空氣過濾器與室內空氣品質的關系

一、前言

隨著生活水平的提高，大量的空調使用于建筑，空調在為人們帶來舒適性的同時，也是導致室內空氣品質（IAQ）下降的主要原因之一。室內空氣品質，這幾年逐漸成為暖通空調行業的熱門話題，由于Sars的原因也越來越引起公眾和政府的重視。從衛生角度來講，一個人每天呼吸約20～30kg 空氣，吃掉約1kg固體食物和3kg飲料（圖1），從這點來說，我們也希望所呼吸的空氣和食品及飲料具有同樣的質量標準。通常人們在室內度過一天中90%的時間，這種情形下，不應該因為室內空氣環境而造成人們生病。

在空氣凈化領域，由于工藝的需要，人們對于空調箱里空氣過濾器的合理選用還有所關注，而在舒適性空調中，空氣過濾器的合理選用常常被人們所忽視。但實際上，過濾器應該是一個通風系統很關鍵的部件。

合理的使用空氣過濾器不僅能保護空調系統，更重要的是能顯著提升室內空氣品質。

圖1：人在24小時周期內消耗的食品和空氣

二、保護空調系統

根據目前室內空氣品質的研究結論，許多問題是由于空調系統不合理的設計及糟糕的運行管理造成的。很多問題是很容易解決的。根據美國職業安全與衛生研究所和美國明尼蘇達州研究機構的研究結論，空調系統造成的室內空氣品質問題占主要問題的30～50%的比例。在明尼蘇達的研究中發現，微生物造成室內空氣品質問題占29%，而其中94%的微生物存在于空調系統中。

    空氣過濾器作為空調系統的配件本身并不能改善室內空氣品質，但通過合理的安裝使用，卻可以通過如下作用來改善室內空氣品質：

1） 保持空調系統的清潔，意味著可以保證空調系統在設計風量下運行，這樣可以保證溫度、濕度在設計要求范圍內運行。一個清潔的空調系統，在設計風量下運行，可以減少室內由人、建筑材料和室內設備帶來的污染。

2） 維持空調系統設備的效率，保證風機、換熱器等設備正常運行。

3） 阻止微生物進入空調系統。

4） 消除室外污染。所有的室外污染在進入系統之前能夠容易被消除。

為了維持系統正常功能，空調系統必須被有效的保護，不管是在吸入端還是排氣端。從運行費用，清潔要求，安裝維護方面考慮，F7效率過濾器是最佳的選擇。

三、室內衛生的要求

人們通常每天要在室內度過每天90%的時間，大部分的工作、生產活動在室內完成。人們通常對食物和飲料有很多要求，而往往忽視對空氣的要求。實際上，理想狀態下，不應該有人應為室內空氣歡迎的原因而生病。所以，什么樣的空氣質量能為我們所接受呢？這是值得探討的問題。

室內空氣污染物及危害

室內污染物可分為三類：可吸入顆粒物、生物活性粒子污染物、化學氣態污染物

可吸入顆粒物：

可吸入顆粒物指懸浮在空氣中，空氣動力學直徑小于等于10μm的顆粒物，也可稱為“飄塵”，能長時間懸浮且易被人體呼吸系統吸入。大于10μm的灰塵容易沉降，在室內很少，對人體危害很小。有美國學者研究指出：空氣動力學直徑大于10μm的粒子基本上被阻于人的鼻腔；直徑大于2μm小于10μm的粒子約有90%可進入并沉積在呼吸道的各個部位，10%可以到達肺的深部，并沉積于肺中；直徑小于2μm的粒子100%可以吸入肺部，其中0.3～2μm的粒子幾乎全部沉積于肺部而不能呼出。所以可吸入塵PM2.5(粒徑小于2.5μm)對人體的危害是最大的。室外大氣中可吸入塵也主要以PM2.5為主。

