關(guān)于舒適性空調(diào)系統(tǒng)中空氣過濾器的研究
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人們對自己的生活環(huán)境日益關(guān)注。由于室內(nèi)環(huán)境惡化所導(dǎo)致的病態(tài)建筑綜合癥(SBS，Sick Building Syndrome)，使得人們的身心健康與工作效率受到很大影響，室內(nèi)空氣品質(zhì)是衡量室內(nèi)環(huán)境好壞的重要指標(biāo)，人們已經(jīng)開始認(rèn)識到改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要性與緊迫性。同時，以往舒適性空調(diào)設(shè)計偏重?zé)釢裉幚砗蜌饬鹘M織，對空氣潔凈度缺乏必要重視。不恰當(dāng)?shù)氖褂眠^濾器會對空調(diào)系統(tǒng)造成損害，如氣道堵塞、風(fēng)機(jī)結(jié)垢，換熱部件效率低下，溫濕度等測量和控制元件失靈，全熱交換裝置失效等等。對室內(nèi)人員、設(shè)備及裝修帶來危害，甚至使空調(diào)系統(tǒng)本身成為惡化室內(nèi)空氣品質(zhì)的污染源之一。所以合理配置系統(tǒng)中的過濾器不僅可以改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，也會帶來長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。
1 纖維過濾器過濾理論的研究與發(fā)展
空氣過濾器的過濾材料內(nèi)雜亂交織的纖維層在允許氣流通過的同時把灰塵攔住。捕集微粒的作用有攔截效應(yīng)、慣性效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)、重力效應(yīng)和靜電效應(yīng)等。在一個纖維過濾器內(nèi)，微粒被捕集可能由于所有機(jī)理的作用，也可能由于一種或某幾種機(jī)理的作用，這要根據(jù)微粒的尺寸、密度、纖維粗細(xì)、纖維層的填充率、氣流速度等條件決定。
過濾理論特別是空氣過濾理論的研究早在l9世紀(jì)已經(jīng)開始，過濾理論由早期的經(jīng)典過濾理論發(fā)展到現(xiàn)代過濾理論及微孔過濾理論。
對微細(xì)顆粒運動規(guī)律的最早認(rèn)識是在l9世紀(jì)初期，植物學(xué)家Brown觀察了微細(xì)顆粒懸浮在液體中的運動(即布朗運動)；1922年，F(xiàn)reundlich發(fā)展了對氣溶膠過濾規(guī)律的認(rèn)識，提出在0 ～0．2 LLm半徑范圍內(nèi)氣溶膠顆粒存在最大滲透率；1 93 1年，Albrecht率先對氣流通過單一圓柱纖維運動進(jìn)行了研究，建立了
Albrecht理論，隨后Sell對其進(jìn)行了必要的改進(jìn)。1936年，Kaufmann首先把布朗運動和慣性沉淀的概念一同應(yīng)用到纖維過濾理論中，推導(dǎo)出過濾作用的數(shù)學(xué)公式；1942年，Langmuir繼續(xù)對過濾理論進(jìn)行研究，認(rèn)為過濾是截留和擴(kuò)散的集合，而慣性粒子在過濾纖維上的沉淀是可以忽略的。
1952年，Davies把擴(kuò)散、截留和慣性3種機(jī)制結(jié)合起來并用公式表示出來[5／，從而建立了新的過濾理論——孤立纖維理論；1958年Friedlanderto及1967年Yoshioka發(fā)展了獨立纖維理論，他們對較大雷諾數(shù)情況下顆粒的慣性、擴(kuò)散沉積及重力效應(yīng)和過濾器阻塞現(xiàn)象進(jìn)行了研究和總結(jié)；1967年，Pickaar和Clarenburg試圖提出一個纖維過濾器微孑L結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)理論；1987年P(guān)ich及1993年Brown在其專著中描述了過濾理論的最新發(fā)展。
現(xiàn)代過濾理論證明了慣性沉淀的正確性和最大穿透力粒子的存在，認(rèn)為過濾效率是截留效應(yīng)、布朗擴(kuò)散效應(yīng)、重力效應(yīng)、沉淀效應(yīng)與壓力效應(yīng)的集合；過濾過程中可能存在的機(jī)理有攔截、慣性碰撞、擴(kuò)散、靜電效應(yīng)、庫侖吸引排斥、映像力、電泳力及沉淀(重力)?，F(xiàn)代過濾理論中具有代表性的是Davies的過濾理論
與Kuwarbara的流場分布。
