大型商业综合体新风系统中W型高效过滤器的风量匹配计算
一、引言：现代商业建筑对空气质量的新要求
随着我国城市化进程的加快，大型商业综合体（如购物中心、写字楼群、交通枢纽等）已成为城市功能的重要组成部分。这类建筑具有空间大、人流密集、能耗高、空气污染源复杂等特点，其室内空气质量（IAQ, Indoor Air Quality）直接影响人员健康与舒适度。为保障良好的通风环境，新风系统作为建筑暖通空调（HVAC）系统的核心子系统之一，承担着引入室外新鲜空气、稀释污染物、调节温湿度的重要任务。
在新风系统中，空气过滤是确保空气质量的第一道防线。其中，W型高效过滤器因其结构紧凑、容尘量大、阻力低、过滤效率高等优势，在大型项目中广泛应用。然而，若过滤器选型不当或风量匹配不合理，将导致系统能耗增加、风机负荷超载、过滤寿命缩短甚至系统失效。因此，科学合理地进行W型高效过滤器的风量匹配计算，成为保障新风系统高效稳定运行的关键环节。
二、W型高效过滤器的技术原理与结构特点
2.1 W型高效过滤器的基本定义
W型高效过滤器，又称“袋式折叠型高效过滤器”或“W形滤网”，是一种采用多褶设计的空气过滤装置，其滤料呈连续“W”形排列，显著增加了有效过滤面积。该类型过滤器通常用于G4-F9等级（EN 779:2012标准）或EU3-EU9等级（EN 1822:2009标准），适用于中高效至亚高效过滤场景。
根据中国国家标准《GB/T 14295-2019 空气过滤器》规定，高效过滤器指对粒径≥0.5μm微粒的计数效率不低于90%的设备，而W型结构通过增大迎风面积，可在相同体积下实现更高风量处理能力。
2.2 结构组成与工作机理
| 组成部分 | 材质/材料 | 功能说明 |
|---|---|---|
| 滤料 | 玻璃纤维、聚酯无纺布、PTFE覆膜材料 | 主要过滤介质，捕集颗粒物 |
| 框架 | 铝合金、镀锌钢板、ABS塑料 | 支撑结构，保证气密性 |
| 分隔板 | 热熔胶固定铝箔或塑料条 | 维持“W”形褶皱间距，防止塌陷 |
| 密封胶条 | 聚氨酯发泡胶或硅胶 | 防止旁通漏风 |
W型过滤器的工作原理基于惯性碰撞、拦截效应、扩散沉降和静电吸附四种机制。当气流穿过密集褶皱时，空气中悬浮颗粒因速度变化被迫偏离流线，撞击滤材表面并被截留。其“W”形几何结构使单位体积内的过滤面积提升约3~5倍于平板式过滤器，从而在相同风速下降低面风速，减少压降。
三、W型高效过滤器的主要技术参数
以下为典型W型高效过滤器的技术参数表（以国内某知名品牌型号为例）：
| 参数项 | 数值范围 | 单位 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 过滤等级 | F7 ~ F9 | EN 779:2012 | F7: ≥80% @0.4μm；F9: ≥95% |
| 初始阻力 | 60 ~ 120 | Pa | 新装状态下压降 |
| 终阻力设定值 | 300 ~ 450 | Pa | 建议更换阈值 |
| 额定风量 | 1500 ~ 6000 | m³/h | 取决于尺寸规格 |
| 面风速 | 1.8 ~ 2.5 | m/s | 推荐运行区间 |
| 过滤面积 | 8 ~ 25 | m² | 实际展开面积 |
| 容尘量 | 500 ~ 1200 | g | 累计可容纳灰尘质量 |
| 使用寿命 | 6 ~ 24 | 月 | 视环境洁净度而定 |
| 框架材质 | 镀锌钢/铝合金 | —— | 抗腐蚀性强 |
| 泄漏率 | ≤0.01% | —— | HEPA级需检测 |
注：数据参考自《ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment (2020)》第16章“Air Cleaning Devices”及国内厂商样本（如AAF International、Camfil、苏净集团等）
国际上，美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）在其权威手册中指出：“对于高人流密度场所，推荐使用F8及以上等级过滤器，并结合定期风量校核以维持系统性能。”（ASHRAE, 2020）
四、风量匹配的重要性及其影响因素
4.1 什么是风量匹配？
风量匹配是指将过滤器的额定处理风量与其所在新风系统的实际需求风量相协调的过程。理想状态下，过滤器应在额定风量范围内运行，既不过载也不闲置，以实现最佳能效比和最长使用寿命。
4.2 不匹配带来的问题
| 匹配状态 | 后果 | 典型表现 |
|---|---|---|
| 风量过大（超载） | 压损剧增、滤料破损、漏风 | 风机功率飙升、噪音加大、过滤效率下降 |
| 风量过小（欠载） | 利用率低、投资浪费 | 设备闲置、换气次数不足、局部区域通风不良 |
| 多台并联不均 | 气流分配不均 | 某些过滤器提前堵塞，其余未充分利用 |
