提升HVAC係統效率：W型組合式高效過濾器的壓降與容塵量分析 引言 在現代建築環境中，暖通空調（Heating, Ventilation and Air Conditioning, HVAC）係統作為保障室內空氣質量、溫濕度調節及能源效率的...
提升HVAC係統效率：W型組合式高效過濾器的壓降與容塵量分析
引言
在現代建築環境中，暖通空調（Heating, Ventilation and Air Conditioning, HVAC）係統作為保障室內空氣質量、溫濕度調節及能源效率的關鍵設備，其運行性能直接影響建築能耗與人體健康。隨著綠色建築理念的普及和節能標準的不斷提高，提升HVAC係統的整體能效已成為工程設計與運維管理中的核心課題之一。其中，空氣過濾器作為空氣處理單元（Air Handling Unit, AHU）的重要組成部分，不僅承擔著去除空氣中顆粒物、微生物等汙染物的功能，其自身的氣動特性（如壓降）和過濾能力（如容塵量）也顯著影響係統的風量輸送效率與長期運行成本。
近年來，W型組合式高效過濾器因其獨特的結構設計和優異的綜合性能，在中高端商業建築、醫院潔淨室、製藥車間及數據中心等對空氣質量要求較高的場所得到廣泛應用。該類過濾器通過將多個濾芯以“W”形折疊方式組合安裝，有效提升了單位麵積的過濾表麵積，從而在相同空間內實現更高的容塵能力和更低的初始壓降。然而，如何科學評估其在實際運行中的壓降變化規律與容塵量累積機製，成為優化係統設計與維護策略的重要依據。
本文旨在係統分析W型組合式高效過濾器在不同工況下的壓降特性與容塵量表現，結合國內外權威研究文獻與產品技術參數，深入探討其對HVAC係統能效的影響機理，並為工程應用提供理論支持與實踐指導。
一、W型組合式高效過濾器的基本結構與工作原理
1.1 結構特征
W型組合式高效過濾器（W-Shape Modular High-Efficiency Filter）是一種采用多褶層疊式濾材並以“W”形幾何排列方式組裝而成的模塊化空氣過濾裝置。其典型結構包括：
- 外框材料：通常采用鍍鋅鋼板、鋁合金或不鏽鋼材質，具備良好的機械強度與耐腐蝕性；
- 濾料材質：主流為超細玻璃纖維（Ultra-fine Glass Fiber），部分高端型號使用聚丙烯（PP）或複合納米纖維材料；
- 分隔物：鋁箔或熱熔膠條用於固定濾紙褶間距離，維持氣流通道穩定性；
- 密封膠：聚氨酯或矽酮密封膠確保邊框與濾料之間的氣密性；
- 支撐網：內外側加裝防穿透金屬網，防止濾材變形或破損。
該結構通過將傳統平板式濾材進行多次折疊，並以“W”形交錯排列，形成多個平行氣流通道，顯著增加了有效過濾麵積。例如，某型號W型過濾器在標準尺寸610×610×292mm下，有效過濾麵積可達4.8㎡，約為同尺寸G4初效板式過濾器的3倍以上。
1.2 工作原理
當含塵空氣流經W型過濾器時，顆粒物主要通過以下四種機製被捕獲：
- 慣性撞擊（Inertial Impaction）：大顆粒因質量較大，在氣流方向改變時無法隨氣流繞過纖維而撞擊並附著於濾材表麵；
- 攔截效應（Interception）：中等粒徑顆粒隨氣流運動時，若其軌跡與纖維表麵接觸即被截留；
- 擴散沉積（Diffusion Deposition）：微小顆粒（<0.1μm）受布朗運動影響，隨機碰撞纖維而被捕集；
- 靜電吸附（Electrostatic Attraction）：部分濾材帶有靜電荷，增強對亞微米級顆粒的吸引力。
上述機製共同作用，使得W型高效過濾器在0.3μm粒徑下的過濾效率可達H13~H14級別（EN 1822標準），滿足ISO 14644-1 Class 5及以上潔淨環境要求。
二、壓降特性分析
2.1 壓降定義及其對HVAC係統的影響
壓降（Pressure Drop），又稱阻力損失，是指空氣通過過濾器前後靜壓之差，單位為帕斯卡（Pa）。它是衡量過濾器氣動性能的核心指標之一。過高的壓降會導致風機需克服更大阻力以維持設定風量，進而增加電機功率消耗，降低係統整體能效。
