基于PM2.5净化需求的低阻高效过滤器效率测试方法 1. 引言 随着城市化进程加快和工业排放增加，空气污染问题日益严重，尤其是细颗粒物（PM2.5）已成为影响公众健康的重要环境因素。根据世界卫生组织（WH...
基于PM2.5净化需求的低阻高效过滤器效率测试方法
1. 引言
随着城市化进程加快和工业排放增加，空气污染问题日益严重，尤其是细颗粒物（PM2.5）已成为影响公众健康的重要环境因素。根据世界卫生组织（WHO）发布的《空气质量指南》（2021年版），长期暴露于高浓度PM2.5环境中会显著增加呼吸系统疾病、心血管疾病甚至早逝的风险[1]。为应对这一挑战，空气净化设备在家庭、医院、办公楼等场所广泛应用，而其中核心部件——空气过滤器的性能直接决定了净化效果。
在众多过滤技术中，低阻高效过滤器因其在保持较高颗粒物去除效率的同时具备较低气流阻力，成为当前研究与应用的重点方向。然而，如何科学、准确地评估其对PM2.5的过滤效率，尤其是在不同工况下的表现，仍存在标准不一、测试方法多样等问题。本文旨在系统阐述基于PM2.5净化需求的低阻高效过滤器效率测试方法，涵盖测试原理、实验装置、关键参数、国内外标准对比及实际应用案例，并结合新研究成果提出优化建议。
2. PM2.5特性及其对过滤器的要求
2.1 PM2.5的定义与来源
PM2.5是指空气中空气动力学直径小于或等于2.5微米的悬浮颗粒物（Particulate Matter, PM）。这类颗粒可深入肺泡甚至进入血液循环，危害极大。其主要来源包括：
- 燃煤与工业排放
- 机动车尾气
- 建筑扬尘
- 生物质燃烧
- 二次气溶胶形成（如SO₂、NOₓ转化为硫酸盐和硝酸盐）
根据中国生态环境部发布的《中国生态环境状况公报（2023年）》，全国地级及以上城市PM2.5年均浓度为30 μg/m³，虽较往年有所下降，但仍高于WHO建议的年均5 μg/m³标准[2]。
2.2 过滤器对PM2.5的捕集机制
低阻高效过滤器主要通过以下四种物理机制实现对PM2.5的捕集：
| 捕集机制 | 作用原理 | 主要适用粒径范围 |
|---|---|---|
| 惯性碰撞（Inertial Impaction） | 高速气流中大颗粒因惯性偏离流线撞击纤维表面 | >1 μm |
| 截留效应（Interception） | 颗粒随气流运动时与纤维表面接触并被捕获 | 0.3–1 μm |
| 扩散沉积（Diffusion Deposition） | 小颗粒受布朗运动影响与纤维碰撞 | <0.1 μm |
| 静电吸附（Electrostatic Attraction） | 利用驻极体材料产生的静电场吸引带电或极化颗粒 | 全粒径，尤其0.1–0.3 μm |
值得注意的是，0.3 μm左右的颗粒由于上述机制的综合效应弱，被称为“易穿透粒径”（Most Penetrating Particle Size, MPPS），是评价高效过滤器性能的关键指标[3]。
3. 低阻高效过滤器的技术特征
3.1 定义与分类
低阻高效过滤器通常指在满足高效过滤等级（如H11以上）的前提下，具有较低初始压降（一般≤100 Pa）的空气过滤产品。常见类型包括：
- 驻极体熔喷非织造布过滤器：利用静电增强捕集能力，阻力低。
- 纳米纤维复合过滤器：通过静电纺丝技术制备超细纤维层，提高表面积与拦截效率。
- 梯度密度多层结构过滤器：前层粗纤维预过滤，后层细纤维精过滤，实现分级捕集。
3.2 关键产品参数
下表列出了典型低阻高效过滤器的主要技术参数：
| 参数名称 | 单位 | 典型值范围 | 测试标准 |
|---|---|---|---|
| 过滤效率（NaCl法，MPPS） | % | 85–99.97 | GB/T 6165-2021 / ISO 29463 |
| 初始阻力 | Pa | 30–90 | ASHRAE 52.2 / JIS Z 8122 |
| 额定风量 | m³/h | 300–1500 | 根据规格定制 |
| 容尘量 | g/m² | 15–40 | EN 779:2012 |
