超低阻高中效過濾器在潔淨室通風係統中的節能應用研究 概述 隨著現代工業對生產環境潔淨度要求的不斷提高，潔淨室在電子、醫藥、生物工程、食品加工等領域的應用日益廣泛。潔淨室的核心在於空氣處理係...
超低阻高中效過濾器在潔淨室通風係統中的節能應用研究
概述
隨著現代工業對生產環境潔淨度要求的不斷提高，潔淨室在電子、醫藥、生物工程、食品加工等領域的應用日益廣泛。潔淨室的核心在於空氣處理係統（HVAC, Heating, Ventilation and Air Conditioning），其中空氣過濾器作為關鍵組件，承擔著去除空氣中微粒、微生物及有害氣體的重要任務。然而，傳統高效過濾器雖具備優異的過濾效率，但往往伴隨著較高的氣流阻力，導致風機能耗顯著上升，運行成本增加。
在此背景下，超低阻高中效過濾器（Ultra-Low Resistance Medium-Efficiency Filter）作為一種新型空氣過濾設備，因其兼具較高過濾效率與極低壓降特性，逐漸成為潔淨室通風係統節能優化的重要技術手段。本文將係統闡述超低阻高中效過濾器的技術原理、產品參數、在潔淨室中的實際應用，並結合國內外研究成果分析其節能潛力與經濟價值。
1. 超低阻高中效過濾器的定義與分類
1.1 定義
根據中華人民共和國國家標準《GB/T 14295-2019 空氣過濾器》規定，高中效過濾器是指對粒徑≥0.5μm微粒的計數效率在60%～95%之間的空氣過濾器。而“超低阻”則指在標準風速（通常為0.75 m/s）下，其初阻力低於80 Pa，遠低於傳統高中效過濾器120～180 Pa的阻力水平。
超低阻高中效過濾器通過優化濾料結構、改進褶層設計、采用新型複合材料等方式，在保證過濾性能的同時大幅降低氣流通過時的阻力，從而減少風機功耗，實現係統節能。
1.2 分類
依據濾料材質與結構形式，超低阻高中效過濾器主要可分為以下幾類：
| 類型 | 濾料材質 | 結構特點 | 初阻力（Pa） | 過濾效率（≥0.5μm） |
|---|---|---|---|---|
| 折疊式合成纖維濾芯 | 聚酯+玻璃纖維複合 | 高密度褶層，支撐網加強 | ≤60 | 70%～85% |
| 納米纖維覆膜濾材 | PTFE納米膜+PET基材 | 表麵過濾機製，低積塵增量 | ≤50 | 80%～90% |
| 靜電增強型濾材 | 帶駐極體處理的PP熔噴布 | 靜電吸附輔助機械攔截 | ≤70 | 75%～88% |
| 多層梯度過濾結構 | PET+PP多層複合 | 逐級捕集，延長壽命 | ≤65 | 70%～85% |
資料來源：中國建築科學研究院《潔淨空調係統節能技術白皮書》（2022）
2. 工作原理與技術優勢
2.1 工作原理
超低阻高中效過濾器主要依賴以下三種物理機製實現顆粒物捕集：
- 慣性碰撞：較大顆粒因氣流方向改變撞擊濾材纖維被捕獲；
- 攔截效應：中等顆粒隨氣流貼近纖維表麵被直接攔截；
- 擴散沉積：亞微米級顆粒受布朗運動影響接觸並附著於纖維。
此外，部分高端型號引入靜電駐極技術，使濾材帶有永久電荷，增強對0.1～0.3μm易穿透粒徑（MPPS）顆粒的吸附能力，提升整體效率而不顯著增加阻力。
2.2 技術優勢對比
與傳統高中效及高效過濾器相比，超低阻高中效過濾器在多個維度表現突出：
| 參數項 | 傳統高中效過濾器 | 高效過濾器（HEPA） | 超低阻高中效過濾器 |
|---|---|---|---|
| 初阻力（Pa） | 120～180 | 220～280 | 40～70 |
| 終阻力設定值（Pa） | 250 | 450 | 200 |
| 計數效率（≥0.5μm） | 60%～85% | ≥99.97% | 70%～90% |
| 使用壽命（月） | 6～12 | 12～24 | 12～18 |
| 更換頻率 | 較高 | 低 | 中等 |
| 單位風量能耗（W/1000m³/h） | 180～220 | 250～300 | 120～160 |
| 初始采購成本 | 低 | 高 | 中等偏高 |
數據來源：ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment (2020), 中國暖通空調協會《潔淨室能耗調研報告》（2021）