1992年，Payet、Gougeon和Attoui考慮了氣體在單一纖維上的滑動，對經(jīng)典理論引入修正系數(shù)，使得理論與實驗數(shù)據(jù)更好地吻合。1995年，Rosnert提出分散在單一纖維體表面的顆粒以不規(guī)則的分布和常常形成樹枝狀結(jié)構(gòu)為特征，建立了最新改善的理論和顆粒在單一纖維體上的空間分布[91。利用此理論和計算程序可預(yù)測顆粒的沉積。
2001年，Thomas等對過濾器在產(chǎn)生阻塞的情況下進(jìn)行了空氣過濾的理論與實驗研究，提出了過濾器在濾餅存在的情況下，過濾效率及壓力損失的計算模型。近幾年來，國外許多學(xué)者對空氣過濾器在積塵情況下的效率性能及濾餅的形成和機(jī)理進(jìn)行了理論實驗及模擬研究，取得了一定的成果[8-11]。過濾理論的研究尚不完善，國內(nèi)有關(guān)過濾機(jī)理的研究文獻(xiàn)比較少，不同結(jié)構(gòu)過濾器的捕集效率和壓力損失的理論計算，過濾器的負(fù)荷特性對捕集效率及壓力損失的影響及濾料的結(jié)構(gòu)特性對捕集效率及壓力損失的影響等問題，都有待研究解決。因此，過濾理論的進(jìn)一步研究對空氣過濾技術(shù)的發(fā)展具有重大意義和實用價值。
2 過濾器的性能指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)
評價過濾器性能的特性指標(biāo)有：面速或濾速、效率、阻力和容塵量等。其中最主要的是效率回。各國家、各廠商使用的測試方法不統(tǒng)一。對過濾器效率的解釋和表達(dá)就會大相徑庭。
目前國際上的通用標(biāo)準(zhǔn)大致有如下幾個。最早有美國國家標(biāo)準(zhǔn)局NBS的比色法和美國過濾器研究所AFI的人工塵計重法。后來美國ASHARE學(xué)會制定了以大氣塵源的比色法ASHARE52．76被許多國家認(rèn)同和采用。1992年美國ASHARE學(xué)會對比色法進(jìn)行了修正，以ASHARE52．1 1992頒布。我國針對比色法測試時間過長，易受大氣塵濃度波動的影響，在世界上最早采用大氣塵分組計數(shù)法，于l990年頒布國家標(biāo)準(zhǔn)GB12218．89《一般通風(fēng)用空調(diào)過濾器性能測試方法》。歐洲空氣處理設(shè)備制造商協(xié)會也相應(yīng)地制定了大氣塵計數(shù)法EUROVENT 4／9，準(zhǔn)備替代EUROVENT 4／5 。國內(nèi)外主要國家?guī)追N空氣過濾器標(biāo)準(zhǔn)和效率的比較請參見表1。
3 過濾器的常用類型
常用的一般通風(fēng)用過濾器有板式過濾器，袋式過濾器和剛性緊湊式過濾器等。
板式過濾器結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，用于比較干凈場所的空調(diào)系統(tǒng)預(yù)過濾和凈化要求不高的舒適性空凋系統(tǒng)。其濾材為蓬松的針刺無紡布或玻璃纖維材料，
目前國內(nèi)普遍使用的金屬和尼龍過濾網(wǎng)的大氣塵計重效率最高不超過3O％ 。
袋式過濾器是舒適性空調(diào)系統(tǒng)中最常見的過濾器種類。它的效率可以達(dá)到比色法40％ ～95％(F5～F8)，以及計重法8O％～9O％(G3~G4)。F5～F8過濾器的傳統(tǒng)過濾材料為玻璃纖維。但是近年來，以熔噴法制造的聚丙烯纖維過濾材料取代了傳統(tǒng)玻纖材料約一半的市場。G3與G4過濾器的濾材主要為滌綸無紡布，為了滿足國內(nèi)用戶重復(fù)使用的要求，有時人們在濾料中添加黏合劑以使材料可以經(jīng)受水洗。
常見的剛性緊湊式過濾器分為無隔板過濾器和有隔板過濾器。無隔板過濾器由于性價比高，正逐漸替代有隔板過濾器。國際上絕大多數(shù)此類過濾器都采用濕法超細(xì)玻纖濾紙，而我國近年來大多采用熔噴化纖濾紙(多為聚丙烯材料)。由于化纖濾紙帶靜電，在實驗室測試初始效率或許能達(dá)到所標(biāo)效率，但在實際使用時隨著靜電的很快消失，效率也會驟然下降。在實際使用現(xiàn)場和實驗室中的多次測試表明，使用了兩周后的化纖濾紙過濾器的效率等級最高僅相當(dāng)于F6t瑚。采用玻纖濾紙的一般通風(fēng)用剛性緊湊型過濾器的效率為ASHRAE 60％～98％(F6~F9)。干法熔噴玻纖濾料和化纖濾料均不抗水。因此，濕法玻纖濾紙制成的過濾器對微生物顆粒有更好的抑制作用。
化學(xué)過濾器使用活性炭作為主要過濾材料?；钚蕴坎牧辖^大部分微孔的孔徑在5~500 A之間，單位材料中微孔的總表面積可達(dá)700~2300 m2／g[嘲。根據(jù)材料的處理方法，活性炭吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附主要靠的是范德華力。經(jīng)化學(xué)處理而使材料與有害氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的吸附稱為化學(xué)吸附?；钚蕴靠糠兜氯A力抓到氣體分子，材料上的化學(xué)成分與污染物反應(yīng)，生成固體成分或無害的氣體。
