“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室建造环境(BERL)课题组在中科院一区期刊《Building and Environment》(JCR Q1, IF=7.4)发表论文, 基于9种粗、中效过滤器的实测数据，提出“运行质量因子”新评价指标，将容尘量纳入考虑范围。

 

 

 

一．题目

Evaluation and prediction of fibrous filters' operating performance in residential fresh air system

住宅新风系统中纤维空气过滤器运行性能的评估和预测

 

二．作者

Miao Zhang(张淼), Junjie Liu(刘俊杰), Xinyu Liu(刘新宇), Xin Zhang(张鑫,通讯作者) 

 

三．研究亮点

1)蓬松的纤维结构可将容尘量提高三倍;

2)提出了适用于过滤器运行评估的考虑容尘量（DHC）的质量因子;

3)建立了新风系统运行状态可视化方法。

 

四．中文摘要

通风用纤维空气过滤器在决定室内空气质量和保护人们免受细菌、微粒和病毒（如 COVID-19）侵害方面发挥着至关重要的作用。然而，目前还缺乏针对这些过滤器运行性能的有效评估和预测方法的全面研究。在这项研究中，我们对四个不同品牌的粗效过滤器（G4）和中效过滤器（F9或F7）进行了实验室和现场测试，以评估它们的初始过滤性能和运行性能。发现粗效过滤器中的蓬松纤维结构可将容尘量（DHC）提高三倍，令人印象深刻。利用初始阻力、初始颗粒过滤效率和容尘量，引入了一种新的质量因子 (QF)，综合这些参数来评估过滤器的长期性能。这种方法解决了传统质量因子的局限性，因为传统质量因子忽略了 容尘量，往往会低估高容尘量过滤器的性能。此外，还提出了一种简单的方法，利用气象报告中的大气颗粒物浓度数据来预测过滤器的运行阻力，这样就可以方便地评估新风系统的运行状态，并有可能集成到用户友好的移动应用程序或计算机软件中。这些研究成果为提高新风系统的智能和节能运行提供了创新思路。

 

图1. 新风系统运行状态可视化示意图

 

 

五．研究背景

据统计，人类约有90%的时间在室内度过。事实证明，PM2.5和PM1.0等颗粒物会对人体健康产生长期不利影响，可能导致严重的心血管疾病。保持较低的室内颗粒物浓度对人类健康至关重要。2019年冠状病毒病（COVID-19）对全世界人民的生命和健康构成了新的重大威胁。引入安全洁净的新鲜空气是一种广泛采用的方法，可同时去除有害污染物和缓解各种室内污染物。自然通风和机械通风系统都被用来引入新鲜空气，中国的室外气溶胶浓度在雾霾天会非常高。因此，在这种情况下，依靠带有过滤器的机械通风系统来减少与室外空气污染物的接触。新风系统作为住宅通风的有效方式，在稀释有害物质、过滤灰尘和细菌、改善室内环境、最终确保室内人员健康方面发挥着至关重要的作用。

住宅建筑新风系统配备多级空气过滤组件，防止室外气溶胶进入室内空间。评估和预测过滤器的性能对于确保新风系统的长期高效运行至关重要。过滤器的更换仍然是不可避免的，减少碳排放已成为国际上最紧迫的问题之一，就过滤器而言，由于过滤器运行过程中的阻力，碳排放不仅发生在克服过滤器阻力的风机能耗中，还发生在制造和加工材料中。建立考虑过滤器的全生命周期评估（LCA）碳排放的评估质量因子是必要的，持续的粉尘负荷使过滤器的阻力迅速增加，导致风机的能耗增加，并可能减少进入室内空间的新鲜空气量。

在这项研究中，对4种板式粗滤器和5种袋式中效过滤器进行了实验室测试和真实新风系统操作（现场测试）。实验室测试为预测模型提供了基本参数，并验证了新质量因子的有效性。另一方面，现场测试主要验证模型的预测准确性。实验室测试包括评估这些过滤器的初始性能、容尘量和能耗。根据各项测试获得的结果，引入了一种新的质量因子，旨在评估一般通风中使用的过滤器的全生命周期性能。此外，提出了一个基于天气报告数据的过滤器工作阻力预测模型。为了验证预测阻力的准确性，将其与在真实环境中运行的过滤器的结果进行了比较。这项研究开启了以最低成本将新风系统的运行状态集成到监测系统（如移动应用程序）中的可能性。利用基于天气报告数据的预测结果，居民可以轻松访问有关新风系统运行状态的实时信息。这种方法有助于防止由于空气过滤器过度更换而造成过滤器浪费或新鲜空气摄入不足。

表1. 本研究中涉及的过滤器基本参数

 

 

 

图2. 本研究中涉及的过滤器样品的照片

 

