高校體育館大風量通風係統G4級板式過濾器壓差報警設計 一、引言 隨著我國高等教育事業的快速發展，高校基礎設施建設不斷升級，體育場館作為校園文化建設的重要組成部分，其使用頻率和人員密度顯著增加...
高校體育館大風量通風係統G4級板式過濾器壓差報警設計
一、引言
隨著我國高等教育事業的快速發展，高校基礎設施建設不斷升級，體育場館作為校園文化建設的重要組成部分，其使用頻率和人員密度顯著增加。為保障室內空氣質量（IAQ）、提升運動員與觀眾的健康舒適度，現代高校體育館普遍采用大風量通風空調係統（HVAC）。在此類係統中，空氣過濾是保證空氣潔淨度的關鍵環節，而G4級板式初效過濾器因其高效除塵能力、較低阻力和經濟性被廣泛應用於新風段或混合風段。
然而，在長期運行過程中，過濾器表麵積聚灰塵導致阻力上升，影響係統風量穩定性和能耗效率，嚴重時甚至引發風機過載或係統停機。因此，科學合理地設置壓差報警裝置，實現對G4級板式過濾器狀態的實時監測與預警，已成為現代智能建築運維管理中的重要技術手段。
本文將圍繞“高校體育館大風量通風係統中G4級板式過濾器壓差報警設計”展開深入探討，涵蓋係統需求分析、過濾器選型參數、壓差傳感器配置原則、報警邏輯設定、典型工程案例及國內外研究進展，並結合權威文獻支持論點，力求構建一套科學、可靠、可複製的設計方案。
二、高校體育館通風係統特點與需求分析
2.1 使用場景特征
高校體育館通常具有以下特點：
- 高人流量：比賽日、訓練時段人員密集，CO₂濃度易超標；
- 空間體積大：單體建築麵積常達數千至上萬平方米，層高超過10米；
- 多功能用途：承辦賽事、集會、演出等，負荷波動劇烈；
- 季節性強：冬夏兩季需大量冷熱負荷調節，通風需求突出。
據《民用建築供暖通風與空氣調節設計規範》GB 50736-2012規定，體育館人員密度按每平方米0.2~0.5人計，人均新風量不得低於30 m³/(h·人)，部分區域如觀眾席、更衣室要求更高[1]。
2.2 大風量通風係統構成
典型的高校體育館通風係統包括：
| 組件 | 功能說明 |
|---|---|
| 新風機組（AHU） | 混合新風與回風，進行溫濕度處理 |
| G4級初效過濾器 | 安裝於新風入口，攔截≥5μm顆粒物 |
| F7/F8中效過濾器 | 二級過濾，進一步淨化空氣 |
| 風機單元 | 提供係統所需風壓與風量 |
| 變頻控製係統 | 調節風量以適應負荷變化 |
| 壓差開關/變送器 | 監測過濾器前後壓降 |
其中，G4級板式過濾器位於係統前端，承擔主要粉塵攔截任務。若未及時更換，其阻力持續上升，不僅降低送風效率，還可能造成風機喘振、電耗上升等問題。
三、G4級板式過濾器技術參數與性能指標
3.1 過濾等級定義（EN 779:2012 / ISO 16890）
根據歐洲標準EN 779:2012《Particulate air filters for general ventilation》，G級屬於粗效過濾器範疇，適用於去除大氣塵中的大顆粒物。G4級具體性能如下：
| 參數項 | 技術指標 |
|---|---|
| 標準依據 | EN 779:2012 |
| 效率測試粒徑 | ≥5 μm |
| 計重效率 | ≥90% |
| 初始阻力（額定風速下） | ≤90 Pa |
| 終阻力建議值 | 250–350 Pa |
| 濾料材質 | 合成纖維無紡布或棉纖混織 |
| 框架材料 | 鍍鋅鋼板或鋁合金 |
| 工作溫度範圍 | -20℃ ~ +70℃ |
| 額定風速 | 2.5 m/s |
注：我國現行標準《空氣過濾器》GB/T 14295-2019已逐步向ISO 16890過渡，但G級仍沿用較多。
資料來源：ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment (2020)[2]
3.2 常見G4板式過濾器型號對比
下表列舉國內主流廠商產品參數（數據來源於廠家樣本）：
| 型號 | 尺寸（mm） | 初阻（Pa） | 終阻（Pa） | 額定風量（m³/h） | 濾料厚度（mm） | 更換周期（月） | 生產商 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| G4-595×595×46 | 595×595×46 | 45 | 300 | 2,800 | 21 | 3–6 | 蘇州佳環 |
| G4-610×610×50 | 610×610×50 | 50 | 320 | 3,000 | 25 | 4–8 | 上海菲特爾莫古 |
| G4-1000×500×46 | 1000×500×46 | 48 | 280 | 4,200 | 21 | 3–5 | 廣州科沛達 |
| G4-800×800×60 | 800×800×60 | 55 | 350 | 5,500 | 30 | 5–10 | 北京同方潔淨 |
注：實際阻力受積塵速度、空氣質量、運行時間影響較大。
四、壓差報警係統設計原理
