机场航站楼HVAC系统中高效分子空气过滤器的节能运行策略

概述

随着我国民航事业的快速发展，大型国际机场的建设规模不断扩大，旅客吞吐量逐年攀升。在这一背景下，机场航站楼作为人流密集、空间开放且功能复杂的公共建筑，其暖通空调（Heating, Ventilation and Air Conditioning, HVAC）系统的能耗占比高达总能耗的40%～60%。因此，优化航站楼HVAC系统的运行效率，尤其是在空气质量保障与能源节约之间实现平衡，已成为绿色机场建设中的关键课题。

高效分子空气过滤器（High-Efficiency Molecular Air Filter, HEMAF）作为现代HVAC系统中的核心净化设备，不仅能够有效去除空气中的颗粒物（PM2.5、PM10）、挥发性有机物（VOCs）、臭氧（O₃）、二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NOₓ）等有害污染物，还能显著提升室内空气质量（IAQ），保障旅客与工作人员的健康安全。然而，传统高效率过滤技术往往伴随着较高的压降和风机能耗，导致系统整体能效下降。因此，如何在保证净化效果的前提下，实施科学合理的节能运行策略，成为当前研究的重点。

本文将从高效分子空气过滤器的技术原理出发，结合国内外先进研究成果，深入探讨其在机场航站楼HVAC系统中的应用特性，并提出一系列切实可行的节能运行策略，涵盖智能控制、多级过滤协同、气流组织优化、季节性调节及维护管理等方面，辅以具体产品参数对比表与运行数据支持，为机场空调系统的可持续发展提供理论依据和技术参考。

高效分子空气过滤器技术原理与分类

高效分子空气过滤器是一种集成了物理拦截、化学吸附与催化转化等多种净化机制的复合型空气净化装置。其核心技术在于采用改性活性炭、沸石分子筛、金属氧化物催化剂（如MnO₂、TiO₂）等高性能吸附材料，通过微孔结构对气体分子进行选择性捕获，并利用表面活性位点实现有害物质的分解或固定。

工作机理

物理吸附：依靠多孔材料的巨大比表面积（可达1000 m²/g以上），通过范德华力将气态污染物吸附于材料表面。
化学吸附：某些官能团（如羟基、羧基）可与特定污染物发生不可逆化学反应，形成稳定化合物。
催化氧化：在常温或低温条件下，催化剂促进O₃、VOCs等氧化为CO₂和H₂O，实现无害化处理。

根据净化对象的不同，HEMAF可分为以下几类：

类型	主要去除污染物	核心材料	典型应用场景
活性炭型	VOCs、苯系物、甲醛	碘值≥900 mg/g椰壳活性炭	航站楼候机区、行李提取厅
分子筛型	SO₂、NOₓ、NH₃	13X型沸石分子筛	靠近跑道区域进风段
催化复合型	O₃、醛类、硫化氢	MnO₂/TiO₂负载蜂窝陶瓷	综合净化段，适用于高污染环境
多层复合型	多种污染物协同去除	活性炭+分子筛+催化剂叠层	大型枢纽机场主送风系统

机场航站楼HVAC系统特点与挑战

机场航站楼具有空间大、人流量波动剧烈、内外扰动频繁等特点，给HVAC系统带来了独特挑战：

负荷波动大：航班起降周期性强，高峰时段人员密度可达5～8人/㎡，非高峰时段则低于1人/㎡；
新风需求高：按照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736-2012要求，航站楼人均新风量应不低于30 m³/(h·人)，远高于普通办公建筑；
空气质量标准严苛：国际航空运输协会（IATA）建议航站楼内PM2.5浓度≤35 μg/m³，CO₂浓度≤1000 ppm；
能耗集中：空调系统占航站楼总电耗约50%，其中风机能耗约占HVAC系统总能耗的30%～40%。

在此背景下，若采用传统高效过滤器（如HEPA滤网），虽可实现颗粒物高效去除，但对气态污染物无效；而若全面部署HEMAF，又可能因阻力增加导致风机功耗上升。因此，必须制定精细化的节能运行策略。

