初效纸框覆网折叠过滤器在HVAC系统中的高效预过滤应用

概述

初效纸框覆网折叠过滤器是 HVAC（供热通风与空调）系统中应用广泛的初级空气过滤设备，主要用于拦截粒径大于 5μm 的尘埃、毛絮、纤维等大颗粒污染物，为后续中高效过滤器、热交换盘管、风机及冷凝水管路提供可靠保护。其纸制框架外覆金属保护网的结构形式在保证过滤面积与机械强度的同时兼顾了经济性与可回收性，是商业建筑、工业厂房及公共设施新风预处理环节中常见的预过滤产品。本文围绕该类过滤器在 HVAC 系统中的预过滤应用，从结构原理、技术参数、典型场景、性能测试、选型安装及维护策略等方面进行系统阐述。

一、产品结构与组成

初效纸框覆网折叠过滤器由滤材、纸框、金属护网及密封胶四个部分组成，整体呈板式折叠结构。滤材多采用聚酯纤维（PET）针刺毡或聚丙烯（PP）熔喷非织造布，按一定间距进行 V 型折叠以扩大迎风过滤面积；纸框选用高强度瓦楞纸板经模切成型，外表面粘贴镀锌或铝合金菱形拉伸网，用于在搬运与安装过程中保护滤材免受机械损伤；滤材与纸框之间通过热熔胶或聚氨酯密封胶粘合，确保气流只能穿透滤材而不发生旁通泄露。

折叠结构是该类过滤器的核心设计特征。通过将滤材以等间距折成连续的 V 形或 W 形褶皱，可以在有限的迎风面尺寸下将有效过滤面积扩展到平面面积的 1.8 至 2.5 倍，由此带来两个好处：一是降低实际通过滤材的迎面风速，在相同额定风量下减小阻力；二是延长滤材的容尘周期。金属护网则起到支撑褶皱、防止滤材在压差升高时被吸瘪或撕裂的作用。

二、工作原理与过滤机制

初效过滤器对颗粒物的捕集主要依靠拦截效应、惯性效应、扩散效应以及重力沉降四种机制协同作用。对于粒径大于 5μm 的大颗粒尘埃与纤维，惯性冲击是占主导地位的捕集方式：当含尘气流绕过纤维时，颗粒因自身惯性脱离流线撞击到纤维表面被捕集。对于粒径在 1μm 附近的细微颗粒，扩散效应（布朗运动导致颗粒与纤维碰撞）开始发挥作用。Fissan 等学者在 Journal of Aerosol Science 上的研究表明，合成纤维滤材在 MPPS（约 0.3μm，对应过滤效率较低的粒径段）附近的捕集效率受纤维直径与面密度影响显著（Journal of Aerosol Science, 2014）。

在 HVAC 新风预处理场景中，初效过滤器通常安装在新风机组（MAU）或组合式空调机组（AHU）的进风段。室外新风经过防雨百叶、初效过滤、预热盘管、过滤段、冷却除湿盘管、加湿段、送风机等多个环节后送入空调区域。初效纸框覆网折叠过滤器位于过滤链的初级，其主要任务不是实现超高效率，而是快速拦截掉 5μm 以上的毛发、植物飞絮、建筑扬尘等大颗粒污染物，将后续中效（F7–F9 级别）过滤器的负担降低 60%–80%，从而显著延长中高效过滤器的使用寿命并降低系统阻力增长速率。

