王亞男，王 宇

（1.天津城建大學(xué) 天津300384；2.天津大學(xué) 天津300072）

近年來(lái)霧霾天氣逐漸加重，人們對(duì)顆粒物的危害展開(kāi)了大量研究. 空氣中的顆粒物可以對(duì)人們的身體健康產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[1-3]. 研究表明室內(nèi)顆粒物約55%～75%來(lái)源于室外[4]，空氣過(guò)濾器作為大氣環(huán)境與建筑室內(nèi)環(huán)境之間的一道“篩子”，是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié). 建筑室內(nèi)的顆粒物主要由空調(diào)系統(tǒng)中的空氣過(guò)濾器來(lái)控制[5]，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)過(guò)濾處理的空氣送入室內(nèi)可以有效改善室內(nèi)空氣品質(zhì)[6].

F 級(jí)中效過(guò)濾器是組合空調(diào)機(jī)組中最常用的過(guò)濾去除亞微米顆粒物、保障室內(nèi)空氣品質(zhì)的過(guò)濾器[7]，而過(guò)濾器最重要的特性指標(biāo)是阻力、效率、容塵量[8].過(guò)濾器的阻力與風(fēng)機(jī)能耗、建筑能耗有關(guān)，降低空氣過(guò)濾器的阻力，可以明顯降低通風(fēng)系統(tǒng)的建造和運(yùn)行成本[9]，所以研究過(guò)濾器阻力是必要的[10-11].濾效率有計(jì)數(shù)效率和計(jì)重效率兩種表示方法，雖然學(xué)者對(duì)兩者之間的換算關(guān)系進(jìn)行了研究探討[12-13]，但是目前還沒(méi)有統(tǒng)一的換算公式，規(guī)范中制定的顆粒物標(biāo)準(zhǔn)值都是質(zhì)量濃度，室外設(shè)計(jì)濃度也是質(zhì)量濃度，因此本研究以計(jì)重效率來(lái)評(píng)價(jià)過(guò)濾器的過(guò)濾性能.容塵量是反映過(guò)濾器壽命的指標(biāo)，空氣過(guò)濾器在整個(gè)使用期內(nèi)大部分時(shí)間都處于積塵狀態(tài)[14]，研究積塵量對(duì)其阻力和效率影響是必要的.在《F 級(jí)中效過(guò)濾器對(duì)PM2.5的過(guò)濾效率及性能研究》一文中對(duì)F 級(jí)過(guò)濾器的阻力做了詳細(xì)的闡述，故本文主要對(duì)F 級(jí)中效過(guò)濾器的過(guò)濾效率、容塵量、以及積塵過(guò)程中過(guò)濾器阻力、效率的變化進(jìn)行分析，并以天津地區(qū)為例，對(duì)幾類(lèi)過(guò)濾器進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試件選取

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)使用最多的中效過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)主要有袋式和板式，濾料有化纖和玻纖. 本文選取了幾類(lèi)F 級(jí)中效過(guò)濾器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)品類(lèi)型及具體參數(shù)見(jiàn)表1 所示.

1.2 測(cè)試儀器和測(cè)試方法

依據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)的過(guò)濾器性能檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14295—2008《空氣過(guò)濾器》[15]、EN779：2012[16]、ANSI/ASHRAE 52.2—2007[17]、ANSI/ASHRAE 52.1—1992[18]）設(shè)計(jì)建造了空氣過(guò)濾器檢測(cè)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置可以對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行阻力測(cè)試、效率測(cè)試、風(fēng)量風(fēng)壓功率測(cè)試及容塵量測(cè)試. 該檢測(cè)臺(tái)的原理為：環(huán)境空氣由風(fēng)機(jī)吸入口進(jìn)入噴嘴，經(jīng)過(guò)氣溶膠發(fā)生器、混合管、測(cè)試前段、待測(cè)試過(guò)濾器、最后經(jīng)過(guò)末端過(guò)濾器排出，如圖1所示.

表1 產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)

圖1 過(guò)濾器測(cè)試臺(tái)性能結(jié)構(gòu)

1.2.1 測(cè)試儀器

本實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量的是過(guò)濾器的分級(jí)效率、容塵量及容塵過(guò)程中過(guò)濾器阻力及效率的變化情況，主要的測(cè)試儀器如表2 所示.

