高效過濾器箱體結構設計對氣流均勻性的影響研究 一、引言 高效空氣過濾器（High-Efficiency Particulate Air Filter，簡稱HEPA）廣泛應用於潔淨室、醫院手術室、實驗室、製藥車間等對空氣質量要求極高...
高效過濾器箱體結構設計對氣流均勻性的影響研究
一、引言
高效空氣過濾器（High-Efficiency Particulate Air Filter，簡稱HEPA）廣泛應用於潔淨室、醫院手術室、實驗室、製藥車間等對空氣質量要求極高的環境中。其主要功能是通過物理攔截和吸附作用去除空氣中0.3微米以上的顆粒物，過濾效率可達99.97%以上。然而，高效過濾器的性能不僅取決於濾材本身的質量，還受到其安裝結構、係統風道布局以及箱體設計等多種因素的影響。
其中，高效過濾器箱體結構的設計直接影響到氣流在過濾器表麵的分布情況，進而影響整個淨化係統的效率與能耗。一個合理的箱體結構可以顯著提升氣流均勻性，減少局部高風速或低風速區域的出現，從而提高過濾效率並延長濾材使用壽命。因此，研究箱體結構對氣流均勻性的影響具有重要的理論價值和實際意義。
本文將從高效過濾器的基本原理出發，分析不同箱體結構形式對氣流均勻性的影響機製，並結合國內外研究成果，提出優化設計建議。
二、高效過濾器的工作原理與性能參數
2.1 HEPA過濾器的工作原理
高效空氣過濾器主要依賴以下幾種機製來捕獲空氣中的顆粒物：
- 慣性撞擊（Impaction）：大顆粒因慣性偏離氣流方向而撞擊纖維被捕獲。
- 截留（Interception）：中等大小顆粒沿氣流行進時接觸纖維被吸附。
- 擴散（Diffusion）：小顆粒由於布朗運動與纖維接觸而被捕獲。
這些機製共同作用，使得HEPA過濾器能夠實現對亞微米級顆粒的高效過濾。
2.2 主要性能參數
| 參數名稱 | 定義 | 典型值範圍 |
|---|---|---|
| 過濾效率 | 對0.3 μm顆粒的過濾效率 | ≥99.97% |
| 初始阻力 | 新過濾器在額定風量下的壓降 | 150~250 Pa |
| 終阻力 | 更換前的大允許壓降 | 400~600 Pa |
| 額定風量 | 設計工作狀態下的空氣流量 | 500~2000 m³/h |
| 濾材材質 | 常用玻璃纖維或合成材料 | 玻璃纖維、PP等 |
| 使用壽命 | 在正常工況下使用時間 | 1~3年 |
三、箱體結構對氣流均勻性的影響機製
高效過濾器通常安裝於通風係統的末端，如風機過濾單元（FFU）、潔淨棚、層流罩等設備中。其箱體結構包括進風口、均流板、濾芯安裝腔、出風口等多個部分。各部分的設計對氣流的組織方式有直接影響。
3.1 氣流均勻性的定義與評價指標
氣流均勻性通常指過濾器表麵各點風速的差異程度。常用評價指標包括：
-
速度不均勻度（Velocity Non-uniformity Index, VNI）
[ VNI = frac{V{max} – V{min}}{V_{avg}} times 100% ] -
標準差法：計算多個測點風速的標準差以評估波動程度。
-
CFD模擬結果分析：通過數值模擬獲取全場風速分布，用於預測和優化結構。
3.2 不同結構部件對氣流均勻性的影響
（1）進風口設計
進風口的形狀、位置和數量決定了氣流進入箱體的初始條件。常見的進風口形式包括：
| 類型 | 特點 | 影響 |
|---|---|---|
| 中心進風 | 氣流集中進入，易造成中心區域風速過高 | 易形成渦流，不均勻性強 |
| 周邊進風 | 氣流沿四周進入，有助於分散氣流 | 提高均勻性 |
| 多孔板進風 | 采用多孔金屬板作為入口，起到初步均流作用 | 可有效降低速度梯度 |
研究表明，周邊進風+多孔板組合可使VNI降低約15%~20%（Zhang et al., 2020）。
（2）均流板的作用
均流板（Perforated Plate）位於濾芯前段，用於調整氣流方向、降低湍流強度，提高氣流穩定性。
| 材質類型 | 孔徑（mm） | 開孔率（%） | 效果評價 |
|---|---|---|---|
| 不鏽鋼多孔板 | 2~5 | 30~50 | 耐腐蝕，調節能力強 |
| 塑料多孔板 | 3~6 | 40~60 | 成本低，但易老化變形 |
| 網格式格柵 | — | — | 結構簡單，但調節能力有限 |
根據《暖通空調》期刊報道，合理設置均流板可使出口風速標準差下降20%以上（王等，2018）。
（3）濾芯安裝腔結構
濾芯安裝腔的幾何形狀、尺寸及密封性也會影響氣流分布。例如：
- 矩形腔體：結構簡單，便於製造，但可能造成四角風速偏低。
- 圓弧過渡腔體：可減少渦流，改善邊緣區域風速。
- 分層結構：適用於大型過濾器，可分段控製氣流。
研究表明，采用圓弧過渡結構可使邊緣區域風速提升約10%，整體均勻性提高（Li et al., 2021）。
（4）出風口設計
出風口的設計需考慮與下遊設備（如潔淨室送風口）的匹配問題。若出風口麵積過小或存在突變，將導致氣流加速或回流現象。
四、實驗與數值模擬方法
為了準確評估箱體結構對氣流均勻性的影響，研究人員通常采用以下兩種方法：
4.1 實驗測試方法
實驗測試常采用風速儀（熱線風速儀、激光多普勒測速儀）在過濾器表麵布置多個測點，測量風速分布。測試流程如下：
- 設定額定風量；
- 布置測點網格（如5×5或10×10）；
- 測量各點風速；
- 計算平均風速、大/小風速、VNI等指標。
優點：真實反映實際運行狀態；缺點：成本高、周期長。
4.2 CFD數值模擬方法
計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）已成為研究氣流分布的重要工具。常用的軟件包括ANSYS Fluent、COMSOL Multiphysics等。
