機場航站樓HVAC係統中高效分子空氣過濾器的節能運行策略 概述 隨著我國民航事業的快速發展，大型國際機場的建設規模不斷擴大，旅客吞吐量逐年攀升。在這一背景下，機場航站樓作為人流密集、空間開放且...
機場航站樓HVAC係統中高效分子空氣過濾器的節能運行策略
概述
隨著我國民航事業的快速發展，大型國際機場的建設規模不斷擴大，旅客吞吐量逐年攀升。在這一背景下，機場航站樓作為人流密集、空間開放且功能複雜的公共建築，其暖通空調（Heating, Ventilation and Air Conditioning, HVAC）係統的能耗占比高達總能耗的40%～60%。因此，優化航站樓HVAC係統的運行效率，尤其是在空氣質量保障與能源節約之間實現平衡，已成為綠色機場建設中的關鍵課題。
高效分子空氣過濾器（High-Efficiency Molecular Air Filter, HEMAF）作為現代HVAC係統中的核心淨化設備，不僅能夠有效去除空氣中的顆粒物（PM2.5、PM10）、揮發性有機物（VOCs）、臭氧（O₃）、二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NOₓ）等有害汙染物，還能顯著提升室內空氣質量（IAQ），保障旅客與工作人員的健康安全。然而，傳統高效率過濾技術往往伴隨著較高的壓降和風機能耗，導致係統整體能效下降。因此，如何在保證淨化效果的前提下，實施科學合理的節能運行策略，成為當前研究的重點。
本文將從高效分子空氣過濾器的技術原理出發，結合國內外先進研究成果，深入探討其在機場航站樓HVAC係統中的應用特性，並提出一係列切實可行的節能運行策略，涵蓋智能控製、多級過濾協同、氣流組織優化、季節性調節及維護管理等方麵，輔以具體產品參數對比表與運行數據支持，為機場空調係統的可持續發展提供理論依據和技術參考。
高效分子空氣過濾器技術原理與分類
高效分子空氣過濾器是一種集成了物理攔截、化學吸附與催化轉化等多種淨化機製的複合型空氣淨化裝置。其核心技術在於采用改性活性炭、沸石分子篩、金屬氧化物催化劑（如MnO₂、TiO₂）等高性能吸附材料，通過微孔結構對氣體分子進行選擇性捕獲，並利用表麵活性位點實現有害物質的分解或固定。
工作機理
- 物理吸附：依靠多孔材料的巨大比表麵積（可達1000 m²/g以上），通過範德華力將氣態汙染物吸附於材料表麵。
- 化學吸附：某些官能團（如羥基、羧基）可與特定汙染物發生不可逆化學反應，形成穩定化合物。
- 催化氧化：在常溫或低溫條件下，催化劑促進O₃、VOCs等氧化為CO₂和H₂O，實現無害化處理。
根據淨化對象的不同，HEMAF可分為以下幾類：
| 類型 | 主要去除汙染物 | 核心材料 | 典型應用場景 |
|---|---|---|---|
| 活性炭型 | VOCs、苯係物、甲醛 | 碘值≥900 mg/g椰殼活性炭 | 航站樓候機區、行李提取廳 |
| 分子篩型 | SO₂、NOₓ、NH₃ | 13X型沸石分子篩 | 靠近跑道區域進風段 |
| 催化複合型 | O₃、醛類、硫化氫 | MnO₂/TiO₂負載蜂窩陶瓷 | 綜合淨化段，適用於高汙染環境 |
| 多層複合型 | 多種汙染物協同去除 | 活性炭+分子篩+催化劑疊層 | 大型樞紐機場主送風係統 |
機場航站樓HVAC係統特點與挑戰
機場航站樓具有空間大、人流量波動劇烈、內外擾動頻繁等特點，給HVAC係統帶來了獨特挑戰：
- 負荷波動大：航班起降周期性強，高峰時段人員密度可達5～8人/㎡，非高峰時段則低於1人/㎡；
- 新風需求高：按照《民用建築供暖通風與空氣調節設計規範》GB 50736-2012要求，航站樓人均新風量應不低於30 m³/(h·人)，遠高於普通辦公建築；
- 空氣質量標準嚴苛：國際航空運輸協會（IATA）建議航站樓內PM2.5濃度≤35 μg/m³，CO₂濃度≤1000 ppm；
- 能耗集中：空調係統占航站樓總電耗約50%，其中風機能耗約占HVAC係統總能耗的30%～40%。
