V型密褶结构在化学过滤器中提升容尘量与气流均匀性的技术优势
一、引言
随着工业发展与空气质量问题日益受到关注，化学过滤器作为空气净化系统中的关键组件，广泛应用于半导体制造、制药、医院洁净室、数据中心以及核电站等对空气质量要求极高的场所。化学过滤器主要通过吸附、催化或化学反应等方式去除空气中的有害气体，如挥发性有机化合物（VOCs）、酸性气体（SO₂、NOₓ）、碱性气体（NH₃）及臭氧（O₃）等。在实际应用中，过滤器的容尘量（Dust Holding Capacity）和气流均匀性（Airflow Uniformity）是决定其运行效率、使用寿命和能耗水平的核心指标。
近年来，V型密褶结构（V-shaped Pleated Structure）因其独特的几何设计与流体力学特性，在提升化学过滤器性能方面展现出显著优势。该结构通过优化滤料排列方式，有效增加单位体积内的过滤面积，同时改善气流分布，减少局部压降，从而显著提升容尘量并保障气流均匀性。本文将系统阐述V型密褶结构的技术原理、结构优势、性能参数及其在化学过滤器中的应用实践，并结合国内外权威研究数据进行深入分析。
二、V型密褶结构的技术原理
2.1 结构定义与几何特征
V型密褶结构是一种将滤料以“V”字形方式折叠排列的过滤介质支撑结构，其核心特征在于相邻褶片之间形成锐角或直角的夹角，通常夹角范围为60°～90°，褶高（Pleat Height）在20mm～50mm之间，褶间距（Pleat Spacing）控制在8mm～15mm。该结构通过增加单位体积内的有效过滤面积（Effective Filtration Area），显著提升过滤效率与容尘能力。
与传统平板式或U型褶结构相比，V型结构在相同迎风面积下可增加30%～50%的过滤面积，同时通过优化气流通道，降低湍流与涡旋现象，实现更均匀的气流分布。
2.2 流体力学基础
根据流体力学中的达西定律（Darcy’s Law）与纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations），气流在通过多孔介质时的压降与流速、介质孔隙率及流道长度密切相关。V型结构通过以下机制改善气流行为：
- 延长有效流道：V型折叠使气流路径呈锯齿状，增加气体与滤料的接触时间，提升吸附效率；
- 降低局部流速：褶片夹角设计可分散气流，避免局部高速区，减少滤料磨损；
- 减少压降梯度：均匀的褶距与支撑骨架设计可避免“短路流”（Bypass Flow），提升整体压降均匀性。
美国ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师学会）在《ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment》中指出，优化的褶结构可使系统压降降低15%～25%，同时延长过滤器寿命30%以上（ASHRAE, 2020）。
三、V型密褶结构对容尘量的提升机制
3.1 容尘量的定义与影响因素
容尘量是指过滤器在达到规定终阻力前可容纳的颗粒物总量，单位通常为克（g）或克/平方米（g/m²）。其受以下因素影响：
- 过滤面积
- 滤料孔隙率
- 颗粒物粒径分布
- 气流速度
- 滤料表面化学性质（如活性炭负载量）
V型密褶结构通过增加有效过滤面积和优化颗粒物沉积路径，显著提升容尘能力。
3.2 实验数据对比
下表为不同褶型结构在相同测试条件下的容尘量对比（测试标准：EN 779:2012，测试粉尘：ASHRAE Dust，风速：0.5 m/s）：
| 结构类型 | 迎风面积 (m²) | 有效过滤面积 (m²) | 容尘量 (g) | 压降增量 (Pa) | 使用寿命 (h) |
|---|---|---|---|---|---|
| 平板式 | 0.5 | 0.5 | 120 | 450 | 800 |
| U型褶（常规） | 0.5 | 0.8 | 210 | 380 | 1200 |
| V型密褶（60°） | 0.5 | 1.1 | 340 | 320 | 1800 |
| V型密褶（90°） | 0.5 | 1.0 | 310 | 300 | 1700 |
数据来源：Zhang et al., "Performance Evaluation of V-Pleated Filters in HVAC Systems", Building and Environment, 2021, Vol. 195, p.107732.
