多袋式F8中效过滤器在大风量系统中的气流均匀性设计

一、引言

随着现代工业、医疗、洁净室及大型商业建筑对空气质量要求的日益提高，通风与空调系统（HVAC）中的空气过滤技术成为保障室内空气质量（IAQ）的关键环节。在众多过滤器类型中，多袋式F8中效过滤器因其高容尘量、低阻力、长寿命和良好的过滤效率，被广泛应用于大风量通风系统中。然而，在大风量工况下，如何确保气流在过滤器表面的均匀分布，避免局部气流短路、压降不均或过滤效率下降，成为系统设计中的核心挑战。

本文将围绕多袋式F8中效过滤器在大风量系统中的气流均匀性设计展开深入探讨，结合国内外研究成果与工程实践，分析影响气流分布的关键因素，提出优化设计策略，并辅以产品参数与性能数据，为相关工程应用提供理论支持与实践指导。

二、多袋式F8中效过滤器概述

2.1 定义与分类

根据欧洲标准EN 779:2012（已被EN ISO 16890:2016取代）及中国国家标准GB/T 14295-2019《空气过滤器》，F8属于中效过滤器范畴，其计重效率≥90%（ASHRAE Dust Spot法），对粒径≥1μm颗粒物的过滤效率可达80%~90%。多袋式结构通过多个滤袋并联布置，显著增加有效过滤面积，降低面风速，从而减少系统压降，延长使用寿命。

2.2 结构特点

多袋式F8过滤器通常由以下几部分组成：

框架：采用镀锌钢板、铝型材或不锈钢材质，确保结构强度与耐腐蚀性；
滤料：聚酯纤维或玻璃纤维复合材料，经热熔工艺制成，具备良好容尘能力；
滤袋：多个独立袋状结构，通过超声波焊接或缝制固定于框架上；
支撑网：内置金属或塑料网架，防止滤袋在高风速下塌陷；
密封条：EPDM或硅胶密封条，确保安装时气密性。

三、大风量系统中气流均匀性的挑战

3.1 气流不均的影响

在大风量系统（如风量超过5000 m³/h）中，若气流在过滤器表面分布不均，将导致以下问题：

局部风速过高：部分滤袋承受过高风速，导致压降急剧上升，滤料易破损；
过滤效率下降：高速区域颗粒物穿透率增加，整体过滤性能降低；
容尘量不均衡：某些滤袋提前堵塞，而其他区域仍处于低负荷状态，造成资源浪费；
系统能耗增加：不均匀压降迫使风机提高功率运行，增加能耗；
维护周期缩短：局部堵塞导致频繁更换，增加运维成本。

3.2 影响气流均匀性的主要因素

影响因素	说明	来源
进风口气流分布	风管设计不合理导致气流偏斜或涡流	ASHRAE Handbook 2020
过滤器安装间隙	安装不当造成旁通漏风	DIN 24185:2010
滤袋数量与排列方式	袋数过少或排列不对称影响分流	Zhang et al., 2021（清华大学）
面风速控制	超过推荐值（通常≤2.5 m/s）引发不均	GB/T 14295-2019
框架刚度与密封性	变形或漏风导致气流短路	ISO 4414:2015

四、多袋式F8过滤器的气流均匀性设计原则

4.1 优化滤袋布局

滤袋数量与排列方式直接影响气流分配。研究表明，采用对称式、交错排列可有效减少气流干涉。例如，6袋式过滤器采用“2-2-2”或“3-3”排列，比“1-5”排列的气流均匀性提升约35%（Li et al., 2020, 《暖通空调》）。

4.2 控制面风速

根据ASHRAE标准，中效过滤器推荐面风速为1.5~2.5 m/s。过高风速会导致滤料变形与压降不均。设计时应根据总风量与有效过滤面积计算：

$$
v = frac{Q}{A}
$$

其中：

$ v $：面风速（m/s）
$ Q $：系统风量（m³/s）
$ A $：有效过滤面积（m²）

4.3 增设均流装置

在过滤器前端加装均流板、导流叶片或蜂窝状整流器，可显著改善气流分布。实验数据显示，安装均流板后，速度不均匀度可从±25%降至±8%以内（Wang et al., 2019, 《建筑科学》）。

