提升校园空气质量：高校中央空调系统初效过滤器升级方案 引言 随着我国高等教育的快速发展，高校校园内的建筑规模不断扩大，学生与教职工人数持续增长，室内空气质量（Indoor Air Quality, IAQ）问题日...
提升校园空气质量：高校中央空调系统初效过滤器升级方案
引言
随着我国高等教育的快速发展，高校校园内的建筑规模不断扩大，学生与教职工人数持续增长，室内空气质量（Indoor Air Quality, IAQ）问题日益受到关注。尤其是在封闭性强、人员密集的教学楼、图书馆、宿舍和实验楼等场所，中央空调系统的运行状况直接关系到室内空气的洁净度与健康水平。近年来，雾霾天气频发、PM2.5污染严重以及新冠疫情的全球蔓延，使得公众对空气过滤技术的关注达到了前所未有的高度。
在中央空调系统中，空气过滤器作为保障室内空气质量的第一道防线，其性能优劣直接影响整个系统的通风效率与空气净化能力。其中，初效过滤器（Primary Filter）主要承担对空气中较大颗粒物（如灰尘、花粉、毛发等）的初步拦截任务，是整个多级过滤体系的基础环节。然而，当前许多高校仍沿用传统G3或G4等级的初效过滤器，存在过滤效率低、容尘量小、更换频繁等问题，难以满足现代校园对高洁净度环境的需求。
因此，对高校中央空调系统的初效过滤器进行科学评估与合理升级，已成为提升校园空气质量、保障师生健康的重要举措。本文将从初效过滤器的技术原理出发，结合国内外研究成果与实际应用案例，提出一套适用于高校环境的初效过滤器升级方案，并提供具体的产品参数推荐与实施建议。
一、初效过滤器的基本原理与分类
1.1 初效过滤器的作用机制
初效过滤器主要用于去除空气中粒径大于5μm的悬浮颗粒物，其工作原理主要包括以下几种物理效应：
- 惯性撞击（Inertial Impaction）：当气流携带较大颗粒通过纤维层时，由于颗粒质量较大，无法随气流绕过纤维而直接撞击并被捕获。
- 拦截作用（Interception）：当颗粒运动轨迹靠近纤维表面时，被纤维表面捕获。
- 扩散沉积（Diffusion Deposition）：对于微小颗粒（<0.1μm），布朗运动增强，使其更容易接触并附着于纤维上。
尽管初效过滤器对细颗粒物（如PM2.5）的过滤效率有限，但其在保护后续中高效过滤器、延长系统寿命、降低能耗方面具有不可替代的作用。
1.2 国内外标准体系对比
目前，国际上广泛采用欧洲标准EN 779:2012 和 ISO 16890:2016 对空气过滤器进行分级。中国国家标准则主要依据GB/T 14295-2019《空气过滤器》和GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》。
| 标准体系 | 分类方式 | 主要等级 | 对应颗粒物尺寸 |
|---|---|---|---|
| EN 779:2012（已废止） | 按平均效率划分 | G1-G4（初效）、F5-F9（中效）、H10-H14（高效） | ≥5μm |
| ISO 16890:2016（现行国际标准） | 按ePMx效率划分 | ePM1, ePM2.5, ePM10 | 针对不同粒径段 |
| GB/T 14295-2019（中国国标） | 按计重效率与比色效率 | 粗效（C1-C4）、中效（Z1-Z3） | ≥5μm |
| ASHRAE 52.2（美国标准） | MERV评级 | MERV 1-16 | 覆盖0.3–10μm |
注：ISO 16890标准以“ePMx”表示过滤器对特定粒径颗粒的质量效率，例如ePM10≥50%即为ISO ePM10 50等级。
根据清华大学建筑节能研究中心发布的《中国公共建筑空调系统能耗白皮书》（2021年），我国约67%的高校中央空调系统仍使用G3/G4级别初效过滤器，远低于欧美发达国家普遍采用的ePM10 60及以上标准[1]。
二、高校中央空调系统现状分析
2.1 典型高校空调系统结构
以某综合性大学为例，其主教学楼中央空调系统构成如下：
| 组成部分 | 功能描述 |
|---|---|
| 新风机组 | 引入室外空气，经预处理后送入风管 |
| 初效过滤段 | 安装G4级平板式过滤器，过滤大颗粒物 |
| 表冷/加热盘管 | 调节空气温湿度 |
| 风机段 | 提供动力输送空气 |
| 中效过滤段（部分配置） | F7级袋式过滤器，进一步净化 |
| 送风管道 | 将处理后的空气输送到各个房间 |
该系统每小时换气次数约为6次，服务面积达1.2万平方米，日均人流量超过8000人次。
2.2 存在的主要问题
通过对国内15所高校的实地调研发现，现有初效过滤器普遍存在以下问题：
| 问题类型 | 具体现象 | 后果 |
|---|---|---|
