模块化V型密褶式化学过滤器在大型空调机组中的集成与维护策略
一、引言
随着城市化进程的加快与工业活动的频繁，空气质量问题日益受到关注。尤其在大型公共建筑、数据中心、医院、洁净厂房及地铁站等封闭或半封闭空间中，空气中的气态污染物（如SO₂、NOₓ、O₃、H₂S、NH₃等）对人员健康、设备寿命以及室内环境品质构成显著威胁。传统颗粒物过滤（如HEPA）已无法满足对气态污染物的全面控制需求，因此，化学过滤技术在现代空调系统中扮演着不可或缺的角色。
模块化V型密褶式化学过滤器（Modular V-Shape Pleated Chemical Filter）作为一种高效、紧凑且可扩展的气态污染物控制设备，近年来被广泛集成于大型中央空调系统中。其独特的V型结构设计不仅提升了单位体积内的过滤面积，还优化了气流分布，降低了压降，同时便于模块化替换与维护。
本文将系统阐述模块化V型密褶式化学过滤器的结构原理、关键性能参数、在大型空调机组中的集成方式、运行维护策略，并结合国内外权威研究与工程实践，提供科学的选型与管理建议。
二、模块化V型密褶式化学过滤器的结构与工作原理
2.1 结构组成
模块化V型密褶式化学过滤器主要由以下几个部分构成：
| 组成部件 | 功能说明 |
|---|---|
| 外框（Frame） | 通常采用镀锌钢板或铝合金材质，提供结构支撑，确保密封性，耐腐蚀性强 |
| 滤芯（Filter Media） | 由活性炭、改性活性炭、分子筛、浸渍氧化物等复合材料制成，用于吸附或化学反应去除特定气态污染物 |
| 密封条（Gasket） | 采用聚氨酯或EPDM橡胶，确保过滤器与安装框架之间的气密性，防止旁通 |
| 支撑网（Support Grid） | 防止滤料在高风速下变形，增强机械强度 |
| 模块化连接结构 | 支持快速插拔与组合，便于系统扩容与更换 |
其“V型”结构指滤料呈V字形排列，形成多个并列的过滤通道，显著增加有效过滤面积。密褶设计则通过高密度褶皱（通常为30–50褶/10cm）进一步提升单位体积的吸附容量。
2.2 工作原理
化学过滤器通过以下三种机制去除气态污染物：
- 物理吸附：利用活性炭等多孔材料的范德华力吸附非极性气体分子（如苯、甲苯等VOCs）；
- 化学吸附：通过浸渍化学药剂（如高锰酸钾、碘化钾、碱性物质）与污染物发生不可逆化学反应（如SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O）；
- 催化转化：在催化剂（如铂、钯）作用下将有害气体转化为无害物质（如CO → CO₂）。
V型结构使气流均匀分布于各褶间，减少局部气流短路，提高整体过滤效率。
三、关键性能参数与选型依据
3.1 主要性能参数表
| 参数 | 典型值/范围 | 测试标准 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 额定风量（m³/h） | 1000–10000 | ASHRAE 52.2 / EN 779 | 根据空调系统风量匹配选型 |
| 初始压降（Pa） | 80–150 | ASHRAE 52.2 | 压降低可减少风机能耗 |
| 过滤效率（对SO₂） | ≥90%（初始） | ISO 10121-3 | 依据污染物种类而异 |
| 容量（g/m³） | 150–400 | ISO 10121-2 | 表示单位体积滤料吸附能力 |
| 使用寿命（h） | 3000–8000 | 实际工况决定 | 受污染物浓度、温湿度影响 |
| 外形尺寸（mm） | 592×592×460（标准模块） | GB/T 14295-2019 | 支持定制非标尺寸 |
| 重量（kg） | 18–35 | — | 影响安装与更换难度 |
| 工作温度范围（℃） | -10～60 | — | 高温可能影响吸附性能 |
| 相对湿度范围（%RH） | 30–80 | — | 高湿环境降低活性炭效率 |
注：性能参数因制造商与滤料配方不同而异，建议根据实际空气质量数据选型。
3.2 滤料类型与适用污染物对照表
| 滤料类型 | 主要成分 | 适用污染物 | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|
| 普通活性炭 | 煤质/椰壳活性炭 | VOCs、臭味 | 商场、办公楼 |
| 浸渍活性炭（KOH） | KOH改性活性炭 | 酸性气体（SO₂、HCl） | 工业区、电厂附近 |
| 高锰酸钾浸渍炭 | KMnO₄ + 活性炭 | NOₓ、H₂S、O₃ | 地铁站、隧道通风 |
| 分子筛（Zeolite） | 硅铝酸盐 | NH₃、甲醛 | 实验室、医院 |
| 催化型滤料 | Pt/Pd催化剂 | CO、VOCs（低温氧化） | 数据中心、洁净室 |
四、在大型空调机组中的集成方式
4.1 集成位置选择
模块化V型密褶式化学过滤器通常集成于空调机组的新风段或混合段，优先处理未经处理的室外空气。具体位置选择需考虑以下因素：
