高校老旧 HVAC 系统改造中低阻力过滤器的节能效果评估 引言 随着我国高等教育事业的快速发展，高校建筑规模不断扩大，教学楼、实验楼、图书馆、宿舍等公共建筑数量持续增加。这些设施在提供良好学习与...
高校老旧 HVAC 系统改造中低阻力过滤器的节能效果评估
引言
随着我国高等教育事业的快速发展，高校建筑规模不断扩大，教学楼、实验楼、图书馆、宿舍等公共建筑数量持续增加。这些设施在提供良好学习与生活环境的同时，也带来了巨大的能源消耗问题。暖通空调系统（Heating, Ventilation and Air Conditioning，简称HVAC）作为建筑能耗的主要组成部分，在多数高校建筑中占比超过40%。然而，许多高校的HVAC系统建设年代较早，设备老化严重，运行效率低下，尤其空气过滤系统存在阻力高、能耗大、维护不及时等问题，严重影响系统的整体能效。
近年来，随着绿色校园和“双碳”目标的推进，对既有建筑HVAC系统进行节能改造已成为高校节能减排的重要方向。其中，更换传统高阻力空气过滤器为低阻力过滤器（Low-Resistance Filters）被视为一种成本低、见效快的节能措施。本文旨在系统评估在高校老旧HVAC系统中应用低阻力过滤器的节能潜力，结合国内外研究成果，分析其技术参数、运行性能、经济性及环境效益，并通过实际案例验证其可行性。
一、HVAC系统中空气过滤器的作用与能耗影响
1.1 过滤器的基本功能
空气过滤器是HVAC系统中的关键组件之一，主要功能包括：
- 去除空气中的颗粒物（PM10、PM2.5）、花粉、灰尘、细菌等污染物；
- 保护风机、换热器等核心设备免受积尘影响，延长使用寿命；
- 提高室内空气质量（IAQ），保障师生健康。
根据《ASHRAE Standard 52.2》（美国采暖、制冷与空调工程师学会标准），空气过滤器按效率分为初效（G级）、中效（F级）、高效（H级）等类别。
1.2 传统过滤器的能耗瓶颈
在老旧高校HVAC系统中，普遍采用G3-G4级别的初效过滤器或F5-F7级别的中效过滤器。这类过滤器虽然具备一定的除尘能力，但存在以下问题：
- 初始压降高：新装时阻力可达80–120 Pa；
- 容尘量低：易堵塞，导致运行阻力迅速上升；
- 风机能耗增加：根据风机定律，风机电耗与风量立方成正比，系统阻力每增加10 Pa，风机功率约增加5–8%；
- 频繁更换：维护成本高，且常因管理疏忽导致长期带病运行。
据清华大学建筑节能研究中心统计，我国高校中央空调系统中，风机能耗占总空调能耗的25%以上，而其中约30%的能耗可归因于不合理或老化的过滤系统（江亿等，2021）。
二、低阻力过滤器的技术原理与产品参数
2.1 技术定义与分类
低阻力过滤器是指在相同过滤效率下，具有更低初始压降和更缓慢阻力增长特性的空气过滤器。其核心技术包括：
- 优化滤材结构：采用超细纤维、纳米涂层、静电驻极等材料提升过滤效率同时降低气流阻力；
- 增大过滤面积：通过袋式、折叠式设计增加有效迎风面积；
- 智能监控集成：部分高端型号配备压差传感器，实现状态预警。
常见的低阻力过滤器类型如下表所示：
| 类型 | 过滤等级（EN 779:2012） | 初始阻力（Pa） | 额定风速（m/s） | 容尘量（g/m²） | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 低阻初效板式 | G4-Low | 30–50 | 0.8–1.2 | ≥250 | 新风机组预过滤 |
| 低阻袋式中效 | F7-Low | 60–80 | 0.6–1.0 | ≥350 | 实验室、教学楼主过滤 |
| 静电驻极折叠式 | F8-Low | 70–90 | 0.5–0.8 | ≥400 | 图书馆、会议室高要求区域 |
| 纳米复合滤网 | H11-Low | 100–130 | 0.4–0.6 | ≥500 | 医学院、洁净实验室 |
注：数据综合自Camfil（瑞典）、AAF International（美国）、科德宝（德国）及国内品牌如苏净集团、康斐尔的产品手册（2023年版）
2.2 核心性能参数对比
为直观展示低阻力过滤器的优势，选取某高校典型AHU（空气处理机组）中使用的传统F7袋式过滤器与新型低阻F7过滤器进行参数对比：
| 参数项 | 传统F7袋式过滤器 | 低阻力F7过滤器（如Camfil Gold Series） | 改进幅度 |
|---|---|---|---|
| 初始压降（Pa） | 110 | 65 | ↓40.9% |
| 终阻力设定值（Pa） | 450 | 450 | — |
| 平均运行阻力（Pa） | 280 | 170 | ↓39.3% |
| 使用寿命（月） | 6–8 | 10–14 | ↑66.7% |
| 过滤效率（计数法@0.4μm） | 80–85% | 82–87% | ≈持平 |
| 单位面积价格（元/m²） | 180 | 260 | ↑44.4% |
| 年维护成本（元/台） | 1,200 | 700 | ↓41.7% |
资料来源：Camfil Asia Technical Report (2022); 中国建筑科学研究院《公共建筑通风系统节能改造指南》
可见，尽管低阻力过滤器初始投资略高，但其在运行阻力、寿命和维护成本方面具有显著优势。
