文章推荐|建筑室内健康环境不同过滤单元净化PM2.5特性研究

郭二宝1,2  张一飞1,2  胡浩威1,2  王含笑3  刘兴成4

（1.安徽建筑大学安徽省绿色建筑先进技术研究院，合肥 230601；2.安徽建筑大学建筑室内热湿环境实验室，合肥 230601；3.安徽宾肯电气股份有限公司，合肥 230088；4.中冶赛迪上海工程技术有限公司，上海 200940）

研究背景

PM_2.5是长期暴露研究中后果最一致的、健康危害最显著的大气污染物之一。漂浮在空气中的PM_2.5粒径小、活性强，易携带有毒、有害物质。世界卫生组织（WHO）报告曾指出，病毒或细菌附着在微粒上可通过气溶胶经长距离传播而在短期内导致大面积感染。近年来，科学家们宣称SARS-CoV-2可能在空气中进行传播，并列举了支持气溶胶传播的数个依据。国外科研团队在意大利贝加莫地区空气中悬浮的颗粒物上发现了SARS-CoV-2 ，这意味着在大气稳定和颗粒物高浓度的条件下，SARS-CoV-2能够与户外颗粒物集聚在一起，通过呼吸系统堆积在人体肺部。大量的流行病学研究表明，长期暴露在高浓度的PM_2.5环境中，可显著增加生活在中、低收入地区人群的多种疾病发病率和死亡率。

现代社会，随着生活方式和工作条件的改变，人们在建筑室内停留的时间更长，甚至一生当中80~90%的时间都是在室内度过。建筑环境中PM_2.5浓度的增加通常与气溶胶感染传播风险的增加密切相关，长期暴露在高浓度PM_2.5污染中，更易导致COVID-19患者发展为重症，且PM_2.5平均质量浓度每增加1μg/m³，死亡率增加11%。降低感染风险最有效的方法就是减少室内PM_2.5的浓度水平，颗粒物浓度主要由建筑内部空调系统中的空气过滤器进行控制。其他科研团队在室内场所也进行了空气过滤器和净化器的研究，如在韩国的公共建筑，以及美国毗邻高速公路的住宅建筑，空气过滤器和净化器均可有效改善室内空气质量。

鉴于当前全球COVID-19疫情大流行和Delta突变毒株的超强传染力，并不能排除其附着在微粒上形成微生物气溶胶进行传播，空气净化装置作为一种可以降低建筑室内COVID-19传染风险的有效途径已经引起了人们的广泛关注。现阶段，国内外学者对空气过滤器和净化器的研究多集中在对某单一过滤单元的性能研究上，而对不同过滤单元净化PM_2.5特性的研究文献较少。因此，试验选取了6种过滤单元，分别为G4夹碳布、G4涤纶、F7玻纤、F7静电熔喷布、G4涤纶+F7玻纤、微静电荷电模块+G4涤纶进行净化特性的对比研究。

摘  要

针对后疫情时代下建筑室内净化问题，选取6种不同过滤单元，通过试验分析不同过滤单元（1号为G4夹碳布，2号为G4涤纶，3号为F7玻纤，4号为F7静电熔喷布，5号为G4涤纶+F7玻纤，6号为微静电荷电模块+G4涤纶）的PM_2.5净化性能。试验测试了不同过滤单元的一次过滤效率、PM_2.5净化效率、阻力、洁净空气量(CADR)与净化能效 (CEE)。结果表明：5号和6号的组合过滤单元，可有效提高一次过滤效率和PM_2.5净化效率。额定风速下，2号过滤单元阻力最小，6号过滤单元阻力与2号相当，5号过滤单元的阻力最大。在最大风量工况下，2号过滤单元的CADR和CEE最小，4号过滤单元的CADR和CEE最大。2号过滤单元的CADR和CEE分别约为4号过滤单元的7.13%与6.54%。6号过滤单元相比2号过滤单元的CADR和CEE分别提升约150%与247%。

