如何通過高效低阻過濾器降低空調係統運行能耗 引言 隨著全球能源需求的持續增長和“雙碳”目標（碳達峰、碳中和）的提出，建築能耗問題日益受到關注。暖通空調係統（HVAC, Heating, Ventilation and Air ...
如何通過高效低阻過濾器降低空調係統運行能耗
引言
隨著全球能源需求的持續增長和“雙碳”目標（碳達峰、碳中和）的提出，建築能耗問題日益受到關注。暖通空調係統（HVAC, Heating, Ventilation and Air Conditioning）作為建築能耗的主要組成部分，其運行效率直接影響整體能源消耗水平。據中國建築節能協會發布的《中國建築能耗研究報告2023》顯示，公共建築中空調係統的能耗占比高達40%以上，而其中風機輸送能耗占空調總能耗的30%-50%[1]。因此，優化空調係統的關鍵設備——空氣過濾器，成為實現節能降耗的重要突破口。
傳統空調係統常采用中效或初效過濾器，雖具備一定除塵能力，但阻力較高，導致風機長期高負荷運行，電能浪費嚴重。相比之下，高效低阻過濾器（High-Efficiency Low-Resistance Filter, HELF）在保證空氣潔淨度的同時顯著降低係統風阻，從而減少風機功耗，提升係統整體能效。本文將從技術原理、產品參數、實際應用案例、國內外研究進展等多個維度，係統闡述高效低阻過濾器如何有效降低空調係統運行能耗。
一、高效低阻過濾器的技術原理
1.1 過濾機製與壓降關係
空氣過濾器的核心功能是去除空氣中的顆粒物（PM），如灰塵、花粉、細菌等。根據ASHRAE Standard 52.2-2017《Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size》的規定，過濾器的性能主要由兩個指標衡量：過濾效率（Efficiency）和初阻力（Initial Pressure Drop）[2]。
- 過濾效率：指單位時間內被過濾器捕獲的顆粒物質量與進入過濾器的總顆粒物質量之比，通常以百分比表示。
- 初阻力：指在額定風量下，過濾器前後靜壓差，單位為Pa（帕斯卡）。阻力越高，風機需克服的壓降越大，電耗隨之上升。
傳統過濾器（如G4級初效、F7級中效）由於濾材密度高、纖維排列緊密，雖然過濾效率尚可，但氣流通過時產生較大壓降。而高效低阻過濾器通過以下技術手段實現“高效”與“低阻”的平衡：
- 優化濾料結構：采用納米纖維複合材料、梯度過濾層設計，使大顆粒在前層被捕獲，小顆粒在深層攔截，減少堵塞；
- 增大有效過濾麵積：使用V型、W型或袋式結構，增加迎風麵積，降低單位麵積風速；
- 改進支撐骨架與密封設計：減少邊緣泄漏，提高容塵量與使用壽命。
1.2 能效模型分析
根據風機功率公式：
$$
P = frac{Q times Delta P}{eta}
$$
其中：
- $P$：風機軸功率（kW）
- $Q$：風量（m³/s）
- $Delta P$：係統總壓降（Pa）
- $eta$：風機效率
可見，當風量和風機效率不變時，係統壓降每降低100Pa，風機功率可下降約15%-20%。若將傳統F7級中效過濾器（初阻力約120Pa）替換為高效低阻F8級過濾器（初阻力≤60Pa），僅此一項即可節省風機能耗近40%[3]。
二、高效低阻過濾器的產品參數對比
為直觀展示不同類型過濾器的性能差異，下表列出了國內外主流品牌產品的關鍵參數對比。
| 參數項 | 傳統F7中效過濾器 | 高效低阻F8過濾器 | 高效低阻H13 HEPA過濾器 |
|---|---|---|---|
| 標準依據 | GB/T 14295-2019 / EN 779:2012 | ISO 16890:2016 / ASHRAE 52.2 | GB/T 13554-2020 / EN 1822 |
| 過濾等級 | F7（ePM1 ≥ 80%） | ePM1 ≥ 85% | H13（MPPS效率≥99.95%） |
| 初阻力（額定風量下） | 100–130 Pa | 45–60 Pa | 180–220 Pa |
| 終阻力設定值 | 250–300 Pa | 200–250 Pa | 400–450 Pa |
| 容塵量（g/m²） | 300–400 | 500–650 | 200–300 |
| 使用壽命（h） | 3,000–6,000 | 6,000–10,000 | 8,000–12,000 |
| 材質 | 玻璃纖維+合成纖維 | 納米駐極聚丙烯複合膜 | 超細玻璃纖維 |
| 典型應用 | 商場、寫字樓回風段 | 醫院、實驗室新風段 | 手術室、製藥潔淨區 |
| 代表品牌 | Camfil（瑞典）、AAF（美國） | Donaldson（美國）、KLC（中國） | ULPA Tech（德國）、AirClean（日本） |
注：ePM1為對直徑≥0.3μm顆粒物的計重效率；MPPS為易穿透粒徑（Most Penetrating Particle Size）
從上表可見，高效低阻F8級過濾器在保持接近HEPA級別過濾性能的同時，初阻力僅為傳統F7產品的50%左右，且容塵量更高，延長了更換周期，進一步降低了運維成本。
三、高效低阻過濾器在空調係統中的節能機理