4.1 壓差監測必要性
當G4過濾器表麵捕集顆粒物後，流通截麵減小，氣流通過時產生更大阻力。該阻力表現為過濾器前後的靜壓差。若不加以監控，可能導致：
- 係統風量下降 >15%，影響換氣效率；
- 風機電流升高，能耗增加；
- 表冷器結露風險加大；
- 自動控製係統誤判為“風閥故障”。
美國ASHRAE Standard 62.1-2019明確指出：“所有大於500 L/s的新風係統應配備過濾器壓差指示裝置。”[3]
4.2 壓差測量方式分類
| 類型 | 原理 | 精度 | 成本 | 應用場景 |
|---|---|---|---|---|
| 機械式壓差開關 | 利用膜片感應壓力差觸發微動開關 | ±10 Pa | 低 | 簡單報警 |
| 電子壓差變送器 | 將壓差轉換為4–20mA或0–10V信號輸出 | ±1 Pa | 中高 | BMS集成 |
| 數字顯示壓差計 | 內置LCD屏，本地讀數+繼電器輸出 | ±0.5 Pa | 高 | 實驗室級監測 |
推薦在高校體育館中采用電子壓差變送器+樓宇自控係統（BAS）聯動報警模式。
五、壓差報警係統設計要點
5.1 傳感器選型與安裝位置
（1）選型參數建議
| 參數 | 推薦值 |
|---|---|
| 量程 | 0–500 Pa |
| 輸出信號 | 4–20 mA DC |
| 供電電壓 | 24 V AC/DC |
| 精度等級 | ≤±2% FS |
| 響應時間 | <1 s |
| 防護等級 | IP54以上 |
| 接口類型 | G1/4螺紋或軟管連接 |
典型產品示例：Siemens QBM65.2-A、Honeywell P755係列、Rosemount 2088DP。
（2）取壓點布置圖示
[新風入口] → [G4過濾器] → [表冷器]
↑ ↑
取壓管A 取壓管B
↓ ↓
連接至壓差變送器正負端- A點：過濾器上遊（進風側），距過濾器表麵≥100mm；
- B點：過濾器下遊（出風側），同樣保持距離；
- 取壓管宜采用Φ6–8mm PVC軟管，避免彎曲折疊；
- 管路應有輕微坡度防止積水。
5.2 報警閾值設定
根據GB 50736附錄D及工程實踐，建議設置兩級報警：
| 報警級別 | 設定值（Pa） | 觸發動作 | 響應時間 |
|---|---|---|---|
| 一級預警 | 150 | BAS彈窗提示，短信通知維保人員 | 即時 |
| 二級報警 | 250 | 強製彈出報警，記錄事件日誌，啟動工單係統 | 即時 |
| 終阻保護 | 350 | 聯鎖停機或切換備用機組（如有） | 延時5min確認 |
注：初始壓差應在調試階段實測並錄入係統數據庫。
5.3 控製邏輯流程圖
開始
↓
讀取壓差傳感器數值
↓
是否 > 150 Pa？ ──否──→ 返回
↓ 是
觸發一級預警（黃燈）
↓
是否 > 250 Pa？ ──否──→ 持續監控
↓ 是
觸發二級報警（紅燈），發送通知
↓
是否 > 350 Pa？ ──否──→ 繼續運行
↓ 是
延時檢測5分鍾
↓
確認超限 → 執行聯鎖控製
↓
結束該邏輯可通過PLC或DDC控製器編程實現。
六、係統集成與智能化運維
6.1 與樓宇自動化係統（BAS）集成
現代高校多采用基於BACnet或Modbus協議的BAS平台。壓差數據可通過以下方式接入：
| 集成方式 | 描述 | 優勢 |
|---|---|---|
| 硬接線接入 | 4–20mA信號直連DDC模塊 | 穩定可靠，延遲低 |
| Modbus RTU通信 | RS485總線傳輸數字信號 | 節省布線，便於擴展 |
| BACnet MS/TP | 標準樓宇協議，兼容性強 | 易於與其他設備聯動 |
例如，清華大學某體育館項目中，采用Johnson Controls Metasys係統，實現了對全部24台AHU的過濾器壓差集中監控，曆史數據保存長達兩年，支持趨勢分析與預測性維護[4]。
6.2 數據可視化與移動端推送
借助物聯網（IoT）技術，可將壓差信息上傳至雲平台，實現：
- 實時圖表展示各機組過濾器狀態；
- 自動生成維護建議報告；
- 微信/釘釘推送異常報警；
- 結合氣象數據預測堵塞速率。
浙江大學紫金港校區體育中心即采用了阿裏雲Link IoT平台，實現“無人值守+智能提醒”的管理模式[5]。
七、國內外研究現狀與發展趨勢
7.1 國外研究進展
歐美國家早在上世紀90年代便重視過濾器狀態監測。美國ASHRAE Research Project RP-1477提出“基於壓差的過濾器壽命預測模型”，認為壓差增長率與環境含塵量呈正相關[6]。
丹麥技術大學（DTU）學者Nielsen等人研究發現，在PM₁₀濃度為80 μg/m³的城市環境中，G4過濾器平均壽命僅為4個月；而在清潔地區可達12個月以上[7]。
德國DIN 1946-6標準明確規定：“通風係統必須配備視覺或電信號指示過濾器堵塞情況。”並推薦使用連續測量而非僅開關量報警[8]。
7.2 國內研究成果
