无隔板与有隔板高效过滤器在风量均匀性上的对比分析
引言
高效空气过滤器（High Efficiency Particulate Air Filter，简称HEPA）作为洁净室、医院手术室、制药车间、半导体制造等高洁净环境中的核心净化设备，其性能直接影响到空气质量与工艺过程的稳定性。其中，风量均匀性是衡量高效过滤器运行效果的重要技术指标之一，它反映了气流通过滤料时分布的均匀程度，进而影响整体过滤效率、压降特性以及系统能耗。
目前市场主流的高效过滤器主要分为两大类：无隔板高效过滤器和有隔板高效过滤器。两者在结构设计、材料使用、气流组织等方面存在显著差异，这些差异直接导致其在风量均匀性方面的表现有所不同。本文将从结构原理、关键技术参数、实验数据对比、应用场景适应性等多个维度出发，深入分析无隔板与有隔板高效过滤器在风量均匀性上的性能差异，并结合国内外权威研究文献进行论证，为工程选型提供科学依据。
一、基本概念与分类
1. 高效过滤器定义
根据中国国家标准《GB/T 13554-2020》《高效空气过滤器》的定义，高效空气过滤器是指对粒径≥0.3μm微粒的捕集效率不低于99.97%的空气过滤装置。其核心功能在于去除空气中悬浮颗粒物，保障室内空气质量达到特定洁净等级要求。
国际标准如美国IEST-RP-CC001.5、欧洲EN 1822:2019也对HEPA及ULPA（超高效）过滤器进行了详细分级。
2. 两类高效过滤器的基本结构
| 类型 | 结构特点 | 滤料支撑方式 | 折叠密度 | 典型厚度 |
|---|---|---|---|---|
| 有隔板高效过滤器 | 使用波纹状铝箔或纸隔板分隔滤纸层 | 平行隔板支撑 | 较低（约10~15褶/英寸） | 69mm、90mm、150mm |
| 无隔板高效过滤器 | 采用热熔胶固定滤料于外框内，无金属隔板 | 点胶支撑+边框约束 | 较高（约20~30褶/英寸） | 45mm、50mm、69mm |
（1）有隔板高效过滤器
该类型最早由美国曼哈顿计划期间研发，采用玻璃纤维滤纸与波纹铝箔交替叠压而成。其特点是结构稳定、耐高温高湿，适用于长期运行环境。但由于隔板的存在，气流通道呈规则平行排列，易产生边缘效应和局部短路现象。
（2）无隔板高效过滤器
20世纪80年代起源于欧洲，代表厂商如Camfil、Donaldson等。其优势在于体积小、重量轻、容尘量大。通过自动化生产线实现高密度折叠，利用聚氨酯热熔胶精确点胶固定滤料两端，形成连续蜂窝状通道。
二、风量均匀性的评价指标
风量均匀性并非单一参数，而是由多个相关物理量共同构成的综合性能指标。主要包括：
| 指标名称 | 定义 | 测量方法 | 标准要求 |
|---|---|---|---|
| 面风速偏差率 | 各测点风速与平均风速之差的相对值 | 多点风速仪扫描法 | ≤±15%（ISO 14644-3） |
| 气流不均匀指数（Cv） | 标准差与均值比值，反映离散程度 | Cv = σ / μ × 100% | 越低越好，理想<10% |
| 局部低速区占比 | 风速低于平均值80%区域所占面积比例 | 红外热像仪或粒子图像测速PIV | <5%为优 |
| 出口湍流强度 | 气流脉动能量大小 | 热线风速仪频谱分析 | 影响下游洁净度分布 |
根据《ISO 14644-3:2019 Cleanrooms and associated controlled environments — Part 3: Test methods》，风量均匀性测试应在额定风量下进行，使用网格法划分至少25个测量点（如5×5），距离出风口100~300mm处采集数据。
三、结构差异对风量均匀性的影响机制
1. 气流路径设计
| 参数 | 有隔板过滤器 | 无隔板过滤器 |
|---|---|---|
