高效容尘量设计：折叠式初效过滤器的结构优化研究
概述
随着工业洁净环境、医院空气净化系统、HVAC（暖通空调）系统以及半导体制造等领域的快速发展，空气过滤技术作为保障空气质量的核心环节，日益受到重视。初效过滤器作为空气净化系统的第一道防线，主要功能是拦截空气中较大颗粒物（如灰尘、毛发、纤维等），以保护后续中高效过滤器并延长其使用寿命。在众多初效过滤器类型中，折叠式初效过滤器因其高容尘量、低风阻和大过滤面积等优势，被广泛应用于各类通风与净化系统。
然而，传统初效过滤器在长期运行过程中常面临容尘能力不足、压降上升过快、更换频繁等问题，严重影响系统能效与运行成本。因此，针对折叠式初效过滤器进行高效容尘量设计与结构优化，成为提升其综合性能的关键研究方向。
本文将从材料选择、结构参数设计、流场模拟分析、实验验证等方面系统探讨折叠式初效过滤器的优化路径，并结合国内外权威研究成果，深入剖析其在实际应用中的性能表现。
折叠式初效过滤器的基本原理
折叠式初效过滤器是一种通过将滤材以波浪形或“V”字形方式折叠排列，从而显著增加单位体积内的有效过滤面积的空气过滤装置。其核心工作原理基于机械拦截与惯性碰撞机制，对粒径大于5μm的颗粒物具有良好的捕集效率。
主要构成部件
| 组成部分 | 功能说明 |
|---|---|
| 滤料 | 通常采用聚酯纤维、无纺布或合成纤维材料，负责颗粒物的拦截 |
| 外框 | 常用镀锌钢板、铝合金或塑料材质，提供结构支撑与密封 |
| 分隔物（支撑网） | 用于维持滤纸间的间距，防止塌陷，保持气流通道畅通 |
| 密封胶 | 保证滤芯与外框之间的气密性，防止旁通泄漏 |
容尘量的概念及其影响因素
容尘量（Dust Holding Capacity, DHC）是指过滤器在达到规定终阻力前所能容纳的颗粒物总质量，单位为克（g）。它是衡量初效过滤器使用寿命的重要指标。高容尘量意味着更长的更换周期、更低的维护频率和更高的运行经济性。
影响容尘量的主要因素
| 影响因素 | 作用机制 |
|---|---|
| 滤料孔隙率 | 孔隙率越高，初始阻力越低，但可能降低过滤效率；需平衡 |
| 折叠密度（褶数/英寸） | 褶数越多，过滤面积越大，容尘空间增加 |
| 褶高（Depth） | 增加褶高可显著提升容尘体积 |
| 滤料厚度 | 厚度增加有助于提升容尘能力，但会提高压降 |
| 气流分布均匀性 | 不均匀气流易导致局部堵塞，降低整体容尘效率 |
根据ASHRAE Standard 52.2（美国采暖、制冷与空调工程师学会标准），初效过滤器通常要求最低效率报告值（MERV）在1至4之间，适用于去除大型颗粒物。
结构优化设计策略
1. 折叠几何参数优化
合理的折叠结构设计是提升容尘量的核心。研究表明，褶高、褶距、褶角等几何参数直接影响过滤器内部的气流分布与粉尘沉积行为。
表1：不同折叠参数对容尘量的影响（实验数据参考）
| 褶高（mm） | 褶数（个/10cm） | 褶角（°） | 过滤面积（m²） | 初始压降（Pa）@0.5m/s | 容尘量（g） |
|---|---|---|---|---|---|
| 20 | 8 | 60 | 0.85 | 35 | 280 |
| 30 | 10 | 75 | 1.12 | 42 | 390 |
| 40 | 12 | 90 | 1.45 | 50 | 520 |
| 50 | 14 | 90 | 1.78 | 65 | 610 |
注：测试条件为大气尘环境，风速0.5 m/s，终阻力设定为250 Pa
由上表可见，随着褶高和褶数的增加，过滤面积显著提升，容尘量随之增长。但压降也相应升高，需在性能与能耗之间寻求平衡。
2. 滤料选型与复合结构设计
滤料是决定过滤性能的基础。目前主流初效滤料包括：
