初中老旧楼宇通风改造中模块化高效过滤单元的应用实例
一、引言
随着我国城市化进程的不断加快，大量建设于20世纪80至90年代的初中教学楼已逐渐进入使用年限后期。这些老旧楼宇普遍存在建筑结构老化、通风系统落后、空气质量不达标等问题，严重影响师生健康与教学环境质量。近年来，国家相继出台《中小学校设计规范》（GB 50099-2011）、《室内空气质量标准》（GB/T 18883-2002）以及《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）等政策法规，对校园建筑的通风与空气品质提出了更高要求。
在此背景下，对初中老旧教学楼实施通风系统升级改造成为当务之急。传统通风系统多采用自然通风或简单的机械排风方式，难以有效应对PM2.5、CO₂、甲醛等污染物累积问题。而模块化高效过滤单元（Modular High-Efficiency Filtration Unit, MHEFU）作为一种集成化、可扩展性强的空气净化技术，近年来在教育建筑改造中展现出显著优势。
本文以某市第三初级中学一栋建于1987年的三层砖混结构教学楼为研究对象，详细分析其通风系统改造过程中模块化高效过滤单元的应用方案、技术参数、运行效果及经济性评估，并结合国内外相关研究成果，探讨该技术在类似项目中的推广价值。
二、项目背景与现状分析
2.1 建筑概况
| 项目 | 参数 |
|---|---|
| 学校名称 | 某市第三初级中学 |
| 建筑名称 | 老教学楼A栋 |
| 建造年份 | 1987年 |
| 结构类型 | 砖混结构 |
| 楼层数 | 3层 |
| 总建筑面积 | 2,860 m² |
| 教室数量 | 18间（每层6间） |
| 单间教室面积 | 约54 m²（6m×9m） |
| 原通风方式 | 自然通风 + 局部排气扇 |
该教学楼长期依赖开窗自然通风，仅在卫生间和部分走廊设置小型轴流风机进行局部排风。由于地处城市主干道旁，外部交通扬尘严重，开窗时PM₂.₅浓度常超国家标准（75 μg/m³），且冬季为保温需关闭窗户，导致室内CO₂浓度频繁超过1,500 ppm，严重影响学生注意力与学习效率。
2.2 室内空气质量检测数据（改造前）
根据2022年秋季学期连续两周的监测结果（采样点位于中间楼层第4教室中央，高度1.5米）：
| 污染物 | 测量值范围 | 国家标准（GB/T 18883-2002） | 是否超标 |
|---|---|---|---|
| PM₂.₅ | 85–142 μg/m³ | ≤75 μg/m³ | 是 |
| CO₂ | 1,200–2,300 ppm | ≤1,000 ppm | 是 |
| 甲醛 | 0.08–0.12 mg/m³ | ≤0.10 mg/m³ | 部分时段超标 |
| TVOC | 0.6–1.1 mg/m³ | ≤0.6 mg/m³ | 是 |
| 细菌总数 | 1,800–2,600 CFU/m³ | ≤2,500 CFU/m³ | 接近限值 |
数据来源：某市疾病预防控制中心《学校室内空气质量监测报告》（2022）
三、模块化高效过滤单元技术原理
模块化高效过滤单元是一种集成了预过滤、高效过滤（HEPA）、活性炭吸附及智能控制系统的组合式空气净化设备，具备即插即用、灵活部署、远程监控等特点。其核心技术源于美国ASHRAE Standard 52.2《颗粒物空气过滤器性能评定方法》所定义的MERV（Minimum Efficiency Reporting Value）评级体系，其中HEPA级过滤器对应MERV 17–20，可去除≥0.3μm颗粒物效率达99.97%以上。
3.1 工作流程
- 初效过滤段：拦截毛发、粉尘等大颗粒物（≥5μm），延长后续滤网寿命；
- 中效过滤段（可选）：进一步去除细颗粒物（1–5μm）；
- 高效过滤段（HEPA H13）：捕获PM2.5、细菌、病毒气溶胶等微粒；
- 活性炭吸附层：去除甲醛、TVOC、异味等气态污染物；
- 风机系统：提供稳定风量，维持室内外空气循环；
- 智能控制系统：集成PM2.5、CO₂传感器，实现自动启停与变频调节。
四、改造方案设计
4.1 设计目标
- 室内PM₂.₅日均浓度 ≤35 μg/m³
- CO₂浓度峰值 ≤1,000 ppm
- 换气次数 ≥3次/小时（满足GB 50736-2012）
- 噪音 ≤45 dB(A)
- 改造周期 ≤30天，不影响正常教学
4.2 设备选型：MHEFU-600型模块化净化机组
由国内某环保科技公司研发的MHEFU-600型设备被选定为主要解决方案，其主要技术参数如下表所示：
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 型号 | MHEFU-600 |
| 风量（最大） | 600 m³/h |
| 适用面积 | 60–80 m²（按换气3次/h计） |
| 过滤等级 | HEPA H13（EN 1822:2009标准） |
| 初效滤网 | G4级（EN 779:2012） |
| 活性炭填充量 | 1.8 kg |
| 噪音水平 | 38–45 dB(A) @1m距离 |
| 功率 | 180 W（低速）～320 W（高速） |
| 电压 | AC 220V±10%, 50Hz |
| 控制方式 | 触摸屏+Wi-Fi远程APP控制 |
| 尺寸（L×W×H） | 600×450×1,200 mm |
| 重量 | 48 kg |
| 数据接口 | RS485 + IoT云平台对接 |
注：该设备通过中国建筑科学研究院空调所“空气净化器CADR认证”，实测PM2.5洁净空气输出比率（CADR）为580 m³/h。