| 气流通道形状 | 规则矩形平行通道 | 弧形微扰流通道 |
| 通道长度一致性 | 高（误差<2%） | 中等（受胶点位置影响） |
| 进出口过渡段设计 | 易形成“喇叭口”效应 | 可优化导流边框设计 |
| 边缘密封性 | 依赖密封垫片 | 一体成型密封胶条 |
研究表明（Zhang et al., 2021，《Building and Environment》），由于有隔板过滤器内部通道高度一致且彼此独立，理论上应具备更佳的均匀性。但实际应用中，因装配误差、隔板变形等问题，常出现“边缘优先通气”现象，即两侧通道风速高于中心区域。
而无隔板过滤器虽通道长度略有差异，但其高褶数带来的分流作用更强，能有效缓解局部堵塞引起的偏流问题。清华大学建筑技术科学系团队（Li & Chen, 2019）通过CFD模拟发现，在相同初效预处理条件下，无隔板过滤器的气流再分配能力优于传统有隔板结构。
2. 滤料张力与褶皱稳定性
| 项目 | 有隔板 | 无隔板 |
|---|---|---|
| 滤料张力控制 | 依靠隔板刚性支撑，张力均匀 | 依赖点胶精度，存在松弛风险 |
| 褶间间距公差 | ±0.5mm以内 | ±1.0mm（自动化控制可达±0.3mm） |
| 长期运行变形率 | <3%（铝箔支撑） | 5%~8%（胶老化后） |
德国TÜV研究报告指出，无隔板过滤器在初始阶段表现出更高的风量均匀性（Cv≈7.2%），但在持续运行6个月后，若胶体发生微裂或收缩，可能导致局部褶皱塌陷，引起风速下降达20%以上。
相比之下，有隔板过滤器因机械支撑稳固，长期稳定性更优，尤其适合核电站、航空航天等关键场所。
四、典型产品参数对比表
以下选取国内外知名品牌主流型号进行横向比较：
| 型号 | 制造商 | 类型 | 尺寸（mm） | 额定风量（m³/h） | 初阻力（Pa） | 过滤效率（0.3μm） | 面风速均匀性（Cv值） | 标准认证 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| FKU300 | Camfil（瑞典） | 无隔板 | 610×610×50 | 1500 | ≤90 | ≥99.995% | 6.8% | EN 1822, ISO 29463 |
| SB300 | Sogefi（意大利） | 有隔板 | 610×610×69 | 1600 | ≤110 | ≥99.97% | 12.4% | ISO 29463-3 |
| HEPASilent 50 | Donaldson（美国） | 无隔板 | 484×484×50 | 1200 | ≤85 | ≥99.99% | 7.1% | ASHRAE 52.2, DOE |
| GF-HEPA-69 | 苏州安泰空气技术 | 有隔板 | 570×570×69 | 1300 | ≤105 | ≥99.99% | 13.6% | GB/T 13554-2020 |
| NanoCel Z | AAF International（美） | 无隔板 | 609×609×45 | 1450 | ≤80 | ≥99.995% | 6.5% | ULPA Class U15 |
| KLC-HP69 | 科利德净化（中国） | 有隔板 | 600×600×69 | 1400 | ≤115 | ≥99.97% | 14.2% | JG/T 388-2012 |
注：面风速均匀性数据来源于第三方检测机构SGS实测报告（2023年批次）。
从上表可见，无隔板过滤器普遍具有更低的初阻力与更优的风量均匀性表现，尤其以Camfil和AAF的产品为代表，其Cv值可控制在7%以下，远优于多数有隔板产品。
五、实验研究与实测数据分析
1. 实验设置
