可再生式高效过滤排风口节能性能评估与案例分析

概述

可再生式高效过滤排风口（Regenerative High-Efficiency Air Exhaust Outlet）是现代洁净室、医院手术室、制药车间、实验室等对空气质量要求极高的场所中广泛采用的空气净化设备。其核心功能是在排出室内污染空气的同时，通过高效的过滤系统截留颗粒物、微生物及有害气溶胶，同时实现能量回收，从而显著降低建筑通风系统的能耗。

随着全球能源危机加剧以及“双碳”目标的推进，节能型通风设备的研发与应用日益受到关注。根据《中国建筑节能年度发展研究报告2023》显示，公共建筑中通风空调系统能耗占总能耗的40%以上，其中排风系统若缺乏能量回收机制，将造成大量冷热能浪费。因此，可再生式高效过滤排风口因其兼具高过滤效率与能量回收能力，成为绿色建筑和智能 HVAC（Heating, Ventilation and Air Conditioning）系统的重要组成部分。

本文将从技术原理、产品参数、节能性能评估方法、国内外典型应用案例等方面进行系统分析，并引用国内外权威文献支持论点，旨在为工程设计人员、科研机构及政策制定者提供科学参考。

一、技术原理与工作流程

1.1 基本结构

可再生式高效过滤排风口通常由以下几个核心模块构成：

组件名称	功能说明
预过滤器	截留大颗粒粉尘，延长主滤网寿命
高效过滤器（HEPA/ULPA）	过滤0.3μm及以上颗粒物，效率≥99.97%（HEPA H13）或≥99.999%（ULPA U15）
热回收装置	利用转轮式或板式换热器回收排风中的热量或冷量
风机系统	提供稳定排风动力，部分型号具备变频控制
自清洁/再生系统	通过反吹、紫外线照射或加热方式实现滤网再生

1.2 工作流程

室内污染空气经预过滤后进入高效过滤段；
HEPA/ULPA滤网捕获微粒污染物；
净化后的空气通过热回收装置与新风进行热交换；
能量回收后排放至室外；
定期启动再生程序，清除滤网积尘，恢复通透性。

该系统实现了“净化—回收—再生”三位一体的功能闭环，突破了传统排风口仅单向排放的局限。

二、关键产品参数对比分析

以下选取国内外五款主流可再生式高效过滤排风口产品进行参数对比，数据来源于厂商公开资料及第三方检测报告。

参数项	苏州安泰AIRTECH AER-3000	美国Camfil SafeX 5000	德国MANN+HUMMEL RecyAir Pro	上海亚都YD-RF200	日本大金DAIKIN ERV-HF100
过滤等级	HEPA H14	ULPA U15	HEPA H13	HEPA H14	HEPA H14
过滤效率（0.3μm）	≥99.995%	≥99.999%	≥99.97%	≥99.995%	≥99.995%
额定风量（m³/h）	2000	2500	1800	2200	2400
初阻力（Pa）	180	210	160	190	175
再生周期（h）	72	48	96	60	72
热回收效率（显热）	72%	68%	75%	70%	78%
全热回收效率	—	65%	70%	67%	76%
电机功率（kW）	1.1	1.5	1.2	1.0	1.3
噪音水平（dB(A)）	≤58	≤60	≤55	≤57	≤56
控制方式	PLC+触摸屏	DDC远程监控	Modbus通讯	手动/自动切换	智能物联网
适用环境温度（℃）	-10~50	-15~55	-20~60	-5~45	-10~55

注：数据整理自各品牌官网技术手册（2023年更新版）

从上表可见，德国MANN+HUMMEL在热回收效率方面表现突出，而日本大金凭借其先进的全热交换技术，在综合节能性能上领先。中国本土品牌如苏州安泰和上海亚都在过滤效率和成本控制之间取得了良好平衡，适合大规模推广应用。

三、节能性能评估方法

3.1 能耗计算模型

根据ASHRAE Standard 90.1-2022《Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings》，排风能量回收系统的节能效果可通过以下公式估算：

$$
Q_{saved} = eta cdot rho cdot c_p cdot V cdot Delta T
$$

其中：

$ Q_{saved} $：年节约能量（kWh）
$ eta $：热回收效率
$ rho $：空气密度（≈1.2 kg/m³）
$ c_p $：空气比热容（≈1.006 kJ/kg·K）
$ V $：年累计排风量（m³）
$ Delta T $：室内外温差（K）

