空气过滤器与室内空气品质的关系

一、前言

随着生活水平的提高，大量的空调使用于建筑，空调在为人们带来舒适性的同时，也是导致室内空气品质（IAQ）下降的主要原因之一。室内空气品质，这几年逐渐成为暖通空调行业的热门话题，由于Sars的原因也越来越引起公众和政府的重视。从卫生角度来讲，一个人每天呼吸约20～30kg 空气，吃掉约1kg固体食物和3kg饮料（图1），从这点来说，我们也希望所呼吸的空气和食品及饮料具有同样的质量标准。通常人们在室内度过一天中90%的时间，这种情形下，不应该因为室内空气环境而造成人们生病。

在空气净化领域，由于工艺的需要，人们对于空调箱里空气过滤器的合理选用还有所关注，而在舒适性空调中，空气过滤器的合理选用常常被人们所忽视。但实际上，过滤器应该是一个通风系统很关键的部件。

合理的使用空气过滤器不仅能保护空调系统，更重要的是能显著提升室内空气品质。

图1：人在24小时周期内消耗的食品和空气

二、保护空调系统

根据目前室内空气品质的研究结论，许多问题是由于空调系统不合理的设计及糟糕的运行管理造成的。很多问题是很容易解决的。根据美国职业安全与卫生研究所和美国明尼苏达州研究机构的研究结论，空调系统造成的室内空气品质问题占主要问题的30～50%的比例。在明尼苏达的研究中发现，微生物造成室内空气品质问题占29%，而其中94%的微生物存在于空调系统中。

    空气过滤器作为空调系统的配件本身并不能改善室内空气品质，但通过合理的安装使用，却可以通过如下作用来改善室内空气品质：

1） 保持空调系统的清洁，意味着可以保证空调系统在设计风量下运行，这样可以保证温度、湿度在设计要求范围内运行。一个清洁的空调系统，在设计风量下运行，可以减少室内由人、建筑材料和室内设备带来的污染。

2） 维持空调系统设备的效率，保证风机、换热器等设备正常运行。

3） 阻止微生物进入空调系统。

4） 消除室外污染。所有的室外污染在进入系统之前能够容易被消除。

为了维持系统正常功能，空调系统必须被有效的保护，不管是在吸入端还是排气端。从运行费用，清洁要求，安装维护方面考虑，F7效率过滤器是最佳的选择。

三、室内卫生的要求

人们通常每天要在室内度过每天90%的时间，大部分的工作、生产活动在室内完成。人们通常对食物和饮料有很多要求，而往往忽视对空气的要求。实际上，理想状态下，不应该有人应为室内空气欢迎的原因而生病。所以，什么样的空气质量能为我们所接受呢？这是值得探讨的问题。

室内空气污染物及危害

室内污染物可分为三类：可吸入颗粒物、生物活性粒子污染物、化学气态污染物

可吸入颗粒物：

可吸入颗粒物指悬浮在空气中，空气动力学直径小于等于10μm的颗粒物，也可称为“飘尘”，能长时间悬浮且易被人体呼吸系统吸入。大于10μm的灰尘容易沉降，在室内很少，对人体危害很小。有美国学者研究指出：空气动力学直径大于10μm的粒子基本上被阻于人的鼻腔；直径大于2μm小于10μm的粒子约有90%可进入并沉积在呼吸道的各个部位，10%可以到达肺的深部，并沉积于肺中；直径小于2μm的粒子100%可以吸入肺部，其中0.3～2μm的粒子几乎全部沉积于肺部而不能呼出。所以可吸入尘PM2.5(粒径小于2.5μm)对人体的危害是最大的。室外大气中可吸入尘也主要以PM2.5为主。

   可吸入颗粒有固态和液态颗粒，悬浮在空气中称为“气溶胶”。微生物在空气中不能单独存在，只能依附在粉尘等颗粒物上影响人的健康。所以，广义上讲，可吸入颗粒物包括细菌，也包括病毒和花粉等生物活性粒子。

   不同大小的粉尘数量不同，从个数上来讲，99.9以上都小于1μm，但其重量仅为所有灰尘重量的30%左右，即空气中大部分的灰尘可以直接被人体吸入到肺泡中。

不同地方，不同季节，空气中粉尘浓度相差很大。城市空气污染主要源于人的活动。城市人口多寡直接影响市区空气含尘浓度。粗略地讲，城市越大，污染越严重。由于采暖和气候干燥，许多城市冬季的大气粉尘明显高于其它季节。雨季，由于雨水的洗涤，空气中的粉尘浓度低于其它季节。海浪和海水蒸发产生微小盐粒（氯化钠），沿海地区盐雾浓度高。 城市的空气微生物浓度并不比乡村高，但城市中对人体有害的空气微生物浓度高。室内外相比，室内粉尘数量浓度高，室外粉尘颗粒大。

