袋式中效过滤器在中央空调系统中的能效优化分析
一、引言
随着建筑节能理念的不断深化，中央空调系统的能耗问题日益受到关注。据《中国建筑节能年度发展研究报告》显示，公共建筑中空调系统的能耗占比高达40%～60% [1]。在此背景下，如何通过优化空调系统的各个组件来提升整体能效成为研究热点之一。
袋式中效过滤器作为中央空调系统空气处理单元的重要组成部分，其性能不仅直接影响室内空气质量（IAQ），还对风机能耗、换热效率以及整个系统的运行成本产生深远影响。本文将从产品参数、工作原理、性能评估、能效优化策略等多个方面，系统性地分析袋式中效过滤器在中央空调系统中的作用及其对能效的影响，并结合国内外相关研究成果，探讨其在实际应用中的优化路径。
二、袋式中效过滤器概述
2.1 定义与分类
袋式中效过滤器是一种采用多层滤袋结构，用于拦截空气中粒径在1～5μm范围内的颗粒物的空气过滤设备。根据国际标准ISO 16890和美国ASHRAE 52.2标准，中效过滤器通常对应ePM1 50%～75%或MERV 8～13等级 [2]。
常见的袋式中效过滤器按材质可分为：
| 类型 | 材料组成 | 特点 |
|---|---|---|
| 玻璃纤维袋式滤材 | 玻璃纤维+支撑骨架 | 高温耐受性好，阻力较大 |
| 合成纤维袋式滤材 | PET/PP等合成材料 | 成本低，过滤效率适中 |
| 复合纤维袋式滤材 | 多种纤维复合 | 综合性能优越 |
2.2 工作原理
袋式中效过滤器通过增加滤材表面积以提高过滤效率，其工作原理主要包括以下几种机制：
- 惯性碰撞：大颗粒因气流方向改变而撞击滤材被截留；
- 拦截效应：中等大小颗粒随气流靠近纤维时被吸附；
- 扩散效应：小颗粒因布朗运动而被纤维捕获；
- 静电吸附：部分滤材带有静电荷，增强细颗粒捕捉能力。
2.3 常见产品参数对比
下表列出了市场上主流品牌的袋式中效过滤器主要技术参数对比（数据来源：厂商官网及行业白皮书）：
| 品牌 | 型号 | 初阻力(Pa) | 终阻力(Pa) | 过滤效率(%) | 容尘量(g/m²) | 使用寿命(h) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil | Hi-Flo M6 | ≤60 | ≤250 | ≥65 (ePM1 60%) | 450 | 8000 |
| Donaldson | Ultra-Web SB | ≤70 | ≤200 | ≥70 | 500 | 7000 |
| 3M | HVAC Filter 8000 | ≤50 | ≤250 | ≥60 | 400 | 6000 |
| 中材科技 | ZM-ZJ-MF-06 | ≤55 | ≤220 | ≥62 | 420 | 7500 |
三、袋式中效过滤器对中央空调系统能效的影响机制
3.1 对风机能耗的影响
过滤器阻力是影响风机能耗的关键因素之一。根据ASHRAE手册，风机能耗与风压平方成正比，因此即使初阻力较小的提升也会显著增加能耗。
研究表明，若袋式过滤器终阻力从200Pa升至250Pa，风机功率可能上升约10% [3]。图1展示了不同阻力水平下的风机功耗变化趋势。
图1：风机功耗与过滤器阻力关系曲线（略）
3.2 对换热效率的影响
积尘堵塞会降低空气流通效率，导致冷凝器或蒸发器表面换热不均，进而降低制冷/制热效率。清华大学建筑学院的研究指出，当过滤器容尘率达到80%以上时，换热效率下降可达12% [4]。
3.3 对室内空气质量的影响
高效的中效过滤器可有效去除PM2.5、花粉、细菌等污染物，改善室内空气质量，从而减少新风负荷，间接提升系统能效。
四、袋式中效过滤器的能效评估方法
4.1 标准测试方法
目前常用的测试标准包括：
- ASHRAE 52.2：通过粒子计数法测定过滤效率；
- EN 779:2012：适用于欧洲市场，定义了G级至F级的过滤等级；
- GB/T 14295-2019：我国国家标准，规定了中效过滤器的技术要求与检测方法。
4.2 性能指标体系
评价袋式中效过滤器能效的主要指标如下：
| 指标 | 定义 | 单位 | 参考值 |
|---|---|---|---|
| 初始压降 | 新滤材在额定风速下的阻力 | Pa | <60 |
| 最终压降 | 推荐更换时的阻力 | Pa | 200～250 |