   可吸入顆粒有固態和液態顆粒，懸浮在空氣中稱為“氣溶膠”。微生物在空氣中不能單獨存在，只能依附在粉塵等顆粒物上影響人的健康。所以，廣義上講，可吸入顆粒物包括細菌，也包括病毒和花粉等生物活性粒子。

   不同大小的粉塵數量不同，從個數上來講，99.9以上都小于1μm，但其重量僅為所有灰塵重量的30%左右，即空氣中大部分的灰塵可以直接被人體吸入到肺泡中。

不同地方，不同季節，空氣中粉塵濃度相差很大。城市空氣污染主要源于人的活動。城市人口多寡直接影響市區空氣含塵濃度。粗略地講，城市越大，污染越嚴重。由于采暖和氣候干燥，許多城市冬季的大氣粉塵明顯高于其它季節。雨季，由于雨水的洗滌，空氣中的粉塵濃度低于其它季節。海浪和海水蒸發產生微小鹽粒（氯化鈉），沿海地區鹽霧濃度高。 城市的空氣微生物濃度并不比鄉村高，但城市中對人體有害的空氣微生物濃度高。室內外相比，室內粉塵數量濃度高，室外粉塵顆粒大。

生物活性粒子污染物：

生物活性粒子主要有細菌，病毒、花粉等。

植物花粉的粒徑大于10μm,在空氣中會很快沉降。空氣中的細菌的大小范圍為0.3μm～15μm，病毒比較小，一般為0.02μm～0.4μm。絕大部分數細菌沒有養分只能存活很短的時間，所以空氣中的細菌通常附著在灰塵或結團存在。

化學氣態污染：

空氣中的化學氣態污染物包括多種揮發性有機物（VOC）和無機氣體。揮發性有機物常見有甲苯、甲醛、苯和多種烴類、脂類、酮類等物質。室內空氣中已檢測出的揮發性有機物多達300余種，其中有20多種為致癌物或致突變物。無機氣體主要為NH3、、NOx、SO2、O3、氡等。這些氣體對人體都有危害。室內的異味主要由多種VOC所導致。

室內空氣污染物的來源：

室內產生：人員、設備、建筑裝修材料等。人員活動是主要要成來源，如抽煙，燃燒，肢體活動等。

室外進入：自然/滲透通風、新風系統等。室外空氣中有大量的可吸入顆粒物，古時候主要是由風沙、火山噴發、海水飛濺等自然因素產生。現代主要由人類活動揚起大量粉塵，如燃燒、工業排放、建筑活動、交通運輸等。空氣中的粉塵除了由門窗滲入和人員帶入外，更多可以通過過濾性能差的中央空調通風系統進入室內。

環境控制系統：暖通空調系統。室內空氣中的細菌病毒除了來自室外空氣外和人員自身的活動外，還有一個很大的來源是空調通風系統本身。空調系統中的集塵、污垢已適宜的溫濕度是細菌滋生和繁衍的理想場所。對于配備過濾性能差的空氣過濾器的系統還會加劇污染物的傳播和擴散。

四、空氣過濾器

過濾原理：

空氣過濾器的材料一般都是采用填充率（填充率=過濾層（如纖維層）的密度/過濾層材料（如纖維）的密度）低于0.2的纖維材料， 這類材料的特點是上百層纖維疊加在一起,空隙率較大,即纖維空隙比起纖維粗細來仍然很大.此類過濾器阻力不大,效率很高,實用意義較大。在應用中要求過濾材料能滿足如下要求：既能有效地攔截塵埃粒子，又不對氣流形成太大的阻力。非均勻排布的纖維材料符合這一要求，如無紡布、紙張。雜亂交織的纖維材料對粉塵形成無數障礙、但間隙允許氣流順利通過。對通風用過濾器來說，纖維材料因透氣性好、重量小，加工性能好而被廣泛應用。

