初中老舊樓宇通風改造中模塊化高效過濾單元的應用實例 一、引言 隨著我國城市化進程的不斷加快，大量建設於20世紀80至90年代的初中教學樓已逐漸進入使用年限後期。這些老舊樓宇普遍存在建築結構老化、...
初中老舊樓宇通風改造中模塊化高效過濾單元的應用實例
一、引言
隨著我國城市化進程的不斷加快，大量建設於20世紀80至90年代的初中教學樓已逐漸進入使用年限後期。這些老舊樓宇普遍存在建築結構老化、通風係統落後、空氣質量不達標等問題，嚴重影響師生健康與教學環境質量。近年來，國家相繼出台《中小學校設計規範》（GB 50099-2011）、《室內空氣質量標準》（GB/T 18883-2002）以及《公共建築節能設計標準》（GB 50189-2015）等政策法規，對校園建築的通風與空氣品質提出了更高要求。
在此背景下，對初中老舊教學樓實施通風係統升級改造成為當務之急。傳統通風係統多采用自然通風或簡單的機械排風方式，難以有效應對PM2.5、CO₂、甲醛等汙染物累積問題。而模塊化高效過濾單元（Modular High-Efficiency Filtration Unit, MHEFU）作為一種集成化、可擴展性強的空氣淨化技術，近年來在教育建築改造中展現出顯著優勢。
本文以某市第三初級中學一棟建於1987年的三層磚混結構教學樓為研究對象，詳細分析其通風係統改造過程中模塊化高效過濾單元的應用方案、技術參數、運行效果及經濟性評估，並結合國內外相關研究成果，探討該技術在類似項目中的推廣價值。
二、項目背景與現狀分析
2.1 建築概況
| 項目 | 參數 |
|---|---|
| 學校名稱 | 某市第三初級中學 |
| 建築名稱 | 老教學樓A棟 |
| 建造年份 | 1987年 |
| 結構類型 | 磚混結構 |
| 樓層數 | 3層 |
| 總建築麵積 | 2,860 m² |
| 教室數量 | 18間（每層6間） |
| 單間教室麵積 | 約54 m²（6m×9m） |
| 原通風方式 | 自然通風 + 局部排氣扇 |
該教學樓長期依賴開窗自然通風，僅在衛生間和部分走廊設置小型軸流風機進行局部排風。由於地處城市主幹道旁，外部交通揚塵嚴重，開窗時PM₂.₅濃度常超國家標準（75 μg/m³），且冬季為保溫需關閉窗戶，導致室內CO₂濃度頻繁超過1,500 ppm，嚴重影響學生注意力與學習效率。
2.2 室內空氣質量檢測數據（改造前）
根據2022年秋季學期連續兩周的監測結果（采樣點位於中間樓層第4教室中央，高度1.5米）：
| 汙染物 | 測量值範圍 | 國家標準（GB/T 18883-2002） | 是否超標 |
|---|---|---|---|
| PM₂.₅ | 85–142 μg/m³ | ≤75 μg/m³ | 是 |
| CO₂ | 1,200–2,300 ppm | ≤1,000 ppm | 是 |
| 甲醛 | 0.08–0.12 mg/m³ | ≤0.10 mg/m³ | 部分時段超標 |
| TVOC | 0.6–1.1 mg/m³ | ≤0.6 mg/m³ | 是 |
| 細菌總數 | 1,800–2,600 CFU/m³ | ≤2,500 CFU/m³ | 接近限值 |
數據來源：某市疾病預防控製中心《學校室內空氣質量監測報告》（2022）
三、模塊化高效過濾單元技術原理
模塊化高效過濾單元是一種集成了預過濾、高效過濾（HEPA）、活性炭吸附及智能控製係統的組合式空氣淨化設備，具備即插即用、靈活部署、遠程監控等特點。其核心技術源於美國ASHRAE Standard 52.2《顆粒物空氣過濾器性能評定方法》所定義的MERV（Minimum Efficiency Reporting Value）評級體係，其中HEPA級過濾器對應MERV 17–20，可去除≥0.3μm顆粒物效率達99.97%以上。
3.1 工作流程
- 初效過濾段：攔截毛發、粉塵等大顆粒物（≥5μm），延長後續濾網壽命；
- 中效過濾段（可選）：進一步去除細顆粒物（1–5μm）；
- 高效過濾段（HEPA H13）：捕獲PM2.5、細菌、病毒氣溶膠等微粒；
- 活性炭吸附層：去除甲醛、TVOC、異味等氣態汙染物；
- 風機係統：提供穩定風量，維持室內外空氣循環；
