初效中效袋式过滤器在HVAC系统中的分级过滤应用
一、引言
随着现代建筑对室内空气质量（Indoor Air Quality, IAQ）要求的不断提高，暖通空调系统（Heating, Ventilation and Air Conditioning, HVAC）作为调节空气温湿度与洁净度的核心设备，其性能优化日益受到关注。其中，空气过滤技术是保障HVAC系统高效运行和提升室内空气质量的关键环节。在众多过滤方式中，初效与中效袋式过滤器因其结构合理、容尘量大、压降低、更换维护方便等优点，被广泛应用于商业楼宇、医院、制药厂、数据中心及工业厂房等场所。
根据国际标准化组织ISO 16890以及美国ASHRAE Standard 52.2标准，空气过滤器按照效率等级划分为G级（粗效）、F级（中效）、H级（高效）等多个级别。其中，初效过滤器（G3-G4）主要用于拦截大颗粒物如灰尘、毛发、纤维等；中效袋式过滤器（F5-F9）则可有效去除花粉、烟雾、细菌载体及部分PM2.5颗粒。通过科学配置初效与中效袋式过滤器，实现多级协同过滤，不仅能延长高效过滤器寿命，还能显著降低系统能耗，提高整体运行经济性。
本文将围绕初效与中效袋式过滤器在HVAC系统中的分级过滤机制展开深入探讨，涵盖其工作原理、产品参数、选型依据、典型应用场景，并结合国内外权威研究数据进行分析，为工程设计与运维提供理论支持与实践指导。
二、初效与中效袋式过滤器的基本概念
（一）定义与分类
初效过滤器：指用于捕捉空气中粒径大于5μm的大颗粒污染物的第一道屏障，通常安装于新风入口或空调机组前端，防止后续设备积尘堵塞。常见类型包括板式、折叠式及袋式结构。
中效袋式过滤器：属于F级过滤器范畴，采用多个滤袋并联设计，利用深层纤维材料捕集0.4~10μm范围内的悬浮微粒，具有较大的表面积和较高的容尘能力，适用于对空气质量有一定要求的环境。
| 过滤器类型 | 欧标等级（EN 779:2012） | 美标ASHRAE MERV等级 | 主要拦截颗粒物尺寸 | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 初效袋式过滤器 | G3–G4 | MERV 5–8 | >5 μm | 商场、写字楼、工厂车间预过滤 |
| 中效袋式过滤器 | F5–F9 | MERV 9–16 | 0.4–10 μm | 医院、实验室、洁净室前级过滤 |
注：自2018年起，欧洲已启用ISO 16890替代EN 779标准，按颗粒物粒径分组（ePM10、ePM4、ePM1）评估过滤效率。
三、袋式过滤器的结构与工作原理
（一）结构组成
袋式过滤器由以下几个核心部件构成：
- 滤料：常用聚酯无纺布、玻璃纤维或复合材料制成，表面经过防静电处理以增强吸附性能；
- 支撑框架：一般采用镀锌钢板或铝合金材质，确保结构稳定；
- 密封条：防止气流短路，常用聚氨酯发泡胶或橡胶条；
- 金属网/龙骨：内置加强筋，防止滤袋鼓胀变形；
- 吊耳与卡扣：便于安装与更换。
典型的袋式过滤器结构如下图所示（文字描述）：
多个长条形滤袋垂直悬挂于金属框架内，每个滤袋之间保持一定间距以保证气流均匀分布。进风面迎向气流方向，出风侧连接下游风道。当含尘空气穿过滤袋时，颗粒物被截留在纤维层中，洁净空气从另一侧排出。
（二）过滤机理
袋式过滤主要依赖以下四种物理机制实现颗粒物捕集：
-
惯性碰撞（Inertial Impaction）
大颗粒因质量较大，在气流绕过纤维时无法跟随流线运动而撞击纤维被捕获，主导>1μm颗粒的去除。 -
拦截效应（Interception）
当粒子轨迹靠近纤维表面时，直接接触并粘附于其上，适用于0.3~1μm颗粒。 -
扩散作用（Diffusion）
小颗粒（<0.1μm）受布朗运动影响频繁与纤维碰撞，从而被捕集，是超细颗粒的主要去除机制。 -
静电吸引（Electrostatic Attraction）
部分滤材带有永久静电荷，可增强对亚微米级颗粒的吸引力。
上述机制共同作用，使袋式过滤器在不同粒径区间均表现出良好过滤性能。
四、关键性能参数对比分析
为便于选型与系统匹配，需重点关注以下技术指标：
| 参数项 | 初效袋式过滤器（G4级） | 中效袋式过滤器（F7级） | 测试标准 |
|---|---|---|---|
