組合式中效過濾器在HVAC係統中的能效優化應用 一、引言 隨著全球能源消耗的持續增長和建築能耗占比的不斷上升，暖通空調係統（Heating, Ventilation and Air Conditioning, HVAC）作為建築能耗的主要組...
組合式中效過濾器在HVAC係統中的能效優化應用
一、引言
隨著全球能源消耗的持續增長和建築能耗占比的不斷上升，暖通空調係統（Heating, Ventilation and Air Conditioning, HVAC）作為建築能耗的主要組成部分，其能效優化問題日益受到關注。根據國際能源署（IEA）發布的《2023年全球建築與建築能效報告》，建築運行能耗占全球終端能源消費的30%以上，其中HVAC係統的能耗占比高達40%-60%。在中國，根據《中國建築節能年度發展研究報告2023》顯示，公共建築中HVAC係統的年均能耗約占建築總能耗的50%以上。
在HVAC係統中，空氣過濾器作為保障室內空氣質量（IAQ）和係統運行效率的關鍵部件，其性能直接影響係統的能耗水平。傳統上，過濾器主要關注過濾效率，而忽視了其對係統壓降和風機能耗的影響。近年來，組合式中效過濾器因其在過濾效率與氣流阻力之間的良好平衡，逐漸成為HVAC係統能效優化的重要技術手段。
本文將係統闡述組合式中效過濾器在HVAC係統中的應用背景、技術原理、關鍵參數、能效優化機製，並結合國內外研究成果，分析其在實際工程中的應用效果與發展趨勢。
二、組合式中效過濾器的技術原理與結構特征
2.1 定義與分類
組合式中效過濾器是一種集成多個過濾單元的模塊化空氣過濾設備，通常采用袋式或板式結構，過濾等級符合GB/T 14295-2019《空氣過濾器》標準中的F5-F9級別，對應歐洲標準EN 779:2012中的G4-F9等級。其“組合式”特征體現在模塊化設計，便於安裝、更換和維護，適用於大型中央空調係統、潔淨廠房、醫院、數據中心等場所。
根據結構形式，組合式中效過濾器可分為：
- 袋式組合過濾器：由多個濾袋並列組成，有效過濾麵積大，容塵量高。
- 板式組合過濾器：采用多層濾紙或合成纖維材料，結構緊湊，適用於空間受限場合。
2.2 工作原理
組合式中效過濾器通過物理攔截、慣性碰撞、擴散效應和靜電吸附等機製去除空氣中的顆粒物（PM10、PM2.5、花粉、灰塵等）。其中，中效過濾器主要針對粒徑在0.4μm至10μm之間的顆粒物，過濾效率在40%-90%之間（按EN 779標準測試）。
三、組合式中效過濾器的關鍵性能參數
為評估其在HVAC係統中的能效表現，需重點關注以下技術參數：
| 參數名稱 | 定義 | 典型值範圍 | 測試標準 |
|---|---|---|---|
| 初阻力（Pa） | 新過濾器在額定風量下的壓降 | 80-150 Pa | GB/T 14295-2019 |
| 終阻力（Pa） | 過濾器達到容塵量上限時的壓降 | ≤300 Pa | GB/T 14295-2019 |
| 額定風量（m³/h） | 設計通過風量 | 1000-10000 m³/h（單模塊） | — |
| 過濾效率（%） | 對0.4μm顆粒的捕集率 | F5: 40-60%; F7: 80-90% | EN 779:2012 |
| 容塵量（g） | 過濾器可容納的灰塵總量 | 300-800 g | ASHRAE 52.2 |
| 濾料材質 | 常用材料 | 玻璃纖維、聚酯纖維、PP無紡布 | — |
| 使用壽命（月） | 正常工況下更換周期 | 6-12個月 | — |
| 能效等級 | 基於能耗的分類 | IEA推薦A級以上 | ISO 16890 |
注：數據綜合自《暖通空調》期刊2022年第52卷第8期及Camfil、AAF等國際廠商技術手冊。
四、組合式中效過濾器在HVAC係統中的能效影響機製
4.1 壓降與風機能耗的關係
HVAC係統中，風機能耗占總能耗的30%-50%。根據流體力學原理，風機功率與風量的立方成正比，與係統總壓降成正比。過濾器作為係統阻力的重要組成部分，其壓降直接影響風機能耗。
風機功率計算公式如下：
[
P = frac{Q times Delta P}{eta}
]
其中：
- ( P )：風機功率（W）
- ( Q )：風量（m³/s）
- ( Delta P )：係統壓降（Pa）
- ( eta )：風機效率（通常取0.6-0.8）
以某辦公建築為例，若采用初阻力為120Pa的組合式中效過濾器（F7級），相比傳統初阻力180Pa的過濾器，可降低係統壓降60Pa。在風量為10,000 m³/h（約2.78 m³/s）條件下，假設風機效率為0.7，則功率節省為：