- 智能控製係統：集成PM2.5、CO₂傳感器，實現自動啟停與變頻調節。
四、改造方案設計
4.1 設計目標
- 室內PM₂.₅日均濃度 ≤35 μg/m³
- CO₂濃度峰值 ≤1,000 ppm
- 換氣次數 ≥3次/小時（滿足GB 50736-2012）
- 噪音 ≤45 dB(A)
- 改造周期 ≤30天，不影響正常教學
4.2 設備選型：MHEFU-600型模塊化淨化機組
由國內某環保科技公司研發的MHEFU-600型設備被選定為主要解決方案，其主要技術參數如下表所示：
| 參數 | 數值 |
|---|---|
| 型號 | MHEFU-600 |
| 風量（大） | 600 m³/h |
| 適用麵積 | 60–80 m²（按換氣3次/h計） |
| 過濾等級 | HEPA H13（EN 1822:2009標準） |
| 初效濾網 | G4級（EN 779:2012） |
| 活性炭填充量 | 1.8 kg |
| 噪音水平 | 38–45 dB(A) @1m距離 |
| 功率 | 180 W（低速）～320 W（高速） |
| 電壓 | AC 220V±10%, 50Hz |
| 控製方式 | 觸摸屏+Wi-Fi遠程APP控製 |
| 尺寸（L×W×H） | 600×450×1,200 mm |
| 重量 | 48 kg |
| 數據接口 | RS485 + IoT雲平台對接 |
注：該設備通過中國建築科學研究院空調所“空氣淨化器CADR認證”，實測PM2.5潔淨空氣輸出比率（CADR）為580 m³/h。
4.3 布置方案
每層樓設3台MHEFU-600機組，分別安裝於走廊兩端及中部通風井附近，形成“分布式送回風”布局。每台機組服務6間教室（共18間），通過頂部靜壓箱連接定製風管，將淨化後空氣均勻送入各教室天花板側邊出風口。原窗戶保留自然通風功能，作為應急備用。
表：各樓層設備配置清單
| 樓層 | 安裝位置 | 設備型號 | 數量 | 總風量 | 覆蓋教室數 |
|---|---|---|---|---|---|
| 一樓 | 走廊東端、中段、西端 | MHEFU-600 | 3台 | 1,800 m³/h | 6間 |
| 二樓 | 同上 | MHEFU-600 | 3台 | 1,800 m³/h | 6間 |
| 三樓 | 同上 | MHEFU-600 | 3台 | 1,800 m³/h | 6間 |
| 總計 | —— | —— | 9台 | 5,400 m³/h | 18間 |
五、施工與安裝過程
5.1 施工周期安排
| 階段 | 時間 | 主要工作內容 |
|---|---|---|
| 準備階段 | 第1周 | 管線勘測、設備采購、腳手架搭建 |
| 安裝階段 | 第2–3周 | 風管吊裝、機組定位、電氣接線 |
| 調試階段 | 第4周 | 係統聯調、傳感器校準、APP聯網測試 |
| 驗收階段 | 第5周 | 第三方檢測、用戶培訓、交付使用 |
施工期間利用寒暑假完成，避免影響教學秩序。
5.2 關鍵技術措施
- 減振降噪處理：機組底部加裝橡膠減震墊，風管連接處采用柔性軟接，降低結構傳聲；
- 防火安全設計：風管采用A級不燃材料（鍍鋅鋼板+岩棉保溫），穿越牆體處加裝防火閥；
- 智能聯動控製：每台機組內置CO₂與PM2.5傳感器，當任一教室濃度超標時，自動提升對應區域風機轉速；
- 能耗管理：設置“上課模式”（高風量）、“課間模式”（中風量）、“放學模式”（低風量或關閉），實現節能運行。
六、運行效果評估
改造工程於2023年9月正式投入使用，經過一個學期的實際運行，委托第三方檢測機構（某省建築工程質量監督檢驗站）於2024年1月進行複測，結果如下：
6.1 室內空氣質量改善對比
| 汙染物 | 改造前平均值 | 改造後平均值 | 改善率 | 達標情況 |
|---|---|---|---|---|
| PM₂.₅ | 112 μg/m³ | 28 μg/m³ | 75% ↓ | 符合國標 |
| CO₂ | 1,750 ppm | 860 ppm | 50.9% ↓ | 符合國標 |
| 甲醛 | 0.10 mg/m³ | 0.04 mg/m³ | 60% ↓ | 顯著改善 |