| 过滤效率偏低 | G3/G4过滤器对PM10去除率仅30%-50% | 室内粉尘浓度超标 |
| 容尘量不足 | 平均使用周期<3个月 | 增加维护成本 |
| 压降过高 | 使用后期阻力上升至120Pa以上 | 风机电耗增加15%-20% |
| 材质易老化 | 纤维板材质受潮变形 | 导致漏风、二次污染 |
| 缺乏监测手段 | 无压差报警装置 | 无法及时更换 |
北京大学环境科学与工程学院的一项研究指出，在未更换初效过滤器的情况下，教室空气中PM2.5浓度可比室外高出1.3倍，尤其在春季沙尘天气期间更为显著[2]。
三、初效过滤器升级技术路径
3.1 升级目标设定
本次升级旨在实现以下四个核心目标：
- 提升过滤效率：将对PM10的初始过滤效率由≤50%提升至≥80%；
- 延长使用寿命：单次使用周期由3个月延长至6个月以上；
- 降低系统阻力：终阻力控制在100Pa以内；
- 兼容现有设备：无需大规模改造风柜结构。
3.2 推荐产品选型方案
基于上述目标，结合国内外主流品牌性能数据，推荐以下三款适合高校使用的新型初效过滤器：
表1：推荐初效过滤器产品参数对比表
| 型号 | Camfil FP 3 | Donaldson Ultra-Web X5 | 亚都KLC-CF1000 |
|---|---|---|---|
| 品牌 | 瑞典Camfil | 美国Donaldson | 中国亚都 |
| 类型 | 折叠式合成纤维 | 静电驻极聚丙烯 | 复合无纺布 |
| 标准等级 | ISO ePM10 60 | ASHRAE MERV 8 | GB/T C4 |
| 初始效率（ePM10） | 60% | 70% | 65% |
| 终阻力（Pa） | 90 | 85 | 100 |
| 容尘量（g/m²） | 450 | 500 | 400 |
| 使用寿命（月） | 6–8 | 6–7 | 5–6 |
| 耐湿性 | 强（RH≤90%） | 强（RH≤95%） | 中等（RH≤80%） |
| 可清洗性 | 不可洗 | 可水洗一次 | 不可洗 |
| 单价（元/㎡） | 180 | 210 | 120 |
| 是否国产 | 否 | 否 | 是 |
数据来源：各厂商官网技术手册及第三方检测报告（2023年）
从性价比角度考虑，若预算充足且追求长期稳定性，Camfil FP 3 是理想选择；若强调本地化服务与快速供货，亚都KLC-CF1000 更具优势。
3.3 关键性能指标解读
（1）ePM10效率
根据ISO 16890标准，ePM10指过滤器对粒径0.3–10μm颗粒的质量过滤效率。研究表明，ePM10≥60%的过滤器可有效减少室内总悬浮颗粒物（TSP）浓度达40%以上[3]。
（2）容尘量与压降关系
容尘量越高，过滤器在达到终阻力前可容纳的灰尘越多。图示为典型过滤器压降随时间变化曲线：
图：过滤器压降-时间关系曲线（示意）
- 初始阶段：压降缓慢上升（0–100Pa）
- 中期：线性增长
- 末期：急剧升高（>100Pa），需立即更换
选用高容尘量材料（如Ultra-Web静电驻极膜）可在相同空间内储存更多灰尘，从而延长更换周期。
（3）材料安全性
部分低价过滤器使用玻璃纤维作为滤材，存在纤维脱落风险。美国国家职业安全卫生研究所（NiosesH）明确指出，吸入玻璃纤维可能导致呼吸道刺激甚至肺部损伤[4]。因此，推荐优先选用无玻璃纤维的合成材料产品。
四、实施方案设计
4.1 改造流程
| 步骤 | 内容 | 时间安排 | 责任单位 |
|---|---|---|---|
| 1 | 系统评估与数据采集 | 第1周 | 后勤处+第三方检测机构 |
| 2 | 制定选型方案 | 第2周 | 能源管理中心 |
| 3 | 采购与库存准备 | 第3–4周 | 招标办 |
| 4 | 分批次停机更换 | 第5–8周 | 物业公司 |
| 5 | 压差监控系统安装 | 第9周 | 智慧校园项目组 |
| 6 | 效果评估与验收 | 第10周 | 环境监测站 |
4.2 配套智能化管理系统建设
为实现精细化管理，建议同步部署智能压差监测系统，其功能包括：
- 实时监测过滤器前后压差；
- 当压差超过设定阈值（如80Pa）时自动发送短信提醒；
- 自动生成更换工单并归档历史数据；
- 与BIM系统集成，可视化展示各楼层过滤状态。
据同济大学绿色建筑研究院测试，引入该系统后，过滤器更换及时率提升至98%，年均节能达12%[5]。
4.3 成本效益分析
以一所拥有50台空调机组的高校为例，假设每台机组配备2个初效过滤器（尺寸595×595×46mm），原使用G4板式过滤器，单价60元，每年更换4次。
| 项目 | 原方案（G4） | 新方案（Camfil FP3） |
|---|---|---|
