抗病毒粗效空氣過濾器在中央空調係統中的壓降與效率平衡分析 一、引言：抗病毒空氣過濾技術的背景與重要性 隨著全球公共衛生事件頻發，空氣質量對人類健康的影響日益受到重視。尤其是在建築密集的城市...
抗病毒粗效空氣過濾器在中央空調係統中的壓降與效率平衡分析
一、引言：抗病毒空氣過濾技術的背景與重要性
隨著全球公共衛生事件頻發，空氣質量對人類健康的影響日益受到重視。尤其是在建築密集的城市環境中，中央空調係統作為調節室內空氣溫度和濕度的核心設備，其空氣淨化能力成為衡量建築環境質量的重要指標之一。近年來，抗病毒空氣過濾技術逐漸成為研究熱點，其中粗效空氣過濾器因其成本低廉、結構簡單而廣泛應用於中央空調係統的初級過濾環節。
然而，在實際應用中，粗效空氣過濾器麵臨一個關鍵問題——壓降（Pressure Drop）與過濾效率（Efficiency）之間的平衡。一方麵，過濾器需要具備足夠的過濾效率以有效攔截空氣中的顆粒物、細菌及病毒；另一方麵，過高的壓降會導致空調係統能耗增加、風機負荷加大，甚至影響整個係統的運行穩定性。因此，如何在保證過濾效率的前提下盡可能降低壓降，成為當前暖通空調領域研究的重點。
本文將圍繞抗病毒粗效空氣過濾器在中央空調係統中的應用，深入探討其在壓降與效率之間的平衡關係，結合國內外研究成果，分析不同產品參數對性能的影響，並通過表格形式對比典型產品的性能指標，旨在為工程設計與選型提供參考依據。
二、抗病毒粗效空氣過濾器的基本原理與分類
2.1 空氣過濾器的工作原理
空氣過濾器主要通過物理攔截、慣性碰撞、擴散沉降等機製去除空氣中懸浮顆粒。粗效空氣過濾器通常用於攔截粒徑大於5μm的顆粒物，如灰塵、花粉、毛發等，是中央空調係統的第一道防線。近年來，隨著抗病毒需求的提升，部分粗效過濾器開始添加抗病毒塗層或采用特殊材料以增強對微生物的捕獲能力。
2.2 過濾器分類與等級標準
根據國際標準ISO 16890與美國ASHRAE 52.2標準，空氣過濾器按效率可分為：
| 過濾等級 | 捕集粒徑範圍（μm） | 主要用途 |
|---|---|---|
| G1-G4（粗效） | >5 | 初級過濾，保護後續設備 |
| F5-F9（中效） | 1-5 | 提高空氣質量 |
| H10-H14（高效） | <1 | 醫療、實驗室等高要求場所 |
在中國國家標準GB/T 14295-2008《空氣過濾器》中，也對粗效過濾器的技術指標進行了詳細規定，包括初始阻力（壓降）、容塵量、效率等級等。
三、壓降與效率的關係及其影響因素
3.1 壓降的概念與計算方法
壓降（Pressure Drop），又稱阻力，是指空氣通過過濾介質時由於摩擦和流動受阻所造成的壓力損失，單位一般為帕斯卡（Pa）。壓降直接影響空調係統的風阻負荷，進而影響風機功率與能耗。
壓降的計算公式如下：
$$
Delta P = frac{1}{2} rho v^2 C_d A
$$
其中：
- $Delta P$：壓降（Pa）
- $rho$：空氣密度（kg/m³）
- $v$：空氣流速（m/s）
- $C_d$：阻力係數
- $A$：過濾麵積（m²）
3.2 效率的定義與測試方法
過濾效率通常指過濾器對特定粒徑範圍內顆粒的捕集能力，常用百分比表示。根據EN 779:2012標準，粗效過濾器效率分為G1-G4四個等級，分別對應不同的平均效率與初始壓降限製。
| 等級 | 平均效率（%） | 初始壓降限值（Pa） |
|---|---|---|
| G1 | <65 | ≤30 |
| G2 | 65–80 | ≤40 |
| G3 | 80–90 | ≤50 |
| G4 | >90 | ≤60 |
3.3 影響壓降與效率的主要因素
| 因素 | 對壓降的影響 | 對效率的影響 |
|---|---|---|
| 材料孔隙率 | 孔隙越大，壓降越小 | 孔隙大，效率下降 |
| 濾材厚度 | 厚度增加，壓降升高 | 厚度增加，效率提高 |
| 表麵處理（如靜電） | 可能略微增加壓降 | 顯著提高效率 |
| 風速 | 風速越高，壓降越大 | 風速過高，效率下降 |
| 容塵量 | 積塵越多，壓降上升 | 初期效率可能上升，後期下降 |
從表中可以看出，壓降與效率之間存在一定的矛盾關係，優化設計需綜合考慮兩者之間的平衡點。
四、抗病毒功能的實現方式與材料創新
4.1 抗病毒塗層技術
為了提升粗效過濾器的生物防護能力，近年來研究人員嚐試在其表麵塗覆具有抗病毒功能的材料，如納米銀、二氧化鈦（TiO₂）、氧化鋅（ZnO）等。這些材料通過破壞病毒包膜或抑製其複製過程，從而達到殺滅或失活病毒的效果。
例如，研究表明納米銀塗層可有效抑製流感病毒活性，且不影響原有過濾效率（Li et al., 2021）。
4.2 新型複合濾材的應用
一些廠商開始采用聚丙烯（PP）+靜電駐極體材料的複合結構，不僅提高了過濾效率，還降低了壓降。這種材料通過靜電吸附作用增強對微小顆粒的捕捉能力，同時保持較低的氣流阻力。
4.3 生物活性濾材的發展趨勢
目前已有研究探索使用含酶濾材，如蛋白酶類材料，能夠主動分解病毒蛋白質外殼，從而實現更高效的抗病毒功能（Wang et al., 2022）。這類材料雖然尚處於實驗階段，但為未來抗病毒過濾器的發展提供了新方向。
五、典型抗病毒粗效空氣過濾器產品參數對比分析
以下選取市場上常見的幾款抗病毒粗效空氣過濾器產品進行對比分析：
| 品牌型號 | 材料類型 | 抗病毒技術 | 初始壓降（Pa） | 過濾效率（≥5μm） | 使用壽命（h） | 特點說明 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Honeywell HAF-C1 | 聚酯纖維 + 靜電 | 無抗病毒塗層 | 35 | ≥90% | 300 | 成本低，適用於普通辦公環境 |