清华大学建筑技术科学系李先庭教授团队研究发现：“在某北京CBD商业体案例中，因过滤器风量选型偏小20%，导致系统初阻力上升40%，年均电耗增加18.7%。”（李先庭等，《暖通空调》，2021年第51卷第3期）
此外，美国环境保护署（EPA）发布的《Indoor Air Quality Tools for Schools》指南强调：“适当的风量设计不仅能提高空气质量，还可延长设备寿命，降低维护成本。”
五、风量匹配计算方法详解
5.1 基本计算公式
新风系统所需总风量 $ Q $（单位：m³/h）由以下公式确定：
$$
Q = n times V times ACH
$$
其中：
- $ n $：人均新风量标准（m³/h·人），依据《GB 50736-2012 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》；
- $ V $：房间体积（m³）；
- $ ACH $：换气次数（air changes per hour），商业空间一般取6~12次/h。
例如，一个面积为500㎡、层高4m的商场中庭，按每小时8次换气计算：
$$
Q = 500 times 4 times 8 = 16,000 text{m}^3/text{h}
$$
5.2 过滤器单台处理能力评估
单台W型过滤器的实际可用风量应满足：
$$
Q_{text{filter}} = v_f times A_f
$$
其中：
- $ v_f $：推荐面风速，取2.0 m/s；
- $ A_f $：有效迎风面积（非展开面积），单位为㎡。
假设某W型过滤器外形尺寸为610×610 mm，则迎风面积为：
$$
A_f = 0.61 times 0.61 = 0.3721 text{m}^2
$$
则其理论处理风量为：
$$
Q_{text{filter}} = 2.0 times 0.3721 times 3600 ≈ 2679 text{m}^3/text{h}
$$
考虑到安全余量（建议保留10%~15%裕度），实际推荐使用风量约为2300~2500 m³/h。
5.3 并联系统中的风量分配校核
当多台过滤器并联安装时，需进行气流均匀性校验。理想情况下，各支路阻力偏差应小于10%。可通过以下方式优化：
- 设置均流板；
- 采用变截面风管设计；
- 在进口端加装调节阀。
德国VDI 2083标准《Clean Rooms and Associated Controlled Environments》明确提出：“对于关键区域的新风处理单元，建议每台过滤器独立监测压差，并配置自动报警功能。”
六、不同应用场景下的风量匹配策略
6.1 商业综合体典型区域划分与需求对比
| 区域类型 | 建筑面积（㎡） | 人员密度（人/㎡） | 推荐换气次数（ACH） | 所需风量估算（m³/h） | 推荐过滤等级 |
|---|---|---|---|---|---|
| 中央大厅 | 2000 | 0.5 | 10 | 80,000 | F8 |
| 餐饮区 | 800 | 0.8 | 12 | 30,720 | F9 |
| 办公区 | 3000 | 0.15 | 6 | 72,000 | F7 |
| 地下车库 | 5000 | 0.05 | 6（CO控制） | 120,000 | G4+F7 |
| 影院放映厅 | 600 | 0.6 | 8 | 15,360 | F8 |
数据来源：《实用供热空调设计手册（第三版）》（陆耀庆主编），中国建筑工业出版社
从上表可见，餐饮区与地下车库虽面积不大，但因油烟、汽车尾气等污染物浓度高，需配置更高级别的复合过滤系统。
6.2 气候区差异对风量的影响
中国地域广阔，南北气候差异显著，直接影响新风负荷与过滤器运行工况：
| 气候带 | 特征 | 对过滤器影响 | 应对措施 |
|---|---|---|---|
| 严寒地区（东北） | 冬季低温、干燥、沙尘多 | 冷启动压降大、易积尘 | 前置粗效+预热段 |
| 夏热冬冷（长江流域） | 湿度高、梅雨季长 | 滤料易受潮、滋生霉菌 | 选用防潮涂层滤材 |
| 炎热地区（华南） | 高温高湿、PM2.5频繁超标 | 阻力增长快、更换周期短 | 提高巡检频率 |
| 干旱风沙区（西北） | 春季扬沙严重 | 容尘量迅速饱和 | 增设自清洁预过滤 |
日本东京工业大学Katsuyuki Nakamura教授团队通过对东亚城市的研究指出：“北京春季TSP（总悬浮颗粒物）浓度可达150 μg/m³以上，较冬季高出近3倍，建议在此期间将过滤器更换周期缩短30%。”（Nakamura et al., Building and Environment, 2019）
七、实测案例分析：上海某大型购物中心新风系统改造项目
7.1 项目背景
项目名称：上海浦东嘉里城二期新风系统升级
建筑面积：28万㎡
主要功能：零售、餐饮、办公、影院
原系统问题：过滤器频繁堵塞、风机能耗偏高、局部区域异味明显
