组合式中效过滤器在HVAC系统中的能效优化应用
一、引言
随着全球能源消耗的持续增长和建筑能耗占比的不断上升，暖通空调系统（Heating, Ventilation and Air Conditioning, HVAC）作为建筑能耗的主要组成部分，其能效优化问题日益受到关注。根据国际能源署（IEA）发布的《2023年全球建筑与建筑能效报告》，建筑运行能耗占全球终端能源消费的30%以上，其中HVAC系统的能耗占比高达40%-60%。在中国，根据《中国建筑节能年度发展研究报告2023》显示，公共建筑中HVAC系统的年均能耗约占建筑总能耗的50%以上。
在HVAC系统中，空气过滤器作为保障室内空气质量（IAQ）和系统运行效率的关键部件，其性能直接影响系统的能耗水平。传统上，过滤器主要关注过滤效率，而忽视了其对系统压降和风机能耗的影响。近年来，组合式中效过滤器因其在过滤效率与气流阻力之间的良好平衡，逐渐成为HVAC系统能效优化的重要技术手段。
本文将系统阐述组合式中效过滤器在HVAC系统中的应用背景、技术原理、关键参数、能效优化机制，并结合国内外研究成果，分析其在实际工程中的应用效果与发展趋势。
二、组合式中效过滤器的技术原理与结构特征
2.1 定义与分类
组合式中效过滤器是一种集成多个过滤单元的模块化空气过滤设备，通常采用袋式或板式结构，过滤等级符合GB/T 14295-2019《空气过滤器》标准中的F5-F9级别，对应欧洲标准EN 779:2012中的G4-F9等级。其“组合式”特征体现在模块化设计，便于安装、更换和维护，适用于大型中央空调系统、洁净厂房、医院、数据中心等场所。
根据结构形式，组合式中效过滤器可分为：
- 袋式组合过滤器：由多个滤袋并列组成，有效过滤面积大，容尘量高。
- 板式组合过滤器：采用多层滤纸或合成纤维材料，结构紧凑，适用于空间受限场合。
2.2 工作原理
组合式中效过滤器通过物理拦截、惯性碰撞、扩散效应和静电吸附等机制去除空气中的颗粒物（PM10、PM2.5、花粉、灰尘等）。其中，中效过滤器主要针对粒径在0.4μm至10μm之间的颗粒物，过滤效率在40%-90%之间（按EN 779标准测试）。
三、组合式中效过滤器的关键性能参数
为评估其在HVAC系统中的能效表现，需重点关注以下技术参数：
| 参数名称 | 定义 | 典型值范围 | 测试标准 |
|---|---|---|---|
| 初阻力（Pa） | 新过滤器在额定风量下的压降 | 80-150 Pa | GB/T 14295-2019 |
| 终阻力（Pa） | 过滤器达到容尘量上限时的压降 | ≤300 Pa | GB/T 14295-2019 |
| 额定风量（m³/h） | 设计通过风量 | 1000-10000 m³/h（单模块） | — |
| 过滤效率（%） | 对0.4μm颗粒的捕集率 | F5: 40-60%; F7: 80-90% | EN 779:2012 |
| 容尘量（g） | 过滤器可容纳的灰尘总量 | 300-800 g | ASHRAE 52.2 |
| 滤料材质 | 常用材料 | 玻璃纤维、聚酯纤维、PP无纺布 | — |
| 使用寿命（月） | 正常工况下更换周期 | 6-12个月 | — |
| 能效等级 | 基于能耗的分类 | IEA推荐A级以上 | ISO 16890 |
注：数据综合自《暖通空调》期刊2022年第52卷第8期及Camfil、AAF等国际厂商技术手册。
四、组合式中效过滤器在HVAC系统中的能效影响机制
4.1 压降与风机能耗的关系
HVAC系统中，风机能耗占总能耗的30%-50%。根据流体力学原理，风机功率与风量的立方成正比，与系统总压降成正比。过滤器作为系统阻力的重要组成部分，其压降直接影响风机能耗。
风机功率计算公式如下：
[
P = frac{Q times Delta P}{eta}
]
其中：
- ( P )：风机功率（W）
- ( Q )：风量（m³/s）
- ( Delta P )：系统压降（Pa）
- ( eta )：风机效率（通常取0.6-0.8）
以某办公建筑为例，若采用初阻力为120Pa的组合式中效过滤器（F7级），相比传统初阻力180Pa的过滤器，可降低系统压降60Pa。在风量为10,000 m³/h（约2.78 m³/s）条件下，假设风机效率为0.7，则功率节省为：
[
Delta P = 60 , text{Pa}, quad Delta W = frac{2.78 times 60}{0.7} approx 238 , text{W}