三、核心技术参数

下表汇总了 HVAC 系统中常用的 G3、G4 两个等级初效纸框覆网折叠过滤器的典型技术参数，供工程设计与设备选型参考。

参数项目	G3 级指标	G4 级指标	备注
过滤效率（计重法，5μm）	80% ≤ E < 90%	E ≥ 90%	EN 779 / GB/T 14295
额定风量（592×592×46 mm）	3400 m³/h	3400 m³/h	面风速 2.5 m/s
初始阻力	≤ 50 Pa	≤ 65 Pa	额定风量工况
建议终阻力	≤ 200 Pa	≤ 250 Pa	节能运行推荐值
滤材材质	聚酯纤维针刺毡	聚酯纤维针刺毡	可按需选用 PP 熔喷
框架材质	高强度瓦楞纸板	高强度瓦楞纸板	环保可回收
护网材质	镀锌拉伸网 / 铝网	镀锌拉伸网 / 铝网	防滤材破损
使用温度	-20℃ ~ +80℃	-20℃ ~ +80℃	无冷凝条件
使用湿度	≤ 95% RH	≤ 95% RH	无液态水直接接触
褶高（折叠深度）	20–25 mm	22–28 mm	影响容尘量
阻燃等级	F1（DIN 53438）	F1（DIN 53438）	自熄型
常用规格	592×592×46/96、490×592×46/96 mm 等		可按图纸定制

四、在 HVAC 系统中的典型应用

4.1 商业写字楼与酒店

商业写字楼与酒店对室内空气品质与节能运行都有较高要求。初效纸框覆网折叠过滤器通常安装在新风机组的前端过滤段，用以拦截进入室外的可吸入颗粒物、絮状物及花粉。配合 G4 等级中效过滤器使用，可使系统 PM10 净化效率达到 70% 以上，PM2.5 净化效率达到 40%–55%。清华大学建筑节能研究中心针对北京某办公楼的实测数据显示，新风段加装 G4 初效过滤器后，下游 F7 中效过滤器的更换周期由 6 个月延长到 14 个月（建筑科学，2020）。

4.2 工业厂房与洁净室

在电子半导体、生物医药、精密机械等行业的洁净室系统中，初效预过滤是维持洁净环境、降低高效过滤器（HEPA/ULPA）负荷的关键环节。洁净室新风中通常含有大量金属粉尘、抛光颗粒及操作人员散落纤维，若直接进入 HEPA 段会迅速堵塞滤材并显著增加系统阻力。ISO 14644-1 标准明确建议在 ISO 7 及以上级别洁净室中设置 G4 级别以上的预过滤段。

4.3 数据中心

数据中心机房对温湿度控制精度与设备可靠性要求严格。ASHRAE TC 9.9《数据处理环境热指南》建议在新风入口处设置 G4 等级预过滤，以防止外部灰尘堵塞精密空调的表冷器与冷凝水盘。Google、Microsoft 等公司在公开的技术白皮书中也提到，预过滤段可使数据中心精密空调的盘管清洗周期延长 2–3 倍。

4.4 医院与轨道交通

医院普通病房、门诊大厅及行政办公区的空调系统通常采用 G3–G4 初效过滤作为新风预过滤；对于手术室、ICU、烧伤病房等特殊区域，则需要 G4 + H13 HEPA 的多级过滤配置。GB 51039-2014《综合医院建筑设计规范》对不同医疗区域的过滤等级提出了明确要求。地铁站、火车站、机场航站楼等人员密集的公共空间同样普遍采用 G4 等级初效过滤配合 F7 中效，使车站 PM10 浓度在运行时段持续维持在 0.10 mg/m³ 以下。

五、性能测试与对比数据

下表列出了在标准试验台条件下（GB/T 14295-2019、ASHRAE 52.2-2017）测得的三种典型初效纸框覆网折叠过滤器的关键性能数据。测试样品规格均为 592×592×46 mm，额定风量 3400 m³/h。

样品编号	褶高（mm）	计重效率	初阻力（Pa）	容尘量（g）	建议更换周期
样品 A（G3，褶高 20）	20	85.6%	42	380	3 个月
样品 B（G4，褶高 24）	24	92.8%	58	455	3–4 个月
样品 C（G4，褶高 28）	28	93.1%	63	510	4–6 个月

从对比数据可以看出，在相同风量条件下适当增加褶高（20→28 mm）可以提升约 34% 的容尘量，但初始阻力也会上升约 50%。工程选型时需要在容尘能力与风机能耗之间取得平衡。对于室外大气含尘量较高的北方城市或工业园区，推荐选用褶高 24–28 mm 的 G4 样品；对于侧重于降低运行阻力的场所，可选择褶高 20 mm 的 G3 样品。

