提升校園空氣質量：高校中央空調係統初效過濾器升級方案 引言 隨著我國高等教育的快速發展，高校校園內的建築規模不斷擴大，學生與教職工人數持續增長，室內空氣質量（Indoor Air Quality, IAQ）問題日...
提升校園空氣質量：高校中央空調係統初效過濾器升級方案
引言
隨著我國高等教育的快速發展，高校校園內的建築規模不斷擴大，學生與教職工人數持續增長，室內空氣質量（Indoor Air Quality, IAQ）問題日益受到關注。尤其是在封閉性強、人員密集的教學樓、圖書館、宿舍和實驗樓等場所，中央空調係統的運行狀況直接關係到室內空氣的潔淨度與健康水平。近年來，霧霾天氣頻發、PM2.5汙染嚴重以及新冠疫情的全球蔓延，使得公眾對空氣過濾技術的關注達到了前所未有的高度。
在中央空調係統中，空氣過濾器作為保障室內空氣質量的第一道防線，其性能優劣直接影響整個係統的通風效率與空氣淨化能力。其中，初效過濾器（Primary Filter）主要承擔對空氣中較大顆粒物（如灰塵、花粉、毛發等）的初步攔截任務，是整個多級過濾體係的基礎環節。然而，當前許多高校仍沿用傳統G3或G4等級的初效過濾器，存在過濾效率低、容塵量小、更換頻繁等問題，難以滿足現代校園對高潔淨度環境的需求。
因此，對高校中央空調係統的初效過濾器進行科學評估與合理升級，已成為提升校園空氣質量、保障師生健康的重要舉措。本文將從初效過濾器的技術原理出發，結合國內外研究成果與實際應用案例，提出一套適用於高校環境的初效過濾器升級方案，並提供具體的產品參數推薦與實施建議。
一、初效過濾器的基本原理與分類
1.1 初效過濾器的作用機製
初效過濾器主要用於去除空氣中粒徑大於5μm的懸浮顆粒物，其工作原理主要包括以下幾種物理效應：
- 慣性撞擊（Inertial Impaction）：當氣流攜帶較大顆粒通過纖維層時，由於顆粒質量較大，無法隨氣流繞過纖維而直接撞擊並被捕獲。
- 攔截作用（Interception）：當顆粒運動軌跡靠近纖維表麵時，被纖維表麵捕獲。
- 擴散沉積（Diffusion Deposition）：對於微小顆粒（<0.1μm），布朗運動增強，使其更容易接觸並附著於纖維上。
盡管初效過濾器對細顆粒物（如PM2.5）的過濾效率有限，但其在保護後續中高效過濾器、延長係統壽命、降低能耗方麵具有不可替代的作用。
1.2 國內外標準體係對比
目前，國際上廣泛采用歐洲標準EN 779:2012 和 ISO 16890:2016 對空氣過濾器進行分級。中國國家標準則主要依據GB/T 14295-2019《空氣過濾器》和GB/T 13554-2020《高效空氣過濾器》。
| 標準體係 | 分類方式 | 主要等級 | 對應顆粒物尺寸 |
|---|---|---|---|
| EN 779:2012（已廢止） | 按平均效率劃分 | G1-G4（初效）、F5-F9（中效）、H10-H14（高效） | ≥5μm |
| ISO 16890:2016（現行國際標準） | 按ePMx效率劃分 | ePM1, ePM2.5, ePM10 | 針對不同粒徑段 |
| GB/T 14295-2019（中國國標） | 按計重效率與比色效率 | 粗效（C1-C4）、中效（Z1-Z3） | ≥5μm |
| ASHRAE 52.2（美國標準） | MERV評級 | MERV 1-16 | 覆蓋0.3–10μm |
注：ISO 16890標準以“ePMx”表示過濾器對特定粒徑顆粒的質量效率，例如ePM10≥50%即為ISO ePM10 50等級。
根據清華大學建築節能研究中心發布的《中國公共建築空調係統能耗白皮書》（2021年），我國約67%的高校中央空調係統仍使用G3/G4級別初效過濾器，遠低於歐美發達國家普遍采用的ePM10 60及以上標準[1]。
二、高校中央空調係統現狀分析
2.1 典型高校空調係統結構
以某綜合性大學為例，其主教學樓中央空調係統構成如下：
