超低阻高中效过滤器在洁净室通风系统中的节能应用研究
概述
随着现代工业对生产环境洁净度要求的不断提高，洁净室在电子、医药、生物工程、食品加工等领域的应用日益广泛。洁净室的核心在于空气处理系统（HVAC, Heating, Ventilation and Air Conditioning），其中空气过滤器作为关键组件，承担着去除空气中微粒、微生物及有害气体的重要任务。然而，传统高效过滤器虽具备优异的过滤效率，但往往伴随着较高的气流阻力，导致风机能耗显著上升，运行成本增加。
在此背景下，超低阻高中效过滤器（Ultra-Low Resistance Medium-Efficiency Filter）作为一种新型空气过滤设备，因其兼具较高过滤效率与极低压降特性，逐渐成为洁净室通风系统节能优化的重要技术手段。本文将系统阐述超低阻高中效过滤器的技术原理、产品参数、在洁净室中的实际应用，并结合国内外研究成果分析其节能潜力与经济价值。
1. 超低阻高中效过滤器的定义与分类
1.1 定义
根据中华人民共和国国家标准《GB/T 14295-2019 空气过滤器》规定，高中效过滤器是指对粒径≥0.5μm微粒的计数效率在60%～95%之间的空气过滤器。而“超低阻”则指在标准风速（通常为0.75 m/s）下，其初阻力低于80 Pa，远低于传统高中效过滤器120～180 Pa的阻力水平。
超低阻高中效过滤器通过优化滤料结构、改进褶层设计、采用新型复合材料等方式，在保证过滤性能的同时大幅降低气流通过时的阻力，从而减少风机功耗，实现系统节能。
1.2 分类
依据滤料材质与结构形式，超低阻高中效过滤器主要可分为以下几类：
| 类型 | 滤料材质 | 结构特点 | 初阻力（Pa） | 过滤效率（≥0.5μm） |
|---|---|---|---|---|
| 折叠式合成纤维滤芯 | 聚酯+玻璃纤维复合 | 高密度褶层，支撑网加强 | ≤60 | 70%～85% |
| 纳米纤维覆膜滤材 | PTFE纳米膜+PET基材 | 表面过滤机制，低积尘增量 | ≤50 | 80%～90% |
| 静电增强型滤材 | 带驻极体处理的PP熔喷布 | 静电吸附辅助机械拦截 | ≤70 | 75%～88% |
| 多层梯度过滤结构 | PET+PP多层复合 | 逐级捕集，延长寿命 | ≤65 | 70%～85% |
资料来源：中国建筑科学研究院《洁净空调系统节能技术白皮书》（2022）
2. 工作原理与技术优势
2.1 工作原理
超低阻高中效过滤器主要依赖以下三种物理机制实现颗粒物捕集：
- 惯性碰撞：较大颗粒因气流方向改变撞击滤材纤维被捕获；
- 拦截效应：中等颗粒随气流贴近纤维表面被直接拦截；
- 扩散沉积：亚微米级颗粒受布朗运动影响接触并附着于纤维。
此外，部分高端型号引入静电驻极技术，使滤材带有永久电荷，增强对0.1～0.3μm最易穿透粒径（MPPS）颗粒的吸附能力，提升整体效率而不显著增加阻力。
2.2 技术优势对比
与传统高中效及高效过滤器相比，超低阻高中效过滤器在多个维度表现突出：
| 参数项 | 传统高中效过滤器 | 高效过滤器（HEPA） | 超低阻高中效过滤器 |
|---|---|---|---|
| 初阻力（Pa） | 120～180 | 220～280 | 40～70 |
| 终阻力设定值（Pa） | 250 | 450 | 200 |
| 计数效率（≥0.5μm） | 60%～85% | ≥99.97% | 70%～90% |
| 使用寿命（月） | 6～12 | 12～24 | 12～18 |
| 更换频率 | 较高 | 低 | 中等 |
| 单位风量能耗（W/1000m³/h） | 180～220 | 250～300 | 120～160 |
| 初始采购成本 | 低 | 高 | 中等偏高 |
数据来源：ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment (2020), 中国暖通空调协会《洁净室能耗调研报告》（2021）
从表中可见，超低阻高中效过滤器在保持接近高效过滤器性能的同时，显著降低了系统阻力，从而大幅削减风机能耗。
3. 在洁净室通风系统中的应用模式
3.1 典型应用场景
超低阻高中效过滤器适用于多种洁净等级的洁净室系统，尤其适合ISO Class 7～8（原10,000～100,000级）环境，常见于：
- 医药制剂车间（非无菌区）
- 电子厂房的组装与包装区域
- 实验动物房前处理区
- 食品加工洁净车间
- 医院普通手术室辅助区域
在这些场所，空气质量要求较高但无需达到HEPA级别，使用超低阻高中效过滤器可在满足GMP或ISO标准的前提下实现显著节能。
3.2 系统配置方案
在典型洁净室HVAC系统中，超低阻高中效过滤器常作为预过滤段或主过滤段使用，具体配置如下：
方案一：两级过滤系统（推荐）
| 过滤段 | 功能 | 推荐型号 | 参数 |
|---|---|---|---|
| 初效过滤器 | 捕集大颗粒粉尘（>5μm） | G4级板式过滤器 | 效率≥90%（计重法），阻力≤50Pa |
| 超低阻高中效过滤器 | 主要过滤中细颗粒（0.5～5μm） | F8级袋式或平板式 | 效率≥80%（比色法），阻力≤70Pa |
| （可选）高效过滤器 | 末端精过滤 | H13级HEPA | 效率≥99.97%，用于关键区域 |
该配置可有效保护末端高效过滤器，延长其使用寿命，同时降低系统总阻力。
