王晨华1☆ 孟山青2 龙时丹2 孟晗1 周雨灿1 刘俊杰1△

（1. 天津大学“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室，天津；2. 爱优特空气技术(上海)有限公司，上海）

摘要：针对洁净室空调系统的特点，本研究开发了适用于洁净室组合式空气处理机组的超微静电过滤器，对比了超微静电过滤器和中效介质（F8）过滤器的颗粒物去除效率、压降和经济性。结果表明：初始阶段，超微静电过滤器对 0.5 μm 颗粒物的去除效率和压降分别为89.1%和26.8 Pa，而F8过滤器对0.5 μm颗粒物的去除效率和压降分别为85.5%和50.1Pa；当超微静电过滤器累计运行90 天后，对0.5 μm 颗粒物去除效率和压降分别为79.7%和33.1 Pa，相比之下，当F8 过滤器累计运行65天后，对0.5 μm 颗粒物的去除效率和压降分别为74.6%和110.2Pa。此外，超微静电过滤器在运行过程中相较于F8过滤器节能约 45.8%。因此，在“双碳”目标下，超微静电过滤器更适合替代洁净室空气处理机组中的中效过滤器。

关键词：超微静电过滤器；中效过滤器；去除效率；压降；经济性评价

☆ 王晨华，男，1994 年生，博士研究生

△刘俊杰（通信作者）E-mail:jjliu@tju.edu.cn

收稿日期：2026-01-05

0 引言

在洁净室环境中，亚微米颗粒物的渗透是影响环境洁净度与生产品质质量的核心因素。为确保生产制程免受微污染干扰，我国洁净室组合式空气处理机组普遍采用三级过滤的方式确保洁净度，其中粗效过滤器+中效过滤器+高效过滤器是典型配置方式[1]。目前的商用过滤器多由人造化学纤维或超细玻璃纤维制成，通过直接拦截、布朗扩散、惯性撞击及重力沉降等机制^[2]，实现了对亚微米颗粒物的高效率过滤与高容尘量。然而，传统的玻璃纤维滤料在应用中面临滤料本身及容尘后的高阻力压降导致能耗激增。研究表明，过滤器阻力通常占据系统总阻力的一半以上^[3-4]，且随运行时间增加，灰尘积聚引发的阻力上升不仅增加了能耗，还会导致风量衰减，进而破坏洁净度的稳定性^[5]。更重要的是，玻璃纤维无法自然降解，对生态环境造成了巨大负担。

针对降低高效过滤器（HEPA）气流阻力的需求，目前的研究方向主要集中于引入静电力^[6]与应用纳米纤维材料^[7] 。尽管聚丙烯（PP）驻极体纤维等化学纤维滤料具有低阻优势，但在复杂环境下的长期过滤稳定性较差。此外，也有研究尝试通过外加电场增强过滤性能^[8-9]，但过滤技术始终难以摆脱效率与阻力之间的矛盾。相比之下，静电过滤器凭借低初始阻力、可清洗及可重复利用等特性，成为一种具有潜力的低能耗方案^[10] 。然而，传统静电过滤器对亚微米颗粒物的去除效率仍然有限。特别是，由于颗粒排斥和在集尘电极上积聚后可能发生的电击穿，传统的静电过滤器可能会造成安全隐患^[11] 。这些低效和安全问题表明，传统静电过滤器作为一种可持续的颗粒物去除技术仍有改进的空间。

为了降低击穿的风险并提高静电过滤器对亚微米颗粒物的去除效率，可将金属集尘极封装在具有良好绝缘性能的电介质材料中，这已被证明是一种有效的解决方案^[12-14]。研究表明，当电介质材料涂覆在集尘极表面后，可以有效提高其击穿电压，从而增强集尘极之间的电场强度，最终显著提升对亚微米颗粒物的去除效率^[15] 。此外，击穿电压的提高使得集尘极之间的间距可以进一步缩小，从而实现集尘极结构的更加紧凑化。这种过滤器通常被称为微极距静电过滤器。然而，这种带有非金属的电介质材料集尘极的静电过滤器在仅2h的粉尘加载后效率就会急剧下降45%^[16]。这是由于用以封装集尘极的非金属电介质材料可能导致带电颗粒物积聚，从而引发反向电晕现象，导致其效率降低。