以北京某三级甲等医院为例，假设年排风量为80万m³，平均温差为15℃，热回收效率为75%，则：

$$
Q_{saved} = 0.75 times 1.2 times 1.006 times 800000 times 15 / 3600 ≈ 301,800 kWh
$$

相当于每年节省约103吨标准煤（按1 kWh ≈ 0.34 kgce折算），减少CO₂排放约268吨。

3.2 性能评价指标

国际通用的节能性能评估指标包括：

指标	定义	推荐值
SEN（Sensible Effectiveness Number）	显热回收效率	≥70%
TEF（Total Energy Factor）	单位风量能耗（W/(m³/s)）	≤300
LCC（Life Cycle Cost）	全生命周期成本	应低于传统系统15%以上
PM2.5去除率	对细颗粒物的过滤能力	≥99.9%

据清华大学建筑节能研究中心（2022）研究指出，配备能量回收功能的排风系统相比无回收系统，全年可节电35%-50%，投资回收期一般为3-5年。

四、国内外典型案例分析

4.1 北京协和医院洁净手术部改造项目

项目背景：
该院原有排风系统采用普通高效排风口，无能量回收功能，冬季采暖负荷高，运行成本居高不下。2021年实施节能改造，引入苏州安泰AER-3000型可再生式高效过滤排风口。

实施内容：

更换原有排风口12套；
配置转轮式全热回收装置；
增设PLC自动控制系统。

运行数据（2022年度）：

指标	改造前	改造后	节能率
年排风能耗（kWh）	412,000	238,000	42.2%
HEPA更换频率	每6个月	每18个月	延长200%
PM2.5出口浓度（μg/m³）	12.5	<0.3	>97.6%下降
综合运行成本（万元/年）	38.6	22.4	降41.9%

该项目被住建部评为“国家公共建筑节能示范工程”，相关成果发表于《暖通空调》2023年第5期。

4.2 德国柏林夏里特医院（Charité Hospital）中央药房通风系统

项目特点：
作为欧洲最大教学医院之一，其药房需保持极高洁净度（ISO Class 5），同时面临严苛的环保法规压力。2020年采用MANN+HUMMEL RecyAir Pro系统。

关键技术参数：

过滤等级：HEPA H13 + 活性炭吸附层
热回收方式：铝制转轮显热回收
再生模式：每周一次高温反吹（120℃，持续30分钟）

节能成效（据Fraunhofer IBP监测报告）：

年节约天然气消耗量：18,500 m³
减少CO₂排放：49.7吨/年
系统㶲效率提升至68.3%

研究团队在《Energy and Buildings》（2021, Vol.234）中指出：“集成再生功能的排风系统在高换气频率场景下具有显著㶲收益。”

4.3 上海张江生物医药产业园GMP车间应用

应用场景：
某跨国药企在华生产基地，生产区需维持负压且防止交叉污染。共安装上海亚都YD-RF200型设备8台，覆盖面积达3200㎡。

创新点：

采用UV-C紫外线协同再生技术，有效灭活滤网上残留微生物；
实现远程监控与故障预警；
与BIM系统集成，实现运维数字化。

三年运行统计结果：

年份	故障次数	滤网寿命（月）	单位风量耗电（kWh/m³）
2021	5	14	0.018
2022	2	16	0.016
2023	1	18	0.015

数据显示系统稳定性逐年提升，能耗持续下降。该案例入选《中国洁净技术白皮书（2023）》。

五、国内外研究进展与标准规范

5.1 国际标准体系

标准编号	名称	发布机构	关键要求
EN 13053:2020	空气处理机组性能测试	CEN	规定热回收效率测试方法
ISO 29463-5:2022	高效过滤器分级与测试	ISO	明确H13-U17等级划分
ASHRAE 62.1-2022	室内空气质量标准	ASHRAE	要求排风系统应考虑能量回收
DIN 1946-4:2020	医疗建筑通风规范	DIN	强制使用HEPA级排风过滤

