高效纸框过滤器在老旧空调系统升级改造中的应用价值 引言 随着我国城市化进程的不断推进和建筑能耗问题日益突出，中央空调系统作为大型公共建筑、商业综合体及工业厂房中不可或缺的环境调控设备，其运...
高效纸框过滤器在老旧空调系统升级改造中的应用价值
引言
随着我国城市化进程的不断推进和建筑能耗问题日益突出，中央空调系统作为大型公共建筑、商业综合体及工业厂房中不可或缺的环境调控设备，其运行效率与能源消耗备受关注。尤其是在既有建筑中广泛使用的老旧空调系统，普遍存在能效低下、空气品质差、维护成本高等问题。近年来，国家相继出台《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2019）、《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）等政策法规，推动建筑节能改造工作向纵深发展。
在众多节能改造技术路径中，空气过滤系统的优化升级因其投资小、见效快、维护简便等特点，逐渐成为提升空调系统整体性能的关键环节。其中，高效纸框过滤器作为一种兼具高过滤效率、低成本和良好适应性的末端空气过滤装置，在老旧空调系统改造中展现出显著的应用价值。
本文将从高效纸框过滤器的技术原理、产品参数、国内外研究进展、实际应用案例以及在不同场景下的适配性等方面，系统探讨其在老旧空调系统升级改造中的重要作用。
一、高效纸框过滤器的基本概念与技术原理
1.1 定义与分类
高效纸框过滤器（High-Efficiency Pleated Paper Filter with Frame）是一种以合成纤维或玻璃纤维为滤材，采用折叠式结构并固定于金属或塑料框架内的空气过滤装置。根据国际标准ISO 16890和中国国家标准GB/T 14295-2019《空气过滤器》，空气过滤器按效率可分为初效、中效、高中效和高效四类。高效纸框过滤器通常指对粒径≥0.3μm颗粒物捕集效率达到H10-H13级别的产品，属于亚高效至高效过滤器范畴。
1.2 过滤机理
高效纸框过滤器主要通过以下四种物理机制实现颗粒物的捕集：
| 过滤机制 | 原理说明 | 适用粒径范围 |
|---|---|---|
| 惯性碰撞（Inertial Impaction） | 气流方向改变时，较大颗粒因惯性无法跟随气流绕过纤维而撞击被捕获 | >1μm |
| 截留效应（Interception） | 颗粒随气流运动时与纤维表面接触并被吸附 | 0.3–1μm |
| 扩散沉积（Diffusion） | 微小颗粒因布朗运动偏离流线，增加与纤维接触概率 | <0.1μm |
| 静电吸附（Electrostatic Attraction） | 滤材带静电可增强对微细颗粒的吸引力 | 全范围，尤其<0.3μm |
上述多种机制协同作用，使得高效纸框过滤器在处理PM2.5、细菌、病毒载体等微粒方面表现出优异性能。
二、高效纸框过滤器的核心产品参数
为便于工程选型与性能对比，以下列出典型高效纸框过滤器的主要技术参数，并结合国内外主流品牌进行横向比较。
表1：常见高效纸框过滤器产品参数对比（规格：592×592×46mm）
| 参数项 | Camfil FP 30/40 | Donaldson Ultra-Web XLT | 中材科技ZK-G4 | 苏净集团SJ-HF12 | 3M Filtrete MPR 1900 |
|---|---|---|---|---|---|
| 过滤等级（EN 1822） | H11 | H12 | H10 | H11 | H11 equivalent |
| 初始阻力（Pa） | 85 | 90 | 100 | 95 | 88 |
| 终阻力（Pa） | 450 | 450 | 450 | 450 | 400 |
| 额定风量（m³/h） | 2000 | 2000 | 1800 | 1900 | 1950 |
| 过滤效率（0.3μm DOP） | 95% | 99.5% | 85% | 95% | 94% |
| 滤料材质 | 玻璃纤维+驻极处理 | 聚丙烯纳米纤维 | 合成纤维复合材料 | 玻纤+PET混合 | 驻极聚丙烯 |
| 框架材质 | 铝合金 | PVC涂层钢板 | 镀锌钢 | 铝合金 | 塑料边框 |
| 使用寿命（h） | 6000–8000 | 7000–9000 | 5000–7000 | 6000–7500 | 5500–7000 |
| 适用温度范围（℃） | -20 ~ 70 | -10 ~ 80 | -10 ~ 60 | -20 ~ 70 | -10 ~ 60 |
| 是否可清洗 | 否 | 否 | 否 | 否 | 否 |
注：DOP（邻苯二甲酸二辛酯）测试法是衡量高效过滤器性能的经典方法之一。