生物活性粒子污染物：

生物活性粒子主要有细菌，病毒、花粉等。

植物花粉的粒径大于10μm,在空气中会很快沉降。空气中的细菌的大小范围为0.3μm～15μm，病毒比较小，一般为0.02μm～0.4μm。绝大部分数细菌没有养分只能存活很短的时间，所以空气中的细菌通常附着在灰尘或结团存在。

化学气态污染：

空气中的化学气态污染物包括多种挥发性有机物（VOC）和无机气体。挥发性有机物常见有甲苯、甲醛、苯和多种烃类、脂类、酮类等物质。室内空气中已检测出的挥发性有机物多达300余种，其中有20多种为致癌物或致突变物。无机气体主要为NH3、、NOx、SO2、O3、氡等。这些气体对人体都有危害。室内的异味主要由多种VOC所导致。

室内空气污染物的来源：

室内产生：人员、设备、建筑装修材料等。人员活动是主要要成来源，如抽烟，燃烧，肢体活动等。

室外进入：自然/渗透通风、新风系统等。室外空气中有大量的可吸入颗粒物，古时候主要是由风沙、火山喷发、海水飞溅等自然因素产生。现代主要由人类活动扬起大量粉尘，如燃烧、工业排放、建筑活动、交通运输等。空气中的粉尘除了由门窗渗入和人员带入外，更多可以通过过滤性能差的中央空调通风系统进入室内。

环境控制系统：暖通空调系统。室内空气中的细菌病毒除了来自室外空气外和人员自身的活动外，还有一个很大的来源是空调通风系统本身。空调系统中的集尘、污垢已适宜的温湿度是细菌滋生和繁衍的理想场所。对于配备过滤性能差的空气过滤器的系统还会加剧污染物的传播和扩散。

四、空气过滤器

过滤原理：

空气过滤器的材料一般都是采用填充率（填充率=过滤层（如纤维层）的密度/过滤层材料（如纤维）的密度）低于0.2的纤维材料， 这类材料的特点是上百层纤维叠加在一起,空隙率较大,即纤维空隙比起纤维粗细来仍然很大.此类过滤器阻力不大,效率很高,实用意义较大。在应用中要求过滤材料能满足如下要求：既能有效地拦截尘埃粒子，又不对气流形成太大的阻力。非均匀排布的纤维材料符合这一要求，如无纺布、纸张。杂乱交织的纤维材料对粉尘形成无数障碍、但间隙允许气流顺利通过。对通风用过滤器来说，纤维材料因透气性好、重量小，加工性能好而被广泛应用。

空气过滤器的过滤材料内杂乱交织的纤维层在允许气流通过的同时把灰尘拦住。灰尘被拦住往往是多种过滤机理作用的结果。

粉尘与过滤介质的电子显微图

拦截

空气中的尘埃粒子，随气流作惯性运动或无规则布朗运动或受某种场力的作用而移动，当微粒运动撞到其它物体，物体间存在的范德华力（是分子与分子、分子团与分子团之间的力）使微粒粘到纤维表面。进入过滤介质的尘埃有较多撞击介质的机会，撞上介质就会被粘住。较小的粉尘相互碰撞会相互粘结形成较大颗粒而沉降，空气中粉尘的颗粒浓度相对稳定。室内及墙壁的退色就因为这原因。

把纤维过滤器像筛子一样看待是错误的。

惯性和扩散

颗粒粉尘在气流中作惯性运动，当遇到排列杂乱的纤维时，气流改变方向，粒因惯性偏离方向，撞到纤维上而被粘结。粒子越大越容易撞击，效果越好。

小颗粒粉尘作无规则的布朗运动。颗粒越小，无规则运动越剧烈，撞击障碍物的机会越多，过滤效果也会越好。空气中小于0.1微米的颗粒主要作布朗运动，粒子小，过滤效果好。大于0.3微米的粒子主要作惯性运动,粒子越大效率越高。扩散和惯性都不明显得粒子最难过滤掉。测量高效过滤器性能时，人们经常规定测量最难测量的粉尘效率值。

撞击与扩散碰撞

静电作用

由于某种原因，纤维和微粒可能带上电荷，产生静电效应。带静电的过滤材料过滤效果可以明显改善。原因：静电使粉尘改变运动轨迹并撞上障碍物，静电使粉尘在介质上粘的更牢。

能长期带静电的材料也称作“驻极体”材料。材料带静电后阻力不变，过滤效果会明显改善。静电在过滤效果中不起决定作用，只起辅助作用。

一般通风用空气过滤器

一般通风用过滤器从结构形式上主要包括板式过滤器、袋式过滤器、框架刚性过滤器。

  板式空气过滤器一般采用纤维较粗的材料制作，目前国内大部分厂家都是采用无纺布材料制作，计重效率一般在80%左右，相当于欧洲标准G3~G4的效率。目前，在我国普通空调系统中大量使用的金属网、尼龙网过滤器，效率计重法30%都不到。

