提升HVAC系统效率：W型组合式高效过滤器的压降与容尘量分析
引言
在现代建筑环境中，暖通空调（Heating, Ventilation and Air Conditioning, HVAC）系统作为保障室内空气质量、温湿度调节及能源效率的关键设备，其运行性能直接影响建筑能耗与人体健康。随着绿色建筑理念的普及和节能标准的不断提高，提升HVAC系统的整体能效已成为工程设计与运维管理中的核心课题之一。其中，空气过滤器作为空气处理单元（Air Handling Unit, AHU）的重要组成部分，不仅承担着去除空气中颗粒物、微生物等污染物的功能，其自身的气动特性（如压降）和过滤能力（如容尘量）也显著影响系统的风量输送效率与长期运行成本。
近年来，W型组合式高效过滤器因其独特的结构设计和优异的综合性能，在中高端商业建筑、医院洁净室、制药车间及数据中心等对空气质量要求较高的场所得到广泛应用。该类过滤器通过将多个滤芯以“W”形折叠方式组合安装，有效提升了单位面积的过滤表面积，从而在相同空间内实现更高的容尘能力和更低的初始压降。然而，如何科学评估其在实际运行中的压降变化规律与容尘量累积机制，成为优化系统设计与维护策略的重要依据。
本文旨在系统分析W型组合式高效过滤器在不同工况下的压降特性与容尘量表现，结合国内外权威研究文献与产品技术参数，深入探讨其对HVAC系统能效的影响机理，并为工程应用提供理论支持与实践指导。
一、W型组合式高效过滤器的基本结构与工作原理
1.1 结构特征
W型组合式高效过滤器（W-Shape Modular High-Efficiency Filter）是一种采用多褶层叠式滤材并以“W”形几何排列方式组装而成的模块化空气过滤装置。其典型结构包括：
- 外框材料：通常采用镀锌钢板、铝合金或不锈钢材质，具备良好的机械强度与耐腐蚀性；
- 滤料材质：主流为超细玻璃纤维（Ultra-fine Glass Fiber），部分高端型号使用聚丙烯（PP）或复合纳米纤维材料；
- 分隔物：铝箔或热熔胶条用于固定滤纸褶间距离，维持气流通道稳定性；
- 密封胶：聚氨酯或硅酮密封胶确保边框与滤料之间的气密性；
- 支撑网：内外侧加装防穿透金属网，防止滤材变形或破损。
该结构通过将传统平板式滤材进行多次折叠，并以“W”形交错排列，形成多个平行气流通道，显著增加了有效过滤面积。例如，某型号W型过滤器在标准尺寸610×610×292mm下，有效过滤面积可达4.8㎡，约为同尺寸G4初效板式过滤器的3倍以上。
1.2 工作原理
当含尘空气流经W型过滤器时，颗粒物主要通过以下四种机制被捕获：
- 惯性撞击（Inertial Impaction）：大颗粒因质量较大，在气流方向改变时无法随气流绕过纤维而撞击并附着于滤材表面；
- 拦截效应（Interception）：中等粒径颗粒随气流运动时，若其轨迹与纤维表面接触即被截留；
- 扩散沉积（Diffusion Deposition）：微小颗粒（<0.1μm）受布朗运动影响，随机碰撞纤维而被捕集；
- 静电吸附（Electrostatic Attraction）：部分滤材带有静电荷，增强对亚微米级颗粒的吸引力。
上述机制共同作用，使得W型高效过滤器在0.3μm粒径下的过滤效率可达H13~H14级别（EN 1822标准），满足ISO 14644-1 Class 5及以上洁净环境要求。
二、压降特性分析
2.1 压降定义及其对HVAC系统的影响
压降（Pressure Drop），又称阻力损失，是指空气通过过滤器前后静压之差，单位为帕斯卡（Pa）。它是衡量过滤器气动性能的核心指标之一。过高的压降会导致风机需克服更大阻力以维持设定风量，进而增加电机功率消耗，降低系统整体能效。
据美国ASHRAE（American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers）统计，空气过滤器在HVAC系统总能耗中占比可达10%~30%，其中约70%的能量损耗源于克服过滤器压降[1]。因此，控制和优化过滤器压降是实现节能运行的关键路径。
2.2 W型过滤器压降影响因素
| 影响因素 | 描述 | 典型影响趋势 |
|---|---|---|
| 滤速（m/s） | 单位面积通过的风量 | 滤速↑ → 压降↑（近似平方关系） |
| 滤料密度（g/m²） | 决定纤维堆积程度 | 密度↑ → 初始压降↑，但效率↑ |
| 褶高与间距 | “W”形结构参数 | 褶高↑、间距↓ → 表面积↑ → 压降↓ |
| 容尘量累积 | 运行时间增长导致积尘 | 积尘↑ → 压降↑（非线性增长） |
| 气流均匀性 | 进口风速分布是否均匀 | 不均流 → 局部堵塞 → 压降突增 |
根据清华大学建筑技术科学系的研究，W型过滤器在额定风量下的初始压降一般为180~250 Pa，明显低于传统袋式高效过滤器（300~400 Pa）[2]。这得益于其较大的迎风面积与优化的气流通道设计。
2.3 实测压降曲线与模型拟合
德国TÜV Rheinland实验室曾对一款型号为Camfil GoldStar GS-H13的W型组合式高效过滤器进行全生命周期测试，结果如下表所示：
| 累计运行时间（h） | 平均粒径（μm） | 累计容尘量（g/m²） | 实测压降（Pa） | 增长率（%） |