表2 主要測(cè)試儀器

1.2.2 測(cè)試方法

（1）根據(jù)GB/T14295—2008《空氣過(guò)濾器》[15]，測(cè)試風(fēng)量覆蓋范圍50%、75%、100%、125%額定風(fēng)量下過(guò)濾器的分級(jí)效率.利用氣溶膠發(fā)生器發(fā)塵經(jīng)被測(cè)過(guò)濾器將其捕集，利用兩臺(tái)粉塵儀，同時(shí)測(cè)量上下游該粒子的計(jì)重濃度，從而得出該過(guò)濾器的計(jì)重效率，效率計(jì)算公式如下

式中：N1為測(cè)試前段小于或等于某粒徑質(zhì)量濃度的平均值；N2為測(cè)試后段小于或等于某粒徑質(zhì)量濃度的平均值.

（2）容塵量測(cè)試. 過(guò)濾器終阻力的確定是依據(jù)《JIS B9908：2001》[19]中規(guī)定的：終阻力一般為初阻力的2 倍，容塵量的計(jì)算方法是過(guò)濾器實(shí)驗(yàn)前后的質(zhì)量差值.將清潔的過(guò)濾器進(jìn)行稱(chēng)重，將稱(chēng)過(guò)重的過(guò)濾器安裝在風(fēng)道系統(tǒng)中，并向風(fēng)道系統(tǒng)中送入一定重量的干燥的人工塵（發(fā)塵濃度為70 mg/m3，塵源為A2塵），當(dāng)過(guò)濾器阻力達(dá)到初阻力的1.25 倍、1.5 倍、1.75 倍、2 倍時(shí)停止發(fā)塵，測(cè)試過(guò)濾器的重量和分級(jí)效率.

（3）無(wú)量綱過(guò)濾阻力[20]的計(jì)算.其公式如下

式中：Pon為無(wú)量綱過(guò)濾阻力，P0為過(guò)濾器初始阻力，P為運(yùn)行時(shí)的過(guò)濾器阻力.

（4）過(guò)濾器使用時(shí)間[21]的計(jì)算.其公式如下

式中：GC為堆積粉塵量，kg；Q為額定風(fēng)量，m3/h；τ 為濾料連續(xù)使用時(shí)間，h；y為過(guò)濾器進(jìn)口處的含塵濃度，kg/m3.

（5）過(guò)濾器運(yùn)行能耗[22]的計(jì)算.其公式如下

式中：Ec為風(fēng)機(jī)能耗，kW·h；Q為風(fēng)量，m3/h；ΔP為運(yùn)行期間過(guò)濾器的平均阻力，pa；t為運(yùn)行時(shí)間，h；η為風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率.

2 過(guò)濾器性能分析

2.1 過(guò)濾效率

對(duì)不同風(fēng)量下袋式化纖和袋式玻纖過(guò)濾器的分級(jí)效率進(jìn)行了測(cè)試，如圖2-5 所示，由圖可知：同一個(gè)過(guò)濾器在相同的風(fēng)量下，粒徑越小過(guò)濾效率越低；化纖過(guò)濾器的效率比玻纖過(guò)濾器的效率高，過(guò)濾等級(jí)較低時(shí)，各級(jí)效率相差的較大，過(guò)濾等級(jí)較高時(shí)，各級(jí)效率相差的較??；對(duì)于化纖濾料的過(guò)濾器，隨著風(fēng)量的增大，其各級(jí)粒徑過(guò)濾效率在降低；玻纖濾料的過(guò)濾器出現(xiàn)了相反的結(jié)果，隨著風(fēng)量的增大過(guò)濾效率在升高，當(dāng)過(guò)濾效率達(dá)到一定值時(shí)，增大風(fēng)量，過(guò)濾效率增長(zhǎng)緩慢.

纖維空氣過(guò)濾器對(duì)顆粒物的過(guò)濾機(jī)理有：擴(kuò)散效應(yīng)，截留效應(yīng)，慣性效應(yīng)，重力效應(yīng)和靜電效應(yīng)等，在實(shí)際應(yīng)用中，過(guò)濾效果則是以上過(guò)濾機(jī)理綜合作用的結(jié)果. 玻纖濾料和化纖濾料的內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)不同，化纖濾料內(nèi)部纖維排列較整齊，而玻纖濾料內(nèi)部纖維排列雜亂無(wú)章，并且纖維較細(xì)，其過(guò)濾的機(jī)理也存在著不同，對(duì)于實(shí)驗(yàn)測(cè)試的濾速，在1.27～3.17 m/s 的濾速內(nèi)，對(duì)于化纖濾料的過(guò)濾器，由于纖維密度大，在實(shí)驗(yàn)中可能處于以擴(kuò)散作用為主的濾速范圍，故隨著風(fēng)量的增大，其捕集效率在降低；而玻纖濾料的過(guò)濾器處于以慣性碰撞為主的濾速范圍，所以隨著風(fēng)量的增大，其過(guò)濾器效率表現(xiàn)出了相反的趨勢(shì).

