【HVAC】不同过滤单元的室内空气净化器试验研究

实习编辑 47人阅读 分享 举报 01-29 标签：静电 驻极体 静电吸附 室内空气净化器 质量浓度

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1测试装置及方法

测试对象为上海某办公室，体积为70 m3。 房间大小布局如图1所示。香烟烟雾作为PM2.5的来源。 尘源位于房间中心B点风机正下方，距地面1m； PM2.5采样点位于人体呼吸区A点，距地面1m； 为了避免送风影响采样，空气净化器放置在靠近房间边缘的C点。 测试前彻底清洁房间并进行仪器校准。 室内环境温度为（26±1）℃，相对湿度为（60±3）%，PM2.5背景质量浓度为（75±5）μg/m3。

图1 测试场地示意图

1.1 测试装置

本次试验所用空气净化器的结构及净化流程如图2a所示。 空气净化器采用风扇作为动力源。 含尘气流从回风口吸入。 颗粒物通过净化器内的过滤单元吸附过滤掉后，通过送风口吹出。 ，完成室内空气的循环和净化。 IFD过滤净化示意图如图2b所示。 其核心是用聚合物混合材料（电介质）包裹电极片而形成的中空微通道。 通道内产生强电场，进气侧电极针放电，使空气电离并带电。 颗粒在通道内电场力的作用下吸附在介质表面，从而达到去除颗粒物的效果，放电过程中产生臭氧。 本次试验所用测量仪器及试验项目如表1所示。

图2 试验装置及纯化流程

表1 测量仪器及精度

1.2 测试方法

1.2.1 卷烟烟气粒径分布测试

启动风扇，点燃3根标准香烟，使用气溶胶粒径谱仪监测室内所有粒径颗粒物的每小时浓度。 约15分钟后，浓度分布稳定，关闭风机。 以此时为计时零点，每6 s自动读取分级粒径的质量浓度，共记录10 min，取101组数据的平均值。

经过多次测量，得到卷烟烟雾的粒径分布，如图3所示。可以看出，卷烟烟雾产生的固体污染物主要是1.0μm以下的细颗粒物。

图3 卷烟烟气粒径分布

1.2.2 自然衰减测试

1）启动风扇，点燃香烟，使用粉尘仪监测房间内PM2.5每小时的质量浓度。 约15分钟后，浓度稳定（室内背景浓度10倍以上），关闭风扇。 以此时刻作为计时零点，记录初始质量浓度。

2）每2分钟记录一次PM2.5质量浓度，直至浓度相对稳定且测试时间大于1小时。

1.2.3 初级过滤效率及功率测试

通过调节无级变速器的参数来改变风机转速，以获得不同的风量。 参数选择： 1）测量最大和最小送风速度，并以变速器的两个对应值作为参数设定范围。 2）采用正交试验方法，选取12个均匀分布的点进行试验。 3）通过预测试比较风量值。 为保证间距均匀，调整参数值，增加至16。产尘完成后，启动空气净化器。 将两根橡胶管一端连接两台粉尘测量仪的PM2.5切割器，另一端分别插入空气净化器的回风口和送风口，测量上风向和下风向的污染物浓度双方同时。 依次调整传输参数，记录上风向和下风向PM2.5质量浓度和净化器功率，共测试16组数据。 配备IFD装置的空气净化器的功率为IFD装置的放电功率与风机功率之和。 标定结果表明，同一测点不同PM2.5浓度下两台粉尘仪的读数差异小于±5μg/m3，对结果影响不大。 交换两个粉尘计的位置重复测试，取两次测试数据的平均值。 更换空气净化器过滤单元，安装HEPA（1）、粗滤+驻极体、粗滤+静电纺、粗滤+HEPA（2）+活性炭进行测试。 方法与上面相同。

1.2.4 PM2.5浓度衰减测试

产尘完成后，室内PM2.5浓度均匀稳定，超过室内背景浓度10倍。 以此时刻为定时零点，记录PM2.5初始浓度，将环境质量检测仪探头置于空气净化器出风口处。 打开装有IFD装置的空气净化器，并以最大风量运行。 每隔1分钟记录采样点的PM2.5质量浓度，并观察其衰减情况，直至PM2.5浓度稳定。 重复测试，取2次测试数据的平均值。 从空气净化器运行1小时后与开机前的浓度差来看，出现量为0.03mg/m3，低于标准限值0.16mg/m3。 更换空气净化器的过滤单元并按顺序进行测试。

2结果与讨论

2.1 滤波器特性

空气净化器处理的风量由送风口面积和送风速度计算得出； 初级过滤效率是根据空气净化器上下风侧的浓度差与回风浓度的比值计算得出的。空气净化器的风量处理范围从大到小分别是IFD装置、粗过滤器+静电纺丝，粗过滤器+驻极体，HEPA（1），粗过滤器+HEPA（2）+活性炭，安装

IFD装置的最大风量是安装粗过滤器+HEPA(2)+活性炭的5倍。 当风扇转速一定时，阻力越小，风量越大。 可见，过滤器的阻力关系为：IFD装置<粗效过滤器+静电纺丝<粗效过滤器+驻极体<HEPA(1)<粗效过滤器+HEPA(2)+活性炭。 最大初级过滤效率的关系为：IFD装置（94.81%）>HEPA（1）（85.97%）>粗效过滤器+驻极体（81.89%）>粗效过滤器+HEPA（2）+活性炭（75.79%）>粗滤+静电纺丝（72.6%）。

