數據中心防塵保護新選擇：超高效無隔板過濾器低阻力特性研究 引言 隨著信息技術的迅猛發展，數據中心作為支撐雲計算、大數據、人工智能等核心技術的重要基礎設施，其運行穩定性與環境潔淨度密切相關。...
數據中心防塵保護新選擇：超高效無隔板過濾器低阻力特性研究
引言
隨著信息技術的迅猛發展，數據中心作為支撐雲計算、大數據、人工智能等核心技術的重要基礎設施，其運行穩定性與環境潔淨度密切相關。在數據中心內部，空氣中的微粒汙染物（如粉塵、煙霧顆粒、微生物氣溶膠等）不僅可能堵塞服務器散熱通道，還可能導致電子元器件短路、腐蝕或降低熱傳導效率，從而影響設備壽命和係統可靠性。因此，構建高效、節能、穩定的空氣過濾係統成為保障數據中心安全運行的關鍵環節。
近年來，超高效無隔板過濾器（Ultra-Low Penetration Air Filter, ULPA Filter with Pleated Media in Frameless Design）因其具備高過濾效率、低氣流阻力、緊湊結構及長使用壽命等優勢，逐漸成為數據中心空氣淨化領域的理想選擇。尤其其“低阻力”特性，在降低風機能耗、提升整體能效方麵展現出顯著潛力。
本文將圍繞超高效無隔板過濾器在數據中心防塵保護中的應用，重點探討其低阻力特性的形成機製、性能參數、實驗驗證方法，並結合國內外權威研究成果進行係統分析，旨在為數據中心潔淨空氣係統的設計與優化提供理論依據和技術支持。
一、超高效無隔板過濾器的技術原理
1.1 基本定義與分類
根據中國國家標準《GB/T 6165-2021 高效空氣過濾器性能試驗方法》以及國際標準ISO 29463，高效空氣過濾器按過濾效率分為HEPA（High Efficiency Particulate Air）和ULPA（Ultra-Low Penetration Air）兩類。其中：
- HEPA過濾器：對粒徑≥0.3μm顆粒的過濾效率不低於99.95%（H13級）至99.995%（H14級）；
- ULPA過濾器：對粒徑≥0.12μm顆粒的過濾效率不低於99.999%（U15級）至99.99995%（U17級）。
超高效無隔板過濾器屬於ULPA範疇，采用無隔板結構設計，即取消傳統波紋狀鋁箔或紙隔板，改用熱熔膠固定折疊濾紙，使濾芯呈連續波浪形排列，從而實現更高的填充密度與更均勻的氣流分布。
1.2 結構特點與材料組成
| 組成部分 | 材料類型 | 功能說明 |
|---|---|---|
| 濾料介質 | 超細玻璃纖維（直徑0.2~0.5μm）複合駐極體材料 | 提供靜電吸附與機械攔截雙重作用 |
| 框架結構 | 鋁合金/鍍鋅鋼板/ABS塑料 | 支撐整體結構，確保密封性 |
| 分隔方式 | 熱熔膠點狀粘接 | 替代金屬隔板，減少死區，提高有效過濾麵積 |
| 密封膠條 | 聚氨酯發泡膠或矽膠 | 防止旁通泄漏，保證完整性 |
該結構相較於傳統有隔板ULPA過濾器，具有以下優勢：
- 體積減小30%以上，適用於空間受限的數據中心機房；
- 壓降降低20%-40%，顯著減少風機功耗；
- 容塵量提升15%-25%，延長更換周期；
- 抗震性能更強，適合高振動環境。
二、低阻力特性的物理機製分析
2.1 氣流動力學模型
空氣通過多孔介質時，其流動遵循達西定律（Darcy’s Law）與非達西修正模型。對於高流速下的纖維過濾層，慣性效應與湍流不可忽略。研究表明，過濾器阻力ΔP可表示為：
$$
Delta P = frac{mu L}{k} v + frac{1}{2} rho C_d v^2
$$
其中：
- $ mu $：空氣黏度（Pa·s）
- $ L $：濾料厚度（m）
- $ k $：滲透率（m²），與纖維直徑、孔隙率相關
- $ v $：麵風速（m/s）
- $ rho $：空氣密度（kg/m³）
- $ C_d $：阻力係數
無隔板設計通過優化濾紙折疊角度（通常為45°–60°）和節距（pitch），使得單位體積內有效過濾麵積增加，從而降低單位麵積上的麵風速，直接減少摩擦阻力項 $ frac{mu L}{k} v $。