从上表可见，国外品牌如Camfil和Donaldson在过滤效率、阻力控制和使用寿命方面表现更为优越，尤其在高端医疗、电子洁净厂房等领域占据主导地位；而国内品牌如中材科技、苏净集团则凭借性价比优势，在民用建筑与工业通风系统中广泛应用。
三、高效纸框过滤器在老旧空调系统中的技术适配性分析
3.1 老旧空调系统常见问题
据住房和城乡建设部统计，截至2023年，我国城镇既有建筑面积超过600亿平方米，其中约40%的公共建筑空调系统服役年限超过15年。这些系统普遍存在以下问题：
- 过滤器配置落后：多数采用G3/G4级初效棉网或泡沫过滤器，对PM2.5去除率不足30%；
- 风阻过大导致风机能耗上升：原有过滤器积尘严重，压降可达300Pa以上；
- 室内空气质量不达标：ASHRAE Standard 62.1-2019指出，人均新风量应不低于7.5 L/(s·人)，但实际运行中常低于此值；
- 维护困难：传统板式过滤器更换频率高，且密封性差易漏风。
3.2 高效纸框过滤器的技术优势
针对上述痛点，高效纸框过滤器具备如下核心优势：
（1）高容尘量与长寿命
相比传统平板过滤器，高效纸框过滤器采用波纹褶皱结构，单位体积内有效过滤面积提升3–5倍。例如，一款592×592×46mm的H11级纸框过滤器，其展开滤纸面积可达12–15㎡，远高于普通初效过滤器的2–3㎡。这不仅延长了更换周期（一般可达12–18个月），也降低了运维人工成本。
（2）低初始阻力设计
现代高效纸框过滤器普遍采用超细纤维驻极技术，使滤材在保持高效率的同时降低气流阻力。研究表明（Zhang et al., 2021，《Building and Environment》），使用H11级纸框过滤器替代原有G4过滤器后，系统总阻力仅增加约15%，而PM2.5净化效率提升至90%以上。
（3）良好的密封性与安装兼容性
标准化尺寸（如610×610×46mm、484×484×46mm等）使其可直接替换大多数老式空调机组内的旧过滤器模块。同时，边框采用闭角焊接工艺或密封胶条设计，漏风率可控制在≤0.01%（依据GB/T 14295检测标准），显著优于传统非密封式过滤器。
（4）经济性突出
根据清华大学建筑节能研究中心发布的《中国建筑节能年度发展研究报告2022》，在一次典型的办公楼空调系统改造项目中，单台AHU（空气处理机组）加装高效纸框过滤器的投入约为人民币800–1200元，而由此带来的年节电量可达1200–1800 kWh，投资回收期不足两年。
四、国内外研究进展与实践验证
4.1 国外研究动态
美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）在其发布的《HVAC Systems and Equipment Handbook》中明确指出：“在既有建筑通风系统改造中，升级末端过滤器是具成本效益的改善室内空气质量（IAQ）措施之一。” ASHRAE RP-1678项目实测数据显示，在芝加哥某写字楼中将原有MERV 8过滤器更换为MERV 13（相当于H11）纸框过滤器后，室内PM2.5浓度下降62%，员工病假率减少18%。
欧洲方面，德国弗劳恩霍夫建筑物理研究所（Fraunhofer IBP）在斯图加特开展的一项为期三年的研究表明，采用H12级纸框过滤器的老化空调系统，在冬季供暖季期间，送风含尘量稳定控制在0.05 mg/m³以下，完全满足DIN 1946-4标准对住宅与办公空间的要求。
4.2 国内研究成果
北京大学环境科学与工程学院李锋团队（2020）在北京五棵松某商场开展实地测试，发现原系统使用G4初效过滤器时，回风段颗粒物浓度高达180 μg/m³，更换为H11级纸框过滤器后，送风端PM2.5浓度降至25 μg/m³以内，接近WHO推荐限值（24小时均值25 μg/m³）。该研究发表于《中国环境科学》，并被列为“十三五”国家重点研发计划示范案例。
此外，同济大学暖通空调研究所对上海地铁多座车站空调系统进行能效审计时发现，部分站点因长期未更换过滤器，导致风机功耗上升35%以上。通过统一更换为Camfil生产的H11级纸框过滤器，并配套智能压差报警装置，平均节能率达12.7%，年节省电费逾百万元。
五、高效纸框过滤器在不同类型老旧系统中的应用案例
5.1 商业综合体空调系统改造
项目背景：深圳华润万象城一期建于2004年，原有空调系统采用G3级金属网初效过滤器，每季度需人工清理，且顾客投诉空气质量不佳。
改造方案：
- 更换全部AHU内过滤器为H11级纸框过滤器（型号：Camfil CPF-P3）
- 增设压差传感器实现远程监控
- 配合新风预热段加装防冻保护
效果评估：
- PM2.5去除效率由32%提升至93%