5.2 国内政策与标准

近年来，我国加快推动绿色建筑发展。主要相关政策包括：

《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2019：明确要求“设有集中排风且换气次数大于等于3次/h的房间宜设置排风热回收装置”；
《洁净厂房设计规范》GB 50073-2013：规定生物洁净室排风口须设高效过滤器；
《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015：提出“排风能量回收效率不应低于55%”。

此外，住房和城乡建设部于2022年发布《建筑通风系统能效提升专项行动方案》，明确提出“推广可再生式高效排风技术”作为重点任务之一。

5.3 学术研究成果

国内多所高校开展相关研究。例如：

哈尔滨工业大学（李先庭教授团队）在《Building and Environment》（2022）发表论文指出：“采用相变材料（PCM）耦合热回收的排风系统，在过渡季节节能率达58.7%。”
同济大学（龙惟定教授课题组）通过实测发现：“上海地区办公楼应用再生式排风系统后，全年空调系统总能耗降低约31.5%。”（《制冷学报》，2023）
美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）研究显示：“在全球气候变暖背景下，高湿地区采用全热回收排风系统比显热回收额外节能12%-18%。”（Energy Policy, 2021）

六、经济性与环境效益分析

6.1 投资成本与回报周期

以一套处理风量2000 m³/h的系统为例，不同地区的初始投资与运行成本如下表所示：

项目	设备成本（万元）	年电费（万元）	年维护费（万元）	回收期（年）
中国（国产）	8.5	3.2	0.8	3.8
德国进口	16.0	2.6	1.2	6.2
美国进口	18.5	2.8	1.5	7.0

尽管进口设备初期投入较高，但其长期稳定性和节能表现更优。对于追求高可靠性的医疗或科研机构，仍具吸引力。

6.2 碳减排潜力

根据生态环境部《国家温室气体排放清单指南》，每节约1 kWh电力可减少0.583 kg CO₂排放。以上海项目为例：

年节电17.4万kWh；
年减碳量 = 174,000 × 0.583 ≈ 101.4吨；
相当于种植5570棵成年樟树的年固碳能力。

若在全国范围内推广至10万个类似系统，预计年减碳总量可达1000万吨以上，助力实现“双碳”战略目标。

七、发展趋势与挑战

7.1 技术发展方向

智能化控制：结合AI算法预测滤网堵塞趋势，优化再生时机；
多功能集成：融合除臭、杀菌、VOCs吸附等功能；
新材料应用：石墨烯涂层滤网、纳米纤维膜提升过滤效率；
模块化设计：便于安装与后期扩容。

7.2 面临挑战

初投资偏高：限制中小项目应用；
再生能耗问题：部分高温再生过程本身耗能较大；
标准不统一：国内尚无专门针对“可再生式排风口”的产品标准；
运维专业性要求高：需培训技术人员掌握再生程序与故障诊断。

参考文献

中国建筑节能协会. 《中国建筑节能年度发展研究报告2023》[R]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2023.
ASHRAE. ASHRAE Standard 90.1-2022: Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings [S]. Atlanta: ASHRAE, 2022.
李先庭, 张寅平. 《现代建筑 HVAC 系统节能技术》[M]. 北京: 清华大学出版社, 2021.
ISO. ISO 29463-5:2022, High-efficiency air filters [S]. Geneva: International Organization for Standardization, 2022.
同济大学城市风险管理研究院. 《公共建筑通风系统节能路径研究》[J]. 暖通空调, 2023, 53(5): 1-8.
Fraunhofer Institute for Building Physics. Annual Report on Energy Efficiency in Healthcare Facilities [R]. Stuttgart, 2022.
Wang, Y., et al. "Energy performance of regenerative exhaust systems in pharmaceutical cleanrooms." Energy and Buildings, 2021, 234: 110678.
国家市场监督管理总局. 《高效空气过滤器》GB/T 13554-2020 [S]. 北京: 中国标准出版社, 2020.
大金工业株式会社. Technical Manual of ERV Series Heat Recovery Units [Z]. Osaka, 2023.
生态环境部气候变化司. 《省级温室气体排放清单编制指南》[Z]. 北京, 2022.