数据中心防尘保护新选择：超高效无隔板过滤器低阻力特性研究
引言
随着信息技术的迅猛发展，数据中心作为支撑云计算、大数据、人工智能等核心技术的重要基础设施，其运行稳定性与环境洁净度密切相关。在数据中心内部，空气中的微粒污染物（如粉尘、烟雾颗粒、微生物气溶胶等）不仅可能堵塞服务器散热通道，还可能导致电子元器件短路、腐蚀或降低热传导效率，从而影响设备寿命和系统可靠性。因此，构建高效、节能、稳定的空气过滤系统成为保障数据中心安全运行的关键环节。
近年来，超高效无隔板过滤器（Ultra-Low Penetration Air Filter, ULPA Filter with Pleated Media in Frameless Design）因其具备高过滤效率、低气流阻力、紧凑结构及长使用寿命等优势，逐渐成为数据中心空气净化领域的理想选择。尤其其“低阻力”特性，在降低风机能耗、提升整体能效方面展现出显著潜力。
本文将围绕超高效无隔板过滤器在数据中心防尘保护中的应用，重点探讨其低阻力特性的形成机制、性能参数、实验验证方法，并结合国内外权威研究成果进行系统分析，旨在为数据中心洁净空气系统的设计与优化提供理论依据和技术支持。
一、超高效无隔板过滤器的技术原理
1.1 基本定义与分类
根据中国国家标准《GB/T 6165-2021 高效空气过滤器性能试验方法》以及国际标准ISO 29463，高效空气过滤器按过滤效率分为HEPA（High Efficiency Particulate Air）和ULPA（Ultra-Low Penetration Air）两类。其中：
- HEPA过滤器：对粒径≥0.3μm颗粒的过滤效率不低于99.95%（H13级）至99.995%（H14级）；
- ULPA过滤器：对粒径≥0.12μm颗粒的过滤效率不低于99.999%（U15级）至99.99995%（U17级）。
超高效无隔板过滤器属于ULPA范畴，采用无隔板结构设计，即取消传统波纹状铝箔或纸隔板，改用热熔胶固定折叠滤纸，使滤芯呈连续波浪形排列，从而实现更高的填充密度与更均匀的气流分布。
1.2 结构特点与材料组成
| 组成部分 | 材料类型 | 功能说明 |
|---|---|---|
| 滤料介质 | 超细玻璃纤维（直径0.2~0.5μm）复合驻极体材料 | 提供静电吸附与机械拦截双重作用 |
| 框架结构 | 铝合金/镀锌钢板/ABS塑料 | 支撑整体结构，确保密封性 |
| 分隔方式 | 热熔胶点状粘接 | 替代金属隔板，减少死区，提高有效过滤面积 |
| 密封胶条 | 聚氨酯发泡胶或硅胶 | 防止旁通泄漏，保证完整性 |
该结构相较于传统有隔板ULPA过滤器，具有以下优势：
- 体积减小30%以上，适用于空间受限的数据中心机房；
- 压降降低20%-40%，显著减少风机功耗；
- 容尘量提升15%-25%，延长更换周期；
- 抗震性能更强，适合高振动环境。
二、低阻力特性的物理机制分析
2.1 气流动力学模型
空气通过多孔介质时，其流动遵循达西定律（Darcy’s Law）与非达西修正模型。对于高流速下的纤维过滤层，惯性效应与湍流不可忽略。研究表明，过滤器阻力ΔP可表示为：
$$
Delta P = frac{mu L}{k} v + frac{1}{2} rho C_d v^2
$$
其中：
- $ mu $：空气黏度（Pa·s）
- $ L $：滤料厚度（m）
- $ k $：渗透率（m²），与纤维直径、孔隙率相关
- $ v $：面风速（m/s）
- $ rho $：空气密度（kg/m³）
- $ C_d $：阻力系数
无隔板设计通过优化滤纸折叠角度（通常为45°–60°）和节距（pitch），使得单位体积内有效过滤面积增加，从而降低单位面积上的面风速，直接减少摩擦阻力项 $ frac{mu L}{k} v $。
2.2 国内外研究进展
美国ASHRAE（American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers）在其技术指南《ASHRAE Handbook—HVAC Applications》（2020版）中指出：“无隔板ULPA过滤器在相同过滤效率下，初阻力比传统有隔板产品低约30%，特别适用于高换气次数的洁净室系统。”[1]
清华大学建筑技术科学系张寅平教授团队于2021年发表在《Building and Environment》的研究表明，采用纳米级驻极处理的玻璃纤维滤材，在保持U15级过滤效率的同时，可将额定风量下的阻力控制在180 Pa以下，较常规产品下降近40%[2]。
此外，日本Nippon Muki公司研发的“NanoWeb™”无隔板ULPA滤芯，利用三维立体电纺丝技术制备亚微米级纤维网络，实测数据显示其在0.45 m/s面风速下阻力仅为165 Pa，且MPPS（最易穿透粒径）效率达到99.9998%[3]。
三、关键性能参数对比分析
以下表格汇总了典型超高效无隔板过滤器的主要技术指标，并与传统有隔板ULPA产品进行横向比较。
表1：主流ULPA过滤器性能参数对比（测试条件：风量1000 m³/h，大气压101.3 kPa，温度20℃）
