初中地下车库排风系统升级：HEPA过滤器技术改造方案
一、项目背景与需求分析
随着城市化进程的加快，学校基础设施建设不断优化，尤其在校园安全与环境健康方面日益受到重视。初中校园作为青少年学习和成长的重要场所，其地下车库作为机动车停放区域，长期存在空气污染问题，主要表现为汽车尾气（含CO、NOx、PM2.5等）、挥发性有机物（VOCs）及异味积聚。传统排风系统多依赖机械通风设备，缺乏高效颗粒物净化能力，难以满足现代空气质量标准。
根据《室内空气质量标准》（GB/T 18883-2002）规定，室内PM2.5浓度应低于75 μg/m³，而实际监测数据显示，部分初中地下车库在高峰时段PM2.5浓度可达150~300 μg/m³，严重超标（中国疾病预防控制中心，2021）。此外，《中小学校设计规范》（GB 50099-2011）明确要求地下停车库应设置有效的通风与空气净化措施，保障师生呼吸健康。
为提升校园空气质量，保障学生与教职工的健康安全，对某市重点初中的地下车库排风系统进行技术升级改造，引入高效微粒空气过滤器（High-Efficiency Particulate Air Filter, HEPA）成为必要举措。HEPA过滤器以其卓越的颗粒物去除效率，在医院、实验室、洁净厂房等领域广泛应用，近年来逐步拓展至民用建筑领域。
二、HEPA过滤技术原理与分类
2.1 HEPA过滤技术基本原理
HEPA过滤器是一种能够捕获空气中微小颗粒物的物理过滤装置，其核心材料为超细玻璃纤维或聚丙烯熔喷无纺布，通过多种机制实现高效过滤：
- 拦截效应（Interception）：当颗粒物随气流运动接近纤维表面时，被直接吸附。
- 惯性撞击（Impaction）：较大颗粒因惯性无法随气流绕过纤维，撞击并附着于纤维上。
- 扩散效应（Diffusion）：亚微米级颗粒受布朗运动影响，随机碰撞纤维被捕获。
- 静电吸附（Electrostatic Attraction）：部分HEPA滤材带有静电层，增强对细小颗粒的吸附力。
根据美国能源部（DOE）标准，HEPA过滤器需满足在0.3微米粒径下过滤效率不低于99.97%（DOE-STD-3020-2015），该粒径被称为“最易穿透粒径”（Most Penetrating Particle Size, MPPS）。
2.2 HEPA过滤器等级划分
国际通用HEPA分级标准主要依据欧洲EN 1822:2009和美国IEST-RP-CC001.4规范，具体分类如下表所示：
| 等级 | 标准依据 | 过滤效率（MPPS=0.3μm） | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| H11 | EN 1822 | ≥85% | 普通工业通风 |
| H12 | EN 1822 | ≥99.5% | 医院普通病房 |
| H13 | EN 1822 | ≥99.95% | 手术室、精密实验室 |
| H14 | EN 1822 | ≥99.995% | 高洁净度环境（如半导体车间） |
| U15–U17 | EN 1822 | >99.999% | 核设施、生物安全实验室 |
对于初中地下车库环境，推荐采用H13级HEPA过滤器，兼顾高效率与经济性。
三、现有排风系统评估与问题诊断
以某市第一初级中学为例，其地下车库建筑面积约1800㎡，设有两个出入口，配备两台轴流风机（型号：T35-11 No.5），总排风量为36,000 m³/h，换气次数约为6次/小时，符合《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）最低要求。
但经现场检测发现以下问题：
- 颗粒物浓度高：使用TSI 9565-P型多功能环境测试仪连续监测7天，早高峰期间PM2.5平均值达210 μg/m³，远超国家标准；
- 异味明显：TVOC浓度达0.8 mg/m³（标准限值0.6 mg/m³），主要成分为苯系物与醛类；
- 能耗偏高：风机常年满负荷运行，年耗电量约45,000 kWh；
- 维护不足：原有初效过滤网（G4级）未定期更换，导致风阻增大，效率下降。
上述问题表明，仅靠机械通风已无法满足空气质量需求，亟需引入高效过滤技术。
四、HEPA技术改造方案设计
4.1 改造目标
- 将地下车库PM2.5浓度控制在50 μg/m³以下；
- TVOC去除率≥70%；
- 噪声≤65 dB(A)；
- 年节能率不低于15%；
- 系统运行稳定，维护便捷。
4.2 系统架构设计
本方案采用“预过滤+HEPA主过滤+活性炭辅助吸附+智能控制”四级净化体系，集成于原有排风管道中段，形成模块化净化单元。
主要组件配置：
| 组件名称 | 型号/规格 | 数量 | 功能说明 |
|---|---|---|---|
| 初效过滤器 | G4级铝框板式 | 2套 | 拦截毛发、灰尘等大颗粒物 |
| 中效过滤器 | F7级袋式 | 2套 | 捕捉1~5μm颗粒，延长HEPA寿命 |
| HEPA过滤器 | H13级箱式 | 2套 | 高效去除PM0.3~PM10 |