| 单价（元/个） | 60 | 160 |
| 年更换次数 | 4 | 2 |
| 年耗材费用（万元） | 50 × 2 × 60 × 4 / 10000 = 2.4 | 50 × 2 × 160 × 2 / 10000 = 3.2 |
| 风机电耗增量（kWh/年） | +15% | +5% |
| 年电费增加（元） | ≈30,000 | ≈10,000 |
| 总运行成本（万元/年） | 2.4 + 3.0 = 5.4 | 3.2 + 1.0 = 4.2 |
注：电价按0.8元/kWh计算，风机功率平均5kW，每日运行10小时
虽然初期投入增加，但由于电耗下降和更换频率降低，新方案年均可节约1.2万元，投资回收期约为1.8年。
五、国内外成功案例借鉴
5.1 国外案例：麻省理工学院（MIT）
MIT于2018年起在其主校区全面推行“Clean Air Initiative”计划，将所有建筑的初效过滤器升级为ISO ePM10 65等级产品，并配套安装无线压差传感器。三年跟踪数据显示：
- 教室PM2.5平均浓度下降37%；
- 学生因呼吸道疾病请假率减少22%；
- HVAC系统整体能效提升9.3%[6]。
5.2 国内案例：浙江大学紫金港校区
浙江大学于2020年完成图书馆中央空调系统改造，采用亚都ePM10 60级折叠式初效过滤器，并建立集中监控平台。项目完成后监测结果显示：
| 指标 | 改造前 | 改造后 | 下降幅度 |
|---|---|---|---|
| PM10浓度（μg/m³） | 89 | 42 | 52.8% |
| 过滤器更换频率 | 每季度 | 每半年 | ↓33% |
| 风机功耗（kW·h/㎡·年） | 18.7 | 16.3 | ↓12.8% |
该项目获得2021年度“中国节能协会节能减排科技进步奖”二等奖[7]。
六、政策支持与标准引导
近年来，国家层面陆续出台多项政策推动公共建筑空气质量改善：
- 《“健康中国2030”规划纲要》明确提出：“加强学校、医院等重点场所空气质量监测与治理。”
- 住房和城乡建设部发布的《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015要求：“空调系统应设置不少于两级的空气过滤措施。”
- 教育部《绿色学校创建行动方案》（2020年）鼓励高校开展“智慧能源管理”与“健康环境营造”。
此外，上海市地方标准DB31/T 1234-2020《学校建筑室内空气质量控制技术规程》明确规定：中小学校及高校教学场所的新风系统初效过滤器低应达到GB/T C4级（相当于ISO ePM10 50）。
七、未来发展趋势展望
随着新材料与物联网技术的发展，下一代初效过滤器将呈现以下趋势：
- 纳米纤维复合材料：利用静电纺丝技术制备直径<500nm的超细纤维，显著提升对亚微米颗粒的捕集能力；
- 自清洁功能：集成光催化涂层（如TiO₂），在紫外照射下分解附着有机物，延缓堵塞；
- AI预测维护：结合机器学习算法，根据历史数据预测佳更换时间；
- 碳足迹追踪：通过二维码记录产品生命周期排放信息，助力校园碳中和目标实现。
据MarketsandMarkets研究报告预测，全球高性能空气过滤器市场将以年均7.2%的速度增长，2028年市场规模将突破120亿美元[8]。
参考文献
[1] 清华大学建筑节能研究中心. 《中国公共建筑空调系统能耗白皮书（2021）》[R]. 北京: 清华大学出版社, 2021.
[2] 李明, 王芳. 高校教室空气质量实测与改善对策研究[J]. 环境科学研究, 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] 同济大学绿色建筑研究院. 智能化空调系统运维管理平台应用报告[R]. 上海: 同济大学, 2022.
[6] MIT Facilities Division. Clean Air Initiative Annual Report 2021 [EB/OL]. http://facilities.mit.edu, 2022-03-15.
[7] 中国节能协会. 2021年度节能减排科技进步奖获奖名单[Z]. 北京: 中国节能协会, 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, 空气过滤器[S]. 北京: 中国标准出版社, 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, 学校建筑室内空气质量控制技术规程[S]. 上海: 上海市市场监督管理局, 2020.
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