圖2 F5 過(guò)濾器的分級(jí)效率

圖3 F6 過(guò)濾器的分級(jí)效率

圖4 F7 過(guò)濾器的分級(jí)效率

圖5 F8 過(guò)濾器的分級(jí)效率

2.2 容塵量

2.2.1 容塵量與阻力的關(guān)系

由于不同的過(guò)濾器初阻力和終阻力不同，無(wú)法對(duì)過(guò)濾器的阻力與容塵量進(jìn)行直接的比較，因此做了過(guò)濾器無(wú)量綱過(guò)濾阻力和容塵量的曲線圖（見(jiàn)圖6），即可以在相同的無(wú)量綱過(guò)濾阻力下比較各類(lèi)過(guò)濾器的容塵量.

圖6 F7 過(guò)濾器容塵量與無(wú)量綱過(guò)濾器阻力Pon 的關(guān)系

通過(guò)圖6 可以看出：相同的濾料，相同的無(wú)量綱過(guò)濾阻力，袋式過(guò)濾器的容塵量大于板式過(guò)濾器的容塵量，在Pon=1.25 時(shí)，即開(kāi)始容塵時(shí)，兩者的容塵量是相同的，隨著Pon的增大，容塵量相差較大，在最后達(dá)到終阻力時(shí)，袋式過(guò)濾器的容塵量是板式過(guò)濾器容塵量的1.71 倍；玻纖過(guò)濾器的容塵量要遠(yuǎn)大于化纖過(guò)濾器的容塵量，在Pon=1.25 時(shí)，玻纖袋式過(guò)濾器的容塵量是化纖袋式過(guò)濾器容塵量的6.8 倍，是化纖板式過(guò)濾器容塵量的6.7 倍，當(dāng)達(dá)到終阻力時(shí)（即Pon=2），玻纖袋式過(guò)濾器的容塵量是化纖袋式過(guò)濾器容塵量的4.3 倍，是化纖板式過(guò)濾器容塵量的7.3 倍.袋式過(guò)濾器比板式過(guò)濾器容塵量大主要是因?yàn)檫^(guò)濾面積導(dǎo)致的，袋式過(guò)濾器的過(guò)濾面積為5.32 m2，而板式過(guò)濾的過(guò)濾面積為0.51 m2；玻纖過(guò)濾器比化纖過(guò)濾器容塵量大主要是其內(nèi)部的纖維結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的.表3 是容塵前后玻纖濾料和化纖濾料的電鏡掃描圖片，化纖濾料主要以深層容塵為主，玻纖濾料主要以表層容塵為主，但是可以明顯看出玻纖濾料的容塵能力大于玻纖濾料的容塵能力.

