粗效G4过滤器与高效H13过滤器在组合式空调机组中的层级配置研究

一、引言

随着现代建筑对室内空气质量（IAQ, Indoor Air Quality）要求的日益提高，空气处理设备在暖通空调（HVAC）系统中扮演着至关重要的角色。其中，组合式空调机组（Modular Air Handling Unit, MAHU）作为集中式空气调节系统的核心设备，广泛应用于医院、洁净厂房、实验室、数据中心及高端商业楼宇等场所。为实现对空气中悬浮颗粒物的有效去除，过滤系统成为组合式空调机组不可或缺的关键组成部分。

根据国际标准ISO 16890和欧洲标准EN 779（已逐步被ISO取代），空气过滤器按效率分为多个等级，从粗效到高效不等。其中，粗效G4过滤器与高效H13过滤器分别代表了初级预过滤与末端高效过滤的典型代表。在实际工程应用中，将二者合理配置于组合式空调机组的不同层级，不仅可显著提升整体过滤效能，还能延长高效过滤器使用寿命、降低运行能耗，从而实现经济性与净化效果的平衡。

本文将系统阐述G4与H13过滤器的技术参数、性能特点、应用场景，并结合国内外权威文献，深入分析其在组合式空调机组中的多级过滤配置策略，辅以表格对比与结构图示，全面探讨其协同工作机制与优化设计路径。

二、空气过滤器分类与标准体系

2.1 国际与国内标准体系概述

空气过滤器的分级主要依据其对不同粒径颗粒物的捕集效率。目前国际上通行的标准包括：

• ISO 16890:2016《Air filters for general ventilation — Classification, performance testing and marking》：该标准以颗粒物粒径（PM1、PM2.5、PM10）为基础进行分类，取代了旧有的EN 779标准。
• EN 779:2012《Particulate air filters for general ventilation — Determination of filtration performance》：欧洲曾广泛采用的标准，将过滤器分为G1-G4（粗效）、F5-F9（中效）、H10-H14（高效）等。
• GB/T 14295-2019《空气过滤器》：中国国家标准，等效采用ISO 16890框架，明确了过滤器的分类、测试方法与标识规范。
• GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》：规定了不同建筑类型对空气过滤器的最低配置要求。

根据ISO 16890，G4过滤器大致对应ePM10 > 50%但 ≤ 80%，而H13属于HEPA（High Efficiency Particulate Air）级别，对0.3μm颗粒的过滤效率≥99.97%。

2.2 过滤器等级划分对照表

资料来源：ISO 16890:2016；EN 779:2012；GB/T 14295-2019

三、G4粗效过滤器技术特性与应用

3.1 结构与材料

G4过滤器通常采用轻质金属外框（铝合金或镀锌钢板）配合合成纤维滤料制成，常见形式为板式或折叠式。其滤材多为聚酯纤维或玻璃纤维混纺，具有较高的容尘量和较低的初始阻力。

表1：典型G4过滤器产品参数

数据参考：Camfil Group, 2021；AAF International 技术手册

G4过滤器主要用于拦截空气中粒径大于5μm的悬浮颗粒，如棉绒、花粉、皮屑、建筑粉尘等。其核心作用在于保护后续中效与高效过滤器免受大颗粒堵塞，从而延长系统维护周期。

3.2 性能测试方法

根据GB/T 14295-2019，G4过滤器的主要测试项目包括：

• 计重效率法（Gravimetric Efficiency）：通过测量上下游粉尘质量变化计算效率，适用于粗效过滤器。
• 人工尘发尘测试：使用ASHRAE Dust或中国标准尘进行动态加载，模拟真实工况下的容尘能力。
• 阻力-风量特性曲线测定：评估不同风速下压降变化趋势。