CFD建模步驟如下：
- 構建三維幾何模型；
- 劃分網格；
- 設置邊界條件（入口風量、出口壓力等）；
- 選擇湍流模型（如k-ε模型）；
- 求解並後處理數據。
CFD模擬的優勢在於可快速對比多種設計方案，提前發現潛在流動問題。
五、國內外研究現狀綜述
5.1 國內研究進展
近年來，國內高校和科研機構在高效過濾器結構優化方麵取得了一係列成果。
- 清華大學（張等，2019）通過CFD模擬比較了三種進風方式對氣流均勻性的影響，認為周邊進風+均流板組合效果佳。
- 東南大學（李等，2020）研究了不同開孔率均流板對氣流分布的影響，發現開孔率為50%時均勻性優。
- 中國建築科學研究院（王等，2021）針對醫院潔淨手術室中的FFU係統進行實測與模擬，提出了“導流翼板”結構以改善邊緣區域氣流。
5.2 國外研究進展
國外在該領域的研究起步較早，技術相對成熟。
- 美國ASHRAE標準（ASHRAE Standard 52.2）對高效過濾器的測試方法、氣流組織等均有詳細規定。
- 日本東京大學（Tanaka et al., 2018）開發了一種基於人工智能算法的箱體結構優化係統，可自動推薦優設計方案。
- 德國Fraunhofer研究所（Müller et al., 2019）通過風洞實驗驗證了新型蜂窩狀均流裝置的有效性，顯著提高了氣流均勻性。
六、典型結構設計案例分析
案例一：某醫院潔淨手術室FFU箱體改造
背景：原有FFU箱體采用中心進風方式，導致過濾器中心區域風速過高，邊緣區域風速不足，局部區域出現顆粒物沉積。
改進措施：
- 將進風口改為周邊進風；
- 增設不鏽鋼多孔均流板（開孔率50%）；
- 出風口增加導流翼板。
測試結果：
| 指標 | 改造前 | 改造後 | 變化幅度 |
|---|---|---|---|
| 平均風速（m/s） | 0.42 | 0.41 | -2.4% |
| 大風速（m/s） | 0.68 | 0.52 | ↓23.5% |
| 小風速（m/s） | 0.25 | 0.34 | ↑36% |
| VNI | 38.6% | 21.4% | ↓44.6% |
結果顯示，改造後氣流均勻性顯著提升，滿足潔淨手術室ISO 14644-1 Class 7的要求。
案例二：某半導體潔淨廠房FFU係統優化
背景：潔淨廠房對氣流均勻性要求極高，原設計存在局部氣流擾動問題。
優化方案：
- 引入CFD模擬輔助設計；
- 采用分層結構濾芯腔；
- 使用蜂窩狀均流裝置。
模擬結果：
- 出口風速標準差由0.12 m/s降至0.06 m/s；
- 渦流區域減少70%；
- 整體氣流均勻性提高約40%。
七、結構優化設計建議
綜合上述研究與實踐，提出以下箱體結構優化建議：
| 優化方向 | 措施說明 | 預期效果 |
|---|---|---|
| 進風口設計 | 采用周邊進風或分層進風 | 分散氣流，降低中心風速峰值 |
| 均流裝置 | 增設不鏽鋼多孔板或蜂窩狀結構 | 提高氣流穩定性 |
| 導流結構 | 增加導流翼板或圓弧過渡 | 改善邊緣區域風速 |
| 濾芯腔設計 | 采用分層或模塊化結構 | 提高維護便利性和氣流均勻性 |
| 出風口設計 | 合理匹配下遊送風係統，避免氣流突變 | 減少回流與擾動 |
| 數值模擬輔助 | 利用CFD進行預設計評估 | 提高設計精度與效率 |
八、結論（略）
參考文獻
- Zhang, Y., Li, H., & Wang, J. (2020). Optimization of Inlet Structure for HEPA Filter Box Based on CFD Simulation. Journal of HVAC, 45(3), 45–52.
- 李明, 王強, 張華. (2018). 高效過濾器箱體結構對氣流分布的影響研究. 暖通空調, 40(12), 88–93.
- ASHRAE. (2017). ASHRAE Standard 52.2: Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE.
- Tanaka, T., Sato, K., & Yamamoto, M. (2018). AI-Based Design Optimization of HEPA Filter Housing. Building and Environment, 135, 220–228.
- Müller, F., Becker, R., & Hoffmann, A. (2019). Experimental Study on Flow Uniformity in HEPA Filter Modules. HVAC&R Research, 25(4), 512–521.
- 百度百科. (2024). 高效空氣過濾器. http://baike.baidu.com/item/高效空氣過濾器
- ISO 14644-1:2015. Cleanrooms and associated controlled environments – Part 1: Classification and testing.
- 王偉, 劉洋. (2021). 醫院潔淨手術室FFU係統氣流優化設計. 醫療裝備工程, 34(6), 67–72.
- Li, X., Chen, G., & Zhao, L. (2021). Influence of Chamber Geometry on Airflow Distribution in HEPA Filters. Indoor and Built Environment, 30(8), 1023–1032.
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