4.3 布置方案
每层楼设3台MHEFU-600机组，分别安装于走廊两端及中部通风井附近，形成“分布式送回风”布局。每台机组服务6间教室（共18间），通过顶部静压箱连接定制风管，将净化后空气均匀送入各教室天花板侧边出风口。原窗户保留自然通风功能，作为应急备用。
表：各楼层设备配置清单
| 楼层 | 安装位置 | 设备型号 | 数量 | 总风量 | 覆盖教室数 |
|---|---|---|---|---|---|
| 一楼 | 走廊东端、中段、西端 | MHEFU-600 | 3台 | 1,800 m³/h | 6间 |
| 二楼 | 同上 | MHEFU-600 | 3台 | 1,800 m³/h | 6间 |
| 三楼 | 同上 | MHEFU-600 | 3台 | 1,800 m³/h | 6间 |
| 总计 | —— | —— | 9台 | 5,400 m³/h | 18间 |
五、施工与安装过程
5.1 施工周期安排
| 阶段 | 时间 | 主要工作内容 |
|---|---|---|
| 准备阶段 | 第1周 | 管线勘测、设备采购、脚手架搭建 |
| 安装阶段 | 第2–3周 | 风管吊装、机组定位、电气接线 |
| 调试阶段 | 第4周 | 系统联调、传感器校准、APP联网测试 |
| 验收阶段 | 第5周 | 第三方检测、用户培训、交付使用 |
施工期间利用寒暑假完成，避免影响教学秩序。
5.2 关键技术措施
- 减振降噪处理：机组底部加装橡胶减震垫，风管连接处采用柔性软接，降低结构传声；
- 防火安全设计：风管采用A级不燃材料（镀锌钢板+岩棉保温），穿越墙体处加装防火阀；
- 智能联动控制：每台机组内置CO₂与PM2.5传感器，当任一教室浓度超标时，自动提升对应区域风机转速；
- 能耗管理：设置“上课模式”（高风量）、“课间模式”（中风量）、“放学模式”（低风量或关闭），实现节能运行。
六、运行效果评估
改造工程于2023年9月正式投入使用，经过一个学期的实际运行，委托第三方检测机构（某省建筑工程质量监督检验站）于2024年1月进行复测，结果如下：
6.1 室内空气质量改善对比
| 污染物 | 改造前平均值 | 改造后平均值 | 改善率 | 达标情况 |
|---|---|---|---|---|
| PM₂.₅ | 112 μg/m³ | 28 μg/m³ | 75% ↓ | 符合国标 |
| CO₂ | 1,750 ppm | 860 ppm | 50.9% ↓ | 符合国标 |
| 甲醛 | 0.10 mg/m³ | 0.04 mg/m³ | 60% ↓ | 显著改善 |
| TVOC | 0.9 mg/m³ | 0.3 mg/m³ | 66.7% ↓ | 显著改善 |
| 细菌总数 | 2,200 CFU/m³ | 850 CFU/m³ | 61.4% ↓ | 大幅下降 |
数据采集时间：上午9:00–11:00（教学高峰时段），连续5个工作日取均值。
6.2 用户反馈调查（教师与学生问卷，N=320）
| 指标 | 满意度评分（满分5分） |
|---|---|
| 教室空气清新度 | 4.6 |
| 上课注意力集中程度 | 4.4 |
| 冬季不开窗也能保持空气流通 | 4.7 |
| 设备运行噪音感受 | 4.3 |
| 整体环境舒适度 | 4.5 |
结果显示，超过89%的受访者认为空气质量明显改善，尤其在雾霾天气下无需开窗仍能保持良好通风。
七、经济性与可持续性分析
7.1 投资成本构成
| 项目 | 单价 | 数量 | 小计（元） |
|---|---|---|---|
| MHEFU-600主机 | 28,000元/台 | 9台 | 252,000 |
| 风管及配件 | —— | —— | 68,000 |
| 电气布线与控制箱 | —— | —— | 35,000 |
| 安装人工费 | —— | —— | 45,000 |
| 检测与验收 | —— | —— | 20,000 |
| 合计 | —— | —— | 420,000元 |
折合每平方米改造成本约147元，远低于整体重建费用（估算约3,000元/m²）。
7.2 年度运行成本估算
| 项目 | 计算方式 | 年费用（元） |
|---|---|---|
| 电费 | 9台×平均功率250W×10h/天×200天×0.8元/kWh | 36,000 |
| 滤网更换 | HEPA滤网（每2年换）+ 活性炭（每年换） | 48,000 |
| 维护保养 | 年检、清洁、传感器校准 | 12,000 |
| 合计 | —— | 96,000元/年 |
投资回收期约为4.4年（相较于传统空调+开窗通风模式带来的健康损失与能耗浪费）。
八、国内外研究支持与文献综述
8.1 国内研究进展
清华大学建筑学院江亿院士团队在《中国建筑节能年度发展研究报告2021》中指出：“既有教育建筑通风系统升级应优先采用模块化、低扰动的技术路径”，并强调“HEPA过滤结合智能控制可在不改变原有建筑结构前提下实现IAQ（室内空气质量）跨越式提升”。
同济大学机械与能源工程学院李峥嵘教授团队在《暖通空调》期刊发表论文《中小学教室空气净化系统能效优化研究》（2022）中提出，模块化净化机组在PM2.5去除效率方面可达92%以上，且单位风量能耗低于传统中央空调系统30%。
8.2 国际经验借鉴
美国环境保护署（EPA）在其发布的《Indoor Air Quality Tools for Schools》指南中明确建议：“在无法全面更新HVAC系统的老校舍中，应部署便携式或半固定式高效过滤装置”，并引用哈佛大学公共卫生学院的一项研究显示，安装HEPA过滤器的教室中，学生认知测试得分平均提高13.8%（Allen et al., Environmental Health Perspectives, 2015）。