三、节能机理分析：从压降到风机功耗
3.1 风机功率与系统阻力关系
风机是HVAC系统中耗能的部件之一。其轴功率 $ P $ 可表示为：
$$
P = frac{Q cdot Delta P}{eta}
$$
其中：
- $ Q $：风量（m³/s）
- $ Delta P $：系统总阻力（Pa）
- $ eta $：风机效率（通常0.6–0.8）
当风量恒定时，功率与阻力成正比。若将过滤器阻力从280 Pa降至170 Pa，降幅达39.3%，理论上风机功率可同比例下降。
以某高校教学楼AHU为例，其送风机参数如下：
- 风量：20,000 m³/h（≈5.56 m³/s）
- 风机全压：800 Pa
- 过滤段原阻力占比：35%（即280 Pa）
- 电机功率：18.5 kW
- 年运行时间：2,800 小时（教学季+部分寒暑假）
更换为低阻力过滤器后，过滤段阻力降至170 Pa，系统总压降减少110 Pa。假设风机效率不变，则风机所需功率减少：
$$
Delta P_{text{fan}} = frac{Q cdot Delta Delta P}{eta} = frac{5.56 times 110}{0.7} ≈ 874 , text{W}
$$
年节电量：
$$
E = 0.874 , text{kW} times 2800 , text{h} ≈ 2,447 , text{kWh}
$$
单台机组年节省电费（按0.8元/kWh计算）约为 1,958元。
若全校有50台类似机组，年总节电可达 12.2万kWh，节约电费近 10万元，减排CO₂约 100吨（按电网排放因子0.82 kg CO₂/kWh计）。
四、国内外研究进展与实证案例
4.1 国外研究综述
美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）在2019年对加州大学洛杉矶分校（UCLA）的HVAC系统进行改造评估，将原有F6过滤器替换为低阻力F7型号。结果显示：
- 系统静压下降32%，风机能耗降低27%；
- IAQ未受影响，PM2.5浓度维持在15 μg/m³以下；
- 投资回收期仅1.8年（Zhang et al., Energy and Buildings, 2020）。
欧洲方面，丹麦技术大学（DTU）联合Camfil开展的“LowResist”项目（2020–2022）测试了12所高校建筑，发现使用低阻力过滤器平均可降低通风能耗 22–35%，尤其是在高风量运行场景下效果更为显著（Nielsen et al., Building and Environment, 2022）。
4.2 国内典型案例分析
案例一：浙江大学紫金港校区图书馆改造
该馆原采用G4+F7两级过滤系统，年均风机能耗为186,000 kWh。2021年更换为苏净集团生产的低阻力F7袋式过滤器（型号LF-F7-600×600×460），主要参数如下：
| 项目 | 参数 |
|---|---|
| 初始阻力 | 58 Pa |
| 终阻力 | 450 Pa |
| 过滤效率（EN1822） | MPPS ≥85% |
| 使用寿命 | ≥12个月 |
改造后监测数据显示：
- 风机运行电流下降18.7%；
- 年节电 31,200 kWh；
- PM2.5浓度由改造前平均38 μg/m³降至26 μg/m³；
- 投资回收期2.1年。
案例二：华南理工大学五山校区实验楼群
该校对3栋实验楼的AHU系统进行集中改造，采用康斐尔（Camfil）CFO系列低阻力中效过滤器。项目覆盖总风量约120,000 m³/h，年运行时间达3,500小时。
改造前后能耗对比如下表：
| 指标 | 改造前 | 改造后 | 变化率 |
|---|---|---|---|
| 平均系统阻力（Pa） | 920 | 780 | ↓15.2% |
| 总风机功率（kW） | 136 | 114 | ↓16.2% |
| 年耗电量（万kWh） | 47.6 | 39.9 | ↓16.2% |
| 年节省电费（万元） | — | 6.16 | — |
| 年减排CO₂（吨） | — | 63 | — |
数据来源：华南理工大学后勤处《2022年度节能报告》
五、经济性与环境效益评估
5.1 成本效益分析
以一台标准AHU（风量20,000 m³/h）为例，进行全生命周期成本（Life Cycle Cost, LCC）分析：
| 成本项目 | 传统过滤器 | 低阻力过滤器 |
|---|---|---|
| 设备购置费（元） | 800 | 1,200 |
| 年更换次数 | 2次 | 1次 |
| 年耗材成本（元） | 1,600 | 1,200 |
| 年电费（元） | 10,500 | 8,542 |
| 年维护人工费（元） | 600 | 400 |
| 年总成本（元） | 13,500 | 11,142 |
| 5年总成本（元） | 67,500 | 55,710 |
结果显示，尽管初期投入高出400元，但5年内累计节省 11,790元，年均节省约2,358元，投资回收期约 1.7年。
5.2 碳减排潜力估算
根据生态环境部发布的《中国区域电网基准线排放因子》（2022年修订版），华东电网排放因子为0.789 kg CO₂/kWh。若全国高校共有约10万台类似规模的AHU机组，全部实施低阻力过滤器改造，按每台年节电2,400 kWh计：
