關(guān)于舒適性空調系統中空氣過(guò)濾器的研究

     隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展和社會(huì )的進(jìn)步，人們對自己的生活環(huán)境日益關(guān)注。由于室內環(huán)境惡化所導致的病態(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，室內空氣品質(zhì)是衡量室內環(huán)境好壞的重要指標，人們已經(jīng)開(kāi)始認識到改善室內空氣品質(zhì)的重要性與緊迫性。同時(shí)，以往舒適性空調設計偏重熱濕處理和氣流組織，對空氣潔凈度缺乏必要重視。不恰當的使用過(guò)濾器會(huì )對空調系統造成損害，如氣道堵塞、風(fēng)機結垢，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。對室內人員、設備及裝修帶來(lái)危害，甚至使空調系統本身成為惡化室內空氣品質(zhì)的污染源之一。所以合理配置系統中的過(guò)濾器不僅可以改善室內空氣品質(zhì)，也會(huì )帶來(lái)長(cháng)遠的經(jīng)濟效益。

    1 纖維過(guò)濾器過(guò)濾理論的研究與發(fā)展
    空氣過(guò)濾器的過(guò)濾材料內雜亂交織的纖維層在允許氣流通過(guò)的同時(shí)把灰塵攔住。捕集微粒的作用有攔截效應、慣性效應、擴散效應、重力效應和靜電效應等。在一個(gè)纖維過(guò)濾器內，微粒被捕集可能由于所有機理的作用，也可能由于一種或某幾種機理的作用，這要根據微粒的尺寸、密度、纖維粗細、纖維層的填充率、氣流速度等條件決定。
    過(guò)濾理論特別是空氣過(guò)濾理論的研究早在l9世紀已經(jīng)開(kāi)始，過(guò)濾理論由早期的經(jīng)典過(guò)濾理論發(fā)展到現代過(guò)濾理論及微孔過(guò)濾理論。
    對微細顆粒運動(dòng)規律的早認識是在l9世紀初期，植物學(xué)家Brown觀(guān)察了微細顆粒懸浮在液體中的運動(dòng)(即布朗運動(dòng))；1922年，Freundlich發(fā)展了對氣溶膠過(guò)濾規律的認識，提出在0 ～0．2 LLm半徑范圍內氣溶膠顆粒存在大滲透率；1 93 1年，Albrecht率先對氣流通過(guò)單一圓柱纖維運動(dòng)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(dòng)和慣性沉淀的概念一同應用到纖維過(guò)濾理論中，推導出過(guò)濾作用的數學(xué)公式；1942年，Langmuir繼續對過(guò)濾理論進(jìn)行研究，認為過(guò)濾是截留和擴散的集合，而慣性粒子在過(guò)濾纖維上的沉淀是可以忽略的。
    1952年，Davies把擴散、截留和慣性3種機制結合起來(lái)并用公式表示出來(lái)[5／，從而建立了新的過(guò)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，他們對較大雷諾數情況下顆粒的慣性、擴散沉積及重力效應和過(guò)濾器阻塞現象進(jìn)行了研究和總結；1967年，Pickaar和Clarenburg試圖提出一個(gè)纖維過(guò)濾器微孑L結構的數學(xué)理論；1987年P(guān)ich及1993年Brown在其專(zhuān)著(zhù)中描述了過(guò)濾理論的新發(fā)展。
    現代過(guò)濾理論證明了慣性沉淀的正確性和大穿透力粒子的存在，認為過(guò)濾效率是截留效應、布朗擴散效應、重力效應、沉淀效應與壓力效應的集合；過(guò)濾過(guò)程中可能存在的機理有攔截、慣性碰撞、擴散、靜電效應、庫侖吸引排斥、映像力、電泳力及沉淀(重力)?，F代過(guò)濾理論中具有代表性的是Davies的過(guò)濾理論
與Kuwarbara的流場(chǎng)分布。
    1992年，Payet、Gougeon和Attoui考慮了氣體在單一纖維上的滑動(dòng)，對經(jīng)典理論引入修正系數，使得理論與實(shí)驗數據更好地吻合。1995年，Rosnert提出分散在單一纖維體表面的顆粒以不規則的分布和常常形成樹(shù)枝狀結構為特征，建立了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測顆粒的沉積。
    2001年，Thomas等對過(guò)濾器在產(chǎn)生阻塞的情況下進(jìn)行了空氣過(guò)濾的理論與實(shí)驗研究，提出了過(guò)濾器在濾餅存在的情況下，過(guò)濾效率及壓力損失的計算模型。近幾年來(lái)，國外許多學(xué)者對空氣過(guò)濾器在積塵情況下的效率性能及濾餅的形成和機理進(jìn)行了理論實(shí)驗及模擬研究，取得了一定的成果[8-11]。過(guò)濾理論的研究尚不完善，國內有關(guān)過(guò)濾機理的研究文獻比較少，不同結構過(guò)濾器的捕集效率和壓力損失的理論計算，過(guò)濾器的負荷特性對捕集效率及壓力損失的影響及濾料的結構特性對捕集效率及壓力損失的影響等問(wèn)題，都有待研究解決。因此，過(guò)濾理論的進(jìn)一步研究對空氣過(guò)濾技術(shù)的發(fā)展具有重大意義和實(shí)用價(jià)值。