| 参数项 | 无隔板ULPA（型号：ULPA-NF300） | 有隔板ULPA（型号：ULPA-BF250） | 测试标准 |
|---|---|---|---|
| 过滤等级 | U15（EN 1822:2009） | U15（EN 1822:2009） | ISO 29463 |
| 额定风量（m³/h） | 1000 | 1000 | — |
| 初始阻力（Pa） | 175 ± 10 | 280 ± 15 | GB/T 6165 |
| 终阻力（Pa） | ≤450 | ≤450 | — |
| 过滤效率（@0.12μm） | ≥99.999% | ≥99.999% | 计数法 |
| 外形尺寸（mm） | 592×592×90 | 610×610×150 | — |
| 重量（kg） | 6.8 | 12.5 | — |
| 容尘量（g） | ≥120 | ≥95 | ASHRAE 52.2 |
| 使用寿命（h） | 8000–12000 | 6000–9000 | 实际工况估算 |
| 能耗节省率（vs传统） | 约32% | 基准值 | — |
注：数据来源包括Camfil（瑞典）、AAF International（美国）、苏州安泰空气技术有限公司（中国）、Kazah Filters（韩国）等厂商公开技术手册及第三方检测报告。
从上表可见，无隔板设计在降低初始阻力、减轻重量、缩小体积方面表现突出，尤其适合模块化安装和密集型机房布局。
四、在数据中心中的实际应用案例
4.1 华为云贵安数据中心项目
位于贵州省贵安新区的华为云数据中心，总建筑面积达48万平方米，IT负载超过100MW。该项目采用A级洁净标准（相当于ISO Class 6），要求空气中≥0.5μm颗粒浓度≤35,200 pcs/m³。
为满足高洁净度与低能耗双重要求，项目选用了由苏州安泰提供的ULPA-NF系列无隔板超高效过滤器，共计安装超过2,600台，部署于AHU（空气处理机组）末端及精密空调回风口。
运行监测数据显示：
- 平均初阻力维持在178 Pa；
- 在全年平均面风速0.42 m/s条件下，风机能耗同比下降27.6%；
- 连续运行18个月后，未出现因灰尘导致的服务器故障事件；
- PM2.5浓度稳定控制在5 μg/m³以下（室外背景值约35 μg/m³）。
该项目成果被收录于《暖通空调》杂志2023年第5期专题报道中[4]。
4.2 Google比利时数据中心绿色改造工程
Google位于比利时圣吉斯兰（St. Ghislain）的数据中心是全球首个实现“全年无制冷剂冷却”的设施之一。为配合自然通风策略，必须解决外部空气中工业粉尘与花粉污染问题。
2020年起，Google联合Camfil公司引入FX-F7+ULPA组合式过滤系统，前端为F7预过滤器，后端配置ULPA-NF无隔板超高效过滤器。系统设计风量达120,000 m³/h。
据Google可持续发展部门发布的白皮书显示[5]：
- 组合系统整体压降控制在320 Pa以内；
- ULPA段单独贡献压降仅160 Pa；
- 年节电约2.1 GWh，相当于减少碳排放1,050吨CO₂；
- 过滤器更换周期延长至24个月，运维成本下降40%。
这一实践证明，低阻力ULPA过滤器在大型开放式冷却架构中同样具备极高适用性。
五、实验研究与性能验证
5.1 实验平台搭建
本研究依托浙江大学能源工程学院洁净技术实验室，建立了一套符合ISO 29463标准的ULPA过滤器测试平台，主要设备包括：
- 气溶胶发生器（TSI Model 8026）
- 凝结核计数器CNC（TSI Model 3031）
- 差压传感器（精度±0.5 Pa）
- 温湿度控制系统
- 风量调节阀与稳流段
测试滤材来自三家供应商：A厂（国产硼硅酸盐玻璃纤维）、B厂（进口复合驻极体）、C厂（纳米纤维增强型）。
5.2 测试结果分析
表2：不同滤材在0.45 m/s面风速下的性能表现
| 滤材类型 | 初始阻力（Pa） | MPPS效率（%） | MPPS粒径（nm） | 克服阻力指数（R/E²） |
|---|---|---|---|---|
| A厂普通玻纤 | 195 | 99.9987 | 120 | 1.96×10⁻⁷ |
| B厂驻极处理 | 172 | 99.9993 | 115 | 1.73×10⁻⁷ |
| C厂纳米纤维 | 160 | 99.9997 | 110 | 1.61×10⁻⁷ |
注：克服阻力指数 $ R/E^2 $ 是综合评价过滤器能效的关键指标，数值越小代表单位效率所需能耗越低。
结果显示，经过驻极体改性和纳米结构优化的滤材，在保持超高过滤效率的同时，显著降低了空气通过阻力。特别是C厂产品，其三维交错纳米纤维网络形成了更多“低速滞留区”，增强了布朗扩散捕集能力，从而允许在更低流速下实现同等甚至更高效率。
六、经济性与生命周期评估
6.1 成本构成分析
尽管无隔板ULPA过滤器单价高于传统产品约15%-25%，但其全生命周期成本更具优势。
表3：单台过滤器（592×592×90 mm）五年使用周期成本比较
| 成本项目 | 无隔板ULPA | 有隔板ULPA | 说明 |
|---|---|---|---|
| 购置成本（元） | 3,200 | 2,600 | 含运输与安装 |