4.4 提高框架密封性

采用双道密封结构（如主密封+副密封）可将漏风率控制在0.05%以下（EN 1822:2009）。同时，框架应具备足够刚度，防止在高风压下变形。

五、多袋式F8过滤器典型产品参数

下表列出了国内外主流厂商生产的多袋式F8过滤器典型参数，涵盖不同规格与性能指标。

参数	6袋式	8袋式	10袋式	12袋式
外形尺寸（mm）	592×592×460	592×592×610	592×592×760	592×592×910
过滤面积（m²）	9.8	13.2	16.5	19.8
初始阻力（Pa）	≤120	≤130	≤140	≤150
终阻力（Pa）	450	450	450	450
额定风量（m³/h）	3400	4500	5600	6700
面风速（m/s）	1.6	1.8	2.0	2.2
过滤效率（F8，≥1μm）	≥85%	≥85%	≥85%	≥85%
容尘量（g）	≥800	≥1000	≥1200	≥1400
框架材质	镀锌钢/铝	镀锌钢/铝	镀锌钢/铝	镀锌钢/铝
滤料材质	PET+Glass Fiber	PET+Glass Fiber	PET+Glass Fiber	PET+Glass Fiber
适用标准	GB/T 14295, EN 779	GB/T 14295, EN 779	GB/T 14295, EN 779	GB/T 14295, EN 779

数据来源：Camfil（瑞典）、AAF International（美国）、KLC Filter（中国）、Suzhou Airkey（中国）

六、气流均匀性评估方法

6.1 测试标准

气流均匀性通常通过速度场测量进行评估，主要依据以下标准：

ASHRAE Standard 52.2-2017：测定过滤器性能时的气流分布要求；
EN 13053:2006：空调机组中过滤器组件的性能测试；
GB/T 14295-2019：规定过滤器面风速均匀性测试方法。

6.2 测量方法

在过滤器迎风面布置多个风速测点（通常为5×5或7×7网格），使用热球风速仪或皮托管测量各点风速，计算：

平均风速：
$$
bar{v} = frac{1}{n} sum_{i=1}^{n} v_i
$$
速度不均匀度：
$$
delta = frac{v{text{max}} – v{text{min}}}{bar{v}} times 100%
$$

根据行业经验，速度不均匀度应控制在±15%以内，理想状态下≤±10%。

七、CFD模拟在气流设计中的应用

近年来，计算流体动力学（CFD）被广泛应用于过滤器气流均匀性分析。通过建立三维模型，可直观展示速度矢量、压力分布与湍流动能。

7.1 模拟案例

以某8袋式F8过滤器为例，采用ANSYS Fluent进行稳态模拟，边界条件如下：

入口风速：2.0 m/s
出口压力：大气压
湍流模型：RNG k-ε
滤料阻力：多孔介质模型，阻力系数根据实验标定

模拟结果显示：

区域	平均风速（m/s）	不均匀度（%）	改进措施
无均流板	1.8~2.4	±22%	增设均流板
加均流板	1.9~2.1	±6%	优化完成

CFD模拟不仅验证了设计合理性，还为结构优化提供了量化依据（Chen & Liu, 2022, 《流体机械》）。

八、工程应用案例分析

8.1 案例一：某制药厂洁净车间HVAC系统

系统风量：120,000 m³/h
过滤器配置：20台10袋式F8过滤器并联
问题：初期运行时部分过滤器压降偏高，更换频繁
诊断：CFD模拟发现进风弯头导致气流偏斜
解决方案：
- 增设导流叶片
- 调整过滤器排列间距
- 安装均流板
效果：压降差异从35%降至8%，平均使用寿命延长40%