- 新风入口后：直接处理污染空气，保护后续设备；
- 表冷器前：避免污染物在冷凝表面沉积，延长换热器寿命；
- 送风段末端：适用于对室内空气质量要求极高的场所（如手术室）。
4.2 典型集成结构示意图（文字描述）
空调机组内部气流路径如下：
室外空气 → 初效过滤器（G4）→ 中效过滤器（F7）→ V型化学过滤器 → 表冷器/加热器 → 风机 → 送风管道化学过滤器位于中效过滤之后，可避免颗粒物堵塞滤料微孔，提升化学吸附效率。
4.3 模块化设计优势
| 优势 | 说明 |
|---|---|
| 灵活扩容 | 可根据风量需求增减模块数量，适应系统改造 |
| 快速更换 | 模块整体抽出，无需拆卸机组，维护时间缩短50%以上 |
| 均匀气流分布 | V型结构天然形成导流作用，减少局部高风速区 |
| 降低压降 | 相比平板式，压降降低约20–30%，节能显著 |
| 易于监控 | 可在每个模块加装压差传感器，实现状态监测 |
五、运行维护策略
5.1 日常监测项目
为确保化学过滤器持续高效运行，需建立定期监测机制：
| 监测项目 | 监测频率 | 方法/工具 | 判定标准 |
|---|---|---|---|
| 压差变化 | 每周 | 压差计 | 超过初始值1.5倍时预警 |
| 出口污染物浓度 | 每月 | 气体检测仪（如MultiRAE） | SO₂ < 0.03 ppm，NO₂ < 0.05 ppm |
| 滤料外观 | 每季度 | 目视检查 | 无明显破损、粉化、受潮 |
| 温湿度记录 | 连续 | 数据记录仪 | 避免长期高湿（>80%RH）运行 |
5.2 更换周期确定方法
化学过滤器的寿命不仅取决于时间，更取决于污染物负荷。常用寿命预测方法包括：
-
质量平衡法：
$$
t = frac{M{text{adsorbent}} times C{text{capacity}}}{Q times C_{text{inlet}}}
$$
其中：- $ t $：理论寿命（小时）
- $ M $：滤料质量（kg）
- $ C_{text{capacity}} $：吸附容量（g/kg）
- $ Q $：风量（m³/h）
- $ C_{text{inlet}} $：入口污染物浓度（g/m³）
-
突破曲线法：通过实验室模拟实际工况，测定污染物穿透时间（Breakthrough Time），作为更换依据。
实际工程中，建议结合压差增长速率与出口浓度变化综合判断。
5.3 维护操作流程
- 停机断电：确保安全操作；
- 打开检修门：松开固定卡扣或螺栓；
- 抽出旧模块：沿导轨平稳拉出，避免滤料破损；
- 清洁框架与密封槽：清除积尘，检查密封条老化情况；
- 安装新模块：对准导轨，推入到位，确认密封；
- 记录更换信息：包括日期、模块编号、污染物类型、预计寿命。
建议每更换3次后对整个过滤段进行深度清洁，防止交叉污染。
六、国内外应用案例与研究进展
6.1 国内应用实例
北京大兴国际机场航站楼
- 系统规模：总风量约120万m³/h
- 化学过滤配置：采用V型密褶式模块（592×592×460），每台机组配置4–6个模块
- 滤料类型：高锰酸钾浸渍活性炭 + 分子筛复合滤料
- 效果：实测数据显示，SO₂去除率>92%，O₃去除率>88%，PM2.5同步降低15%（因气溶胶前体物减少）
- 数据来源：《暖通空调》2021年第51卷第3期，李明等《大型交通枢纽空气品质控制技术研究》
上海张江科学城数据中心
- 挑战：周边工业区NOₓ浓度偏高，影响服务器散热系统腐蚀
- 解决方案：在新风机组加装V型化学过滤器，采用KOH浸渍活性炭
- 运行结果：NO₂浓度从0.08 ppm降至0.02 ppm以下，设备故障率下降40%
- 引用文献：中国电子工程设计院，《数据中心环境控制白皮书》，2022
6.2 国外研究进展
美国ASHRAE研究项目（RP-1678）
该研究评估了12种化学过滤器在不同气候条件下的性能衰减规律。结论指出：
- 高湿度环境下（>70%RH），活性炭对VOCs的吸附效率下降30–50%；
- V型结构在风量波动±20%时仍能保持压降稳定；
- 推荐采用“双级过滤”策略：前级除湿 + 后级化学过滤，以提升整体效率。
来源：ASHRAE Transactions, Vol. 124, Part 2, 2018
欧洲EN 13779标准
欧洲通风标准EN 13779将室外空气质量分为四个等级（ODA1–ODA4），并规定了不同等级下化学过滤器的配置要求：
| 室外空气质量等级 | 推荐过滤等级 | 化学过滤要求 |
|---|---|---|
| ODA1（优质） | G4 + F7 | 可选 |
| ODA2（中等） | G4 + F7 + ePM1 50% | 建议配置 |
| ODA3（较差） | G4 + F7 + ePM1 80% + 化学过滤 | 必须配置 |
| ODA4（恶劣） | G4 + F8 + ePM1 90% + 多级化学过滤 | 强制配置 |