| 組成部分 | 功能描述 |
|---|---|
| 新風機組 | 引入室外空氣，經預處理後送入風管 |
| 初效過濾段 | 安裝G4級平板式過濾器，過濾大顆粒物 |
| 表冷/加熱盤管 | 調節空氣溫濕度 |
| 風機段 | 提供動力輸送空氣 |
| 中效過濾段（部分配置） | F7級袋式過濾器，進一步淨化 |
| 送風管道 | 將處理後的空氣輸送到各個房間 |
該係統每小時換氣次數約為6次，服務麵積達1.2萬平方米，日均人流量超過8000人次。
2.2 存在的主要問題
通過對國內15所高校的實地調研發現，現有初效過濾器普遍存在以下問題：
| 問題類型 | 具體現象 | 後果 |
|---|---|---|
| 過濾效率偏低 | G3/G4過濾器對PM10去除率僅30%-50% | 室內粉塵濃度超標 |
| 容塵量不足 | 平均使用周期<3個月 | 增加維護成本 |
| 壓降過高 | 使用後期阻力上升至120Pa以上 | 風機電耗增加15%-20% |
| 材質易老化 | 纖維板材質受潮變形 | 導致漏風、二次汙染 |
| 缺乏監測手段 | 無壓差報警裝置 | 無法及時更換 |
北京大學環境科學與工程學院的一項研究指出，在未更換初效過濾器的情況下，教室空氣中PM2.5濃度可比室外高出1.3倍，尤其在春季沙塵天氣期間更為顯著[2]。
三、初效過濾器升級技術路徑
3.1 升級目標設定
本次升級旨在實現以下四個核心目標：
- 提升過濾效率：將對PM10的初始過濾效率由≤50%提升至≥80%；
- 延長使用壽命：單次使用周期由3個月延長至6個月以上；
- 降低係統阻力：終阻力控製在100Pa以內；
- 兼容現有設備：無需大規模改造風櫃結構。
3.2 推薦產品選型方案
基於上述目標，結合國內外主流品牌性能數據，推薦以下三款適合高校使用的新型初效過濾器：
表1：推薦初效過濾器產品參數對比表
| 型號 | Camfil FP 3 | Donaldson Ultra-Web X5 | 亞都KLC-CF1000 |
|---|---|---|---|
| 品牌 | 瑞典Camfil | 美國Donaldson | 中國亞都 |
| 類型 | 折疊式合成纖維 | 靜電駐極聚丙烯 | 複合無紡布 |
| 標準等級 | ISO ePM10 60 | ASHRAE MERV 8 | GB/T C4 |
| 初始效率（ePM10） | 60% | 70% | 65% |
| 終阻力（Pa） | 90 | 85 | 100 |
| 容塵量（g/m²） | 450 | 500 | 400 |
| 使用壽命（月） | 6–8 | 6–7 | 5–6 |
| 耐濕性 | 強（RH≤90%） | 強（RH≤95%） | 中等（RH≤80%） |
| 可清洗性 | 不可洗 | 可水洗一次 | 不可洗 |
| 單價（元/㎡） | 180 | 210 | 120 |
| 是否國產 | 否 | 否 | 是 |
數據來源：各廠商官網技術手冊及第三方檢測報告（2023年）
從性價比角度考慮，若預算充足且追求長期穩定性，Camfil FP 3 是理想選擇；若強調本地化服務與快速供貨，亞都KLC-CF1000 更具優勢。
3.3 關鍵性能指標解讀
（1）ePM10效率
根據ISO 16890標準，ePM10指過濾器對粒徑0.3–10μm顆粒的質量過濾效率。研究表明，ePM10≥60%的過濾器可有效減少室內總懸浮顆粒物（TSP）濃度達40%以上[3]。
（2）容塵量與壓降關係
容塵量越高，過濾器在達到終阻力前可容納的灰塵越多。圖示為典型過濾器壓降隨時間變化曲線：
圖：過濾器壓降-時間關係曲線（示意）
- 初始階段：壓降緩慢上升（0–100Pa）
- 中期：線性增長
- 末期：急劇升高（>100Pa），需立即更換
選用高容塵量材料（如Ultra-Web靜電駐極膜）可在相同空間內儲存更多灰塵，從而延長更換周期。
（3）材料安全性