空氣過濾器的過濾材料內雜亂交織的纖維層在允許氣流通過的同時把灰塵攔住。灰塵被攔住往往是多種過濾機理作用的結果。

粉塵與過濾介質的電子顯微圖

攔截

空氣中的塵埃粒子，隨氣流作慣性運動或無規則布朗運動或受某種場力的作用而移動，當微粒運動撞到其它物體，物體間存在的范德華力（是分子與分子、分子團與分子團之間的力）使微粒粘到纖維表面。進入過濾介質的塵埃有較多撞擊介質的機會，撞上介質就會被粘住。較小的粉塵相互碰撞會相互粘結形成較大顆粒而沉降，空氣中粉塵的顆粒濃度相對穩定。室內及墻壁的退色就因為這原因。

把纖維過濾器像篩子一樣看待是錯誤的。

慣性和擴散

顆粒粉塵在氣流中作慣性運動，當遇到排列雜亂的纖維時，氣流改變方向，粒因慣性偏離方向，撞到纖維上而被粘結。粒子越大越容易撞擊，效果越好。

小顆粒粉塵作無規則的布朗運動。顆粒越小，無規則運動越劇烈，撞擊障礙物的機會越多，過濾效果也會越好。空氣中小于0.1微米的顆粒主要作布朗運動，粒子小，過濾效果好。大于0.3微米的粒子主要作慣性運動,粒子越大效率越高。擴散和慣性都不明顯得粒子最難過濾掉。測量高效過濾器性能時，人們經常規定測量最難測量的粉塵效率值。

撞擊與擴散碰撞

靜電作用

由于某種原因，纖維和微粒可能帶上電荷，產生靜電效應。帶靜電的過濾材料過濾效果可以明顯改善。原因：靜電使粉塵改變運動軌跡并撞上障礙物，靜電使粉塵在介質上粘的更牢。

能長期帶靜電的材料也稱作“駐極體”材料。材料帶靜電后阻力不變，過濾效果會明顯改善。靜電在過濾效果中不起決定作用，只起輔助作用。

一般通風用空氣過濾器

一般通風用過濾器從結構形式上主要包括板式過濾器、袋式過濾器、框架剛性過濾器。

  板式空氣過濾器一般采用纖維較粗的材料制作，目前國內大部分廠家都是采用無紡布材料制作，計重效率一般在80%左右，相當于歐洲標準G3~G4的效率。目前，在我國普通空調系統中大量使用的金屬網、尼龍網過濾器，效率計重法30%都不到。

袋式過濾器一般采用化纖和玻纖材料制作。熔噴玻纖濾料制作的袋式過濾器效率最高可以做到F8~F9。化纖材料中常用的材料噴膠無紡布效率最高為F5, 熔噴類化纖材料消除靜電后可以做到F7~F8, 但根據實際使用的效果來看，化纖材料的過濾器效率不如玻纖穩定，使用壽命約為玻纖材料的一半。根據目前的市場趨勢來看，玻纖材料的一般通風用空氣過濾器的市場份額逐漸萎縮。大部分的客戶僅僅考慮配件購入時的價格，而不會總整體經濟性方面去考慮。

國內常用的一般通風用過濾器還有無隔板過濾器和有隔板過濾器。其中最常用的是朔框組合式過濾器和一些有隔板大風量中效過濾器。

化學過濾器主要有選擇性的吸附有害氣體分子。活性碳材料中有大量看不見的微孔，有較大的吸附面積。米粒大小的活性碳中，微孔內面積有十幾平方米大。

游離分子接觸活性碳后，在微孔中凝聚成液體因毛細管原理呆在微孔中，有的與材料和而為一體。沒有明顯化學反應的吸附稱為物理吸附。

有的對活性碳進行處理，被吸附的顆粒與材料進行反應，生成固體物質或無害氣體，稱為懷學吸附。

活性碳在使用過程中材料的吸附能力不斷減弱，當減弱到某一程度，過濾器將報廢。如果僅為物理吸附，用加熱或水蒸汽熏可使有害氣體脫離活性碳，使活性碳再生。

活性炭過濾器能有效吸附氣體污染物的條件是允許氣流和活性炭必須有一定的接觸時間。對于一般通風用途的活性炭過濾器，接觸時間至少為0.01s才能有效果。一只設計風量為3400m³/h的610×610的化學過濾器至少要含3～5Kg的活性炭。目前被很多廠家所生產并被許多用戶所采用的沾有活性炭粉的無紡布，實際使用時，氣流和濾料接觸的時間不超過0.003s,因此效果微乎其微，實際的使用效果也證明了這點。