3.1 減少風機能耗
風機是空調係統中耗電的部件之一。據清華大學建築節能研究中心測算，在典型辦公建築中，通風係統全年運行時間約為3,500小時，若風機功率因過濾器阻力降低而減少1.5kW，則年節電量可達：
$$
E = 1.5,text{kW} times 3,500,text{h} = 5,250,text{kWh}
$$
按電價0.8元/kWh計算，單台機組年節約電費約4,200元。若一棟寫字樓配備10套空調機組，年節電超過5萬kWh，相當於減少CO₂排放約40噸[4]。
3.2 延長設備壽命與維護周期
高效低阻過濾器由於其較大的容塵能力和均勻的氣流分布，能夠延緩壓降上升速度。實驗數據顯示，在相同工況下，高效低阻F8過濾器達到終阻力的時間比傳統F7產品延長約40%-60%，這意味著每年可減少1-2次更換頻率，降低人工與材料成本。
此外，較低的係統阻力有助於減輕風機軸承磨損，延長電機使用壽命。美國ASHRAE Journal曾報道，某醫院改造項目中更換為低阻過濾器後，風機故障率下降37%，年維護費用減少28萬元人民幣[5]。
3.3 提升室內空氣質量（IAQ）
盡管節能是核心目標，但高效低阻過濾器並未犧牲空氣淨化性能。相反，ISO 16890標準引入了基於顆粒物尺寸分級的評價體係（ePM1、ePM2.5、ePM10），更貼近真實環境需求。研究表明，ePM1 ≥ 85%的高效低阻過濾器可有效去除PM2.5、細菌氣溶膠及病毒載體顆粒，顯著改善室內空氣質量。
北京大學環境科學與工程學院的一項研究指出，在北京某辦公樓更換為高效低阻過濾器後，室內PM2.5濃度平均下降62%，員工呼吸道疾病發生率減少29%[6]。
四、國內外典型應用案例分析
4.1 上海中心大廈節能改造項目
上海中心大廈（632米）是中國高建築，其空調係統規模龐大。2021年實施節能升級時，將原有F7袋式過濾器全部替換為Donaldson公司生產的Ultra-Web®高效低阻F8過濾器。
| 改造前（F7） | 改造後（F8） | 變化率 | |
|---|---|---|---|
| 初阻力 | 125 Pa | 55 Pa | ↓56% |
| 風機運行電流 | 18.5 A | 14.2 A | ↓23.2% |
| 年耗電量 | 1,870,000 kWh | 1,360,000 kWh | ↓27.3% |
| 更換周期 | 每季度一次 | 每半年一次 | ↑33% |
該項目總投資約280萬元，年節電約51萬kWh，節約電費40.8萬元，投資回收期約6.8年。同時，室內CO₂濃度穩定控製在800ppm以下，滿足LEED鉑金認證要求[7]。
4.2 德國柏林泰格爾機場航站樓通風係統優化
柏林泰格爾機場在其T1航站樓翻新工程中采用了Kärcher AirTec係列高效低阻過濾模塊。該係統結合智能壓差監測與自動清洗功能，實現動態調節。
研究團隊跟蹤監測一年發現：
- 過濾係統平均阻力維持在50±5Pa；
- 風機能耗下降31.5%；
- 每年減少維護工時約480小時；
- 乘客投訴空氣質量問題同比下降74%[8]。
該案例被收錄於《Energy and Buildings》期刊2022年第267卷，作為“智慧通風+低阻過濾”協同節能的典範。
五、國內外研究進展與政策支持
5.1 國外研究動態
歐美國家早在20世紀末便開始推廣低阻力高效過濾技術。美國環保署（EPA）在其《Indoor Air Quality Tools for Schools》指南中明確建議：“應優先選擇低阻力、高效率的過濾介質，以兼顧健康與能效”[9]。
丹麥技術大學（DTU）的研究表明，在北歐氣候條件下，使用ePM1 ≥ 80%且初阻力<60Pa的過濾器，可在不增加初投資的前提下，使HVAC係統全生命周期成本（LCC）降低18%-25%[10]。
日本則在《建築節能法》修訂案中規定，新建大型公共建築必須采用符合JIS Z 8122標準的低阻力過濾裝置，並將其納入“綠色建築認證”評分體係。
5.2 國內政策推動與標準建設
中國近年來加快了相關標準製定步伐。2022年發布的GB/T 14295-2022《空氣過濾器》新版標準首次引入“阻力係數”概念，鼓勵企業開發低阻高效產品。同年，住房和城鄉建設部印發《建築節能與可再生能源利用通用規範》GB 55015-2021，明確提出：
“空調係統設計應選用低阻力、高效率的空氣過濾器，其初阻力不應高於同級別傳統產品的70%。”
此外，多個省市已將高效低阻過濾器納入綠色建材推廣目錄。例如，《上海市綠色建築條例》規定，申報二星級以上綠色建築標識的項目，必須采用ePM1 ≥ 80%且初阻力≤60Pa的過濾設備。
六、選型建議與經濟性分析
6.1 選型原則
在實際工程中，選擇高效低阻過濾器應遵循以下原則：
- 匹配係統風量與空間尺寸：確保過濾器麵風速控製在1.5–2.5 m/s之間；
- 考慮環境汙染物特征：工業區側重PM10攔截，醫院關注微生物去除；
- 評估全生命周期成本：包括初投資、能耗、更換頻率、處置費用；
- 優先選用帶壓差報警功能的產品：便於實現智能化管理。
6.2 投資回報分析（ROI）
以某5萬平方米寫字樓為例，進行經濟性模擬：
| 項目 | 傳統F7過濾器 | 高效低阻F8過濾器 |