从表中可见，V型密褶结构在保持较低压降的同时，容尘量较平板式提升近183%，较U型褶提升约62%。这主要归因于其更高的有效面积与更均匀的颗粒物分布。
3.3 颗粒物沉积行为分析
清华大学环境学院李俊华教授团队通过激光粒子成像（PIV）技术研究发现，V型结构在气流通过时形成“层流引导效应”，使颗粒物沿褶片表面均匀沉积，避免在入口区域形成“粉尘饼”（Dust Cake），从而延缓压降上升速度（Li et al., 2019）。
此外，V型结构的深褶设计可容纳更多大颗粒物，减少滤料堵塞风险。日本Toray Industries的实验表明，采用V型密褶的活性炭化学过滤器在处理PM2.5与VOCs混合污染物时，容尘量可达传统结构的2.1倍（Toray Technical Report, 2020）。
四、V型密褶结构对气流均匀性的优化
4.1 气流均匀性的重要性
气流均匀性直接影响过滤器的整体效率与能耗。若气流分布不均，会导致：
- 局部滤料过载，提前失效；
- 未充分利用的过滤区域，降低整体效率；
- 系统压降升高，增加风机能耗。
根据中国《GB/T 14295-2019 空气过滤器》标准，高效过滤器的气流速度不均匀度应控制在±15%以内。
4.2 V型结构的气流调控机制
V型密褶结构通过以下方式提升气流均匀性：
- 对称流道设计：V型褶片呈对称排列，气流在进入褶间通道时受力均衡，减少偏流；
- 支撑骨架优化：采用高强度聚丙烯（PP）或铝制骨架，防止褶片在高压下变形，维持通道一致性；
- 入口导流设计：部分高端产品在迎风面设置导流板，进一步均化气流。
德国TÜV Rheinland实验室对三种结构的气流分布进行CFD（计算流体动力学）模拟，结果如下：
| 结构类型 | 平均风速 (m/s) | 风速标准差 (m/s) | 不均匀度 (%) | 涡流区占比 (%) |
|---|---|---|---|---|
| 平板式 | 0.48 | 0.12 | 25.0 | 18.5 |
| U型褶 | 0.49 | 0.09 | 18.4 | 12.3 |
| V型密褶 | 0.50 | 0.05 | 10.0 | 6.7 |
数据来源：Müller, A. et al., "CFD Analysis of Pleated Filter Media Flow Distribution", Filtration Journal, 2022, Vol. 62(3), pp. 45–52.
结果显示，V型密褶结构的气流不均匀度仅为10%，远优于国家标准，且涡流区显著减少，有助于延长滤料寿命。
4.3 实际应用案例
在中国上海张江高科技园区的某半导体洁净厂房中，原使用U型褶化学过滤器，每6个月需更换一次。2021年更换为V型密褶结构后，更换周期延长至10个月，系统压降稳定在350Pa以下，年节电约18%（据上海建科院2022年评估报告）。
五、典型产品参数与性能指标
以下为国内外主流厂商生产的V型密褶化学过滤器典型参数对比：
| 品牌/型号 | 结构类型 | 迎风面积 (m²) | 褶高 (mm) | 褶角 (°) | 滤料类型 | 活性炭负载量 (g/m²) | 初始压降 (Pa) | 终阻力 (Pa) | 容尘量 (g) | 适用标准 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil FX-V | V型密褶 | 0.6 | 40 | 75 | 活性炭浸渍玻纤 | 600 | 120 | 450 | 400 | EN 1822, ISO 16890 |
| 3M Filtrete ChemV+ | V型密褶 | 0.55 | 35 | 70 | 改性活性炭无纺布 | 550 | 110 | 400 | 360 | ASHRAE 52.2 |
| Honeywell V-Pak C | V型密褶 | 0.7 | 45 | 80 | 活性炭+分子筛 | 650 | 130 | 500 | 450 | GB/T 14295 |
| 同方威视 V-CHEM 3000 | V型密褶 | 0.65 | 42 | 78 | 复合吸附材料 | 620 | 115 | 420 | 420 | GB 31458-2015 |
| Freudenberg EOLIA V | V型密褶 | 0.6 | 40 | 75 | 活性炭涂层PET | 580 | 125 | 460 | 390 | DIN 24185 |
数据来源：各厂商官网技术手册（2023年更新）
从表中可见，V型密褶结构在不同品牌中均保持较高一致性，褶角集中在70°～80°区间，活性炭负载量普遍在550g/m²以上，容尘量普遍超过350g，满足高污染环境下的长期运行需求。
六、国内外研究进展与技术趋势
6.1 国内研究现状
中国在V型密褶结构的研究起步较晚，但发展迅速。浙江大学能源工程学院王智化教授团队开发了基于梯度孔隙率设计的V型滤芯，通过调控滤料从外到内的孔隙分布，实现“预过滤+主吸附”双重功能，使容尘量提升28%（Wang et al., Journal of Environmental Engineering, 2020）。
中国建筑科学研究院（CABR）在《高效化学过滤器技术导则》（2021）中明确推荐采用V型密褶结构，认为其在大型公共建筑通风系统中具有显著节能优势。
6.2 国外技术前沿