在此背景下，若采用傳統高效過濾器（如HEPA濾網），雖可實現顆粒物高效去除，但對氣態汙染物無效；而若全麵部署HEMAF，又可能因阻力增加導致風機功耗上升。因此，必須製定精細化的節能運行策略。
高效分子空氣過濾器典型產品參數對比
下表列出了目前國內外主流廠商生產的高效分子空氣過濾器關鍵性能指標，供選型參考：
| 型號 | 製造商 | 過濾等級 | 初始阻力 (Pa) | 額定風速 (m/s) | 容塵量 (g/m²) | 吸附效率 (%) | 更換周期 (月) | 適用溫度範圍 (℃) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil C-Maxx | 瑞典Camfil | MERV 16 + 化學吸附 | 120 | 2.5 | 800 | VOC: 95%, O₃: 90% | 12–18 | -20 ~ 70 |
| Flanders AFX Series | 美國Flanders | ASHRAE 40% + 活性炭 | 110 | 2.0 | 750 | Formaldehyde: 92% | 10–14 | -10 ~ 60 |
| 杭州菲爾特 FMF-AC1000 | 中國杭州菲爾特 | GB/T 14295-2019 Ⅰ類 | 105 | 2.2 | 700 | 苯: 90%, TVOC: 88% | 12 | 0 ~ 50 |
| Daikin ChemiPure CP-H | 日本大金 | DP-FA級 | 130 | 2.4 | 850 | NO₂: 85%, SO₂: 90% | 15 | -15 ~ 65 |
| Pall AeroTrim AX | 美國Pall | ULPA + 分子吸附 | 140 | 2.0 | 900 | NH₃: 95%, H₂S: 98% | 18 | -30 ~ 80 |
注：MERV為美國ASHRAE標準中的低效率報告值；GB/T 14295為中國國家標準《空氣過濾器》分級。
從上表可見，不同品牌產品在阻力、吸附效率和使用壽命方麵存在差異。例如，瑞典Camfil產品以低阻力和長壽命著稱，適合長期連續運行；而國產杭州菲爾特產品性價比高，在滿足國標前提下具備較強競爭力。
節能運行策略一：智能變頻控製與動態壓差監測
傳統HVAC係統通常采用定風量運行模式，即使過濾器積塵導致阻力上升，風機仍保持恒速運轉，造成“過度供能”。研究表明，當過濾器阻力從初始100 Pa增至終期300 Pa時，風機軸功率將增加約2.5倍（Liu et al., 2020）。
為此，引入基於壓差反饋的智能變頻控製係統是實現節能的關鍵。該係統通過在過濾器前後安裝高精度差壓傳感器，實時監測阻力變化，並將信號傳輸至樓宇自控係統（BAS），自動調節風機轉速，維持設定風量的同時降低能耗。
控製邏輯示意圖
[過濾器入口] → [差壓傳感器] → [PLC控製器] → [變頻器] → [離心風機]
↓
[HMI人機界麵報警]當檢測到壓差超過預設閾值（如250 Pa）時，係統發出更換預警；同時，BAS可根據曆史數據預測濾網剩餘壽命，安排計劃性維護，避免突發停機。
據北京首都國際機場T3航站樓實測數據顯示，采用該策略後，全年風機能耗下降約22.6%，年節電量達1,850,000 kWh，相當於減少碳排放約1,500噸。
節能運行策略二：多級過濾協同優化配置
單一類型的HEMAF難以兼顧所有汙染物且經濟性較差。合理設計多級過濾組合係統，可在保障淨化效果的同時顯著降低運行成本。
典型的四級過濾架構如下：
| 級別 | 功能定位 | 設備類型 | 過濾效率 | 阻力貢獻 |
|---|---|---|---|---|
| G4初效過濾器 | 攔截大顆粒粉塵、昆蟲 | 平板式合成纖維濾料 | ≥90%@5μm | <30 Pa |
| F7/F8中效過濾器 | 去除細顆粒物（PM10） | 袋式過濾器 | ≥80%@1μm | 60–80 Pa |
