高校老舊 HVAC 係統改造中低阻力過濾器的節能效果評估 引言 隨著我國高等教育事業的快速發展，高校建築規模不斷擴大，教學樓、實驗樓、圖書館、宿舍等公共建築數量持續增加。這些設施在提供良好學習與...
高校老舊 HVAC 係統改造中低阻力過濾器的節能效果評估
引言
隨著我國高等教育事業的快速發展，高校建築規模不斷擴大，教學樓、實驗樓、圖書館、宿舍等公共建築數量持續增加。這些設施在提供良好學習與生活環境的同時，也帶來了巨大的能源消耗問題。暖通空調係統（Heating, Ventilation and Air Conditioning，簡稱HVAC）作為建築能耗的主要組成部分，在多數高校建築中占比超過40%。然而，許多高校的HVAC係統建設年代較早，設備老化嚴重，運行效率低下，尤其空氣過濾係統存在阻力高、能耗大、維護不及時等問題，嚴重影響係統的整體能效。
近年來，隨著綠色校園和“雙碳”目標的推進，對既有建築HVAC係統進行節能改造已成為高校節能減排的重要方向。其中，更換傳統高阻力空氣過濾器為低阻力過濾器（Low-Resistance Filters）被視為一種成本低、見效快的節能措施。本文旨在係統評估在高校老舊HVAC係統中應用低阻力過濾器的節能潛力，結合國內外研究成果，分析其技術參數、運行性能、經濟性及環境效益，並通過實際案例驗證其可行性。
一、HVAC係統中空氣過濾器的作用與能耗影響
1.1 過濾器的基本功能
空氣過濾器是HVAC係統中的關鍵組件之一，主要功能包括：
- 去除空氣中的顆粒物（PM10、PM2.5）、花粉、灰塵、細菌等汙染物；
- 保護風機、換熱器等核心設備免受積塵影響，延長使用壽命；
- 提高室內空氣質量（IAQ），保障師生健康。
根據《ASHRAE Standard 52.2》（美國采暖、製冷與空調工程師學會標準），空氣過濾器按效率分為初效（G級）、中效（F級）、高效（H級）等類別。
1.2 傳統過濾器的能耗瓶頸
在老舊高校HVAC係統中，普遍采用G3-G4級別的初效過濾器或F5-F7級別的中效過濾器。這類過濾器雖然具備一定的除塵能力，但存在以下問題：
- 初始壓降高：新裝時阻力可達80–120 Pa；
- 容塵量低：易堵塞，導致運行阻力迅速上升；
- 風機能耗增加：根據風機定律，風機電耗與風量立方成正比，係統阻力每增加10 Pa，風機功率約增加5–8%；
- 頻繁更換：維護成本高，且常因管理疏忽導致長期帶病運行。
據清華大學建築節能研究中心統計，我國高校中央空調係統中，風機能耗占總空調能耗的25%以上，而其中約30%的能耗可歸因於不合理或老化的過濾係統（江億等，2021）。
二、低阻力過濾器的技術原理與產品參數
2.1 技術定義與分類
低阻力過濾器是指在相同過濾效率下，具有更低初始壓降和更緩慢阻力增長特性的空氣過濾器。其核心技術包括：
- 優化濾材結構：采用超細纖維、納米塗層、靜電駐極等材料提升過濾效率同時降低氣流阻力；
- 增大過濾麵積：通過袋式、折疊式設計增加有效迎風麵積；
- 智能監控集成：部分高端型號配備壓差傳感器，實現狀態預警。
常見的低阻力過濾器類型如下表所示：
| 類型 | 過濾等級（EN 779:2012） | 初始阻力（Pa） | 額定風速（m/s） | 容塵量（g/m²） | 典型應用場景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 低阻初效板式 | G4-Low | 30–50 | 0.8–1.2 | ≥250 | 新風機組預過濾 |
| 低阻袋式中效 | F7-Low | 60–80 | 0.6–1.0 | ≥350 | 實驗室、教學樓主過濾 |
| 靜電駐極折疊式 | F8-Low | 70–90 | 0.5–0.8 | ≥400 | 圖書館、會議室高要求區域 |
| 納米複合濾網 | H11-Low | 100–130 | 0.4–0.6 | ≥500 | 醫學院、潔淨實驗室 |
注：數據綜合自Camfil（瑞典）、AAF International（美國）、科德寶（德國）及國內品牌如蘇淨集團、康斐爾的產品手冊（2023年版）
2.2 核心性能參數對比
為直觀展示低阻力過濾器的優勢，選取某高校典型AHU（空氣處理機組）中使用的傳統F7袋式過濾器與新型低阻F7過濾器進行參數對比：
| 參數項 | 傳統F7袋式過濾器 | 低阻力F7過濾器（如Camfil Gold Series） | 改進幅度 |
|---|---|---|---|
| 初始壓降（Pa） | 110 | 65 | ↓40.9% |
| 終阻力設定值（Pa） | 450 | 450 | — |
| 平均運行阻力（Pa） | 280 | 170 | ↓39.3% |
| 使用壽命（月） | 6–8 | 10–14 | ↑66.7% |
| 過濾效率（計數法@0.4μm） | 80–85% | 82–87% | ≈持平 |
| 單位麵積價格（元/m²） | 180 | 260 | ↑44.4% |
| 年維護成本（元/台） | 1,200 | 700 | ↓41.7% |
資料來源：Camfil Asia Technical Report (2022); 中國建築科學研究院《公共建築通風係統節能改造指南》
可見，盡管低阻力過濾器初始投資略高，但其在運行阻力、壽命和維護成本方麵具有顯著優勢。
三、節能機理分析：從壓降到風機功耗
3.1 風機功率與係統阻力關係
風機是HVAC係統中耗能的部件之一。其軸功率 $ P $ 可表示為：
$$
P = frac{Q cdot Delta P}{eta}
$$
其中：
- $ Q $：風量（m³/s）
- $ Delta P $：係統總阻力（Pa）
- $ eta $：風機效率（通常0.6–0.8）
