V型塑框过滤器结构优化对风阻与能效比的影响研究

V型塑框过滤器结构优化对风阻与能效比的影响研究

【概述】V型塑框过滤器以工程塑料为外框，滤材沿气流方向折转成V形排列，在有限的安装断面内展开出成倍的过滤面积，是中央空调与集中通风系统中效段的常用产品。其风阻水平直接决定风机的运行能耗，是评价这类产品经济性的核心指标之一。

本文围绕结构优化这一主线，梳理V型塑框过滤器的风阻构成、结构参数对阻力的影响机理、优化方案的试验设计与实测结果，建立风阻与风机能耗及能效比之间的换算关系，并结合国内外标准与文献，给出选型与运行维护阶段的参考思路。

一、结构优化研究的背景与工程意义

中央空调与集中通风系统的风机能耗通常占建筑运行能耗的三成至五成，而过滤器阻力在系统总阻力中的占比可达百分之二十至四十。中效段长期连续运行，其阻力每上升50 Pa，风机轴功率相应增加，全年累计电耗十分可观。因此在保证过滤效率的前提下降低风阻，已成为过滤器结构设计的重要方向。

结构优化并非单纯追求低阻力。滤材面积、褶层几何、V形角度与分隔方式相互制约，过度压低阻力往往以效率下降或容尘量不足为代价。研究结构参数与风阻之间的定量关系，有助于在设计阶段找到效率、阻力与容尘量的平衡点，为工程选型提供依据。

风阻构成	主要成因	与风速的关系	优化手段
滤材透过阻力	纤维对气流的黏性阻滞	近似与风速成正比	增大滤材展开面积
入口局部损失	V形通道入口涡流与转向	与风速平方相关	加装导流结构
出口局部损失	气流汇合与扩张	与风速平方相关	优化出风侧结构
框体收缩损失	断面收缩与边壁摩擦	与风速平方相关	降低框体厚度占比
分隔结构损失	分隔条造成的通道扰动	与风速相关	采用热熔胶细线分隔

表1 过滤器风阻的构成与影响因素

二、V型塑框过滤器的基本结构与风阻构成

V型塑框过滤器由塑料外框、V形滤芯、分隔条、密封件与护网组成。外框多为聚丙烯或ABS射出成型，带加强筋与安装卡槽；滤材经打褶分道后沿气流方向折转，多组V形滤芯并排组合成连续过滤断面。592×592×292规格的滤材展开面积可达迎风面积的十六至十九倍。

风阻由三部分构成：滤材本身的透过阻力、进出风的局部涡流损失、框体与分隔结构造成的收缩与扩张损失。滤材阻力与通过风速近似成正比，局部损失则与风速的平方相关。结构优化的意义在于降低局部损失占比，并使断面风速分布趋于均匀，避免个别通道超速运行。

图1 V型塑框过滤器的塑料外框与V形折转滤芯结构

部件	常用材料	对风阻的作用	质量控制要点
外框	PP、ABS、聚苯乙烯	维持断面几何，减少偏流	射出成型，公差正负1 mm
V形滤芯	超细玻璃纤维、熔喷驻极材料	决定透过阻力的主体部分	打褶分道，折角一致
分隔条	热熔胶、塑料条、铝箔	保持褶间距，均匀气流	胶线连续，不断点不溢胶
密封件	聚氨酯发泡胶、硅胶条	阻断旁通，防止颗粒绕行	四边连续浇注，无气孔
护网	镀锌钢丝网、铝合金网	抑制滤材变形，维持褶形	网面平整，与滤材贴合

表2 结构组成与风阻性能的关联

三、结构参数对风阻的影响机理

V形折角是影响风阻的关键几何参数。折角偏小会使迎风断面利用率下降、气流进入滤芯时的转向加剧，局部涡流增加；折角偏大则单组滤芯占用的深度增加，机组安装受到限制。工程上V形半角多控制在二十度至三十度区间，配合导流结构可弱化入口涡流。

褶高与褶密度共同决定滤材面积与通道尺寸。褶高增大可扩大面积、降低通过风速，但褶间距过小会压缩气流通道，使阻力上升。滤材克重影响初始阻力，克重偏高时阻力的增幅会超过容尘量的收益。合理组合应以单位风量的阻力与能耗作为判据，而非单独比较某一参数。

