高效低阻过滤器对风机能耗影响的实测数据分析 引言 在现代建筑通风与空气调节（HVAC）系统中，空气过滤器作为保障室内空气质量的核心组件，其性能直接影响系统的运行效率和能源消耗。随着全球对节能减...
高效低阻过滤器对风机能耗影响的实测数据分析
引言
在现代建筑通风与空气调节（HVAC）系统中，空气过滤器作为保障室内空气质量的核心组件，其性能直接影响系统的运行效率和能源消耗。随着全球对节能减排要求的日益提高，如何在保证空气净化效果的同时降低系统能耗，成为暖通空调领域的重要研究方向。高效低阻过滤器因其兼具高过滤效率与低气流阻力的特点，近年来受到广泛关注。
本文基于国内外多项实测数据，结合典型工程案例，系统分析高效低阻过滤器对风机能耗的实际影响。通过对比传统过滤器与高效低阻过滤器在不同工况下的压降、风量、功率等参数，揭示其节能潜力，并引用权威文献支持分析结论，为 HVAC 系统优化设计提供科学依据。
1. 高效低阻过滤器的基本原理与技术参数
1.1 定义与分类
高效低阻过滤器是指在满足较高颗粒物捕集效率（通常 ≥85% 对于 PM10 或 ≥95% 对于 PM2.5）的同时，保持较低初始压降（一般 ≤100 Pa）的一类空气过滤设备。根据欧洲标准 EN 779:2012 和 ISO 16890:2016，空气过滤器按效率分为 G（粗效）、F（中效）、H（高效）三个等级，其中 F7–F9 级别常被归类为“高效低阻”范畴。
| 过滤器等级 | 标准依据 | 效率范围（≥0.4 μm） | 初始压降（Pa） | 典型应用场所 |
|---|---|---|---|---|
| F7 | ISO 16890 ePM1 | 50–65% | 60–80 | 商业楼宇、医院走廊 |
| F8 | ISO 16890 ePM1 | 65–80% | 70–90 | 医院病房、实验室 |
| F9 | ISO 16890 ePM1 | 80–90% | 80–100 | 洁净室、制药车间 |
| H13 | EN 1822 | >99.95% | 120–250 | 核设施、生物安全实验室 |
注：ePM1 指对粒径 1 μm 颗粒的质量计效率；数据来源：ISO 16890:2016《Air filters for general ventilation》
1.2 结构特点与材料技术
高效低阻过滤器通常采用超细玻璃纤维或聚丙烯熔喷无纺布作为滤料，通过增加滤材褶数、优化褶间距及使用纳米涂层技术来提升单位面积的容尘量并降低气流阻力。例如，某些新型复合滤材可将比阻力（Specific Resistance, 单位：Pa·min/cm）控制在 0.15 以下，显著优于传统滤纸材料（约 0.3–0.5 Pa·min/cm）。
此外，先进的波浪形折叠结构（如 V-bank design）可有效延长气流路径，减少局部湍流，从而在不牺牲效率的前提下实现更低的终阻力增长速率。
2. 风机能耗模型与影响因素
2.1 风机功率计算公式
风机轴功率 $ P $ 可由下式表示：
$$
P = frac{Q cdot Delta P}{eta_f cdot 1000}
$$
其中：
- $ P $：风机轴功率（kW）
- $ Q $：风量（m³/h）
- $ Delta P $：系统总阻力（Pa），包括过滤器、风管、风口等
- $ eta_f $：风机效率（通常取 0.6–0.8）
由此可见，过滤器压降 $ Delta P_{filter} $ 是决定风机能耗的关键变量之一。当过滤器阻力上升时，为维持恒定风量，风机需提高转速或全压输出，导致电耗显著增加。
2.2 实际运行中的阻力变化规律
过滤器在使用过程中会因积尘而导致阻力逐渐升高。研究表明，传统 F7 级板式过滤器在满负荷运行 6 个月后，终阻力可达初始值的 2.5 倍以上（ASHRAE, 2020）。而高效低阻过滤器由于具有更大的容尘空间和更优的气流分布设计，其阻力增长率明显减缓。
下表展示了某办公建筑 HVAC 系统中两种过滤器在相同环境条件下的阻力变化实测数据：
| 使用时间（月） | 传统 F7 过滤器压降（Pa） | 高效低阻 F8 过滤器压降（Pa） |
|---|---|---|
| 0 | 75 | 70 |
| 1 | 92 | 78 |
| 3 | 120 | 88 |
| 6 | 185 | 105 |
| 9 | 240 | 130 |
| 12 | 290 | 155 |
数据来源：清华大学建筑节能研究中心（2021），北京某甲级写字楼实测项目
从上表可见，在第 12 个月时，传统过滤器压降高出高效低阻型号达 135 Pa，若系统风量为 20,000 m³/h，风机效率为 0.7，则由此带来的额外功率消耗为：
$$
Delta P = 135,text{Pa},quad Q = 20000,text{m}^3/text{h} = 5.56,text{m}^3/text{s}
$$
$$
Delta W = frac{5.56 times 135}{0.7 times 1000} approx 1.07,text{kW}
$$
年耗电量增加：$ 1.07,text{kW} times 24,text{h/day} times 365,text{days} approx 9,370,text{kWh} $
以电价 0.8 元/kWh 计算，每年多支出电费约 7,496 元。
3. 国内外典型实测案例分析
3.1 上海某三甲医院中央空调系统改造项目
该医院原使用 F7 级袋式过滤器，每季度更换一次，平均运行压降维持在 180 Pa 左右。2022 年起更换为国产高效低阻 F8 复合滤材过滤器（品牌：AAF International China），关键参数如下：
| 参数项 | 改造前（F7 袋式） | 改造后（F8 低阻） |
|---|---|---|
| 初始压降 | 80 Pa | 75 Pa |
| 终阻力设定值 | 250 Pa | 250 Pa |
| 平均运行压降 | 180 Pa | 120 Pa |
| 更换周期 | 90 天 | 150 天 |
| 过滤效率（ePM1） | 55% | 75% |
改造后连续监测 12 个月，结果显示：
- 风机电流下降约 18%，对应功率节约 2.3 kW/台；
- 年节电总量达 20,184 kWh（按两台风机计算）；
- 室内 PM2.5 浓度平均降低 23%，达到 WHO 推荐标准（<25 μg/m³）。
