折疊式初效過濾器壓降特性與風量匹配關係探討 一、引言 在現代空氣處理係統中，初效過濾器作為空氣淨化的第一道屏障，廣泛應用於中央空調係統、潔淨廠房、醫院通風係統以及工業生產環境。其中，折疊式...
折疊式初效過濾器壓降特性與風量匹配關係探討
一、引言
在現代空氣處理係統中，初效過濾器作為空氣淨化的第一道屏障，廣泛應用於中央空調係統、潔淨廠房、醫院通風係統以及工業生產環境。其中，折疊式初效過濾器因其結構緊湊、容塵量高、過濾效率穩定等特點，成為目前應用為廣泛的初級過濾設備之一。其核心功能在於攔截空氣中粒徑較大的懸浮顆粒物（如灰塵、花粉、纖維等），以保護後續的中高效過濾器及空調機組內部元件。
然而，在實際運行過程中，過濾器的性能不僅取決於其過濾效率，更與其壓降特性和風量匹配關係密切相關。壓降（Pressure Drop）是指氣流通過過濾器時所產生的壓力損失，直接影響係統的能耗和風機選型；而風量（Airflow Volume）則決定了過濾器的適用範圍和使用壽命。因此，深入研究折疊式初效過濾器的壓降特性與風量之間的匹配規律，對於優化通風係統設計、提升能效水平具有重要意義。
本文將從產品結構、關鍵參數、實驗數據、國內外研究成果等多個維度出發，係統分析折疊式初效過濾器的壓降—風量關係，並結合典型應用場景進行討論。
二、折疊式初效過濾器的基本結構與工作原理
2.1 結構組成
折疊式初效過濾器通常由以下幾個部分構成：
- 濾料層：常用材料為合成纖維、聚酯無紡布或玻璃纖維，表麵經過防靜電或防水處理；
- 支撐框架：多采用鋁合金、鍍鋅鋼板或塑料邊框，確保結構穩定性；
- 隔板/折距：用於形成波浪狀通道，增加有效過濾麵積；
- 密封條：防止漏風，提高整體密封性。
該類過濾器通過將濾料以“V”形或“W”形方式折疊排列，顯著增加了單位體積內的迎風麵積，從而在相同風量下降低麵風速，減少初始壓降。
2.2 工作原理
當含有顆粒物的空氣通過折疊式初效過濾器時，主要依靠以下幾種機製實現顆粒捕集：
- 慣性碰撞（Inertial Impaction）：較大顆粒因慣性無法隨氣流繞過纖維而撞擊並被捕獲；
- 攔截效應（Interception）：中等粒徑顆粒在靠近纖維表麵時被直接接觸而滯留；
- 擴散作用（Diffusion）：微小粒子受布朗運動影響與纖維接觸後附著。
盡管初效過濾器對PM10以上顆粒有較好去除效果（一般G3-G4等級），但其主要目標並非精細淨化，而是減輕下遊設備負荷。
三、關鍵性能參數及其定義
為科學評估折疊式初效過濾器的性能，國際標準ISO 16890與國家標準GB/T 14295均對其關鍵參數進行了規範。以下是常見技術指標：
| 參數名稱 | 定義說明 | 典型範圍 |
|---|---|---|
| 初始壓降（Initial Pressure Drop） | 新濾芯在額定風量下的壓力損失 | 25~75 Pa |
| 額定風量（Rated Airflow） | 設計允許通過的大風量 | 500~3000 m³/h |
| 過濾效率（Efficiency） | 對特定粒徑顆粒的捕集率（按EN 779或ISO 16890分級） | G3: ≥50% (≥10μm), G4: ≥80% (≥10μm) |
| 容塵量（Dust Holding Capacity） | 達到終阻力前可容納的灰塵總量 | 300~800 g/m² |
| 終阻力（Final Resistance） | 建議更換時的大壓降值 | 100~150 Pa |
| 麵風速（Face Velocity） | 迎風麵積上的平均氣流速度 | 0.25~0.8 m/s |
注：不同廠家產品參數存在差異，上述數據基於國內主流品牌（如AAF、菲利斯、蘇淨集團）及國外廠商（Camfil、Donaldson、Plymouth）公開資料綜合整理。
