袋式中效空气过滤器在中央空调系统节能运行中的影响研究
引言
随着建筑能耗在全球能源消耗中的比重不断上升，中央空调系统的节能运行成为建筑设计与运维管理的重要课题。作为中央空调系统的重要组成部分，空气过滤器不仅承担着保障室内空气质量的任务，还对系统的能效、运行成本及设备寿命产生深远影响。其中，袋式中效空气过滤器因其良好的过滤效率和较低的阻力特性，在商业和工业建筑中得到了广泛应用。
近年来，国内外学者围绕空气过滤器在中央空调系统中的节能潜力进行了大量研究。研究表明，选择合适的空气过滤器不仅可以有效降低风机能耗，还能延长设备使用寿命，减少维护频率，从而实现整体系统的节能目标。本文将从袋式中适空气过滤器的基本原理出发，结合其产品参数、性能特点以及在中央空调系统中的实际应用，探讨其在节能运行中的作用，并通过文献综述和案例分析，深入剖析其在不同工况下的节能效果。
一、袋式中效空气过滤器概述
1.1 定义与分类
根据《GB/T 14295-2008 空气过滤器》国家标准，空气过滤器按效率等级可分为初效（G级）、中效（F级）和高效（H级）。其中，袋式中效空气过滤器属于F级过滤器，主要用于去除空气中粒径在1～5 μm之间的颗粒物，适用于中央空调系统的中级净化环节。
常见的袋式中效过滤器按照结构形式可分为：单袋式、多袋式；按滤材种类可分为：无纺布、玻璃纤维、合成纤维等。
1.2 工作原理
袋式中效过滤器采用深层过滤原理，利用多个滤袋增加过滤面积，提高容尘量和过滤效率。其工作流程如下：
- 进风阶段：空气进入过滤器腔体；
- 过滤阶段：空气穿过滤袋，粉尘被拦截在滤材表面或内部；
- 出风阶段：洁净空气通过出口排出。
由于袋式结构的设计，该类过滤器具有较大的比表面积，能够有效降低单位面积上的气流速度，从而减少压降损失，提升整体能效。
二、袋式中效空气过滤器的产品参数与性能指标
为了更全面地评估袋式中效空气过滤器在中央空调系统中的节能潜力，有必要对其关键性能参数进行详细分析。以下表格列出了典型袋式中效空气过滤器的主要技术参数：
| 参数名称 | 单位 | 典型范围 | 标准要求 |
|---|---|---|---|
| 初始阻力 | Pa | 80~150 | ≤150 |
| 过滤效率（Arrestance） | % | 65%~90% | ≥65%（F5级） |
| 容尘量 | g/m² | 300~800 | – |
| 面速 | m/s | 2.0~3.5 | – |
| 滤材类型 | – | 合成纤维、玻纤复合材料 | GB/T 14295-2008 |
| 使用温度 | ℃ | -10~70 | – |
| 使用湿度 | RH% | ≤95% | – |
| 寿命 | 小时 | 3000~6000 | 取决于环境条件 |
注： 表格数据来源于《暖通空调设计手册》（中国建筑工业出版社，2018年）及Camfil公司技术资料（2022）。
此外，美国ASHRAE标准（ASHRAE 52.2-2017）也对中效空气过滤器的测试方法和分级体系进行了规范，进一步明确了其在不同应用场景下的适用性。
三、袋式中效空气过滤器在中央空调系统中的作用机制
3.1 对风机能耗的影响
中央空调系统中，风机是主要耗能部件之一。空气过滤器的阻力直接影响风机的运行功率。初始阻力低且终阻力增长缓慢的袋式中效过滤器，有助于维持风机在一个较低的能耗水平上运行。
研究表明，当空气过滤器的阻力每增加100Pa，风机功耗将增加约5%~10%（Liu et al., 2020）。因此，合理选用阻力较低的袋式中效过滤器，可显著降低系统运行能耗。
3.2 对换热器效率的影响
空气中的灰尘和颗粒物沉积在换热器表面会降低其传热效率，增加压缩机负荷，进而导致整体制冷效率下降。使用高效的中效过滤器可有效减少这类污染物的侵入，延长换热器清洁周期，提升制冷效率。
据清华大学暖通实验室实验数据显示，未使用中效过滤器的系统，其换热器在运行半年后传热系数下降达18%，而配备F7级袋式中效过滤器的系统仅下降6%（Wang et al., 2019）。
3.3 对室内空气质量（IAQ）的影响
袋式中效空气过滤器可有效去除PM2.5、花粉、细菌孢子等有害颗粒物，改善室内空气质量。良好的IAQ不仅能提升人员舒适度，也有助于降低病态建筑综合症（SBS）的发生率。
根据WHO发布的《室内空气质量指南》，建议公共场所PM2.5浓度应控制在35 µg/m³以下。而配备中效过滤器的中央空调系统可将PM2.5去除率达到80%以上（WHO, 2021）。
四、袋式中效空气过滤器的节能效益分析
4.1 节能模型构建
为量化袋式中效空气过滤器的节能效益，可建立如下简化模型：
$$
Delta E = frac{Q cdot Delta P}{eta}
$$
其中：
- $Delta E$：节能效益（kWh）
- $Q$：空气流量（m³/s）
- $Delta P$：过滤器前后压差变化（Pa）
- $eta$：风机效率（通常取0.7）
以某办公大楼为例，假设系统风量为10,000 m³/h，初始压差为100Pa，更换为新型低阻袋式中效过滤器后压差降至80Pa，则节能量计算如下：
$$
Delta E = frac{(10000/3600) cdot (100-80)}{0.7} ≈ 7.94 text{kWh/h}
$$
若系统每天运行10小时，年运行300天，则年节约电能约为2382 kWh。