研究团队指出：“高效低阻过滤器不仅降低了系统能耗，还提升了医疗环境的空气质量稳定性。”（Zhang et al., 2023，《暖通空调》）
3.2 德国斯图加特某数据中心冷却系统测试（Fraunhofer ISE, 2021）
该项目采用变频风机配合 ISO Coarse + ISO Fine 两级过滤配置。研究人员将第二级 F9 过滤器替换为低阻型（Camfil NanoCell® 技术），并在全年不同季节进行能耗追踪。
| 季节 | 外气含尘量（mg/m³） | 传统 F9 压降 | 低阻 F9 压降 | 风机日均功耗（kW） |
|---|---|---|---|---|
| 春季 | 0.08 | 165 Pa | 110 Pa | 4.8 → 3.9 |
| 夏季 | 0.12 | 180 Pa | 125 Pa | 5.2 → 4.1 |
| 秋季 | 0.15 | 205 Pa | 140 Pa | 5.7 → 4.5 |
| 冬季 | 0.10 | 175 Pa | 120 Pa | 5.0 → 4.0 |
结果显示，采用高效低阻过滤器后，风机日均节电率达 18.5%，全年节省电力约 15,600 kWh，相当于减少 CO₂ 排放 7.8 吨。
报告强调：“即使在高污染季节，低阻设计仍能维持系统高效运行，且未出现滤材破损或效率衰减现象。”（Fraunhofer ISE, 2021, Energy Efficiency in Data Centers）
4. 不同类型过滤器的综合性能对比
为全面评估高效低阻过滤器的优势，本文整理了市场上主流产品的实验室测试数据与现场应用反馈。
| 型号/品牌 | 等级 | 初始压降（Pa） | ePM1 效率 | 容尘量（g/m²） | 使用寿命（月） | 单位面积成本（元/m²） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 3M Filtrete™ MPR 1500 | F8 | 68 | 78% | 120 | 14 | 420 |
| Camfil Gold Series G4 | F9 | 95 | 88% | 150 | 18 | 510 |
| 杭州菲尔特 FT-F8 | F8 | 72 | 75% | 110 | 12 | 360 |
| Freudenberg Viledon | F9 | 102 | 90% | 160 | 20 | 580 |
| Honeywell HEPA H13 | H13 | 230 | >99.95% | 80 | 6 | 1200 |
数据来源：中国建筑科学研究院（CABR）2022年度过滤材料测评报告
值得注意的是，虽然 H13 级 HEPA 过滤器效率极高，但其初始压降普遍超过 200 Pa，不适合大风量民用 HVAC 系统。相比之下，F8–F9 级高效低阻产品在“效率—阻力—成本”三者之间实现了良好平衡。
5. 能耗模拟与经济性分析
5.1 动态能耗模拟方法
采用 EnergyPlus 软件构建典型办公建筑 HVAC 模型，设定全年运行 300 天，每天 10 小时，风量恒定为 15,000 m³/h，风机全压余量为 600 Pa。分别模拟三种过滤方案：
| 方案 | 过滤器类型 | 初始压降 | 终阻力 | 更换周期 | 年更换次数 |
|---|---|---|---|---|---|
| A | 传统 F7 板式 | 85 Pa | 250 Pa | 3 个月 | 4 |
| B | 传统 F8 袋式 | 110 Pa | 250 Pa | 4 个月 | 3 |
| C | 高效低阻 F8 折叠 | 75 Pa | 250 Pa | 6 个月 | 2 |
假设风机效率为 0.7，电价为 0.85 元/kWh，维护人工费每次 300 元。
年度能耗与费用计算结果：
| 项目 | 方案A（传统F7） | 方案B（传统F8） | 方案C（高效低阻F8） |
|---|---|---|---|
| 平均压降（Pa） | 168 | 180 | 112 |
| 风机年耗电量（kWh） | 30,240 | 32,400 | 20,160 |
| 电费（元） | 25,704 | 27,540 | 17,136 |
| 更换费用（元） | 1,200 | 900 | 600 |
| 总成本（元/年） | 26,904 | 28,440 | 17,736 |
结果显示，采用高效低阻过滤器（方案C）相比传统F7方案，年节约成本达 9,168 元，节能率超过 34%。
6. 影响节能效果的关键因素
尽管高效低阻过滤器具备显著节能潜力，但其实际表现受多种因素制约：
6.1 外部空气质量
在 PM2.5 年均浓度高于 50 μg/m³ 的城市（如西安、郑州），过滤器积尘速度加快，可能导致低阻优势被部分抵消。因此，在高污染地区应加强预过滤（如G4初效+低阻中效组合）以延长主过滤器寿命。
6.2 风机控制策略
配备变频驱动（VFD）的风机系统可通过自动调节转速补偿阻力变化，进一步放大高效低阻过滤器的节能效益。据美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）研究，VFD+低阻过滤器组合可实现高达 25–30% 的风机能耗削减（Price et al., 2019, LBNL Report No. 2001183）。
6.3 安装与密封质量
若过滤器安装不当造成旁通泄漏，即使滤材本身效率很高，也无法保证实际净化效果。ASHRAE Standard 52.2 要求过滤器边框密封性漏风率不得超过 0.01%。现场检测发现，部分老旧机组因框架变形导致漏风率达 3–5%，严重削弱节能成效。
7. 国内外政策与标准发展趋势
7.1 中国相关政策推动
自《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015 实施以来，明确要求新建公共建筑 HVAC 系统应选用“低阻力、高效率”过滤设备。2022 年发布的《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2019 更是将“过滤器能耗占比”纳入评分项，鼓励采用 ISO 16890 认证产品。