01

试验部分

1.  试验装置和方法

1.1 过滤试验

过滤试验装置如图1所示。按GB/T 14295—2019《空气过滤器》要求，采用质量分数10%的氯化钾溶液为气溶胶发生溶液。试验台风道内空气温度与相对湿度分别控制在(23±5)℃、(45±5)%，以降低温度与湿度对试验的影响。

图1 空气过滤综合试验台

过滤试验装置工作原理为：过滤单元置于静压室内，开启轴流风机抽取气流，压差变送器控制进入风道的气体流量，过滤单元的过滤风速由气体流量与风道横截面积的比值决定。试验开始后，经过滤器净化后的空气进入送样室与气溶胶发生器产生的颗粒物充分混合，从左向右依次通过过滤单元、喷嘴箱、整流筛网再由轴流风机排出。使用气溶胶光谱仪Grimm1.109在上、下游取样点测定不同粒径段颗粒物的计数浓度与质量浓度。Grimm1.109能够测量的粒径范围为0.25~32μm，对于本试验研究，颗粒物被分为：0.25~0.3μm，0.3~0.4μm，0.4~0.5μm，0.5~0.65μm，0.65~0.8μm，0.8~1.0μm，1.0~2.0μm，2.0~2.5μm 8个粒径区间。

1)一次过滤效率试验。

6种试验材料如表1所示。F7静电熔喷布过滤单元采用了荷电纤维，使其在截留和扩散等机械捕集机理的基础之外附加了静电效应。微静电荷电模块+G4涤纶过滤单元组合而成的静电增强过滤单元接通3KV交流电，荷电后的颗粒物在惯性、截留、静电等作用下被吸附在粗效纤维过滤单元上。

表1 试验材料

启动风机与TSI HY-AG-8108气溶胶发生器，调节过滤风速，待风速稳定后，用Grimm1.109在上、下游采样点进行监测。分别测试不同过滤单元不同风速上、下游采样点的颗粒物计数浓度，待采样数值稳定后，选取连续10次读数的平均值，计算一次过滤效率，见式（1）。

2) PM_2.5净化效率试验。

开启轴流风机与气溶胶发生器，调节过滤风速，上游采样点PM_2.5浓度控制在500μg/m³左右。使用Grimm1.109分别测试不同过滤单元不同风速上、下游采样点的颗粒物质量浓度。取10次稳定测试数据的平均值作为上、下游浓度值，计算PM_2.5净化效率，见式（2）。

1.2 净化试验

1）自然衰减试验。

自然衰减是一种在规定空间及条件下，由于沉降、附聚、空气交换等非人为因素，导致空气中的颗粒物浓度降低的现象。为了测试过滤单元的CADR与CEE，设计了一种可以替换过滤单元的空气净化器，试验测试在30m³舱内进行。试验舱与空气净化器结构如图2所示。试验舱内的温度控制在(25±1)℃，相对湿度控制在(50±5)%。采用红塔山牌经典香烟发尘，香烟颗粒物产生的污染物主要为粒径1μm以下的固态颗粒物。

图2 净化试验装置

操作步骤：

1. 将空气净化器置于30m³舱地面中心位置，调试、检验净化器运行状态后将其关闭。将采样口与TSI 9306-V2粒子计数器连接，送样口与烟雾发生器连接。

2. 开启过滤器，净化试验舱中空气，用粒子计数器监测试验舱内背景浓度，当颗粒物粒径在0.3μm以上的背景浓度低于1×10³P/L后，关闭空气净化器。开启温湿度控制装置，当室内温、湿度达到设定值后关闭。

3. 开启搅拌风扇与循环风扇，使用发烟器发烟，当颗粒物计数浓度达到5×10⁶P/L后，停止发烟。为了使颗粒物混合更加均匀，停止发烟后，搅拌风扇继续运行10分钟后关闭。

4. 用TSI 9306-V2粒子计数器测定颗粒物初始浓度C0，对应时间为t=0。每隔2min测定记录一次颗粒物的计数浓度，连续测试20min，试验舱全程保持封闭状态，循环风扇保持运转状态。