为克服微极距静电过滤器颗粒捕集效率下降过快的问题，通过优化结构设计以增大集尘面积与容尘量已展现出巨大潜力^[17]，其主要通过增加有效集尘体积来提升颗粒物的收集板面积，从而显著延缓效率衰减。此外，已有研究尝试在集尘板表面应用金属电极，旨在促进沉积颗粒电荷的快速释放，进而缓解反向电晕现象^[18] ；然而，金属电极易引发电击穿风险。因此，本研究将导电油墨封装于改性高分子材料中，开发了一种新型超微静电过滤器，其主要通过适度降低材料的绝缘性，在保证安全性的前提下引导沉积颗粒电荷快速释放，从而有效抑制反向电晕。进一步地，将超微静电过滤器部署于实际洁净室组合式空气处理机组中，对其初始性能及长期运行稳定性进行全面评估。与此同时，将我国市场常用的商用介质过滤器布置于相同的运行机组下，以进行与超微静电过滤器的对比分析。最后，基于理论模型预测2 类过滤器在运行周期内的使用成本和能耗，探讨以超微静电过滤器替代传统介质过滤器的潜在经济效益。

1 超微静电过滤器原理及结构

图 1 为超微静电过滤器的示意图，包括针尖-孔板式放电极和集尘模块。其中，放电极包含了直径1mm的高压放电尖端和9×5阵列的金属孔板。当含尘气流穿过金属孔板到达尖端放电区域后，给针尖施加高压时，尖端引发的强电场会诱发电晕放电，产生的大量离子使流经的颗粒物荷电。随后，荷电颗粒进入集尘模块，在极板间电场力作用下从空气中被去除。集尘板采用导电油墨制成并包覆改性高分子材料，该设计不仅能防止集尘极板间发生高压击穿，还能有效抑制反电晕现象。集尘板的间距和厚度分别设置为 1.5 mm和50 mm。

a荷电模块                    b集尘模块                               c集尘板

图1 超微静电过滤器示意图
 

此外，还测量了在洁净室组合式空气处理机组中广泛使用的介质过滤器（见图 2）的性能。
 

图2 洁净室组合式空气处理机组用介质过滤器

2 实验介绍

为了对比超微静电过滤器与中效过滤器的性能，选取一台标准洁净室组合式空气处理机组开展对比实验。如图 3 所示，机组包括粗效（G4）过滤器、中效（F6）过滤器、表冷段、加热段、加湿段、风机、超微静电过滤器或中效介质（F8）过滤器及静压口。实验过程中，对超微静电过滤器和 F8 过滤器在初始阶段及使用末期的颗粒物去除性能进行了测试，具体测试流程如下：1）通过上下游静压口实时监测超微静电过滤器或 F8 过滤器的压降；2）测量上游与下游颗粒浓度，计算超微静电过滤器和 F8 过滤器的初始颗粒物去除效率，测量次数为 5次，每次 60 s；3）为评估过滤器在长期运行条件下的颗粒物去除性能，在组合式空气处理机组中布置 PM2.5 在线监测设备，对运行期间的超微静电过滤器的颗粒物去除效率进行连续监测。当超微静电过滤器或 F8 过滤器运行至设定时间后，将其取出，并在实验台架条件下测量其颗粒物去除效率。颗粒物采样口分别设置于过滤器进、出口风管处，采用粒子计数器获取上下游颗粒物浓度数据；同时，在超微静电过滤器前后安装静压环，并通过差压计记录前后压力读数，从而计算过滤器的压降变化。

a洁净室组合式空气处理机组示意图 b 洁净室组合式空气处理机组实物图

c 超微静电过滤器 d F8过滤器

图3 真实全尺寸洁净室组合式空气处理机组实验测试平台

在实验过程中，采用微压计测量过滤器前后压降，其测量精度为±0.25%。0.3~3.0 μm颗粒物的计数浓度通过粒径光谱仪测定。环境相对湿度与温度分别由 HOBO 数据记录仪进行监测，其测量精度分别为±1.5%和±0.15 °C。超微静电过滤器的臭氧排放特性通过臭氧分析仪测量，该仪器测量精度为±0.5%。在长期运行实验中，为保证测试数据的准确性与稳定性，所有传感器在实验开始前及实验过程中均进行了定期校准，包括零点校准（在无污染物条件下获取基线信号）和量程校准（使用已知颗粒物浓度修正传感器响应）。传感器安装完成后，通过 Wi-Fi 网络连接至中央服务器，所有测量数据以 30 min为时间间隔自动传输并存储于数据库中，用于长期性能测试。上述测试与数据采集方法已在既有研究中得到广泛应用与验证^[19–21]_。

