市場趨勢
◎ 智慧過濾的思維
儘管COVID-19疫情使空氣品質受到極大關注，但空調系統 (HVAC) 中空氣過濾器的選擇和安裝仍然處於次要地位。智慧城市安裝的過濾系統旨在提供清潔、綠色的建築環境，但仍需要更多推動，使空氣品質成為全球優先事項。
安裝供暖、通風和空調 (HVAC) 設備的前提是為居住者提供所需的熱舒適性，同時提高室內空氣品質。但這會產生能源影響，根據國際能源署發布的一份報告，用於熱舒適的空調系統和風扇佔全球建築物總電力的近 20%。此外，由於快速城市化和人口增長，對空調系統的需求將持續增長，導致能源需求激增。聯合國報告預測目前居住在城市地區的人口佔世界人口的 50%，到 2050 年將有 50 億人居住在城市地區，佔世界人口的 68%。根據聯合國人居署的數據，城市目前消耗了世界 78% 的能源，並產生了 60% 以上的溫室氣體排放。
因此，吾人必須透過負責任的化石燃料燃燒和電力使用來減少我們的環境足跡並推廣節能空調設備，同時提供城市更好的室內空氣品質 (IAQ)，這些都有賴先進過濾技術和節能空調系統的作用。
建築環境過濾
空氣過濾是一種很好的工具，可以在過濾介質上或內部分離和保留顆粒和其他汙染物，適當選擇、安裝和使用各種過濾技術對於充分利用其執行預期工作的能力極為重要。當過濾器遭受常見的慢性故障 (如圖 1 所示)時，便難以充分發揮空氣過濾的作用。成年人通常每天吸入 17,000 升空氣，具體取決於每個人的呼吸模式，更好的空氣品質和健康的建築環境需要結合氣溶膠過濾研究和連續的室內外氣溶膠監測，使空氣過濾器的性能評估更具價值。
圖 1. HVAC 設備運行期間過濾器故障的各種示例。
過濾材料
空氣過濾器結構中不可或缺的元素是其濾材，其特性控制過濾程序、過濾器的性能，以及顆粒是否會透過樹枝狀累積或濾餅形成沉積在過濾器的深層或表面，或完全通過過濾器。然而，濾材的不均勻性對過濾器性能預測產生極大挑戰，如圖 2 所示。濾材應具有透氣性、高效性，並具有維持氣流所需的結構完整性，而不會發生改變性能的變形。
圖 2. 掃描式電子顯微鏡影像突顯纖維濾材的不均勻性。
空氣過濾器性能預測
為 HVAC 應用選擇合適的空氣過濾器時，需了解地理位置、氣候和操作條件。空氣過濾的主要挑戰之一是空氣過濾器的性能與實驗室結果預測的偏差。此外，顆粒特性在密度、尺寸分佈和濃度方面的變化會改變顆粒負載的過濾動力學，而導致過早堵塞。例如，顆粒濃度過高可能會導致顆粒表面沉積在深層濾材上，造成從而導致透氣性大幅降低。如圖 3 所示，顆粒還可以橋接形成樹狀累積，進而形成最終的濾餅層。
圖 3. 濾材上的樹枝狀累積和塵餅形成示例。
因此，空氣過濾的作用不是只依靠一個過濾階段來完成，主要機制受到顆粒尺寸及其分佈的影響，如圖 4 所示，且影響顆粒捕獲的過濾器負載特徵，如圖 5 所示，取決於許多相互關聯的因素，例如氣溶膠尺寸、面速度、密度和濾材中的纖維堆積。此外，相鄰纖維、樹枝狀累積形成和纖維電荷會影響真實過濾器的負載。
圖 4. 常見過濾機制的圖示。
圖 5. 濾材上的樹枝狀累積和塵餅形成示例。
過濾器負載和堵塞
