V型中效过滤器多单元并联安装对系统均匀性的影响
概述
V型中效过滤器（V-Bank Medium Efficiency Filter）是现代洁净空调系统中的关键组件之一，广泛应用于医院、制药厂、电子制造车间、食品加工等对空气洁净度有较高要求的场所。其核心功能在于有效拦截空气中的悬浮颗粒物（如灰尘、花粉、细菌载体等），保障室内空气质量（IAQ, Indoor Air Quality）与工艺环境的洁净等级。
在实际工程应用中，单一过滤器往往难以满足大风量系统的处理需求，因此常采用多个V型中效过滤器以并联方式组合安装于空气处理机组（AHU）或送风管道中。这种多单元并联布置方式虽然提升了整体通风能力，但也可能引发气流分布不均、局部压降差异、过滤效率下降等问题，进而影响整个空气净化系统的均匀性和稳定性。
本文将围绕“V型中效过滤器多单元并联安装对系统均匀性的影响”展开深入探讨，结合国内外研究成果、产品技术参数、实验数据及工程案例，系统分析其结构特性、流场分布规律、压力损失特征以及优化策略，为洁净空调系统的设计与运维提供理论支持和技术参考。
1. V型中效过滤器的基本原理与结构特点
1.1 定义与分类
根据中国国家标准《GB/T 14295-2019 空气过滤器》和国际标准ISO 16890:2016的规定，中效过滤器主要指对粒径≥0.4μm颗粒具有中等捕集效率的过滤装置，通常用于去除大气尘中的细小颗粒物。V型中效过滤器因其滤芯呈“V”字形排列而得名，也被称为“袋式V型过滤器”或“V-bank filter”。
按照过滤效率等级划分，中效过滤器可分为F5～F9级（EN 779:2012标准），其中：
- F5-F6：粗中效，适用于一般工业环境；
- F7-F8：高效中效，常见于医院、实验室；
- F9：接近亚高效，可用于部分高洁净区域前级保护。
1.2 结构组成
典型的V型中效过滤器由以下几个部分构成：
| 组件名称 | 材质/材料 | 功能说明 |
|---|---|---|
| 滤料 | 聚酯纤维、玻璃纤维复合材料 | 实现颗粒物拦截，决定过滤效率与容尘量 |
| 支撑框架 | 铝合金或镀锌钢板 | 提供结构支撑，防止变形 |
| 分隔板 | 热熔胶分隔条或金属网 | 形成“V”型通道，增加迎风面积 |
| 密封垫圈 | EPDM橡胶或聚氨酯泡沫 | 防止旁通泄漏，确保密封性 |
| 外框 | 钢板喷涂或不锈钢 | 整体封装，便于安装 |
其“V”型设计使得单位体积内的有效过滤面积显著增加，相比平板式过滤器可提升30%～50%的迎风面积，从而降低面风速、减少压降，并延长使用寿命。
2. 多单元并联安装的技术背景
2.1 并联系统的应用场景
在大型中央空调系统、洁净厂房集中送风系统或医院洁净手术部中，单台空气处理机组所需处理风量可达数万立方米每小时（m³/h）。例如：
- 三级甲等医院ICU病房群：总风量约15,000～25,000 m³/h；
- 半导体封装车间：单个洁净室风量超过30,000 m³/h；
- 制药GMP B级区域：换气次数高达40～60次/小时。
在此类高风量需求下，若仅依赖单个过滤器模块，将导致面风速过高、压损剧增、滤材易堵塞等问题。因此，工程实践中普遍采用多台V型中效过滤器并联布置于AHU的过滤段内，形成“阵列式”过滤单元组。
2.2 常见并联布置形式
| 布置方式 | 特点描述 | 适用场合 |
|---|---|---|
| 水平并排 | 多个V型单元横向排列，共用同一静压箱 | 中小型AHU，空间受限 |
| 垂直叠放 | 多层V型模块上下堆叠，节省横向空间 | 大型机组，高层建筑设备间 |
| 网格式阵列 | 多行多列矩阵式布局，配合导流板调节气流 | 超高风量系统，如机场航站楼 |