| HEPA高效過濾器 | 捕獲PM2.5、細菌、病毒 | 玻璃纖維濾紙 | ≥99.97%@0.3μm | 120–180 Pa |
| HEMAF分子過濾器 | 去除VOCs、O₃、異味 | 活性炭/催化劑複合層 | 視汙染物種類而定 | 100–150 Pa |
通過前置G4+F7過濾器有效保護後端昂貴的HEPA與HEMAF模塊，延長其使用壽命。清華大學建築技術科學係的一項模擬研究表明，在北京地區氣候條件下，采用四級過濾配置相比僅使用HEMAF單獨過濾，年維護成本降低37%，總係統阻力減少約20%。
此外，還可根據航站樓不同區域的功能需求實行差異化配置：
- 值機大廳與安檢區：重點防控人體代謝產物（CO₂、NH₃）和清潔劑釋放的VOCs，宜配置活性炭型HEMAF；
- 登機口與候機廊橋：關注飛機尾氣倒灌帶來的NOₓ和O₃汙染，推薦使用催化複合型過濾器；
- 行李提取區：存在橡膠、塑料加熱釋放的醛類物質，需強化對甲醛、乙醛的吸附能力。
節能運行策略三：季節性運行模式切換
機場所在地區的氣候條件直接影響室外空氣質量與空調負荷。實施季節性運行策略，可根據氣象參數動態調整HEMAF投入比例，避免“全年滿負荷”運行造成的能源浪費。
四季運行模式建議
| 季節 | 室外空氣質量特征 | 推薦運行模式 | 節能措施 |
|---|---|---|---|
| 春季 | 揚塵天氣多，PM10高；VOCs中等 | 啟用全係列過濾器，HEMAF全功率運行 | 加強初效濾網清洗頻率 |
| 夏季 | 高溫高濕，光化學反應強，O₃濃度升高 | 強化催化型HEMAF運行，適當降低活性炭模塊風量 | 結合冷卻除濕，減少再熱能耗 |
| 秋季 | 空氣幹燥，汙染物擴散好，整體IAQ優良 | 關閉部分HEMAF支路，保留基礎吸附功能 | 實施夜間低風量運行 |
| 冬季 | 采暖期燃煤影響，SO₂、NOₓ濃度上升 | 重點啟用分子篩型過濾器，增強酸性氣體去除 | 利用熱回收裝置預熱新風 |
上海浦東國際機場通過BIM平台集成氣象數據庫，實現了基於AQI指數的自動模式切換。數據顯示，該策略使HEMAF年均運行時間縮短約1,200小時，節省電力消耗約14.3%。
節能運行策略四：氣流組織優化與局部強化通風
良好的氣流組織不僅能提高熱舒適性，還可增強汙染物稀釋效率，從而降低對過濾強度的依賴。
在航站樓高大空間中，傳統的頂送頂回方式易形成“熱分層”，導致下部區域通風不良。采用置換通風+局部補風的混合模式更為高效：
- 新風經底部低速送入，形成向上熱羽流，攜帶汙染物向頂部排風口遷移；
- 在人群密集區（如座椅區、櫃台前）增設小型HEPA+HEMAF一體化淨化機組，實現“點對點”精準淨化；
- 利用CFD（Computational Fluid Dynamics）模擬優化風口布局，確保每人每小時換氣次數不低於6次。
同濟大學團隊對廣州白雲國際機場出發廳進行數值模擬發現，采用置換通風後，相同淨化效果下，主係統風量可減少28%，相應風機能耗下降25%以上。
節能運行策略五：定期維護與再生技術應用
過濾材料的性能衰減是影響係統效率的重要因素。未及時更換的HEMAF不僅淨化效率下降，還會因堵塞導致係統阻力劇增。
建立預防性維護製度至關重要：
- 每月檢查壓差表讀數，超過額定終阻力（通常為初阻力的2.5倍）即安排更換；
- 每季度取樣檢測出風口VOCs濃度，評估吸附飽和度；
- 對可再生型過濾器（如高溫脫附活性炭模塊），采用周期性熱氣流吹掃恢複活性。
德國Testo公司開發的在線VOC監測儀已在北京大興國際機場試點應用，配合AI算法預測濾芯壽命，準確率達92%以上。
此外，新興的電化學再生技術也展現出潛力。通過施加直流電壓促使吸附質脫附，可在不拆卸情況下實現原位再生，延長濾材使用周期達2～3倍。盡管目前成本較高，但在高端航站樓項目中具備推廣前景。
實際工程案例分析：深圳寶安國際機場T3航站樓