| 额定风量（m³/h） | 1000–5000 | 800–4000 | EN 779 / ISO 16890 |
| 初始阻力（Pa） | ≤50 | ≤80 | — |
| 终阻力报警值（Pa） | 100–150 | 250–300 | 建议设定 |
| 过滤效率（ePM10） | ≥50% @ 5μm | ≥80% @ 4μm | ISO 16890 |
| 容尘量（g/m²） | 300–500 | 600–1000 | 实验室测定 |
| 使用寿命（月） | 3–6 | 6–12 | 视环境而定 |
| 滤料材质 | 聚酯无纺布 | PET+Glass Fiber复合材料 | — |
| 工作温度范围（℃） | -20 ~ +80 | -20 ~ +90 | — |
| 耐湿性 | 可耐受≤90% RH | 高湿度环境下仍稳定 | IEST-RP-CC001.4 |
数据来源：Camfil、AAF International、KLC Filter、同方人工环境有限公司等厂商公开资料整合
从上表可见，中效袋式过滤器在过滤精度、容尘能力和使用寿命方面明显优于初效产品，但相应带来更高的初始压降。因此，在实际应用中应根据系统风压余量合理选择。
五、分级过滤系统的构建逻辑
（一）多级过滤的意义
单一过滤难以兼顾效率与能耗。采用“初效 + 中效 + 高效”三级配置已成为现代HVAC系统的主流方案。其中：
- 第一级（初效）：保护中高效过滤器免受大颗粒快速污染；
- 第二级（中效）：承担主要颗粒负荷，减少HEPA过滤器更换频率；
- 第三级（高效）：实现最终净化，满足洁净空间需求。
清华大学建筑节能研究中心指出：“合理的前置过滤可使HEPA过滤器寿命延长2~3倍，系统年均能耗下降约12%。”（《暖通空调》，2021年第51卷第3期）
（二）典型配置案例
某三甲医院手术部HVAC系统采用如下过滤组合：
| 过滤层级 | 设备型号 | 安装位置 | 功能目标 |
|---|---|---|---|
| 初效 | G4袋式过滤器（6袋，592×592×400mm） | 新风机组入口 | 拦截柳絮、昆虫、粉尘 |
| 中效 | F8袋式过滤器（9袋，592×592×600mm） | 表冷器后段 | 去除PM2.5、细菌附着颗粒 |
| 高效 | H13 HEPA箱体 | 送风末端静压箱 | 达到ISO Class 5洁净度 |
该系统运行两年监测数据显示，中效过滤器平均终阻力达280Pa时才需更换，较未设初效时延长使用周期约40%。
六、国内外标准体系比较
全球主要过滤标准体系存在差异，但在发展趋势上趋于统一。
| 标准名称 | 发布机构 | 核心内容 | 特点 |
|---|---|---|---|
| ISO 16890:2016 | 国际标准化组织 | 按ePMx效率划分 | 强调对PM1、PM2.5、PM10的实际过滤能力 |
| ASHRAE 52.2-2017 | 美国采暖制冷空调工程师学会 | MERV评级（Minimum Efficiency Reporting Value） | 分16个等级，侧重0.3–10μm颗粒测试 |
| GB/T 14295-2019 | 中国国家标准 | 分粗效、中效、高中效、亚高效四级 | 结合国情制定，兼容旧有习惯 |
| EN 779:2012（已废止） | 欧洲标准委员会 | G/F/H分类法 | 曾广泛使用，现逐步过渡至ISO 16890 |
值得注意的是，ISO 16890标准更贴近真实大气污染状况，其测试尘源采用标准化的人工大气尘（ASD），并通过激光粒子计数器测量不同粒径段的穿透率。相比之下，ASHRAE 52.2虽历史悠久，但测试方法偏保守，可能导致效率虚高。
例如，一款标称MERV 13的中效袋式过滤器，在ISO 16890下可能仅达到ePM1 50%左右，相当于F7水平。因此，在跨国项目或高端洁净工程中推荐优先参考ISO标准进行选型。
七、产品选型与设计要点
（一）风量匹配原则
过滤器额定风量应略小于系统最大运行风量（建议90%~95%），避免超负荷运行导致滤袋破裂或压损剧增。
计算公式：
$$
A = frac{Q}{v}
$$
其中：
- $ A $：所需过滤面积（m²）
- $ Q $：系统风量（m³/s）