| Camfil LGM係列 | PP + 靜電駐極體 | 無抗病毒塗層 | 40 | ≥92% | 500 | 性價比高，適合大型商業空間 |
| Freudenberg V-Bag | 合成纖維 + 納米銀 | 納米銀抗菌抗病毒 | 55 | ≥95% | 600 | 具有長效抗菌功能 |
| Blueair HEPA+ | 複合濾材 + 活性炭 | 無明確抗病毒認證 | 60 | ≥98% | 400 | 綜合性能強，適用於醫院環境 |
| 中科環保 ZK-AV1 | 靜電PP + TiO₂塗層 | TiO₂光催化抗病毒 | 50 | ≥93% | 500 | 國產新型抗病毒產品 |
從上表可見，盡管部分產品引入了抗病毒技術，但在壓降方麵仍有所犧牲。因此，在實際工程應用中，應根據具體使用場景選擇合適的過濾器類型。
六、中央空調係統中過濾器的布置與係統匹配性分析
6.1 係統設計中的過濾器位置安排
中央空調係統中，粗效過濾器通常位於風機入口處，用於攔截大顆粒汙染物，保護後續中效與高效過濾器。合理的布置有助於延長係統整體使用壽命並降低維護頻率。
6.2 過濾器與風機的匹配關係
風機的風壓必須能夠克服整個空氣處理段的總阻力，其中包括初效、中效、高效過濾器的壓降之和。若初效過濾器壓降過高，可能導致風機超載運行，增加能耗。
假設某中央空調係統總阻力為300 Pa，各層級過濾器分配建議如下：
| 層級 | 壓降建議（Pa） | 占比（%） |
|---|---|---|
| 粗效 | 50–60 | 17–20 |
| 中效 | 80–100 | 27–33 |
| 高效 | 120–150 | 40–50 |
6.3 實際案例分析
以某寫字樓中央空調係統為例，原配置為G3級粗效過濾器（壓降50 Pa），後更換為G4級抗病毒過濾器（壓降60 Pa），係統風機功率增加了約5%，年耗電量上升約3,000 kWh。但空氣質量顯著改善，投訴率下降了40%。這表明在一定範圍內，適度提高壓降以換取更高的過濾效率是值得的。
七、國內外相關研究與文獻綜述
7.1 國內研究進展
國內學者近年來對抗病毒空氣過濾器的研究主要集中於材料改性和性能優化。例如：
- 清華大學王等人（2021） 在《暖通空調》期刊中指出，添加納米TiO₂的聚丙烯濾材可使過濾效率提升至94%，同時壓降僅增加7%。
- 中國建築科學研究院（2022） 發布的《空氣過濾器節能評估指南》中強調，應在滿足衛生標準的前提下控製初效過濾器的壓降不超過60 Pa。
7.2 國外研究動態
國外研究則更注重抗病毒機理與長期性能測試：
- 美國ASHRAE（2020） 發布的《HVAC Air Filters for Viral Filtration》報告指出，粗效過濾器雖不能直接攔截病毒粒子（<0.1 μm），但可通過攔截攜帶病毒的飛沫核間接起到防護作用。
- 歐洲Eurovent（2021） 認為，合理搭配多級過濾係統（粗效+中效+高效）是實現高效抗病毒淨化的關鍵策略。
八、結論（注：此處不作結語總結）
以上內容詳細分析了抗病毒粗效空氣過濾器在中央空調係統中麵臨的壓降與效率平衡問題。通過介紹其工作原理、影響因素、產品參數、係統匹配以及國內外研究成果，展示了當前技術發展的現狀與趨勢。下一部分將繼續深入探討不同類型過濾器的實際應用效果與經濟性分析。
參考文獻
- Li, Y., Zhang, Q., & Liu, H. (2021). Antiviral Coatings on Air Filters: Mechanisms and Applications. Journal of Environmental Engineering, 147(4), 04021012.
- Wang, X., Zhao, J., & Chen, L. (2022). Development of Enzymatic Air Filters for Virus Inactivation. Bioengineering, 9(3), 102.
- ASHRAE. (2020). HVAC Air Filters for Viral Filtration. Atlanta: ASHRAE Technical Committee.
- Eurovent. (2021). Air Filter Performance in the Context of Pandemic Preparedness. Eurovent Recommendation No. 4/21.
- 清華大學暖通空調研究所. (2021). 抗病毒空氣過濾材料研究進展. 《暖通空調》, 41(7), 45–52.
- 中國建築科學研究院. (2022). 空氣過濾器節能評估指南.
- GB/T 14295-2008. 空氣過濾器. 北京: 中國標準出版社.
- ISO 16890-1:2016. Air filter units for general ventilation – Testing, classification and labelling – Part 1: Classification based upon particulate matter efficiency (ePM).
- EN 779:2012. Particulate air filters for general ventilation – Determination of the filtration performance.
（全文完）
