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数据中心冷却系统的能耗构成中,空气侧阻力所转化的风机功耗占据可观份额。V型塑框过滤器以斜置褶面扩展有效过滤面积,在有限的机组断面内实现偏低的迎面风速,从而兼顾过滤效率与阻力水平。其在风量分配与压降控制上的表现,直接关系到冷通道温度的均衡程度与机组运行的稳定性。
本文从结构特征入手,讨论该类过滤器在机组断面内的气流组织机理,给出气流均匀性的评价指标与现场测试方法,分解压降的构成并建立计算模型,结合褶距、边框密封、组合配置与积尘过程,分析其对阻力与能效的影响,并附工程实测参数对照,供选型与运维参考。
典型机房空调机组由新风段、混合段、过滤段、盘管段与风机段串联组成。过滤段多采用两级配置,前级承担纤维、絮状物与大颗粒拦截,后级承担细颗粒物控制。V型塑框过滤器因单位断面过滤面积较大,适配大风量机组,常置于后级。
风侧阻力由滤材阻力、结构阻力与局部涡流阻力三部分叠加而成。滤材阻力随积尘量上升,结构阻力取决于褶型与框体几何,局部涡流阻力则与断面风速分布的均匀程度密切相关。三者之中,涡流阻力常被忽视,却在中高风速工况下占据相当比重。按《数据中心设计规范》(GB 50174-2017)的要求,空调系统风侧总阻力应与风机压头留有余量。
| 段位 | 配置形式 | 主要功能 | 典型初阻力(Pa) |
|---|---|---|---|
| 前级 | 板式初效或袋式初效 | 拦截纤维、絮状物与大颗粒 | 40~70 |
| 后级 | V型塑框中效 | 控制细颗粒物与滤饼负荷 | 90~140 |
| 末端 | 亚高效或高效 | 冷通道送风末端把关 | 160~250 |
| 旁通 | 检修旁通阀 | 更换期间维持风量 | — |
| 构成项 | 物理来源 | 主要影响因素 | 占比参考 |
|---|---|---|---|
| 滤材阻力 | 纤维对气流的黏性摩擦 | 克重、纤维直径、积尘量 | 50%~60% |
| 结构阻力 | 褶型通道的收缩与扩压 | 褶距、褶高、褶面夹角 | 20%~30% |
| 局部涡流阻力 | 断面偏流与框边绕流 | 风速均匀性、密封状态 | 10%~25% |
该类产品由硬质框体与若干斜置褶面组成,褶面在框内呈V形排布,使气流以一定角度穿过滤材。相同外形尺寸下,其有效过滤面积可达平板式的三至五倍,迎面风速随之降低,滤材表面的粉尘负荷趋于均布,容尘潜力得到释放。
斜置褶面在进风侧形成渐缩通道,气流进入后速度升高、静压下降,穿过滤材后在出口侧扩压回收部分动压。通道的收缩比与褶面夹角决定气流转向的剧烈程度。夹角偏大时转向平缓、涡流损失偏小,但框体厚度增加,占用机组内部空间。其效率分级与阻力测定方法,依《空气过滤器》(GB/T 14295-2008)与欧洲标准 EN 779:2012 执行。
| 参数项 | 常见范围 | 说明 |
|---|---|---|
| 外形尺寸 | 592×592×292 mm | 适配标准机组模数 |
| 褶面数量 | 4~8 组 | 按风量与断面确定 |
| 有效过滤面积 | 6.5~9.0 m² | 同外形平板式的三至五倍 |
| 框体材质 | 镀锌板、铝合金 | 铝合金框体较轻且耐蚀 |
| 滤材 | 合成纤维、玻纤复合 | 按效率等级选用 |
| 额定风量 | 2000~3400 m³/h | 对应迎面风速 1.6~2.7 m/s |
| 初始压降 | 90~140 Pa | 额定风量下测定 |
| 建议终阻力 | 初始值的 1.8~2.0 倍 | 联动压差报警 |
| 褶面夹角 | 框体厚度(mm) | 通道收缩比 | 结构阻力(Pa) | 断面速度偏差率 |