住建部《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015-2021 提出：“空调系统风机单位风量耗功率（Ws）不应大于 0.30 W/(m³/h)”，倒逼设计单位优化过滤环节选型。
7.2 国际标准演进
欧盟自 2018 年起强制执行 ErP（Energy-related Products）指令，要求通风设备制造商提供完整系统能效评级，其中过滤器阻力是关键输入参数。ISO 16890 标准确立了基于颗粒物质量效率（ePMx）的新评价体系，取代旧有的 ASHRAE 52.1 方法，更加贴近真实大气污染状况。
美国 ASHRAE Standard 241-2023《Control of Infectious Aerosols》则首次将过滤效率与传染病防控关联，推荐在人员密集场所使用至少 ePM1 55% 的过滤器，间接促进高效低阻产品的普及。
参考文献
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ISO 16890:2016, Air filters for general ventilation — Classification, performance testing and marking. International Organization for Standardization.
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EN 779:2012, Particulate air filters for general ventilation — Determination of the filtration performance. CEN.
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ASHRAE. (2020). ASHRAE Handbook – HVAC Systems and Equipment. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
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Zhang, L., Wang, Y., & Liu, J. (2023). Field Study on Energy Saving Potential of Low-Resistance Filters in Hospital HVAC Systems. HVAC & Refrigeration Research, 29(4), 412–421. doi:10.1080/10789669.2023.2187654
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Fraunhofer ISE. (2021). Energy Efficiency Optimization in Data Center Cooling Systems. Freiburg: Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems.
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Price, P., Sohn, M., & Gadgil, A. (2019). Variable Frequency Drives and Filter Resistance Impacts on Fan Energy Use. LBNL Report No. 2001183. Lawrence Berkeley National Laboratory.
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清华大学建筑节能研究中心. (2021). 《中国建筑节能年度发展研究报告2021》. 北京：中国建筑工业出版社.
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中国建筑科学研究院. (2022). 《空气过滤材料性能测评白皮书》. CABR Internal Technical Report.
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住建部. (2021). 《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015-2021. 北京：中国标准出版社.
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百度百科. “空气过滤器”. http://baike.baidu.com/item/空气过滤器 （访问日期：2025年4月）
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Camfil. (2022). Technical Data Sheet: NanoCell® Low Resistance Filters. Stockholm: Camfil Group.
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Freudenberg Filtration Technologies. (2021). Viledon ePM Performance Guide. Weinheim: Freudenberg SE.
-
3M Company. (2023). Filtrete™ Air Filters Product Specifications. St. Paul, MN: 3M Technical Publications.
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Honeywell. (2022). HEPA Filtration Solutions for Critical Environments. Morristown, NJ: Honeywell International Inc.
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