美国DOE（能源部）资助的“Advanced Filtration Initiative”项目中，ORNL（橡树岭国家实验室）开发了智能响应型V型滤芯，其褶片材料可根据污染物浓度自动调节开合角度，实现动态气流控制。实验显示，该系统在变风量工况下仍能保持气流均匀度在±8%以内（ORNL Report, 2023）。
欧洲EurAirFilter协会在2022年发布白皮书指出，V型密褶结构已成为Class F7以上化学过滤器的标准配置，预计到2027年，全球V型结构市场份额将超过65%。
6.3 材料创新方向
当前研究热点包括：
- 纳米纤维复合滤料：在V型褶中引入静电纺丝纳米纤维层，提升对亚微米级污染物的捕集效率；
- 光催化涂层：在活性炭表面负载TiO₂，实现VOCs的光催化降解，延长再生周期；
- 可再生滤芯设计：结合V型结构与热脱附技术，实现活性炭的在线再生。
韩国LG Chem已推出搭载光催化V型滤芯的商用产品，在医院环境中对甲醛的去除率可达99.2%（LG Chem, 2023）。
七、应用场景与经济效益分析
7.1 典型应用领域
| 应用场景 | 主要污染物 | V型结构优势体现 | 代表案例 |
|---|---|---|---|
| 半导体洁净室 | 酸性气体、VOCs | 高容尘量、低压降、长寿命 | 中芯国际北京厂 |
| 医院手术室 | 消毒副产物、异味 | 气流均匀、无死角、高吸附效率 | 华西医院新院区 |
| 地下停车场 | CO、NOₓ、颗粒物 | 高容尘、耐潮湿、抗堵塞 | 深圳平安金融中心地下车库 |
| 核电站 | 放射性碘、有机胺 | 高安全性、可监测、可更换 | 大亚湾核电站通风系统 |
| 数据中心 | 硫化物、腐蚀性气体 | 低能耗、长周期维护 | 阿里云张北数据中心 |
7.2 经济效益对比
以某20000m³/h风量的工业通风系统为例，比较传统U型褶与V型密褶化学过滤器的年运行成本：
| 项目 | U型褶过滤器 | V型密褶过滤器 | 节省比例 |
|---|---|---|---|
| 初始投资（万元） | 8.5 | 10.2 | — |
| 更换频率（次/年） | 2.0 | 1.2 | 40% |
| 单次更换成本（万元） | 3.0 | 3.2 | — |
| 年维护成本（万元） | 6.0 | 3.84 | 36% |
| 年电耗（万kWh） | 18.5 | 15.2 | 17.8% |
| 年总成本（万元） | 23.0 | 19.24 | 16.3% |
注：电价按0.8元/kWh计算，风机效率80%
尽管V型结构初始投资略高，但由于维护频率降低与能耗减少，年综合成本显著下降。
参考文献
- ASHRAE. ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment. Atlanta: ASHRAE, 2020.
- Zhang, Y., Wang, L., Chen, H. "Performance Evaluation of V-Pleated Filters in HVAC Systems". Building and Environment, 2021, 195: 107732.
- Li, J., Liu, X., Zhao, M. "PIV Study on Dust Deposition in Pleated Air Filters". Journal of Aerosol Science, 2019, 137: 105432.
- Toray Industries. Technical Report on Advanced Chemical Filtration. Tokyo: Toray, 2020.
- Müller, A., Becker, S., Klein, T. "CFD Analysis of Pleated Filter Media Flow Distribution". Filtration Journal, 2022, 62(3): 45–52.
- Wang, Z., Xu, R., Li, Q. "Gradient Porosity Filter Design for Enhanced Dust Holding Capacity". Journal of Environmental Engineering, 2020, 146(8): 04020078.
- ORNL. Smart Responsive Filtration Systems for Variable Air Volume Applications. Oak Ridge: ORNL, 2023.
- EurAirFilter. White Paper on Future Trends in Chemical Filtration. Brussels: EurAirFilter, 2022.
- LG Chem. Photocatalytic V-Pleated Filter for Indoor Air Quality Improvement. Seoul: LG Chem, 2023.
- 中国建筑科学研究院. 《高效化学过滤器技术导则》. 北京: CABR, 2021.
- 国家市场监督管理总局. 《GB/T 14295-2019 空气过滤器》. 北京: 中国标准出版社, 2019.
- 国家卫生健康委员会. 《GB 31458-2015 医用气体管道系统安全技术要求》. 北京: 中国标准出版社, 2015.
（全文约3,650字）
