多袋式F8中效過濾器在大風量係統中的氣流均勻性設計 一、引言 隨著現代工業、醫療、潔淨室及大型商業建築對空氣質量要求的日益提高，通風與空調係統（HVAC）中的空氣過濾技術成為保障室內空氣質量（IAQ...
多袋式F8中效過濾器在大風量係統中的氣流均勻性設計
一、引言
隨著現代工業、醫療、潔淨室及大型商業建築對空氣質量要求的日益提高，通風與空調係統（HVAC）中的空氣過濾技術成為保障室內空氣質量（IAQ）的關鍵環節。在眾多過濾器類型中，多袋式F8中效過濾器因其高容塵量、低阻力、長壽命和良好的過濾效率，被廣泛應用於大風量通風係統中。然而，在大風量工況下，如何確保氣流在過濾器表麵的均勻分布，避免局部氣流短路、壓降不均或過濾效率下降，成為係統設計中的核心挑戰。
本文將圍繞多袋式F8中效過濾器在大風量係統中的氣流均勻性設計展開深入探討，結合國內外研究成果與工程實踐，分析影響氣流分布的關鍵因素，提出優化設計策略，並輔以產品參數與性能數據，為相關工程應用提供理論支持與實踐指導。
二、多袋式F8中效過濾器概述
2.1 定義與分類
根據歐洲標準EN 779:2012（已被EN ISO 16890:2016取代）及中國國家標準GB/T 14295-2019《空氣過濾器》，F8屬於中效過濾器範疇，其計重效率≥90%（ASHRAE Dust Spot法），對粒徑≥1μm顆粒物的過濾效率可達80%~90%。多袋式結構通過多個濾袋並聯布置，顯著增加有效過濾麵積，降低麵風速，從而減少係統壓降，延長使用壽命。
2.2 結構特點
多袋式F8過濾器通常由以下幾部分組成：
- 框架：采用鍍鋅鋼板、鋁型材或不鏽鋼材質，確保結構強度與耐腐蝕性；
- 濾料：聚酯纖維或玻璃纖維複合材料，經熱熔工藝製成，具備良好容塵能力；
- 濾袋：多個獨立袋狀結構，通過超聲波焊接或縫製固定於框架上；
- 支撐網：內置金屬或塑料網架，防止濾袋在高風速下塌陷；
- 密封條：EPDM或矽膠密封條，確保安裝時氣密性。
三、大風量係統中氣流均勻性的挑戰
3.1 氣流不均的影響
在大風量係統（如風量超過5000 m³/h）中，若氣流在過濾器表麵分布不均，將導致以下問題：
- 局部風速過高：部分濾袋承受過高風速，導致壓降急劇上升，濾料易破損；
- 過濾效率下降：高速區域顆粒物穿透率增加，整體過濾性能降低；
- 容塵量不均衡：某些濾袋提前堵塞，而其他區域仍處於低負荷狀態，造成資源浪費；
- 係統能耗增加：不均勻壓降迫使風機提高功率運行，增加能耗；
- 維護周期縮短：局部堵塞導致頻繁更換，增加運維成本。
3.2 影響氣流均勻性的主要因素
| 影響因素 | 說明 | 來源 |
|---|---|---|
| 進風口氣流分布 | 風管設計不合理導致氣流偏斜或渦流 | ASHRAE Handbook 2020 |
| 過濾器安裝間隙 | 安裝不當造成旁通漏風 | DIN 24185:2010 |
| 濾袋數量與排列方式 | 袋數過少或排列不對稱影響分流 | Zhang et al., 2021（清華大學） |
| 麵風速控製 | 超過推薦值（通常≤2.5 m/s）引發不均 | GB/T 14295-2019 |
| 框架剛度與密封性 | 變形或漏風導致氣流短路 | ISO 4414:2015 |
四、多袋式F8過濾器的氣流均勻性設計原則
4.1 優化濾袋布局
濾袋數量與排列方式直接影響氣流分配。研究表明，采用對稱式、交錯排列可有效減少氣流幹涉。例如，6袋式過濾器采用“2-2-2”或“3-3”排列，比“1-5”排列的氣流均勻性提升約35%（Li et al., 2020, 《暖通空調》）。
4.2 控製麵風速
根據ASHRAE標準，中效過濾器推薦麵風速為1.5~2.5 m/s。過高風速會導致濾料變形與壓降不均。設計時應根據總風量與有效過濾麵積計算：
$$
v = frac{Q}{A}
$$
其中：
- $ v $：麵風速（m/s）
- $ Q $：係統風量（m³/s）
- $ A $：有效過濾麵積（m²）
4.3 增設均流裝置
在過濾器前端加裝均流板、導流葉片或蜂窩狀整流器，可顯著改善氣流分布。實驗數據顯示，安裝均流板後，速度不均勻度可從±25%降至±8%以內（Wang et al., 2019, 《建築科學》）。
4.4 提高框架密封性
采用雙道密封結構（如主密封+副密封）可將漏風率控製在0.05%以下（EN 1822:2009）。同時，框架應具備足夠剛度，防止在高風壓下變形。
五、多袋式F8過濾器典型產品參數
下表列出了國內外主流廠商生產的多袋式F8過濾器典型參數，涵蓋不同規格與性能指標。
| 參數 | 6袋式 | 8袋式 | 10袋式 | 12袋式 |
|---|---|---|---|---|
| 外形尺寸（mm） | 592×592×460 | 592×592×610 | 592×592×760 | 592×592×910 |
| 過濾麵積（m²） | 9.8 | 13.2 | 16.5 | 19.8 |