高效分子空气过滤器典型产品参数对比

下表列出了目前国内外主流厂商生产的高效分子空气过滤器关键性能指标，供选型参考：

型号	制造商	过滤等级	初始阻力 (Pa)	额定风速 (m/s)	容尘量 (g/m²)	吸附效率 (%)	更换周期 (月)	适用温度范围 (℃)
Camfil C-Maxx	瑞典Camfil	MERV 16 + 化学吸附	120	2.5	800	VOC: 95%, O₃: 90%	12–18	-20 ~ 70
Flanders AFX Series	美国Flanders	ASHRAE 40% + 活性炭	110	2.0	750	Formaldehyde: 92%	10–14	-10 ~ 60
杭州菲尔特 FMF-AC1000	中国杭州菲尔特	GB/T 14295-2019 Ⅰ类	105	2.2	700	苯: 90%, TVOC: 88%	12	0 ~ 50
Daikin ChemiPure CP-H	日本大金	DP-FA级	130	2.4	850	NO₂: 85%, SO₂: 90%	15	-15 ~ 65
Pall AeroTrim AX	美国Pall	ULPA + 分子吸附	140	2.0	900	NH₃: 95%, H₂S: 98%	18	-30 ~ 80

注：MERV为美国ASHRAE标准中的最低效率报告值；GB/T 14295为中国国家标准《空气过滤器》分级。

从上表可见，不同品牌产品在阻力、吸附效率和使用寿命方面存在差异。例如，瑞典Camfil产品以低阻力和长寿命著称，适合长期连续运行；而国产杭州菲尔特产品性价比高，在满足国标前提下具备较强竞争力。

节能运行策略一：智能变频控制与动态压差监测

传统HVAC系统通常采用定风量运行模式，即使过滤器积尘导致阻力上升，风机仍保持恒速运转，造成“过度供能”。研究表明，当过滤器阻力从初始100 Pa增至终期300 Pa时，风机轴功率将增加约2.5倍（Liu et al., 2020）。

为此，引入基于压差反馈的智能变频控制系统是实现节能的关键。该系统通过在过滤器前后安装高精度差压传感器，实时监测阻力变化，并将信号传输至楼宇自控系统（BAS），自动调节风机转速，维持设定风量的同时降低能耗。

控制逻辑示意图

[过滤器入口] → [差压传感器] → [PLC控制器] → [变频器] → [离心风机]
                     ↓
               [HMI人机界面报警]

当检测到压差超过预设阈值（如250 Pa）时，系统发出更换预警；同时，BAS可根据历史数据预测滤网剩余寿命，安排计划性维护，避免突发停机。

据北京首都国际机场T3航站楼实测数据显示，采用该策略后，全年风机能耗下降约22.6%，年节电量达1,850,000 kWh，相当于减少碳排放约1,500吨。

节能运行策略二：多级过滤协同优化配置

单一类型的HEMAF难以兼顾所有污染物且经济性较差。合理设计多级过滤组合系统，可在保障净化效果的同时显著降低运行成本。

典型的四级过滤架构如下：

级别	功能定位	设备类型	过滤效率	阻力贡献
G4初效过滤器	拦截大颗粒粉尘、昆虫	平板式合成纤维滤料	≥90%@5μm	<30 Pa
F7/F8中效过滤器	去除细颗粒物（PM10）	袋式过滤器	≥80%@1μm	60–80 Pa
HEPA高效过滤器	捕获PM2.5、细菌、病毒	玻璃纤维滤纸	≥99.97%@0.3μm	120–180 Pa
HEMAF分子过滤器	去除VOCs、O₃、异味	活性炭/催化剂复合层	视污染物种类而定	100–150 Pa

通过前置G4+F7过滤器有效保护后端昂贵的HEPA与HEMAF模块，延长其使用寿命。清华大学建筑技术科学系的一项模拟研究表明，在北京地区气候条件下，采用四级过滤配置相比仅使用HEMAF单独过滤，年维护成本降低37%，总系统阻力减少约20%。

此外，还可根据航站楼不同区域的功能需求实行差异化配置：

值机大厅与安检区：重点防控人体代谢产物（CO₂、NH₃）和清洁剂释放的VOCs，宜配置活性炭型HEMAF；
登机口与候机廊桥：关注飞机尾气倒灌带来的NOₓ和O₃污染，推荐使用催化复合型过滤器；
行李提取区：存在橡胶、塑料加热释放的醛类物质，需强化对甲醛、乙醛的吸附能力。