中國建築科學研究院牽頭編製的《公共建築節能設計標準》GB 50189-2015強調：“應設置空氣過濾器阻力監測和報警措施。”
同濟大學暖通團隊在《暖通空調》期刊發表論文指出，上海地區高校體育館G4過濾器年均更換次數達3.2次，主要原因為春季楊絮與道路揚塵複合汙染[9]。
此外，華南理工大學開發了基於BP神經網絡的過濾器堵塞預測算法，利用曆史壓差數據訓練模型，提前7天預警更換時機，準確率達86%以上[10]。
八、典型工程應用案例分析
案例：武漢大學卓爾體育館通風係統改造項目
- 建築麵積：約1.8萬㎡
- 係統風量：單台AHU 60,000 m³/h，共3台
- 過濾配置：G4初效 + F7中效
- 壓差監測方案：
- 每台AHU配置Honeywell P755A-005-DW壓差變送器（0–500 Pa）
- 輸出4–20mA信號接入Honeywell XL10 DDC控製器
- 報警閾值設為150/250 Pa
- 數據上傳至iCentro樓宇管理平台
運行效果（2022年度統計）：
| 指標 | 改造前 | 改造後 |
|---|---|---|
| 平均風量衰減 | 22% | <8% |
| 年電費支出（萬元） | 147 | 123 |
| 過濾器非計劃更換次數 | 5次/年 | 1次/年 |
| 故障響應時間 | >24小時 | <2小時 |
該項目獲得湖北省綠色建築創新獎二等獎，成為高校智慧能源管理示範工程。
九、常見問題與對策
| 問題現象 | 可能原因 | 解決方案 |
|---|---|---|
| 壓差讀數跳變 | 取壓管漏氣或積水 | 檢查管路密封性，增設排水彎 |
| 報警頻繁誤報 | 傳感器零點漂移 | 定期校準（建議每年一次） |
| 無報警但風量不足 | 過濾器安裝不當形成旁通 | 檢查密封條完整性 |
| 數據無法上傳BAS | 通訊協議不匹配 | 增加Modbus轉BACnet網關 |
十、結論與展望（略去結語部分）
參考文獻
[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 《民用建築供暖通風與空氣調節設計規範》GB 50736-2012[S]. 北京: 中國建築工業出版社, 2012.
[2] ASHRAE. ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2020.
[3] ASHRAE. Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality, ANSI/ASHRAE Standard 62.1-2019[S]. 2019.
[4] 李明, 王磊. 清華大學體育場館智能控製係統設計[J]. 智能建築, 2021(5): 44–48.
[5] 浙江大學後勤集團. 紫金港校區體育中心智慧運維白皮書[R]. 杭州: 浙江大學, 2022.
[6] ASHRAE Research Report. RP-1477: Development of Filter Life Prediction Models Based on Differential Pressure Growth Rates. 2017.
[7] Nielsen, P.A., et al. "Field study on filter clogging in urban and rural environments." Indoor Air, 2015, 25(3): 267–278.
[8] DIN. DIN 1946-6: Ventilation in residential buildings – Part 6: Requirements for ventilation systems. Berlin: Beuth Verlag, 2020.
[9] 張偉, 劉洋. 上海地區高校體育館空氣過濾器運行特性實測分析[J]. 暖通空調, 2020, 50(8): 112–117.
[10] 陳誌遠, 黃凱. 基於神經網絡的空調過濾器堵塞預測方法研究[J]. 建築科學, 2021, 37(4): 88–94.
[11] 百度百科. “空氣過濾器”詞條 [EB/OL]. http://baike.baidu.com/item/空氣過濾器, 2023年更新.
[12] ISO. ISO 16890:2016(E) – Air filters for general ventilation – Classification, performance testing and marking. Geneva: International Organization for Standardization, 2016.
本文內容參考國內外權威標準、學術論文及工程實踐資料，力求數據真實、結構清晰、論述嚴謹，適用於高校基建部門、設計院所及 HVAC 工程技術人員參考使用。
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