當風量恒定時，功率與阻力成正比。若將過濾器阻力從280 Pa降至170 Pa，降幅達39.3%，理論上風機功率可同比例下降。
以某高校教學樓AHU為例，其送風機參數如下：
- 風量：20,000 m³/h（≈5.56 m³/s）
- 風機全壓：800 Pa
- 過濾段原阻力占比：35%（即280 Pa）
- 電機功率：18.5 kW
- 年運行時間：2,800 小時（教學季+部分寒暑假）
更換為低阻力過濾器後，過濾段阻力降至170 Pa，係統總壓降減少110 Pa。假設風機效率不變，則風機所需功率減少：
$$
Delta P_{text{fan}} = frac{Q cdot Delta Delta P}{eta} = frac{5.56 times 110}{0.7} ≈ 874 , text{W}
$$
年節電量：
$$
E = 0.874 , text{kW} times 2800 , text{h} ≈ 2,447 , text{kWh}
$$
單台機組年節省電費（按0.8元/kWh計算）約為 1,958元。
若全校有50台類似機組，年總節電可達 12.2萬kWh，節約電費近 10萬元，減排CO₂約 100噸（按電網排放因子0.82 kg CO₂/kWh計）。
四、國內外研究進展與實證案例
4.1 國外研究綜述
美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）在2019年對加州大學洛杉磯分校（UCLA）的HVAC係統進行改造評估，將原有F6過濾器替換為低阻力F7型號。結果顯示：
- 係統靜壓下降32%，風機能耗降低27%；
- IAQ未受影響，PM2.5濃度維持在15 μg/m³以下；
- 投資回收期僅1.8年（Zhang et al., Energy and Buildings, 2020）。
歐洲方麵，丹麥技術大學（DTU）聯合Camfil開展的“LowResist”項目（2020–2022）測試了12所高校建築，發現使用低阻力過濾器平均可降低通風能耗 22–35%，尤其是在高風量運行場景下效果更為顯著（Nielsen et al., Building and Environment, 2022）。
4.2 國內典型案例分析
案例一：浙江大學紫金港校區圖書館改造
該館原采用G4+F7兩級過濾係統，年均風機能耗為186,000 kWh。2021年更換為蘇淨集團生產的低阻力F7袋式過濾器（型號LF-F7-600×600×460），主要參數如下：
| 項目 | 參數 |
|---|---|
| 初始阻力 | 58 Pa |
| 終阻力 | 450 Pa |
| 過濾效率（EN1822） | MPPS ≥85% |
| 使用壽命 | ≥12個月 |
改造後監測數據顯示：
- 風機運行電流下降18.7%；
- 年節電 31,200 kWh；
- PM2.5濃度由改造前平均38 μg/m³降至26 μg/m³；
- 投資回收期2.1年。
案例二：華南理工大學五山校區實驗樓群
該校對3棟實驗樓的AHU係統進行集中改造，采用康斐爾（Camfil）CFO係列低阻力中效過濾器。項目覆蓋總風量約120,000 m³/h，年運行時間達3,500小時。
改造前後能耗對比如下表：
| 指標 | 改造前 | 改造後 | 變化率 |
|---|---|---|---|
| 平均係統阻力（Pa） | 920 | 780 | ↓15.2% |
| 總風機功率（kW） | 136 | 114 | ↓16.2% |
| 年耗電量（萬kWh） | 47.6 | 39.9 | ↓16.2% |
| 年節省電費（萬元） | — | 6.16 | — |
| 年減排CO₂（噸） | — | 63 | — |
數據來源：華南理工大學後勤處《2022年度節能報告》
五、經濟性與環境效益評估
5.1 成本效益分析
以一台標準AHU（風量20,000 m³/h）為例，進行全生命周期成本（Life Cycle Cost, LCC）分析：
| 成本項目 | 傳統過濾器 | 低阻力過濾器 |
|---|---|---|
| 設備購置費（元） | 800 | 1,200 |
| 年更換次數 | 2次 | 1次 |
| 年耗材成本（元） | 1,600 | 1,200 |
| 年電費（元） | 10,500 | 8,542 |
| 年維護人工費（元） | 600 | 400 |
| 年總成本（元） | 13,500 | 11,142 |
| 5年總成本（元） | 67,500 | 55,710 |
結果顯示，盡管初期投入高出400元，但5年內累計節省 11,790元，年均節省約2,358元，投資回收期約 1.7年。
5.2 碳減排潛力估算
根據生態環境部發布的《中國區域電網基準線排放因子》（2022年修訂版），華東電網排放因子為0.789 kg CO₂/kWh。若全國高校共有約10萬台類似規模的AHU機組，全部實施低阻力過濾器改造，按每台年節電2,400 kWh計：
- 年總節電量：24億kWh
- 年減排CO₂：1,893萬噸
相當於種植約 10.5億棵樹木（按每棵樹年吸收1.8 kg CO₂計），對實現“雙碳”目標具有重要意義。
六、實施建議與技術路線
6.1 改造流程
- 現狀評估：檢測現有過濾器壓降、風量、風機功率；
- 選型匹配：根據風量、空間尺寸選擇合適規格的低阻力過濾器；
- 試點運行：在1–2台機組上試裝並監測3個月；
- 全麵推廣：基於試點數據製定全校改造計劃；
- 智能監控：加裝壓差開關或物聯網傳感器，實現遠程預警。
6.2 推薦產品清單（適用於高校場景）
| 品牌 | 型號 | 適用等級 | 特點 | 國產/進口 |
|---|---|---|---|---|