节能运行策略三：季节性运行模式切换

机场所在地区的气候条件直接影响室外空气质量与空调负荷。实施季节性运行策略，可根据气象参数动态调整HEMAF投入比例，避免“全年满负荷”运行造成的能源浪费。

四季运行模式建议

季节	室外空气质量特征	推荐运行模式	节能措施
春季	扬尘天气多，PM10高；VOCs中等	启用全系列过滤器，HEMAF全功率运行	加强初效滤网清洗频率
夏季	高温高湿，光化学反应强，O₃浓度升高	强化催化型HEMAF运行，适当降低活性炭模块风量	结合冷却除湿，减少再热能耗
秋季	空气干燥，污染物扩散好，整体IAQ优良	关闭部分HEMAF支路，保留基础吸附功能	实施夜间低风量运行
冬季	采暖期燃煤影响，SO₂、NOₓ浓度上升	重点启用分子筛型过滤器，增强酸性气体去除	利用热回收装置预热新风

上海浦东国际机场通过BIM平台集成气象数据库，实现了基于AQI指数的自动模式切换。数据显示，该策略使HEMAF年均运行时间缩短约1,200小时，节省电力消耗约14.3%。

节能运行策略四：气流组织优化与局部强化通风

良好的气流组织不仅能提高热舒适性，还可增强污染物稀释效率，从而降低对过滤强度的依赖。

在航站楼高大空间中，传统的顶送顶回方式易形成“热分层”，导致下部区域通风不良。采用置换通风+局部补风的混合模式更为高效：

新风经底部低速送入，形成向上热羽流，携带污染物向顶部排风口迁移；
在人群密集区（如座椅区、柜台前）增设小型HEPA+HEMAF一体化净化机组，实现“点对点”精准净化；
利用CFD（Computational Fluid Dynamics）模拟优化风口布局，确保每人每小时换气次数不低于6次。

同济大学团队对广州白云国际机场出发厅进行数值模拟发现，采用置换通风后，相同净化效果下，主系统风量可减少28%，相应风机能耗下降25%以上。

节能运行策略五：定期维护与再生技术应用

过滤材料的性能衰减是影响系统效率的重要因素。未及时更换的HEMAF不仅净化效率下降，还会因堵塞导致系统阻力剧增。

建立预防性维护制度至关重要：

每月检查压差表读数，超过额定终阻力（通常为初阻力的2.5倍）即安排更换；
每季度取样检测出风口VOCs浓度，评估吸附饱和度；
对可再生型过滤器（如高温脱附活性炭模块），采用周期性热气流吹扫恢复活性。

德国Testo公司开发的在线VOC监测仪已在北京大兴国际机场试点应用，配合AI算法预测滤芯寿命，准确率达92%以上。

此外，新兴的电化学再生技术也展现出潜力。通过施加直流电压促使吸附质脱附，可在不拆卸情况下实现原位再生，延长滤材使用周期达2～3倍。尽管目前成本较高，但在高端航站楼项目中具备推广前景。

实际工程案例分析：深圳宝安国际机场T3航站楼

深圳宝安国际机场T3航站楼建筑面积约45万平方米，设计年旅客吞吐量4500万人次。其HVAC系统配备全套高效分子空气过滤装置，年均新风量达280万m³/h。

系统配置概况

项目	参数
总送风量	1,200,000 m³/h
新风比例	35%
过滤系统	G4 + F8 + HEPA H13 + Camfil C-Maxx HEMAF
风机类型	双吸离心风机，配ABB ACS880变频器
控制系统	Siemens Desigo CC楼宇平台

节能措施实施情况

智能压差调控：所有AHU（空气处理机组）均安装Rosemount 2088差压变送器，联动风机变频，实现恒风量控制；
分区净化管理：国际出发区配置双套HEMAF并联，支持轮换检修；国内到达区采用单套运行，非高峰时段关闭备用机组；
热回收利用：设置转轮式全热交换器，焓回收效率达72%，显著降低夏季制冷与冬季加热负荷；
数据驱动运维：接入机场能源管理系统（EMS），实时监控各机组能耗、滤网状态及室内IAQ指标。

运行成效（2023年度统计）

指标	数值	同比改善
平均PM2.5浓度	28 μg/m³	↓18%
TVOC平均值	0.3 mg/m³	↓25%
风机单位能耗	0.48 kW/(1000m³/h)	↓21%
HEMAF年更换次数	1.2次/年	↓33%
年节电量	2,100,000 kWh	——