|---|---|---|---|---|
| 30° | 292 | 1.8 | 26 | 12% |
| 45° | 292 | 1.5 | 21 | 9% |
| 60° | 350 | 1.3 | 18 | 8% |
| 75° | 420 | 1.2 | 17% | 7% |

图1 V型塑框过滤器的斜置褶面与硬质框体结构
气流均匀性常用断面风速的相对标准偏差、速度场不均匀系数与面风速偏差率表征,指标数值偏小表示分布趋于一致。工程验收中,通常在被测断面上按等面积网格布置测点,测点数量不少于九点,边角区域应加密。
现场测试需在稳定风量下进行。热式风速仪贴近滤面测量易受扰流影响,宜保持五十毫米以上间距并逐点记录。测试期间应关闭旁通阀与检修门,避免外界气流渗入改变断面流场,同时记录风机频率与环境温度作为修正依据。分级效率的判定参考 ISO 16890-1:2016 与 ASHRAE 52.2-2017 的试验程序,国内则依《高效空气过滤器性能试验方法》GB/T 6165-2008 执行。
| 指标 | 计算方式 | 参考限值 | 适用场合 |
|---|---|---|---|
| 相对标准偏差 | 标准差与平均值之比 | ≤15% | 机组过滤段验收 |
| 速度场不均匀系数 | 各点风速均方根偏差 | ≤0.20 | 风量平衡调试 |
| 面风速偏差率 | 单点与设计值之差占比 | ±12% | 冷通道送风 |
| 温度偏差 | 测点与设定值之差 | ±1.0 ℃ | 机房环境考核 |
| 项目 | 要求 |
|---|---|
| 测点数量 | 不少于 9 点,边角加密 |
| 测点间距 | 不大于 200 mm |
| 仪器距滤面 | 不小于 50 mm |
| 风量波动 | 测试期间不超过 ±5% |
| 旁通与门体 | 全部关闭 |
| 记录内容 | 风速、频率、温度、压差 |

图2 气流穿过滤面时的断面速度分布示意
过滤器压降可用阻力系数与动压的乘积表达,阻力系数由滤材透气度与褶型几何共同决定。工程中更常采用额定风量下的初始压降与建议终阻力两个特征值,前者反映洁净状态,后者作为更换判据,两者共同界定运行区间。
压降随风量的变化接近二次关系,指数通常落在一点六至二点零之间。当断面风速分布不均时,局部高速区先进入湍流过渡状态,其阻力增长快于断面平均值,使整机压降曲线偏离理论二次曲线,这也是实测值常高于计算值的原因之一。许钟麟在《空气洁净技术原理》中指出,过滤器阻力系数并非恒定,其随雷诺数变化而漂移。
| 风量占比 | 实测压降(Pa) | 二次拟合值(Pa) | 偏差 |
|---|---|---|---|
| 60% | 46 | 47 | -2.1% |
| 80% | 78 | 76 | +2.6% |
| 100% | 118 | 118 | 0 |
| 120% | 178 | 170 | +4.7% |
| 140% | 252 | 231 | +9.1% |
| 型式 | 迎面风速(m/s) | 过滤面积(m²) | 初始压降(Pa) | 终阻力(Pa) |
|---|---|---|---|---|
| 平板式 | 2.8 | 2.2 | 185 | 370 |
| 袋式 | 2.4 | 4.5 | 145 | 300 |
| V型塑框 | 1.6 | 7.6 | 110 | 220 |
褶距偏小时单位体积内的过滤面积增大,但褶间通道随之狭窄,气流分配趋于不均,靠近框边的褶谷易形成低速滞止区,粉尘集中沉积。褶距偏大则通道宽敞、分布均匀,代价是同外形下过滤面积减少、迎面风速升高。
褶高影响通道长度与沿程阻力。褶高增大使气流在通道内的停留时间延长,粉尘沉积更充分,容尘量提升,但通道深部的清灰与检漏变得困难。工程实践中,褶高与褶距的比值多控制在八至十二之间,以平衡面积、阻力与可维护性。
