超低阻高中效過濾器濾料褶距優化對初阻力的影響研究 摘要 隨著空氣淨化技術的快速發展，高效、節能、長壽命的空氣過濾器在工業潔淨室、醫院、數據中心及民用建築通風係統中扮演著日益重要的角色。其中...
超低阻高中效過濾器濾料褶距優化對初阻力的影響研究
摘要
隨著空氣淨化技術的快速發展，高效、節能、長壽命的空氣過濾器在工業潔淨室、醫院、數據中心及民用建築通風係統中扮演著日益重要的角色。其中，超低阻高中效過濾器因其兼具較低初始壓降與較高過濾效率的特點，成為當前暖通空調（HVAC）係統中的關鍵技術裝備之一。濾料作為過濾器的核心組成部分，其結構參數尤其是褶距（Pleat Spacing），直接影響氣流分布、容塵能力以及初始阻力性能。本文圍繞超低阻高中效過濾器的濾料褶距優化展開研究，係統分析不同褶距條件下濾料的初始阻力變化規律，並結合國內外權威文獻與實驗數據，探討優褶距設計原則。研究結果表明，合理縮小褶距可顯著提升單位體積內的有效過濾麵積，但過小的褶距會導致氣流通道堵塞、局部風速升高，從而增加初始阻力。通過建立數學模型與CFD仿真驗證，確定了適用於常見濾材（如聚酯纖維、玻璃纖維複合材料）的佳褶距區間為4.5–6.0 mm，在此範圍內可實現初阻力低於80 Pa的同時保持≥85%的計重效率（ASHRAE 52.2標準）。本研究為高中效過濾器的結構優化提供了理論依據與工程指導。
1. 引言
空氣過濾器是現代通風與空氣淨化係統中的關鍵組件，廣泛應用於製藥、電子製造、醫療設施、軌道交通和商業樓宇等領域。根據中國國家標準《GB/T 14295-2019 空氣過濾器》分類，高中效過濾器屬於F5–F9級別，要求對粒徑≥0.4 μm顆粒物具有較高的捕集效率，同時兼顧運行能耗與使用壽命。近年來，“超低阻”設計理念逐漸興起，旨在通過結構優化降低過濾器初始阻力，從而減少風機能耗，實現綠色低碳運行。
在眾多影響因素中，濾料的褶距（即相鄰兩褶之間中心距離）是決定過濾器性能的關鍵幾何參數之一。褶距不僅影響過濾麵積密度，還直接關係到氣流在濾芯內部的流動狀態與壓力損失。國際標準化組織ISO 16890:2016明確指出，過濾器的壓降與其結構設計密切相關，而褶間距是影響壓降的重要變量之一（ISO, 2016）。美國ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment（2020版）也強調，合理設計褶結構可在不犧牲效率的前提下顯著降低係統能耗。
盡管已有大量關於濾材材質、厚度、密度等方麵的研究，但針對褶距對初阻力的具體影響機製及其優化路徑的係統性研究仍相對不足，尤其是在國產超低阻高中效產品開發過程中缺乏統一的設計規範。因此，開展濾料褶距優化對初阻力影響的研究，具有重要的理論價值與工程意義。
2. 褶距的基本概念與作用機理
2.1 定義與測量方法
褶距（Pleat Spacing）是指過濾器中相鄰兩個褶峰之間的中心距離，通常以毫米（mm）為單位表示。其計算公式如下：
$$
S = frac{L}{N}
$$
其中：
- $ S $：平均褶距（mm）
- $ L $：過濾器有效長度或高度（mm）
- $ N $：褶數（不含邊緣部分）
例如，若某過濾器高度為484 mm，共設有90個褶，則平均褶距為：
$$
S = frac{484}{90} ≈ 5.38,text{mm}
$$
實際應用中常采用遊標卡尺或光學測量儀進行精確測定。
2.2 褶距對過濾性能的影響機製
褶距主要通過以下三個方麵影響過濾器性能：
-
有效過濾麵積：褶距越小，單位體積內可布置的褶數越多，從而提高有效過濾麵積。理論上，麵積增加可降低麵風速，減小初阻力。
-
氣流分布均勻性：過密的褶距可能導致氣流通道狹窄，引發“氣流短路”或“死區”，造成局部風速過高，反而增大阻力。
-
容塵能力與壽命：適當增加褶距有助於粉塵沉積空間擴大，延緩壓差上升速度，延長使用壽命。
德國弗勞恩霍夫研究所（Fraunhofer IBP, 2018）研究表明，當褶距小於4 mm時，纖維間氣流擾動加劇，湍流強度提升30%以上，導致初始壓降顯著上升。而當褶距超過7 mm時，過濾麵積利用率下降，經濟性降低。
3. 實驗設計與測試方法
3.1 樣品製備
選取國內主流廠商生產的超低阻高中效濾料（聚酯+駐極處理複合材料），基本參數如下表所示：
| 參數 | 數值 |
|---|---|
| 濾料類型 | PET+PP駐極複合濾紙 |
| 厚度 | 0.5 ± 0.05 mm |
| 克重 | 80 g/m² |
| 過濾等級 | F7（EN 779:2012） |
| 初始阻力基準值（額定風量下） | ≤ 60 Pa |
| 額定風速 | 0.8 m/s |
將該濾料加工成標準尺寸（592×592×45 mm）的平板式過濾器，共製作6組樣品，每組設置不同褶距，具體如下：
| 組別 | 褶距（mm） | 褶數 | 有效過濾麵積（m²） |
|---|---|---|---|
| A | 4.0 | 120 | 1.42 |
| B | 4.5 | 107 | 1.35 |
| C | 5.0 | 97 | 1.28 |
| D | 5.5 | 88 | 1.20 |
| E | 6.0 | 81 | 1.13 |
| F | 6.5 | 75 | 1.06 |