方案二：单级主过滤系统（适用于低负荷环境）
| 过滤段 | 功能 | 推荐型号 | 参数 |
|---|---|---|---|
| 超低阻高中效过滤器 | 承担全部过滤任务 | F7-F9级折叠式 | 效率70%-90%，阻力≤65Pa |
此方案适用于新风处理量较小、污染源较少的洁净空间，初期投资低，运维简便。
4. 节能机理与能耗模型分析
4.1 节能机理
通风系统的能耗主要由风机驱动空气克服系统阻力做功产生，功率计算公式为：
[
P = frac{Q times Delta P}{eta}
]
其中：
- ( P )：风机轴功率（W）
- ( Q )：风量（m³/s）
- ( Delta P )：系统总阻力（Pa）
- ( eta )：风机效率（通常取0.6～0.8）
由此可见，系统阻力与能耗呈线性关系。若将传统高中效过滤器（ΔP=150 Pa）替换为超低阻型号（ΔP=60 Pa），在相同风量下，仅过滤段即可节省约60%的压降，进而降低风机能耗达40%以上。
4.2 实际案例能耗对比
以某电子厂房洁净室为例，设计风量为30,000 m³/h，年运行时间8,000小时，电价为0.8元/kWh。
| 项目 | 传统系统 | 采用超低阻过滤器系统 |
|---|---|---|
| 过滤器初阻力（Pa） | 150 | 60 |
| 系统总阻力（含风管、盘管等） | 600 | 510 |
| 风机全压（Pa） | 800 | 700 |
| 风机功率（kW） | 12.5 | 10.9 |
| 年耗电量（kWh） | 100,000 | 87,200 |
| 年电费（万元） | 8.0 | 6.98 |
| 年节电量（kWh） | — | 12,800 |
| 年节约电费（万元） | — | 1.02 |
数据来源：清华大学建筑节能研究中心《洁净空调系统节能改造实测报告》（2023）
经测算，该系统每年可节约电费逾万元，投资回收期约为1.8年（按每台过滤器增加成本2,000元计）。
5. 国内外研究进展与文献综述
5.1 国内研究现状
近年来，国内多所高校与科研机构开展了关于低阻力过滤技术的研究。清华大学江亿院士团队在《暖通空调》期刊发表论文指出：“采用新型纳米纤维复合滤材的高中效过滤器，在保持F8等级效率的同时，阻力可控制在55 Pa以内，较传统产品节能35%以上。”[1]
同济大学李峥嵘教授团队通过对上海某生物医药洁净车间的实测发现，更换为超低阻高中效过滤器后，空调系统全年电耗下降18.7%，且室内颗粒物浓度稳定达标（<352,000 particles/m³ for ≥0.5μm）。[2]
中国建筑科学研究院主编的《绿色洁净室技术导则》（JGJ/T 436-2021）明确提出：“应优先选用低阻力、长寿命空气过滤器，鼓励采用超低阻高中效过滤技术以提升系统能效。”
5.2 国外研究动态
国际上，美国ASHRAE Standard 52.2《Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size》是评价过滤器性能的核心标准。根据ASHRAE Research Project RP-1660（2019）的研究成果，低阻力过滤器在商业建筑HVAC系统中可实现平均15%～25%的风机能耗削减。[3]
德国弗劳恩霍夫建筑物理研究所（Fraunhofer IBP）在《Energy and Buildings》期刊发表研究表明，使用静电增强型低阻力过滤器的医院通风系统，在维持相同IAQ（室内空气质量）条件下，年节能率达22.3%，且维护成本降低30%。[4]
日本东京大学Kuwabara教授团队开发了一种基于仿生蜂窝结构的折叠滤芯，使过滤面积提升40%，单位面积阻力下降至48 Pa，相关成果已应用于松下电工洁净产品线。[5]
6. 产品选型与技术参数详解
以下是市场上主流品牌的超低阻高中效过滤器典型技术参数对比：
| 品牌 | 型号 | 结构形式 | 额定风量（m³/h） | 初阻力（Pa） | 计数效率（≥0.5μm） | 容尘量（g） | 使用寿命（h） | 适用标准 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil（瑞典） | Hi-Flo EC | 袋式 | 1,200 | 58 | 85% | 650 | 15,000 | EN 779:2012 F8 |
| Donaldson（美国） | Ultra-Web® S | 平板式 | 800 | 52 | 88% | 580 | 14,000 | ASHRAE 52.2 MERV 13 |
| 东丽（日本） | CleanTex NT | 折叠式 | 1,000 | 60 | 82% | 600 | 13,500 | JIS B 9908 |
| 鼎昊（中国） | DH-ZLD-F8 | 袋式 | 1,100 | 65 | 80% | 550 | 12,000 | GB/T 14295 F8 |
| 苏净集团 | SJ-CF-M | 板框式 | 900 | 70 | 78% | 500 | 11,000 | ISO 16890 ePM1 55% |
注：ePM1表示对0.3～1.0μm颗粒的质量过滤效率；MERV为Minimum Efficiency Reporting Value。
从上表可见，进口品牌在阻力控制和容尘量方面略占优势，但国产产品性价比更高，且逐步缩小技术差距。
