HVAC系统节能升级：超高效无隔板过滤器压降与能效关系探讨

引言

随着全球能源消耗的持续增长和“双碳”目标（碳达峰、碳中和）在中国的深入推进，建筑能耗作为全社会总能耗的重要组成部分，正受到前所未有的关注。根据中国住房和城乡建设部发布的《2022年中国建筑能耗研究报告》，建筑运行阶段的能耗占全国总能耗的21.7%，其中暖通空调系统（Heating, Ventilation and Air Conditioning, HVAC）在商业及公共建筑中占比高达40%~60%。因此，对HVAC系统的节能优化成为降低建筑整体能耗的关键路径。

在HVAC系统中，空气过滤器作为保障室内空气质量的核心组件，其性能直接影响系统的运行效率。传统有隔板过滤器虽然具备较高的容尘量和较长使用寿命，但其结构复杂、风阻大，导致系统风机能耗显著上升。近年来，超高效无隔板过滤器（Ultra-Low Penetration Air Filter, ULPA Filter without Separator）因其低阻力、高过滤效率、轻量化等优势，在高端洁净室、医院手术室、数据中心及绿色建筑中广泛应用。然而，其压降特性与系统能效之间的关系尚未被充分研究与量化。

本文将系统探讨超高效无隔板过滤器在HVAC系统中的应用，重点分析其压降变化对系统能耗的影响机制，并结合国内外权威研究成果与典型产品参数进行实证分析，旨在为建筑节能设计提供理论依据与技术参考。

一、HVAC系统能耗构成与关键影响因素

1.1 HVAC系统主要能耗组成

HVAC系统由冷热源、输送设备（水泵、风机）、末端设备及空气处理单元（AHU）等组成。其能耗主要包括：

能耗类型	占比范围（%）	主要影响因素
风机能耗	30–50	风道阻力、过滤器压降、风量需求
冷热源能耗	40–60	室内外温差、负荷波动、设备效率
水泵能耗	10–20	水系统阻力、流量控制策略

数据来源：ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment (2020)

从表中可见，风机能耗在HVAC系统中占据重要比例，而空气过滤器的压降是影响风机功耗的关键变量之一。当过滤器压降增加时，风机需提高转速以维持设定风量，导致电能消耗呈非线性上升。

1.2 过滤器压降对系统能效的影响机制

根据流体力学原理，风机功率 $ P $ 与风量 $ Q $ 和全压 $ Delta P $ 的关系为：

$$
P = frac{Q cdot Delta P}{eta}
$$

其中，$ eta $ 为风机效率。由此可见，压降 $ Delta P $ 的微小增加可能导致功率显著上升。例如，某AHU系统初始过滤器压降为120 Pa，若因积尘或选型不当升至250 Pa，风机功率可能增加超过80%。

此外，美国能源部（DOE）在《Commercial Building Energy Consumption Survey (CBECS)》报告中指出，约25%的商业建筑HVAC系统存在“过度过滤”问题，即使用过高效率但高阻力的过滤器，导致不必要的能耗浪费。

二、无隔板过滤器的技术演进与结构特点

2.1 传统有隔板过滤器的局限性

传统高效过滤器多采用玻璃纤维滤纸与铝制波纹隔板交替排列的结构，优点在于支撑稳定、容尘量大。但其缺点同样明显：

结构笨重，安装空间需求大；
气流通道曲折，导致初始压降较高（通常≥200 Pa）；
易积尘堵塞，压降随时间快速上升；
更换频率高，维护成本高。

2.2 超高效无隔板过滤器的技术优势

无隔板过滤器采用“V型折叠”结构，利用热熔胶将滤纸固定于外框内，取消金属隔板，显著提升单位体积内的有效过滤面积。其核心优势包括：

低初始压降：通常为80–150 Pa（额定风速下）；
高容尘能力：通过增加褶数与褶深，延长使用寿命；
轻量化设计：重量仅为有隔板产品的60%左右；
模块化安装：便于更换与维护。

根据欧洲标准EN 1822:2009，ULPA级无隔板过滤器对0.12 μm颗粒的过滤效率可达99.999%以上，适用于ISO Class 3–5级洁净环境。

三、压降与能效关系的实验研究与数据分析

3.1 压降测试方法与标准

国际通用的过滤器压降测试依据包括：

标准名称	发布机构	测试条件
EN 779:2012	欧洲标准化委员会	初始效率与终期压降测试
ISO 16890:2016	国际标准化组织	基于颗粒物分组的能效评级
GB/T 13554-2020	中国国家标准化管理委员会	高效过滤器性能测试方法