]
全年运行3000小时，可节电约714 kWh，按电价0.8元/kWh计算，年节约电费571元/台机组。
4.2 过滤效率与能耗的平衡
高过滤效率虽能提升室内空气质量，但往往伴随更高的压降和能耗。美国ASHRAE Standard 52.2指出，过滤器选择应在IAQ与能耗之间寻求最优平衡。组合式中效过滤器（F7-F8）在保证较高过滤效率的同时，通过优化滤料结构和气流分布，实现较低的运行阻力。
据清华大学建筑节能研究中心2021年对北京10栋公共建筑的实测数据显示，采用F7级组合式中效过滤器的系统，相比F9级高效过滤器，年均风机能耗降低18%-25%，而室内PM2.5浓度仍可控制在35μg/m³以下，满足GB 3095-2012《环境空气质量标准》要求。
五、国内外研究进展与应用案例
5.1 国内研究现状
中国建筑科学研究院（CABR）在“十三五”国家重点研发计划项目“建筑环境与能源系统智能化控制技术”中，对组合式中效过滤器的能效优化进行了系统研究。研究发现，在典型办公建筑中，采用低阻高容尘的组合式F7过滤器，相比传统F6板式过滤器，系统年综合能耗降低约12.3%。
同济大学暖通实验室（2022）通过CFD模拟与实测结合，优化了组合式过滤器的气流分布设计，使局部流速偏差控制在±15%以内，有效避免了“短路”现象，提升了过滤效率与使用寿命。
5.2 国外研究与标准
美国ASHRAE在其《HVAC Systems and Equipment Handbook》中明确指出，中效过滤器（MERV 13-16）在商业建筑中具有最佳的性价比。欧洲Eurovent认证中心发布的《Air Filter Energy Efficiency Classification》将过滤器按“能耗因子”（Energy Factor, EF）分类，推荐使用EF≤0.5的低能耗产品。
瑞典Camfil公司研发的“City M”系列组合式中效过滤器，采用纳米纤维复合滤料，初阻力仅为90Pa（F8级），容尘量达650g，经实测在某数据中心应用中，年节电达15%以上（Camfil, 2022）。
德国弗劳恩霍夫建筑物理研究所（Fraunhofer IBP）在2020年对欧洲12个城市医院HVAC系统的调研显示，采用组合式中效过滤器的系统，平均维护成本降低20%，设备故障率下降35%。
六、组合式中效过滤器的选型与系统匹配策略
6.1 选型原则
| 选型因素 | 推荐标准 | 说明 |
|---|---|---|
| 过滤等级 | F7-F8（MERV 13-15） | 平衡IAQ与能耗 |
| 初阻力 | ≤120 Pa | 降低风机负荷 |
| 容尘量 | ≥500 g | 延长更换周期 |
| 模块化设计 | 支持现场拼装 | 适应不同风量需求 |
| 防火等级 | UL900 Class 1 或 GB 8624 B1级 | 满足建筑防火要求 |
| 气密性 | 泄漏率≤0.01% | 防止旁通污染 |
6.2 系统集成优化
- 与变风量系统（VAV）协同：在VAV系统中，风量随负荷变化，组合式过滤器应具备宽风量适应能力（如40%-100%额定风量范围内稳定运行）。
- 智能监控与更换预警：加装压差传感器，实时监测过滤器阻力，当达到终阻力80%时自动报警，避免过度压降。
- 前后级过滤协同：建议采用“初效+中效”两级过滤，初效（G4级）拦截大颗粒，保护中效过滤器，延长其寿命。
七、实际工程应用案例分析
案例一：上海某甲级写字楼HVAC系统改造
- 项目背景：建筑面积12万㎡，原有系统采用F6板式过滤器，初阻力160Pa，年风机能耗约180万kWh。
- 改造方案：更换为F7级组合式袋式过滤器（初阻力110Pa，容尘量600g）。
- 实施效果：
- 系统压降降低50Pa；
- 年节电约10.8万kWh（节能率6%）；
- 过滤器更换周期由6个月延长至9个月；
- 室内PM2.5年均浓度下降23%。
案例二：深圳某数据中心精密空调系统
- 需求：高洁净度、低能耗、高可靠性。
- 方案：采用F8级组合式过滤器，配合压差监控与自动报警系统。
- 运行数据（2023年全年）：
- 平均压降：135Pa；
- 年耗电较原系统减少12.7%；
- 无因过滤器堵塞导致的停机事件。
八、组合式中效过滤器的未来发展趋势
8.1 智能化与数字化
随着建筑物联网（BIM+IoT）的发展，智能过滤器将成为趋势。集成传感器的过滤器可实时上传压差、温湿度、容尘量等数据，结合AI算法预测更换时间，优化运维策略。