| 使用寿命 | h | 3000–8000 | 实际运行条件决定 |
| 材料构成 | — | PP+PET+驻极体涂层 | — |
| 过滤等级（EN 1822） | — | H11–H13 | EN 1822-1:2009 |
注：H13级过滤器对MPPS的过滤效率需≥99.95%，初始阻力通常控制在100 Pa以内。
4. 过滤器效率测试方法体系
4.1 国内外主要测试标准对比
目前全球范围内有多个权威机构制定了空气过滤器测试标准，其侧重点略有不同。
| 标准编号 | 发布机构 | 适用范围 | 测试气溶胶 | 测试粒径 | 效率计算方式 |
|---|---|---|---|---|---|
| GB/T 6165-2021 | 中国国家标准化管理委员会 | 高效及超高效过滤器 | NaCl、DOP | 0.1–0.5 μm扫描 | 计数法（上下游粒子数比） |
| ISO 29463:2022 | 国际标准化组织 | 高效/超高效过滤器 | DEHS、PAO | 扫描法测MPPS | 局部穿透率与整体效率 |
| EN 1822-1:2009 | 欧洲标准化委员会 | HEPA/ULPA过滤器 | DEHS | 0.1–0.3 μm | MPPS点效率分级（H10-H14） |
| ASHRAE 52.2-2017 | 美国采暖制冷空调工程师学会 | 一般通风过滤器 | KCl、ASHRAE尘 | 粒径分段（0.3–10 μm） | MERV评级（Minimum Efficiency Reporting Value） |
| JIS Z 8122:2015 | 日本工业标准 | 洁净室用过滤器 | Dioctyl phthalate (DOP) | 0.1–0.5 μm | 粒子计数法 |
从上表可见，EN 1822与ISO 29463更强调对MPPS的精确测量，适用于高端医疗、半导体等行业；而ASHRAE 52.2侧重综合性能评估，适合民用与商业建筑领域。中国国家标准GB/T 6165已逐步与国际接轨，采用钠焰法和粒子计数法双轨制。
4.2 测试原理与流程
4.2.1 测试系统组成
典型的低阻高效过滤器效率测试平台由以下部分构成：
- 气溶胶发生器：用于生成稳定、单分散或窄分布的测试颗粒，常用NaCl、DEHS或KCl。
- 混合腔：确保气溶胶均匀分布。
- 上游采样探头：位于过滤器入口前，采集未过滤空气样本。
- 下游采样探头：位于过滤器出口后，采集过滤后空气。
- 粒子计数器：高精度光学粒子计数器（OPC），可分辨0.1 μm以上颗粒。
- 流量控制系统：包括风机、节流阀和质量流量计，维持恒定风速（通常为0.02–0.05 m/s面风速）。
- 压差传感器：测量过滤器前后压降。
- 数据采集系统：实时记录效率、阻力、温湿度等参数。
4.2.2 测试步骤（以GB/T 6165为例）
-
将待测过滤器安装于测试台上，密封良好；
-
开启气溶胶发生器，调节浓度至（20±5）mg/m³；
-
稳定运行10分钟后，使用粒子计数器分别测量上下游0.3 μm、0.5 μm、1.0 μm、3.0 μm、5.0 μm五个粒径档的粒子浓度；
-
每个粒径至少采集3次数据，取平均值；
-
计算各粒径下的过滤效率：
$$
eta = left(1 – frac{C{text{down}}}{C{text{up}}} right) times 100%
$$其中，$ C{text{up}} $ 和 $ C{text{down}} $ 分别为上下游粒子数浓度。
-
同时记录初始压降；
-
可选：进行容尘量测试，持续引入标准粉尘直至压降上升至初阻的2倍。
4.3 PM2.5专项测试方案设计
针对PM2.5净化的实际应用场景，传统测试方法存在一定局限性。例如，NaCl气溶胶虽稳定性好，但与真实大气中复杂成分（有机碳、黑碳、硫酸盐等）差异较大。为此，近年来发展出多种改进型测试方法。
4.3.1 多组分复合气溶胶测试法
参考清华大学王海燕团队的研究[4]，采用模拟真实PM2.5成分的复合气溶胶进行测试，具体配方如下：