袋式过滤器一般采用化纤和玻纤材料制作。熔喷玻纤滤料制作的袋式过滤器效率最高可以做到F8~F9。化纤材料中常用的材料喷胶无纺布效率最高为F5, 熔喷类化纤材料消除静电后可以做到F7~F8, 但根据实际使用的效果来看，化纤材料的过滤器效率不如玻纤稳定，使用寿命约为玻纤材料的一半。根据目前的市场趋势来看，玻纤材料的一般通风用空气过滤器的市场份额逐渐萎缩。大部分的客户仅仅考虑配件购入时的价格，而不会总整体经济性方面去考虑。

国内常用的一般通风用过滤器还有无隔板过滤器和有隔板过滤器。其中最常用的是朔框组合式过滤器和一些有隔板大风量中效过滤器。

化学过滤器主要有选择性的吸附有害气体分子。活性碳材料中有大量看不见的微孔，有较大的吸附面积。米粒大小的活性碳中，微孔内面积有十几平方米大。

游离分子接触活性碳后，在微孔中凝聚成液体因毛细管原理呆在微孔中，有的与材料和而为一体。没有明显化学反应的吸附称为物理吸附。

有的对活性碳进行处理，被吸附的颗粒与材料进行反应，生成固体物质或无害气体，称为怀学吸附。

活性碳在使用过程中材料的吸附能力不断减弱，当减弱到某一程度，过滤器将报废。如果仅为物理吸附，用加热或水蒸汽熏可使有害气体脱离活性碳，使活性碳再生。

活性炭过滤器能有效吸附气体污染物的条件是允许气流和活性炭必须有一定的接触时间。对于一般通风用途的活性炭过滤器，接触时间至少为0.01s才能有效果。一只设计风量为3400m³/h的610×610的化学过滤器至少要含3～5Kg的活性炭。目前被很多厂家所生产并被许多用户所采用的沾有活性炭粉的无纺布，实际使用时，气流和滤料接触的时间不超过0.003s,因此效果微乎其微，实际的使用效果也证明了这点。

五、空气过滤器的选择使用

室内的可吸入颗粒，生物活性粒子可以用空气过滤器除去，大部分的化学污染物及由其产生的异味可以通过化学过滤器出去。

室外大气中，按数量统计，99.9%的粉尘粒径小于1µm。按重量计，小于10µm的粉尘占总重量的50%~95%。由效率图可以看出，采用F7以上效率的过滤器效果显著。而G4粗效过滤器仅能除去约5%数量的灰尘。

空气中的大多数带菌粒子的直径在2～5µm,实验表明，人咳嗽、打喷嚏产生的飞沫，在空气中由于水分很快的蒸发也能很快变成2～3µm的飞沫核，并可在空气中长期悬浮。由效率图可以看出，F8效率的过滤器几乎可以全部出去粒径2µm以上的粒子。

国外医学研究发现，引起人体过敏的过敏原和交通污染有一定关系，人体的遗传基因可由诱变性污染物引起突变。诱变性污染物对不同生物细胞DNA的作用基本相同，被诱变率和致癌发病率之间有很好的相关性。空气中的灰尘颗粒是多种诱变性污染物。

瑞典康菲尔公司与斯德哥尔摩大学采用沙门氏菌为诱变对象，进行了被诱变率和空气中灰尘浓度之间的关系的实验(AMES)，空气不同浓度由空气通过不同效率等级的空气过滤器获得。此项试验表明：

1） 空气中的灰尘颗粒是携带诱变性污染物的重要载体。

2） 被诱变率和污染物的浓度呈线性变化。

3） 使用效率高的空气过滤器可以大大降低生物体内癌变的危险。

常见的人体过敏和哮喘主要是由于空气中传播的多种变应原、过敏原引起的，大部分来自动物、花粉、细菌病毒、螨虫等生物体的蛋白质成分，在空气中通常以可吸入颗粒存在。

实验表明：采用F7以上效率的过滤器可以去除大部分的带变应原的灰尘颗粒。实验中选用的使用过的化纤过滤器，由于效率的下降大达不到预期的效果。

   化学过滤器能比较有效地除掉空气中的气态污染物。但由于化学过滤器价格比较贵，化学过滤器在很多有工艺要求的工厂中被采用。在实际的公用和民用空调系统中，应用比较少，目前使用比较多无纺布炭粉过滤器，由于含有的炭粉数量有限，气流接触时间很短等因素，实际效果有限。