[
Delta P = 60 , text{Pa}, quad Delta W = frac{2.78 times 60}{0.7} approx 238 , text{W}
]
全年運行3000小時，可節電約714 kWh，按電價0.8元/kWh計算，年節約電費571元/台機組。
4.2 過濾效率與能耗的平衡
高過濾效率雖能提升室內空氣質量，但往往伴隨更高的壓降和能耗。美國ASHRAE Standard 52.2指出，過濾器選擇應在IAQ與能耗之間尋求優平衡。組合式中效過濾器（F7-F8）在保證較高過濾效率的同時，通過優化濾料結構和氣流分布，實現較低的運行阻力。
據清華大學建築節能研究中心2021年對北京10棟公共建築的實測數據顯示，采用F7級組合式中效過濾器的係統，相比F9級高效過濾器，年均風機能耗降低18%-25%，而室內PM2.5濃度仍可控製在35μg/m³以下，滿足GB 3095-2012《環境空氣質量標準》要求。
五、國內外研究進展與應用案例
5.1 國內研究現狀
中國建築科學研究院（CABR）在“十三五”國家重點研發計劃項目“建築環境與能源係統智能化控製技術”中，對組合式中效過濾器的能效優化進行了係統研究。研究發現，在典型辦公建築中，采用低阻高容塵的組合式F7過濾器，相比傳統F6板式過濾器，係統年綜合能耗降低約12.3%。
同濟大學暖通實驗室（2022）通過CFD模擬與實測結合，優化了組合式過濾器的氣流分布設計，使局部流速偏差控製在±15%以內，有效避免了“短路”現象，提升了過濾效率與使用壽命。
5.2 國外研究與標準
美國ASHRAE在其《HVAC Systems and Equipment Handbook》中明確指出，中效過濾器（MERV 13-16）在商業建築中具有佳的性價比。歐洲Eurovent認證中心發布的《Air Filter Energy Efficiency Classification》將過濾器按“能耗因子”（Energy Factor, EF）分類，推薦使用EF≤0.5的低能耗產品。
瑞典Camfil公司研發的“City M”係列組合式中效過濾器，采用納米纖維複合濾料，初阻力僅為90Pa（F8級），容塵量達650g，經實測在某數據中心應用中，年節電達15%以上（Camfil, 2022）。
德國弗勞恩霍夫建築物理研究所（Fraunhofer IBP）在2020年對歐洲12個城市醫院HVAC係統的調研顯示，采用組合式中效過濾器的係統，平均維護成本降低20%，設備故障率下降35%。
六、組合式中效過濾器的選型與係統匹配策略
6.1 選型原則
| 選型因素 | 推薦標準 | 說明 |
|---|---|---|
| 過濾等級 | F7-F8（MERV 13-15） | 平衡IAQ與能耗 |
| 初阻力 | ≤120 Pa | 降低風機負荷 |
| 容塵量 | ≥500 g | 延長更換周期 |
| 模塊化設計 | 支持現場拚裝 | 適應不同風量需求 |
| 防火等級 | UL900 Class 1 或 GB 8624 B1級 | 滿足建築防火要求 |
| 氣密性 | 泄漏率≤0.01% | 防止旁通汙染 |
6.2 係統集成優化
- 與變風量係統（VAV）協同：在VAV係統中，風量隨負荷變化，組合式過濾器應具備寬風量適應能力（如40%-100%額定風量範圍內穩定運行）。
- 智能監控與更換預警：加裝壓差傳感器，實時監測過濾器阻力，當達到終阻力80%時自動報警，避免過度壓降。
- 前後級過濾協同：建議采用“初效+中效”兩級過濾，初效（G4級）攔截大顆粒，保護中效過濾器，延長其壽命。
七、實際工程應用案例分析
案例一：上海某甲級寫字樓HVAC係統改造
- 項目背景：建築麵積12萬㎡，原有係統采用F6板式過濾器，初阻力160Pa，年風機能耗約180萬kWh。
- 改造方案：更換為F7級組合式袋式過濾器（初阻力110Pa，容塵量600g）。
- 實施效果：
- 係統壓降降低50Pa；
- 年節電約10.8萬kWh（節能率6%）；
- 過濾器更換周期由6個月延長至9個月；
- 室內PM2.5年均濃度下降23%。
案例二：深圳某數據中心精密空調係統
- 需求：高潔淨度、低能耗、高可靠性。
- 方案：采用F8級組合式過濾器，配合壓差監控與自動報警係統。
- 運行數據（2023年全年）：
- 平均壓降：135Pa；
- 年耗電較原係統減少12.7%；
- 無因過濾器堵塞導致的停機事件。
八、組合式中效過濾器的未來發展趨勢
8.1 智能化與數字化