據美國ASHRAE（American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers）統計，空氣過濾器在HVAC係統總能耗中占比可達10%~30%，其中約70%的能量損耗源於克服過濾器壓降[1]。因此，控製和優化過濾器壓降是實現節能運行的關鍵路徑。
2.2 W型過濾器壓降影響因素
| 影響因素 | 描述 | 典型影響趨勢 |
|---|---|---|
| 濾速（m/s） | 單位麵積通過的風量 | 濾速↑ → 壓降↑（近似平方關係） |
| 濾料密度（g/m²） | 決定纖維堆積程度 | 密度↑ → 初始壓降↑，但效率↑ |
| 褶高與間距 | “W”形結構參數 | 褶高↑、間距↓ → 表麵積↑ → 壓降↓ |
| 容塵量累積 | 運行時間增長導致積塵 | 積塵↑ → 壓降↑（非線性增長） |
| 氣流均勻性 | 進口風速分布是否均勻 | 不均流 → 局部堵塞 → 壓降突增 |
根據清華大學建築技術科學係的研究，W型過濾器在額定風量下的初始壓降一般為180~250 Pa，明顯低於傳統袋式高效過濾器（300~400 Pa）[2]。這得益於其較大的迎風麵積與優化的氣流通道設計。
2.3 實測壓降曲線與模型擬合
德國TÜV Rheinland實驗室曾對一款型號為Camfil GoldStar GS-H13的W型組合式高效過濾器進行全生命周期測試，結果如下表所示：
| 累計運行時間（h） | 平均粒徑（μm） | 累計容塵量（g/m²） | 實測壓降（Pa） | 增長率（%） |
|---|---|---|---|---|
| 0 | — | 0 | 210 | 0 |
| 500 | 0.4 | 120 | 265 | +26.2% |
| 1000 | 0.5 | 245 | 330 | +57.1% |
| 1500 | 0.6 | 360 | 410 | +95.2% |
| 2000 | 0.7 | 470 | 520 | +147.6% |
數據表明，隨著運行時間延長，壓降呈非線性上升趨勢，尤其在後期增速加快。這一現象可用Darcy-Forchheimer方程描述：
$$
Delta P = mu cdot L cdot v cdot A^{-1} + frac{1}{2} rho cdot f cdot v^2
$$
其中：
- $Delta P$：壓降（Pa）
- $mu$：空氣動力粘度（Pa·s）
- $L$：濾層厚度（m）
- $v$：濾速（m/s）
- $A$：滲透率（m²）
- $rho$：空氣密度（kg/m³）
- $f$：慣性阻力係數
該模型已被廣泛應用於歐洲通風協會REHVA的技術指南中，用於預測過濾器壽命與更換周期[3]。
三、容塵量性能研究
3.1 容塵量定義與測試方法
容塵量（Dust Holding Capacity, DHC）指過濾器在達到規定終阻力前所能容納的標準人工塵總量，單位為克每平方米（g/m²）。它是評價過濾器使用壽命和經濟性的關鍵參數。
國際通用測試標準包括：
- ASHRAE 52.2-2017：采用ASHRAE人工塵（ASHRAE Dust）在恒定風速下加載，記錄壓降增至初始值2倍時的累計粉塵質量；
- EN 779:2012（已更新為EN ISO 16890）：適用於普通通風過濾器；
- IEC 61581：針對核電站用高效過濾器；
- 中國國家標準 GB/T 13554-2020《高效空氣過濾器》：明確H10~H14級過濾器的檢測流程與判定準則。
國內天津大學環境科學與工程學院對比了三種結構形式（板式、袋式、W型）高效過濾器的容塵量表現，結果顯示W型結構平均容塵量達500 g/m²以上，較傳統板式高出約60%[4]。
3.2 W型過濾器容塵優勢機製
| 優勢機製 | 說明 |
|---|---|
| 大比表麵積 | “W”形折疊使單位體積內濾材展開麵積大化，延緩局部飽和 |
| 分布式積塵 | 多通道結構促使灰塵分散沉積，避免單一區域快速堵塞 |