- $ v $：面风速（初效取1.5–2.0 m/s，中效取1.2–1.8 m/s）
例：某办公楼空调机组风量为3600 m³/h（即1 m³/s），选用中效袋式过滤器，设定面风速为1.5 m/s，则所需过滤面积为：
$$
A = frac{1}{1.5} ≈ 0.67,m^2
$$
可选择单台6袋式F7过滤器（有效过滤面积约0.72 m²）满足需求。
（二）压降控制策略
系统总阻力中，过滤器占比可达30%以上。应通过以下措施优化：
- 选用低阻高容尘滤材；
- 增加过滤面积（如改用更多滤袋）；
- 设置压差报警装置，及时更换滤芯；
- 定期清洗预过滤网（针对初效板式部分）。
据上海同济大学绿色建筑研究所实测数据，某商场HVAC系统在更换老旧初效过滤器后，风机能耗下降17.3%，年节电达4.8万kWh。
八、典型应用场景分析
（一）商业综合体
大型购物中心人流量大，室外尘负荷高。常采用双级袋式过滤：
- 初效G4袋式（4–6袋）置于新风段；
- 中效F7袋式（6–8袋）置于混合段之后。
此配置可有效控制PM10浓度在75μg/m³以下（GB 3095-2012二级标准），同时维持系统长期稳定运行。
（二）医院洁净区域
依据《医院洁净手术部建筑技术规范》（GB 50333-2013），Ⅲ级以上手术室必须设置三级过滤。中效袋式过滤器作为中间屏障，承担“去菌减负”任务。
北京协和医院新建外科楼项目中，采用Camfil牌F8袋式过滤器，经第三方检测显示，其对0.5μm颗粒的过滤效率达85%以上，显著降低了末端HEPA负担。
（三）数据中心
服务器对空气中的腐蚀性颗粒极为敏感。ASHRAE TC 9.9建议IT设备进风空气质量应符合ISA G1级别（即颗粒浓度极低）。为此，许多数据中心在AHU中配置：
- 初效G4袋式 + 中效F9袋式 + 活性炭模块
该组合不仅去除颗粒物，还可吸附SO₂、NOₓ等气态污染物，延长精密空调与服务器寿命。
九、运行维护与智能化管理
（一）更换周期判断
不应仅凭时间决定更换，而应综合以下因素：
- 压差表读数接近终阻力（如初效>120Pa，中效>250Pa）；
- 目视检查发现严重积尘或破损；
- 室内空气质量持续恶化；
- 季节性高峰过后（如春季杨絮季、冬季雾霾期）。
建议建立过滤器生命周期档案，记录每次更换日期、阻力变化曲线及环境参数。
（二）智能监控系统集成
现代楼宇管理系统（BMS）可通过以下方式提升管理效率：
- 安装数字式压差传感器，实时上传数据；
- 设置自动报警阈值，推送维护提醒；
- 结合AI算法预测更换时间；
- 联动变频风机调节风量补偿阻力增长。
深圳平安金融中心采用施耐德Electric EcoStruxure平台，实现了全楼287台袋式过滤器的状态可视化管理，运维响应速度提升60%。
十、环保与可持续发展视角
传统一次性过滤器每年产生大量废弃滤材，造成资源浪费。近年来，行业开始探索绿色解决方案：
- 可清洗初效过滤器：采用不锈钢丝网或尼龙网，重复使用数十次；
- 生物降解滤料：如PLA（聚乳酸）基无纺布，减少塑料污染；
- 再生处理技术：对废弃滤芯进行高温灭菌与纤维回收。
欧盟《循环经济行动计划》明确提出，到2030年所有通风设备过滤组件应具备可回收标识。我国住建部也在《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2019）中鼓励使用节能环保型过滤产品。
此外，优化过滤策略本身即是节能手段。美国能源部（DOE）研究表明，每降低100Pa系统阻力，风机能耗可减少约8%。通过合理配置初效与中效袋式过滤器，既保障了空气质量，又践行了低碳运营理念。
十一、未来发展趋势展望
随着物联网、新材料与智能制造技术的发展，袋式过滤器正朝着以下几个方向演进：
- 智能化感知化：嵌入RFID标签或NFC芯片，实现身份识别与状态追踪；
- 纳米纤维复合滤材：提升对0.1μm以下颗粒的捕集效率，逼近ULPA水平；
- 模块化快装设计：简化安装流程，降低人工成本；
- 定制化气流模拟：借助CFD软件优化滤袋布局，减少涡流与死区；
- 碳足迹核算体系建立：推动全生命周期环境影响评估。
可以预见，在“健康建筑”与“双碳目标”的双重驱动下，初效与中效袋式过滤器将在未来HVAC系统中扮演更加重要且精细化的角色。