| 活性炭模块 | 改性椰壳炭，碘值≥900mg/g | 2套 | 吸附VOCs与异味 |
| 变频风机 | HTFC(DT)-Ⅱ-No.8 | 2台 | 风量20,000 m³/h，可调速 |
| 智能控制系统 | PLC+触摸屏 | 1套 | 实时监测与自动调节 |
| 空气质量传感器 | PM2.5、CO、TVOC三合一 | 4组 | 分布式监测 |
4.3 关键设备参数详述
（1）HEPA过滤器技术参数（H13级）
| 参数项 | 技术指标 |
|---|---|
| 过滤等级 | EN 1822 H13 |
| 过滤效率（0.3μm DOP） | ≥99.95% |
| 额定风量 | 20,000 m³/h |
| 初阻力 | ≤220 Pa |
| 终阻力报警值 | 450 Pa |
| 滤料材质 | 超细玻璃纤维 |
| 框架材质 | 铝合金喷涂 |
| 使用寿命 | 18~24个月（视空气质量） |
| 符合标准 | GB/T 13554-2020、ISO 29463 |
注：DOP（邻苯二甲酸二辛酯）为国际通用测试气溶胶，用于验证HEPA性能。
（2）变频风机性能参数
| 参数 | 指标 |
|---|---|
| 型号 | HTFC(DT)-Ⅱ-No.8 |
| 风量范围 | 12,000~24,000 m³/h（变频调节） |
| 全压 | 800 Pa |
| 电机功率 | 7.5 kW × 2 |
| 转速 | 960 rpm |
| 噪音 | ≤62 dB(A) @1m |
| 防护等级 | IP55 |
| 控制方式 | VFD变频驱动 |
（3）空气质量监测传感器参数
| 检测项目 | 测量范围 | 精度 | 响应时间 |
|---|---|---|---|
| PM2.5 | 0~1000 μg/m³ | ±10% | <60s |
| CO | 0~50 ppm | ±5% FS | <30s |
| TVOC | 0~10 mg/m³ | ±15% | <120s |
| 温湿度 | -20~60°C / 0~100%RH | ±0.5°C / ±3%RH | <10s |
数据由RS485接口上传至中央控制系统，支持远程监控。
五、系统运行模式与智能控制策略
5.1 多模式运行机制
| 运行模式 | 触发条件 | 风机转速 | 过滤强度 | 能耗水平 |
|---|---|---|---|---|
| 待机模式 | 无车辆进出，PM2.5<35μg/m³ | 30% | 低 | 极低 |
| 标准模式 | 正常使用时段，PM2.5<75μg/m³ | 60% | 中 | 中等 |
| 强制模式 | 高峰期或PM2.5>100μg/m³ | 100% | 高 | 高 |
| 定时清洁 | 每日0:00-5:00 | 80% | 中 | 中等 |
系统通过AI算法预测车流高峰，提前启动净化程序，提升响应速度。
5.2 智能联动功能
- 与消防系统联动：火灾报警时自动关闭净化模块，切换至紧急排烟模式；
- 与照明系统联动：车辆进入感应区后自动开启局部照明与通风；
- 移动端管理：通过微信小程序实时查看空气质量、设备状态与维护提醒。
六、施工安装与工程实施要点
6.1 安装流程
- 停机断电：关闭原排风系统电源；
- 拆除旧过滤段：清理积尘，检查风管密封性；
- 加装净化模块支架：采用L50×5角钢焊接支撑；
- 安装过滤单元：依次安装G4初效、F7中效、H13 HEPA及活性炭模块；
- 连接风管与电气线路：确保气密性，接地可靠；
- 系统调试：进行风量平衡测试与传感器校准；
- 试运行72小时：记录各项参数，确认稳定性。
6.2 施工注意事项
- HEPA滤芯安装时严禁用手直接接触滤料，防止油污污染；
- 所有法兰连接处须加装EPDM密封垫，漏风率<2%；
- 变频器需加装EMI滤波器，避免电磁干扰；
- 传感器布置应避开风口直吹区域，保证采样代表性。
七、经济性与效益分析
7.1 投资预算（单位：人民币）
| 项目 | 单价 | 数量 | 小计（元） |
|---|---|---|---|
| H13 HEPA过滤器 | 8,500 | 2 | 17,000 |
| F7中效过滤器 | 2,200 | 2 | 4,400 |
| 活性炭模块 | 3,000 | 2 | 6,000 |
| 变频风机（含电机） | 28,000 | 2 | 56,000 |
| 智能控制系统 | 15,000 | 1 | 15,000 |
| 传感器（4组） | 2,500 | 4 | 10,000 |
| 安装与辅材 | —— | —— | 12,000 |
| 合计 | —— | —— | 120,400 |
7.2 运行成本与节能效益
| 项目 | 改造前 | 改造后 | 年节约 |
|---|---|---|---|
| 年耗电量（kWh） | 45,000 | 38,250 | 6,750 |
| 电费（0.8元/kWh） | 36,000元 | 30,600元 | 5,400元 |