從表中可見，超低阻高中效過濾器在保持接近高效過濾器性能的同時，顯著降低了係統阻力，從而大幅削減風機能耗。
3. 在潔淨室通風係統中的應用模式
3.1 典型應用場景
超低阻高中效過濾器適用於多種潔淨等級的潔淨室係統，尤其適合ISO Class 7～8（原10,000～100,000級）環境，常見於：
- 醫藥製劑車間（非無菌區）
- 電子廠房的組裝與包裝區域
- 實驗動物房前處理區
- 食品加工潔淨車間
- 醫院普通手術室輔助區域
在這些場所，空氣質量要求較高但無需達到HEPA級別，使用超低阻高中效過濾器可在滿足GMP或ISO標準的前提下實現顯著節能。
3.2 係統配置方案
在典型潔淨室HVAC係統中，超低阻高中效過濾器常作為預過濾段或主過濾段使用，具體配置如下：
方案一：兩級過濾係統（推薦）
| 過濾段 | 功能 | 推薦型號 | 參數 |
|---|---|---|---|
| 初效過濾器 | 捕集大顆粒粉塵（>5μm） | G4級板式過濾器 | 效率≥90%（計重法），阻力≤50Pa |
| 超低阻高中效過濾器 | 主要過濾中細顆粒（0.5～5μm） | F8級袋式或平板式 | 效率≥80%（比色法），阻力≤70Pa |
| （可選）高效過濾器 | 末端精過濾 | H13級HEPA | 效率≥99.97%，用於關鍵區域 |
該配置可有效保護末端高效過濾器，延長其使用壽命，同時降低係統總阻力。
方案二：單級主過濾係統（適用於低負荷環境）
| 過濾段 | 功能 | 推薦型號 | 參數 |
|---|---|---|---|
| 超低阻高中效過濾器 | 承擔全部過濾任務 | F7-F9級折疊式 | 效率70%-90%，阻力≤65Pa |
此方案適用於新風處理量較小、汙染源較少的潔淨空間，初期投資低，運維簡便。
4. 節能機理與能耗模型分析
4.1 節能機理
通風係統的能耗主要由風機驅動空氣克服係統阻力做功產生，功率計算公式為：
[
P = frac{Q times Delta P}{eta}
]
其中：
- ( P )：風機軸功率（W）
- ( Q )：風量（m³/s）
- ( Delta P )：係統總阻力（Pa）
- ( eta )：風機效率（通常取0.6～0.8）
由此可見，係統阻力與能耗呈線性關係。若將傳統高中效過濾器（ΔP=150 Pa）替換為超低阻型號（ΔP=60 Pa），在相同風量下，僅過濾段即可節省約60%的壓降，進而降低風機能耗達40%以上。
4.2 實際案例能耗對比
以某電子廠房潔淨室為例，設計風量為30,000 m³/h，年運行時間8,000小時，電價為0.8元/kWh。
| 項目 | 傳統係統 | 采用超低阻過濾器係統 |
|---|---|---|
| 過濾器初阻力（Pa） | 150 | 60 |
| 係統總阻力（含風管、盤管等） | 600 | 510 |
| 風機全壓（Pa） | 800 | 700 |
| 風機功率（kW） | 12.5 | 10.9 |
| 年耗電量（kWh） | 100,000 | 87,200 |
| 年電費（萬元） | 8.0 | 6.98 |
| 年節電量（kWh） | — | 12,800 |
| 年節約電費（萬元） | — | 1.02 |
數據來源：清華大學建築節能研究中心《潔淨空調係統節能改造實測報告》（2023）
經測算，該係統每年可節約電費逾萬元，投資回收期約為1.8年（按每台過濾器增加成本2,000元計）。
5. 國內外研究進展與文獻綜述
5.1 國內研究現狀
近年來，國內多所高校與科研機構開展了關於低阻力過濾技術的研究。清華大學江億院士團隊在《暖通空調》期刊發表論文指出：“采用新型納米纖維複合濾材的高中效過濾器，在保持F8等級效率的同時，阻力可控製在55 Pa以內，較傳統產品節能35%以上。”[1]
同濟大學李崢嶸教授團隊通過對上海某生物醫藥潔淨車間的實測發現，更換為超低阻高中效過濾器後，空調係統全年電耗下降18.7%，且室內顆粒物濃度穩定達標（<352,000 particles/m³ for ≥0.5μm）。[2]