| 初始阻力（Pa） | ≤120 | ≤130 | ≤140 | ≤150 |
| 終阻力（Pa） | 450 | 450 | 450 | 450 |
| 額定風量（m³/h） | 3400 | 4500 | 5600 | 6700 |
| 麵風速（m/s） | 1.6 | 1.8 | 2.0 | 2.2 |
| 過濾效率（F8，≥1μm） | ≥85% | ≥85% | ≥85% | ≥85% |
| 容塵量（g） | ≥800 | ≥1000 | ≥1200 | ≥1400 |
| 框架材質 | 鍍鋅鋼/鋁 | 鍍鋅鋼/鋁 | 鍍鋅鋼/鋁 | 鍍鋅鋼/鋁 |
| 濾料材質 | PET+Glass Fiber | PET+Glass Fiber | PET+Glass Fiber | PET+Glass Fiber |
| 適用標準 | GB/T 14295, EN 779 | GB/T 14295, EN 779 | GB/T 14295, EN 779 | GB/T 14295, EN 779 |
數據來源：Camfil（瑞典）、AAF International（美國）、KLC Filter（中國）、Suzhou Airkey（中國）
六、氣流均勻性評估方法
6.1 測試標準
氣流均勻性通常通過速度場測量進行評估，主要依據以下標準：
- ASHRAE Standard 52.2-2017：測定過濾器性能時的氣流分布要求；
- EN 13053:2006：空調機組中過濾器組件的性能測試；
- GB/T 14295-2019：規定過濾器麵風速均勻性測試方法。
6.2 測量方法
在過濾器迎風麵布置多個風速測點（通常為5×5或7×7網格），使用熱球風速儀或皮托管測量各點風速，計算：
-
平均風速：
$$
bar{v} = frac{1}{n} sum_{i=1}^{n} v_i
$$ -
速度不均勻度：
$$
delta = frac{v{text{max}} – v{text{min}}}{bar{v}} times 100%
$$
根據行業經驗，速度不均勻度應控製在±15%以內，理想狀態下≤±10%。
七、CFD模擬在氣流設計中的應用
近年來，計算流體動力學（CFD）被廣泛應用於過濾器氣流均勻性分析。通過建立三維模型，可直觀展示速度矢量、壓力分布與湍流動能。
7.1 模擬案例
以某8袋式F8過濾器為例，采用ANSYS Fluent進行穩態模擬，邊界條件如下：
- 入口風速：2.0 m/s
- 出口壓力：大氣壓
- 湍流模型：RNG k-ε
- 濾料阻力：多孔介質模型，阻力係數根據實驗標定
模擬結果顯示：
| 區域 | 平均風速（m/s） | 不均勻度（%） | 改進措施 |
|---|---|---|---|
| 無均流板 | 1.8~2.4 | ±22% | 增設均流板 |
| 加均流板 | 1.9~2.1 | ±6% | 優化完成 |
CFD模擬不僅驗證了設計合理性，還為結構優化提供了量化依據（Chen & Liu, 2022, 《流體機械》）。
八、工程應用案例分析
8.1 案例一：某製藥廠潔淨車間HVAC係統
- 係統風量：120,000 m³/h
- 過濾器配置：20台10袋式F8過濾器並聯
- 問題：初期運行時部分過濾器壓降偏高，更換頻繁
- 診斷：CFD模擬發現進風彎頭導致氣流偏斜
- 解決方案：
- 增設導流葉片
- 調整過濾器排列間距
- 安裝均流板
- 效果：壓降差異從35%降至8%，平均使用壽命延長40%
8.2 案例二：某數據中心空調機組
- 係統風量：80,000 m³/h
- 過濾器類型：12袋式F8
- 挑戰：高密度機櫃散熱需求大，風量波動頻繁
- 對策：
- 采用變頻風機配合壓差反饋控製
- 每台過濾器加裝壓差傳感器
- 實現智能清灰提醒
- 成果：氣流均勻性保持在±10%以內，年維護成本降低25%
九、國內外研究進展
9.1 國外研究
- Camfil（瑞典） 在2021年發表研究指出，通過優化濾袋褶皺密度（從18褶/inch提升至22褶/inch），可在相同體積下增加過濾麵積15%，顯著改善氣流分布（Camfil Technical Report, 2021）。
- AAF International（美國） 提出“動態氣流平衡技術”，利用可調導流板實時調節進風氣流，適用於變風量係統（AAF White Paper, 2020）。
9.2 國內研究
- 清華大學建築技術科學係 通過風洞實驗驗證了多袋式過濾器在不同迎角下的性能變化，提出“佳迎風角”概念，建議安裝角度控製在0°±5°（Zhang et al., 2021）。
- 同濟大學暖通研究所 開發了基於機器學習的氣流均勻性預測模型，可提前識別潛在不均區域（Wang et al., 2023, 《暖通空調》）。
十、設計優化建議
為確保多袋式F8過濾器在大風量係統中的氣流均勻性，建議采取以下措施：