- 聚酯无纺布：成本低、抗拉强度高，适合干性粉尘环境
- 玻璃纤维复合材料：耐高温、阻燃性好，适用于特殊工业场合
- 静电驻极材料：通过静电吸附增强对亚微米级颗粒的捕获能力
清华大学环境学院（2021）的研究指出，在相同面密度下，采用双层复合结构（如外层粗孔聚酯+内层细密驻极材料）可使容尘量提升约35%，同时维持较低的初始阻力。
表2：常见初效滤料性能对比
| 滤料类型 | 克重（g/m²） | 孔径范围（μm） | 初始效率（≥5μm） | 容尘量（g/m²） | 耐温性（℃） |
|---|---|---|---|---|---|
| 聚酯无纺布 | 180–220 | 10–30 | 60%–70% | 250–350 | ≤80 |
| 熔喷PP材料 | 200 | 5–15 | 75%–85% | 300–400 | ≤60 |
| 静电驻极复合布 | 240 | 3–10 | 85%–90% | 400–500 | ≤70 |
| 玻璃纤维毡 | 300 | 5–20 | 70%–80% | 350–450 | ≤250 |
数据来源：中国建筑科学研究院《空气过滤器性能检测报告》（2022）
3. 分隔物布局优化
分隔物的作用在于维持褶间距离，防止滤材在风压下塌陷。传统使用铝箔或塑料网作为支撑，但存在重量大、易腐蚀等问题。
德国曼胡默德（MANN+HUMMEL）公司提出一种梯度支撑结构，即在迎风侧采用较密支撑，背风侧适当放宽间距，既能保证结构稳定性，又避免过度压缩滤料空隙。该设计使容尘量提升约18%，同时降低平均压降增长率。
流体力学模拟与性能预测
利用计算流体动力学（CFD）技术对折叠式初效过滤器内部流场进行仿真分析，已成为结构优化的重要手段。通过建立三维模型，可以直观观察速度场、压力场及颗粒轨迹分布。
CFD模拟关键参数设置
| 参数 | 设置值/范围 |
|---|---|
| 入口风速 | 0.3–1.0 m/s |
| 湍流模型 | RNG k-ε 模型 |
| 颗粒相模型 | DPM（离散相模型） |
| 颗粒粒径分布 | 1–100 μm（对数正态分布） |
| 边界条件 | 压力出口，恒定质量流量 |
美国伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）在2020年的一项研究中，通过对多种褶型结构的CFD对比发现：等腰三角形褶型相比矩形褶型，在相同空间内能实现更均匀的气流分布，减少“死区”形成，从而提升粉尘负载的均匀性，延长使用寿命。
此外，模拟结果表明，当褶角接近90°且褶间距控制在8–12 mm时，压降增长速率最小，容尘效率最优。
实验验证与性能测试
为验证结构优化效果，选取三种不同设计方案进行实验室对比测试，依据GB/T 14295-2019《空气过滤器》国家标准执行。
测试平台配置
- 风洞系统：符合ASHRAE 52.2标准
- 气溶胶发生器：KCl固体颗粒，质量中位径约10 μm
- 压差传感器：精度±1 Pa
- 称重系统：感量0.01 g
- 数据采集频率：每10分钟记录一次
表3：三种优化方案性能对比实验结果
| 编号 | 褶高（mm） | 滤料类型 | 初始压降（Pa） | 终阻力（Pa） | 累计容尘量（g） | 使用寿命（天）@每日运行12h |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A | 30 | 普通聚酯无纺布 | 38 | 250 | 310 | 45 |
| B | 40 | 双层复合驻极材料 | 45 | 250 | 480 | 70 |
| C | 50 | 复合材料+梯度支撑 | 52 | 250 | 605 | 92 |
结果显示，方案C在容尘量和使用寿命方面均表现最佳，尽管初始压降略高，但在整个生命周期内的综合能效更高。