超微静电过滤器和F8 过滤器的颗粒物去除效率η可以通过式（1）计算得到^[22]。
 

式中 C_down为超微静电过滤器和F8过滤器下游颗粒物浓度，个/cm³；C_up 为超微静电过滤器和F8 过滤器上游颗粒物浓度，个/cm³。

当使用 F8 过滤器或超微静电过滤器用于洁净室组合式空气处理机组去除颗粒物时，用户主要关注其使用成本。在本研究中，使用成本分为两部分：克服过滤器阻力的通风耗电量和过滤器的购置成本。因此，超微静电过滤器和 F8 过滤器的总使用成本由式（2）确定。
 

式中 U_t为超微静电过滤器和 F8过滤器的使用成本，元/a；P 为电价，元/（kW·h）；W_t为超微静电过滤器和 F8 过滤器的耗电量，kW·h/a；U 为超微静电过滤器和 F8 过滤器的设备分摊费用，元/a。

在超微静电过滤器和F8过滤器使用期间，耗电量可分为两部分：1）因F8过滤器或超微静电过滤器产生的压降而消耗的风机电量；2）因超微静电过滤器电晕放电和电场而消耗的电量。因此，耗电量由式（3）确定。
 

式中 W_f为风机耗电量，kW·h/a；W_e为超微静电过滤器的耗电量kW·h/a。

因F8 过滤器或超微静电过滤器产生的压降而消耗的风机电量由式（4）确定^[23]。
 

式中 Q为风机的风量，m³/s；Δp 为中效介质过滤器或超微静电过滤器运行时的压降， Pa；t 为F8 过滤器或超微静电过滤器的运行时间，h/a；σ 为风机效率，取值为 0.71^[24]。

因超微静电过滤器电晕放电和电场而消耗的电量由式（5）确定。
 

式中 ^U_charger为施加在荷电模块上的电压，kV；^I_charger为荷电模块的电流，A；U_collect为施加在集尘模块上的电压，kV；I_collect为集尘模块的电流，A，在本研究中，随着电压的变化，集尘模块的电流约为 0A，因此，集尘模块的能耗可以忽略不计^[25]。
 

3 实验结果与讨论

3.1颗粒物去除效率

图4展示了在风速为2.5 m/s时，F6过滤器、F8过滤器和超微静电过滤器的颗粒物去除效率，表明不同类型过滤器的颗粒物去除效率均随着粒径的增加而提高。其中，超微静电过滤器对 0.3、0.5、1.0、3.0 μm 颗粒物的去除效率分别为 81.3%、89.1%、94.4%、99.7%，F8 过滤器对 0.3、0.5、1.0、3.0 μm颗粒物的去除效率分别为 76.9%、85.5%、89.6%、97.8%，F6 过滤器对 0.3、0.5、1.0、3.0 μm颗粒物的去除效率分别为 55.4%、67.2%、78.5%、89.6%。结果表明，超微静电过滤器效率略优于F8过滤器，明显优于F6过滤器。

 

图4 不同过滤器在额定风速下的颗粒物去除效率
 

3.2长期性能测试

图 5 展示了超微静电过滤器在连续运行 90天过程中的颗粒物去除效率和压降的变化。图 5a 显示，超微静电过滤器对 PM2.5 的去除效率从 97.5%下降至 90.1%，压降从26.8 Pa增长到 33.1 Pa，表明其具有良好的颗粒物去除能力和较长的单次使用寿命；此外，超微静电过滤器在长期运行过程中可以同时实现高效率、低能耗和长寿命。图 5b 显示：超微静电过滤器在运行90天后，对0.3、0.5、1.0、3.0 μm颗粒物的去除效率分别为76.6%、79.7%、88.6%、99.1%；F8过滤器在运行65天后，对0.3、0.5、1.0、3.0 μm颗粒物的去除效率分别为 70.0%、74.6%、85.7%、99.0%。测试结果表明，初始和连续 90天运行后，超微静电过滤器的过滤效率均高于F8过滤器，因此超微静电过滤器相对于F8过滤器可以更加有效地保护送风末端高效过滤器。