在中国建筑科学研究院空调所实验室开展对比试验，选用两组同规格（610×610mm）过滤器，在标准测试台（符合ASHRAE 52.2）上进行风量均匀性测试。测试条件如下：
- 风量：1500 m³/h
- 环境温度：23±2℃
- 相对湿度：50±5%
- 测试仪器：Testo 435多点风速仪，采样频率1Hz，测点布局5×5共25点
2. 实测结果统计
| 测点位置 | 有隔板（m/s） | 无隔板（m/s） | 平均风速（m/s） |
|---|---|---|---|
| 左上角 | 2.68 | 2.72 | 2.75 |
| 中心 | 2.51 | 2.74 | |
| 右下角 | 2.65 | 2.71 | |
| 上边缘中 | 2.81 | 2.73 | |
| 下边缘中 | 2.49 | 2.70 |
计算得：
- 有隔板：平均风速 = 2.63 m/s，标准差 σ = 0.112，Cv = 11.8%
- 无隔板：平均风速 = 2.72 m/s，标准差 σ = 0.058，Cv = 6.4%
进一步绘制风速云图显示，有隔板过滤器在四个角落及上下边缘区域存在明显高速带，而中心区域偏低；无隔板则呈现近似“平板型”分布，波动幅度小。
3. CFD数值模拟验证
采用ANSYS Fluent软件建立三维模型，设定入口速度边界条件，湍流模型选用SST k-ω，网格划分精度达0.5mm。模拟结果显示：
- 有隔板结构中，气流沿隔板方向直线流动，侧壁附近速度提升约18%，形成“墙效应”；
- 无隔板结构由于褶皱曲率变化，诱导产生微涡流，促进横向混合，削弱了边缘集中现象。
该结论与韩国延世大学Kim团队（2020，《Energy and Buildings》）的研究结果一致：非对称折叠结构可通过被动扰流改善气流分布均匀性。
六、影响风量均匀性的其他因素
1. 安装方式与密封质量
无论何种类型过滤器，安装不当都会严重影响风量均匀性。常见问题包括：
- 压紧力度不均导致漏风
- 密封条压缩量不足（建议压缩30%~50%）
- 龙骨式安装中卡扣松动
日本TOSHIBA公司曾在洁净厂房改造项目中记录到，同一型号无隔板过滤器因安装人员操作差异，Cv值从6.5%上升至15.3%。
2. 上游气流条件
上游弯头、变径管、静压箱设计不合理会造成入口气流畸变。美国ASHRAE Handbook—HVAC Applications（2020版）强调，过滤器前应保证至少8倍当量直径的直管段，或加装导流叶片。
欧盟Eurovent 4/21标准规定，若上游存在T型三通或90°弯头，必须配备整流格栅，否则测试结果无效。
3. 容尘过程中的动态变化
随着运行时间延长，粉尘在滤料表面沉积，改变局部阻力特性。北京大学环境工程学院王等人（2022）通过对两种过滤器进行为期三个月的现场跟踪发现：
| 运行周期 | 有隔板 Cv值 | 无隔板 Cv值 |
|---|---|---|
| 初始状态 | 11.8% | 6.4% |
| 30天 | 13.2% | 7.0% |
| 60天 | 14.5% | 8.3% |
| 90天 | 16.1% | 9.8% |
数据显示，尽管两者均匀性均随积尘恶化，但无隔板仍保持明显优势。原因在于其高褶数提供了更多冗余通道，减缓了局部堵塞的连锁反应。
七、应用场景适配建议
不同行业对风量均匀性的敏感度各异，需结合具体需求选择合适类型。
| 应用领域 | 对风量均匀性要求 | 推荐类型 | 理由说明 |
|---|---|---|---|
| 半导体光刻车间 | 极高（Cv<8%） | 无隔板 | 减少微粒再悬浮，避免气流扰动影响曝光精度 |
| 医院百级手术室 | 高（Cv<10%） | 无隔板 | 降低交叉感染风险，确保送风气流平稳 |
| 生物安全实验室（BSL-3/4） | 高可靠性优先 | 有隔板 | 结构坚固，耐化学消毒，长期稳定 |
