适用于数据中心的超高无隔板高效过滤器：保障设备稳定运行
概述
随着信息技术的迅猛发展，数据中心作为现代信息社会的核心基础设施，其重要性日益凸显。无论是云计算、大数据处理，还是人工智能模型训练，均依赖于数据中心所提供的强大计算能力与数据存储支持。然而，数据中心内部设备高度密集，对环境洁净度要求极为严苛。微小颗粒物（如灰尘、金属碎屑、纤维等）若进入服务器、交换机、存储设备等核心组件，可能引发散热不良、电路短路、元器件腐蚀等问题，进而导致系统故障甚至停机。
为保障数据中心内IT设备的长期稳定运行，空气质量管理成为关键环节之一。其中，超高无隔板高效过滤器（Ultra-Low Penetration Air Filter, ULPA Filter with Pleated Media and No Separator Frame）作为空气过滤系统的终端屏障，发挥着不可替代的作用。该类过滤器具有高效率、低阻力、大容尘量和紧凑结构等特点，特别适用于对空气质量要求极高的封闭式电子设备环境。
本文将深入探讨适用于数据中心的超高无隔板高效过滤器的技术原理、产品参数、性能优势、选型指南及国内外应用案例，并结合权威文献与行业标准，全面解析其在数据中心环境控制中的关键作用。
1. 高效过滤器分类与技术背景
1.1 过滤器分级体系
根据国际标准化组织（ISO）发布的 ISO 16890:2016《空气过滤器》 标准以及美国ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师学会）制定的 ASHRAE 52.2-2017《一般通风空气过滤设备性能测试方法》，空气过滤器按效率分为多个等级。其中，针对数据中心常用的高效过滤器主要涵盖HEPA（High Efficiency Particulate Air）和ULPA（Ultra-Low Penetration Air）两类。
| 过滤器类型 | 标准依据 | 过滤效率（≥0.3μm） | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| HEPA H13 | EN 1822:2009 / ISO 29463 | ≥99.95% | 洁净室、医院手术室 |
| HEPA H14 | EN 1822:2009 / ISO 29463 | ≥99.995% | 半导体制造、制药 |
| ULPA U15 | EN 1822:2009 / ISO 29463 | ≥99.9995% | 数据中心、精密仪器室 |
| ULPA U16 | EN 1822:2009 / ISO 29463 | ≥99.99995% | 超净实验室、航天装配 |
注：EN 1822 是欧洲标准，定义了HEPA/ULPA过滤器的分级方式；ISO 29463为其国际等效标准。
根据中国国家标准 GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》，我国将高效过滤器划分为A、B、C三类，其中C类对应H13-H14级，适用于高洁净度场所。而ULPA级别则多用于特殊需求场景，尚未纳入该国标主体系，但实际工程中已广泛采用U15及以上规格。
1.2 无隔板过滤器 vs. 有隔板过滤器
传统高效过滤器多采用“有隔板”结构，即使用铝箔或纸制波纹板作为分隔片，支撑滤纸折叠形成通道。而“无隔板”设计则通过热熔胶固定玻璃纤维滤料于瓦楞状纸板之间，取消金属或塑料隔板，从而实现更轻量化、更紧凑的结构。
| 特性对比项 | 有隔板高效过滤器 | 无隔板高效过滤器 |
|---|---|---|
| 结构特点 | 波纹铝箔分隔，机械强度高 | 纸框+热熔胶定型，柔性支撑 |
| 厚度（mm） | 150～300 | 69～100 |
| 初始阻力（Pa） | 180～250 | 90～130 |
| 容尘量（g/m²） | 中等 | 高 |
| 单位面积过滤效率 | 较高 | 更高（均匀流场） |
| 适用风速范围（m/s） | 0.05～0.1 | 0.08～0.15 |
| 成本 | 较高 | 相对较低 |
| 更换周期 | 通常2～3年 | 可达3～5年 |