结构参数	常用取值范围	对风阻的影响	对效率与容尘的影响
V形半角	20°～30°	过小则入口涡流增加	过大则占用深度增加
褶高	25～40 mm	过高则通道阻力上升	适度提高可增面积
褶密度	28～34褶/100 mm	过密则通道受阻	密度提高可增面积
滤材克重	70～90 g/m²	随克重提高而上升	随克重提高而增加
V形组数	2～6组	组数增加则通过风速下降	组数增加则面积增加
入口导流结构	圆弧或斜面导流	可使局部损失下降	基本不影响效率

表3 主要结构参数与风阻的关系

四、结构优化方案与试验设计

结构优化通常采用数值模拟与实测相结合的方式。计算流体力学可对V形通道内的速度场与压力场求解，快速比较不同折角、褶高与组数的阻力表现；风道式试验台则按GB/T 14295-2008与ISO 16890-1:2016的规定测定风量与阻力的对应关系，为模拟结果提供校正。

试验设计应固定迎风尺寸与风量，仅改变单一结构变量，以便分离各参数对风阻的贡献。测点布置在过滤器前后各一个断面，避开弯头与变径段；风量以喷嘴或孔板计量，压差以微压差计读取。每个方案在额定风量的五成至十二成范围内取五个工况点，绘制阻力曲线。

项目	设置内容	依据或仪器
风量范围	额定风量的50%～120%	变频风机调节
风量计量	喷嘴法或孔板法	GB/T 14295-2008
压差测量	过滤器前后断面各一处	微压差计，精度1 Pa
效率测试	KCl气溶胶分粒径计数	ISO 16890-1:2016
变量控制	每次仅改变一个结构参数	对比试验法
数据校核	模拟与实测偏差控制在10%内	CFD后处理

表4 试验方案与测点设置

五、结构优化对风阻的实测结果

实测结果表明，加装入口导流结构后，V形通道入口的涡流区明显缩小，额定风量下的初阻力可下降约百分之八至十五。将褶密度由每100毫米34褶调整到30褶，通道通流面积增加，阻力下降约百分之五，但滤材面积减少约一成，容尘量随之回落。

增加V形组数在相同断面下可降低通过风速，阻力呈下降趋势，但组数过多会使框体结构复杂、密封界面增多。综合测试显示，四组方案在效率与阻力之间取得较好平衡，30褶配合适度褶高时，额定风量下的初阻力约为110至130 Pa，效率等级仍可维持在F8至F9区间。

图2 风道式试验台：风量与阻力的同步测定

方案	结构特征	初阻力（Pa）	相对基准降幅	效率等级
基准方案	34褶，无导流	138	—	F9
方案A	34褶，加入口导流	122	约12%	F9
方案B	30褶，加入口导流	116	约16%	F8
方案C	30褶，加导流，褶高偏低	108	约22%	F8
方案D	34褶，六组V形，加导流	119	约14%	F9

表5 不同结构方案的风阻实测对比

六、风阻与风机能耗的换算关系

过滤器阻力上升会引起风机工作点偏移。对已定型的风机，风量保持不变时，轴功率与系统总阻力近似成正比；若风机特性曲线较平缓，阻力增加造成的风量衰减会迫使转速提高，能耗增幅进一步放大。工程估算中常以单位风量的风机输入功率衡量过滤段的经济性。

以一台额定风量一万立方米每小时的机组为例，过滤段阻力每增加50 Pa，按风机效率与传动效率折算，连续运行一年的电耗增量可达数百千瓦时。蔡杰在《空气过滤器原理与应用》中提出，按阻力而非固定周期更换滤材，可减少滤材用量并降低平均运行阻力，这一结论对结构优化同样适用。

过滤段阻力（Pa）	附加轴功率（相对值）	年附加电耗参考（kWh）	运行提示
100	1.0	基准值	初阻力状态
150	约1.5	约增加五成	正常积尘阶段
200	约2.0	约增加一倍	宜安排备件
250	约2.5	约增加一倍半	接近终阻力
300	约3.0	约增加两倍	应立即更换

表6 过滤段阻力与风机能耗的换算参考

七、能效比评价方法与指标

能效比用于衡量单位输入功率所对应的通风效果。在过滤器评价中，常用指标包括单位风量能耗、过滤段能效系数以及全压效率。ISO 16890-1:2016在给出分级效率的同时，要求标注试验风量与初阻力，为能效比较提供基础数据。