| 褶距(mm) | 褶高(mm) | 过滤面积(m²) | 初始压降(Pa) | 速度偏差率 | 容尘量(g) |
|---|---|---|---|---|---|
| 6 | 60 | 8.4 | 132 | 16% | 620 |
| 8 | 72 | 7.7 | 114 | 11% | 680 |
| 10 | 90 | 7.1 | 106 | 8% | 715 |
| 12 | 108 | 6.6 | 101 | 7% | 740 |
旁通泄漏指气流绕过过滤材料,经框体与支架间隙直接通过。泄漏使实测压降偏低,看似阻力改善,实则过滤效率下降,粉尘进入盘管与风机,长期运行会加剧翅片积灰与换热衰减。泄漏量占额定风量百分之三时,整机计数效率可下降一个等级。
密封措施包括框体贴面密封条、螺旋压紧机构与安装框的连续焊接。密封条压缩率宜保持在百分之二十五至三十五,压缩不足易形成缝隙,过度压缩则产生塑性变形而失效。安装框的平面度应控制在每米两毫米以内。
| 密封方式 | 泄漏率 | 压降影响 | 适用场合 |
|---|---|---|---|
| 无密封条 | 4.5% | 实测偏低 8~12 Pa | 不推荐 |
| 单面海绵条 | 2.0% | 偏低 4~6 Pa | 一般通风 |
| 双面橡胶条 | 0.8% | 偏低 1~3 Pa | 机房空调 |
| 液槽或焊接 | ≤0.1% | 可忽略 | 高等级洁净 |
机组断面尺寸确定后,过滤器数量与排布方式决定实际迎面风速。风速偏高时压降与能耗同步上升,偏低则机组体积增大、初投资增加。常规设计中,后级过滤段的迎面风速控制在每秒二点零至二点五米,高风量机组宜取区间下限。
多台并联时须保证各台阻力接近,否则风量向低阻侧偏移,形成偏流,进而放大断面速度偏差。选型时应按同一批次的阻力偏差控制,并在安装后逐台进行风量平衡调试,必要时通过调节阀或均流板修正。
| 迎面风速(m/s) | 单台风量(m³/h) | 初始压降(Pa) | 风机附加功耗(kW) | 年耗电(kWh) |
|---|---|---|---|---|
| 1.6 | 2020 | 110 | 0.19 | 1520 |
| 2.0 | 2520 | 152 | 0.27 | 2160 |
| 2.4 | 3020 | 212 | 0.38 | 3040 |
| 2.8 | 3530 | 288 | 0.52 | 4160 |

图3 机房空调机组内的V型塑框过滤器安装排布
积尘使滤材孔隙率下降,压降随时间呈先缓后急的上升趋势。初期粉尘填充纤维间隙,阻力增长平缓;中期滤饼在表面形成,阻力增速加快;后期表层堵塞,阻力急剧攀升并伴随风量衰减,此时风机虽提高转速仍难维持设计风量。
更换判据通常取初始压降的百分之八十至百分之一百增幅,或达到设定的终阻力值。对连续运行的数据中心,宜采用压差传感器联动报警,并结合定时巡检记录建立趋势曲线,避免仅凭运行时长判断,造成过早更换或超期服役。ASHRAE TC 9.9 白皮书亦建议将过滤器压差纳入机房环境连续监测项,与冷通道温度、湿度同步记录。
| 运行阶段 | 累计运行(月) | 压降(Pa) | 效率变化 | 风量衰减 |
|---|---|---|---|---|
| 洁净期 | 0~2 | 110~125 | 基准 | 0 |
| 初期积尘 | 3~6 | 128~155 | 略升 1~2% | 2%~4% |
| 滤饼形成 | 7~11 | 160~200 | 升 3~5% | 5%~8% |
| 堵塞后期 | 12 以上 | >220 | 波动或下降 | >10% |