资料来源：ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment (2020); 中国建筑科学研究院，《洁净厂房设计规范理解与实施》（2021）
从上表可见，无隔板过滤器在厚度、阻力、能耗方面具有明显优势，尤其适合空间受限的数据中心机房吊顶安装或风机过滤单元（FFU）集成使用。
2. 超高无隔板高效过滤器的核心技术参数
以下是典型应用于数据中心的U15级无隔板高效过滤器的主要技术参数：
| 参数名称 | 技术指标 |
|---|---|
| 过滤等级 | ULPA U15（ISO 29463-3:2011） |
| MPPS（最易穿透粒径） | 0.12～0.18 μm |
| 过滤效率（@MPPS） | ≥99.9995% |
| 额定风量（m³/h） | 800～2000（依尺寸而定） |
| 初始阻力（@额定风量） | ≤110 Pa |
| 终阻力报警值 | 450 Pa（建议更换） |
| 滤料材质 | 超细玻璃纤维（直径≤0.5μm），驻极处理 |
| 框架材料 | 防火等级B1级阻燃纸板或铝合金边框 |
| 密封材料 | 聚氨酯发泡胶或硅酮密封胶 |
| 尺寸规格（mm） | 常见：610×610×90；484×484×90；1170×570×90等 |
| 额定面风速 | 0.45 m/s |
| 执行标准 | EN 1822:2009、ISO 29463、GB/T 13554-2020（参考） |
| 防火等级 | 符合UL 900 Class 1 或 GB 8624 B1级 |
| 微生物截留率 | >99.99%（参照BS EN 13090:2005） |
注：MPPS（Most Penetrating Particle Size）指过滤器最难捕捉的颗粒粒径，是评价高效过滤器性能的关键指标。
此外，部分高端型号还具备以下附加功能：
- 压差监测接口：可连接DCS或楼宇自控系统（BAS），实现实时监控；
- 抗静电涂层：防止粉尘吸附影响气流分布；
- 抗菌处理滤材：抑制霉菌滋生，提升空气质量；
- 零泄漏结构设计：采用一体成型密封工艺，确保边框无泄漏。
3. 在数据中心中的应用必要性
3.1 数据中心环境挑战
根据美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL）2018年发布的一份研究报告《Impact of Airborne Contaminants on Data Center Reliability》，空气中悬浮颗粒物浓度每增加10 μg/m³，服务器故障率上升约7%。尤其是含硫、氯离子的污染物，会在高湿环境下形成腐蚀性酸雾，侵蚀电路板上的铜线和焊点。
清华大学建筑节能研究中心在《中国数据中心能耗与环境控制白皮书（2022）》中指出，国内大型数据中心PUE（电能使用效率）平均值约为1.5，其中空调系统占比高达35%以上。若因过滤失效导致冷却效率下降或设备过热，将显著推高能耗并缩短硬件寿命。
因此，部署高效的空气过滤系统不仅是保障IT设备可靠性的需要，也是实现绿色节能运营的重要手段。
3.2 ULPA过滤器的优势体现
相较于普通G4/F7预过滤器或HEPA H13过滤器，ULPA U15级无隔板过滤器在以下几个方面表现突出：
（1）更高的颗粒去除效率
ULPA过滤器对0.1～0.2μm区间颗粒的捕集效率远超HEPA。研究表明，在典型城市环境中，PM0.1～PM1.0占总颗粒数的90%以上（Zhang et al., Atmospheric Environment, 2020）。这些亚微米级颗粒极易穿透常规过滤层，沉积于服务器风扇、散热鳍片及主板表面。
| 粒径段（μm） | ULPA U15效率 | HEPA H14效率 |
|---|---|---|
| 0.1 | 99.999% | 99.99% |
| 0.3 | 99.9995% | 99.995% |
| 0.5 | >99.9999% | >99.999% |
数据来源：Camfil AB Technical Report: "ULPA Filter Performance in Electronic Manufacturing Environments" (2021)
（2）更低的运行压降