| 深層過濾能力 | 高孔隙率濾材允許顆粒進入內部深層捕獲，提升整體負載能力 |
| 自清潔效應 | 在脈衝反吹係統配合下，部分鬆散積塵可被清除，延長壽命 |
日本Nippon Muki公司研發的NanoW係列W型過濾器，采用梯度密度濾紙（外層致密、內層疏鬆），實測容塵量可達620 g/m²，同時保持末期壓降低於600 Pa，顯著優於行業平均水平[5]。
3.3 容塵量與過濾效率的動態關係
值得注意的是，容塵量並非越高越好。隨著積塵增加，過濾效率可能出現“先升後降”的趨勢：
- 初期：微小顆粒填充濾材空隙，形成“二次過濾層”，提升對亞微米粒子的捕集效率；
- 中期：濾層逐漸致密化，氣流通道縮小，壓降上升，但整體效率維持高位；
- 後期：過度積塵導致通道堵塞或濾材破裂，出現“穿漏”現象，效率驟降。
美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）研究表明，當H13級W型過濾器容塵量超過550 g/m²後，0.3μm粒子穿透率可能從初始的0.3%上升至1.8%，接近失效閾值[6]。
四、典型產品參數對比分析
以下選取市場上五款主流W型組合式高效過濾器進行橫向比較：
| 型號 | 生產商 | 標準尺寸（mm） | 效率等級（EN 1822） | 初始壓降（Pa）@0.5m/s | 終阻力（Pa） | 容塵量（g/m²） | 濾料材質 | 適用場景 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil GS-H13 | 瑞典Camfil | 610×610×292 | H13 | 210 | 600 | 520 | 超細玻璃纖維+納米塗層 | 醫院手術室 |
| Donaldson Ultra-Web Z | 美國Donaldson | 592×592×360 | H14 | 240 | 650 | 480 | 聚丙烯熔噴+靜電駐極 | 半導體廠房 |
| Flanders Mini Pleat MP-W | 美國Flanders | 600×600×300 | H13 | 200 | 550 | 500 | 玻璃纖維+熱塑性隔距 | 數據中心 |
| KLC Filter WH Series | 中國蘇州科林 | 610×610×292 | H13 | 220 | 600 | 490 | 玻纖+鋁箔分隔 | 製藥GMP車間 |
| Mitsubishi CleanPak WP-H | 日本三菱 | 484×484×220 | H13 | 195 | 500 | 530 | 複合納米纖維 | 生物安全實驗室 |
注：所有數據基於製造商公開技術手冊及第三方檢測報告整理
從上表可見，盡管各品牌在細節設計上有所差異，但總體呈現以下共性：
- 初始壓降集中在195~240 Pa區間，遠低於早期高效過濾器水平；
- 終阻力普遍設定在500~650 Pa，符合大多數AHU風機揚程能力；
- 容塵量普遍突破480 g/m²，體現W型結構在儲塵能力上的顯著優勢；
- 材料創新趨勢明顯，如納米塗層、靜電駐極等技術的應用進一步提升了綜合性能。
五、國內外研究進展與標準體係
5.1 國際研究動態
歐美國家在空氣過濾領域的研究起步較早，形成了較為完善的理論與標準體係。例如：
- ASHRAE Research Project RP-1678（2018）係統評估了不同類型高效過濾器在真實建築環境中的能耗表現，指出W型結構在全生命周期成本（LCC）方麵比傳統袋式低12%~18%[7]。
- EUROVENT Certification Programme 對W型過濾器實施獨立認證，涵蓋效率、壓降、防火等級（M1/M2）、有毒物質釋放等多項指標。
- 英國CIBSE Guide B（2020版）建議在高利用率建築中優先選用低阻高效過濾器，推薦W型作為節能改造首選方案。
5.2 中國研究與政策導向
我國近年來高度重視室內空氣質量與建築節能協同發展。相關研究成果包括：