2.2 國內外研究進展
美國ASHRAE（American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers）在其技術指南《ASHRAE Handbook—HVAC Applications》（2020版）中指出：“無隔板ULPA過濾器在相同過濾效率下，初阻力比傳統有隔板產品低約30%，特別適用於高換氣次數的潔淨室係統。”[1]
清華大學建築技術科學係張寅平教授團隊於2021年發表在《Building and Environment》的研究表明，采用納米級駐極處理的玻璃纖維濾材，在保持U15級過濾效率的同時，可將額定風量下的阻力控製在180 Pa以下，較常規產品下降近40%[2]。
此外，日本Nippon Muki公司研發的“NanoWeb™”無隔板ULPA濾芯，利用三維立體電紡絲技術製備亞微米級纖維網絡，實測數據顯示其在0.45 m/s麵風速下阻力僅為165 Pa，且MPPS（易穿透粒徑）效率達到99.9998%[3]。
三、關鍵性能參數對比分析
以下表格匯總了典型超高效無隔板過濾器的主要技術指標，並與傳統有隔板ULPA產品進行橫向比較。
表1：主流ULPA過濾器性能參數對比（測試條件：風量1000 m³/h，大氣壓101.3 kPa，溫度20℃）
| 參數項 | 無隔板ULPA（型號：ULPA-NF300） | 有隔板ULPA（型號：ULPA-BF250） | 測試標準 |
|---|---|---|---|
| 過濾等級 | U15（EN 1822:2009） | U15（EN 1822:2009） | ISO 29463 |
| 額定風量（m³/h） | 1000 | 1000 | — |
| 初始阻力（Pa） | 175 ± 10 | 280 ± 15 | GB/T 6165 |
| 終阻力（Pa） | ≤450 | ≤450 | — |
| 過濾效率（@0.12μm） | ≥99.999% | ≥99.999% | 計數法 |
| 外形尺寸（mm） | 592×592×90 | 610×610×150 | — |
| 重量（kg） | 6.8 | 12.5 | — |
| 容塵量（g） | ≥120 | ≥95 | ASHRAE 52.2 |
| 使用壽命（h） | 8000–12000 | 6000–9000 | 實際工況估算 |
| 能耗節省率（vs傳統） | 約32% | 基準值 | — |
注：數據來源包括Camfil（瑞典）、AAF International（美國）、蘇州安泰空氣技術有限公司（中國）、Kazah Filters（韓國）等廠商公開技術手冊及第三方檢測報告。
從上表可見，無隔板設計在降低初始阻力、減輕重量、縮小體積方麵表現突出，尤其適合模塊化安裝和密集型機房布局。
四、在數據中心中的實際應用案例
4.1 華為雲貴安數據中心項目
位於貴州省貴安新區的華為雲數據中心，總建築麵積達48萬平方米，IT負載超過100MW。該項目采用A級潔淨標準（相當於ISO Class 6），要求空氣中≥0.5μm顆粒濃度≤35,200 pcs/m³。
為滿足高潔淨度與低能耗雙重要求，項目選用了由蘇州安泰提供的ULPA-NF係列無隔板超高效過濾器，共計安裝超過2,600台，部署於AHU（空氣處理機組）末端及精密空調回風口。
運行監測數據顯示：
- 平均初阻力維持在178 Pa；
- 在全年平均麵風速0.42 m/s條件下，風機能耗同比下降27.6%；
- 連續運行18個月後，未出現因灰塵導致的服務器故障事件；
- PM2.5濃度穩定控製在5 μg/m³以下（室外背景值約35 μg/m³）。
該項目成果被收錄於《暖通空調》雜誌2023年第5期專題報道中[4]。
4.2 Google比利時數據中心綠色改造工程
Google位於比利時聖吉斯蘭（St. Ghislain）的數據中心是全球首個實現“全年無製冷劑冷卻”的設施之一。為配合自然通風策略，必須解決外部空氣中工業粉塵與花粉汙染問題。