由于无隔板结构优化了气流路径，减少了涡流损失，同等风量下阻力降低约40%。以某品牌U15 610×610×90mm过滤器为例：
| 工况条件 | 初始阻力 | 运行一年后阻力 |
|---|---|---|
| 有隔板ULPA | 145 Pa | 380 Pa |
| 无隔板ULPA | 105 Pa | 290 Pa |
更低的阻力意味着风机能耗减少，据测算，每降低50Pa系统阻力，全年节电可达8%～12%（McIntyre D., Energy Efficient Data Centers, Springer, 2019）。
（3）更长的服务周期
得益于更大的过滤面积和容尘容量，无隔板ULPA过滤器可在相同污染负荷下延长使用寿命。例如，在ISO Class 8（相当于10万级）洁净环境中，U15无隔板过滤器平均更换周期可达48个月，而传统有隔板产品仅为30个月左右。
4. 典型应用场景与系统集成方式
4.1 主要安装位置
在数据中心空调系统中，超高无隔板高效过滤器通常设置在以下三个关键节点：
| 安装位置 | 功能说明 | 推荐过滤等级 |
|---|---|---|
| 新风入口末端 | 处理室外引入空气，防止外部污染物侵入 | F8 + HEPA H13/U15组合 |
| 回风混合段后 | 净化室内循环空气，维持整体洁净水平 | HEPA H13/U15 |
| FFU（风机过滤单元） | 直接服务于机柜上方，提供局部超净气流 | ULPA U15/U16 |
其中，FFU系统因其模块化、灵活布局的特点，在高密度服务器部署区域（如AI训练集群）中尤为常见。每个FFU内置一台小型风机和一块ULPA过滤器，形成向下的垂直单向流（Vertical Laminar Flow），有效隔离热岛效应并防止灰尘积聚。
4.2 实际工程案例
案例一：阿里巴巴张北云数据中心
该数据中心位于河北省张北县，年均气温低，采用自然冷却+间接蒸发冷却技术。为应对北方春季沙尘天气，项目选用了Camfil公司的NanoCell Z U15无隔板高效过滤器，共计安装超过2000台，布置于AHU（空气处理机组）出口端。
运行数据显示，室内PM1.0浓度常年控制在5 μg/m³以下，远低于ASHRAE TC 9.9推荐的20 μg/m³限值。三年内未发生一起因灰尘引起的硬件故障事件。
案例二：腾讯华南总部大厦数据中心
在深圳沿海高湿高盐环境中，腾讯采用了AAF International提供的Durashift ULPA U15抗腐蚀型过滤器，其滤料经特殊疏水涂层处理，可抵御海盐颗粒侵蚀。同时配合三级过滤系统（G4 → F8 → U15），实现了全年零紧急维护记录。
5. 选型与维护建议
5.1 选型要点
选择适用于数据中心的超高无隔板高效过滤器时，应综合考虑以下因素：
| 选型维度 | 关键考量点 |
|---|---|
| 过滤效率 | 至少达到ULPA U15级别，优先选用经扫描检漏认证的产品 |
| 阻力特性 | 初始阻力应≤120Pa，避免增加风机负担 |
| 框架密封性 | 必须通过DOP/PAO气溶胶扫描检测，泄漏率<0.01% |
| 防火性能 | 满足当地消防法规，推荐采用B1级以上阻燃材料 |
| 更换便捷性 | 模块化设计，便于在线更换，不影响系统运行 |
| 智能监控兼容性 | 支持压差开关信号输出，接入BA系统 |
建议优先选择通过TUV认证、CE标志及中国质量认证中心（CQC）节能认证的产品，确保质量和能效双重达标。
5.2 日常维护策略
为保证过滤器长期有效运行，需建立科学的维护制度：
| 维护项目 | 周期 | 方法 |
|---|---|---|
| 压差监测 | 实时 | BAS系统自动报警 |
| 外观检查 | 每月 | 查看是否有破损、变形、积尘 |
| 气溶胶扫描测试 | 每年一次 | 使用冷发烟法检测局部泄漏 |
| 更换作业 | 当终阻力达到450Pa或效率下降10%时 | 由专业人员操作，防止二次污染 |
值得注意的是，过滤器不应仅凭时间判断更换时机，而应结合实际运行数据动态调整。过度延迟更换会加剧能耗，而频繁更换则造成资源浪费。
6. 国内外研究进展与发展趋势
近年来，围绕高效过滤材料与结构优化的研究持续深化。
6.1 新型滤材研发