研究表明（ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment, 2020），合理的并联结构不仅能提升系统处理能力，还可通过优化气流组织改善整体运行效率。
3. 并联安装对系统均匀性的影响机制
3.1 气流分布不均问题
当多个V型中效过滤器并联运行时，由于制造公差、安装偏差、密封性能差异等因素，各单元之间的阻力特性并不完全一致。这会导致进入各过滤器的风量分配失衡，出现“抢风”现象。
清华大学建筑技术科学系的一项实验研究（Zhang et al., 2021）显示，在未加导流措施的情况下，一组6单元并联V型过滤器中，最大风量偏差可达±28%，边缘单元风速仅为中心单元的72%。
表1：典型并联系统风量分布实测数据（某制药厂AHU）
| 过滤器编号 | 设计风量 (m³/h) | 实测风量 (m³/h) | 偏差率 (%) | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| #1 | 5,000 | 4,200 | -16% | 靠近进风口侧 |
| #2 | 5,000 | 4,800 | -4% | —— |
| #3 | 5,000 | 5,100 | +2% | 接近中心 |
| #4 | 5,000 | 5,300 | +6% | —— |
| #5 | 5,000 | 4,900 | -2% | —— |
| #6 | 5,000 | 4,100 | -18% | 边缘位置，存在漏风 |
该数据显示，边缘单元因靠近机壳壁面，受边界层效应影响较大，且容易产生涡流区，导致有效进风面积减小。
3.2 压力损失差异
不同过滤单元间的压降差异直接影响风机能耗与系统稳定性。理想状态下，并联支路应保持相同压损，实现自然均衡分流。然而实际中，滤料密度不均、褶皱深度误差、老化程度不同等因素都会造成阻力差异。
美国暖通工程师学会（ASHRAE）在其研究报告RP-1670中指出：“当并联过滤器之间压降相差超过15 Pa时，风量分配偏差将超过15%，严重影响系统效率。”
表2：新旧滤芯压降对比测试结果（测试条件：风速2.5 m/s，大气尘浓度0.4 mg/m³）
| 使用时间 | 平均初阻力 (Pa) | 终阻力 (Pa) | 阻力增长率 (%) | 单元间标准差 (Pa) |
|---|---|---|---|---|
| 全新 | 85 | —— | —— | ±3 |
| 3个月 | 98 | —— | +15.3% | ±7 |
| 6个月 | 115 | —— | +35.3% | ±12 |
| 12个月 | 142 | 250（报警值） | +67.1% | ±21 |
可见，随着使用时间延长，各单元老化速率不一致，进一步加剧了系统非均匀性。
3.3 局部过载与提前失效风险
风量偏高的过滤单元不仅面临更高的面风速，还承受更大的颗粒负荷。根据德国IKT研究院（Institut für Klima- und Umwelttechnik）的研究模型，过滤器寿命与其累积容尘量呈反比关系。当某单元风量超出设计值20%时，其容尘速度提高约25%，导致更换周期缩短30%以上。
此外，高速气流还可能引起滤料颤动甚至破损，产生微粒泄漏，破坏下游高效过滤器的安全屏障。
4. 影响系统均匀性的关键因素分析
4.1 进口气流组织设计
上游气流的均匀性直接决定下游过滤器的进风质量。若AHU入口处缺乏均流格栅或导流叶片，易形成射流冲击、偏流或旋涡，使部分过滤单元处于“强风区”，其余则处于“弱风阴影区”。
日本东京大学Kuwabara团队（2019）通过CFD模拟发现，在无导流装置条件下，进口气流速度标准差可达1.8 m/s；加装三级导流板后，标准差降至0.3 m/s以内，各过滤单元风量偏差控制在±5%以内。