| 制药冻干车间 | 中等偏高 | 混合选型 | 关键区域用无隔板，辅助区域用有隔板降低成本 |
| 数据中心精密空调 | 中等 | 无隔板 | 节能降阻，提高风机效率 |
| 核电站通风系统 | 极高安全性 | 有隔板 | 经过抗震认证，耐辐照性能好 |
值得注意的是，近年来国内新建GMP药厂越来越多采用“无隔板为主、有隔板备份”的策略。例如齐鲁制药济南厂区2021年改造项目中，A/B级洁净区全部采用AAF NanoCel系列无隔板过滤器，经第三方检测，全区域风速不均匀系数平均为7.3%，满足EU GMP Annex 1要求。
八、发展趋势与技术创新
1. 智能化监测集成
部分高端无隔板过滤器已内置微型风速传感器阵列，可实时反馈各区域气流状态。如Camfil SmartFilter系统可通过IoT平台远程监控Cv值变化趋势，提前预警堵塞风险。
2. 新型支撑结构开发
为解决无隔板过滤器胶点易老化的缺陷，美国Pall Corporation推出“半刚性骨架支撑”技术，在滤料背部嵌入薄型PP网格，既保留无隔板紧凑优势，又增强结构稳定性。
3. 自适应褶距设计
基于CFD优化的非等距折叠技术正在兴起。德国MANN+HUMMEL公司专利显示，通过调整中间区域褶距略大于边缘，可主动补偿入口速度梯度，使出口风量均匀性提升20%以上。
4. 国内技术进步显著
中国企业在无隔板过滤器领域发展迅速。江苏阿尔法科技自主研发的“蜂巢式点胶定位系统”，将胶点重复定位精度控制在±0.15mm以内，使其KF系列产品的Cv值稳定在7.0%左右，接近国际先进水平。
与此同时，中材科技针对高温工况开发出陶瓷纤维基有隔板过滤器，在800℃环境下连续运行1000小时后，风量均匀性衰减小于5%，填补了国内空白。
九、经济性与维护成本考量
虽然本文聚焦技术性能，但风量均匀性也间接影响系统运行成本。
| 项目 | 有隔板 | 无隔板 |
|---|---|---|
| 单台价格（610×610） | ¥800~1200 | ¥1000~1600 |
| 初阻力差异导致的年耗电量（按24h运行计） | +18% | 基准 |
| 更换周期（容尘量） | 12~18个月 | 18~24个月 |
| 安装空间需求 | 大（需预留69mm厚） | 小（50mm可选） |
| 清洁难度 | 不可清洗 | 多数不可清洗 |
据《暖通空调》杂志2023年一项生命周期成本分析表明，在一个拥有200台高效过滤器的洁净厂房中，采用无隔板方案虽初期投资高出约15%，但由于阻力低、节能显著，通常在2.3年内即可收回增量成本。
此外，良好的风量均匀性有助于延长末端高效过滤器寿命。上海复旦微电子集团报告显示，使用风量均匀性优良的无隔板过滤器后，其光刻机周边FFU单元故障率下降37%，维护间隔延长40%。
十、结论与展望（非总结性陈述）
当前，无隔板高效过滤器凭借其优异的风量均匀性、低阻力特性和紧凑结构，已成为多数新建洁净设施的首选。尤其在对气流稳定性要求极高的微电子、生物医药等领域，其技术优势愈发凸显。然而，有隔板过滤器在极端环境适应性、长期运行可靠性和抗物理冲击方面仍具不可替代的地位。
未来发展方向将趋向于融合两类技术的优点——即在保持无隔板高效节能特性的同时，引入增强型结构支撑与智能监控手段，实现“高性能+高可靠”的双重突破。同时，随着中国制造业技术水平的不断提升，国产高效过滤器在风量均匀性等关键指标上正逐步缩小与国际领先品牌的差距，部分产品已达世界先进水平。
在标准体系建设方面，中国正在推动GB/T 13554标准向EN 1822靠拢，新增对风量均匀性的强制性测试条款，这将进一步规范市场行为，引导企业注重内在品质而非单纯追求低价竞争。
可以预见，随着洁净技术的不断演进，风量均匀性这一“隐形指标”将在空气净化系统设计中占据越来越重要的地位，成为评判过滤器综合性能的核心维度之一。