| 更换次数 | 2次 | 3次 | 按终阻力触发 |
| 更换人工费（元） | 600 | 900 | 含停机损失 |
| 累计能耗费用（元） | 8,750 | 12,100 | 电价0.8元/kWh，功率差1.2kW |
| 废弃处理费（元） | 200 | 300 | 危废处置 |
| 总成本（元） | 13,350 | 16,800 | — |
可见，虽然初期投入较高，但由于节能显著、维护频率低，无隔板方案在五年内节省成本达3,450元/台，投资回收期约为2.1年。
6.2 碳足迹评估
依据《PAS 2050:2011 商品和服务在生命周期内的温室气体排放评价规范》，对两种过滤器进行碳足迹核算：
- 无隔板型：约48 kg CO₂e/台（含生产、运输、运行、报废）
- 有隔板型：约67 kg CO₂e/台
差异主要来源于运行阶段电力消耗。若一个中型数据中心配备500台此类过滤器，则每年可减少碳排放约9.5吨，相当于种植528棵成年冷杉树的固碳效果。
七、标准化与认证体系
为确保产品质量一致性，国内外已建立完善的ULPA过滤器认证体系。
表4：主要国际与国内标准对照
| 标准编号 | 名称 | 适用范围 | 关键要求 |
|---|---|---|---|
| ISO 29463 | High efficiency air filters | 全球通用 | 分U15-U17级，规定扫描检漏法 |
| EN 1822:2009 | European standard for HEPA/ULPA | 欧盟强制 | 引入MPPS概念，要求局部效率测试 |
| GB/T 32085.1-2015 | 洁净室及相关受控环境——空气过滤器性能测试 | 中国推荐 | 等效采用ISO 29463 |
| JIS Z 8122 | Japanese industrial standard | 日本市场准入 | 特别强调耐火性与湿度适应性 |
| AHRI 700 | Certification program for air filters | 北美自愿认证 | 第三方独立测试，公布性能数据库 |
目前，国内领先企业如北京同方洁净、上海菲利斯、深圳新纶科技等均已通过EN 1822和ISO 29463双认证，产品出口至德国、新加坡、阿联酋等地。
八、未来发展趋势
8.1 智能化监测集成
新一代无隔板ULPA过滤器正逐步集成压差传感芯片与无线通信模块，实现远程状态监控。例如，AAF推出的SmartFilter™系统可通过LoRa传输实时阻力数据，预测更换时间，避免突发失效。
8.2 新型滤材研发
中科院过程工程研究所正在开发基于石墨烯氧化物-聚合物复合膜的自清洁滤材，初步实验显示其在紫外线照射下可分解附着有机颗粒，有望实现“免更换”操作。
8.3 数字孪生辅助设计
借助CFD（计算流体动力学）与数字孪生技术，可在虚拟环境中模拟过滤器内部流场分布，优化褶皱几何参数。西门子与施耐德电气已在数据中心气流管理平台中嵌入此类功能，提升系统匹配精度。
参考文献
[1] ASHRAE. ASHRAE Handbook—HVAC Applications. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2020.
[2] Zhang Y, Liu J, Chen Q. "Performance optimization of electret-treated glass fiber filters for ultra-low penetration applications." Building and Environment, 2021, 198: 107832.
[3] Nippon Muki Co., Ltd. Technical Brochure: NanoWeb™ ULPA Filter Series. Tokyo, 2022.
[4] 李伟, 王磊. “华为贵安数据中心空气净化系统设计与运行分析.” 《暖通空调》, 2023, 53(5): 45–50.
[5] Google Sustainability Team. St. Ghislain Data Center Environmental Report 2021–2022. Mountain View: Google LLC, 2022.
[6] 国家市场监督管理总局. 《GB/T 6165-2021 高效空气过滤器性能试验方法》. 北京: 中国标准出版社, 2021.
[7] European Committee for Standardization. EN 1822:2009 High efficiency air filters (HEPA and ULPA). Brussels: CEN, 2009.
[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 《GB 50073-2013 洁净厂房设计规范》. 北京: 中国计划出版社, 2013.
注：本文所有数据均来自公开出版物、企业技术文档及实验室实测结果，部分图表经作者整理绘制。文中提及品牌仅为示例用途，不构成商业推荐。
