“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室建造环境（BERL）课题组在建筑环境领域Top期刊《Building and Environment》（JCR Q1，影响因子IF：7.6）上发表了最新研究成果，开发了介电涂层增强静电过滤器，通过优化结构与运行参数，实现了亚微米颗粒物的高效去除和综合性能提升。

1. 题目：介电涂层静电过滤器全面优化设计高效去除亚微米颗粒物

Holistic performance optimization of dielectric-coated electrostatic precipitators for efficient submicron particle removal

2.作者

Chenhua Wang（王晨华），Jing Xu（徐敬），Shihao Wen（文诗豪），Junjie He（何俊杰），Xu Han（韩煦），Junjie Liu（刘俊杰，通讯作者）

3.研究亮点

• 开发了介电涂层静电过滤器，提升效率实现亚微米颗粒物高效去除。

• 长集尘电极与适中电极板间距协同优化，实现了高去除效率与低阻力之间的权衡。

• 连续运行28天后，对0.3–0.5 μm颗粒物仍保持96.8%的平均去除效率。

4.研究背景

颗粒物（PM）污染是影响室内空气质量和人体健康的重要因素。尽管纤维过滤应用广泛，但过滤效率与阻力相互制约，且随着PM容尘积累会导致阻力增加，需要定期更换滤材形成固废。相比之下，静电过滤器（ESP）具有长期运行阻力低、可清洗再生和运行成本低等优势，120年前发明以来广泛应用于工业除尘，近期在建筑通风与空气净化领域展现出了广阔应用前景。然而，传统ESP对亚微米颗粒物的捕集效率相对较低，同时PM在集尘电极表面的积累还可能引发静电击穿等问题，限制了其进一步推广应用。为提升ESP的捕集性能，研究人员在集尘电极表面引入介电涂层，不仅能够提高电场强度和击穿电压，还可实现ESP窄间距设计，从而强化亚微米颗粒物捕集。然而，窄间距结构的ESP在提升去除效率的同时往往伴随着阻力增加，难以清洗，导致整体性能下降。

本研究设计并优化了一种介电涂层静电过滤器，研究了关键结构参数和运行参数对颗粒物去除效率、阻力及臭氧排放的影响规律，确定了兼顾高效净化、低能耗和低臭氧排放的运行条件。研究结果为介电涂层静电过滤器的设计及其在室内空气净化中的应用提供了理论基础和技术指导。

5.主要成果

5.1介电涂层静电过滤器设计

如图1所示，本研究采用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）介电薄膜包覆铝制集尘极，构建了介电涂层静电过滤器。其中，ESP集尘模块框架通过3D打印技术制备，可实现电极间距调节为2、5和8 mm；同时，通过更换不同规格的集尘电极，实现50、100、150和200 mm四种电极长度配置，以研究结构参数对介电涂层静电过滤器性能的影响。

图1 （a）介电涂层收集电极制备；（b）介电涂层收集模块示意图及实物图。

5.2 介电涂层静电过滤器荷电电压对PM去除效率的影响

图2展示了不同集尘电极长度条件下荷电电压对PM去除效率的影响。如图2a-c所示，提高荷电电压能够增强0.3–3.0 μm颗粒物的去除效率。当集尘电极长度为10 cm时，荷电电压由8.0 kV升高至10.0 kV，0.3–0.5 μm颗粒物去除效率由24.2%提高至65.2%。当集尘电极长度增加至15 cm时，对粒径为0.5–3.0 μm颗粒物的去除效率在荷电电压超过11 kV后均达到92%以上。

图2. 不同收集电极长度下荷电电压对PM去除效率的影响：（a）10 cm；（b）15 cm；（c）20 cm。（d）在12 kV荷电电压下的PM去除效率；（e）PM去除效率与荷电电压的线性回归分析；（f）不同收集电极长度的拟合斜率值对比。

为进一步量化荷电电压的影响程度，采用线性拟合斜率表征PM去除效率对荷电电压变化的敏感性。如图2e所示，对于0.3–0.5 μm颗粒物，拟合斜率随集尘电极长度增加呈现先增大后减小的趋势，表明存在最佳集尘长度，使PM去除效率对荷电电压变化最为敏感。如图2f所示，当集尘电极长度较短（5 cm）时，提高荷电电压主要促进大粒径颗粒物（>1.0 μm）的捕集；当长度增加至10 cm时，其对0.3–0.5 μm颗粒物的促进作用达到最大；而在15–20 cm条件下，由于较大粒径颗粒物的去除效率已接近100%，继续提高荷电电压所带来的性能增益有限。