来源：CEN/TC 156, "Ventilation for buildings – Design criteria for indoor air quality", 2021
七、经济性与节能分析
7.1 初期投资与运行成本对比
| 项目 | 传统平板式化学过滤器 | 模块化V型密褶式 |
|---|---|---|
| 单台价格（万元） | 1.2–1.5 | 1.8–2.2 |
| 初始压降（Pa） | 180–220 | 100–140 |
| 年电费（按10万m³/h风量） | 约4.8万元 | 约2.6万元 |
| 更换频率（年） | 1.5 | 2.5 |
| 年维护成本 | 1.2万元 | 0.8万元 |
| 全生命周期成本（5年） | 纃32万元 | 约28万元 |
数据来源：清华大学建筑节能研究中心，《暖通系统过滤设备经济性评估报告》，2023
尽管V型过滤器初期投资较高，但因压降低、寿命长、维护便捷，全生命周期成本更低，投资回收期通常在2–3年。
八、常见问题与解决方案
| 问题 | 可能原因 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 压差迅速上升 | 颗粒物堵塞滤料 | 加强前级过滤（提升至F7以上） |
| 去除效率下降 | 滤料饱和或受潮 | 更换滤料，检查新风湿度控制 |
| 异味逸出 | 化学反应副产物释放 | 选用低脱附率滤料，增加排风稀释 |
| 模块安装困难 | 导轨变形或积尘 | 定期清洁导轨，校正安装结构 |
| 局部气流短路 | 密封不良 | 更换密封条，确保压紧力均匀 |
九、未来发展趋势
- 智能监测集成：嵌入IoT传感器，实时监测滤料饱和度、温湿度、压差，实现预测性维护；
- 多功能复合滤料：开发兼具颗粒物捕集与气态污染物去除的“全效滤芯”；
- 再生技术应用：探索热脱附或微波再生技术，延长滤料使用寿命，减少废弃物；
- 绿色材料替代：研发生物基活性炭（如竹炭、秸秆炭），降低碳足迹；
- 标准化接口：推动模块尺寸与连接方式的行业统一，提升互换性。
据《中国空气净化行业发展趋势报告（2023）》预测，到2028年，高端化学过滤器市场规模将突破80亿元，年复合增长率达12.5%。
参考文献
- 百度百科. 化学过滤器 [EB/OL]. https://baike.baidu.com/item/化学过滤器, 2023-10-15.
- ASHRAE. ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2017: Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE, 2017.
- ISO. ISO 10121-3:2012: Air quality — Evaluation of the performance of gas-phase air-cleaning media and devices for general ventilation — Part 3: Determination of the removal efficiency for single gaseous pollutants. Geneva: ISO, 2012.
- CEN. EN 13779:2021: Ventilation for non-residential buildings — Performance requirements for ventilation and room-conditioning systems. Brussels: CEN, 2021.
- 李明, 王强. 大型交通枢纽空气品质控制技术研究[J]. 暖通空调, 2021, 51(3): 45–50.
- 中国电子工程设计院. 数据中心环境控制白皮书[R]. 北京: 中国电子工程设计院, 2022.
- Xu, Y., et al. "Performance degradation of activated carbon filters under high humidity conditions." Building and Environment, vol. 145, 2018, pp. 123–132.
- 清华大学建筑节能研究中心. 暖通系统过滤设备经济性评估报告[R]. 北京: 清华大学, 2023.
- 中国空气净化行业联盟. 中国空气净化行业发展趋势报告（2023）[R]. 上海: 中国空气净化行业联盟, 2023.
- Fisk, W. J. "Health and productivity gains from better indoor environments and their relationship with energy efficiency." Annual Review of Environment and Resources, vol. 46, 2021, pp. 101–128.
（全文约3,680字）
