1）根据GB/T14295—2008《空气过滤器》[15]，测试风量覆盖范围50%、75%、100%、125%额定风量下过滤器的分级效率.利用气溶胶发生器发尘经被测过滤器将其捕集，利用两台粉尘仪，同时测量上下游该粒子的计重浓度，从而得出该过滤器的计重效率，效率计算公式如下

式中：N1为测试前段小于或等于某粒径质量浓度的平均值；N2为测试后段小于或等于某粒径质量浓度的平均值.

（2）容尘量测试. 过滤器终阻力的确定是依据《JIS B9908：2001》[19]中规定的：终阻力一般为初阻力的2 倍，容尘量的计算方法是过滤器实验前后的质量差值.将清洁的过滤器进行称重，将称过重的过滤器安装在风道系统中，并向风道系统中送入一定重量的干燥的人工尘（发尘浓度为70 mg/m3，尘源为A2尘），当过滤器阻力达到初阻力的1.25 倍、1.5 倍、1.75 倍、2 倍时停止发尘，测试过滤器的重量和分级效率.

（3）无量纲过滤阻力[20]的计算.其公式如下

式中：Pon为无量纲过滤阻力，P0为过滤器初始阻力，P为运行时的过滤器阻力.

（4）过滤器使用时间[21]的计算.其公式如下

式中：GC为堆积粉尘量，kg；Q为额定风量，m3/h；τ 为滤料连续使用时间，h；y为过滤器进口处的含尘浓度，kg/m3.

（5）过滤器运行能耗[22]的计算.其公式如下

式中：Ec为风机能耗，kW·h；Q为风量，m3/h；ΔP为运行期间过滤器的平均阻力，pa；t为运行时间，h；η为风机运行效率.

2 过滤器性能分析

2.1 过滤效率

对不同风量下袋式化纤和袋式玻纤过滤器的分级效率进行了测试，如图2-5 所示，由图可知：同一个过滤器在相同的风量下，粒径越小过滤效率越低；化纤过滤器的效率比玻纤过滤器的效率高，过滤等级较低时，各级效率相差的较大，过滤等级较高时，各级效率相差的较小；对于化纤滤料的过滤器，随着风量的增大，其各级粒径过滤效率在降低；玻纤滤料的过滤器出现了相反的结果，随着风量的增大过滤效率在升高，当过滤效率达到一定值时，增大风量，过滤效率增长缓慢.

纤维空气过滤器对颗粒物的过滤机理有：扩散效应，截留效应，惯性效应，重力效应和静电效应等，在实际应用中，过滤效果则是以上过滤机理综合作用的结果. 玻纤滤料和化纤滤料的内部纤维结构不同，化纤滤料内部纤维排列较整齐，而玻纤滤料内部纤维排列杂乱无章，并且纤维较细，其过滤的机理也存在着不同，对于实验测试的滤速，在1.27～3.17 m/s 的滤速内，对于化纤滤料的过滤器，由于纤维密度大，在实验中可能处于以扩散作用为主的滤速范围，故随着风量的增大，其捕集效率在降低；而玻纤滤料的过滤器处于以惯性碰撞为主的滤速范围，所以随着风量的增大，其过滤器效率表现出了相反的趋势.

图2 F5 过滤器的分级效率

图3 F6 过滤器的分级效率

图4 F7 过滤器的分级效率

图5 F8 过滤器的分级效率

2.2 容尘量

2.2.1 容尘量与阻力的关系

由于不同的过滤器初阻力和终阻力不同，无法对过滤器的阻力与容尘量进行直接的比较，因此做了过滤器无量纲过滤阻力和容尘量的曲线图（见图6），即可以在相同的无量纲过滤阻力下比较各类过滤器的容尘量.

图6 F7 过滤器容尘量与无量纲过滤器阻力Pon 的关系

通过图6 可以看出：相同的滤料，相同的无量纲过滤阻力，袋式过滤器的容尘量大于板式过滤器的容尘量，在Pon=1.25 时，即开始容尘时，两者的容尘量是相同的，随着Pon的增大，容尘量相差较大，在最后达到终阻力时，袋式过滤器的容尘量是板式过滤器容尘量的1.71 倍；玻纤过滤器的容尘量要远大于化纤过滤器的容尘量，在Pon=1.25 时，玻纤袋式过滤器的容尘量是化纤袋式过滤器容尘量的6.8 倍，是化纤板式过滤器容尘量的6.7 倍，当达到终阻力时（即Pon=2），玻纤袋式过滤器的容尘量是化纤袋式过滤器容尘量的4.3 倍，是化纤板式过滤器容尘量的7.3 倍.袋式过滤器比板式过滤器容尘量大主要是因为过滤面积导致的，袋式过滤器的过滤面积为5.32 m2，而板式过滤的过滤面积为0.51 m2；玻纤过滤器比化纤过滤器容尘量大主要是其内部的纤维结构导致的.表3 是容尘前后玻纤滤料和化纤滤料的电镜扫描图片，化纤滤料主要以深层容尘为主，玻纤滤料主要以表层容尘为主，但是可以明显看出玻纤滤料的容尘能力大于玻纤滤料的容尘能力.