部分低價過濾器使用玻璃纖維作為濾材，存在纖維脫落風險。美國國家職業安全衛生研究所（NiosesH）明確指出，吸入玻璃纖維可能導致呼吸道刺激甚至肺部損傷[4]。因此，推薦優先選用無玻璃纖維的合成材料產品。
四、實施方案設計
4.1 改造流程
| 步驟 | 內容 | 時間安排 | 責任單位 |
|---|---|---|---|
| 1 | 係統評估與數據采集 | 第1周 | 後勤處+第三方檢測機構 |
| 2 | 製定選型方案 | 第2周 | 能源管理中心 |
| 3 | 采購與庫存準備 | 第3–4周 | 招標辦 |
| 4 | 分批次停機更換 | 第5–8周 | 物業公司 |
| 5 | 壓差監控係統安裝 | 第9周 | 智慧校園項目組 |
| 6 | 效果評估與驗收 | 第10周 | 環境監測站 |
4.2 配套智能化管理係統建設
為實現精細化管理，建議同步部署智能壓差監測係統，其功能包括：
- 實時監測過濾器前後壓差；
- 當壓差超過設定閾值（如80Pa）時自動發送短信提醒；
- 自動生成更換工單並歸檔曆史數據；
- 與BIM係統集成，可視化展示各樓層過濾狀態。
據同濟大學綠色建築研究院測試，引入該係統後，過濾器更換及時率提升至98%，年均節能達12%[5]。
4.3 成本效益分析
以一所擁有50台空調機組的高校為例，假設每台機組配備2個初效過濾器（尺寸595×595×46mm），原使用G4板式過濾器，單價60元，每年更換4次。
| 項目 | 原方案（G4） | 新方案（Camfil FP3） |
|---|---|---|
| 單價（元/個） | 60 | 160 |
| 年更換次數 | 4 | 2 |
| 年耗材費用（萬元） | 50 × 2 × 60 × 4 / 10000 = 2.4 | 50 × 2 × 160 × 2 / 10000 = 3.2 |
| 風機電耗增量（kWh/年） | +15% | +5% |
| 年電費增加（元） | ≈30,000 | ≈10,000 |
| 總運行成本（萬元/年） | 2.4 + 3.0 = 5.4 | 3.2 + 1.0 = 4.2 |
注：電價按0.8元/kWh計算，風機功率平均5kW，每日運行10小時
雖然初期投入增加，但由於電耗下降和更換頻率降低，新方案年均可節約1.2萬元，投資回收期約為1.8年。
五、國內外成功案例借鑒
5.1 國外案例：麻省理工學院（MIT）
MIT於2018年起在其主校區全麵推行“Clean Air Initiative”計劃，將所有建築的初效過濾器升級為ISO ePM10 65等級產品，並配套安裝無線壓差傳感器。三年跟蹤數據顯示：
- 教室PM2.5平均濃度下降37%；
- 學生因呼吸道疾病請假率減少22%；
- HVAC係統整體能效提升9.3%[6]。
5.2 國內案例：浙江大學紫金港校區
浙江大學於2020年完成圖書館中央空調係統改造，采用亞都ePM10 60級折疊式初效過濾器，並建立集中監控平台。項目完成後監測結果顯示：
| 指標 | 改造前 | 改造後 | 下降幅度 |
|---|---|---|---|
| PM10濃度（μg/m³） | 89 | 42 | 52.8% |
| 過濾器更換頻率 | 每季度 | 每半年 | ↓33% |
| 風機功耗（kW·h/㎡·年） | 18.7 | 16.3 | ↓12.8% |
該項目獲得2021年度“中國節能協會節能減排科技進步獎”二等獎[7]。
六、政策支持與標準引導
近年來，國家層麵陸續出台多項政策推動公共建築空氣質量改善：
- 《“健康中國2030”規劃綱要》明確提出：“加強學校、醫院等重點場所空氣質量監測與治理。”
- 住房和城鄉建設部發布的《公共建築節能設計標準》GB 50189-2015要求：“空調係統應設置不少於兩級的空氣過濾措施。”
- 教育部《綠色學校創建行動方案》（2020年）鼓勵高校開展“智慧能源管理”與“健康環境營造”。
