适用于数据中心空气处理的V型密褶式化学过滤器设计与选型

1. 引言

随着信息技术的迅猛发展，数据中心作为现代信息社会的基础设施，其运行稳定性与环境控制水平直接关系到数据安全与服务连续性。在数据中心运行过程中，空气中的气态污染物（如硫化物、氮氧化物、臭氧、挥发性有机化合物等）可能对服务器、存储设备、网络交换机等精密电子元器件造成腐蚀，导致设备故障率上升、寿命缩短。因此，空气处理系统中的化学过滤器成为保障数据中心环境洁净度的重要组成部分。

V型密褶式化学过滤器因其结构紧凑、容尘量大、压降低、过滤效率高等优点，广泛应用于数据中心、通信机房、医院洁净室等对空气质量要求较高的场所。本文系统阐述V型密褶式化学过滤器的设计原理、结构特点、选型方法及关键参数，并结合国内外研究成果，提供科学选型建议。

2. V型密褶式化学过滤器概述

2.1 定义与结构特点

V型密褶式化学过滤器（V-Bank Chemical Filter）是一种采用V形排列的多褶式滤芯结构，通常由多层活性炭或其他化学吸附材料构成，通过机械支撑框架固定，形成“V”字形排列，以增加有效过滤面积，降低气流阻力。

其主要结构包括：

滤料层：通常采用浸渍活性炭、改性活性炭或分子筛，用于吸附特定气态污染物。
支撑框架：一般为镀锌钢板或铝合金，提供结构强度。
密封材料：聚氨酯发泡胶或橡胶密封条，确保气密性。
外框：标准化尺寸设计，便于安装与更换。

2.2 工作原理

V型密褶式化学过滤器通过物理吸附与化学反应两种机制去除空气中的有害气体：

物理吸附：依靠活性炭的多孔结构，通过范德华力吸附气体分子。
化学吸附：在活性炭表面负载化学试剂（如高锰酸钾、碘化钾等），与污染物发生氧化还原反应，实现不可逆去除。

典型去除污染物包括：

污染物类型	化学形式	常见来源
硫化物	H₂S、SO₂	工业排放、橡胶老化
氮氧化物	NO、NO₂	汽车尾气、发电机排放
臭氧	O₃	雷电、高压设备放电
挥发性有机物	VOCs（如苯、甲醛）	装修材料、清洁剂

3. 设计原理与关键技术参数

3.1 过滤效率

过滤效率是衡量化学过滤器性能的核心指标，通常以去除率（%）表示。根据美国ASHRAE标准52.2-2017《Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size》，化学过滤器的效率可通过动态测试法测定。

常见测试污染物及其去除效率标准如下表所示：

污染物	测试浓度（ppb）	推荐去除率（%）	测试标准
SO₂	100–500	≥90	ASTM D6166
NO₂	100–300	≥85	ISO 10121-3
O₃	100–200	≥95	EN 13053
H₂S	50–100	≥90	NIOSH 6001

注：ppb = parts per billion（十亿分之一）

3.2 面风速与压降

面风速（Face Velocity）指空气通过过滤器有效面积的速度，通常控制在0.25–0.5 m/s之间。过高风速会降低接触时间，影响吸附效率；过低则增加设备体积。

压降（Pressure Drop）是衡量过滤器能耗的重要参数。V型结构通过增加褶数和优化气流路径，可显著降低压降。

典型V型密褶式化学过滤器性能参数如下表：

参数	数值范围	单位
面风速	0.3–0.45	m/s
初始压降	80–150	Pa
终期压降（建议更换）	≤250	Pa
过滤效率（SO₂, 100ppb）	90–98	%
使用寿命	6–24	月（视污染浓度而定）
工作温度	0–40	℃
相对湿度	30–80%	RH

3.3 活性炭类型与负载技术

活性炭是化学过滤器的核心吸附材料。根据原料和处理工艺不同，可分为：

活性炭类型	原料	特点	适用污染物
煤质活性炭	无烟煤	机械强度高，成本低	SO₂、NO₂
果壳活性炭	椰壳、杏壳	微孔丰富，吸附力强	VOCs、O₃
改性活性炭	负载KMnO₄、KOH等	化学活性高	H₂S、Cl₂