2）总衰减试验。

颗粒物总衰减试验与自然衰减试验步骤大致相同，按自然衰减试验完成步骤i~iii后，打开空气净化器并调试到最大档位工况。以启动净化器的时间为计时零点，用粒子计数器测定颗粒物计数浓度。用电参数测试仪监测不同过滤单元的净化器功耗，试验测试结束后关闭所有设备。自然衰减常数kn与总衰减常数ke可以通过式(3)、式(4)得到。

02

结果与分析

1.  过滤单元的过滤特性

空气净化装置能否高效运行，与过滤单元PM_2.5过滤特性密切相关。图3为额定风量状态下6种过滤单元的一次分级粒径计数效率对比。随着颗粒物粒径的增大，过滤单元分级粒径计数效率逐渐增大，各过滤单元之间的计数效率差异逐渐减小，同一过滤器在相同风速下，粒径越大过滤效率越高。这是因为在实验风速下，主要依靠过滤单元的拦截效应和扩散效应捕集微细颗粒，颗粒物直径越大，过滤单元的捕集效率越高。

图3 不同过滤单元分级计数效率

由图3可知：6种过滤单元的分级计数效率有明显差异，G4涤纶过滤单元的分级粒径计数效率最低。当颗粒物粒径小于0.5μm时，6种过滤单元分级粒径计数效率增长迅速。当颗粒物粒径大于0.5μm，F7玻纤、F7静电熔喷布、G4涤纶+F7玻纤、微静电荷电模块+G4涤纶过滤单元的分组计数效率增加缓慢，G4涤纶、G4夹碳布过滤单元的分组计数效率有明显增长。对于0.25~0.5μm粒径的颗粒物，过滤单元计数效率由小到大依次为：G4涤纶、G4夹碳布、F7玻纤、F7静电熔喷布、G4涤纶+F7玻纤、微静电荷电模块+G4涤纶。对于0.5~1.0μm粒径的颗粒物，过滤单元计数效率呈如下规律：F7静电熔喷布>G4涤纶+F7玻纤>微静电荷电模块+G4涤纶>F7玻纤>G4夹碳布>G4涤纶。对于1.0~2.5μm粒径的颗粒物，过滤单元计数效率呈如下规律：G4涤纶<G4夹碳布<微静电荷电模块+G4涤纶<F7静电熔喷布<F7玻纤< G4涤纶+F7玻纤。

粗效涤纶与中效玻纤过滤单元梯度组合在0.25~0.5μm的计数效率高于两种单一中效纤维过滤单元低于微静电荷电模块+G4涤纶过滤单元。当颗粒物的粒径大于0.5μm时，粗效涤纶与中效玻纤过滤单元梯度组合一次计数效率高于荷电模块+G4涤纶过滤单元的组合。在纤维过滤单元外加电场可以有效提高粒径0.5μm以下颗粒物的除尘效率，其原理基于荷电模块对颗粒物进行荷电，荷电后的颗粒物随气流接近纤维过滤单元时，纤维感应带电，在静电力作用下，颗粒物向纤维过滤单元表面沉降，增大了纤维过滤单元的净化效率。

图4 不同过滤单元PM_2.5净化效率

图4为不同风速状态下6种过滤单元PM_2.5净化效率的对比。随着风速的增大过滤效率升高，当过滤效率达到一定值后，增大风速，过滤效率增长缓慢。过滤单元PM_2.5净化效率呈如下规律：F7静电熔喷布>G4涤纶+F7玻纤>F7玻纤>微静电荷电模块+G4涤纶>G4夹碳布>G4涤纶。随着风速的增加，6种过滤单元PM2.5净化效率有不同程度的增加。F7玻纤、F7静电熔喷布、G4涤纶+F7玻纤过滤单元的PM2.5净化效率随风速增加变化不明显，微静电荷电模块+G4涤纶、G4涤纶、G4夹碳布过滤单元有明显的增长，其中，风速在1.0~1.5m/s范围时，G4涤纶的PM2.5净化效率近乎不变。F7玻纤、F7静电熔喷布、G4涤纶+F7玻纤、微静电荷电模块+G4涤纶过滤单元的净化效率差异随风速的增大而减小。