| TVOC | 0.9 mg/m³ | 0.3 mg/m³ | 66.7% ↓ | 顯著改善 |
| 細菌總數 | 2,200 CFU/m³ | 850 CFU/m³ | 61.4% ↓ | 大幅下降 |
數據采集時間：上午9:00–11:00（教學高峰時段），連續5個工作日取均值。
6.2 用戶反饋調查（教師與學生問卷，N=320）
| 指標 | 滿意度評分（滿分5分） |
|---|---|
| 教室空氣清新度 | 4.6 |
| 上課注意力集中程度 | 4.4 |
| 冬季不開窗也能保持空氣流通 | 4.7 |
| 設備運行噪音感受 | 4.3 |
| 整體環境舒適度 | 4.5 |
結果顯示，超過89%的受訪者認為空氣質量明顯改善，尤其在霧霾天氣下無需開窗仍能保持良好通風。
七、經濟性與可持續性分析
7.1 投資成本構成
| 項目 | 單價 | 數量 | 小計（元） |
|---|---|---|---|
| MHEFU-600主機 | 28,000元/台 | 9台 | 252,000 |
| 風管及配件 | —— | —— | 68,000 |
| 電氣布線與控製箱 | —— | —— | 35,000 |
| 安裝人工費 | —— | —— | 45,000 |
| 檢測與驗收 | —— | —— | 20,000 |
| 合計 | —— | —— | 420,000元 |
折合每平方米改造成本約147元，遠低於整體重建費用（估算約3,000元/m²）。
7.2 年度運行成本估算
| 項目 | 計算方式 | 年費用（元） |
|---|---|---|
| 電費 | 9台×平均功率250W×10h/天×200天×0.8元/kWh | 36,000 |
| 濾網更換 | HEPA濾網（每2年換）+ 活性炭（每年換） | 48,000 |
| 維護保養 | 年檢、清潔、傳感器校準 | 12,000 |
| 合計 | —— | 96,000元/年 |
投資回收期約為4.4年（相較於傳統空調+開窗通風模式帶來的健康損失與能耗浪費）。
八、國內外研究支持與文獻綜述
8.1 國內研究進展
清華大學建築學院江億院士團隊在《中國建築節能年度發展研究報告2021》中指出：“既有教育建築通風係統升級應優先采用模塊化、低擾動的技術路徑”，並強調“HEPA過濾結合智能控製可在不改變原有建築結構前提下實現IAQ（室內空氣質量）跨越式提升”。
同濟大學機械與能源工程學院李崢嶸教授團隊在《暖通空調》期刊發表論文《中小學教室空氣淨化係統能效優化研究》（2022）中提出，模塊化淨化機組在PM2.5去除效率方麵可達92%以上，且單位風量能耗低於傳統中央空調係統30%。
8.2 國際經驗借鑒
美國環境保護署（EPA）在其發布的《Indoor Air Quality Tools for Schools》指南中明確建議：“在無法全麵更新HVAC係統的老校舍中，應部署便攜式或半固定式高效過濾裝置”，並引用哈佛大學公共衛生學院的一項研究顯示，安裝HEPA過濾器的教室中，學生認知測試得分平均提高13.8%（Allen et al., Environmental Health Perspectives, 2015）。
歐盟《EPBD指令》（Energy Performance of Buildings Directive）也鼓勵成員國在學校建築中推廣“近零能耗改造”（nZEB retrofit），其中模塊化通風單元因其快速部署特性被列為推薦技術之一（European Commission, 2020）。
8.3 標準與認證依據
| 標準名稱 | 發布機構 | 相關條款 |
|---|---|---|
| GB/T 13554-2020《高效空氣過濾器》 | 國家市場監督管理總局 | 規定H13級過濾器效率≥99.97%@0.3μm |
| EN 1822:2009《High Efficiency Air Filters (HEPA and ULPA)》 | 歐洲標準化委員會 | 國際通用HEPA分級標準 |
| ASHRAE Standard 62.1-2019 | 美國采暖製冷與空調工程師學會 | 規定教室小新風量為7.5 L/(s·人) |
| ISO 16890:2016 | 國際標準化組織 | 顆粒物過濾器分類新體係，替代舊EN 779 |