中國建築科學研究院主編的《綠色潔淨室技術導則》（JGJ/T 436-2021）明確提出：“應優先選用低阻力、長壽命空氣過濾器，鼓勵采用超低阻高中效過濾技術以提升係統能效。”
5.2 國外研究動態
國際上，美國ASHRAE Standard 52.2《Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size》是評價過濾器性能的核心標準。根據ASHRAE Research Project RP-1660（2019）的研究成果，低阻力過濾器在商業建築HVAC係統中可實現平均15%～25%的風機能耗削減。[3]
德國弗勞恩霍夫建築物理研究所（Fraunhofer IBP）在《Energy and Buildings》期刊發表研究表明，使用靜電增強型低阻力過濾器的醫院通風係統，在維持相同IAQ（室內空氣質量）條件下，年節能率達22.3%，且維護成本降低30%。[4]
日本東京大學Kuwabara教授團隊開發了一種基於仿生蜂窩結構的折疊濾芯，使過濾麵積提升40%，單位麵積阻力下降至48 Pa，相關成果已應用於鬆下電工潔淨產品線。[5]
6. 產品選型與技術參數詳解
以下是市場上主流品牌的超低阻高中效過濾器典型技術參數對比：
| 品牌 | 型號 | 結構形式 | 額定風量（m³/h） | 初阻力（Pa） | 計數效率（≥0.5μm） | 容塵量（g） | 使用壽命（h） | 適用標準 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil（瑞典） | Hi-Flo EC | 袋式 | 1,200 | 58 | 85% | 650 | 15,000 | EN 779:2012 F8 |
| Donaldson（美國） | Ultra-Web® S | 平板式 | 800 | 52 | 88% | 580 | 14,000 | ASHRAE 52.2 MERV 13 |
| 東麗（日本） | CleanTex NT | 折疊式 | 1,000 | 60 | 82% | 600 | 13,500 | JIS B 9908 |
| 鼎昊（中國） | DH-ZLD-F8 | 袋式 | 1,100 | 65 | 80% | 550 | 12,000 | GB/T 14295 F8 |
| 蘇淨集團 | SJ-CF-M | 板框式 | 900 | 70 | 78% | 500 | 11,000 | ISO 16890 ePM1 55% |
注：ePM1表示對0.3～1.0μm顆粒的質量過濾效率；MERV為Minimum Efficiency Reporting Value。
從上表可見，進口品牌在阻力控製和容塵量方麵略占優勢，但國產產品性價比更高，且逐步縮小技術差距。
7. 安裝與運維管理建議
7.1 安裝注意事項
- 確保過濾器框架密封良好，避免旁通漏風；
- 安裝方向應符合氣流標識，防止反向安裝導致效率下降；
- 建議采用壓差監測裝置實時監控阻力變化，設定報警閾值（如終阻力達180 Pa）。
7.2 運維策略
| 維護項目 | 周期 | 方法 |
|---|---|---|
| 壓差檢查 | 每周 | 讀取壓差計數值，記錄趨勢 |
| 外觀檢查 | 每月 | 查看是否有破損、積塵、變形 |
| 更換周期 | 視壓差而定 | 當阻力接近終阻力或效率下降15%時更換 |
| 清潔（僅限可清洗型） | 不推薦頻繁清洗 | 僅適用於特殊設計型號，一般不建議 |
值得注意的是，盡管部分產品宣稱“可水洗”，但清洗後濾材結構易受損，靜電效應喪失，可能導致效率驟降。因此，一次性使用仍是主流做法。
8. 經濟性與環境效益分析
8.1 成本構成比較
以一套處理風量10,000 m³/h的潔淨空調機組為例，對比三年運營成本：
| 成本項目 | 傳統高中效係統 | 超低阻高中效係統 |
|---|---|---|
| 過濾器采購成本（元） | 8,000 | 12,000 |
| 更換費用（3年×2次） | 4,000 | 3,000（壽命更長） |
| 電費（0.8元/kWh，8,000h/年） | 288,000 | 220,800 |