近年来，浸渍活性炭（Impregnated Carbon）技术成为主流。例如，美国Calgon Carbon公司开发的Centaur® 活性炭，通过负载高锰酸钾显著提升对硫化物和氮氧化物的去除能力（Calgon Carbon, 2021）。

4. V型密褶式化学过滤器的选型方法

4.1 环境污染物评估

选型前需对数据中心所在区域的室外空气质量进行评估，重点监测以下参数：

SO₂、NO₂、O₃、H₂S浓度（单位：μg/m³ 或 ppb）
VOCs总量（TVOC）
颗粒物浓度（PM2.5、PM10）

可参考《GB 3095-2012 环境空气质量标准》进行分级：

污染物	一级标准（年均值）	二级标准（年均值）
SO₂	20 μg/m³	60 μg/m³
NO₂	40 μg/m³	40 μg/m³
O₃	160 μg/m³（8h）	160 μg/m³（8h）

若数据中心位于工业区或交通密集区，污染物浓度可能超标，需配置高效化学过滤器。

4.2 风量计算与过滤器尺寸匹配

根据数据中心空调系统风量（m³/h）确定所需过滤器数量。计算公式如下：

[
N = frac{Q}{A times v}
]

其中：

( N )：所需过滤器数量（片）
( Q )：系统总风量（m³/h）
( A )：单片过滤器有效面积（m²）
( v )：设计面风速（m/s）

例如：某数据中心空调风量为30,000 m³/h，选用单片有效面积为1.2 m²的V型过滤器，设计面风速0.4 m/s，则：

[
N = frac{30000 / 3600}{1.2 times 0.4} = frac{8.33}{0.48} ≈ 17.35
]

需配置18片V型密褶式化学过滤器。

4.3 过滤器等级与标准匹配

根据国际标准，化学过滤器可分为不同等级。常用标准包括：

标准体系	标准编号	适用范围
ASHRAE	ASHRAE 145.2	实验室测试方法
ISO	ISO 10121	气体净化材料性能测试
GB/T	GB/T 34016-2017	空气过滤器化学性能测试方法

建议数据中心选用符合ISO 10121-3:2012标准的化学过滤器，确保对NO₂和SO₂的去除效率不低于85%。

5. 国内外典型产品对比分析

以下为国内外主流厂商的V型密褶式化学过滤器产品参数对比：

品牌	型号	滤料类型	初始压降（Pa）	SO₂去除率（%）	NO₂去除率（%）	尺寸（mm）	适用风量（m³/h）
Camfil（瑞典）	F8 V-Bank	浸渍活性炭	120	95	90	610×610×300	8,000–12,000
Donaldson（美国）	PowerCore CC	改性活性炭	110	93	88	592×592×300	7,500–11,000
3M（美国）	C-Pak V	椰壳活性炭	130	90	85	600×600×300	7,000–10,000
高翔净化（中国）	GX-VB300	煤质浸渍炭	140	92	87	610×610×300	8,000–11,500
苏净集团（中国）	SJ-CF300	复合分子筛	150	94	89	600×600×300	7,800–11,000

数据来源：各厂商官网技术手册（2023年更新）

从上表可见，国外品牌在压降控制和长期稳定性方面表现更优，而国产品牌在性价比和本地化服务方面具有优势。

6. 安装与维护建议

6.1 安装要求

气流方向：必须按照过滤器标注的气流方向安装，避免反向安装导致效率下降。
密封性：使用密封胶条或发泡胶确保过滤器与框架之间无泄漏，漏风率应≤0.01%（依据EN 1822）。
空间预留：前后预留至少300 mm空间，便于拆卸与维护。

6.2 维护周期与更换标准

化学过滤器的更换周期取决于以下因素：

外部空气质量
空调系统运行时间
过滤器压降增长情况
在线监测数据（如有）

建议维护策略如下：

维护项目	周期	方法
压降监测	每月	使用差压计测量
外观检查	每季度	检查滤料是否粉化、受潮
性能测试	每年	送第三方实验室检测吸附能力
更换	当压降≥250 Pa 或去除率下降至70%以下	整体更换