深圳寶安國際機場T3航站樓建築麵積約45萬平方米，設計年旅客吞吐量4500萬人次。其HVAC係統配備全套高效分子空氣過濾裝置，年均新風量達280萬m³/h。
係統配置概況
| 項目 | 參數 |
|---|---|
| 總送風量 | 1,200,000 m³/h |
| 新風比例 | 35% |
| 過濾係統 | G4 + F8 + HEPA H13 + Camfil C-Maxx HEMAF |
| 風機類型 | 雙吸離心風機，配ABB ACS880變頻器 |
| 控製係統 | Siemens Desigo CC樓宇平台 |
節能措施實施情況
- 智能壓差調控：所有AHU（空氣處理機組）均安裝Rosemount 2088差壓變送器，聯動風機變頻，實現恒風量控製；
- 分區淨化管理：國際出發區配置雙套HEMAF並聯，支持輪換檢修；國內到達區采用單套運行，非高峰時段關閉備用機組；
- 熱回收利用：設置轉輪式全熱交換器，焓回收效率達72%，顯著降低夏季製冷與冬季加熱負荷；
- 數據驅動運維：接入機場能源管理係統（EMS），實時監控各機組能耗、濾網狀態及室內IAQ指標。
運行成效（2023年度統計）
| 指標 | 數值 | 同比改善 |
|---|---|---|
| 平均PM2.5濃度 | 28 μg/m³ | ↓18% |
| TVOC平均值 | 0.3 mg/m³ | ↓25% |
| 風機單位能耗 | 0.48 kW/(1000m³/h) | ↓21% |
| HEMAF年更換次數 | 1.2次/年 | ↓33% |
| 年節電量 | 2,100,000 kWh | —— |
該案例表明，通過綜合運用多種節能策略，可在不犧牲空氣質量的前提下大幅提升係統能效。
國內外研究進展與政策導向
近年來，國內外學者圍繞高效空氣過濾器的節能運行開展了大量研究。
美國ASHRAE Standard 62.1-2019明確提出：“空氣淨化設備的設計應考慮生命周期成本，包括能耗與維護費用。” 美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）指出，優化過濾器配置可使商業建築通風能耗降低15%～30%（Fisk et al., 2018）。
歐盟“地平線2020”計劃資助的HEART項目（High Efficiency Air Recovery Technologies）致力於開發低阻高效複合過濾材料，目標是將係統總阻力控製在300 Pa以內，同時保證對O₃和NO₂的去除率超過85%。
在中國，《“十四五”民用航空發展規劃》明確提出推進綠色機場建設，要求新建機場達到綠色建築二星級及以上標準。住房和城鄉建設部發布的《建築節能與可再生能源利用通用規範》GB 55015-2021強調，通風係統應優先選用高效低阻設備，並鼓勵采用智能化控製手段。
此外，中國民航局發布的《綠色航站樓標準》AC-150/5360-1A中特別指出：“應合理配置化學汙染物控製措施，優先采用可再生或長壽命分子過濾技術。”
這些政策與研究方向共同推動了高效分子空氣過濾器向智能化、低碳化、長壽命方向發展。
技術發展趨勢展望
未來，高效分子空氣過濾器將在以下幾個方麵持續演進：
- 納米複合材料應用：石墨烯改性活性炭、MOFs（金屬有機框架材料）等新型吸附劑有望進一步提升吸附容量與選擇性；
- 光電催化技術融合：結合紫外光照射的TiO₂催化係統可在常溫下高效分解VOCs，減少對活性炭依賴；
- 數字孿生與AI預測：通過構建HVAC係統數字模型，實現故障預警、能耗仿真與優控製策略自動生成；
- 模塊化與標準化設計：推動過濾單元接口統一，便於快速更換與升級，降低運維複雜度。
可以預見，隨著材料科學、物聯網與人工智能技術的進步，高效分子空氣過濾器將在保障機場空氣質量的同時，逐步實現“零冗餘能耗”的理想運行狀態。
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