7. 安装与运维管理建议
7.1 安装注意事项
- 确保过滤器框架密封良好，避免旁通漏风；
- 安装方向应符合气流标识，防止反向安装导致效率下降；
- 建议采用压差监测装置实时监控阻力变化，设定报警阈值（如终阻力达180 Pa）。
7.2 运维策略
| 维护项目 | 周期 | 方法 |
|---|---|---|
| 压差检查 | 每周 | 读取压差计数值，记录趋势 |
| 外观检查 | 每月 | 查看是否有破损、积尘、变形 |
| 更换周期 | 视压差而定 | 当阻力接近终阻力或效率下降15%时更换 |
| 清洁（仅限可清洗型） | 不推荐频繁清洗 | 仅适用于特殊设计型号，一般不建议 |
值得注意的是，尽管部分产品宣称“可水洗”，但清洗后滤材结构易受损，静电效应丧失，可能导致效率骤降。因此，一次性使用仍是主流做法。
8. 经济性与环境效益分析
8.1 成本构成比较
以一套处理风量10,000 m³/h的洁净空调机组为例，对比三年运营成本：
| 成本项目 | 传统高中效系统 | 超低阻高中效系统 |
|---|---|---|
| 过滤器采购成本（元） | 8,000 | 12,000 |
| 更换费用（3年×2次） | 4,000 | 3,000（寿命更长） |
| 电费（0.8元/kWh，8,000h/年） | 288,000 | 220,800 |
| 维护人工费 | 6,000 | 5,000 |
| 三年总成本 | 306,000元 | 240,800元 |
| 节约成本 | — | 65,200元 |
结果显示，尽管初始投入高出50%，但三年内可节省超过6.5万元，具有显著经济效益。
8.2 碳减排贡献
按我国电网平均碳排放因子0.583 kg CO₂/kWh计算，上述案例三年累计减少碳排放：
[
(288,000 – 220,800) times 0.583 = 39,264 text{ kWh} times 0.583 ≈ 22,890 text{ kg CO}_2
]
相当于种植约1,270棵成年树木的固碳效果，契合国家“双碳”战略目标。
参考文献
[1] 江亿, 张寅平, 赵彬. 新型低阻力空气过滤器在洁净空调系统中的节能潜力分析[J]. 暖通空调, 2021, 51(3): 1-7.
[2] 李峥嵘, 王芳. 超低阻高中效过滤器在生物医药洁净室的应用实测[J]. 净化技术, 2022, 40(5): 45-50.
[3] ASHRAE. Research Project RP-1660: Energy Impacts of Low-Resistance Filters in Commercial HVAC Systems [R]. Atlanta: ASHRAE, 2019.
[4] Krause D., et al. "Energy-efficient air filtration in hospital ventilation: Field measurements and modeling." Energy and Buildings, 2020, 215: 109876.
[5] Kuwabara T., et al. "Biomimetic pleated filter design for low pressure drop and high dust holding capacity." Filtration & Separation, 2021, 58(4): 32-38.
[6] GB/T 14295-2019, 空气过滤器[S]. 北京: 中国标准出版社, 2019.
[7] ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment[M]. SI Edition. Atlanta: ASHRAE, 2020.
[8] 中国建筑科学研究院. 洁净空调系统节能技术白皮书[R]. 北京: CABR, 2022.
[9] JGJ/T 436-2021, 绿色洁净室技术导则[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2021.
[10] ISO 16890:2016, Air filters for general ventilation — Classification, performance testing and marking[S]. Geneva: ISO, 2016.
相关术语解释
- MPPS（Most Penetrating Particle Size）：最易穿透粒径，通常为0.1～0.3μm，是衡量高效过滤器性能的关键指标。
- MERV（Minimum Efficiency Reporting Value）：最小效率报告值，ASHRAE制定的过滤器分级标准，范围1～16。
- ePMx：ISO 16890标准中按颗粒尺寸划分的过滤效率等级，如ePM1指对0.3～1.0μm颗粒的过滤效率。
- 容尘量（Dust Holding Capacity）：过滤器在达到终阻力前所能容纳的灰尘总量，单位为克（g），反映使用寿命。
扩展阅读
- 《高效低阻空气过滤材料研发进展》，材料导报，2023年第2期
- 《洁净室节能设计指南》，机械工业出版社，2020
- ASHRAE官网：https://www.ashrae.org
- 中国空气净化行业联盟（CAPIA）技术资讯平台
（全文约3,680字）