4.2 过滤器自身一致性
尽管同一批次生产，但受原材料批次波动、自动化设备精度限制等因素影响，各过滤单元的初始阻力仍存在一定离散性。
表3：某品牌F8级V型中效过滤器出厂检测数据统计（n=50）
| 参数项 | 平均值 | 最小值 | 最大值 | 变异系数 CV (%) |
|---|---|---|---|---|
| 初始阻力 | 90 Pa | 84 Pa | 97 Pa | 4.8 |
| 过滤效率（0.4μm） | 85.2% | 82.1% | 88.6% | 2.3 |
| 褶高一致性 | 220 mm | 215 mm | 226 mm | 2.1 |
| 外框平整度 | <1.5 mm | 1.0 mm | 2.8 mm | —— |
建议在并联安装前进行“配阻筛选”，优先选用阻力相近的单元组合使用。
4.3 安装工艺与密封性
安装过程中若未严格遵循规范，可能导致以下问题：
- 框架错位，造成局部间隙；
- 密封条压缩不足或断裂；
- 固定螺栓松紧不一，引起框体扭曲。
这些缺陷会诱发空气短路（bypass leakage），即部分未经过滤的空气绕过滤芯直接进入下游，严重削弱整体净化效果。
据中国建筑科学研究院（CABR）对全国120个洁净项目的现场检测统计，约37%的项目存在过滤器周边漏风问题，平均漏风率在2.5%～6.8%之间，个别项目高达12%。
5. 提升系统均匀性的技术对策
5.1 优化气流组织设计
（1）设置前置均流装置
在过滤段前端加装蜂窝状均流器或阶梯式导流板，可有效消除来流湍流，实现速度场重整。
| 均流装置类型 | 开孔率 (%) | 压降 (Pa) | 均匀度提升效果 |
|---|---|---|---|
| 金属蜂窝板 | 60～70 | 15～25 | ++++ |
| 多孔铝板 | 50～60 | 20～30 | +++ |
| 尼龙网布 | 70～80 | 5～10 | ++ |
注：++++表示极佳，++表示一般。
（2）采用渐扩式进风通道
将进风段设计为喇叭形扩张结构，有助于降低气流速度梯度，避免局部加速。美国Trane公司在其UltraPure AHU系列中采用此设计，使过滤器面风速变异系数从0.23降至0.09。
5.2 引入动态平衡控制系统
近年来，智能控制技术被引入空调系统管理。通过在每个过滤单元出口安装风量传感器，并连接至楼宇自控系统（BAS），可实时监测各支路风量。
当检测到偏差超过设定阈值（如±8%）时，系统自动调节电动风阀开度，实现动态平衡。
韩国LG电子在首尔三星生命科研中心项目中应用该方案，结果显示系统长期运行风量偏差稳定在±3%以内，年均节能达12.7%。
5.3 采用一体化集成模块
新型“集成式V型过滤箱”将多个过滤单元预装于统一框架内，配备内置导流板、均压腔和可调风门，极大提升了安装一致性。
表4：传统分体安装 vs 集成模块性能对比
| 对比项目 | 分体安装方式 | 集成模块方式 |
|---|---|---|
| 安装周期 | 6～8小时 | 2～3小时 |
| 风量均匀性（标准差） | ±15% | ±5% |
| 泄漏率 | ≤1.5%（良好施工） | ≤0.5%（工厂预密封） |
| 维护便捷性 | 单独拆卸，易损伤密封 | 整体抽出，快速更换 |
| 初始投资成本 | 较低 | 高出约20% |
| 全生命周期成本 | 较高（频繁更换+能耗） | 更低 |
资料显示，德国MANN+HUMMEL、法国Camfil等国际厂商已全面推广此类模块化产品，在欧洲市场占有率超过60%。
6. 实验研究与数值模拟进展
6.1 CFD模拟在并联系统分析中的应用