- 合理選型：根據係統風量選擇合適袋數與尺寸，避免“小馬拉大車”；
- 優化布局：過濾器陣列應居中布置，前後留有足夠直管段（建議≥5倍當量直徑）；
- 加裝均流裝置：在進風口設置均流板或導流格柵；
- 嚴格安裝：確保過濾器與框架之間無縫隙，使用專用密封膠條；
- 定期檢測：通過壓差計與風速儀定期監測各單元運行狀態；
- 智能監控：集成傳感器與BMS係統，實現遠程監控與預警。
參考文獻
- ASHRAE. (2020). ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
- EN 779:2012. Particulate air filters for general ventilation—Determination of the filtration performance. European Committee for Standardization.
- GB/T 14295-2019. 空氣過濾器. 國家市場監督管理總局, 中國國家標準化管理委員會.
- ISO 16890:2016. Air filters for general ventilation—Classification, performance testing and marking. International Organization for Standardization.
- Camfil. (2021). Optimizing Bag Filter Performance in High Airflow Applications. Camfil Technical Bulletin.
- AAF International. (2020). Dynamic Airflow Balancing in HVAC Systems. AAF White Paper Series.
- Zhang, Y., Li, N., & Chen, H. (2021). "Experimental Study on Airflow Uniformity of Multi-Bag Filters in Cleanrooms." HVAC & Refrigeration Research, 27(4), 345–352. doi:10.1080/10789669.2021.1891234
- Wang, L., Liu, X., & Zhao, J. (2019). "CFD Simulation and Optimization of Air Distribution in Bag Filters." Journal of Building Science, 35(6), 78–85. （建築科學，2019年第6期）
- Li, M., Wu, Q., & Sun, Y. (2020). "Influence of Bag Arrangement on Flow Distribution in Multi-Bag Filters." Heating, Ventilating & Air Conditioning, 50(3), 112–118. （暖通空調，2020年第3期）
- Chen, R., & Liu, Z. (2022). "Application of CFD in Air Filter Design Optimization." Fluid Machinery, 50(8), 45–50. （流體機械，2022年第8期）
- DIN 24185:2010. Air handling units—Requirements and testing. Deutsches Institut für Normung.
- ISO 4414:2015. Pneumatics—General rules relating to installations. International Organization for Standardization.
- Wang, J., Zhang, K., & Huang, Y. (2023). "Machine Learning-Based Prediction of Airflow Uniformity in HVAC Filters." HVAC & Refrigeration, 53(2), 67–74. （暖通空調，2023年第2期）
- 百度百科. 多袋式過濾器. http://baike.baidu.com/item/多袋式過濾器 （訪問日期：2024年6月）
- 同濟大學暖通研究所. (2023). 《智能通風係統氣流調控技術研究報告》. 上海：同濟大學出版社.
（全文約3,600字）
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