| 維護人工費 | 6,000 | 5,000 |
| 三年總成本 | 306,000元 | 240,800元 |
| 節約成本 | — | 65,200元 |
結果顯示，盡管初始投入高出50%，但三年內可節省超過6.5萬元，具有顯著經濟效益。
8.2 碳減排貢獻
按我國電網平均碳排放因子0.583 kg CO₂/kWh計算，上述案例三年累計減少碳排放：
[
(288,000 – 220,800) times 0.583 = 39,264 text{ kWh} times 0.583 ≈ 22,890 text{ kg CO}_2
]
相當於種植約1,270棵成年樹木的固碳效果，契合國家“雙碳”戰略目標。
參考文獻
[1] 江億, 張寅平, 趙彬. 新型低阻力空氣過濾器在潔淨空調係統中的節能潛力分析[J]. 暖通空調, 2021, 51(3): 1-7.
[2] 李崢嶸, 王芳. 超低阻高中效過濾器在生物醫藥潔淨室的應用實測[J]. 淨化技術, 2022, 40(5): 45-50.
[3] ASHRAE. Research Project RP-1660: Energy Impacts of Low-Resistance Filters in Commercial HVAC Systems [R]. Atlanta: ASHRAE, 2019.
[4] Krause D., et al. "Energy-efficient air filtration in hospital ventilation: Field measurements and modeling." Energy and Buildings, 2020, 215: 109876.
[5] Kuwabara T., et al. "Biomimetic pleated filter design for low pressure drop and high dust holding capacity." Filtration & Separation, 2021, 58(4): 32-38.
[6] GB/T 14295-2019, 空氣過濾器[S]. 北京: 中國標準出版社, 2019.
[7] ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment[M]. SI Edition. Atlanta: ASHRAE, 2020.
[8] 中國建築科學研究院. 潔淨空調係統節能技術白皮書[R]. 北京: CABR, 2022.
[9] JGJ/T 436-2021, 綠色潔淨室技術導則[S]. 北京: 中國建築工業出版社, 2021.
[10] ISO 16890:2016, Air filters for general ventilation — Classification, performance testing and marking[S]. Geneva: ISO, 2016.
相關術語解釋
- MPPS（Most Penetrating Particle Size）：易穿透粒徑，通常為0.1～0.3μm，是衡量高效過濾器性能的關鍵指標。
- MERV（Minimum Efficiency Reporting Value）：小效率報告值，ASHRAE製定的過濾器分級標準，範圍1～16。
- ePMx：ISO 16890標準中按顆粒尺寸劃分的過濾效率等級，如ePM1指對0.3～1.0μm顆粒的過濾效率。
- 容塵量（Dust Holding Capacity）：過濾器在達到終阻力前所能容納的灰塵總量，單位為克（g），反映使用壽命。
擴展閱讀
- 《高效低阻空氣過濾材料研發進展》，材料導報，2023年第2期
- 《潔淨室節能設計指南》，機械工業出版社，2020
- ASHRAE官網：http://www.ashrae.org
- 中國空氣淨化行業聯盟（CAPIA）技術資訊平台
（全文約3,680字）
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