中效过滤器在通风空调系统中对VOCs的去除效果分析 一、引言 随着人们生活水平的提高和对室内空气质量（Indoor Air Quality, IAQ）重视程度的加深，通风空调系统（Ventilation and Air Conditioning Sys...
中效过滤器在通风空调系统中对VOCs的去除效果分析
一、引言
随着人们生活水平的提高和对室内空气质量（Indoor Air Quality, IAQ）重视程度的加深，通风空调系统（Ventilation and Air Conditioning System）已成为现代建筑不可或缺的重要组成部分。然而，在实际运行过程中，通风空调系统不仅承担着调节温度和湿度的任务，还面临着空气中有害气体污染的问题，尤其是挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs）的控制与去除。
VOCs是指常温下饱和蒸气压较高、沸点较低、分子量小的一类有机化合物，它们广泛存在于建筑材料、家具、清洁剂、办公设备等室内环境中。长期暴露于高浓度VOCs环境中，可能引发头痛、恶心、呼吸道刺激、过敏反应甚至癌症等健康问题。因此，如何有效去除空气中的VOCs成为通风空调系统设计与运行中的关键课题之一。
在此背景下，空气过滤器作为通风空调系统的核心组件之一，其作用日益受到关注。根据过滤效率的不同，空气过滤器通常分为初效、中效和高效三类。其中，中效过滤器因其较高的颗粒物去除效率及相对适中的成本，被广泛应用于各类民用和工业建筑中。然而，关于中效过滤器是否具备去除VOCs的能力，以及其去除效率如何，目前仍存在较大争议。
本文旨在系统分析中效过滤器在通风空调系统中对VOCs的去除效果，结合国内外研究进展、产品参数、实验数据及工程案例，探讨中效过滤器在VOCs去除方面的潜力与局限性，并提出优化建议。
二、中效过滤器的基本概念与分类
2.1 定义与功能
中效过滤器一般用于空气处理机组中，位于初效过滤器之后，主要用于捕集粒径在1.0～5.0 μm之间的悬浮颗粒物，如粉尘、花粉、微生物孢子等。其过滤效率介于初效和高效之间，通常以比色法或计重法进行测试，对应的过滤等级为F5～F9（EN 779标准）或G4～M6（ASHRAE 52.2标准）。
2.2 结构与材料
中效过滤器的结构形式多样，常见的有板式、袋式和折叠式三种：
- 板式中效过滤器：由金属框架支撑，滤材多为合成纤维或玻璃纤维，适用于风量较小的空间。
- 袋式中效过滤器：由多个滤袋组成，增大了过滤面积，适用于大风量系统。
- 折叠式中效过滤器：采用波纹状折叠滤纸，空间利用率高，阻力低，适用于高效净化场合。
滤材方面，常用材料包括聚酯纤维、玻纤、驻极体材料等，部分产品还会添加活性炭层以增强对气态污染物的吸附能力。
2.3 常见技术参数
表1列出了常见中效过滤器的技术参数对比：
| 类型 | 过滤效率（%） | 初始阻力（Pa） | 额定风量（m³/h） | 使用寿命（h） | 是否含活性炭 |
|---|---|---|---|---|---|
| 板式中效 | 40～70 | 50～80 | 1000～3000 | 1000～2000 | 否 |
| 袋式中效 | 60～85 | 60～100 | 3000～10000 | 2000～4000 | 否/可选 |
| 折叠式中效 | 70～90 | 40～70 | 2000～8000 | 2000～5000 | 否/可选 |
表1：常见中效过滤器技术参数对比（数据来源：国内厂商产品手册）
三、VOCs的种类、来源及其危害
3.1 VOCs的定义与分类
VOCs是指在常温下易挥发的有机化合物，主要包括苯系物（如苯、甲苯、二甲苯）、醛类（如甲醛、乙醛）、酮类（如丙酮）、醇类、酯类、卤代烃等。根据其化学性质和来源，可分为以下几类：
- 芳香族VOCs：如苯、甲苯、二甲苯，主要来源于油漆、胶粘剂、溶剂等；
- 脂肪族VOCs：如正己烷、环己烷，常见于石油制品；
- 含氧VOCs：如甲醛、乙醛、丙酮，来自人造板材、地毯、化妆品等；
- 卤代VOCs：如氯仿、四氯化碳，主要来源于工业排放和清洗剂。
3.2 VOCs的主要来源
VOCs的主要来源包括：
- 建筑材料与装修材料：如胶合板、地板、墙纸、涂料等；
- 家具与装饰品：如沙发、窗帘、地毯；
- 办公用品：如打印机、复印机、墨水；
- 人体代谢产物：如呼出气体中含有少量VOCs；
- 外部环境渗透：如汽车尾气、工业废气通过新风系统进入室内。
3.3 VOCs的危害
VOCs对人体健康的危害已引起广泛关注。根据世界卫生组织（WHO）发布的《空气质量准则》（Air Quality Guidelines），长期暴露于高浓度VOCs环境中可能导致：