评价时应统一比较基准。不同效率等级的产品不能仅以阻力高低论优劣，宜采用相同效率下的阻力比或相同风量下的能耗比。ASHRAE 52.2-2017对分粒径效率与阻力的同步报告要求，为跨体系对比提供了可操作的口径，避免因试验尘源差异造成误判。

指标	含义	适用阶段	依据
单位风量能耗	每立方米风量对应的输入功率	选型对比	工程惯用
过滤段能效系数	效率与阻力的联合评价值	产品评价	ISO 16890-1:2016
全压效率	风机输出全压与输入功率之比	系统运行	GB 50189-2015
分粒径效率下限	各粒径段的效率保障值	效率核算	ASHRAE 52.2-2017
平均运行阻力	更换周期内的阻力均值	全生命周期	实测统计

表7 能效评价指标对照

八、不同结构方案的能效对比

将四种优化方案置于同一迎风尺寸与风量条件下对比，方案A与方案B的初阻力与年均运行阻力均低于基准方案，容尘量略有下降；方案C阻力下降幅度较大，但滤材面积偏小、更换周期缩短，全生命周期能耗未必占优；方案D在效率与阻力之间较为均衡。

从全生命周期看，能效评价应计入滤材更换、运输与废弃处理带来的间接能耗。结构优化若以牺牲容尘量换取低初阻力，更换频次上升会抵消节能收益。因此在低含尘工况下可适度偏向低阻设计，在高含尘工况下应优先保证容尘能力并控制平均运行阻力。

方案	初阻力（Pa）	年均运行阻力（Pa）	预计更换周期（月）	能效评价
基准方案	138	185	5～6	一般
方案A	122	168	5～6	较好
方案B	116	158	5～7	好
方案C	108	152	3～5	一般
方案D	119	160	6～8	好

表8 不同结构方案的全周期能效对比

九、工程应用：机组选型与风阻控制

工程选型应把过滤段阻力纳入机组全压计算。设计阶段宜按终阻力的八成至十成预留风机余量，避免运行后期风量不足。多级过滤组合时，中效段宜布置在初效之后、高效之前，使其承担的颗粒负荷与自身容尘能力相匹配。

风阻控制还需关注安装质量。滤框与导轨之间的缝隙会造成旁通，使实际过滤效率低于额定值；拼装不严还会引起断面风速不均，局部阻力上升。规范做法是加装闭孔海绵或橡胶密封条，并以压紧机构使滤框均匀受力，避免单侧过压造成塑框变形。

图3 空调机组过滤段中的V型塑框过滤器安装组

环节	控制要点	对风阻的影响
全压计算	按终阻力预留风机余量	避免后期风量不足
级配布置	中效置于初效与高效之间	均衡各级负荷
密封处理	加装密封条，缝隙连续密封	消除旁通带来的阻耗
压紧机构	受力均匀，避免单侧过压	防止框体变形与偏流
断面匹配	迎风风速按2.0～2.5 m/s控制	抑制局部超速
压差监测	前后加装压差计并接入自控	掌握阻力变化趋势

表9 工程选型与风阻控制要点

十、运行维护对长期风阻与能效的影响

过滤器阻力随积尘量增加而上升，其曲线可分为初始、稳定与负荷三个阶段。初始阶段尘粒填充纤维间隙，阻力平缓上升；稳定阶段尘饼逐渐形成，阻力近似线性增长；负荷阶段尘饼压实，阻力上升加快并接近终阻力。按阻力更换可比按固定周期更换获得更低的平均阻力。

日常维护以压差监测为主。建议在过滤段前后加装压差计并接入楼宇自控系统记录趋势，更换后记录压差初值作为基准。塑框产品不宜水洗与高压气吹，玻璃纤维滤材受潮后干燥易出现褶皱塌陷，风阻与效率均会劣化，运行中还应留意密封条老化与框架缝隙。

十一、技术趋势与结构优化方向

滤材技术持续演进。Hinds在《Aerosol Technology》中系统阐述效率曲线的谷值区间，提示结构设计应与滤材的粒径选择特性匹配。《Filtration + Separation》与《Indoor Air》多次报道纳米纤维与驻极材料的稳定性研究，低阻高效滤材为结构优化提供了新的空间。

在结构层面，改进方向集中在梯度滤材、导流结构一体化与模块化拼装；在运行层面，压差传感与数据分析支持按需更换。风阻与能效的联合优化，有望推动中效过滤段从定期维护转向状态维护，为集中通风系统的节能运行提供支撑，也为过滤器产品的结构设计提出更清晰的量化目标。