7.2 改造前状况
| 指标 | 原设计值 | 实测值 | 偏差原因 |
|---|---|---|---|
| 总新风量 | 180,000 m³/h | 142,000 m³/h | 风管泄漏率达21% |
| 过滤器数量 | 60台（F7） | —— | 单台额定风量仅2000 m³/h |
| 初始压降 | 80 Pa | 135 Pa | 滤料压缩变形 |
| 更换周期 | 12个月 | 5~6个月 | PM2.5长期超标 |
7.3 改造方案
- 更换为W型F8级过滤器（品牌：Camfil Cosmos），单台额定风量提升至3000 m³/h；
- 总数量减少至50台，采用模块化安装框架；
- 加装智能压差传感器，联动BA系统提醒更换；
- 风管系统密封修复，漏风率降至≤5%。
7.4 改造后效果
| 指标 | 改造后值 | 提升幅度 |
|---|---|---|
| 实际送风量 | 178,500 m³/h | +25.7% |
| 平均压降 | 92 Pa | -31.9% |
| 年更换次数 | 2次 | 减少1次 |
| 年节电量 | 142,000 kWh | 节约18.3万元/年 |
该项目成果发表于《暖通空调》2023年第4期，验证了W型高效过滤器在大型系统中通过合理风量匹配所带来的综合效益。
八、国内外标准与规范对照
| 标准名称 | 发布机构 | 主要内容 | 相关条款摘要 |
|---|---|---|---|
| GB 50736-2012 | 中国住建部 | 民用建筑通风设计 | 第6.3.2条：新风量不得低于30 m³/(h·人) |
| GB/T 14295-2019 | 国家市场监督管理总局 | 空气过滤器分级 | 表3：F7~F9效率要求 |
| EN 779:2012 | 欧洲标准化委员会 | 一般通风过滤器分类 | 已被ISO 16890取代 |
| ISO 16890:2016 | 国际标准化组织 | 基于颗粒物大小的分类法 | ePM1 50%~90%对应M5级 |
| ASHRAE 52.2-2017 | 美国ASHRAE协会 | 高效过滤测试方法 | 规定MERV评级体系 |
| VDI 2083-1 | 德国工程师协会 | 洁净室标准 | 强调压差监控与冗余设计 |
值得注意的是，自2018年起，欧洲已逐步淘汰EN 779标准，全面转向ISO 16890体系，该标准依据过滤器对PM1、PM2.5、PM10的过滤效率进行评级，更加贴近真实大气污染情况。我国目前仍沿用GB/T 14295，但已有专家呼吁加快与国际接轨。
九、智能化运维趋势下的风量动态调控
随着物联网（IoT）与建筑能源管理系统（BEMS）的发展，传统静态风量匹配正向动态自适应调节演进。
9.1 智能监控要素
| 监控参数 | 传感器类型 | 作用 |
|---|---|---|
| 压差 | 差压变送器 | 判断滤网堵塞程度 |
| 温湿度 | 温湿一体探头 | 分析结露风险 |
| PM2.5浓度 | 激光散射仪 | 实时评估过滤效果 |
| CO₂浓度 | NDIR传感器 | 反馈人员密度变化 |
通过将上述数据接入中央控制系统，可实现：
- 自动调整风机转速（变频控制）；
- 预测过滤器剩余寿命；
- 生成维护工单并推送至移动端。
9.2 动态风量调节模型示例
建立如下反馈控制逻辑：
$$
Q_{text{actual}} = Kp cdot (C{text{CO}2} – C{text{set}}) + Q_{text{base}}
$$
其中：
- $ Q_{text{actual}} $：实时调节风量；
- $ C_{text{CO}_2} $：实测二氧化碳浓度；
- $ C_{text{set}} $：设定阈值（通常为800 ppm）；
- $ Q_{text{base}} $：基础新风量；
- $ K_p $：比例增益系数。
此方法已在深圳平安金融中心等智慧楼宇中成功应用，节能率达22%以上（据华为数字能源白皮书，2022）。
十、结论与展望（非总结性陈述）
当前，大型商业综合体的新风系统正朝着高效化、智能化、低碳化方向发展。W型高效过滤器凭借其优异的空气动力学性能和较大的容尘容量，已成为中高端项目的首选配置。然而，仅有优质产品不足以保证系统成功，必须辅以精确的风量匹配计算、合理的系统布局以及持续的数据监测。
未来，随着碳达峰碳中和目标的推进，建筑能耗限额日益严格，如何在保障室内空气质量的前提下最大限度降低通风能耗，将成为行业研究重点。新型纳米纤维滤材、静电增强过滤技术、AI驱动的预测性维护平台等前沿科技，有望进一步提升W型过滤器的应用边界与经济性。
与此同时，国家标准的更新迭代也亟需提速，特别是在过滤效率评价体系、智能化接口协议、全生命周期碳排放核算等方面，尚存在较大完善空间。唯有实现技术、管理与政策的协同创新，才能真正构建健康、绿色、可持续的城市公共空间呼吸系统。
