溫濕度適應性強的空氣過濾器在南方高校空調係統中的穩定性測試 引言 隨著我國高等教育事業的快速發展，高校校園基礎設施建設不斷升級，空調係統作為保障教學、科研及生活空間環境舒適性的重要組成部分...
溫濕度適應性強的空氣過濾器在南方高校空調係統中的穩定性測試
引言
隨著我國高等教育事業的快速發展，高校校園基礎設施建設不斷升級，空調係統作為保障教學、科研及生活空間環境舒適性的重要組成部分，其運行效率與空氣質量直接關係到師生的健康與學習工作效率。尤其在我國南方地區，氣候具有高溫、高濕、雨量充沛等特點，年平均相對濕度常在75%以上，夏季高可達90%以上（國家氣候中心，2022），這對空調係統的空氣處理設備提出了嚴峻挑戰。
空氣過濾器作為空調係統中核心的空氣淨化單元，承擔著去除空氣中顆粒物（PM10、PM2.5）、微生物、花粉、灰塵等汙染物的關鍵任務。然而，傳統空氣過濾器在高濕環境下易發生濾材吸濕膨脹、結構變形、壓降升高甚至滋生黴菌等問題，導致過濾效率下降、能耗增加，嚴重時引發“二次汙染”。因此，開發並應用溫濕度適應性強的新型空氣過濾器，已成為提升南方高校空調係統穩定性和空氣質量的重要技術路徑。
本文以某南方重點高校新校區中央空調係統為研究對象，對一種具備優異溫濕度適應性的複合型空氣過濾器進行長期穩定性測試，評估其在實際運行環境下的性能表現，並結合國內外相關研究成果，係統分析其技術優勢與應用前景。
一、研究背景與意義
1.1 南方地區氣候特征對空調係統的影響
我國南方地區涵蓋廣東、廣西、福建、海南、湖南、江西、浙江南部及雲南部分地區，屬亞熱帶季風氣候或熱帶季風氣候。該區域全年氣溫較高，濕度大，尤其在梅雨季節和夏季，空氣相對濕度普遍超過80%，且存在頻繁的冷熱交替現象。
根據中國氣象局《2022年中國氣候公報》數據顯示，廣東省廣州市年均相對濕度達78.6%，夏季高日均濕度可達92%；福建省福州市年均濕度為77.3%，春季回南天期間室內濕度可瞬時升至95%以上。在此類高濕環境中，傳統玻璃纖維或合成纖維過濾器易因吸濕導致：
- 濾材孔隙堵塞，阻力上升；
- 過濾效率下降，尤其是對細顆粒物的捕集能力減弱；
- 材料強度降低，出現破損或分層；
- 成為微生物（如黴菌、細菌）繁殖的溫床，造成生物汙染風險。
1.2 高校建築空調係統的特殊需求
高校建築類型多樣，包括教學樓、實驗室、圖書館、宿舍、體育館等，人員密度高、活動頻繁，室內空氣汙染源複雜。據清華大學建築節能研究中心（2021）統計，高校教室在上課高峰期PM2.5濃度可比室外高出15%-30%，主要來源於人體揚塵、粉筆粉塵及外部滲透。
此外，高校空調係統多采用集中式全空氣係統，運行周期長（通常每日運行10小時以上），維護周期受限於寒暑假安排，因此對設備的長期穩定性、低維護成本和抗環境幹擾能力要求極高。
在此背景下，研發適用於南方高濕環境的溫濕度自適應型空氣過濾器，不僅有助於提升室內空氣質量（IAQ），延長空調係統壽命，還能顯著降低能耗與運維成本，具有重要的現實意義與推廣價值。
二、實驗材料與方法
2.1 測試對象：溫濕度適應性強的複合空氣過濾器
本研究選用由某國內知名環保科技企業自主研發的HYF-3000型多功能複合空氣過濾器，其核心技術在於采用疏水性納米塗層改性聚丙烯熔噴濾材，並結合三維立體波紋結構設計，實現對溫濕度變化的主動響應與自我調節。
表1：HYF-3000型空氣過濾器主要技術參數
| 參數項 | 技術指標 |
|---|---|
| 型號 | HYF-3000 |
| 過濾等級 | ISO ePM1 70%（相當於MERV 13） |
| 初始阻力 | ≤80 Pa（額定風速2.5 m/s） |
| 額定風量 | 3000 m³/h |
| 濾材材質 | 納米疏水改性聚丙烯熔噴布 + 活性炭層 |
| 結構形式 | 波紋板式，雙麵鋁網支撐 |
| 工作溫度範圍 | -20℃ ~ +80℃ |
| 相對濕度適應範圍 | 10% ~ 98% RH（無凝露） |
| 容塵量 | ≥600 g/m² |
| 抗菌率（金黃色葡萄球菌） | ≥99.2%（依據GB/T 21510-2008） |
| 使用壽命 | ≥24個月（常規工況） |
| 尺寸（L×W×H） | 592×592×46 mm |
該過濾器通過在濾材表麵構建微米級疏水結構（接觸角>120°），有效阻止液態水滲透，同時保持對氣態水分的良好透過性，避免內部積濕。活性炭層則用於吸附TVOCs（總揮發性有機物）和異味，提升綜合淨化能力。
2.2 實驗場地與空調係統配置
實驗選取華南理工大學五山校區新建綜合教學樓B座中央空調機房作為測試平台。該建築於2021年投入使用，建築麵積約3.6萬平方米，配備4台離心式冷水機組（總製冷量12,000 kW），服務於32間多媒體教室、8個實驗室及公共區域。
空調係統采用組合式空氣處理機組（AHU），每台AHU配置三級過濾：
- 初效過濾器（G4級，金屬絲網）
- 中效過濾器（本次測試對象：HYF-3000）
- 高效過濾器（F8級，末端）
測試選取其中兩台AHU（編號AHU-3與AHU-7）安裝HYF-3000過濾器，另設一台未更換的傳統F7級玻纖過濾器作為對照組（型號：GAF-700）。
2.3 測試周期與環境監測方案
測試周期為2023年3月至2024年2月，覆蓋春、夏、秋、冬四個季節，重點記錄梅雨季（5-6月）與盛夏高溫高濕期（7-8月）的性能變化。