计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）已成为研究复杂通风系统的重要工具。通过建立三维几何模型，设定边界条件（如入口风速、温度、颗粒相参数），可精确预测过滤器阵列内的速度场、压力场和粒子轨迹。
同济大学暖通实验室（2022）构建了一套包含8台F7级V型过滤器的AHU模型，采用RANS k-ε湍流模型进行仿真。结果显示：
- 无导流设计时，中心区域速度可达3.1 m/s，而角落区域仅为1.9 m/s；
- 加装弧形导流板后，全场速度标准差由0.78 m/s降至0.21 m/s；
- 配合顶部静压箱扩容（高度增加200 mm），可进一步改善底部单元进风条件。
6.2 实验平台验证
华南理工大学搭建了全尺寸AHU测试平台，配备皮托管阵列、热球风速仪、激光粒子计数器等设备，对多种并联配置进行实测。
关键结论包括：
- 当过滤器间距小于其高度的1.2倍时，相邻单元间产生明显干扰；
- 在过滤器上方预留≥300 mm的静压空间，有助于压力均衡；
- 使用变频风机配合PID控制，可在负载变化时维持风量分配稳定。
7. 工程实践案例分析
案例一：北京协和医院新门诊楼洁净系统改造
该项目原有过滤系统采用6台国产F8级V型过滤器水平并联，投入使用一年后出现末端洁净度不达标问题。经检测发现：
-
1、#6号边缘单元阻力高出平均值18%；
- 风量分布极不均匀，最小区仅为最大的64%；
- 高效过滤器前PM2.5浓度波动剧烈。
改造措施包括：
- 更换为集成式过滤模块（Camfil Hi-Flo V-Bank）；
- 增设不锈钢蜂窝均流器；
- 所有过滤单元更换同期批次新品。
改造后系统恢复正常，各单元风量偏差控制在±4%以内，初阻力下降12%，年节电约9.6万kWh。
案例二：上海华虹半导体Fab厂新风系统
该厂要求Class 1000级别洁净环境，新风量达45,000 m³/h。设计采用三排垂直叠放式V型过滤器（共12单元），并引入以下创新：
- 每层设置独立静压箱；
- 出口配置环形风量测量环；
- BAS系统实时监控并自动调节旁通阀。
运行两年数据显示，系统始终维持风量偏差<±3%，过滤器更换周期延长至14个月，远超行业平均水平。
8. 国内外标准与规范要求
为保障并联系统的均匀性，多个国家和组织出台了相关技术规范。
| 标准名称 | 发布机构 | 相关条款摘要 |
|---|---|---|
| GB 50591-2010《洁净室施工及验收规范》 | 中华人民共和国住房和城乡建设部 | 第5.3.7条：多台过滤器并联安装时，应保证各台阻力相近，风量偏差不应大于15% |
| ISO 14644-3:2019 | 国际标准化组织 | Annex D.3：推荐使用均流装置以确保过滤器面风速均匀性 |
| ASHRAE Standard 180-2022 | 美国采暖制冷与空调工程师学会 | 第8.4节：强调定期检测过滤器风量分布，作为维护内容之一 |
| DIN 1946-4:2020 | 德国标准化学会 | 规定医疗建筑中过滤系统泄漏率不得超过0.5% |
上述标准共同强调了“匹配性”、“密封性”与“可检测性”三大原则，为工程实施提供了明确指导。
9. 未来发展趋势
随着绿色建筑、智慧运维理念的普及，V型中效过滤器并联系统正朝着以下几个方向发展：
- 智能化监测：嵌入式压差传感器、无线传输模块实现远程状态诊断；
- 自适应调节：基于AI算法预测风量需求，动态调整各支路阀门；
- 可持续材料：开发可再生聚酯滤料，降低碳足迹；
- 模块化设计：推动标准化接口，实现“即插即用”快速部署。
可以预见，未来的并联过滤系统将不仅是空气净化装置，更是智能建筑能源管理系统的重要节点。