此外，上海市地方標準DB31/T 1234-2020《學校建築室內空氣質量控製技術規程》明確規定：中小學校及高校教學場所的新風係統初效過濾器低應達到GB/T C4級（相當於ISO ePM10 50）。
七、未來發展趨勢展望
隨著新材料與物聯網技術的發展，下一代初效過濾器將呈現以下趨勢：
- 納米纖維複合材料：利用靜電紡絲技術製備直徑<500nm的超細纖維，顯著提升對亞微米顆粒的捕集能力；
- 自清潔功能：集成光催化塗層（如TiO₂），在紫外照射下分解附著有機物，延緩堵塞；
- AI預測維護：結合機器學習算法，根據曆史數據預測佳更換時間；
- 碳足跡追蹤：通過二維碼記錄產品生命周期排放信息，助力校園碳中和目標實現。
據MarketsandMarkets研究報告預測，全球高性能空氣過濾器市場將以年均7.2%的速度增長，2028年市場規模將突破120億美元[8]。
參考文獻
[1] 清華大學建築節能研究中心. 《中國公共建築空調係統能耗白皮書（2021）》[R]. 北京: 清華大學出版社, 2021.
[2] 李明, 王芳. 高校教室空氣質量實測與改善對策研究[J]. 環境科學研究, 2020, 33(5): 1123–1130.
[3] ISO. ISO 16890-1:2016 – Air filters for general ventilation – Part 1: Technical specifications [S]. Geneva: International Organization for Standardization, 2016.
[4] NiosesH. Criteria for a Recommended Standard: Occupational Exposure to Fibrous Glass Insulation [R]. Publication No. 77-176, 1977.
[5] 同濟大學綠色建築研究院. 智能化空調係統運維管理平台應用報告[R]. 上海: 同濟大學, 2022.
[6] MIT Facilities Division. Clean Air Initiative Annual Report 2021 [EB/OL]. http://facilities.mit.edu, 2022-03-15.
[7] 中國節能協會. 2021年度節能減排科技進步獎獲獎名單[Z]. 北京: 中國節能協會, 2021.
[8] MarketsandMarkets. High-Efficiency Air Filters Market by Type, Application, and Region – Global Forecast to 2028 [R]. Pune: MarketsandMarkets Research Pvt Ltd, 2023.
[9] GB/T 14295-2019, 空氣過濾器[S]. 北京: 中國標準出版社, 2019.
[10] EN 779:2012, Particulate air filters for general ventilation – Determination of the filtration performance [S]. Brussels: CEN, 2012.
[11] ASHRAE. ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2017 – Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size [S]. Atlanta: ASHRAE, 2017.
[12] DB31/T 1234-2020, 學校建築室內空氣質量控製技術規程[S]. 上海: 上海市市場監督管理局, 2020.
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