隨著建築物聯網（BIM+IoT）的發展，智能過濾器將成為趨勢。集成傳感器的過濾器可實時上傳壓差、溫濕度、容塵量等數據，結合AI算法預測更換時間，優化運維策略。
8.2 新型濾料技術
- 納米纖維濾料：孔徑更小，過濾效率高，阻力低；
- 靜電增強濾料：通過駐極處理提升對亞微米顆粒的捕集能力；
- 可再生濾料：支持水洗或靜電除塵後重複使用，降低碳排放。
8.3 能效標準升級
中國正在製定《空氣過濾器能效限定值及能效等級》國家標準，預計將參考ISO 16890標準，按ePM1、ePM2.5等指標劃分能效等級，推動低能耗過濾器的普及。
九、經濟性與環境效益分析
9.1 投資回報分析（以單台AHU為例）
| 項目 | 傳統F6板式過濾器 | 組合式F7袋式過濾器 |
|---|---|---|
| 單價（元） | 800 | 1500 |
| 使用壽命 | 6個月 | 9個月 |
| 年更換成本 | 1600元 | 2000元 |
| 年風機能耗（kWh） | 25,000 | 22,000 |
| 年電費（0.8元/kWh） | 20,000元 | 17,600元 |
| 年總成本 | 21,600元 | 19,600元 |
| 年節約成本 | — | 2,000元 |
注：數據基於風量10,000 m³/h，運行3000小時/年。
9.2 碳減排效益
按每kWh電耗排放0.5kg CO₂計算，采用組合式中效過濾器年節電2,400 kWh，可減少CO₂排放1.2噸。若全國10萬套大型HVAC係統推廣，年減排量可達120萬噸。
十、常見問題與維護建議
10.1 常見問題
| 問題 | 原因 | 解決方案 |
|---|---|---|
| 壓差上升過快 | 前級過濾失效或環境粉塵高 | 檢查初效過濾器，加強環境清潔 |
| 濾袋破損 | 安裝不當或風速過高 | 規範安裝，控製麵風速≤2.5 m/s |
| 氣流分布不均 | 框架密封不良 | 檢查密封條，確保無泄漏 |
10.2 維護建議
- 定期檢查壓差表，建議每月記錄一次；
- 更換時整組更換，避免新舊混用；
- 儲存於幹燥環境，避免受潮；
- 廢棄過濾器按醫療或工業固廢處理，防止二次汙染。
參考文獻
- 國家標準《空氣過濾器》（GB/T 14295-2019）[S]. 北京：中國標準出版社，2019.
- ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size [S]. Atlanta: ASHRAE, 2017.
- Camfil. City M Energy Efficient Air Filter Technical Data Sheet [EB/OL]. http://www.camfil.com, 2022.
- 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2023》[R]. 北京：中國建築工業出版社，2023.
- 同濟大學暖通空調研究所. 組合式過濾器氣流均勻性優化研究[J]. 暖通空調，2022, 52(8): 45-50.
- Fraunhofer IBP. Energy Efficiency of HVAC Filters in European Hospitals [R]. Stuttgart: Fraunhofer, 2020.
- ISO 16890:2016, Air filters for general ventilation — Classification, performance, testing [S]. Geneva: ISO, 2016.
- 中國建築科學研究院. “十三五”國家重點研發計劃項目報告：建築環境與能源係統智能化控製技術[R]. 北京，2021.
- International Energy Agency (IEA). Energy Efficiency 2023 [R]. Paris: IEA, 2023.
- 歐洲Eurovent認證中心. Air Filter Energy Efficiency Classification [S]. Brussels: Eurovent, 2019.
- 百度百科. 空氣過濾器[EB/OL]. http://baike.baidu.com/item/空氣過濾器, 2024.
- AAF International. Duravex® M6 Combination Panel Filter Product Guide [Z]. 2021.
（全文約3,600字）
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