8.2 新型滤料技术
- 纳米纤维滤料：孔径更小，过滤效率高，阻力低；
- 静电增强滤料：通过驻极处理提升对亚微米颗粒的捕集能力；
- 可再生滤料：支持水洗或静电除尘后重复使用，降低碳排放。
8.3 能效标准升级
中国正在制定《空气过滤器能效限定值及能效等级》国家标准，预计将参考ISO 16890标准，按ePM1、ePM2.5等指标划分能效等级，推动低能耗过滤器的普及。
九、经济性与环境效益分析
9.1 投资回报分析（以单台AHU为例）
| 项目 | 传统F6板式过滤器 | 组合式F7袋式过滤器 |
|---|---|---|
| 单价（元） | 800 | 1500 |
| 使用寿命 | 6个月 | 9个月 |
| 年更换成本 | 1600元 | 2000元 |
| 年风机能耗（kWh） | 25,000 | 22,000 |
| 年电费（0.8元/kWh） | 20,000元 | 17,600元 |
| 年总成本 | 21,600元 | 19,600元 |
| 年节约成本 | — | 2,000元 |
注：数据基于风量10,000 m³/h，运行3000小时/年。
9.2 碳减排效益
按每kWh电耗排放0.5kg CO₂计算，采用组合式中效过滤器年节电2,400 kWh，可减少CO₂排放1.2吨。若全国10万套大型HVAC系统推广，年减排量可达120万吨。
十、常见问题与维护建议
10.1 常见问题
| 问题 | 原因 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 压差上升过快 | 前级过滤失效或环境粉尘高 | 检查初效过滤器，加强环境清洁 |
| 滤袋破损 | 安装不当或风速过高 | 规范安装，控制面风速≤2.5 m/s |
| 气流分布不均 | 框架密封不良 | 检查密封条，确保无泄漏 |
10.2 维护建议
- 定期检查压差表，建议每月记录一次；
- 更换时整组更换，避免新旧混用；
- 储存于干燥环境，避免受潮；
- 废弃过滤器按医疗或工业固废处理，防止二次污染。
参考文献
- 国家标准《空气过滤器》（GB/T 14295-2019）[S]. 北京：中国标准出版社，2019.
- ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size [S]. Atlanta: ASHRAE, 2017.
- Camfil. City M Energy Efficient Air Filter Technical Data Sheet [EB/OL]. https://www.camfil.com, 2022.
- 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》[R]. 北京：中国建筑工业出版社，2023.
- 同济大学暖通空调研究所. 组合式过滤器气流均匀性优化研究[J]. 暖通空调，2022, 52(8): 45-50.
- Fraunhofer IBP. Energy Efficiency of HVAC Filters in European Hospitals [R]. Stuttgart: Fraunhofer, 2020.
- ISO 16890:2016, Air filters for general ventilation — Classification, performance, testing [S]. Geneva: ISO, 2016.
- 中国建筑科学研究院. “十三五”国家重点研发计划项目报告：建筑环境与能源系统智能化控制技术[R]. 北京，2021.
- International Energy Agency (IEA). Energy Efficiency 2023 [R]. Paris: IEA, 2023.
- 欧洲Eurovent认证中心. Air Filter Energy Efficiency Classification [S]. Brussels: Eurovent, 2019.
- 百度百科. 空气过滤器[EB/OL]. https://baike.baidu.com/item/空气过滤器, 2024.
- AAF International. Duravex® M6 Combination Panel Filter Product Guide [Z]. 2021.
（全文约3,600字）