IFD装置的过滤机理为静电过滤，即带电粒子在电场力的作用下吸附在腔体表面。 风速越低，含尘气流受电场力作用的时间越长，被捕获的概率越大，过滤效率越高。 因此，随着风量的增加，其过滤效率往往会降低。

HEPA(1)和粗效过滤器+HEPA(2)+活性炭都是机械过滤器。 实际环境风速下，PM2.5的过滤机制以拦截作用为主，扩散作用为辅。 两者对颗粒物都有很强的作用。 综合效果。 风速越大，拦截作用越强，穿透率越小，初级过滤效率越大。

粗效过滤器+驻极体、粗效过滤器+静电纺丝的过滤机理是在机械收集的基础上增加静电吸附作用。 静电吸附的作用体现在两个方面：一是利用带电纤维的库仑力沉积颗粒流线；二是利用带电纤维的库仑力沉积颗粒流线。 其次，颗粒与过滤纤维表面的结合更加牢固。 研究表明，只有当颗粒尺寸小于0.1μm时，静电力才主导整个捕获机制。 因此，PM2.5的过滤以机械捕捉为主，静电作用为辅。 在小风速范围内，随着风速增大，颗粒物沉积时间缩短，但机械捕集效果的增强大于静电效果的减弱，过滤效率提高。 当风速增大到临界值时，风速继续增大，颗粒与纤维碰撞的机会减少，导致过滤效率略有下降。

2.2 运行能耗

不同过滤单元的功率测试结果为：在所有过滤单元能够达到的风量范围内（小于300 m3/h）、送风量恒定时、空气净化器配备粗效过滤器+HEPA时（2）+活性炭能耗最大，其次是HEPA（1），然后是粗效过滤器+驻极体、粗效过滤器+静电纺丝，两者差别不大。 安装IFD设备时功耗最小。 以送风量250 m3/h为例，安装IFD装置的空气净化器功率为9.62 W，分别是粗效过滤器+驻极体的51%、粗效过滤器+驻极体的47%高效过滤器+静电纺丝，以及HEPA（39％1）和28％粗过滤器+HEPA（2）+活性炭。 随着风量的不断增大，IFD设备的能耗增长得越来越快。

2.3PM2.5去除效果

室内PM2.5质量浓度会因自然沉降以及空气净化器安装不同过滤单元而衰减。 自然沉降条件下，PM2.5浓度下降缓慢，1小时后衰减约12.7%。 可见，自然沉降对PM2.5去除效果不大，室内空气质量难以改善。 与自然沉降相比，空气净化器运行工况下PM2.5浓度衰减非常明显。 每次发尘后PM2.5的初始质量浓度被认为是相同的（约850μg/m3）。 基于不同过滤单元的空气净化器可在开启1小时内将PM2.5质量浓度降低至10μg/m3左右。 ，小于初级质量浓度限值35 μg/m3。 结果表明，所有过滤单元都能在1小时内有效净化香烟烟雾产生的PM2.5。 当PM2.5衰减到发尘前的背景质量浓度（约75μg/m3）时，空气净化器使用不同过滤单元所需时间的关系为：IFD装置（22min）<HEPA（1）（ 26 分钟) < 粗过滤器 + 驻极体 (32 分钟) < 粗过滤器 + HEPA (2) + 活性炭 (39 分钟) < 粗过滤器 + 静电纺丝 (42 分钟)。

2.4 绩效评价指标

以洁净风量CADR和净化效率（即单位功率洁净风量，CADR/P）作为空气净化器的性能评价指标。 本文采用效率风量和衰减测试两种方法来计算CADR。 （详情见原文）

3结论

1）粗效过滤器+驻极体、粗效过滤器+静电纺丝的过滤效率先随风量增大而增大，达到峰值后略有下降； HEPA(1)、粗效过滤器+HEPA(2)+活性炭过滤效率随风量增大而提高； IFD装置的过滤效率随着风量的增加而降低。 过滤单元的阻力关系为：IFD装置＜粗滤器+驻极纺丝＜粗滤器+驻极体＜HEPA(1)＜粗滤器+HEPA(2)+活性炭。

2）风量恒定且小于300 m3/h时，粗效过滤器+HEPA（2）+活性炭能耗最大，其次是HEPA（1），然后是粗效过滤器+驻极体和粗效过滤器+静电纺丝，两者差别不大，而且IFD装置功耗最少。 随着风量的不断增大，IFD设备的能耗增长得越来越快。

3）不同的过滤单元可在1小时内有效净化香烟烟雾产生的PM2.5。 认为初始浓度相同，室内净化达到相同的洁净度水平。 IFD装置与HEPA(1)耗时相近且较短，其次为粗效过滤器+驻极体、粗效过滤器+HEPA(2)+活性炭、粗效过滤器+静电纺丝耗时较长。

4）效率风量法计算的CADR值大于衰减测试法，两者相差在7%以内。 HEPA（1）、粗效过滤器+驻极体，具有更大的CADR和净化效率； 其次是粗效过滤器+静电纺丝、粗效过滤器+HEPA(2)+活性炭，两者的CADR和净化效率没有太大区别； IFD装置的CADR最大，但净化效率最低。

全文发表于《暖通空调》2017年第2期