测试通常在标准风洞中进行，风速设定为0.45 m/s或0.75 m/s，记录不同风量下的压降曲线。

3.2 典型产品压降对比分析

以下为国内外主流品牌的超高效无隔板过滤器在额定风量下的性能参数对比：

型号	品牌	等级	尺寸（mm）	额定风量（m³/h）	初始压降（Pa）	终期压降（Pa）	过滤效率（@0.3μm）	材质
ULPA-600	Camfil（瑞典）	ULPA H14	610×610×150	2000	110	450	≥99.995%	超细玻璃纤维+PTFE涂层
AAF ULPA-14	AAF International（美国）	H14	592×592×150	1800	125	480	≥99.99%	熔喷聚丙烯复合滤材
KLC-ULPA	苏州科林（中国）	H14	600×600×150	1900	105	420	≥99.995%	进口玻纤+热熔胶密封
FLT-UL14	飞利浦（荷兰）	ULPA	595×595×180	2100	130	500	≥99.99%	多层静电驻极材料

数据来源：各厂商官网技术白皮书（2023年更新）

从上表可见，国产KLC-ULPA在初始压降方面表现最优（105 Pa），优于多数进口品牌，体现了中国企业在滤材工艺与结构设计上的进步。

3.3 压降对风机能耗的实际影响模拟

以某医院洁净手术室AHU系统为例，系统设计风量为3000 m³/h，风机电机功率7.5 kW，运行时间365天×24小时。选用不同压降水平的过滤器进行能耗模拟：

过滤器类型	初始压降（Pa）	平均运行压降（Pa）	风机年耗电量（kWh）	年电费（元，0.8元/kWh）
传统有隔板H13	180	320	28,704	22,963
无隔板H14（进口）	125	240	21,528	17,222
无隔板H14（国产优化型）	105	200	17,940	14,352

计算假设：风机效率η=70%，压降与功率呈线性关系，忽略变频调节

结果显示，采用低阻无隔板过滤器可使年耗电量减少37.6%，节省电费近8600元/台机组。若在全国10万套类似系统中推广，年节电量可达10.8亿kWh，相当于减少CO₂排放约86万吨（按火电排放因子0.8 kg/kWh计）。

四、国内外研究进展与权威文献支持

4.1 国外研究综述

美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）在《Energy Impact of High-Efficiency Filters in Commercial Buildings》（Fisk et al., 2018）中指出：

“尽管高效率过滤器可改善室内空气质量（IAQ），但其附加压降带来的能耗增量不可忽视。通过优化滤材与结构设计，可在保持过滤性能的同时降低压降20–40%。”

该研究通过对加州120栋办公楼的实测数据建模，发现每降低100 Pa过滤器压降，系统总能耗下降约6.3%。

另一项由丹麦技术大学（DTU）主导的研究（Melikov et al., 2020）在《Indoor Air》期刊发表，强调：

“无隔板ULPA过滤器在数据中心应用中表现出卓越的能效平衡。其低阻力特性使冷却风机能耗降低15%，同时PM2.5去除率提升至99.98%。”

4.2 国内研究动态

清华大学建筑节能研究中心在《暖通空调》2021年第51卷第3期发表论文《高效过滤器压降特性对公共建筑HVAC系统能耗的影响》，通过对北京、上海、广州三地典型办公建筑的实测与仿真，得出结论：

“采用H13级无隔板过滤器替代传统有隔板产品，可使AHU系统全年综合能效比（IPLV）提升8.2%，投资回收期约为2.3年。”

此外，同济大学团队在《Building and Environment》（Zhang et al., 2022）中提出“过滤器能效指数”（Filter Energy Efficiency Index, FEEI），定义为：

$$
FEEI = frac{eta}{Delta P_{avg}}
$$

其中 $ eta $ 为过滤效率，$ Delta P_{avg} $ 为平均运行压降。该指数可用于横向比较不同过滤器的综合性能。研究显示，国产新型纳米纤维复合滤材的FEEI值达到0.42 %/Pa，优于进口玻纤滤材的0.35 %/Pa。

五、影响压降的关键技术因素分析

5.1 滤材性能

滤材是决定压降的核心因素。常见材料对比：

滤材类型	孔隙率（%）	克重（g/m²）	初始阻力（Pa）	特点
普通玻璃纤维	70–75	80–100	120–150	成本低，易吸湿
PTFE覆膜玻纤	80–85	60–80	90–110	低阻、耐腐蚀
熔喷聚丙烯	75–80	50–70	80–100	可静电增强，寿命短
静电纺纳米纤维	85–90	10–20	60–80	超低阻，高成本