- 同濟大學團隊基於CFD模擬發現，W型過濾器內部速度場均勻性比袋式提高約35%，有效減少渦流區形成，降低局部磨損風險[8]。
- 中國建築科學研究院主編的《公共建築節能設計標準》GB 50189-2015明確提出：“宜采用低阻力、高容塵量的高效過濾器”，推動W型產品市場滲透率逐年上升。
- 上海市地方標準DB31/T 1228-2020《醫院建築空氣淨化技術規程》要求Ⅰ類潔淨用房必須配置H13及以上級別W型或等效結構過濾器。
此外，中國環境保護產業協會發布的《空氣過濾器能效分級》團體標準（T/CAEPI 30-2021）首次引入“能效指數”（Filter Efficiency Index, FEI）概念，計算公式為：
$$
FEI = frac{eta{0.3}}{Delta P{initial}}
$$
其中$eta{0.3}$為0.3μm粒子計數效率（%），$Delta P{initial}$為初始壓降（Pa）。該指標可用於量化比較不同過濾器的“性價比”性能，W型產品普遍得分高於其他類型。
六、實際工程應用案例分析
案例一：北京某三甲醫院潔淨手術部改造項目
原係統采用傳統袋式H13過濾器，運行三年後頻繁報警更換，年均更換次數達4次，單台成本約8,000元。2022年升級為W型組合式過濾器（KLC WH-610），監測數據顯示：
- 初始壓降由320 Pa降至210 Pa；
- 風機功耗下降18.7%；
- 更換周期延長至18個月，年節約運維費用超20萬元；
- 手術室顆粒物濃度穩定控製在ISO Class 5以內。
案例二：深圳騰訊濱海大廈數據中心
該數據中心采用集中式AHU係統，全年不間斷運行。引入Camfil W型過濾器後，結合智能壓差監控係統，實現：
- 壓降預警閾值設為500 Pa，自動觸發更換提醒；
- 年度電耗減少約15萬kWh；
- IT設備故障率因空氣質量改善下降12%。
參考文獻
[1] ASHRAE. Handbook—HVAC Systems and Equipment. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2020.
[2] 張寅平, 趙彬. 《建築環境學》. 清華大學出版社, 2019.
[3] REHVA. Guidebook No. 23: Air Filters in Building Services Engineering. 2017.
[4] 李先庭等. “高效空氣過濾器結構形式對性能影響的實驗研究”. 《暖通空調》, 2021, 51(3): 1–7.
[5] Nippon Muki Co., Ltd. Technical Brochure: NanoW Series High Efficiency Filters. 2022.
[6] Singer, B.C., et al. Performance of High-Efficiency Particulate Air (HEPA) Filters Under Loading Conditions. LBNL Report LBNL-200115, 2019.
[7] ASHRAE Research Project RP-1678 Final Report. Life-Cycle Cost Analysis of HVAC Filtration Systems, 2018.
[8] 吳靜怡, 沈晉明. “W型高效過濾器內部流場數值模擬研究”. 《製冷與空調》, 2020, 20(5): 45–50.
[9] GB/T 13554-2020《高效空氣過濾器》. 國家市場監督管理總局, 2020.
[10] EN 1822:2019 High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA). CEN, European Committee for Standardization.
（全文約3,800字）
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