研究表明，在高粉尘环境中，未设置G4预过滤的系统，其后端H13过滤器更换频率可增加3倍以上（Liu et al., 2020）。

四、H13高效过滤器技术特性与应用

4.1 结构原理与制造工艺

H13属于HEPA（High-Efficiency Particulate Air）过滤器范畴，依据ISO 29463标准定义，其对最易穿透粒径（MPPS, Most Penetrating Particle Size）约0.3μm的粒子过滤效率不低于99.97%。其核心滤材为超细玻璃纤维（直径约0.5~2μm），经特殊打褶工艺形成密集微孔结构，依靠扩散、拦截、惯性碰撞和静电吸附四种机制实现高效捕集。

表2：H13高效过滤器典型技术参数

数据来源：Donaldson Company, 2022；ULPA & HEPA Filters Handbook, 2020

H13过滤器广泛应用于ISO 5级（百级）及以上洁净室、手术室、制药车间、核设施通风系统等对空气质量要求极高的场所。

4.2 测试与认证标准

H13过滤器必须通过严格的第三方检测认证，主要包括：

• DOP/PAO气溶胶发生与光度计扫描测试：用于检测过滤器本体及安装接口是否存在泄漏。
• 钠焰法或计数法效率测试：在中国常采用钠焰法测定效率，国际通用冷烟计数法。
• 耐火性能测试：满足UL 586或GB/T 6165中关于防火等级的要求。

美国能源部（DOE）在其《HEPA Filter Specifications》中明确指出，所有用于放射性防护的通风系统必须配备经认证的H13及以上级别过滤器（DOE-STD-3020-2018）。

五、组合式空调机组中的多级过滤配置

5.1 典型结构布局

组合式空调机组通常由多个功能段组成，包括新风段、混合段、初效过滤段、中效过滤段、表冷加热段、加湿段、风机段、高效过滤段等。其中，G4粗效过滤器一般布置在机组前端（初效段），而H13高效过滤器则位于风机之后、送风出口前的高效段，部分设计还会在两者之间增设F7-F8中效过滤器。

图1：典型MAHU多级过滤配置示意图（文字描述）

[新风入口] → [G4粗效过滤段] → [F8中效过滤段] → [表冷器/加热器] → [风机段] → [H13高效过滤段] → [送风出口]

此“三级过滤”结构已成为高端洁净系统的标准配置。

5.2 各层级功能解析

参考：ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment, 2020

研究表明，采用G4+F8+H13三级配置的系统，相比仅使用H13单级过滤，其高效过滤器寿命可延长至原来的2.5倍以上，且系统总能耗降低约12%（Zhang & Wang, 2019）。

5.3 配置优化案例分析

以某三甲医院洁净手术部空调系统为例，原设计仅采用G4+H13两级过滤，运行一年后H13阻力迅速上升至420Pa，被迫提前更换。改造后增加F8袋式中效过滤器，形成G4→F8→H13结构，监测数据显示：

• H13初始阻力稳定在210Pa，两年内未超过380Pa；
• 年均更换次数由1.8次降至0.6次；
• 风机电耗年节约约18,000 kWh。

该案例验证了多级过滤在延长设备寿命、节能降耗方面的显著优势（Chen et al., 2021，《暖通空调》期刊）。

六、国内外典型应用场景对比

6.1 国内典型应用

6.2 国外典型应用（欧美）

资料来源：Camfil White Paper on Multi-Stage Filtration, 2021

值得注意的是，欧美国家更强调基于风险评估的过滤策略。例如，ASHRAE Standard 189.1-2017建议在高污染城市区域的新风系统中强制采用G4+F7+H13三级配置，以应对PM2.5超标问题。

七、经济性与能效分析

7.1 初投资与运行成本比较

注：按单台20,000 m³/h风量机组测算，电价0.8元/kWh

尽管增加中效段使初投资上升约40%，但由于H13更换频率降低和风机功耗减少，全生命周期成本（LCC）反而下降约23%（Li & Zhao, 2020，《建筑节能》）。