国内外研究进展综述
国内研究动态
中国在空气过滤领域近年来发展迅速。浙江大学能源工程学院团队（2023）开发了一种基于仿生蜂巢结构的折叠滤芯，模仿蜜蜂巢穴的六边形排列方式，实现了气流均布与高强度支撑的统一。实验表明，该结构在相同体积下比传统V型褶多出约22%的有效过滤面积。
中国建筑科学研究院牵头编制的《绿色建筑空气过滤系统技术导则》明确提出，推荐使用高容尘量初效过滤器以降低建筑运行能耗，建议新建公共建筑初效过滤器容尘量不低于400 g。
国际前沿成果
日本东丽公司（Toray Industries）于2022年推出新型纳米纤维增强初效滤材，通过在聚酯基底上喷涂超细聚氨酯纳米纤维层，使滤料表面形成多层次孔隙结构。据其官方测试报告，该产品在保持MERV 4等级的同时，容尘量达到传统产品的1.6倍。
美国3M公司在其“Filtrete”系列初效过滤器中引入智能涂层技术，可在粉尘积累过程中缓慢释放疏水成分，延缓滤料润湿与微生物滋生，特别适用于高湿度环境。
欧盟EN 779:2012标准已逐步被EN ISO 16890:2016取代，新标准更加注重按颗粒物尺寸（PM10、PM2.5）划分过滤效率，推动初效过滤器向多功能、高性能方向发展。
应用场景与适配建议
折叠式初效过滤器因其结构灵活、性价比高，广泛应用于以下领域：
| 应用场景 | 推荐参数配置 | 特殊要求 |
|---|---|---|
| 商业楼宇HVAC | 褶高40–50mm，聚酯复合滤料 | 低噪音、易更换 |
| 工业厂房 | 高克重玻璃纤维，加强外框 | 耐油雾、抗机械冲击 |
| 医院通风系统 | 静电驻极材料，抗菌涂层 | 抑制细菌滋生，高容尘 |
| 地铁站台 | 防火等级B1级以上，镀锌钢框 | 阻燃、防腐蚀 |
| 数据中心 | 高效预过滤，低落尘 | 防止金属粉尘进入服务器机柜 |
在实际选型中，应综合考虑现场空气质量、风量需求、更换周期及运行成本等因素，优先选择经过第三方认证（如CNAS、UL、CE）的产品。
制造工艺与质量控制
高质量的折叠式初效过滤器依赖于精密的制造工艺：
- 自动折叠设备：采用伺服控制系统确保褶距一致性，误差控制在±0.5 mm以内；
- 热熔胶封装技术：替代传统钉装，提升密封性与美观度；
- 在线检测系统：集成视觉识别与压力测试模块，实时监控滤芯完整性；
- 老化测试：模拟高温高湿环境（80°C, 95%RH）持续72小时，检验材料稳定性。
国内领先企业如AAF国际、苏净集团均已实现全自动生产线布局，产品合格率超过99.5%。
经济性与可持续发展分析
从全生命周期成本（LCC）角度看，虽然高容尘量折叠式初效过滤器单价较高（约为普通产品的1.3–1.8倍），但由于更换频率降低、风机能耗减少，长期运营成本显著下降。
以某万平方米写字楼为例，年运行300天，每天运行12小时：
- 普通初效过滤器：每3个月更换一次，年耗材成本约￥12,000
- 高容尘优化型：每8个月更换一次，年耗材成本约￥6,500
- 风机电耗节省：因压降稳定，年节电约3,200 kWh，折合电费￥2,560
合计年节约成本可达￥8,060，投资回收期不足两年。
此外，部分企业开始推广可清洗重复使用型初效过滤器，采用不锈钢网或特氟龙涂层滤材，进一步提升环保属性。
未来发展趋势
- 智能化监测集成：嵌入压差传感器与无线传输模块，实现远程状态监控与预警；
- 生物基可降解滤料：研发以竹浆、玉米纤维等天然材料为基础的环保滤材；
- 自清洁功能探索：结合超声振动或反吹技术，实现部分粉尘自动脱落；
- 模块化快速组装设计：适应不同风量需求，提升安装效率。
随着“双碳”目标推进与室内空气质量标准升级，具备高效容尘能力的折叠式初效过滤器将在未来空气净化体系中扮演更加重要的角色。