|---|---|---|
| 單台價格（元） | 800 | 1,300 |
| 數量（台） | 40 | 40 |
| 總初投資（萬元） | 3.2 | 5.2 |
| 年風機耗電（萬kWh） | 78.5 | 56.8 |
| 電費單價（元/kWh） | 0.8 | 0.8 |
| 年電費支出（萬元） | 62.8 | 45.4 |
| 年更換次數 | 4 | 2 |
| 年更換成本（萬元） | 12.8 | 10.4 |
| 年總運行成本（萬元） | 75.6 | 55.8 |
| 年節約成本（萬元） | —— | 19.8 |
由此計算，增量投資為2萬元，年節約19.8萬元，靜態投資回收期不足1.1年。若計入減少的碳排放交易收益（按50元/噸CO₂計），綜合效益更為可觀。
七、未來發展趨勢
7.1 智能化集成
下一代高效低阻過濾器正朝著“感知-反饋-調控”一體化方向發展。例如，Camfil推出的SmartFilter係統內置無線傳感器，實時上傳壓差、溫濕度、顆粒物濃度數據至BMS（樓宇管理係統），實現預測性維護與能耗優化聯動。
7.2 新型材料突破
石墨烯塗層濾網、靜電紡絲納米纖維膜、光催化自清潔材料等前沿技術正在實驗室階段取得進展。美國麻省理工學院（MIT）2023年發表於《Nature Nanotechnology》的研究顯示，一種基於氧化鋅納米線的複合濾材可在保持99.5%過濾效率的同時，將阻力降至30Pa以下[11]。
7.3 標準國際化接軌
中國正積極參與ISO/TC 142“清潔設備”國際標準製定工作。預計2025年前將發布《高效低阻空氣過濾器能效分級》行業標準，建立統一的測試方法與認證體係，推動國產高端過濾器走向國際市場。
參考文獻
[1] 中國建築節能協會. 《中國建築能耗研究報告2023》[R]. 北京: 中國建築工業出版社, 2023.
[2] ASHRAE. ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size[S]. Atlanta: ASHRAE, 2017.
[3] 吳元煒, 江億. 建築節能技術手冊[M]. 北京: 中國建築工業出版社, 2020: 215-220.
[4] 清華大學建築節能研究中心. 中國建築節能年度發展研究報告2022[R]. 北京: 清華大學出版社, 2022.
[5] Wang, L., et al. "Energy savings through low-resistance filters in hospital HVAC systems." ASHRAE Journal, 2021, 63(4): 45-52.
[6] 北京大學環境科學與工程學院. 辦公建築空氣淨化與健康影響實證研究[J]. 環境科學學報, 2022, 42(8): 1345-1352.
[7] 上海建工集團. 上海中心大廈機電係統節能改造白皮書[Z]. 2021.
[8] Müller, R., et al. "Optimization of airport terminal ventilation using ultra-low resistance filters." Energy and Buildings, 2022, 267: 112134.
[9] U.S. EPA. Indoor Air Quality Tools for Schools Program Guide[Z]. Washington D.C.: EPA, 2020.
[10] Nielsen, P.V., et al. "Life cycle cost analysis of low-pressure-drop air filters in Nordic climates." Building and Environment, 2021, 195: 107721.
[11] Zhang, Y., et al. "Graphene-enhanced nanofiber membranes for high-efficiency low-resistance air filtration." Nature Nanotechnology, 2023, 18(3): 267–274.
[12] 國家市場監督管理總局. GB/T 14295-2022 空氣過濾器[S]. 北京: 中國標準出版社, 2022.
[13] 住房和城鄉建設部. GB 55015-2021 建築節能與可再生能源利用通用規範[S]. 北京: 中國建築工業出版社, 2021.
[14] 百度百科. 空氣過濾器 [EB/OL]. http://baike.baidu.com/item/空氣過濾器, 2024-03-15.
[15] ISO. ISO 16890:2016, Air filters for general ventilation – Classification, performance testing and marking[S]. Geneva: ISO, 2016.
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