8.2 案例二：某数据中心空调机组

系统风量：80,000 m³/h
过滤器类型：12袋式F8
挑战：高密度机柜散热需求大，风量波动频繁
对策：
- 采用变频风机配合压差反馈控制
- 每台过滤器加装压差传感器
- 实现智能清灰提醒
成果：气流均匀性保持在±10%以内，年维护成本降低25%

九、国内外研究进展

9.1 国外研究

Camfil（瑞典） 在2021年发表研究指出，通过优化滤袋褶皱密度（从18褶/inch提升至22褶/inch），可在相同体积下增加过滤面积15%，显著改善气流分布（Camfil Technical Report, 2021）。
AAF International（美国） 提出“动态气流平衡技术”，利用可调导流板实时调节进风气流，适用于变风量系统（AAF White Paper, 2020）。

9.2 国内研究

清华大学建筑技术科学系 通过风洞实验验证了多袋式过滤器在不同迎角下的性能变化，提出“最佳迎风角”概念，建议安装角度控制在0°±5°（Zhang et al., 2021）。
同济大学暖通研究所 开发了基于机器学习的气流均匀性预测模型，可提前识别潜在不均区域（Wang et al., 2023, 《暖通空调》）。

十、设计优化建议

为确保多袋式F8过滤器在大风量系统中的气流均匀性，建议采取以下措施：

合理选型：根据系统风量选择合适袋数与尺寸，避免“小马拉大车”；
优化布局：过滤器阵列应居中布置，前后留有足够直管段（建议≥5倍当量直径）；
加装均流装置：在进风口设置均流板或导流格栅；
严格安装：确保过滤器与框架之间无缝隙，使用专用密封胶条；
定期检测：通过压差计与风速仪定期监测各单元运行状态；
智能监控：集成传感器与BMS系统，实现远程监控与预警。

参考文献

ASHRAE. (2020). ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
EN 779:2012. Particulate air filters for general ventilation—Determination of the filtration performance. European Committee for Standardization.
GB/T 14295-2019. 空气过滤器. 国家市场监督管理总局, 中国国家标准化管理委员会.
ISO 16890:2016. Air filters for general ventilation—Classification, performance testing and marking. International Organization for Standardization.
Camfil. (2021). Optimizing Bag Filter Performance in High Airflow Applications. Camfil Technical Bulletin.
AAF International. (2020). Dynamic Airflow Balancing in HVAC Systems. AAF White Paper Series.
Zhang, Y., Li, N., & Chen, H. (2021). "Experimental Study on Airflow Uniformity of Multi-Bag Filters in Cleanrooms." HVAC & Refrigeration Research, 27(4), 345–352. doi:10.1080/10789669.2021.1891234
Wang, L., Liu, X., & Zhao, J. (2019). "CFD Simulation and Optimization of Air Distribution in Bag Filters." Journal of Building Science, 35(6), 78–85. （建筑科学，2019年第6期）
Li, M., Wu, Q., & Sun, Y. (2020). "Influence of Bag Arrangement on Flow Distribution in Multi-Bag Filters." Heating, Ventilating & Air Conditioning, 50(3), 112–118. （暖通空调，2020年第3期）
Chen, R., & Liu, Z. (2022). "Application of CFD in Air Filter Design Optimization." Fluid Machinery, 50(8), 45–50. （流体机械，2022年第8期）
DIN 24185:2010. Air handling units—Requirements and testing. Deutsches Institut für Normung.
ISO 4414:2015. Pneumatics—General rules relating to installations. International Organization for Standardization.
Wang, J., Zhang, K., & Huang, Y. (2023). "Machine Learning-Based Prediction of Airflow Uniformity in HVAC Filters." HVAC & Refrigeration, 53(2), 67–74. （暖通空调，2023年第2期）
百度百科. 多袋式过滤器. https://baike.baidu.com/item/多袋式过滤器（访问日期：2024年6月）
同济大学暖通研究所. (2023). 《智能通风系统气流调控技术研究报告》. 上海：同济大学出版社.