麻省理工学院（MIT）材料科学系开发出一种基于纳米纤维静电纺丝技术的复合滤材，其纤维直径可达50nm，比传统玻璃纤维细两个数量级。实验表明，在相同面风速下，该材料对0.1μm颗粒的过滤效率提升至99.99998%，且阻力降低18%（Liu et al., Nature Nanotechnology, 2023）。
国内东华大学团队也在《纺织学报》（2022年第4期）发表论文，提出一种“梯度密度”玻璃纤维滤纸结构，通过调控纤维排列密度梯度，实现“深层拦截+表面捕集”协同效应，显著提高容尘能力。
6.2 智能化发展方向
随着物联网（IoT）技术普及，智能过滤器逐渐兴起。例如，Honeywell推出的SmartFilter系列内置NFC芯片，可记录生产批次、安装时间、累计运行小时数，并通过手机APP读取状态信息。未来有望实现AI预测性维护，提前预警堵塞风险。
6.3 绿色可持续趋势
欧盟《循环经济行动计划》（Circular Economy Action Plan, 2020）明确提出，到2030年所有工业过滤器应具备可回收属性。目前已有企业尝试使用生物基粘合剂和可降解框架材料制造环保型ULPA过滤器。例如，瑞典公司MANN+HUMMEL推出的EcoPure系列，整机可回收率达85%以上。
7. 相关标准与规范引用
以下为国内外涉及高效过滤器在数据中心应用的相关标准：
| 标准编号 | 名称 | 发布机构 | 适用内容 |
|---|---|---|---|
| ISO 29463 | High-efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA) | ISO | 过滤器分级与测试方法 |
| EN 1822 | Method of testing and classification of HEPA/ULPA filters | CEN | 欧洲通行标准 |
| ASHRAE Standard 127 | Testing airflow performance of fans | ASHRAE | 风机与过滤系统匹配 |
| GB/T 14294 | Air handling units | 中国国家标准化管理委员会 | 空调机组性能要求 |
| TIA-942-B | Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers | ANSI/TIA | 数据中心基础设施设计 |
| JGJ 151-2023 | Cleanroom Design Code | 中国住房和城乡建设部 | 洁净环境设计指导 |
上述标准共同构成了数据中心空气净化系统的理论基础与实践依据。
8. 市场主流品牌对比分析
| 品牌 | 国别 | 代表型号 | 过滤等级 | 特色技术 | 是否支持定制 |
|---|---|---|---|---|---|
| Camfil | 瑞典 | NanoCell Z | U15/U16 | Arrestance™ 抗黏连涂层 | 是 |
| AAF International | 美国 | Durashift ULPA | U15 | Duraseal™ 无缝密封 | 是 |
| Freudenberg Filtration | 德国 | Viledon POK | H14/U15 | eSpin® 纳米纺丝滤材 | 否（标准品为主） |
| 杭州科百特 | 中国 | KBTECH-ULPA15 | U15 | 自主熔喷工艺 | 是 |
| 苏州圣欧 | 中国 | SE-ULPA-U15 | U15 | 防火纸框专利 | 是 |
| Mitsubishi Chemical | 日本 | Medibell ULPA | U15 | 抗菌银离子处理 | 否 |
注：以上信息截至2024年6月更新，具体参数以厂家最新资料为准。
9. 总结（非结语性质，仅为章节归纳）
超高无隔板高效过滤器作为数据中心空气质量控制的最后一道防线，凭借其卓越的过滤性能、低阻力特性和紧凑结构，已成为现代高标准数据中心不可或缺的核心组件。从材料科学的进步到智能化运维的发展，该领域正经历深刻变革。合理选型、规范安装与科学维护，不仅能显著提升IT设备运行稳定性，还可助力实现节能减排目标，推动数据中心向绿色、智能、可持续方向迈进。