安裝在 HVAC 應用中的空氣過濾器是深層過濾器，主要利用纖維過濾器捕捉氣溶膠。深層過濾器經歷穩定、不穩定、過渡和表面沉積階段逐漸形成顆粒濾餅使得過濾器需要更換或維護。另一方面，表面過濾需要儘早形成濾餅，以獲得更高的效率。當顆粒繼續沉積在其濾材間隙中時，其孔隙結構的變化會導致透氣性降低並改變流體動力學，進而導致過濾器壓降顯著上升。增加過濾器的阻力會降低輸送到室內的空氣流量，使人們感到不舒服。此外，建築環境中過高的濕度也會影響過濾器的負載和性能，且可能產生異味和微生物生長。圖 6 顯示典型纖維過濾器結構在其生命週期中從穩定到不穩定、過渡到最終堵塞的顆粒負載情況。
圖 6. 顆粒負載纖維過濾器在整個生命週期中的負載進展。
圖 7 顯示 HVAC 典型纖維過濾器過早形成塵餅，將使空氣過濾器過早堵塞而影響過濾器的性能，並且影響能源效率。
圖 7. 顆粒深層 (右) 和表面 (左) 沉積之間的比較。
粒徑和顆粒負載
過濾器的整體效率是由主要收集機制所組合，顆粒尺寸是氣溶膠特性的基本參數，對過濾器性能影響很大。在實驗室環境中，兩個類似的 E10 V 型濾網 (圖 8) 分別負載 SAE 細粉塵和粗粉塵。圖 9 說明兩種粉塵類型之間顆粒尺寸的視覺差異。圖 10 顯示由於負載而產生的壓降影響的比較，SAE 細粉塵顆粒比 SAE 粗顆粒更具穿透性，細小的灰塵顆粒會佔據濾材內部更多的間隙，導致孔隙結構發生顯著變化，進而增加過濾器的壓降。
圖 8. 具有四個開口和八個打褶纖維濾材面板的 V 型過濾器。
圖 9. 掃描式電子顯微鏡比較 SAE 細粉塵和粗粉塵。
圖 10. V 型濾網負載 SAE 細粉塵和粗粉塵後的壓降反應。
智慧城市的空氣品質
在智慧城市的發展上，良好的空氣品質解決方案可以為建築環境和人類居住者的福祉帶來附加價值。最近的一項研究案例強調在人口稠密的電話服務中心進行連續空氣品質監測的好處。工作人員到達工作地點時造成空氣品質的惡化，然後在離開時又恢復到可接受的環境。儘管員工互動和呼吸模式顯著影響室內空氣品質，但收集的數據幫助管理部門決策是否維護或升級空氣過濾器，例如：增加通風量，並安裝化學過濾器，以處理辦公時間內存在的揮發性有機化合物 (VOC) 濃度。如圖 11 所示，過濾器升級後，PM1 和 PM2.5 濃度有所降低。圖12為電話服務中心工作日與週末的 VOCs 和 CO2 空氣品質監測比較。
目前，中國、新加坡、韓國、日本和芬蘭正在導入物聯網 (IOT) 來控制空氣品質，整合空氣品質監測系統來測量、追蹤和減輕汙染物濃度、保持熱舒適性以及兼具能源效率來操作空調系統可以帶來極高的價值。
圖 11. 電話服務中心上班前、上班期間和下班後的空氣品質監測 (PM1 和 PM2.5)。
圖 12. 電話服務中心工作日和周末的空氣品質監測比較 (VOC 和 CO2)。
腦洞大開的時刻
當空氣品質成為室內環境和全球經濟的支柱時，我們要做的不只是為下一場流行病做好準備，更需要採用“以人為本”的空氣品質模式來挽救許多生命，透過了解現有過濾技術的重要性並認識其在室內環境中的應用潛力，運用優良的 HVAC 空調系統達到控制汙染和暴露風險，增進人類的福祉。
資料來源：
1. https://www.filtnews.com/smarter-filtration-rhetoric/
台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society
