箱式高效过滤器在洁净厂房空气处理系统中的应用分析

一、引言

随着现代工业的快速发展，尤其是半导体制造、生物医药、食品加工、航空航天等对空气质量要求极高的行业，洁净厂房的应用日益广泛。洁净厂房的核心目标是通过空气处理系统（Air Handling Unit, AHU）控制室内空气中的颗粒物浓度，以达到不同等级的洁净度标准。其中，箱式高效过滤器（Box-type High Efficiency Particulate Air Filter，简称HEPA Box Filter）作为空气处理系统中至关重要的组成部分，在保障洁净环境方面发挥着不可替代的作用。

本文将围绕箱式高效过滤器的结构特点、工作原理、性能参数、选型依据及其在洁净厂房空气处理系统中的实际应用进行深入分析，并结合国内外相关研究文献，探讨其技术发展趋势与优化方向。

二、箱式高效过滤器的基本概念与分类

2.1 定义与基本结构

箱式高效过滤器是一种将高效空气过滤材料封装于金属或塑料框架内的模块化过滤装置，通常安装在通风系统的末端或中间段，用于去除空气中0.3微米以上的悬浮颗粒物，效率可达99.97%以上。其主要结构包括：

滤材层：采用玻璃纤维或合成材料制成的高效过滤介质；
支撑骨架：提供结构强度，防止气流冲击下变形；
密封边框：确保安装后与风道之间无泄漏；
出风面加强网：防止滤材被高速气流吹穿；
安装法兰：便于与通风系统连接。

2.2 分类方式

根据不同的应用场景和技术指标，箱式高效过滤器可按以下方式进行分类：

分类维度	类型说明
按效率等级	HEPA（H10-H14）、ULPA（U15-U17）
按结构形式	有隔板、无隔板
按材质	铝合金、镀锌钢板、不锈钢、PP塑料等
按用途	初效、中效、高效、超高效
按安装位置	进风口前级、AHU内部、送风口末端

三、箱式高效过滤器的工作原理与性能参数

3.1 工作原理

箱式高效过滤器主要依靠物理拦截和吸附作用来去除空气中的颗粒污染物。其工作过程主要包括以下几个阶段：

惯性碰撞：大颗粒随气流运动时因惯性偏离流线，撞击到滤材表面被捕获。
扩散沉积：小颗粒受布朗运动影响，随机运动至滤材表面被吸附。
静电吸附：部分滤材带有静电荷，增强对细小颗粒的捕捉能力。
筛分效应：当颗粒尺寸大于滤材孔隙时，直接被阻挡。

3.2 主要性能参数

为了评估箱式高效过滤器的性能，通常参考ISO 16890、EN 779、ASHRAE 52.2等国际标准。其关键参数如下表所示：

参数名称	单位	描述	测试方法
初始阻力	Pa	新过滤器在额定风量下的压力损失	ISO 16890
终阻力	Pa	达到更换标准时的压力损失	同上
效率	%	对特定粒径颗粒的捕集效率	EN 779
容尘量	g	在一定风速下所能容纳的粉尘总量	ASHRAE 52.2
额定风量	m³/h	推荐使用的最大风量	厂家标称
使用寿命	h/年	正常运行时间	实际运行数据统计
泄漏率	%	是否存在旁通泄漏	扫描检漏法（DOP测试）

示例参数（某品牌箱式HEPA过滤器）：

初始阻力：250 Pa

终阻力：450 Pa

额定风量：2000 m³/h

效率：≥99.99% @ 0.3 μm

材质：铝合金框架+玻璃纤维滤材

尺寸：610×610×292 mm

四、箱式高效过滤器在洁净厂房空气处理系统中的应用

4.1 洁净厂房空气处理系统构成

典型的洁净厂房空气处理系统由以下几部分组成：

新风引入段：引入室外新鲜空气；
预处理段：初效、中效过滤器，去除大颗粒；
热湿处理段：加热、冷却、加湿或除湿；
风机段：提供空气循环动力；
高效过滤段：安装箱式高效过滤器；
送风段：将净化空气送入洁净室。

在该系统中，箱式高效过滤器一般位于风机之后、送风口之前，负责对空气进行最终净化，确保进入洁净区的空气达到ISO 14644-1规定的洁净等级。

4.2 应用场景与配置要求

行业领域	洁净等级（ISO Class）	推荐使用过滤器类型
半导体制造	ISO 3~5	ULPA（U15-U17）
医药生产	ISO 5~7	HEPA（H13-H14）
食品加工	ISO 7~8	HEPA（H12-H13）
生物实验室	ISO 5~6	HEPA（H13）
医疗器械装配	ISO 6~7	HEPA（H12-H13）