   除空气污染外，室内空气品质的好坏还与室内的通风量和温湿度密切相关。通风量尤其是新风量的不足以不适宜的温湿度都会降低室内空气品质。使用效率适合的过滤器不仅可以降低室内空气中的灰尘浓度还可以保护空调设备，确保空调设备的正常运行及维持设计的效率。

   根据美国能源署在多所学校建筑设施中的IAQ调查表明，绝大多数IAQ问题可通过三个方面解决，即足够的新风量，适宜的温湿度，安装效率足够好的空气过滤器。

六、目前我国公共民用及医疗建筑通风过滤系统的现状

改革开发近十几年来，我国的高档建筑、医院的建设改造数量迅速的增加起来。中央空调系统也大量被使用。

我国的过滤行业也在建筑、工业的快速发展的推动下发展起来，很多国外过滤器厂家也在中国设厂。但一般通风系统的空气过滤的重要性并没有被业主、包括很多国内设计师、空调专业的工程师所认识。根据2002年，康菲尔公司对上海、北京和广东深圳的公共及商用建筑空调系统的抽样调查表明，一般以上用的是金属网或尼龙网过滤器，约30%～40%用的是粗效无纺布过滤器，仅有6～8%使用了中效以上的过滤器。其中至少有60%以上的过滤器是非标准尺寸，维护、更换、改造极为不方便。这种情况下，三分之二的建筑的空调维护人员认为自己使用的空气过滤装置能满足要求。一般以上的维护人员不知道如何维护和使用过滤器。

几个工程实例也可以反映这方面的情况：

2002年，在我国风沙严重的西北地区兴建的大型国际机场，国外设计方案中过滤器配置为G3+F6+活性炭过滤器。实际建设时，空调设备供应商和机场业主为了降低成本，采用了尼龙网+G3无纺布袋是过滤器+无纺布活性炭粉过滤器。今年，笔者到该机场空调站去看过滤器样品，发现过滤器安装方式变成了G3无纺布袋式过滤器+尼龙网过滤器。（为了安装的方便把尼龙网过滤器放到了后面）

南方某机场，投资600亿元。1996年，法国人的设计方案中，建议中央空调系统使用F7过滤器及活性炭过滤器。由于年费用超出了业主的想象和预算，要求降为F5等级。实际使用中，约5000只F5玻纤袋式过滤器仅适用一次，就被机场物业管理部门换成G3效率无纺布过滤器，定期水洗使用。全国大型机场空调系统大多采用这样的过滤器。据说，上海某机场还专门聘任有智障的人洗过滤器。

很多业主、物业在空调运行中仅仅关注过滤器的更换费用，而没有考虑由于采用低效率的过滤器，造成空调系统很多设备的失灵，效率下降，空调系统严重积灰，最后再去花更多的钱去维修设备，清洗系统的费用。上海某著名大厦，由于空调系统的过滤器效率比较低，在大楼运行几年后，不得不花费数百万元清洗空调系统。而该空调系统即使采用最好的过滤器，1年的更换费用也不过30万元左右。

七、总结

很清楚的是，空气过滤器在实现良好的室内空气品质方面有很大的作用。好的空气过滤能阻止污染进入系统，保持空调系统处于良好的状态，维持系统的风量，温度，湿度处于正常状态，可以保持空调系统的设备的效率处于较高的状态。在我们计划设置过滤器时，要注意以下建议和提示：

1) 要慎重考虑设计新风吸入口的位置，避免吸入杂物、雨水、雪。

2) 为了尽量减少微生物的滋生，空调系统的相对湿度必须保证总是低于90%，系统的任何位置相对湿度连续大于80%的天数不能超过3天。

3) 根据EN13779标准的要求，为了室内卫生的要求，空气吸入口，应该设置两道过滤器。第一道效率设置为至少为F5，第二道设置效率至少为F7。如果仅设置一道过滤器，效率为F7。当然，因为我国的空气质量比欧洲差很多，在F5过滤器前设置一道G4效率过滤器也许更合理一些。

4) 考虑循环风的原因，为了保护系统的元器件，必须使用F5以上效率的过滤器。如果考虑改善室内空气品质的要求，至少要使用F7以上效率的空气过滤器。

5) 过滤器不能直接安装在风机出风口，应安装在气流比较均匀的位置。

6) 过滤器的终阻力根据风量的变化，过滤器的生命周期费用来设定。

7) 在过滤器的阻力达到终阻力的时候，必须进行更换。

8) 目前，对我国空调系统使用现状来说，政府部门应制定有关民用建筑通风空调和空气过滤系统设计、运行、维护、检查的科学规范和标准，并强制执行。

9) 国家卫生部门应加强对室内空气质量卫生质量的监测、管理和监督。