六．主要结果

1) 测试了各种过滤器的初始颗粒过滤效率与阻力。

采用了ePMx的效率参数，根据 ISO 16890 标准的建议，考虑与每个过滤器应用相关的粒径范围，ePM10用于评估G4过滤器，ePM1应用于F9过滤器。在图中，最大ePM10为FG4c的65.58%，FG4d最小为56.35%，初始颗粒过滤效率无显著差异。同样，对于F9过滤器，ePM1值在 80% 到 90% 之间。与颗粒过滤效率不同，各种过滤器的阻力表现出更明显的差异。过滤器FG4d的颗粒过滤效率最低，阻力最高，表明性能欠佳。同样，过滤器FF9b在额定断面风速下表现出最高的阻力，为296.6 Pa，而其他过滤器则徘徊在200 Pa左右。因此，单独依靠阻力或颗粒过滤效率来评估过滤器的性能可能是不公平的。

 

图3. 过滤器初始性能结果

2) 测试了各种过滤器的容尘能力并计算了能耗评估。

不同过滤器的容尘量实验结果如图所示。利用四阶多项式曲线来拟合容尘量阻力结果。值得注意的是，FG4d表现出高的容尘量，当最终阻力设置为300 Pa时达到约750 g。相比之下，其他三个过滤器的容尘量值范围为200 g至250 g，约为FG4d容量的1/3。尽管FG4d的初始阻力高于其他三种过滤器，但当容尘量超过100 g时，其工作阻力较低。这可以用FG4d的蓬松纤维结构来解释，它提供了更多的孔隙结构来捕获灰尘。总体而言，F9和F7过滤器的容尘量变化显著，最大DHC为300 g，最小为55 g。

假设所有风机的参数都与EUROVENT 4/21 2014标准提出的参数保持一致，值得注意的是，FG4d和FF9d的能耗最低，分别为3519 kWh/m2和1046 kWh/m2，是降低新风系统运行成本的合适选择。

 

图4. 过滤器额定风量容尘性能结果与能耗计算

3) 提出了考虑容尘能力的运行质量因子，并与传统质量因子进行了对比。

通常采用的品质因子依赖于特定粒径的颗粒过滤效率，而该粒径的选择直接影响评估结果。传统方法不考虑质量因子和过滤介质的重量，导致过滤性能和环境友好性方面的不公平评估。使用ePMx有助于估计因选择粒径范围而引入的误差。因此，传统质量因子可以表示为：

 

考虑到环境影响和使用寿命，轻质和高容尘量过滤器通常表示性能更好，可以通过将容尘量除以过滤介质的重量来对结果进行归一化。考虑容尘量的运行质量因子可以表示为：

 

 

图5. 传统质量因子与考虑DHC的质量因子结果对比

G4过滤器的性能排名发生了显著变化。具体而言，FG4d的性能从最差变为最佳，这归因于其738 g的容尘量和142.2 g的最小过滤器重量，G4过滤器的质量因子排名与能耗的排名完全一致。关于F9过滤器，基于操作质量因子的性能排名与基于初始质量因数的性能排名相同。唯一显着的区别是，在考虑容尘量时，FF9d的性能变得更加突出。

4) 对过滤器的工作运行过程进行了阻力预测。

通过从“中国国家环境监测中心”收集的PM10浓度进行校正计算，获得了过滤器寿命预测曲线，并分析了预测误差，每个过滤器的最终预测误差均在15%以下，最大值为-14.83%，最小值为0.45%。

表2. 校正前后的预测参数和结果

 

 

 

图6. 工作阻力预测结果：(a)和(c)原始PM10浓度预测结果, (b)和(d) 颗粒物浓度校正后预测结果, (e)-(f)矫正方法 (C和C1，C2分别代表PM10浓度未校正和校正的预测结果;而T表示真实新风系统中使用的过滤器的测试阻力)

 

七．结论

1)同等过滤面积的粗效过滤器，没有胶质黏结、压缩痕迹的化纤蓬松纤维结构使容尘量（DHC）提高了三倍，同时保持令人满意的初始性能。

2)本研究中提出的运行质量因子，将容尘量纳入考虑范围，与传统的质量因子相比，产生了更好的评估结果，特别是强调了整个生命周期评估（LCA）的碳排放。事实证明，它更适合具有正常初始性能和出色运行性能的过滤器。此外，运行质量因子评估结果排名与其能耗排名更加吻合。

3)通过预测过滤器的工作阻力，实现了新风系统的运行状态可视化。预测模型依赖于过滤器的实验室测试结果和天气报告中的颗粒浓度数据。这为与手机或个人电脑等电子设备的集成提供了可能性，促进了智能节能新风系统的发展。

 

致谢：“十四五”国家重点研发项目资助

项目所属专项大气与土壤、地下水污染综合治理，负责课题名称室内气载污染物有机毒性和氧化活性定量评价及协同净化技术。

课题主要研究内容：

（1）超细颗粒和 SVOCs 高效协同净化技术

（2）新型靶向通风气流组织和空气净化对病原体污染的协同驱除机理及效果。

课题主要创新点：

（1）兼顾认知和生理的健康评价方法，突破多污染物协同治理技术

（2）新型靶向汇聚气流组织通风新理念新技术

 

本文引用格式

 

Zhang M, Liu J, Liu X, Zhang X, Evaluation and prediction of fibrous filters' operating performance in residential fresh air system, Building and Environment (2024), doi: https:// doi.org/10.1016/j.buildenv.2024.111441.

 

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S036013232400283X?via%3Dihub

 

 

稿件编辑：张淼

审核人：刘俊杰

田媛

于欣宇