4 過濾器的選擇
過濾器應(yīng)根據(jù)不同場合性能要求的不同進(jìn)行相應(yīng)配置。評價過濾器主要有四項特性指標(biāo)：過濾速度、過濾效率、阻力和容塵量，因此在進(jìn)行過濾器的選擇時也應(yīng)該參照這四個性能參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)選擇。①選用過濾面積大的過濾器。過濾面積越大，濾速越低，過濾器阻力就越小。在特定過濾器結(jié)構(gòu)條件下，反映濾速的是過濾器的額定風(fēng)量。在相同截面積下，希望允許的額定風(fēng)量越大越好，而在低于額定風(fēng)量下運行，效率提高阻力降低。同時增加過濾面積是延長過濾器使用壽命最有效的手段。經(jīng)驗表明，對同種結(jié)構(gòu)、同樣濾料的過濾器。當(dāng)終阻力確定時，過濾面積增加50％，過濾器的使用壽命延長70％～8O％[16]。但是在考慮增加過濾面積的同時還要考慮到過濾器的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場條件。
②合理確定各級過濾器效率?？照{(diào)設(shè)計時，應(yīng)首先根據(jù)實際要求確定最末一級過濾器的效率，然后選擇起保護(hù)作用的預(yù)過濾器。要妥善匹配各級過濾器的效率，善于利用和配置粗、中效過濾器各自的最佳過濾粒徑范圍。而預(yù)過濾器的選擇應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境、備件費用、運行能耗、維護(hù)費用等因素綜合考慮決定。不同效率等級的空氣過濾器對不同大小的灰塵顆粒的最低計數(shù)過濾效率如圖1所示，它通常是指不帶靜電的新過濾器的效率。同時舒適性空調(diào)過濾器的配置應(yīng)不同于凈化空調(diào)系統(tǒng)，并且對空氣過濾器的安裝、防漏等也應(yīng)提出不同的要求。
③過濾器的阻力主要有濾料阻力和過濾器結(jié)構(gòu)阻力構(gòu)成，過濾器積灰阻力增加，當(dāng)阻力增加到某一規(guī)定值時過濾器報廢。終阻力直接關(guān)系到過濾器的使用壽命、系統(tǒng)風(fēng)量變化范圍、系統(tǒng)能耗。低效率的過濾器常使用直徑大于10／．,tm的粗纖維濾料，纖維間空隙大，過大的阻力有可能將過濾器上的積灰吹散，引起二次污染，而此時阻力不再增加，過濾效率為零。因此要嚴(yán)格限制G4以下過濾器的終阻力值。
④過濾器的容塵量是和使用期限有直接關(guān)系的指標(biāo)。過濾器在積塵的過程中，效率低的過濾器更易顯示初效率先增加后下降的特點。一般舒適性中央空調(diào)系統(tǒng)使用的大多數(shù)過濾器是一次性的，它們根本無法清洗或從經(jīng)濟(jì)角度上考慮不值得清洗。
5 結(jié)論及建議
通過對空氣過濾器性能等的研究，本文得到以下結(jié)論：
①沒有使用好過濾器的空調(diào)系統(tǒng)可能成為污染源或促進(jìn)交叉污染。在空調(diào)系統(tǒng)中裝有效率足夠高的過濾器才是確保優(yōu)質(zhì)空氣品質(zhì)的必需措施。
②過濾理論已由經(jīng)典過濾理論發(fā)展到現(xiàn)代過濾理論及微孔過濾理論。
③評價過濾器的效率必須注明測試方法，各國家和廠商使用的測試方法不統(tǒng)一，測試結(jié)果就會大相徑庭。
④過濾器應(yīng)針對不同場合的要求進(jìn)行配置，在選擇時應(yīng)善于利用和配置粗、中效過濾器各自的最佳過濾粒徑范圍。
⑤對懸浮粒子的過濾作用不僅僅依賴于過濾器的最初選擇與配置，更重要在于對過濾器的維護(hù)和管理。不但要從熱濕處理效率角度上去考慮問題，而且還要從室內(nèi)空氣品質(zhì)角度上去管理空調(diào)系統(tǒng)。合理的運行與科學(xué)的維護(hù)管理是解決室內(nèi)空氣品質(zhì)的必要條件。
⑥現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)該認(rèn)真選擇及校核過濾器以達(dá)到配置要求；建議有關(guān)政府部門盡快制定有關(guān)民用建筑通風(fēng)空調(diào)和空氣過濾系統(tǒng)的設(shè)計、運行、維護(hù)、檢查的科學(xué)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。
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