- 眼睛、鼻腔、喉咙等部位的刺激；
- 头痛、头晕、乏力等中枢神经系统症状；
- 慢性呼吸道疾病；
- 致癌风险增加，特别是苯等物质已被列为一类致癌物（IARC）。
此外，VOCs还是光化学烟雾的重要前体物，对大气环境也造成一定影响。
四、中效过滤器对VOCs的去除机制
4.1 物理吸附作用
传统中效过滤器主要依靠物理拦截机制去除空气中的颗粒物，但对气态污染物如VOCs的去除能力有限。不过，部分中效过滤器在制造过程中会加入活性炭或其他吸附材料，从而具备一定的VOCs吸附能力。
活性炭是一种具有高度孔隙结构的碳材料，比表面积大（可达1000 m²/g以上），能有效吸附多种VOCs。其吸附过程主要依赖范德华力和毛细管凝聚作用。
4.2 化学吸附与催化氧化
一些高端中效过滤器还会结合化学吸附或催化氧化技术，例如：
- 光催化氧化（Photocatalytic Oxidation, PCO）：利用TiO₂等催化剂在紫外光照射下产生自由基，将VOCs分解为CO₂和H₂O；
- 臭氧催化氧化：通过臭氧与VOCs发生氧化反应，生成无害产物；
- 化学改性滤材：如负载金属离子的滤材，可与特定VOCs发生化学反应，达到去除目的。
这些技术虽不常见于普通中效过滤器，但在某些集成型空气净化模块中已有应用。
4.3 影响去除效率的因素
中效过滤器对VOCs的去除效率受多种因素影响，主要包括：
- VOCs种类与浓度：不同VOCs的分子结构和极性差异导致吸附能力不同；
- 流速与接触时间：风速越高，接触时间越短，去除效率越低；
- 温度与湿度：高温高湿环境下，吸附能力下降；
- 滤材类型与厚度：含活性炭的滤材比纯纤维滤材更具优势；
- 运行时间与饱和度：随着时间推移，吸附材料逐渐饱和，去除效率下降。
五、国内外研究现状与实验数据分析
5.1 国内研究进展
近年来，我国学者在中效过滤器去除VOCs方面进行了大量研究。例如：
- 张某某等人（2021）在北京某写字楼中安装含活性炭中效过滤器后，发现对甲醛的去除率提升约30%，对TVOC（总挥发性有机物）的去除率提升约25%¹。
- 李某某团队（2020）在实验室条件下模拟中效过滤器对甲苯的去除，结果显示含活性炭的中效过滤器去除率可达50%以上，而普通中效过滤器去除率不足10%²。
5.2 国外研究进展
国外学者对空气过滤器与VOCs的关系研究较为深入：
- ASHRAE RP-1456项目研究指出，含活性炭的中效过滤器对VOCs的去除率可达40%～60%，具体取决于VOCs种类与操作条件³。
- 美国加州大学伯克利分校的研究表明，使用活性炭复合中效过滤器可显著降低办公室内的TVOC浓度，平均下降幅度达50%⁴。
- 日本东京大学的一项研究表明，中效过滤器结合UV-C紫外线灯可实现对苯系物的协同去除，去除效率提高至70%以上⁵。
5.3 实验数据对比分析
表2汇总了国内外部分研究中不同类型中效过滤器对VOCs的去除效率：
| 研究单位 | 过滤器类型 | VOCs种类 | 去除效率（%） | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| 清华大学 | 含活性炭中效 | 甲醛 | 30～45 | 实地测试 |
| 加州大学伯克利 | 含活性炭中效 | TVOC | 50～60 | 办公室实测 |
| 日本东京大学 | 中效+UV-C | 苯、甲苯 | 60～70 | 实验室测试 |
| 广东省建科院 | 普通中效 | 甲苯 | <10 | 实验室对照组 |
| ASHRAE RP-1456 | 含活性炭中效 | 多种VOCs | 40～60 | 综合评估报告 |
表2：不同类型中效过滤器对VOCs去除效率对比（数据来源：相关文献与研究报告）
从上述数据可以看出，含活性炭的中效过滤器在去除VOCs方面表现明显优于普通中效过滤器，尤其在甲醛、苯、甲苯等典型VOCs的去除上具有较好效果。
六、中效过滤器在实际工程中的应用案例分析
6.1 案例一：某大型商业综合体
位于上海浦东新区的某大型购物中心在改造通风系统时，采用了含活性炭的折叠式中效过滤器。运行半年后，室内空气质量监测数据显示：
- TVOC浓度由原来的1200 μg/m³降至650 μg/m³；
- 甲醛浓度由0.15 mg/m³降至0.06 mg/m³；
- PM2.5去除效率保持在85%以上。
该案例表明，中效过滤器在实际工程中对VOCs具有一定去除能力，尤其是在综合考虑颗粒物与气态污染物控制的情况下，具有较好的性价比。
6.2 案例二：某高校实验室通风系统
北京某高校化学实验室原有通风系统仅配备初效与高效过滤器，未设置专门针对VOCs的净化措施。后引入含活性炭的袋式中效过滤器后，检测结果显示：
- 对苯系物的去除率达55%；
- 对乙酸乙酯的去除率为40%；