G4涤纶+F7玻纤过滤单元的梯度组合与荷电模块+G4涤纶过滤单元的组合，可提高过滤单元的一次计数效率和PM2.5净化效率。不同风速条件下，G4涤纶PM2.5净化效率均低于G4夹碳布，荷电模块+G4涤纶的PM2.5净化效率高于G4夹碳布。荷电模块+G4涤纶在试验风速下与G4涤纶过滤单元相比净化效率平均提升约46.98%。G4涤纶+F7玻纤过滤单元的PM2.5净化效率介于F7静电熔喷布与F7玻纤之间，G4涤纶+F7玻纤的PM2.5净化效率相比F7玻纤提升不大。过滤单元的梯度组合通过影响过滤单元的孔径分布进而提高过滤单元的净化效率。荷电模块对颗粒物进行荷电，荷电后的颗粒物随气流接近纤维过滤单元时，纤维感应带电，在静电力作用下，颗粒物向纤维过滤单元表面沉降，增大了纤维过滤单元的净化效率。

F7静电熔喷布过滤单元、微静电荷电模块+G4涤纶过滤单元过滤机理是在机械捕集的基础上附加静电吸附效应。研究表明, 仅当粒径小于0.2μm时, 静电力在整个捕集机理中占主导地位。故两种过滤单元对PM_2.5的过滤均以机械捕集为主，静电作用为辅。在低风速范围内, 随着风速增大，颗粒物的沉积时间缩短, 但机械捕集作用的增强大于静电效应的减弱, 过滤效率增大。当风速增大到临界值时, 继续增大风速, 颗粒与纤维碰撞的机会减少, 导致过滤效率基本保持不变。

G4夹碳布、G4涤纶、F7玻纤、G4涤纶+F7玻纤过滤单元为机械式过滤器，在试验风速下，对PM_2.5的过滤机理以拦截效应为主，扩散效应为辅，两者共同作用。由表1和图4可以看出，对相同过滤等级的纤维过滤单元，风速越大，拦截效应越强，透气率越小，过滤效率越大。

2. 过滤单元的阻力特性

图5为6种过滤单元在不同过滤风速下的过滤阻力变化趋势图。由图可知：介质过滤单元的阻力变化趋势是过滤风速越大，阻力越大。荷电模块+G4涤纶过滤单元的阻力与G4涤纶接近，荷电模块几乎不会增加过滤单元阻力。G4涤纶+F7玻纤过滤单元的阻力略微高于G4涤纶与F7玻纤过滤单元阻力之和。当风速为1.0m/s时，1-6号过滤单元的阻力分别为6.6，2.6，7.5，7.8，12.1，2.8 Pa。当风速为2.5m/s时，1-6号过滤单元的阻力分别为51.9，24.1，55.5，56.7，85，24.3 Pa。由表1和图5可知，对于非组合式过滤单元，相同过滤等级的过滤单元透气率越低，阻力越大。

图5 不同风速下6种过滤单元的阻力

3. 过滤单元的净化性能

衡量空气净化器性能的两个重要指标为CADR与CEE。表2为不同过滤单元最大风量（950m³/h）工况下的CADR与CEE。图6为自然沉降与不同过滤单元最大风量档位运行工况下，试验舱内颗粒物浓度随时间的衰减情况，试验舱内颗粒物的初始浓度不会影响空气净化器的净化性能，每次发烟后颗粒物初始浓度视为相同（5×10⁶P/L）。

由表2可知：荷电模块+G4涤纶净化器能大大提高PM_2.5的去除效果，荷电模块+G4涤纶净化器在最大风量档位下的CADR相比G4涤纶提升约150%，CEE提高约247%。与F7玻纤净化器相比，G4涤纶+F7玻纤净化器不仅降低了净化器的功耗，还略微提升了过滤单元的CADR和CEE。空气净化器的净化指标CADR与图6吻合，CADR越大，PM2.5去除效果越好。