| 蘇淨集團 | LF-F7-600×600 | F7 | 低阻、耐濕、抗菌塗層 | 國產 |
| 康斐爾（Camfil） | CFO 600×600×460 | F7/F8 | 超低阻、長壽命 | 進口 |
| AAF International | Durafil ES | F7 | 自支撐結構、防泄漏 | 進口 |
| 科德寶（Freudenberg） | Viledon e³ | G4/F7 | 模塊化設計、易更換 | 合資 |
| 中建材凱盛 | NanoAir-LR | F8 | 納米纖維、高效低阻 | 國產 |
七、挑戰與對策
盡管低阻力過濾器優勢明顯，但在高校推廣應用中仍麵臨若幹挑戰：
- 認知不足：部分管理人員誤認為“阻力越低，過濾效果越差”，需加強科普培訓；
- 預算限製：初期采購成本較高，建議納入節能專項基金或合同能源管理（EMC）模式；
- 安裝空間受限：老舊機組過濾段尺寸固定，需定製適配型號；
- 標準缺失：目前國內尚無專門針對“低阻力過濾器”的國家標準，建議參考EN 779:2012或ISO 16890:2016執行。
參考文獻
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ASHRAE. (2017). ASHRAE Standard 52.2-2017: Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE.
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Zhang, Y., Wargocki, P., & Lauenburg, P. (2020). "Impact of low-resistance filters on energy consumption and indoor air quality in educational buildings." Energy and Buildings, 218, 110023. http://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.110023
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Nielsen, P. V., et al. (2022). "Field study of energy savings by upgrading air filters in university buildings – The LowResist project." Building and Environment, 215, 108933. http://doi.org/10.1016/j.buildenv.2022.108933
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江億, 燕達, 胡姍. (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.
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Camfil. (2022). Technical Data Sheet: Camfil Gold Series Low Resistance Bag Filters. Camfil Asia Pacific.
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中國建築科學研究院. (2020). 《公共建築通風係統節能改造技術導則》. 北京: 中國建築工業出版社.
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華南理工大學後勤處. (2022). 《2022年度校園節能工作總結報告》. 內部資料.
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浙江大學能源工程學院. (2021). 《圖書館空調係統節能改造效果評估報告》. 技術白皮書.
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生態環境部. (2022). 《關於發布《省級溫室氣體清單編製指南》及區域電網排放因子的通知》. 環辦氣候函〔2022〕123號.
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ISO. (2016). ISO 16890:2016 – Air filters for general ventilation – Classification, performance, testing. Geneva: International Organization for Standardization.
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百度百科. “HVAC”. http://baike.baidu.com/item/HVAC （訪問日期：2024年4月）
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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）
（全文約3,680字）
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