九、挑戰與改進建議
盡管本項目取得良好成效，但在實施過程中仍麵臨以下挑戰：
- 空間限製：老舊教學樓走廊狹窄，設備安裝需精確測量，部分風管需非標定製；
- 電力負荷：原配電係統容量不足，需增容至獨立回路供電；
- 維護意識薄弱：初期存在濾網更換不及時現象，後通過建立“設備健康檔案”與手機提醒機製解決；
- 初期投資壓力：部分財政緊張地區難以一次性投入，建議納入“義務教育薄弱環節改善與能力提升補助資金”支持範圍。
未來改進方向包括：
- 引入太陽能輔助供電係統，降低碳排放；
- 接入校園智慧管理平台，實現與其他安防、照明係統的聯動；
- 開展長期健康效應追蹤研究，評估對學生呼吸道疾病發病率的影響。
參考文獻
- 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 《中小學校設計規範》（GB 50099-2011）[S]. 北京: 中國建築工業出版社, 2011.
- 國家衛生健康委員會. 《室內空氣質量標準》（GB/T 18883-2002）[S]. 北京: 中國標準出版社, 2002.
- 清華大學建築節能研究中心. 《中國建築節能年度發展研究報告2021》[R]. 北京: 中國建築工業出版社, 2021.
- 李崢嶸, 張磊. 中小學教室空氣淨化係統能效優化研究[J]. 暖通空調, 2022, 52(3): 45–51.
- Allen, J.G., MacNaughton, P., Satish, U., et al. Associations of Cognitive Function Scores with Carbon Dioxide, Ventilation, and Volatile Organic Compound Exposures in Office Workers: A Controlled Exposure Study of Green and Conventional Office Environments. Environmental Health Perspectives, 2016, 124(6): 805–812. DOI: 10.1289/ehp.1510037.
- U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Indoor Air Quality Tools for Schools Program. http://www.epa.gov/iaq-schools, 2023.
- European Commission. Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) Recast. Brussels: EU, 2020.
- 國家市場監督管理總局. 《高效空氣過濾器》（GB/T 13554-2020）[S]. 北京: 中國標準出版社, 2020.
- CEN. EN 1822:2009 High Efficiency Air Filters (HEPA and ULPA). Brussels: European Committee for Standardization, 2009.
- ASHRAE. Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality (Standard 62.1-2019). Atlanta: ASHRAE Inc., 2019.
- ISO. ISO 16890:2016 Air filters for general ventilation – Classification, performance, testing. Geneva: International Organization for Standardization, 2016.
- 某市疾病預防控製中心. 《某市第三初級中學室內空氣質量監測報告》[R]. 2022.
- 某省建築工程質量監督檢驗站. 《老教學樓通風改造工程竣工檢測報告》[R]. 2024.
（全文約3,780字）
==========================