    2 過(guò)濾器的性能指標與標準
    評價(jià)過(guò)濾器性能的特性指標有：面速或濾速、效率、阻力和容塵量等。其中主要的是效率回。各、各廠(chǎng)商使用的測試方法不統一。對過(guò)濾器效率的解釋和表達就會(huì )大相徑庭。
    目前國際上的通用標準大致有如下幾個(gè)。早有美國標準局NBS的比色法和美國過(guò)濾器研究所AFI的人工塵計重法。后來(lái)美國ASHARE學(xué)會(huì )制定了以大氣塵源的比色法ASHARE52．76被許多認同和采用。1992年美國ASHARE學(xué)會(huì )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(shí)間過(guò)長(cháng)，易受大氣塵濃度波動(dòng)的影響，在世界上早采用大氣塵分組計數法，于l990年頒布標準GB12218．89《一般通風(fēng)用空調過(guò)濾器性能測試方法》。歐洲空氣處理設備制造商協(xié)會(huì )也相應地制定了大氣塵計數法EUROVENT 4／9，準備替代EUROVENT 4／5 。國內外主要幾種空氣過(guò)濾器標準和效率的比較請參見(jiàn)表1。
                    
    3 過(guò)濾器的常用類(lèi)型
    常用的一般通風(fēng)用過(guò)濾器有板式過(guò)濾器，袋式過(guò)濾器和剛性緊湊式過(guò)濾器等。
    板式過(guò)濾器結構簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，用于比較干凈場(chǎng)所的空調系統預過(guò)濾和凈化要求不高的舒適性空凋系統。其濾材為蓬松的針刺無(wú)紡布或玻璃纖維材料，
目前國內普遍使用的金屬和尼龍過(guò)濾網(wǎng)的大氣塵計重效率高不超過(guò)3O％ 。
    袋式過(guò)濾器是舒適性空調系統中常見(jiàn)的過(guò)濾器種類(lèi)。它的效率可以達到比色法40％ ～95％(F5～F8)，以及計重法8O％～9O％(G3~G4)。F5～F8過(guò)濾器的傳統過(guò)濾材料為玻璃纖維。但是近年來(lái)，以熔噴法制造的聚丙烯纖維過(guò)濾材料取代了傳統玻纖材料約一半的市場(chǎng)。G3與G4過(guò)濾器的濾材主要為滌綸無(wú)紡布，為了滿(mǎn)足國內用戶(hù)重復使用的要求，有時(shí)人們在濾料中添加黏合劑以使材料可以經(jīng)受水洗。
    常見(jiàn)的剛性緊湊式過(guò)濾器分為無(wú)隔板過(guò)濾器和有隔板過(guò)濾器。無(wú)隔板過(guò)濾器由于性?xún)r(jià)比高，正逐漸替代有隔板過(guò)濾器。國際上絕大多數此類(lèi)過(guò)濾器都采用濕法超細玻纖濾紙，而我國近年來(lái)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(shí)驗室測試初始效率或許能達到所標效率，但在實(shí)際使用時(shí)隨著(zhù)靜電的很快消失，效率也會(huì )驟然下降。在實(shí)際使用現場(chǎng)和實(shí)驗室中的多次測試表明，使用了兩周后的化纖濾紙過(guò)濾器的效率等級高僅相當于F6t瑚。采用玻纖濾紙的一般通風(fēng)用剛性緊湊型過(guò)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(guò)濾器對微生物顆粒有更好的抑制作用。
    化學(xué)過(guò)濾器使用活性炭作為主要過(guò)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700~2300 m2／g[嘲。根據材料的處理方法，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)反應的吸附稱(chēng)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，生成固體成分或無(wú)害的氣體。

    4 過(guò)濾器的選擇
    過(guò)濾器應根據不同場(chǎng)合性能要求的不同進(jìn)行相應配置。評價(jià)過(guò)濾器主要有四項特性指標：過(guò)濾速度、過(guò)濾效率、阻力和容塵量，因此在進(jìn)行過(guò)濾器的選擇時(shí)也應該參照這四個(gè)性能參數進(jìn)行相應選擇。①選用過(guò)濾面積大的過(guò)濾器。過(guò)濾面積越大，濾速越低，過(guò)濾器阻力就越小。在特定過(guò)濾器結構條件下，反映濾速的是過(guò)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(shí)增加過(guò)濾面積是延長(cháng)過(guò)濾器使用壽命有效的手段。經(jīng)驗表明，對同種結構、同樣濾料的過(guò)濾器。當終阻力確定時(shí)，過(guò)濾面積增加50％，過(guò)濾器的使用壽命延長(cháng)70％～8O％[16]。但是在考慮增加過(guò)濾面積的同時(shí)還要考慮到過(guò)濾器的結構和現場(chǎng)條件。
    ②合理確定各級過(guò)濾器效率?？照{設計時(shí)，應首先根據實(shí)際要求確定末一級過(guò)濾器的效率，然后選擇起保護作用的預過(guò)濾器。要妥善匹配各級過(guò)濾器的效率，善于利用和配置粗、中效過(guò)濾器各自的佳過(guò)濾粒徑范圍。而預過(guò)濾器的選擇應根據使用環(huán)境、備件費用、運行能耗、維護費用等因素綜合考慮決定。不同效率等級的空氣過(guò)濾器對不同大小的灰塵顆粒的低計數過(guò)濾效率如圖1所示，它通常是指不帶靜電的新過(guò)濾器的效率。同時(shí)舒適性空調過(guò)濾器的配置應不同于凈化空調系統，并且對空氣過(guò)濾器的安裝、防漏等也應提出不同的要求。
                 

③過(guò)濾器的阻力主要有濾料阻力和過(guò)濾器結構阻力構成，過(guò)濾器積灰阻力增加，當阻力增加到某一規定值時(shí)過(guò)濾器報廢。終阻力直接關(guān)系到過(guò)濾器的使用壽命、系統風(fēng)量變化范