2.2.2 容尘量与过滤效率之间的关系

过滤器容尘后效率如图7 所示，过滤器在容尘的情况下，过滤效率会随着容尘的增加发生变化.对于F7 玻纤袋式过滤器，随着容尘量的增加效率在逐渐增大，当增大到一定值时，效率就开始下降，在过滤器容尘为896 g 时，过滤效率达到了最高点，此时PM1.0的过滤效率增长的最多，为42.5%；对于F7 化纤袋式过滤器，各个粒径的过滤效率是先升高再降低在升高，除了PM1.0，其它粒径效率在80%～90%左后振荡；对于F7 板式化纤过滤器，在容尘后过滤器的效率降低了，在容尘为100 g 时，各分级粒径的效率均降低了10%，随着容尘的增加，各级粒径的过滤效率又在增加，在容尘为125 g 时，小颗粒物的过滤效率开始降低，大颗粒物的过滤效率继续增加. 理论上，过滤器在刚开始积尘时，过滤效率会增加，因为当滤料纤维表面形成粉尘层后，纤维表面及孔隙间沉积的颗粒物可被视为新的颗粒物捕集体，即尘滤尘的过程.理论上分析，板式过滤器效率的变化情况与袋式过滤器效率的变化情况应该是一致的，即先增加再降低.本次试验中第一个测试点是Pon=1.25，而板式过滤器效率先增后减的这一过程出现在Pon=1～Pon=1.25 之间，因为板式过滤器过滤面积小，容尘过程效率变化时间较短.

表3 容尘后纤维的表面形态

图7 过滤器容尘后效率变化图

3 过滤器经济性比较

对于空气过滤器的经济性分析，主要考虑两个方面，一是过滤器本身的成本，二是过滤器在寿命期内的能耗.本节主要以天津地区的大气环境为室外环境，对这几类过滤器进行了经济性比较，假设条件如下：

（1）天津地区不保证“5”d 的PM2.5室外设计浓度，即274 μg/m3[23]；

（2）新风机组中PM2.5过滤器效率为72.63%，即可满足室内的空气健康[24]，测试的F7 过滤器均符合要求；

（3）风机的运行效率η=0.7[25]；

（4）天津一般的工商业及其他用电价格为0.67元/kW·h.

根据假设条件（1）～（4）以及公式（3），得到了三类过滤器的使用寿命，板式化纤过滤器是140 h，袋式化纤过滤器是239 h，袋式玻纤过滤器的使用寿命是1 026 h. 对于办公建筑来说，一般每天空气处理系统的开启时间是8 h，则三类过滤器的更换周期分别是17.5，30，128 d，袋式玻纤过滤器的使用时间最长.以128 d 的使用时间为使用周期计算过滤器的成本和使用周期内的电价，对这三类过滤器的经济性进行比较，计算所需参数如表4 所示，计算结果如表5 所示.结果表明F7 袋式化纤过滤器和板式化纤过滤器的经济性均大于玻纤袋式过滤器，虽然玻纤过滤器的容尘量较大，但是其阻力较大，运行能耗较大，电费也较高，在总价中电费占的比例较大.

表4 过滤器的参数

表5 三类过滤器的经济性比较

4 结 论

本文对F 级中效过滤器的过滤效率、容尘量进行了实验，并对过滤器的经济性进行了分析，得出了以下结论.

（1）玻纤过滤器的分级效率要低于化纤过滤器的分级效率；滤速在1.27～3.17 m/s 范围内，随着滤速的增大，玻纤过滤器的分级效率逐渐增大，化纤过滤器的分级效率逐渐减小.

（2）在容尘量方面：玻纤滤料过滤器大于化纤滤料过滤器，玻纤滤料过滤器是化纤滤料过滤器的4.3倍，袋式过滤器大于板式过滤器，袋式过滤器是板式过滤器的1.71 倍；在积尘的情况下，袋式玻纤和袋式化纤过滤器的过滤效率均在增大，而板式化纤过滤器的过滤效率降低了大约10%左右.

（3）以天津地区为例，对这三类过滤器进行了经济性分析.结果表明，袋式化纤过滤器的经济性最优，而袋式玻纤过滤器的经济性最差，袋式玻纤过滤器的总价比其他两类过滤器的总价高约30%，该结果可为相关的工程设计提供参考.