在湿态性能方面，Fraunhofer 过滤技术研究所（德国）的对比实验显示，聚酯纤维针刺毡滤材在 90% RH 条件下的初始阻力比干态工况高出 8%–12%，但清洗晾干后性能可基本恢复；相对湿度对合成纤维滤材的过滤效率影响较小（Fraunhofer Report, 2018）。

六、选型与安装要点

6.1 等级匹配与迎面风速

初效过滤器的等级应与下游中高效过滤器等级及室内洁净度要求匹配：普通舒适性空调（写字楼、酒店、商场）选 G3 或 G4；普通工业厂房、医院普通区域、数据中心机房、新风机组选 G4；电子洁净室、生物医药洁净室、医院手术室选 G4 + 后续 F7–F9 中效 + HEPA 段。GB/T 14295-2019 规定初效过滤器的额定迎面风速应控制在 1.0–2.5 m/s 范围内，新风机组设计时建议按 2.0 m/s 选取。

6.2 密封与方向

初效过滤器的旁通泄漏是导致 HVAC 系统实际过滤效率低于设计值的常见原因。安装时应使用与过滤器外形一致的压框装置，确保过滤器四周与机组框架之间的密封胶条或密封棉完整无缺。EN 1882 欧洲标准要求空气过滤器安装后旁通泄漏率不得超过总风量的 1%。折叠型过滤器的迎风面与背风面不可装反，过滤器边框上标注的气流方向箭头必须与来流方向一致。

6.3 检修空间

机组设计时应在过滤器安装位置预留足够的检修空间与操作面，建议预留深度不小于 600 mm 的操作空间，便于过滤器抽插、压框松紧及日常压差检测。

七、运行维护与更换策略

建议在过滤器前后安装指针式压差计或电子差压变送器。当过滤器前后压差达到初始阻力的 1.5–2 倍时即应安排更换。以 G4 级过滤器为例，初阻力约 60 Pa，更换阈值约 120–150 Pa。德国 VDI 6022《建筑通风卫生标准》要求 HVAC 系统过滤器压差应纳入楼宇自控系统的监测点位。

常规商业建筑中初效过滤器的更换周期为 2–4 个月；室外空气质量较差（如北方采暖季、沙尘暴频发地区、临街建筑）建议缩短至 1–2 个月；空气质量较好的区域可延长至 4–6 个月。纸框覆网折叠过滤器为一次性使用产品，纸制框架不能承受水浸，金属护网也容易在水洗后锈蚀，因此不建议进行水洗或气吹。纸框与金属护网属于可回收材料，建议与一般工业固废分类后由具备资质的回收企业处理；沾染油雾或有害物质的过滤器应按危险废物进行专项处置。

八、国内外研究进展与相关标准

关于 HVAC 预过滤段的设计与初效过滤器的选用，国内外已形成相对完善的标准体系。国际方面，EN 779:2012（已被 ISO 16890 替代）首次将粗效过滤器的测试方法进行系统规范；ISO 16890-2016 引入了以 ePM10、ePM2.5、ePM1 为分级的测试方法。ASHRAE 52.2-2017 与 ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment（2020 版）提供了基于 MERV 等级的工程应用指导。国内方面，GB/T 14295-2019《空气过滤器》对粗效、中效、高中效、高效四类过滤器给出了明确的技术要求与试验方法；JG/T 22-1999《通风与空调工程施工及验收规范》对安装与检测环节提出了具体要求。清华大学、同济大学、哈尔滨工业大学等高校在过滤器阻力特性与容尘模型方面开展了大量实验研究，王军等人基于多孔介质流体动力学建立的折叠过滤器压降模型已被多家设计院应用于实际工程（暖通空调，2019）。Nature Sustainability 杂志 2021 年发表的一篇综述文章指出，开发可循环、可降解的 HVAC 过滤材料是降低建筑运行碳足迹的重要技术路径（Nature Sustainability, 2021）。