|---|---|---|---|---|
| 0 | — | 0 | 210 | 0 |
| 500 | 0.4 | 120 | 265 | +26.2% |
| 1000 | 0.5 | 245 | 330 | +57.1% |
| 1500 | 0.6 | 360 | 410 | +95.2% |
| 2000 | 0.7 | 470 | 520 | +147.6% |
数据表明，随着运行时间延长，压降呈非线性上升趋势，尤其在后期增速加快。这一现象可用Darcy-Forchheimer方程描述：
$$
Delta P = mu cdot L cdot v cdot A^{-1} + frac{1}{2} rho cdot f cdot v^2
$$
其中：
- $Delta P$：压降（Pa）
- $mu$：空气动力粘度（Pa·s）
- $L$：滤层厚度（m）
- $v$：滤速（m/s）
- $A$：渗透率（m²）
- $rho$：空气密度（kg/m³）
- $f$：惯性阻力系数
该模型已被广泛应用于欧洲通风协会REHVA的技术指南中，用于预测过滤器寿命与更换周期[3]。
三、容尘量性能研究
3.1 容尘量定义与测试方法
容尘量（Dust Holding Capacity, DHC）指过滤器在达到规定终阻力前所能容纳的标准人工尘总量，单位为克每平方米（g/m²）。它是评价过滤器使用寿命和经济性的关键参数。
国际通用测试标准包括：
- ASHRAE 52.2-2017：采用ASHRAE人工尘（ASHRAE Dust）在恒定风速下加载，记录压降增至初始值2倍时的累计粉尘质量；
- EN 779:2012（已更新为EN ISO 16890）：适用于普通通风过滤器；
- IEC 61581：针对核电站用高效过滤器；
- 中国国家标准 GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》：明确H10~H14级过滤器的检测流程与判定准则。
国内天津大学环境科学与工程学院对比了三种结构形式（板式、袋式、W型）高效过滤器的容尘量表现，结果显示W型结构平均容尘量达500 g/m²以上，较传统板式高出约60%[4]。
3.2 W型过滤器容尘优势机制
| 优势机制 | 说明 |
|---|---|
| 大比表面积 | “W”形折叠使单位体积内滤材展开面积最大化，延缓局部饱和 |
| 分布式积尘 | 多通道结构促使灰尘分散沉积，避免单一区域快速堵塞 |
| 深层过滤能力 | 高孔隙率滤材允许颗粒进入内部深层捕获，提升整体负载能力 |
| 自清洁效应 | 在脉冲反吹系统配合下，部分松散积尘可被清除，延长寿命 |
日本Nippon Muki公司研发的NanoW系列W型过滤器，采用梯度密度滤纸（外层致密、内层疏松），实测容尘量可达620 g/m²，同时保持末期压降低于600 Pa，显著优于行业平均水平[5]。
3.3 容尘量与过滤效率的动态关系
值得注意的是，容尘量并非越高越好。随着积尘增加，过滤效率可能出现“先升后降”的趋势：
- 初期：微小颗粒填充滤材空隙，形成“二次过滤层”，提升对亚微米粒子的捕集效率；
- 中期：滤层逐渐致密化，气流通道缩小，压降上升，但整体效率维持高位；
- 后期：过度积尘导致通道堵塞或滤材破裂，出现“穿漏”现象，效率骤降。
美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）研究表明，当H13级W型过滤器容尘量超过550 g/m²后，0.3μm粒子穿透率可能从初始的0.3%上升至1.8%，接近失效阈值[6]。
四、典型产品参数对比分析
以下选取市场上五款主流W型组合式高效过滤器进行横向比较：
| 型号 | 生产商 | 标准尺寸（mm） | 效率等级（EN 1822） | 初始压降（Pa）@0.5m/s | 终阻力（Pa） | 容尘量（g/m²） | 滤料材质 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil GS-H13 | 瑞典Camfil | 610×610×292 | H13 | 210 | 600 | 520 | 超细玻璃纤维+纳米涂层 | 医院手术室 |
| Donaldson Ultra-Web Z | 美国Donaldson | 592×592×360 | H14 | 240 | 650 | 480 | 聚丙烯熔喷+静电驻极 | 半导体厂房 |
| Flanders Mini Pleat MP-W | 美国Flanders | 600×600×300 | H13 | 200 | 550 | 500 | 玻璃纤维+热塑性隔距 | 数据中心 |
| KLC Filter WH Series | 中国苏州科林 | 610×610×292 | H13 | 220 | 600 | 490 | 玻纤+铝箔分隔 | 制药GMP车间 |
| Mitsubishi CleanPak WP-H | 日本三菱 | 484×484×220 | H13 | 195 | 500 | 530 | 复合纳米纤维 | 生物安全实验室 |
注：所有数据基于制造商公开技术手册及第三方检测报告整理
从上表可见，尽管各品牌在细节设计上有所差异，但总体呈现以下共性：
