V型塑框过滤器在数据中心冷却系统中的气流均匀性与压降控制

概述

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。

一、数据中心冷却系统的过滤架构与风侧阻力构成

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。

表1 典型机房空调机组过滤段配置

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	—

表2 风侧阻力的构成与影响因素

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%

二、V型塑框过滤器的结构特征与气流组织机理

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。

表3 V型塑框过滤器典型结构参数

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

表4 不同褶面夹角下的气流参数对照

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

三、气流均匀性的评价指标与现场测试方法

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。

表5 气流均匀性评价指标与参考限值

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

表6 断面测点布置与测试条件

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

四、压降构成的分解与计算模型

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。

表7 压降与风量关系拟合参数

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%

表8 V型塑框与平板式过滤器压降对照

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

五、褶距与褶高对迎面风速分布的影响

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。

表9 褶距与褶高组合对性能的影响

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

六、边框密封与旁通泄漏对压降的干扰

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。

表10 密封方式与泄漏率对照

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

七、组合配置与风机风量的匹配设计

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。

表11 迎面风速与压降、风机功耗的对应关系

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

八、积尘过程中的压降演变与更换判据

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。

表12 积尘阶段的压降与效率变化

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%

九、风机功耗与经济性核算

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。

表13 全生命周期成本核算示例（单台，五年期）

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

十、安装与运维的关键控制点

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。

表14 运维项目与周期

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

十一、工程实测案例与参数对比

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。

表15 改造前后关键参数对照

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。