5.3 介电涂层静电过滤器集尘电极电压对PM去除效率的影响

图3展示了不同集尘电极长度条件下集尘电极电压对PM颗粒物去除效率的影响。如图3a-c所示，随着集尘电极电压增加，颗粒物去除效率显著提高。当集尘电极长度为10 cm时，集尘电极电压由2 kV提高至10 kV，0.3–0.5 μm颗粒物的去除效率分别由18.2%提高至52.4%。当集尘电极长度增加至15 cm且施加电压为10 kV时，0.3–0.5 μm颗粒物的去除效率进一步提高至79.2%。拟合斜率随集尘电极长度增加而持续增大，说明较长集尘电极对施加电压变化更为敏感（图3e）。图3f表明，在不同集尘电极长度条件下，提高施加电压能有效提升大于1.0 μm颗粒物的去除效率。

图3不同收集电极长度下集尘电极电压对PM去除效率的影响：（a）10 cm；（b）15 cm；（c）20 cm。（d）在10 kV集尘电极电压下的PM去除效率；（e）PM去除效率与集尘电极电压线性回归分析；（f）不同收集电极长度的拟合斜率值对比。

5.4 介电涂层静电过滤器集尘电极间距对PM去除效率的影响

图4展示了不同集尘电极长度条件下电极间距对PM去除效率的影响。如图4a-c所示，随着电极间距减小，颗粒物去除效率显著提高。当集尘电极长度为10 cm时，电极间距由8 mm减小至2 mm，0.3–0.5 μm颗粒物的去除效率提高了47.1%。进一步增加集尘电极长度至20 cm且间距为2 mm时，0.3–0.5 μm颗粒物去除效率达到97.9%。如图4e所示，拟合斜率绝对值随集尘电极长度增加而持续减小，说明短电极对电极间距变化更为敏感。当集尘电极长度为5 cm时，减小电极间距可显著提高颗粒物去除效率（图4f）。

图4不同收集电极长度下集尘电极间距对PM去除效率的影响：（a）10 cm；（b）15 cm；（c）20 cm。（d）在2 mm集尘电极间距下的PM去除效率；（e）PM去除效率与集尘电极间距线性回归分析；（f）不同收集电极长度的拟合斜率值对比。

5.5. 介电涂层静电过滤器的阻力

如图4a所示，阻力随着空气速度的增加和电极间隙的减小而增加。当电极间距为8mm，长度为20 cm时，将空气速度从0.5增加到3.5m/s会导致阻力从3.5Pa增加到14.2Pa。当空气速度为3.5m/s时，当电极间隙从8mm减小到2mm时，阻力增加了107.1%。此外，ESP的阻力也受到电极长度的影响。如图4b所示，电极长度从20厘米减少到5厘米，导致不同空气速度下的阻力降低了26.2-34.8%。

图4 (a) 不同电极间距条件下空气流速对ESP阻力的影响；(b) 不同电极间距条件下集尘电极长度对ESP阻力的影响。

如图5a-e所示。在所有测试的气流速度下，阻力与电极间隙呈负相关。阻力均随电极间距增大而降低。随着风速提高，电极间距对阻力的影响更加显著；当风速由1.5 m/s增加至3.5 m/s时，阻力对电极间距变化的敏感性提高约2.3倍。图5f显示了在2.5 m/s的空气速度下，不同电极长度和间隙介电涂层静电过滤器的品质因子（QF）。当电极长度在5到15 cm之间时， QF也随着电极间隙的减小而增加。相反，当电极长度增加到20cm时，增加电极间隙会提高QF。在电极长度为20cm、电极间隙为8mm的情况下，最大QF为0.145。

图5. 不同电极间距条件下空气流速对ESP阻力的影响：（a）1.5 m/s；（b）2.0 m/s；（c）2.5 m/s；（d）3.0 m/s；（e）3.5 m/s；（f）不同电极间距条件下集尘电极长度对ESP品质因子（QF）的影响。

6.结论

本研究提出了一种介电涂层静电过滤器，实现了亚微米颗粒物的高效去除与综合性能优化。在风速为2.5 m/s条件下，静电过滤器采用长度为200 mm、间距为2 mm的集尘电极时，对0.3–0.5 μm颗粒物的去除效率达到97.9%。此外，集尘电极间距的减小虽可提升颗粒物去除效率，但会增加阻力；而长的集尘电极与适中间距的组合能够有效平衡颗粒物捕集性能与能耗需求。该研究为高性能静电过滤器的设计与室内空气净化系统的优化提供了理论依据与设计策略。

致谢：本研究获得“京津冀环境综合治理国家科技重大专项课题：餐饮油烟异味实时溯源与深度净化测评控技术体系” (No. 2025ZD1202402)资助。

本文引用格式：C. H. Wang, J. Xu, S. H. Wen, J. J. He, X. Han, J. J. Liu. Holistic performance optimization of dielectric-coated electrostatic precipitators for efficient submicron particle removal. Building and Environment, 2026, 302: 114817

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稿件编辑：王晨华

稿件审核：刘俊杰、田媛