| 成分 | 质量比例 | 来源模拟 |
|---|---|---|
| 硫酸铵 ((NH₄)₂SO₄) | 30% | 二次无机气溶胶 |
| 硝酸铵 (NH₄NO₃) | 20% | 二次无机气溶胶 |
| 黑碳（炭黑） | 15% | 机动车尾气 |
| 有机物（邻苯二甲酸二辛酯，DOP） | 20% | 挥发性有机物氧化产物 |
| 地壳元素（SiO₂、Al₂O₃混合） | 15% | 扬尘 |
该方法能更真实反映过滤器在复杂污染环境中的性能衰减规律。
4.3.2 动态负载测试（Dynamic Loading Test）
借鉴美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）提出的动态老化模型[5]，在测试过程中持续注入标准大气尘（ASHRAE Dust），模拟长期使用过程中的积尘影响。测试周期通常设定为72小时，每6小时记录一次效率与阻力变化。
实验结果显示，某些低阻过滤器在初期效率高达98%，但在负载48小时后效率下降至90%以下，表明其容尘能力有限。因此，仅看初始效率不足以评价实际性能。
5. 实验数据分析与案例研究
5.1 不同类型过滤器性能对比
选取市场上常见的三种低阻高效过滤器，在相同测试条件下（风速0.03 m/s，NaCl气溶胶，MPPS=0.3 μm）进行对比测试：
| 过滤器类型 | 初始效率（%） | 初始阻力（Pa） | 负载后效率（72h, %） | 阻力增长（ΔP, Pa） | 综合评分（效率×寿命/阻力） |
|---|---|---|---|---|---|
| 驻极体熔喷滤材（A品牌） | 98.2 | 45 | 94.1 | +68 | 8.3 |
| 纳米纤维复合滤材（B品牌） | 99.5 | 78 | 97.8 | +42 | 9.1 |
| 梯度多层PP/PET（C品牌） | 96.8 | 38 | 92.3 | +85 | 6.7 |
数据来源：中国建筑科学研究院空调所2023年度检测报告
分析可知，纳米纤维复合型过滤器虽然初始阻力略高，但效率保持性和抗堵塞性能优，适合高洁净要求场所；而普通驻极体滤材性价比高，适用于家用空气净化器。
5.2 温湿度对过滤效率的影响
根据浙江大学陈光明教授团队的研究[6]，相对湿度（RH）显著影响驻极体材料的静电保持能力。实验数据显示：
| RH (%) | 过滤效率变化（vs 干燥状态） | 原因分析 |
|---|---|---|
| 30% | +1.2% | 静电增强扩散效应 |
| 50% | ±0.5% | 平衡状态 |
| 70% | -3.8% | 水分子屏蔽电荷，降低静电吸引力 |
| 90% | -7.5% | 纤维润湿导致结构变形 |
因此，在高湿环境下应优先选用疏水性材料或添加防水涂层。
6. 国内外研究进展与技术创新
6.1 新型测试技术的发展
近年来，激光诱导荧光（LIF） 和 扫描电迁移率粒径谱仪（SMPS） 被引入过滤器测试领域，可实现亚微米级颗粒的高分辨率分析。美国科罗拉多大学博尔德分校的研究表明，SMPS结合差分电迁移分析器（DMA）可精确识别MPPS位置，误差小于±0.02 μm[7]。
此外，在线监测系统逐渐普及，如 Honeywell 和 Camfil 推出的智能过滤器模块，内置压差传感器与粒子计数单元，可实时反馈效率衰减趋势。
6.2 人工智能辅助预测模型
北京航空航天大学李峂课题组开发了基于机器学习的过滤器寿命预测模型，输入参数包括初始效率、阻力、容尘量、运行风速、环境PM2.5浓度等，输出为剩余使用寿命（RUL）。该模型在某地铁站空气净化系统中验证，预测准确率达89.6%[8]。
7. 应用场景与选型建议
7.1 不同场所的过滤器选型对照表
| 应用场景 | PM2.5浓度范围（μg/m³） | 推荐过滤等级 | 风阻要求 | 特殊考虑 |
|---|---|---|---|---|
| 家庭住宅 | 35–150 | H11–H12 | <80 Pa | 噪音控制、能耗 |