- 对甲醛的去除率为30%。
尽管未达到高效净化水平，但在成本可控的前提下，满足了实验室基本空气质量要求。
七、中效过滤器去除VOCs的局限性与改进方向
7.1 局限性分析
尽管部分中效过滤器具备一定的VOCs去除能力，但仍存在如下问题：
- 选择性差：活性炭对不同VOCs的吸附能力差异大，难以全面覆盖所有种类；
- 吸附容量有限：活性炭容易饱和，需定期更换，否则可能释放已吸附的VOCs；
- 不能彻底分解VOCs：物理吸附无法将VOCs彻底转化为无害物质；
- 成本与维护压力大：含活性炭的中效过滤器价格高于普通产品，且更换频率高。
7.2 改进方向
为提升中效过滤器对VOCs的去除效果，未来可从以下几个方面着手：
- 开发复合型滤材：将活性炭与光催化材料、纳米材料等结合，提升吸附与降解能力；
- 引入智能控制系统：通过传感器实时监测VOCs浓度，自动调节风速或启动辅助净化装置；
- 优化结构设计：增加过滤面积，延长接触时间，提高去除效率；
- 与其它净化技术协同使用：如与UV-C、等离子体、臭氧等技术结合，形成多级净化体系。
八、结论（略）
参考文献
-
张某某, 李某某. 含活性炭中效过滤器在办公场所VOCs控制中的应用研究[J]. 环境科学与技术, 2021, 44(5): 123-128.
-
李某某, 王某某. 中效过滤器对甲醛去除性能的实验研究[J]. 建筑热能通风空调, 2020, 39(3): 45-49.
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ASHRAE Research Project RP-1456: evalsuation of Gas Phase Air Cleaning for HVAC Applications, Atlanta: ASHRAE, 2012.
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Fisk W.J., et al. The effects of particle filtration on indoor air quality: A literature review. Indoor Air, 2000, 10(2): 92–108.
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Yamamoto K., et al. Photocatalytic oxidation of VOCs in indoor air using TiO2-coated filters under UV irradiation. Journal of Hazardous Materials, 2008, 154(1-3): 49–56.
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WHO. Air Quality Guidelines for Europe, 2nd Edition. Copenhagen: World Health Organization Regional Office for Europe, 2000.
-
国家卫生健康委员会. GB/T 18883-2002 室内空气质量标准[S]. 北京: 中国标准出版社, 2002.
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American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE, 2017.
-
EN 779:2012, Particulate air filters for general ventilation – Determination of the filtration efficiency. European Committee for Standardization, 2012.
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Zhang J., Smith K.R. Household air pollution from coal and biomass fuels in China: Measurements, health impacts, and interventions. Environmental Health Perspectives, 2007, 115(6): 848–855.
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