数据来源：中国产业用纺织品行业协会，《高效空气过滤材料发展报告》（2023）

5.2 结构设计参数

无隔板过滤器的几何参数直接影响气流分布与压降：

参数	推荐范围	对压降的影响
褶高（mm）	25–35	褶高过小易堵塞，过大增加风阻
褶距（mm）	3.5–5.0	距离过密降低流通面积
折数（per meter）	120–160	折数越多，有效面积越大，压降越低
外框密封方式	热熔胶/液态密封胶	密封不良导致旁通，降低实际效率

研究表明，采用“渐变密度”滤纸结构（前疏后密）可使容尘量提升30%，同时延缓压降上升速率（Wang et al., 《Journal of Aerosol Science》, 2021）。

六、实际工程案例分析

案例一：上海张江科技园数据中心

项目背景：新建A级数据中心，IT负载8 MW，AHU系统配置H14级过滤器。

改造前：使用传统有隔板H13过滤器，初始压降190 Pa，年风机耗电412万kWh。

改造后：更换为国产KLC-ULPA无隔板H14过滤器，初始压降105 Pa，配合变频风机控制。

效果：

风机年耗电降至320万kWh，节能22.3%；
过滤器更换周期由6个月延长至10个月；
ROI（投资回报率）为2.1年。

案例二：北京协和医院洁净手术部

原系统使用AAF有隔板H13过滤器，压降监测显示运行6个月后升至380 Pa，导致风机频繁满负荷运行。

升级方案：采用Camfil Hi-Flo ULPA无隔板过滤器，初始压降110 Pa，内置压差传感器实现智能报警。

结果：

系统静压降低140 Pa；
风机噪音下降5 dB(A)；
IAQ指标（菌落数、PM0.3）优于GB 50333-2013标准。

七、未来发展趋势与技术展望

7.1 智能化过滤系统

集成压差传感器、温湿度探头与IoT平台，实现过滤器状态实时监控与预测性维护。如霍尼韦尔SmartFilter系统可通过APP提示更换时机，避免“早换浪费”或“晚换高耗”。

7.2 新型滤材研发

纳米纤维复合材料：结合静电纺丝与驻极技术，实现亚微米级高效低阻过滤；
光催化自清洁滤网：TiO₂涂层在紫外照射下分解有机污染物，延长使用寿命；
生物基可降解滤材：以PLA（聚乳酸）替代传统合成纤维，降低环境负担。

7.3 标准体系完善

中国正在修订《GB/T 14295-202X 空气过滤器》标准，拟引入“能效分级”概念，类似于家电能效标识，引导市场选择高FEEI产品。欧盟已实施Eurovent认证中的“Air Filter Energy Label”，分为A++至E级，推动行业绿色转型。

八、经济性与环境效益评估

以单台AHU系统（风量3000 m³/h）为例，进行全生命周期成本（LCC）分析：

成本项	传统有隔板H13	无隔板H14（国产）
设备采购价（元）	1,800	2,600
年电耗（kWh）	28,704	17,940
年电费（元）	22,963	14,352
年维护费（更换2次）	3,600	1,300（更换1次）
10年总成本（折现率5%）	328,500	231,800

结果显示，尽管初期投资高出44.4%，但10年总成本降低29.4%，具有显著经济优势。

从环境角度看，每台机组每年可减少CO₂排放：
$$
(28,704 – 17,940) times 0.8 = 8,611.2 , text{kg-CO}_2
$$
若全国1%的HVAC系统完成此类升级（约10万台），年减排量可达86万吨，相当于种植4,700万棵成年树木。

参考文献

ASHRAE. ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment. Atlanta: ASHRAE, 2020.
Fisk, W.J., et al. "Energy impacts of high-efficiency filters in commercial buildings." Energy and Buildings, 2018, 172: 1–9.
Melikov, A.K., et al. "Performance of ULPA filters in data centers: Energy and air quality implications." Indoor Air, 2020, 30(4): 678–690.
清华大学建筑节能研究中心. 《高效过滤器压降特性对公共建筑HVAC系统能耗的影响》. 《暖通空调》, 2021, 51(3): 1–7.
Zhang, Y., et al. "Development of a filter energy efficiency index for HVAC applications." Building and Environment, 2022, 215: 108933.
Wang, L., et al. "Gradient-density media for low-pressure-drop HEPA filters." Journal of Aerosol Science, 2021, 158: 105842.
中国国家标准化管理委员会. GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》. 北京: 中国标准出版社, 2020.
European Committee for Standardization. EN 1822:2009 High efficiency air filters (HEPA and ULPA). Brussels: CEN, 2009.
中国产业用纺织品行业协会. 《高效空气过滤材料发展报告》. 2023.
U.S. Department of Energy. Commercial Building Energy Consumption Survey (CBECS). Washington D.C., 2021.