| 医院病房 | <15（洁净区） | H13 | <100 Pa | 微生物控制 |
| 办公楼宇 | 50–100 | H11 | <70 Pa | 能效比（EER） |
| 洁净室（Class 7） | <5 | H13–H14 | <120 Pa | 气密性、扫描检漏 |
| 工业车间 | 100–500 | F8+F9+H10组合 | <150 Pa | 耐高温、耐腐蚀 |
7.2 维护与更换策略
建议建立定期检测制度，当出现以下情况之一时应考虑更换：
- 压差达到初阻的2倍；
- 实测PM2.5净化效率下降超过15个百分点；
- 外观明显变色或破损；
- 运行时间超过制造商推荐寿命（通常3–5年）。
参考文献
[1] World Health Organization. WHO global air quality guidelines: particulate matter (PM2.5 and PM10), ozone, nitrogen dioxide, sulfur dioxide and carbon monoxide. Geneva: WHO Press, 2021.
[2] 生态环境部. 《2023年中国生态环境状况公报》. 北京: 生态环境部, 2024.
[3] D. Y. H. Pui, S. C. Yu, and B. Y. H. Liu. "Experimental study of particle penetration through commercial HVAC filters." Aerosol Science and Technology, vol. 12, no. 2, pp. 503–518, 1990.
[4] 王海燕, 刘晓东, 张强. “复合气溶胶法在空气净化器性能测试中的应用.”《环境科学学报》, 第41卷, 第5期, 2021, pp. 1892–1900.
[5] Singer, B.C., et al. Performance of residential air cleaning devices under realistic operating conditions. LBNL Report No. 52667, 2003.
[6] 陈光明, 周伟, 李娜. “相对湿度对驻极体空气过滤材料性能的影响.”《功能材料》, 第45卷, 第8期, 2014, pp. 8012–8016.
[7] Johnson, G.R., et al. "evalsuation of HEPA filter performance using SMPS and optical particle counters." Journal of the International Society for Respiratory Protection, vol. 25, no. 1, pp. 45–56, 2008.
[8] 李峂, 王磊, 赵阳. “基于LSTM神经网络的空气过滤器寿命预测模型.”《暖通空调》, 第53卷, 第3期, 2023, pp. 67–73.
[9] GB/T 6165-2021. 《高效空气过滤器性能试验方法 钠焰法和计数法》. 北京: 中国标准出版社, 2021.
[10] EN 1822-1:2009. High efficiency air filters (HEPA and ULPA). Brussels: CEN.
[11] ASHRAE Standard 52.2-2017. Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE, 2017.
[12] JIS Z 8122:2015. Methods of test for air filter units. Tokyo: Japanese Standards Association.
（全文约3,600字）
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