| 滤网更换费用 | 6,000元 | 18,000元 | +12,000元 |
| 综合年运行成本 | 42,000元 | 48,600元 | +6,600元 |
尽管运行成本略有上升，但考虑到健康效益与政策合规性，投资回报周期预计为8~10年。若计入因空气质量改善带来的病假减少、学习效率提升等隐性收益，则社会效益显著。
八、国内外应用案例与文献支持
8.1 国内实践案例
北京市第八中学于2022年对其地下车库实施HEPA净化改造，采用H13级过滤+UV光解组合工艺，运行一年后监测显示PM2.5平均浓度由198 μg/m³降至42 μg/m³，TVOC下降68%，师生满意度达92%（《暖通空调》，2023年第5期）。
上海市徐汇区教育局在全区23所中小学推广“绿色车库”计划，强制要求地下停车库配备HEPA净化系统，相关经验被纳入《上海市学校卫生工作指南（2023版）》。
8.2 国外研究进展
美国ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师学会）在其2020年发布的《Indoor Air Quality in Schools》报告中指出：“在交通密集的地下空间，HEPA过滤可有效降低呼吸道疾病传播风险，建议学校优先考虑部署高效过滤系统。”（ASHRAE, 2020）
德国弗劳恩霍夫建筑物理研究所（IBP）对斯图加特某中学车库进行为期两年的跟踪研究，发现安装H13级HEPA后，教师慢性咽炎发病率下降41%，学生缺勤率减少17%（Fraunhofer IBP, 2021）。
九、维护管理与安全规范
9.1 日常维护计划
| 项目 | 周期 | 操作内容 |
|---|---|---|
| 初效滤网清洁 | 每月一次 | 水洗晾干或更换 |
| 中效滤网更换 | 每6个月 | 记录压差变化 |
| HEPA滤芯更换 | 18~24个月 | 专业人员操作 |
| 活性炭再生 | 每年一次 | 高温脱附处理或更换 |
| 传感器校准 | 每季度 | 使用标准气体校验 |
9.2 安全操作规程
- 更换HEPA滤芯时须佩戴N95口罩与手套；
- 禁止在带电状态下拆卸设备；
- 活性炭模块远离火源，防止自燃；
- 系统故障代码需及时排查，不得强行运行。
十、环保与可持续发展考量
本改造方案积极响应国家“双碳”战略，通过变频节能技术降低电力消耗，年减排CO₂约4.8吨。所用HEPA滤材可回收再利用，废弃玻璃纤维经高温熔融后可用于建材生产，符合循环经济理念。
同时，项目符合《绿色校园评价标准》（T/CECS 666-2020）中关于“室内环境质量”与“节能与能源利用”的评分要求，有助于学校申报绿色建筑认证。
参考文献
- 中国疾病预防控制中心. (2021). 《中国学校室内空气质量调查报告》. 北京: 人民卫生出版社.
- GB/T 18883-2002. 《室内空气质量标准》. 国家质量监督检验检疫总局.
- GB 50099-2011. 《中小学校设计规范》. 中国建筑工业出版社.
- GB 50736-2012. 《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》.
- GB/T 13554-2020. 《高效空气过滤器》. 国家市场监督管理总局.
- ASHRAE. (2020). Indoor Air Quality in Schools. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
- Fraunhofer IBP. (2021). Impact of HEPA Filtration on School Indoor Air Quality – A Long-term Study in Stuttgart. Holzkirchen: Fraunhofer Institute for Building Physics.
- European Committee for Standardization. (2009). EN 1822:2009 High Efficiency Air Filters (HEPA and ULPA). Brussels.
- IEST. (2011). IEST-RP-CC001.4 HEPA and ULPA Filters. Institute of Environmental Sciences and Technology.
- 王伟, 李静. (2023). “HEPA过滤技术在校园地下车库的应用研究”. 《暖通空调》, 53(5), 78-83.
- 百度百科. “HEPA过滤器”. https://baike.baidu.com/item/HEPA%E8%BF%87%E6%BB%A4%E5%99%A8 （访问日期：2025年4月5日）
- 上海市卫生健康委员会. (2023). 《上海市学校卫生工作指南（2023版）》. 上海科技出版社.
- T/CECS 666-2020. 《绿色校园评价标准》. 中国工程建设标准化协会.
（全文约3,800字）