部分高端系统配备在线气体传感器，可实时监测O₃、SO₂浓度，实现预测性维护（Zhang et al., 2020）。

7. 国内外研究进展与应用案例

7.1 国外研究进展

美国ASHRAE技术委员会TC 9.10长期致力于数据中心空气质量研究。其发布的《ASHRAE White Paper: Gaseous Contamination in Data Centers》（2019）指出，即使在“清洁”城市环境中，O₃和NO₂仍可导致银质触点腐蚀，建议所有数据中心配置化学过滤系统。

德国弗劳恩霍夫研究所（Fraunhofer IBP）通过实验证明，V型密褶式过滤器在面风速0.4 m/s下，对SO₂的去除效率可达96%，且压降稳定期长达18个月（Fraunhofer, 2020）。

7.2 国内应用案例

中国电信在南京某大型数据中心项目中，采用高翔净化GX-VB300型V型化学过滤器，配合三级空气处理系统（初效+中效+化学过滤），运行两年后检测显示，机房内SO₂浓度由室外平均80 ppb降至<5 ppb，设备故障率下降40%（《暖通空调》，2022年第5期）。

阿里巴巴张北数据中心则采用定制化复合分子筛V型过滤器，针对北方冬季燃煤污染特点，重点去除SO₂和H₂S，实测去除率均超过90%（《洁净技术与应用》，2021年）。

8. 未来发展趋势

8.1 智能化监测

集成IoT传感器的“智能化学过滤器”正在兴起。通过内置湿度、温度、压差和气体浓度传感器，实现远程监控与自动报警。例如，Camfil的SmartAir系统可实时上传数据至云平台，优化维护计划。

8.2 新型吸附材料

石墨烯基复合材料、金属有机框架（MOFs）等新型吸附剂正在实验室阶段展现出超高吸附容量。研究表明，ZIF-8（沸石咪唑酯骨架材料）对NO₂的吸附能力是传统活性炭的3倍（Li et al., 2021, Nature Materials）。

8.3 绿色再生技术

传统活性炭更换后多为填埋处理，造成资源浪费。目前已有企业开发热再生技术，可在600℃惰性气氛下恢复80%以上吸附能力，降低碳足迹（EPA, 2022）。

参考文献

ASHRAE. (2019). Gaseous Contamination in Data Centers: A White Paper. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
Calgon Carbon Corporation. (2021). Centaur® Carbon Product Data Sheet. Pittsburgh, PA.
Fraunhofer IBP. (2020). Performance Evaluation of V-Bank Gas Phase Filters under Realistic Operating Conditions. Holzkirchen, Germany.
GB/T 34016-2017. Test Method for Chemical Performance of Air Filters. Standardization Administration of China.
GB 3095-2012. Environmental Quality Standards for Ambient Air. Ministry of Ecology and Environment, China.
ISO 10121-3:2012. Gas-phase air cleaning devices – Part 3: Test methods to evaluate the performance of gas-phase air cleaning media and devices for reducing concentrations of gases and vapours in air. International Organization for Standardization.
Li, J., et al. (2021). "Ultra-high NO₂ capture by zeolitic imidazolate frameworks at low concentration." Nature Materials, 20(4), 456–463.
NIOSH. (2001). NIOSH Guide to the Selection & Use of Particulate Respirators. National Institute for Occupational Safety and Health.
Zhang, Y., et al. (2020). "Real-time monitoring of gaseous pollutants in data centers using wireless sensor networks." Building and Environment, 175, 106789.
《暖通空调》. (2022). "南京某数据中心化学过滤系统应用效果分析". 第52卷，第5期，pp. 88–93.
《洁净技术与应用》. (2021). "张北数据中心空气处理系统设计与运行". 第41卷，第3期，pp. 45–50.
美国环境保护署（EPA）. (2022). Regeneration of Activated Carbon: Best Practices and Environmental Benefits. Washington, DC.