五、空氣過濾器的選擇使用

室內的可吸入顆粒，生物活性粒子可以用空氣過濾器除去，大部分的化學污染物及由其產生的異味可以通過化學過濾器出去。

室外大氣中，按數量統計，99.9%的粉塵粒徑小于1µm。按重量計，小于10µm的粉塵占總重量的50%~95%。由效率圖可以看出，采用F7以上效率的過濾器效果顯著。而G4粗效過濾器僅能除去約5%數量的灰塵。

空氣中的大多數帶菌粒子的直徑在2～5µm,實驗表明，人咳嗽、打噴嚏產生的飛沫，在空氣中由于水分很快的蒸發也能很快變成2～3µm的飛沫核，并可在空氣中長期懸浮。由效率圖可以看出，F8效率的過濾器幾乎可以全部出去粒徑2µm以上的粒子。

國外醫學研究發現，引起人體過敏的過敏原和交通污染有一定關系，人體的遺傳基因可由誘變性污染物引起突變。誘變性污染物對不同生物細胞DNA的作用基本相同，被誘變率和致癌發病率之間有很好的相關性。空氣中的灰塵顆粒是多種誘變性污染物。

瑞典康菲爾公司與斯德哥爾摩大學采用沙門氏菌為誘變對象，進行了被誘變率和空氣中灰塵濃度之間的關系的實驗(AMES)，空氣不同濃度由空氣通過不同效率等級的空氣過濾器獲得。此項試驗表明：

1） 空氣中的灰塵顆粒是攜帶誘變性污染物的重要載體。

2） 被誘變率和污染物的濃度呈線性變化。

3） 使用效率高的空氣過濾器可以大大降低生物體內癌變的危險。

常見的人體過敏和哮喘主要是由于空氣中傳播的多種變應原、過敏原引起的，大部分來自動物、花粉、細菌病毒、螨蟲等生物體的蛋白質成分，在空氣中通常以可吸入顆粒存在。

實驗表明：采用F7以上效率的過濾器可以去除大部分的帶變應原的灰塵顆粒。實驗中選用的使用過的化纖過濾器，由于效率的下降大達不到預期的效果。

   化學過濾器能比較有效地除掉空氣中的氣態污染物。但由于化學過濾器價格比較貴，化學過濾器在很多有工藝要求的工廠中被采用。在實際的公用和民用空調系統中，應用比較少，目前使用比較多無紡布炭粉過濾器，由于含有的炭粉數量有限，氣流接觸時間很短等因素，實際效果有限。

   除空氣污染外，室內空氣品質的好壞還與室內的通風量和溫濕度密切相關。通風量尤其是新風量的不足以不適宜的溫濕度都會降低室內空氣品質。使用效率適合的過濾器不僅可以降低室內空氣中的灰塵濃度還可以保護空調設備，確保空調設備的正常運行及維持設計的效率。

