抛弃式高效过滤器在商用中央空调系统中的节能效果评估

一、引言

随着全球能源消耗的持续增长和环境保护意识的提升，建筑能耗管理成为节能减排的重要领域之一。中央空调系统作为现代商业建筑中不可或缺的组成部分，其运行能耗占据了整个建筑能耗的较大比重。据中国住房和城乡建设部统计，公共建筑空调系统的能耗约占建筑总能耗的40%～60% [1]。因此，如何通过优化空调系统的运行效率来实现节能降耗，已成为当前研究的热点。

在中央空调系统中，空气过滤器是保障室内空气质量、延长设备寿命、提高系统能效的关键部件之一。传统的可清洗金属网或初效过滤器由于过滤效率低、阻力大、维护成本高等问题，逐渐被抛弃式高效过滤器（Disposal High Efficiency Particulate Air Filter, 简称DHEPA）所取代。抛弃式高效过滤器具有较高的过滤效率、较低的初始压降、安装便捷等优点，在国内外商业建筑中得到了广泛应用。

本文旨在全面评估抛弃式高效过滤器在商用中央空调系统中的节能效果，从产品参数、实际应用案例、能耗对比分析等方面展开论述，并结合国内外相关研究成果进行深入探讨，以期为行业提供科学依据与实践参考。

二、抛弃式高效过滤器的基本概念与分类

2.1 定义与原理

抛弃式高效过滤器是一种一次性使用的空气过滤装置，通常采用玻璃纤维或合成材料制成滤材，能够有效去除空气中粒径大于0.3微米的颗粒物，如灰尘、花粉、细菌、病毒等。其工作原理基于惯性撞击、拦截、扩散及静电吸附等多种机制的综合效应。

根据国际标准ISO 16890和美国ASHRAE标准，抛弃式高效过滤器可分为以下几类：

分类标准	过滤等级	效率范围（≥0.3μm）
ISO 16890	ePM10、ePM2.5、ePM1	最高达99.97%
ASHRAE	MERV 13~16	75%~95%

2.2 主要结构与组成

抛弃式高效过滤器通常由以下几个部分组成：

滤材层：主要成分为玻璃纤维或合成纤维，决定过滤效率。
支撑框架：多为铝合金或塑料材质，确保结构稳定。
密封材料：用于防止气流旁通，常见材料为聚氨酯泡沫或硅胶条。
外框尺寸：根据风机盘管或AHU（Air Handling Unit）规格定制。

三、抛弃式高效过滤器的主要技术参数

为了更直观地展示抛弃式高效过滤器的技术性能，表1列出了几种主流品牌产品的关键参数：

品牌	滤材类型	初始阻力(Pa)	过滤效率(≥0.3μm)	使用寿命(h)	尺寸(mm)	适用风量(m³/h)
Camfil	合成纤维	120	≥99.97%	2000~4000	610×610×45	2000~3000
Donaldson	玻璃纤维	150	≥99.95%	1500~3000	592×592×45	1800~2800
Freudenberg	静电增强型	100	≥99.99%	2500~4500	600×600×50	2200~3200
中科环境	复合纤维	110	≥99.90%	2000~3500	592×592×45	2000~3000

从上表可以看出，不同品牌的抛弃式高效过滤器在初始阻力、使用寿命和适用风量方面存在一定差异，选择时应根据具体空调系统的运行参数进行匹配。

四、抛弃式高效过滤器在中央空调系统中的作用

4.1 提高空气质量

高效的空气过滤器可以显著降低空气中的悬浮颗粒浓度，从而改善室内空气质量（IAQ）。研究表明，使用高效过滤器可使PM2.5浓度下降约60%～80%，对预防呼吸道疾病具有积极作用[2]。

4.2 降低系统能耗

空气过滤器的阻力直接影响风机的能耗。抛弃式高效过滤器由于其较低的初始阻力，能够在保证过滤效率的同时减少风机负荷，从而降低电力消耗。图1展示了不同过滤器阻力与风机能耗之间的关系曲线（数据来源：ASHRAE 2020年报告[3]）。

![风机能耗与过滤器阻力关系示意图]

4.3 减少设备维护频率

传统可清洗过滤器需要定期更换或清洗，操作复杂且容易造成二次污染。而抛弃式过滤器则无需清洗，直接更换即可，减少了人工维护成本，提高了系统运行稳定性。

五、节能效果评估方法与模型

5.1 节能评估指标体系

在评估抛弃式高效过滤器的节能效果时，通常采用以下几项关键指标：

年节电量（kWh/year）
单位面积能耗降低率（%）
投资回收周期（年）
全生命周期成本（LCC）

5.2 数学模型建立

设风机功率为 $ P $（kW），运行时间为 $ T $（小时/年），电费为 $ C $（元/kWh），过滤器阻力变化导致的功率增量为 $ Delta P $，则年节约电费 $ S $ 可表示为：

$$
S = Delta P times T times C
$$

其中，$ Delta P $ 可通过下式估算：

$$
Delta P = k times (Delta P{text{旧}} – Delta P{text{新}})
$$

其中 $ k $ 为风机效率系数，通常取值为0.7～0.9。

六、实际案例分析

6.1 北京某大型写字楼中央空调改造项目

该写字楼建筑面积为8万平方米，原有系统采用MERV 8级初效过滤器，改造后更换为MERV 14级抛弃式高效过滤器。改造前后系统运行数据如下：

指标	改造前	改造后	差异幅度
平均阻力(Pa)	220	120	↓45.5%
年用电量(kWh)	1,200,000	900,000	↓25%
PM2.5浓度(μg/m³)	45	12	↓73.3%
维护次数/年	4次	2次	↓50%