a 超微静电过滤器对PM2.5的长期去除效率和压降 b 运行90 天后超微静电过滤器和F8过滤器对颗粒物的去除效率

图5 不同过滤器的颗粒物去除效率和阻力变化

超微静电过滤器集尘极表面上沉积的颗粒物引起的污染会影响其颗粒物去除性能。为了去除积聚在集尘极表面的颗粒物以便重复利用，将整个超微静电过滤器浸泡在水中进行5 min 清洗。之后，将超微静电过滤器放入室内晾干，以便后续的颗粒物去除效率评估。洗涤后超微静电过滤器的颗粒物去除效率恢复为 97.3%，与初始去除效率 97.5%基本一致。效率的恢复赋予超微静电过滤器长期再利用潜力。
 

表1 超微静电过滤器的PM2.5 初始去除效率及运行90 天后、清洗后的去除效率

3.3臭氧评估

由于静电过滤器电晕产生臭氧是一个广为人知的现象，且可能对室内臭氧浓度产生影响^[26-27]。因此对使用超微静电过滤器前后的室内臭氧浓度进行了测试，确保臭氧水平不超过可接受的限度。表2 表明，连续6 h运行后，使用超微静电过滤器，洁净室室内臭氧体积分数仅仅增加0.4×10^-9，对室内臭氧浓度影响极小。
 

表2 超微静电过滤器使用前后室内臭氧体积分数

3.4过滤器的经济性分析

除了初始和长期性能水平外，超微静电过滤器和 F8 过滤器的使用成本也是重要的考虑因素。表3展示了超微静电过滤器和F8过滤器的使用成本。在长期性能实验中，超微静电过滤器在运行90天后仍保持令人满意的过滤效率。F8过滤器每年需要更换6次，其设备分摊费用为每年1200 元。此外，超微静电过滤器的使用寿命为10 年，其设备分摊费用为每年510 元。
 

表3 超微静电过滤器和F8 过滤器使用成本

如表3所示，由于压降的影响，超微静电过滤器和F8过滤器克服过滤器阻力的通风耗电量分别为349.0、934.0 kW·h/a。考虑到电晕放电期间的能耗，采用超微静电过滤器和 F8过滤器的系统总耗电量分别为 506.7、934.0 kW·h/a，前者的节能率为 45.8%。因此，在运行期间，超微静电过滤器的年度使用成本为 1216.7 元/a，F8 过滤器的年度使用成本为2334.0 元/a。

4 结论

本研究开发了一种适用于洁净室、放置于组合式空气处理机组中的超微静电过滤器，从颗粒物去除效率、压降、使用成本等方面将其与商用中效纤维介质通风过滤器进行了比较。超微静电过滤器对0.5μm 颗粒物的去除效率和压降分别为89.1%和26.8 Pa，而F8 过滤器对0.5μm 颗粒物的去除效率和压降分别为 85.5%和50.1 Pa。当超微静电过滤器累计运行90天后，对0.5 μm 颗粒物的去除效率和压降分别为79.7%和33.1 Pa，而F8 过滤器累计运行65天后，对0.5 μm 颗粒物的去除效率和压降分别为74.6%和110.2 Pa。同时，由于压降的影响，采用超微静电过滤器和 F8 过滤器的系统总耗电量分别为 506.7、934.0kW·h/a，前者节能率为 45.8%。连续 6 h运行后，使用超微静电过滤器，洁净室室内臭氧体积分数仅仅增加 0.4×10^-9 ，对室内臭氧浓度影响极小。在长期运行期间，超微静电过滤器的年度使用成本为 1216.7元/a，F8过滤器的年度使用成本为 2334.0元/a，使用成本降低 47.9%。在“双碳”目标下，超微静电过滤器更适合替代洁净室空气处理机组中的中效过滤器。

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