风机功耗与风量、压降的乘积成正比,与风机效率成反比。压降每增加五十帕,大风量机组的年耗电量增幅可达可观水平。以全年八千小时连续运行计,压降优化带来的节电收益通常超过滤材本身的采购与更换成本。
经济性核算应综合初投资、更换频次、风机能耗与维护人工。过滤面积较大的产品单价偏高,但更换周期延长、运行阻力偏低,全生命周期成本往往低于低价产品。选型时宜以五年期总成本为比较基准,而非单看单价。蔡杰在《空气过滤器原理与应用》中提出,过滤器经济性应以单位处理风量的年费用衡量,仅比较采购价格易导致误判。
| 成本项 | 平板式 | 袋式 | V型塑框 |
|---|---|---|---|
| 单台单价(元) | 180 | 320 | 480 |
| 年均更换次数 | 2.5 | 1.5 | 0.8 |
| 五年滤材费用(元) | 2250 | 2400 | 1920 |
| 五年风机附加电费(元) | 9400 | 6600 | 4800 |
| 五年维护人工(元) | 1500 | 1000 | 650 |
| 五年总成本(元) | 13150 | 10000 | 7370 |
安装时应保证框体与支架贴合,螺栓均匀紧固,避免单侧过紧导致框体变形。多台叠放时,相邻框体之间应留出检修间隙,便于抽出与复位。斜置褶面的方向须与气流方向一致,装反将显著增加阻力并破坏流场,安装验收可参照《通风与空调工程施工质量验收规范》GB 50243-2016 的相关条款。
运维包括压差监测、定期检漏与更换记录归档。检漏宜在洁净状态下进行,采用发尘后于滤面下游扫描的方式定位泄漏点,发现破损应整台更换而非局部修补。更换后应复测断面风速与压差,确认分布与阻力恢复至设计区间。
| 项目 | 周期 | 判定标准 |
|---|---|---|
| 压差读数记录 | 每周 | 较基准上升不超过 20% |
| 外观与密封检查 | 每季度 | 无破损、无脱条、无变形 |
| 断面风速复测 | 每半年 | 偏差率在 ±12% 以内 |
| 检漏扫描 | 更换后或异常时 | 下游无连续尘迹 |
| 整台更换 | 达终阻力时 | 压降达初始值 1.8~2.0 倍 |
某机房冷却系统改造项目在同等风量下,将后级平板式过滤器替换为V型塑框产品。单台过滤面积由二点二平方米增至七点六平方米,迎面风速由每秒二点八米降至每秒一点六米,初始压降由一百八十五帕降至一百一十帕,风机频率相应下调。
改造后冷通道温度偏差由正负二点一度收敛至正负零点八度,机组噪声下降约三分贝。连续运行十个月后压降升至一百七十六帕,仍低于原方案的初始阻力值,表明阻力裕量充足,更换周期可延长至十四个月左右。
| 参数 | 改造前 | 改造后 | 变化幅度 |
|---|---|---|---|
| 过滤面积(m²) | 2.2 | 7.6 | +245% |
| 迎面风速(m/s) | 2.8 | 1.6 | -43% |
| 初始压降(Pa) | 185 | 110 | -41% |
| 断面速度偏差率 | 21% | 9% | -12 个百分点 |
| 冷通道温度偏差(℃) | ±2.1 | ±0.8 | 收敛 62% |
| 风机运行频率(Hz) | 50 | 44 | -12% |
| 机组噪声(dB(A)) | 78 | 75 | -3 |
上述结果表明,V型塑框过滤器通过扩大有效过滤面积降低迎面风速,在改善断面气流均匀性的同时压低压降,其对风机能耗与冷通道温度均衡的改善具有可测量性。选型时应结合机组断面、风量裕量与积尘速率综合确定褶型参数,并通过实测校核设计假设,方能将结构优势转化为稳定的运行收益。
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