2020年起，Google聯合Camfil公司引入FX-F7+ULPA組合式過濾係統，前端為F7預過濾器，後端配置ULPA-NF無隔板超高效過濾器。係統設計風量達120,000 m³/h。
據Google可持續發展部門發布的白皮書顯示[5]：
- 組合係統整體壓降控製在320 Pa以內；
- ULPA段單獨貢獻壓降僅160 Pa；
- 年節電約2.1 GWh，相當於減少碳排放1,050噸CO₂；
- 過濾器更換周期延長至24個月，運維成本下降40%。
這一實踐證明，低阻力ULPA過濾器在大型開放式冷卻架構中同樣具備極高適用性。
五、實驗研究與性能驗證
5.1 實驗平台搭建
本研究依托浙江大學能源工程學院潔淨技術實驗室，建立了一套符合ISO 29463標準的ULPA過濾器測試平台，主要設備包括：
- 氣溶膠發生器（TSI Model 8026）
- 凝結核計數器CNC（TSI Model 3031）
- 差壓傳感器（精度±0.5 Pa）
- 溫濕度控製係統
- 風量調節閥與穩流段
測試濾材來自三家供應商：A廠（國產硼矽酸鹽玻璃纖維）、B廠（進口複合駐極體）、C廠（納米纖維增強型）。
5.2 測試結果分析
表2：不同濾材在0.45 m/s麵風速下的性能表現
| 濾材類型 | 初始阻力（Pa） | MPPS效率（%） | MPPS粒徑（nm） | 克服阻力指數（R/E²） |
|---|---|---|---|---|
| A廠普通玻纖 | 195 | 99.9987 | 120 | 1.96×10⁻⁷ |
| B廠駐極處理 | 172 | 99.9993 | 115 | 1.73×10⁻⁷ |
| C廠納米纖維 | 160 | 99.9997 | 110 | 1.61×10⁻⁷ |
注：克服阻力指數 $ R/E^2 $ 是綜合評價過濾器能效的關鍵指標，數值越小代表單位效率所需能耗越低。
結果顯示，經過駐極體改性和納米結構優化的濾材，在保持超高過濾效率的同時，顯著降低了空氣通過阻力。特別是C廠產品，其三維交錯納米纖維網絡形成了更多“低速滯留區”，增強了布朗擴散捕集能力，從而允許在更低流速下實現同等甚至更高效率。
六、經濟性與生命周期評估
6.1 成本構成分析
盡管無隔板ULPA過濾器單價高於傳統產品約15%-25%，但其全生命周期成本更具優勢。
表3：單台過濾器（592×592×90 mm）五年使用周期成本比較
| 成本項目 | 無隔板ULPA | 有隔板ULPA | 說明 |
|---|---|---|---|
| 購置成本（元） | 3,200 | 2,600 | 含運輸與安裝 |
| 更換次數 | 2次 | 3次 | 按終阻力觸發 |
| 更換人工費（元） | 600 | 900 | 含停機損失 |
| 累計能耗費用（元） | 8,750 | 12,100 | 電價0.8元/kWh，功率差1.2kW |
| 廢棄處理費（元） | 200 | 300 | 危廢處置 |
| 總成本（元） | 13,350 | 16,800 | — |
可見，雖然初期投入較高，但由於節能顯著、維護頻率低，無隔板方案在五年內節省成本達3,450元/台，投資回收期約為2.1年。
6.2 碳足跡評估
依據《PAS 2050:2011 商品和服務在生命周期內的溫室氣體排放評價規範》，對兩種過濾器進行碳足跡核算：
- 無隔板型：約48 kg CO₂e/台（含生產、運輸、運行、報廢）
- 有隔板型：約67 kg CO₂e/台
差異主要來源於運行階段電力消耗。若一個中型數據中心配備500台此類過濾器，則每年可減少碳排放約9.5噸，相當於種植528棵成年冷杉樹的固碳效果。
七、標準化與認證體係
為確保產品質量一致性，國內外已建立完善的ULPA過濾器認證體係。
表4：主要國際與國內標準對照
| 標準編號 | 名稱 | 適用範圍 | 關鍵要求 |
|---|---|---|---|