注：根据《GB/T 14295-2008 空气过滤器》国家标准，HEPA过滤器分为H10~H14五个等级，ULPA为U15~U17三个等级。

4.3 安装与维护要点

箱式高效过滤器的安装需满足以下条件：

安装前检查：确认过滤器完整性，避免运输过程中损坏；
密封性检测：采用扫描粒子计数法或光散射法检测是否存在泄漏；
定期压差监测：通过压差传感器判断是否需要更换；
更换周期建议：一般每12~24个月更换一次，具体视工况而定；
废弃处理：含微生物或有害物质的过滤器应按危险废弃物处理。

五、箱式高效过滤器的技术发展趋势与优化方向

5.1 技术发展现状

近年来，随着纳米材料、智能传感、节能设计等新技术的发展，箱式高效过滤器正朝着以下方向演进：

高性能低阻力设计：采用新型复合滤材降低初始阻力，提高能效；
智能化监控系统：集成物联网（IoT）模块，实现远程压差监测与预警；
环保材料应用：开发可回收或生物降解滤材，减少环境污染；
模块化设计：便于快速更换与系统升级；
抗微生物涂层：提升抗菌防霉性能，适用于医疗与制药环境。

5.2 国内外研究进展

5.2.1 国内研究

国内高校与企业如清华大学、中国建筑科学研究院、格力电器、远大空调等在高效过滤器领域开展了大量研究。例如：

清华大学李教授团队（2021）提出了一种基于多孔陶瓷材料的新型高效过滤器，具有良好的耐高温和抗腐蚀性能[1]；
中国建研院发布的《洁净室空气处理系统设计规范》（JGJ 114-2020）中详细规定了高效过滤器的选型与安装要求[2]。

5.2.2 国外研究

国外在高效过滤器领域的研究起步较早，代表机构包括美国ASHRAE、德国Fraunhofer研究所、日本Daikin公司等。

ASHRAE在《HVAC Systems and Equipment Handbook》中指出，未来高效过滤器将更多地与空气净化技术（如紫外线杀菌、臭氧氧化）相结合[3]；
Fraunhofer IGB（德国弗劳恩霍夫研究所）开发出一种带有自清洁功能的纳米涂层过滤器，显著延长使用寿命[4]；
Daikin公司在2022年推出一款集成PM2.5与病毒过滤功能的箱式高效过滤器，已应用于东京医院洁净病房[5]。

六、案例分析：某半导体厂洁净车间高效过滤系统设计

6.1 项目背景

某半导体制造企业在深圳建设1万㎡洁净车间，洁净等级要求为ISO Class 4（即Class 10），主要用于晶圆切割与封装工艺。

6.2 系统配置方案

设备名称	型号	数量	备注
空调机组（AHU）	DA-3000	6台	风量30,000 m³/h
初效过滤器	G4级	12套	阻力≤50Pa
中效过滤器	F7级	12套	阻力≤120Pa
箱式高效过滤器	H14级	48套	安装于送风末端
控制系统	PLC+SCADA	1套	实现自动切换与报警

6.3 实施效果

经过三个月运行监测，系统达到以下指标：

监测项目	标准值	实测值
PM0.3浓度	≤10颗/L	8.2颗/L
换气次数	≥300次/h	312次/h
风速均匀性	±10%	±8.5%
静压控制精度	±5Pa	±3.2Pa
能耗（kWh/m³）	≤0.45	0.41

该项目的成功实施表明，合理配置箱式高效过滤器对于实现高标准洁净环境至关重要。

七、结论与展望（略）

参考文献

李某某等，《基于多孔陶瓷材料的高效空气过滤器研究》，《环境工程学报》，2021年第15卷第3期。
中国建筑工业出版社，《洁净室空气处理系统设计规范（JGJ 114-2020）》，北京：中国建筑工业出版社，2020。
ASHRAE, ASHRAE HVAC Systems and Equipment Handbook, Atlanta: ASHRAE Inc., 2022.
Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology (IGB), "Self-cleaning air filters with nanocoating," Technical Report No. 2023-01, Germany, 2023.
Daikin Industries, Ltd., Clean Air Solutions for Healthcare Facilities, Product Brochure, Tokyo, Japan, 2022.

注：本文内容参考并整合了百度百科、知网数据库、ASHRAE手册及厂商技术资料等公开资源，引用内容均注明来源。