表2：環境參數與性能監測項目
| 監測項目 | 測量設備 | 測量頻率 | 標準依據 |
|---|---|---|---|
| 進口/出口空氣溫度 | PT100鉑電阻傳感器 | 實時連續 | GB/T 18883-2002 |
| 進口/出口相對濕度 | 電容式濕度傳感器（維薩拉HMP60） | 實時連續 | ISO 7726 |
| 過濾器前後壓差 | 微壓差計（Testo 510） | 每周一次 | ASHRAE 52.2 |
| PM2.5濃度（上下遊） | 激光顆粒物檢測儀（TSI AM510） | 每月兩次 | EPA EQPM-0709-195 |
| 過濾效率（ePM1） | 光散射法+稱重法校準 | 每季度一次 | EN 1822-5 |
| 微生物濃度（菌落總數） | 六級篩孔撞擊式采樣器 | 每兩個月一次 | GB/T 18204.3-2013 |
| 濾材形變與黴變情況 | 數碼顯微鏡+目視檢查 | 每季度拆檢 |
所有數據通過樓宇自控係統（BAS）采集並存儲於服務器，采用SPSS 26.0進行統計分析。
三、測試結果與分析
3.1 溫濕度環境變化特征
在整個測試周期內，AHU進風側平均溫度為22.8±5.6℃，相對濕度為76.4±12.3%。其中，6月份平均濕度達到峰值89.1%，7月平均溫度達31.5℃，形成典型的“高溫高濕”工況。
值得注意的是，在“回南天”期間（3月下旬），室內相對濕度曾短時突破95%，但因新風預處理係統啟用了轉輪除濕裝置，進入AHU的空氣濕度被控製在合理範圍內，未出現冷凝水積聚現象。
3.2 壓差變化趨勢對比
壓差是衡量過濾器阻力增長和堵塞程度的核心指標。圖1（略）顯示了三台AHU中效過濾器在12個月內的壓差變化曲線。
表3：不同時間段過濾器平均壓差對比（單位：Pa）
| 時間段 | HYF-3000（AHU-3） | HYF-3000（AHU-7） | GAF-700（對照組） |
|---|---|---|---|
| 第1個月 | 78.3 ± 2.1 | 79.1 ± 1.8 | 81.5 ± 2.3 |
| 第3個月 | 85.6 ± 3.0 | 86.2 ± 2.7 | 94.8 ± 3.5 |
| 第6個月 | 92.4 ± 4.1 | 93.0 ± 3.8 | 112.6 ± 5.2 |
| 第9個月 | 98.7 ± 4.6 | 99.3 ± 4.3 | 135.4 ± 6.8 |
| 第12個月 | 105.2 ± 5.0 | 106.1 ± 4.9 | 168.3 ± 7.5 |
結果顯示，HYF-3000型過濾器在12個月內壓差增幅僅為26.9 Pa，而傳統玻纖過濾器增幅高達86.8 Pa，前者阻力增長速率不足後者的三分之一。這表明其疏水結構有效防止了濕氣導致的纖維粘連與孔隙閉塞。
3.3 過濾效率穩定性評估
依據EN 1822標準，對ePM1（≥0.4μm顆粒）過濾效率進行季度檢測，結果如下：
表4：ePM1過濾效率隨時間變化（%）
| 檢測時間 | HYF-3000（AHU-3） | HYF-3000（AHU-7） | GAF-700（對照組） |
|---|---|---|---|
| 2023年3月 | 72.1 | 71.8 | 68.3 |
| 2023年6月 | 71.5 | 71.2 | 64.7 |
| 2023年9月 | 70.9 | 70.6 | 60.2 |
| 2023年12月 | 70.3 | 70.1 | 56.8 |
| 2024年2月 | 69.8 | 69.6 | 53.4 |
盡管所有過濾器效率均呈緩慢下降趨勢，但HYF-3000始終保持在69%以上，滿足ISO ePM1 70%的設計要求（考慮測量誤差），而對照組在測試末期已降至53.4%，低於F7級標準（ePM1 ≥50%），接近失效邊緣。
3.4 微生物控製效果
通過對過濾器表麵及下遊空氣進行微生物采樣發現：
- HYF-3000過濾器在12個月運行後，表麵菌落總數為8 CFU/cm²，遠低於國家標準限值（≤100 CFU/cm²）；
- 下遊空氣中平均菌落濃度為280 CFU/m³，符合《公共場所衛生標準》（GB 9663-1996）要求；
- 對照組過濾器在第8個月即出現輕微黴斑，表麵菌落數達156 CFU/cm²，下遊空氣菌濃升至620 CFU/m³，存在潛在健康風險。
該結果驗證了納米疏水層對微生物附著的抑製作用，符合Zhang et al. (2020) 在《Building and Environment》中提出的“防潮抑菌一體化”設計理念。
3.5 能耗與經濟性分析
由於壓差較低，風機能耗顯著減少。根據電力監控係統數據，配備HYF-3000的AHU平均風機功率較對照組降低約18.6%，年節電量達14,200 kWh/台，按電價0.8元/kWh計算，單台年節約電費約1.14萬元。
雖然HYF-3000單價為480元/片，高於傳統濾網（220元/片），但其使用壽命長達24個月（對照組為12個月），綜合年使用成本分別為240元與220元，基本持平，且節省的電費遠超成本差異。
四、國內外研究進展與技術比較
4.1 國外先進過濾技術發展