- 初始压降集中在195~240 Pa区间，远低于早期高效过滤器水平；
- 终阻力普遍设定在500~650 Pa，符合大多数AHU风机扬程能力；
- 容尘量普遍突破480 g/m²，体现W型结构在储尘能力上的显著优势；
- 材料创新趋势明显，如纳米涂层、静电驻极等技术的应用进一步提升了综合性能。
五、国内外研究进展与标准体系
5.1 国际研究动态
欧美国家在空气过滤领域的研究起步较早，形成了较为完善的理论与标准体系。例如：
- ASHRAE Research Project RP-1678（2018）系统评估了不同类型高效过滤器在真实建筑环境中的能耗表现，指出W型结构在全生命周期成本（LCC）方面比传统袋式低12%~18%[7]。
- EUROVENT Certification Programme 对W型过滤器实施独立认证，涵盖效率、压降、防火等级（M1/M2）、有毒物质释放等多项指标。
- 英国CIBSE Guide B（2020版）建议在高利用率建筑中优先选用低阻高效过滤器，推荐W型作为节能改造首选方案。
5.2 中国研究与政策导向
我国近年来高度重视室内空气质量与建筑节能协同发展。相关研究成果包括：
- 同济大学团队基于CFD模拟发现，W型过滤器内部速度场均匀性比袋式提高约35%，有效减少涡流区形成，降低局部磨损风险[8]。
- 中国建筑科学研究院主编的《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015明确提出：“宜采用低阻力、高容尘量的高效过滤器”，推动W型产品市场渗透率逐年上升。
- 上海市地方标准DB31/T 1228-2020《医院建筑空气净化技术规程》要求Ⅰ类洁净用房必须配置H13及以上级别W型或等效结构过滤器。
此外，中国环境保护产业协会发布的《空气过滤器能效分级》团体标准（T/CAEPI 30-2021）首次引入“能效指数”（Filter Efficiency Index, FEI）概念，计算公式为：
$$
FEI = frac{eta{0.3}}{Delta P{initial}}
$$
其中$eta{0.3}$为0.3μm粒子计数效率（%），$Delta P{initial}$为初始压降（Pa）。该指标可用于量化比较不同过滤器的“性价比”性能，W型产品普遍得分高于其他类型。
六、实际工程应用案例分析
案例一：北京某三甲医院洁净手术部改造项目
原系统采用传统袋式H13过滤器，运行三年后频繁报警更换，年均更换次数达4次，单台成本约8,000元。2022年升级为W型组合式过滤器（KLC WH-610），监测数据显示：
- 初始压降由320 Pa降至210 Pa；
- 风机功耗下降18.7%；
- 更换周期延长至18个月，年节约运维费用超20万元；
- 手术室颗粒物浓度稳定控制在ISO Class 5以内。
案例二：深圳腾讯滨海大厦数据中心
该数据中心采用集中式AHU系统，全年不间断运行。引入Camfil W型过滤器后，结合智能压差监控系统，实现：
- 压降预警阈值设为500 Pa，自动触发更换提醒；
- 年度电耗减少约15万kWh；
- IT设备故障率因空气质量改善下降12%。
参考文献
[1] ASHRAE. Handbook—HVAC Systems and Equipment. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2020.
[2] 张寅平, 赵彬. 《建筑环境学》. 清华大学出版社, 2019.
[3] REHVA. Guidebook No. 23: Air Filters in Building Services Engineering. 2017.
[4] 李先庭等. “高效空气过滤器结构形式对性能影响的实验研究”. 《暖通空调》, 2021, 51(3): 1–7.
[5] Nippon Muki Co., Ltd. Technical Brochure: NanoW Series High Efficiency Filters. 2022.
[6] Singer, B.C., et al. Performance of High-Efficiency Particulate Air (HEPA) Filters Under Loading Conditions. LBNL Report LBNL-200115, 2019.
[7] ASHRAE Research Project RP-1678 Final Report. Life-Cycle Cost Analysis of HVAC Filtration Systems, 2018.
[8] 吴静怡, 沈晋明. “W型高效过滤器内部流场数值模拟研究”. 《制冷与空调》, 2020, 20(5): 45–50.
[9] GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》. 国家市场监督管理总局, 2020.
[10] EN 1822:2019 High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA). CEN, European Committee for Standardization.
（全文约3,800字）