四、壓降特性分析
4.1 壓降的影響因素
壓降是衡量過濾器阻力特性的核心指標，其大小受多種因素共同作用：
- 風量變化：風量越大，氣流速度越高，摩擦阻力和局部阻力隨之上升，呈非線性增長趨勢；
- 濾料密度與厚度：高密度濾材雖提升效率，但也增加氣阻；
- 折疊密度（褶數/cm）：褶數越多，有效麵積越大，單位麵積風速降低，有助於減小壓降；
- 積塵程度：隨著使用時間延長，顆粒物堵塞孔隙，導致壓降持續升高。
根據達西方程（Darcy’s Law）擴展模型，過濾器壓降可近似表示為：
$$
Delta P = A cdot V^n + B cdot D
$$
其中：
- $Delta P$：總壓降（Pa）
- $V$：麵風速（m/s）
- $n$：指數係數（通常1.5~2.0）
- $A, B$：與濾材和結構相關的常數
- $D$：積塵量（g/m²）
該公式表明，壓降與風速呈冪函數關係，且隨粉塵積累線性上升。
4.2 實驗數據對比分析
以下為某實驗室對三種典型折疊式初效過濾器（G3、G4、F5）在不同風量下的壓降測試結果：
| 風量 (m³/h) | G3濾器壓降 (Pa) | G4濾器壓降 (Pa) | F5濾器壓降 (Pa) |
|---|---|---|---|
| 800 | 28 | 35 | 42 |
| 1200 | 45 | 58 | 70 |
| 1600 | 68 | 85 | 105 |
| 2000 | 95 | 120 | 150 |
| 2400 | 130 | 165 | 205 |
數據來源：清華大學建築節能研究中心2021年《通風係統過濾器性能實測報告》
從表中可見：
- 在相同風量下，過濾等級越高（G3→F5），初始壓降越大；
- 當風量從800增至2400 m³/h，G3濾器壓降增長約3.6倍，顯示出明顯的非線性特征；
- F5級別已接近中效過濾範疇，其高阻力特性限製了其在大風量係統中的單獨使用。
五、風量匹配原則與選型策略
5.1 匹配基本原則
合理匹配風量與過濾器規格，是保障係統高效運行的前提。主要遵循以下原則：
- 麵風速控製在推薦區間內（0.3~0.6 m/s），避免過高引起湍流和過早堵塞；
- 終阻力不超過風機大克服能力，一般建議係統設計壓降餘量≥20%；
- 考慮冗餘設計，尤其在高汙染環境中應預留更高容塵空間；
- 結合ASHRAE Standard 55與GB 50736要求，確保換氣次數與空氣質量達標。
5.2 不同應用場景下的風量配置建議
| 應用場所 | 推薦風量範圍 (m³/h) | 推薦過濾等級 | 典型壓降 (運行初期) | 更換周期 |
|---|---|---|---|---|
| 普通辦公樓 | 1000~1800 | G3 | 30~50 Pa | 3~6個月 |
| 商場/超市 | 1500~2500 | G4 | 40~65 Pa | 2~4個月 |
| 醫院門診部 | 1200~2000 | G4~F5 | 50~80 Pa | 2~3個月 |
| 工業車間（機械加工） | 2000~3000 | G4 | 60~90 Pa | 1~2個月 |
| 潔淨室預過濾段 | 800~1500 | F5 | 70~100 Pa | 3~5個月 |
數據參考自《暖通空調》期刊2022年第6期“初效過濾器在不同環境下的適應性研究”及美國ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment (2020)
值得注意的是，在高濕度或油霧環境中（如廚房排風、噴漆房），需選用帶防水塗層或金屬網增強型折疊濾芯，以防濾料塌陷造成壓降驟增。
六、國內外研究進展綜述
6.1 國內研究動態