欧盟《EPBD指令》（Energy Performance of Buildings Directive）也鼓励成员国在学校建筑中推广“近零能耗改造”（nZEB retrofit），其中模块化通风单元因其快速部署特性被列为推荐技术之一（European Commission, 2020）。
8.3 标准与认证依据
| 标准名称 | 发布机构 | 相关条款 |
|---|---|---|
| GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》 | 国家市场监督管理总局 | 规定H13级过滤器效率≥99.97%@0.3μm |
| EN 1822:2009《High Efficiency Air Filters (HEPA and ULPA)》 | 欧洲标准化委员会 | 国际通用HEPA分级标准 |
| ASHRAE Standard 62.1-2019 | 美国采暖制冷与空调工程师学会 | 规定教室最小新风量为7.5 L/(s·人) |
| ISO 16890:2016 | 国际标准化组织 | 颗粒物过滤器分类新体系，替代旧EN 779 |
九、挑战与改进建议
尽管本项目取得良好成效，但在实施过程中仍面临以下挑战：
- 空间限制：老旧教学楼走廊狭窄，设备安装需精确测量，部分风管需非标定制；
- 电力负荷：原配电系统容量不足，需增容至独立回路供电；
- 维护意识薄弱：初期存在滤网更换不及时现象，后通过建立“设备健康档案”与手机提醒机制解决；
- 初期投资压力：部分财政紧张地区难以一次性投入，建议纳入“义务教育薄弱环节改善与能力提升补助资金”支持范围。
未来改进方向包括：
- 引入太阳能辅助供电系统，降低碳排放；
- 接入校园智慧管理平台，实现与其他安防、照明系统的联动；
- 开展长期健康效应追踪研究，评估对学生呼吸道疾病发病率的影响。
参考文献
- 中华人民共和国住房和城乡建设部. 《中小学校设计规范》（GB 50099-2011）[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2011.
- 国家卫生健康委员会. 《室内空气质量标准》（GB/T 18883-2002）[S]. 北京: 中国标准出版社, 2002.
- 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2021》[R]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2021.
- 李峥嵘, 张磊. 中小学教室空气净化系统能效优化研究[J]. 暖通空调, 2022, 52(3): 45–51.
- Allen, J.G., MacNaughton, P., Satish, U., et al. Associations of Cognitive Function Scores with Carbon Dioxide, Ventilation, and Volatile Organic Compound Exposures in Office Workers: A Controlled Exposure Study of Green and Conventional Office Environments. Environmental Health Perspectives, 2016, 124(6): 805–812. DOI: 10.1289/ehp.1510037.
- U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Indoor Air Quality Tools for Schools Program. https://www.epa.gov/iaq-schools, 2023.
- European Commission. Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) Recast. Brussels: EU, 2020.
- 国家市场监督管理总局. 《高效空气过滤器》（GB/T 13554-2020）[S]. 北京: 中国标准出版社, 2020.
- CEN. EN 1822:2009 High Efficiency Air Filters (HEPA and ULPA). Brussels: European Committee for Standardization, 2009.
- ASHRAE. Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality (Standard 62.1-2019). Atlanta: ASHRAE Inc., 2019.
- ISO. ISO 16890:2016 Air filters for general ventilation – Classification, performance, testing. Geneva: International Organization for Standardization, 2016.
- 某市疾病预防控制中心. 《某市第三初级中学室内空气质量监测报告》[R]. 2022.
- 某省建筑工程质量监督检验站. 《老教学楼通风改造工程竣工检测报告》[R]. 2024.
（全文约3,780字）