4.2 经济性分析
引入生命周期成本法（Life Cycle Costing, LCC），考虑设备购置成本、运行成本、维护成本等因素，可以更全面地评估袋式中效过滤器的经济价值。
| 成本项目 | 单价（元） | 年用量 | 年成本（元） |
|---|---|---|---|
| 初期购置费用 | 800 | 50套 | 40,000 |
| 年电费支出 | – | – | 23,820（按0.8元/kWh） |
| 清洁维护费用 | – | – | 5,000 |
| 总计 | – | – | 68,820 |
数据来源：某大型商场中央空调系统改造报告（2022年）
可见，虽然初期投入较高，但由于运行和维护成本的显著降低，袋式中效过滤器在长期使用中具备明显的经济优势。
五、国内外相关研究成果综述
5.1 国内研究现状
国内关于空气过滤器在中央空调节能方面的研究起步较晚，但近年来发展迅速。以下是一些代表性研究成果：
- 刘志宏等（2020） 在《暖通空调》期刊发表论文指出，中效过滤器的合理选型可使中央空调系统节能率达8%~12%。
- 王晨光（2021） 对北京某写字楼进行实证研究发现，使用F7级袋式中效过滤器后，系统年节电量达2.4万度，投资回收期仅为1.5年。
- 李伟（2019） 在《建筑节能》杂志中提出，中效过滤器配合智能控制系统可实现动态调节，进一步提升节能效果。
5.2 国外研究进展
国外在空气过滤器节能领域的研究较为成熟，尤其以欧洲和北美地区为代表。
- ASHRAE Research Project RP-1638（2018） 明确指出，中效过滤器的压降控制对系统节能至关重要，推荐采用多袋式结构以延长更换周期。
- Camfil（2021） 发布的白皮书中提到，其BlueAir系列中效过滤器在欧洲多个医院项目中实现平均节能15%以上。
- 丹麦技术大学（DTU）研究团队（2020） 建立了基于CFD模拟的过滤器阻力预测模型，优化了袋式结构设计，使得压降降低12%。
六、袋式中效空气过滤器的应用案例分析
6.1 上海浦东国际机场T2航站楼
上海浦东机场T2航站楼中央空调系统采用了F7级袋式中效过滤器，系统总风量为1.2×10⁶ m³/h，运行压力稳定在120Pa以内。运行数据显示，相比传统板式中效过滤器，年节电超过30万度，同时减少了换热器清洗频次，提升了系统稳定性。
6.2 北京金融街某写字楼
该项目采用模块化组合袋式中效过滤器，配置自动压差监测系统。运行两年后，系统能耗降低10.5%，过滤器更换周期延长至18个月，维护成本下降约30%。
七、结论与展望
尽管本文未设结语章节，但从上述分析可以看出，袋式中效空气过滤器在中央空调系统节能运行中扮演着不可替代的角色。其优良的过滤性能、较低的运行阻力以及较长的使用寿命，使其成为现代建筑节能改造中的优选产品。未来，随着智能传感、物联网等技术的发展，袋式中效空气过滤器有望实现更加精细化的运行管理，推动中央空调系统向更高能效、更低成本的方向发展。
参考文献
- Liu Zhihong, Zhang Wei. Energy-saving Analysis of Medium Efficiency Air Filters in Central Air Conditioning Systems. Journal of HVAC, 2020(5): 45-52.
- Wang Chenguang. Case Study on Energy Saving of Bag-type Medium Efficiency Filters in Office Buildings. Building Energy Conservation, 2021(3): 67-73.
- Li Wei. Application of Intelligent Control in Air Filtration Systems. Journal of Architectural Energy Efficiency, 2019(4): 89-95.
- ASHRAE. ASHRAE Standard 52.2-2017: Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE, 2017.
- Camfil AB. Technical White Paper: BlueAir Medium Efficiency Filter Series. Stockholm: Camfil, 2021.
- DTU Technical University of Denmark. CFD Simulation and Optimization of Bag Filters in HVAC Systems. DTU Report No. 2020-08.
- World Health Organization. Indoor Air Quality Guidelines – Particulate Matter. Geneva: WHO, 2021.
- 国家标准《GB/T 14295-2008 空气过滤器》. 北京：国家标准化管理委员会，2008.
- 中国建筑工业出版社. 暖通空调设计手册（第三版）. 北京：中国建筑工业出版社，2018.
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