- 年总节电量：24亿kWh
- 年减排CO₂：1,893万吨
相当于种植约 10.5亿棵树木（按每棵树年吸收1.8 kg CO₂计），对实现“双碳”目标具有重要意义。
六、实施建议与技术路线
6.1 改造流程
- 现状评估：检测现有过滤器压降、风量、风机功率；
- 选型匹配：根据风量、空间尺寸选择合适规格的低阻力过滤器；
- 试点运行：在1–2台机组上试装并监测3个月；
- 全面推广：基于试点数据制定全校改造计划；
- 智能监控：加装压差开关或物联网传感器，实现远程预警。
6.2 推荐产品清单（适用于高校场景）
| 品牌 | 型号 | 适用等级 | 特点 | 国产/进口 |
|---|---|---|---|---|
| 苏净集团 | LF-F7-600×600 | F7 | 低阻、耐湿、抗菌涂层 | 国产 |
| 康斐尔（Camfil） | CFO 600×600×460 | F7/F8 | 超低阻、长寿命 | 进口 |
| AAF International | Durafil ES | F7 | 自支撑结构、防泄漏 | 进口 |
| 科德宝（Freudenberg） | Viledon e³ | G4/F7 | 模块化设计、易更换 | 合资 |
| 中建材凯盛 | NanoAir-LR | F8 | 纳米纤维、高效低阻 | 国产 |
七、挑战与对策
尽管低阻力过滤器优势明显，但在高校推广应用中仍面临若干挑战：
- 认知不足：部分管理人员误认为“阻力越低，过滤效果越差”，需加强科普培训；
- 预算限制：初期采购成本较高，建议纳入节能专项基金或合同能源管理（EMC）模式；
- 安装空间受限：老旧机组过滤段尺寸固定，需定制适配型号；
- 标准缺失：目前国内尚无专门针对“低阻力过滤器”的国家标准，建议参考EN 779:2012或ISO 16890:2016执行。
参考文献
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ASHRAE. (2017). ASHRAE Standard 52.2-2017: Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Atlanta: ASHRAE.
-
Zhang, Y., Wargocki, P., & Lauenburg, P. (2020). "Impact of low-resistance filters on energy consumption and indoor air quality in educational buildings." Energy and Buildings, 218, 110023. http://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.110023
-
Nielsen, P. V., et al. (2022). "Field study of energy savings by upgrading air filters in university buildings – The LowResist project." Building and Environment, 215, 108933. http://doi.org/10.1016/j.buildenv.2022.108933
-
江亿, 燕达, 胡姗. (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.
-
Camfil. (2022). Technical Data Sheet: Camfil Gold Series Low Resistance Bag Filters. Camfil Asia Pacific.
-
中国建筑科学研究院. (2020). 《公共建筑通风系统节能改造技术导则》. 北京: 中国建筑工业出版社.
-
华南理工大学后勤处. (2022). 《2022年度校园节能工作总结报告》. 内部资料.
-
浙江大学能源工程学院. (2021). 《图书馆空调系统节能改造效果评估报告》. 技术白皮书.
-
生态环境部. (2022). 《关于发布《省级温室气体清单编制指南》及区域电网排放因子的通知》. 环办气候函〔2022〕123号.
-
ISO. (2016). ISO 16890:2016 – Air filters for general ventilation – Classification, performance, testing. Geneva: International Organization for Standardization.
-
百度百科. “HVAC”. http://baike.baidu.com/item/HVAC （访问日期：2024年4月）
-
百度百科. “空气过滤器”. http://baike.baidu.com/item/空气过滤器 （访问日期：2024年4月）
（全文约3,680字）
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