近年來，中國學者在過濾器壓降建模與優化方麵取得顯著成果。例如：
- 浙江大學王智偉團隊（2020）提出基於CFD模擬的多尺度壓降預測模型，能夠準確反映褶間氣流分布不均問題，誤差小於8%；
- 同濟大學李崢嶸教授課題組通過對上海地鐵站通風係統的長期監測發現，未及時更換初效濾網可使風機能耗上升23%以上；
- 華南理工大學劉金平團隊開發了一種智能預警係統，利用壓差傳感器實時監控濾網狀態，實現按需維護。
此外，《製冷與空調》雜誌2023年刊文指出，國產折疊濾材在抗濕性和抗撕裂強度方麵已接近歐美先進水平，但在長期穩定性方麵仍有提升空間。
6.2 國際前沿研究
國際上，歐美國家更注重全生命周期能效管理。代表性研究包括：
- 瑞典Camfil公司發布的“Energy Saving Filter Program”顯示，采用低阻高容塵折疊濾芯可在五年內節省電費達1.2萬元/台（以AHU機組計）；
- 美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）研究表明，優化初效過濾器選型可使整個HVAC係統能耗降低10%~15%，相當於每年減少CO₂排放數百公斤；
- 德國弗勞恩霍夫研究所開發出納米纖維複合濾材，可在保持低壓降的同時將G4級效率提升至90%以上。
根據ISO 16890標準更新內容（2016年起實施），全球正逐步淘汰以“人工塵計重效率”為主的舊評價體係，轉向基於大氣顆粒物分檔（PM10、PM2.5）的真實效率評估方法，這對初效過濾器的設計提出了更高要求。
七、實際工程案例分析
案例一：北京某大型數據中心空調係統改造
原係統采用平板式G3初效過濾器，單台處理風量2200 m³/h，運行半年後壓降升至140 Pa，超出風機額定揚程，導致送風不足。經診斷後更換為高褶數折疊式G4濾器（褶數18/cm，濾料克重60g/m²），改造後：
- 初始壓降降至52 Pa；
- 同等風量下電機電流下降17%；
- 平均更換周期延長至4個月；
- 年節電約9,600 kWh。
案例二：廣州某汽車製造廠塗裝車間
車間原有F5袋式過濾器作為初級過濾，因漆霧粘附嚴重，每月需更換兩次，運維成本高昂。後改用帶金屬骨架的疏水型折疊濾芯，配合前置旋風分離器，實現：
- 初始壓降由95 Pa降至68 Pa；
- 使用壽命提升至70天；
- 年節省耗材費用超18萬元。
八、影響壓降—風量關係的外部因素
8.1 溫濕度影響
高溫高濕環境會改變濾料孔隙結構，尤其對普通聚酯材料易引發吸濕膨脹，導致有效通孔減少。實驗表明，在相對濕度>80%條件下，G4濾器壓降可比幹燥環境下增加15%~25%。
8.2 氣流均勻性
若安裝不當或前後直管段不足，易產生偏流現象，局部區域麵風速超標，加速濾材堵塞。建議進風口前留有≥2倍風管直徑的直管段，並加裝導流板。
8.3 前置預處理裝置
在極端汙染環境中（如沙塵暴頻發地區），增設旋風除塵器或百葉式擋水板作為前置處理，可有效削減大顆粒負荷，延緩初效濾網壓降上升速度。
九、未來發展趨勢展望
隨著“雙碳”戰略推進和智能建築發展，折疊式初效過濾器正朝著以下幾個方向演進：
- 低阻高效化：研發新型複合濾材（如駐極體熔噴布+無紡布複合層），在不增加壓降前提下提升截留能力；
- 智能化監測：集成無線壓差傳感模塊，實現遠程狀態診斷與自動報警；
- 綠色可再生：探索可清洗重複使用的不鏽鋼絲網折疊結構，減少一次性廢棄物；
- 定製化設計：依據具體項目風量曲線和空間限製，提供非標尺寸與異形接口解決方案。
同時，行業標準也在不斷完善。中國正在推動建立覆蓋“全生命周期能耗”的過濾器評價體係，未來或將引入類似歐洲Eurovent認證的能量標簽製度。
（全文完）
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