   根據美國能源署在多所學校建筑設施中的IAQ調查表明，絕大多數IAQ問題可通過三個方面解決，即足夠的新風量，適宜的溫濕度，安裝效率足夠好的空氣過濾器。

六、目前我國公共民用及醫療建筑通風過濾系統的現狀

改革開發近十幾年來，我國的高檔建筑、醫院的建設改造數量迅速的增加起來。中央空調系統也大量被使用。

我國的過濾行業也在建筑、工業的快速發展的推動下發展起來，很多國外過濾器廠家也在中國設廠。但一般通風系統的空氣過濾的重要性并沒有被業主、包括很多國內設計師、空調專業的工程師所認識。根據2002年，康菲爾公司對上海、北京和廣東深圳的公共及商用建筑空調系統的抽樣調查表明，一般以上用的是金屬網或尼龍網過濾器，約30%～40%用的是粗效無紡布過濾器，僅有6～8%使用了中效以上的過濾器。其中至少有60%以上的過濾器是非標準尺寸，維護、更換、改造極為不方便。這種情況下，三分之二的建筑的空調維護人員認為自己使用的空氣過濾裝置能滿足要求。一般以上的維護人員不知道如何維護和使用過濾器。

幾個工程實例也可以反映這方面的情況：

2002年，在我國風沙嚴重的西北地區興建的大型國際機場，國外設計方案中過濾器配置為G3+F6+活性炭過濾器。實際建設時，空調設備供應商和機場業主為了降低成本，采用了尼龍網+G3無紡布袋是過濾器+無紡布活性炭粉過濾器。今年，筆者到該機場空調站去看過濾器樣品，發現過濾器安裝方式變成了G3無紡布袋式過濾器+尼龍網過濾器。（為了安裝的方便把尼龍網過濾器放到了后面）

南方某機場，投資600億元。1996年，法國人的設計方案中，建議中央空調系統使用F7過濾器及活性炭過濾器。由于年費用超出了業主的想象和預算，要求降為F5等級。實際使用中，約5000只F5玻纖袋式過濾器僅適用一次，就被機場物業管理部門換成G3效率無紡布過濾器，定期水洗使用。全國大型機場空調系統大多采用這樣的過濾器。據說，上海某機場還專門聘任有智障的人洗過濾器。

很多業主、物業在空調運行中僅僅關注過濾器的更換費用，而沒有考慮由于采用低效率的過濾器，造成空調系統很多設備的失靈，效率下降，空調系統嚴重積灰，最后再去花更多的錢去維修設備，清洗系統的費用。上海某著名大廈，由于空調系統的過濾器效率比較低，在大樓運行幾年后，不得不花費數百萬元清洗空調系統。而該空調系統即使采用最好的過濾器，1年的更換費用也不過30萬元左右。

七、總結

很清楚的是，空氣過濾器在實現良好的室內空氣品質方面有很大的作用。好的空氣過濾能阻止污染進入系統，保持空調系統處于良好的狀態，維持系統的風量，溫度，濕度處于正常狀態，可以保持空調系統的設備的效率處于較高的狀態。在我們計劃設置過濾器時，要注意以下建議和提示：

1) 要慎重考慮設計新風吸入口的位置，避免吸入雜物、雨水、雪。

2) 為了盡量減少微生物的滋生，空調系統的相對濕度必須保證總是低于90%，系統的任何位置相對濕度連續大于80%的天數不能超過3天。

3) 根據EN13779標準的要求，為了室內衛生的要求，空氣吸入口，應該設置兩道過濾器。第一道效率設置為至少為F5，第二道設置效率至少為F7。如果僅設置一道過濾器，效率為F7。當然，因為我國的空氣質量比歐洲差很多，在F5過濾器前設置一道G4效率過濾器也許更合理一些。

4) 考慮循環風的原因，為了保護系統的元器件，必須使用F5以上效率的過濾器。如果考慮改善室內空氣品質的要求，至少要使用F7以上效率的空氣過濾器。

5) 過濾器不能直接安裝在風機出風口，應安裝在氣流比較均勻的位置。

6) 過濾器的終阻力根據風量的變化，過濾器的生命周期費用來設定。

7) 在過濾器的阻力達到終阻力的時候，必須進行更換。

8) 目前，對我國空調系統使用現狀來說，政府部門應制定有關民用建筑通風空調和空氣過濾系統設計、運行、維護、檢查的科學規范和標準，并強制執行。

9) 國家衛生部門應加強對室內空氣質量衛生質量的監測、管理和監督。