初效纸框覆网折叠过滤器结构优化对容尘量与压降的影响

初效纸框覆网折叠过滤器结构优化对容尘量与压降的影响

在暖通空调（HVAC）系统与工业洁净室的空气处理流程中，初效过滤器承担着拦截大粒径颗粒物、保护下游中高效过滤段以及延长主机设备使用寿命的重要职责。初效纸框覆网折叠过滤器因制造成本适中、安装更换便捷、适用范围广等特点，成为商业建筑、轨道交通、医疗机构、数据中心等场所常用的预过滤设备。随着建筑节能与运维成本控制要求的不断提高，如何在保证过滤效率的前提下提升容尘量并控制运行压降，成为该类过滤器结构设计中的关键课题。本文围绕初效纸框覆网折叠过滤器的结构优化展开讨论，通过理论分析与实验测试相结合的方式，探讨褶皱间距、覆网支撑、滤材选型等关键参数对容尘量与压降的影响规律，为工程选型与产品改进提供参考。

一、产品结构与工作原理

初效纸框覆网折叠过滤器主要由纸质边框、折叠式滤材、覆网支撑层以及密封胶条构成。滤材通常采用聚酯纤维针刺毡或玻璃纤维毡，经过折叠工艺形成多道均匀褶皱后装入纸框内，迎风面与出风面分别配置支撑网，用于防止滤材在高速气流作用下发生变形或塌陷。过滤器工作时，含尘气流以设定速度通过褶皱通道，颗粒物在拦截、惯性碰撞、扩散效应以及重力沉降等多种机制共同作用下，被捕集于滤材表面与纤维内部。

覆网结构是该类过滤器区别于普通板式过滤器的重要特征。支撑网多采用镀锌钢丝网或聚丙烯挤出网，能够在不显著增加阻力的前提下为滤材提供机械支撑，并使褶皱在整个容尘过程中保持均匀的张开状态。Hinds（1999）在《Aerosol Technology》中指出，纤维过滤材料的压降与滤材厚度、孔隙率以及气流速度密切相关，而合理的支撑结构有助于维持滤材的几何稳定性，从而使阻力增长曲线趋于平缓。清华大学建筑技术科学系的研究团队（2020）在《暖通空调》期刊中也提到，褶皱几何参数的选取会直接影响折叠型过滤器的容尘分布均匀性。

二、影响容尘量与压降的关键因素

容尘量是指过滤器在达到规定终止阻力之前所能捕集的灰尘总质量，是衡量过滤器使用寿命与维护周期的重要指标；压降则反映气流通过过滤器时的能量损失，直接影响风机运行能耗。二者受多项结构参数共同作用，以下分别说明。

1. 褶皱间距

褶皱间距决定了单位迎风面积内滤材的展开面积。较小的间距可以在有限的边框内布置更多滤材，降低迎面风速，从而延长容尘周期；但间距过小会导致褶皱之间的容尘空间不足，灰尘容易在褶皱尖端堆积并快速堵塞气流通道，反而使阻力迅速上升。Chen 等（2018）在《Separation and Purification Technology》发表的研究表明，褶皱间距存在一个相对合理的区间，在该区间内过滤器的容尘量与阻力特性可以获得较好的平衡。

2. 覆网形式与目数

覆网不仅起到支撑作用，还会对气流产生局部扰动。目数较高的细密网虽能增强滤材的支撑效果，但也会引入额外的附加阻力；目数过低的网则在容尘后期难以约束滤材形变。因此覆网的选型需要在机械强度与气流阻力之间寻求平衡。

3. 滤材面密度与纤维直径

滤材的面密度越高，通常容尘能力越强，但初始阻力也会随之增加。纤维直径减小有助于提高对细颗粒的捕集效率，但同时会抬升压降。工程实践中常根据目标粒径分布与运行风量综合确定滤材规格。

4. 边框密封与安装方式

纸框与滤材之间的密封质量直接影响旁通风量。旁通不仅降低整体过滤效率，还会造成局部高速气流，加剧滤材磨损。标准化的卡扣式或滑槽式安装方式，可有效减少因安装不当造成的密封失效问题。

三、结构优化方向与设计方案

针对上述因素，本次优化工作重点从褶皱几何参数、覆网支撑结构以及滤材组合三个方向展开。设计团队借助计算流体力学（CFD）辅助分析与样机试制，提出了三种改进方案，并与常规产品进行同工况对比。

方案一：调整褶皱间距

将常规产品的 4mm 褶皱间距调整为 5mm 至 6mm 区间。这一间距既保留了较大的滤材展开面积，又为灰尘在褶皱内部的沉积留出了充足空间，有助于降低容尘后期的阻力增长速率。

方案二：双层覆网支撑

在滤材出风侧增加一层低密度覆网，与原有高密度覆网构成复合支撑结构。低密度网主要承担滤材形变约束，高密度网则用于分散局部应力。实测表明，两层网的组合在增加阻力不超过 8Pa 的条件下，明显改善了容尘后期的结构稳定性。

方案三：梯度滤材配置

采用迎风面粗纤维、出风面细纤维的梯度结构滤材。迎风面粗纤维层可快速捕集大颗粒并容纳较多灰尘；出风面细纤维层则对穿透性颗粒进行二次拦截。该配置在初始阻力基本不变的情况下，有效提高了整体容尘量。

四、性能测试方案与实验装置

为验证结构优化效果，测试依据 GB/T 14295-2019《空气过滤器》与 EN 779:2012 的相关规定，在标准试验风洞中完成。测试样品名义尺寸为 595mm×595mm×46mm，额定风量 3400m³/h，对应迎面风速 2.5m/s。试验尘参照 EN 779 与 ASHRAE 52.2 的相关要求配制，通过质量法测定计重效率与容尘量。