所有樣品均采用相同邊框材料（鋁合金框架）、密封膠（聚氨酯）及生產工藝，確保變量唯一性。
3.2 測試條件與設備
依據《GB/T 6165-2021 高效和超高效空氣過濾器性能試驗方法》與《ASHRAE Standard 52.2-2017》，在國家空調設備質量監督檢驗中心實驗室進行測試，主要設備包括：
- 全自動空氣過濾器綜合性能測試台（型號：ATI-3000）
- 激光粒子計數器（TSI AeroTrak 9000）
- 差壓傳感器（精度±0.5 Pa）
- 溫濕度控製係統（溫度23±2℃，相對濕度50±5%）
測試風速設定為0.5、0.8、1.0、1.2 m/s四個工況點，記錄各風速下的初始阻力（初阻）與計重效率。
4. 實驗結果與數據分析
4.1 不同褶距下的初始阻力對比
下表列出了在額定風速0.8 m/s條件下，各組樣品的實測初始阻力值：
| 組別 | 褶距（mm） | 初始阻力（Pa） | 相對增幅（vs C組） |
|---|---|---|---|
| A | 4.0 | 98.6 | +36.8% |
| B | 4.5 | 82.3 | +13.9% |
| C | 5.0 | 72.2 | 基準 |
| D | 5.5 | 68.5 | -5.1% |
| E | 6.0 | 65.7 | -9.0% |
| F | 6.5 | 63.1 | -12.6% |
從數據可見，隨著褶距增大，初始阻力呈下降趨勢，但在褶距小於5.0 mm時阻力急劇上升。A組（4.0 mm）初阻高達98.6 Pa，超出行業推薦上限（≤80 Pa），已不符合“超低阻”定義。
進一步繪製風速-阻力曲線（見圖1），發現所有樣本均符合達西-威斯巴赫定律近似關係：
$$
Delta P = k cdot v^n
$$
其中 $ n $ 在1.6–1.9之間，表明流動處於過渡流區。A組的指數 $ n=1.87 $，說明其非線性阻力增長更為明顯，易在高風量工況下迅速達到終阻力。
4.2 效率與阻力綜合評價
參考ASHRAE 52.2標準中提出的“能效比”（Efficiency-to-Resistance Ratio, ERR）指標：
$$
ERR = frac{eta_{text{arrestance}}}{Delta P_0}
$$
計算各組ERR值（以計重效率為基礎）：
| 組別 | 計重效率（%） | 初始阻力（Pa） | ERR（%/Pa） |
|---|---|---|---|
| A | 89.2 | 98.6 | 0.905 |
| B | 88.7 | 82.3 | 1.077 |
| C | 87.5 | 72.2 | 1.212 |
| D | 86.8 | 68.5 | 1.267 |
| E | 85.9 | 65.7 | 1.308 |
| F | 84.3 | 63.1 | 1.336 |
盡管F組ERR高，但其計重效率已接近F6級下限（80%），長期使用可能無法滿足F7標準要求。綜合考慮效率保持與低阻特性，C至E組（5.0–6.0 mm）為優區間。
5. 國內外研究進展與對比分析
5.1 國外研究綜述
美國明尼蘇達大學李博士團隊（Li et al., 2019）通過對Meltblown/PET複合濾材的研究發現，當褶距由3.5 mm增至6.0 mm時，初始阻力降低約28%，但過濾麵積減少19%。他們提出“臨界褶距”概念，認為存在一個使單位麵積阻力小的優值，約為5.2 mm（Li, Zhang & Wang, Filtration, 2019）。
日本東麗公司（Toray Industries, 2020）在其專利JP2020156789中披露了一種梯度褶距設計：邊緣區域采用6.0 mm大間距，中心區縮至4.8 mm，既保證進風均勻性又提升過濾密度，使整體初阻控製在65 Pa以內。
歐盟COST Action TU1406項目（2017）匯總了歐洲12國的數據，指出在F7級過濾器中，5.0–6.0 mm為常用且性能穩定的褶距範圍，占比達73%。
5.2 國內研究現狀
清華大學環境學院張寅平教授課題組（2021）利用CFD模擬分析了不同褶距下氣流場分布，結果顯示當褶距<4.5 mm時，褶間氣流出現明顯回流現象，導致局部阻力係數上升40%以上（Zhang et al., Building and Environment, 2021）。
江蘇雪倫科技有限公司聯合東南大學開展實測研究（2022），在蘇州某數據中心項目中對比了4.5 mm與5.5 mm兩種褶距產品，運行一年後前者壓差增長率高出32%，驗證了過密褶距不利於長期穩定運行。
此外，《暖通空調》雜誌2023年第4期刊登文章指出，目前國內部分廠家盲目追求“高褶數”，導致實際初阻超標，建議製定行業統一的褶距設計導則。
6. 數學建模與仿真分析
基於多孔介質流動理論，建立簡化模型預測初阻力：
$$
Delta P = mu cdot v cdot frac{K_1}{k} + rho cdot v^2 cdot frac{K_2}{sqrt{k}}
$$
其中：
- $ mu $：空氣動力粘度（1.8×10⁻⁵ Pa·s）
- $ rho $：空氣密度（1.2 kg/m³）
- $ k $：濾料滲透率（m²），與孔隙率相關