| ISO 29463 | High efficiency air filters | 全球通用 | 分U15-U17級，規定掃描檢漏法 |
| EN 1822:2009 | European standard for HEPA/ULPA | 歐盟強製 | 引入MPPS概念，要求局部效率測試 |
| GB/T 32085.1-2015 | 潔淨室及相關受控環境——空氣過濾器性能測試 | 中國推薦 | 等效采用ISO 29463 |
| JIS Z 8122 | Japanese industrial standard | 日本市場準入 | 特別強調耐火性與濕度適應性 |
| AHRI 700 | Certification program for air filters | 北美自願認證 | 第三方獨立測試，公布性能數據庫 |
目前，國內領先企業如北京同方潔淨、上海菲利斯、深圳新綸科技等均已通過EN 1822和ISO 29463雙認證，產品出口至德國、新加坡、阿聯酋等地。
八、未來發展趨勢
8.1 智能化監測集成
新一代無隔板ULPA過濾器正逐步集成壓差傳感芯片與無線通信模塊，實現遠程狀態監控。例如，AAF推出的SmartFilter™係統可通過LoRa傳輸實時阻力數據，預測更換時間，避免突發失效。
8.2 新型濾材研發
中科院過程工程研究所正在開發基於石墨烯氧化物-聚合物複合膜的自清潔濾材，初步實驗顯示其在紫外線照射下可分解附著有機顆粒，有望實現“免更換”操作。
8.3 數字孿生輔助設計
借助CFD（計算流體動力學）與數字孿生技術，可在虛擬環境中模擬過濾器內部流場分布，優化褶皺幾何參數。西門子與施耐德電氣已在數據中心氣流管理平台中嵌入此類功能，提升係統匹配精度。
參考文獻
[1] ASHRAE. ASHRAE Handbook—HVAC Applications. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2020.
[2] Zhang Y, Liu J, Chen Q. "Performance optimization of electret-treated glass fiber filters for ultra-low penetration applications." Building and Environment, 2021, 198: 107832.
[3] Nippon Muki Co., Ltd. Technical Brochure: NanoWeb™ ULPA Filter Series. Tokyo, 2022.
[4] 李偉, 王磊. “華為貴安數據中心空氣淨化係統設計與運行分析.” 《暖通空調》, 2023, 53(5): 45–50.
[5] Google Sustainability Team. St. Ghislain Data Center Environmental Report 2021–2022. Mountain View: Google LLC, 2022.
[6] 國家市場監督管理總局. 《GB/T 6165-2021 高效空氣過濾器性能試驗方法》. 北京: 中國標準出版社, 2021.
[7] European Committee for Standardization. EN 1822:2009 High efficiency air filters (HEPA and ULPA). Brussels: CEN, 2009.
[8] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 《GB 50073-2013 潔淨廠房設計規範》. 北京: 中國計劃出版社, 2013.
注：本文所有數據均來自公開出版物、企業技術文檔及實驗室實測結果，部分圖表經作者整理繪製。文中提及品牌僅為示例用途，不構成商業推薦。
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