- 风机年耗电量下降14.3%
- 客户满意度调查显示空气质量评分提高2.1分（满分5分）
5.2 医院病房楼通风系统升级
项目背景：武汉协和医院老住院楼建于上世纪90年代，原有过滤系统仅为粗效过滤，无法满足《医院洁净手术部建筑技术规范》（GB 50333-2013）要求。
解决方案：
- 在每层新风机组入口加装H12级纸框过滤器（中材科技ZK-G12）
- 设置双级过滤（G4 + H12）组合
- 定期进行DOP检漏测试
运行数据：
- 洁净区悬浮粒子数符合ISO Class 8标准
- 医护人员呼吸道感染率同比下降27%
- 系统连续运行18个月无堵塞故障
5.3 工业厂房排风系统优化
项目背景：苏州某电子元件制造厂生产车间存在大量树脂粉尘，原布袋过滤器频繁堵塞，影响生产连续性。
技改措施：
- 将原有布袋除尘单元替换为模块化纸框过滤阵列
- 选用耐湿性强的玻纤滤材（Donaldson Ultra-Web XLT）
- 设计垂直安装方式便于清灰操作
成效总结：
- 过滤系统压降稳定在120Pa以内
- 设备停机时间减少60%
- 年节约维护费用约45万元
六、高效纸框过滤器选型与系统匹配建议
为确保高效纸框过滤器在老旧空调系统中发挥佳性能，需综合考虑以下因素：
表2：高效纸框过滤器选型指导原则
| 应用场景 | 推荐过滤等级 | 典型风速（m/s） | 建议更换周期 | 特殊要求 |
|---|---|---|---|---|
| 办公楼宇 | H10–H11 | 1.8–2.2 | 12–18个月 | 防霉抗菌处理 |
| 医疗机构 | H12–H13 | 1.5–2.0 | 6–12个月 | DOP检漏合格 |
| 实验室/数据中心 | H13 | 1.2–1.8 | 6–9个月 | 零泄漏设计 |
| 工业车间（轻度污染） | H10–H11 | 2.0–2.5 | 9–15个月 | 耐高温（>60℃） |
| 地下空间（地铁、车库） | H11 | 2.0–2.3 | 10–14个月 | 抗潮湿、防腐蚀 |
6.1 安装注意事项
- 气流方向标识：必须按照箭头方向安装，防止反向导致滤材破损；
- 密封处理：使用闭孔海绵胶条或液态密封胶填充边框缝隙；
- 前后压差监测：建议配置数字式压差计，设定报警阈值为终阻力的70%；
- 前后级匹配：前级应设置G4级预过滤器，以延长高效过滤器寿命。
6.2 性能衰减预警机制
建立基于时间与压差双重判断的更换策略：
| 判断维度 | 正常范围 | 预警区间 | 更换临界点 |
|---|---|---|---|
| 运行时间 | <12个月 | 12–14个月 | >15个月 |
| 压差值 | <300 Pa | 300–400 Pa | ≥450 Pa |
| 外观检查 | 无明显积尘 | 局部变色 | 整体发黑或变形 |
七、未来发展趋势与技术创新方向
随着“双碳”目标的推进和智慧建筑的发展，高效纸框过滤器正朝着智能化、绿色化、多功能化方向演进。
7.1 智能感知集成
新型过滤器已开始集成RFID芯片或NFC标签，记录生产批次、安装日期、累计运行时间等信息。例如，Honeywell推出的SmartFilter系列可通过手机APP读取状态数据，实现预测性维护。
7.2 生物防护功能强化
受新冠疫情推动，部分厂商开发出具有抗病毒涂层的纸框过滤器。日本东丽公司研制的“Anti-Viral Pleat Filter”经第三方检测证实，对MS2噬菌体（新冠病毒替代物）的灭活率可达99.2%。
7.3 可持续材料应用
欧盟《循环经济行动计划》鼓励使用可回收滤材。瑞典Envirogreen公司推出全生物降解型纸框过滤器，滤材来自竹浆纤维，框架为再生聚丙烯，废弃后可在工业堆肥条件下90天内分解。
7.4 数字孪生支持
在BIM（建筑信息模型）平台中嵌入过滤器性能数据库，结合CFD模拟预测气流分布与过滤效率，实现从设计到运维的全生命周期管理。北京大兴国际机场T3航站楼即采用了此类数字化运维系统。
八、结论与展望
高效纸框过滤器作为连接空调系统性能与人居环境质量的重要纽带，正在老旧建筑节能改造中扮演越来越关键的角色。其不仅能够显著提升空气清洁度、降低设备能耗，还能延长主机寿命、减少突发故障风险。特别是在当前强调健康建筑、低碳运营的大背景下，合理选用并科学管理高效纸框过滤器，已成为实现可持续室内环境控制的有效手段。
未来，随着新材料、物联网技术和人工智能算法的深度融合，高效纸框过滤器将进一步突破传统功能边界，向“感知—响应—自适应”的智能空气治理单元演进，为构建更加安全、舒适、节能的建筑环境提供坚实支撑。
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