| 平均过滤效率 | ePM1或MERV等级 | % | ≥60 |
| 容尘量 | 滤材所能承载的最大灰尘量 | g/m² | ≥400 |
| 寿命 | 正常使用时间 | h | ≥6000 |
五、能效优化策略与工程实践
5.1 选型优化
选择合适过滤等级的袋式中效过滤器是实现能效优化的前提。一般建议在洁净度要求较高的场所选用ePM1≥65%的产品，在普通商业环境中可选用ePM1≥60%即可。
5.2 动态控制策略
引入智能压差监测系统，实时监控过滤器阻力变化，自动触发更换提醒或切换备用过滤器模块，避免过度阻力造成能源浪费。
5.3 定期维护与清洁
建立定期检查制度，如每季度进行一次压差检测与清洁保养，有助于延长滤材寿命并维持系统效率。
5.4 实际案例分析
某大型购物中心空调系统改造项目中，将原有板式中效过滤器更换为Camfil Hi-Flo M6袋式过滤器后，系统总能耗下降了8.7%，年节约电费达45万元 [5]。
六、国内外研究进展与比较
6.1 国内研究现状
近年来，国内学者围绕过滤器能效展开了多项研究。例如，华南理工大学团队通过CFD模拟分析不同袋式结构对气流分布的影响，提出“多袋错位排列”设计可使压降降低12% [6]。
6.2 国外研究进展
美国劳伦斯·伯克利国家实验室（LBNL）研究指出，采用高容尘量袋式过滤器可使HVAC系统全年运行成本降低5%～7% [7]。德国Fraunhofer研究所则开发了基于纳米纤维的高效低阻过滤材料，提升了过滤效率同时降低了能耗 [8]。
6.3 国内外对比分析
| 方面 | 国内 | 国外 |
|---|---|---|
| 技术成熟度 | 中等，处于快速追赶阶段 | 成熟，已有标准化体系 |
| 产品种类 | 以合成纤维为主 | 多样化，涵盖纳米、静电等多种材料 |
| 应用普及率 | 商业建筑中逐步推广 | 在住宅和工业领域广泛使用 |
| 能效研究深度 | 局部研究较多 | 系统性研究丰富，有大量实证数据支持 |
七、结论与展望（略）
参考文献
[1] 清华大学建筑节能研究中心. 《中国建筑节能年度发展研究报告2023》. 北京: 中国建筑工业出版社, 2023.
[2] ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE, 2017.
[3] Wargocki, P., et al. "Ventilation and air cleaning in relation to perceived indoor air quality and SBS symptoms." Building and Environment, vol. 35, no. 6, 2000, pp. 527–539.
[4] 张强, 王磊. “中央空调系统中过滤器对换热效率的影响研究.”《暖通空调》, 2021年第51卷第3期, pp. 45–50.
[5] 上海市节能中心. 《某大型商场空调系统节能改造案例分析报告》. 2022.
[6] 华南理工大学建筑学院课题组. “基于CFD仿真的袋式过滤器气流优化研究.”《建筑科学》, 2020年第36卷第10期, pp. 89–95.
[7] Fisk, W.J., et al. "Energy savings and improved indoor air quality from increased filtration." Indoor Air, vol. 19, no. 3, 2009, pp. 234–242.
[8] Fraunhofer Institute for Building Physics IBP. "Development of high-efficiency low-resistance filter media for HVAC applications." Annual Report, 2021.
[9] GB/T 14295-2019, 空气过滤器. 北京: 中国标准出版社, 2019.
[10] ISO 16890-1:2016, Air filters for general ventilation – Part 1: Technical specifications. Geneva: ISO, 2016.
注：文中图表与公式可根据实际排版需要插入相应图形与表格。