在自然沉降工况下，试验舱内颗粒物浓度下降缓慢，20分钟衰减约9.2%，自然沉降对改善室内空气质量效果甚微。F7玻纤、F7静电熔喷布、G4涤纶+F7玻纤净化器去除PM2.5能力接近，在净化器最大风量运行工况下，F7玻纤、F7静电熔喷布、G4涤纶+F7玻纤净化器均能将试验舱内颗粒物浓度降低约97%。6种过滤单元中，G4涤纶净化器去除PM_2.5能力最低，F7静电熔喷布净化器去除水平最高，G4涤纶净化器的CADR约为F7静电熔喷布的7.13%。

表2 不同过滤单元最大风量工况下的CADR与CEE

图6 试验舱内颗粒物浓度随时间的衰减趋势

03

结果与讨论

1）G4涤纶+F7玻纤过滤单元的梯度组合与微静电荷电模块+G4涤纶过滤单元的组合，可以有效提高过滤单元的过滤效率。微静电荷电模块+G4涤纶过滤单元在不同试验风速下对PM_2.5净化效率提升40.38~54.48%。G4涤纶+F7玻纤过滤单元PM_2.5净化效率相比F7玻纤提升不明显，约为0.27~2.46%。对相同过滤等级的纤维过滤单元，风速越大，拦截效应越强，透气率越小，过滤效率越大。

2）纤维过滤单元的阻力随风速变化趋势为过滤风速越大，阻力越大。微静电荷电模块+G4涤纶过滤单元的阻力与G4涤纶近乎相同，荷电模块几乎不会增加过滤单元阻力。相同过滤等级的纤维过滤器透气率越低，阻力越大。

3）CADR越大，PM_2.5去除效果越好。在最大风量工况下，G4涤纶的CADR约为F7静电熔喷布的7.13%。微静电荷电模块+G4涤纶相比G4涤纶的CADR提升约150%，CEE提升约247%。G4涤纶+F7玻纤相比F7玻纤的CADR提升约12%，CEE提升约13%。相同工况下，F7静电熔喷布、G4涤纶+F7玻纤、F7玻纤净化时间最短，其次是微静电荷电模块+G4涤纶和G4夹碳布，G4涤纶净化时间最长。

在后疫情时代，亟需开展建筑防疫技术研究。空气过滤器可以捕集空气中携带SARS-CoV-2的微细颗粒物，在建筑物中配备具有良好过滤性能的净化器有助于降低 COVID-19 在人群之间的感染风险。该试验研究为建筑疫情防控提供相关基础数据支持，对降低建筑环境气溶胶传播感染风险具有现实意义。

来源：郭二宝,张一飞,胡浩威,王含笑,刘兴成.建筑室内健康环境不同过滤单元净化PM_2.5特性研究[J].环境工程.

全文下载链接（网络首发版）：

https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CAPJ&dbname=CAPJLAST&filename=HJGC20211223000&uniplatform=NZKPT&v=0pL7kw53BJ3BIdv5QZxubaTLTSK8e7YPzV-gzwy0hXQcKy0sG8-UNV1B02U3DC0d

推荐阅读：

《环境工程》创刊于1982年，由中国工程院院士、美国国家工程院外籍院士、中国科学院生态环境研究中心研究员、清华大学教授曲久辉担任主编。《环境工程》入选北大中文核心期刊要目总览、中国科学引文数据库(CSCD)来源期刊（核心库）、RCCSE中国核心学术期刊、ISTIC中国科技核心期刊、世界期刊影响力指数(WJCI)报告等。

因为公众号平台更改了推送规则，如果不想错过环境工程的文章，请记得读完点一下“赞”“在看”，这样每次新文章推送才会第一时间出现在您的订阅列表里。

人生总会有遗漏，但是不要忘记点“在看”～

环保面前 没有旁观者