该项目总投资约为80万元，年节约电费约36万元，投资回收周期为2.2年。

6.2 上海某商场中央空调系统节能评估

该商场建筑面积为5万平方米，空调系统运行时间平均为10小时/天，全年运行300天。更换抛弃式高效过滤器后，系统节能效果如下：

指标	改造前	改造后	节能比例
风机功耗(kW)	180	135	↓25%
年用电量(kWh)	540,000	405,000	↓25%
年节约费用（元）	——	162,000	——

此外，商场管理人员反馈，更换过滤器后，冷凝器结垢现象明显减少，设备清洁周期延长了约30%。

七、国内外研究现状与比较

7.1 国内研究进展

近年来，国内学者在高效过滤器节能方面开展了大量研究。例如，清华大学建筑学院于2021年发表的研究指出，采用高效过滤器可使中央空调系统整体能耗降低18%～28%[4]。同济大学暖通实验室也通过CFD模拟验证了高效过滤器对气流分布的优化作用[5]。

7.2 国际研究成果

国外在高效过滤器节能方面的研究起步较早，成果较为成熟。美国ASHRAE在《HVAC Systems and Equipment》手册中明确指出，高效过滤器虽然初期投入较高，但长期运行成本更低，尤其适用于大型商业建筑[6]。丹麦技术大学的一项研究显示，在欧洲气候条件下，高效过滤器可使风机能耗降低20%以上[7]。

7.3 国内外对比分析

对比维度	国内研究	国外研究
技术基础	发展较快，理论研究较多	成熟稳定，注重工程实践
应用规模	主要在一线城市推广	普遍应用于各类建筑
标准规范	正在逐步完善	已形成完整标准体系
成本控制	较高，依赖进口品牌	成本较低，本地化生产普遍

八、影响抛弃式高效过滤器节能效果的因素分析

8.1 系统设计匹配度

过滤器的选型必须与风机、风道系统相匹配，否则可能导致压降过大或风量不足，影响整体节能效果。

8.2 运行环境条件

温湿度、空气质量、尘源强度等因素都会影响过滤器的使用寿命和阻力变化，进而影响节能效果。

8.3 更换周期与管理策略

合理的更换周期可以避免过度压降带来的能耗增加。一般建议每6个月至1年更换一次，视具体运行情况而定。

8.4 经济性分析

尽管抛弃式高效过滤器初期投入较高，但由于其节能效果显著，长期来看具备良好的经济回报率。表2为某办公楼不同过滤器类型的全生命周期成本对比：

类型	初始成本（元）	年维护成本（元）	年节电收益（元）	LCC（10年）（元）
初效过滤器	50,000	30,000	0	350,000
弃式高效过滤器	100,000	10,000	36,000	140,000

可见，抛弃式高效过滤器在10年内累计成本最低，经济性最优。

九、结论（略）

参考文献

中国住房和城乡建设部. 公共建筑节能设计标准GB 50189-2015[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2015.
Li Y., Wong L.T.C., Hui K.S. Indoor air quality improvement by high-efficiency particulate air filtration. Building and Environment, 2018, 130: 1-10.
ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment. Atlanta: ASHRAE, 2020.
清华大学建筑学院. 商用建筑空气净化与节能技术研究[R]. 北京: 清华大学, 2021.
同济大学暖通实验室. 高效空气过滤器在中央空调系统中的CFD模拟研究[J]. 暖通空调, 2020, 50(6): 45-50.
Wargocki P., Wyon D.P. The effects of outdoor air supply rate in an office on perceived air quality, sick building syndrome (SBS) symptoms and productivity. Indoor Air, 2007, 17(4): 285–301.
Danish Technological Institute. Energy savings through improved air filtration in HVAC systems. Technical Report No. 2021-03, Denmark, 2021.
百度百科. 高效空气过滤器 [EB/OL]. https://baike.baidu.com/item/%E9%AB%98%E6%95%88%E7%A9%BA%E6%B0%94%E8%BF%87%E6%BB%A4%E5%99%A8/9129598, 2023-08-15.
Camfil Group. High Efficiency Air Filters for Commercial HVAC Applications. Product Catalogue 2022.
Donaldson Company Inc. Commercial Air Filtration Solutions. Technical Manual, 2021.

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