测试设备包括：精密微压计（精度 ±1Pa）、热式风速仪、激光粒子计数器、恒温恒湿控制系统以及电子天平（精度 0.1g）。每组样品在 23℃±2℃、相对湿度 45%±10% 的环境条件下进行测试，终止阻力设定为初始阻力的两倍或 450Pa 中的较低值。日本空气清净协会（JACA）No.10B 规格书对一般通风用空气过滤器的试验方法给出了相近的技术口径，本测试在样品预处理环节参照了该规格书的要求。美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）在 Handbook—HVAC Systems and Equipment 中推荐的预过滤段测试方法，也为本实验的工况设定提供了依据。

五、测试结果与数据分析

下表汇总了四种结构方案在相同测试条件下的关键性能指标。

结构方案	褶皱间距（mm）	覆网形式	初始阻力（Pa）	终止阻力（Pa）	容尘量（g）	计重效率（%）
常规方案	4	单层密网	58	250	380	89.5
优化方案A	5	单层密网	56	250	435	90.2
优化方案B	6	双层覆网	62	250	478	91.0
优化方案C	7	双层覆网	68	250	465	90.8

从表中数据可以看出，优化方案 B 在初始阻力仅增加 4Pa 的情况下，容尘量较常规方案提升约 25.8%。这说明适度加宽褶皱间距并配合双层覆网支撑，能够明显改善过滤器的容尘性能。优化方案 A 的褶皱间距适中，容尘量同样有所提升，但由于缺少双层覆网支撑，在容尘后期出现轻微褶皱塌陷，导致接近终止阻力时效率波动略大。优化方案 C 的容尘量仍高于常规方案，但初始阻力增幅较为明显，综合能效表现不及方案 B。

在阻力增长特性方面，常规方案在试验前期阻力增长较快，达到 150Pa 后曲线斜率明显增大；优化方案 B 的阻力曲线在整个测试周期内保持较为平稳的线性增长，显示出良好的容尘均匀性。这一差异主要归因于优化后的褶皱空间分布与覆网支撑结构，使灰尘能够在滤材表面更均匀地沉积，避免了局部通道的提前堵塞。

计重效率方面，四种方案均满足 G4 等级要求（≥90%）。优化方案 B 达到 91.0%，说明结构优化并未对过滤效率产生负面影响，反而因为滤材支撑更加充分而略有提升。ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment 中提到，预过滤段滤材的几何稳定性与效率保持能力之间存在正向关联，本次测试结果与该论述相吻合。

六、产品技术参数

下表给出了本次研究涉及的初效纸框覆网折叠过滤器主要技术参数，供工程设计与选型参考。

参数项目	技术指标	备注
过滤等级	G4（EN 779）/ 粗效（GB/T 14295）	计重效率≥90%
滤材材质	聚酯纤维针刺毡（可选玻璃纤维）	双面覆网支撑
框架材质	防潮纸框 / 可选塑料框	支持非标定制
覆网材质	镀锌钢丝网 / 聚丙烯挤出网	单层或双层可选
标准尺寸	595×595×46 mm	名义尺寸 24 in × 24 in × 2 in
褶皱间距	4 / 5 / 6 / 7 mm	按工况选型
额定风量	3400 m³/h	迎面风速 2.5 m/s
初始阻力	56–68 Pa	视结构方案而定
建议终阻力	≤250 Pa	节能运行参考值
容尘量	380–478 g	终止阻力 250Pa
计重效率	≥90%	按 EN 779 方法测定
耐温范围	-20℃ ~ +70℃	长期工作温度
耐湿范围	≤80%RH（无凝露）	常规工况
阻燃等级	F1（DIN 53438）	自熄型滤材

七、工程应用建议

基于上述测试与分析结果，在工程项目中选用初效纸框覆网折叠过滤器时，可参考以下建议。

1. 依据粉尘浓度选择结构方案

对于粉尘浓度较高的工业厂房、纺织车间、轨道交通站台等场所，建议优先采用褶皱间距 5mm 至 6mm 且配置双层覆网的结构方案，以延长更换周期并降低风机运行能耗。对于粉尘浓度较低的商业办公建筑，常规方案或单层覆网方案已能够满足使用需求，同时可控制初始投资成本。

2. 重视安装密封处理

无论采用何种结构方案，安装过程中的密封处理都不容忽视。建议在过滤器边框与安装框之间配置弹性密封垫，并定期检查边框是否因受潮发生变形。严格按照 JACA No.10B 规格书的要求进行安装与验收，可有效降低旁通风险。

3. 建立压差监测制度

建议在过滤器前后安装压差传感器，当运行阻力达到初始值的 1.8 倍至 2 倍，或阻力超过 250Pa 时安排更换。通过数据化运维，既可以避免过早更换造成的浪费，也能够防止阻力过高引起风机能耗大幅上升。

4. 关注环境适应性

纸框过滤器适用于常规温湿度环境。若使用场所的湿度长期超过 80% 或存在结露风险，应选用经过防潮处理的纸框，或改用塑料框产品，以避免边框强度下降影响密封效果。沿海地区存在盐雾腐蚀风险时，建议选用镀锌覆网或不锈钢覆网配置。

随着空气过滤技术不断发展，初效纸框覆网折叠过滤器的结构优化将更多依赖多学科协同设计。后续可进一步结合数值模拟、材料科学与在线监测技术，开发出在不同运行工况下均能保持稳定表现的预过滤产品。