7.2 能效影响因素

• 过滤器压降：是风机能耗的主要决定因素之一。每增加100Pa阻力，风机功率约上升15%~20%。
• 容尘特性：G4的良好容尘能力可延缓系统阻力增长速率。
• 自动监控系统：现代MAHU常配备压差传感器，实现智能提醒更换，避免过度运行。

欧盟ErP指令（Energy-related Products Directive）明确要求自2020年起，所有新装通风设备必须具备过滤器状态监测功能，推动智能化运维发展（European Commission, 2019）。

八、安装与维护要点

8.1 安装注意事项

• G4过滤器应垂直安装，防止积尘滑落造成短路；
• H13必须采用密封槽或压紧装置，确保无旁通泄漏；
• 多个H13并联时需均流设计，避免风量分布不均；
• 所有过滤器安装前需检查完整性，尤其是玻璃纤维滤纸有无破损。

8.2 维护管理建议

定期维护不仅能保证净化效果，还可避免因过滤器失效导致的交叉污染事故。美国ASHRAE发布指南指出，超过60%的HVAC系统故障源于过滤器维护不当（ASHRAE Guideline 4-2021）。

九、发展趋势与技术创新

9.1 智能化过滤系统

新型组合式空调机组正逐步集成IoT传感器网络，实现：

• 实时压差监测与云端预警；
• 基于AI算法预测更换周期；
• 自动调节风机转速以补偿阻力变化。

如德国ebm-papst推出的EC风机联动控制系统，可根据过滤器状态动态调速，节能率达15%以上。

9.2 新型滤材研发

• 纳米纤维复合滤料：在传统玻璃纤维基础上叠加静电纺丝纳米层，提升对0.1μm以下颗粒的捕集效率（Wang et al., 2022, Environmental Science & Technology）。
• 抗菌涂层技术：在G4滤材表面喷涂银离子或TiO₂光催化材料，抑制微生物繁殖。
• 可再生HEPA技术：美国初创企业开发出可水洗再生的H13级过滤器原型，尚处试验阶段。

参考文献

1. ISO 16890:2016. Air filters for general ventilation — Classification, performance testing and marking. International Organization for Standardization.
2. GB/T 14295-2019. 空气过滤器. 中国国家标准化管理委员会.
3. ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2020.
4. Camfil Group. The Importance of Pre-Filtration in HEPA Applications. Technical White Paper, 2021.
5. Donaldson Company. HEPA and ULPA Filter Product Guide. 2022 Edition.
6. Liu, Y., Zhang, H., & Li, Q. (2020). "Impact of Pre-filters on HEPA Filter Life in Hospital HVAC Systems". Building and Environment, 175, 106789.
7. Zhang, W., & Wang, J. (2019). "Energy Performance Analysis of Multi-stage Filtration in Modular AHUs". Energy and Buildings, 198, 1–10.
8. Chen, L., et al. (2021). 洁净手术室空调系统过滤器配置优化研究. 《暖通空调》，51(3), 45–50.
9. DOE-STD-3020-2018. Specification for HEPA Filters Used in DOE Nuclear Facilities. U.S. Department of Energy.
10. European Commission. (2019). Commission Regulation (EU) 2019/1781 on ecodesign requirements for ventilation units. Official Journal of the European Union.
11. Li, M., & Zhao, X. (2020). 全生命周期成本在空调过滤系统选型中的应用. 《建筑节能》，48(7), 22–26.
12. Wang, Z., et al. (2022). "Electrospun Nanofiber Enhanced HEPA Filters for Sub-100 nm Particle Removal". Environmental Science & Technology, 56(8), 4321–4330.
13. VDI 2052:2021. Hygienic requirements for ventilation systems. Verein Deutscher Ingenieure.
14. GB 50333-2013. 医院洁净手术部建筑技术规范. 中华人民共和国住房和城乡建设部.
15. AAF International. Technical Manual for Air Filtration Systems. 2021.

（全文约3,680字）