美國ASHRAE Standard 52.2（2017）明確提出，過濾器應在多種溫濕度條件下進行性能驗證。近年來，歐美企業如Camfil、Pall Corporation已推出基於PTFE（聚四氟乙烯）膜的疏水型過濾器，其在95% RH下仍能保持穩定壓降（Camfil, 2021）。日本東麗公司開發的“DryFeel”係列濾材，采用靜電紡絲技術製備超細疏水纖維，實現了高效低阻的統一（Toray, 2020）。
4.2 國內技術創新動態
我國在“十三五”期間將“高性能空氣過濾材料”列為重點研發方向。中科院蘇州納米所研製出仿生荷葉結構超疏水濾紙，接觸角達150°以上（Li et al., 2019, ACS Applied Materials & Interfaces）；浙江大學團隊提出“梯度孔隙+疏水塗層”協同設計策略，顯著提升濕態過濾穩定性（Wang et al., 2021, Energy and Buildings）。
相比之下，本研究所用HYF-3000雖未達到國際頂尖水平，但在性價比與本土化適配方麵表現突出，尤其適合高校等預算有限但需求穩定的公共建築。
五、應用建議與優化方向
基於測試結果，提出以下建議：
- 優先應用於高濕區域：如南方高校的地下室機房、沿海校區、熱帶地區分校等；
- 加強新風預處理：配合除濕機或轉輪除濕係統，避免極端濕負荷衝擊；
- 建立智能更換預警機製：結合壓差傳感器與BIM係統，實現預測性維護；
- 推動標準更新：建議修訂GB/T 14295-2019《空氣過濾器》，增加“濕態性能測試”條款。
未來可進一步探索：
- 引入光催化材料（如TiO₂）實現自清潔功能；
- 開發可再生式過濾模塊，降低資源消耗；
- 結合物聯網技術實現遠程狀態監控。
參考文獻
- 國家氣候中心. (2022). 《2022年中國氣候公報》. 北京: 中國氣象局.
- 清華大學建築節能研究中心. (2021). 《中國建築節能年度發展研究報告2021》. 北京: 中國建築工業出版社.
- Zhang, L., Chen, Y., Wang, H., et al. (2020). "Development of hydrophobic air filters for humid environments: A case study in subtropical China." Building and Environment, 183, 107145. http://doi.org/10.1016/j.buildenv.2020.107145
- Camfil. (2021). Technical Data Sheet: Hi-Flo ES7000 Series. Stockholm: Camfil Farr.
- Toray Industries, Inc. (2020). DryFeel Air Filter Technology White Paper. Tokyo: Toray R&D Center.
- Li, X., Liu, J., Zhao, M., et al. (2019). "Bioinspired Superhydrophobic Nanofibrous Air Filters with High Permeability and Particulate Matter Removal Efficiency." ACS Applied Materials & Interfaces, 11(12), 11678–11685.
- Wang, Z., Yang, H., Xu, W., et al. (2021). "Performance evalsuation of gradient-structured air filters under high humidity conditions in residential buildings." Energy and Buildings, 231, 110589.
- ASHRAE. (2017). ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2017: Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE.
- GB/T 18883-2002. 《室內空氣質量標準》. 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.
- GB/T 14295-2019. 《空氣過濾器》. 中國標準出版社.
- ISO 16890:2016. Air filters for general ventilation — Classification, performance and testing. International Organization for Standardization.
- 百度百科. “空氣過濾器”. http://baike.baidu.com/item/空氣過濾器 （訪問日期：2024年4月5日）
- 百度百科. “相對濕度”. http://baike.baidu.com/item/相對濕度 （訪問日期：2024年4月5日）
（全文約3,680字）
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