- $ K_1, K_2 $：經驗係數，由實驗擬合得出
引入褶距修正因子 $ f(S) $：
$$
f(S) = 1 + a left( frac{S_0 – S}{S_0} right)^2
$$
其中 $ S_0 = 5.5,text{mm} $ 為基準值，$ a = 0.35 $ 由回歸分析確定。
經MATLAB編程擬合，理論曲線與實測值相關係數 $ R^2 > 0.94 $，證明模型具有較好預測能力。
同時，采用ANSYS Fluent進行三維CFD仿真，設置邊界條件為入口速度0.8 m/s，出口壓力為大氣壓。湍流模型選用Realizable k-ε模型，壁麵函數為標準壁麵函數。仿真結果顯示：
- 當 $ S = 4.0,text{mm} $ 時，褶間小流通截麵風速達2.1 m/s，形成強烈剪切層；
- 當 $ S = 6.5,text{mm} $ 時，邊緣區域存在低速區（<0.3 m/s），易積塵；
- 佳氣流均勻性出現在 $ S = 5.2–5.8,text{mm} $ 區間。
7. 產品設計建議與參數推薦
結合實驗與仿真結果，提出適用於超低阻高中效過濾器的褶距設計指南：
| 應用場景 | 推薦褶距（mm） | 濾料克重（g/m²） | 目標初阻（Pa） | 備注 |
|---|---|---|---|---|
| 數據中心精密空調 | 5.0–5.5 | 75–85 | ≤70 | 注重低能耗 |
| 醫院潔淨手術部 | 5.5–6.0 | 80–90 | ≤75 | 兼顧效率與壽命 |
| 商業樓宇新風係統 | 5.0–6.0 | 70–80 | ≤65 | 成本敏感型 |
| 工業噴塗車間 | 4.5–5.0 | 90–100 | ≤80 | 高容塵需求 |
此外，建議製造商在設計時考慮以下因素：
- 優先采用波浪形褶型（V型或U型）以改善氣流導向；
- 對於厚度≥0.6 mm的濾料，宜適當放寬褶距至5.5 mm以上；
- 在高濕環境中應避免過小褶距以防結露堵塞。
8. 結論與展望（略去結語部分）
參考文獻
- ISO 16890:2016, Air filters for general ventilation — Classification, performance assessment and marking. International Organization for Standardization, 2016.
- ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2017.
- Li, X., Zhang, Y., & Wang, J. (2019). "Optimization of pleated filter geometry for low pressure drop and high efficiency." Journal of the International Society for Respiratory Protection, 36(2), 45–58.
- Fraunhofer IBP. (2018). Energy-efficient HVAC filtration systems: Design guidelines and field testing results. Report No. FHR-2018-007.
- 張寅平, 劉曉華, 江億. (2021). “基於CFD模擬的高效過濾器內部流場特性研究.” 《建築科學》，37(4), 12–19.
- 江蘇雪倫科技股份有限公司. (2022). 《F7級超低阻過濾器現場運行性能評估報告》. 內部技術資料.
- Toray Industries, Inc. (2020). Japanese Patent Application JP2020156789A – Pleated air filter with variable pitch structure.
- COST Action TU1406. (2017). Performance Assessment of Urban Open-Air Built Environment. European Cooperation in Science and Technology.
- GB/T 14295-2019, 《空氣過濾器》. 中國國家標準化管理委員會.
- GB/T 6165-2021, 《高效和超高效空氣過濾器性能試驗方法》. 中國標準出版社.
相關術語解釋
初阻力（Initial Resistance）：指新過濾器在額定風量下運行時測得的壓力損失，單位為帕斯卡（Pa），是衡量過濾器能耗的重要指標。
褶距（Pleat Spacing）：相鄰兩個濾料褶皺之間的中心距離，直接影響過濾麵積與氣流分布。
計重效率（Arrestance Efficiency）：按照ASHRAE 52.2標準，指過濾器對人工塵的重量捕集率，常用於評估中效過濾器性能。
超低阻過濾器：指在滿足相應過濾等級的前提下，初始阻力顯著低於常規產品的過濾裝置，一般要求F7級初阻≤80 Pa。
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