2.2.2 容塵量與過(guò)濾效率之間的關(guān)系

過(guò)濾器容塵后效率如圖7 所示，過(guò)濾器在容塵的情況下，過(guò)濾效率會(huì)隨著容塵的增加發(fā)生變化.對(duì)于F7 玻纖袋式過(guò)濾器，隨著容塵量的增加效率在逐漸增大，當(dāng)增大到一定值時(shí)，效率就開(kāi)始下降，在過(guò)濾器容塵為896 g 時(shí)，過(guò)濾效率達(dá)到了最高點(diǎn)，此時(shí)PM1.0的過(guò)濾效率增長(zhǎng)的最多，為42.5%；對(duì)于F7 化纖袋式過(guò)濾器，各個(gè)粒徑的過(guò)濾效率是先升高再降低在升高，除了PM1.0，其它粒徑效率在80%～90%左后振蕩；對(duì)于F7 板式化纖過(guò)濾器，在容塵后過(guò)濾器的效率降低了，在容塵為100 g 時(shí)，各分級(jí)粒徑的效率均降低了10%，隨著容塵的增加，各級(jí)粒徑的過(guò)濾效率又在增加，在容塵為125 g 時(shí)，小顆粒物的過(guò)濾效率開(kāi)始降低，大顆粒物的過(guò)濾效率繼續(xù)增加. 理論上，過(guò)濾器在剛開(kāi)始積塵時(shí)，過(guò)濾效率會(huì)增加，因?yàn)楫?dāng)濾料纖維表面形成粉塵層后，纖維表面及孔隙間沉積的顆粒物可被視為新的顆粒物捕集體，即塵濾塵的過(guò)程.理論上分析，板式過(guò)濾器效率的變化情況與袋式過(guò)濾器效率的變化情況應(yīng)該是一致的，即先增加再降低.本次試驗(yàn)中第一個(gè)測(cè)試點(diǎn)是Pon=1.25，而板式過(guò)濾器效率先增后減的這一過(guò)程出現(xiàn)在Pon=1～Pon=1.25 之間，因?yàn)榘迨竭^(guò)濾器過(guò)濾面積小，容塵過(guò)程效率變化時(shí)間較短.

表3 容塵后纖維的表面形態(tài)

圖7 過(guò)濾器容塵后效率變化圖

3 過(guò)濾器經(jīng)濟(jì)性比較

對(duì)于空氣過(guò)濾器的經(jīng)濟(jì)性分析，主要考慮兩個(gè)方面，一是過(guò)濾器本身的成本，二是過(guò)濾器在壽命期內(nèi)的能耗.本節(jié)主要以天津地區(qū)的大氣環(huán)境為室外環(huán)境，對(duì)這幾類(lèi)過(guò)濾器進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較，假設(shè)條件如下：

（1）天津地區(qū)不保證“5”d 的PM2.5室外設(shè)計(jì)濃度，即274 μg/m3[23]；

（2）新風(fēng)機(jī)組中PM2.5過(guò)濾器效率為72.63%，即可滿足室內(nèi)的空氣健康[24]，測(cè)試的F7 過(guò)濾器均符合要求；

（3）風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率η=0.7[25]；

（4）天津一般的工商業(yè)及其他用電價(jià)格為0.67元/kW·h.

根據(jù)假設(shè)條件（1）～（4）以及公式（3），得到了三類(lèi)過(guò)濾器的使用壽命，板式化纖過(guò)濾器是140 h，袋式化纖過(guò)濾器是239 h，袋式玻纖過(guò)濾器的使用壽命是1 026 h. 對(duì)于辦公建筑來(lái)說(shuō)，一般每天空氣處理系統(tǒng)的開(kāi)啟時(shí)間是8 h，則三類(lèi)過(guò)濾器的更換周期分別是17.5，30，128 d，袋式玻纖過(guò)濾器的使用時(shí)間最長(zhǎng).以128 d 的使用時(shí)間為使用周期計(jì)算過(guò)濾器的成本和使用周期內(nèi)的電價(jià)，對(duì)這三類(lèi)過(guò)濾器的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，計(jì)算所需參數(shù)如表4 所示，計(jì)算結(jié)果如表5 所示.結(jié)果表明F7 袋式化纖過(guò)濾器和板式化纖過(guò)濾器的經(jīng)濟(jì)性均大于玻纖袋式過(guò)濾器，雖然玻纖過(guò)濾器的容塵量較大，但是其阻力較大，運(yùn)行能耗較大，電費(fèi)也較高，在總價(jià)中電費(fèi)占的比例較大.

表4 過(guò)濾器的參數(shù)

表5 三類(lèi)過(guò)濾器的經(jīng)濟(jì)性比較

4 結(jié) 論

本文對(duì)F 級(jí)中效過(guò)濾器的過(guò)濾效率、容塵量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并對(duì)過(guò)濾器的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，得出了以下結(jié)論.

（1）玻纖過(guò)濾器的分級(jí)效率要低于化纖過(guò)濾器的分級(jí)效率；濾速在1.27～3.17 m/s 范圍內(nèi)，隨著濾速的增大，玻纖過(guò)濾器的分級(jí)效率逐漸增大，化纖過(guò)濾器的分級(jí)效率逐漸減小.

（2）在容塵量方面：玻纖濾料過(guò)濾器大于化纖濾料過(guò)濾器，玻纖濾料過(guò)濾器是化纖濾料過(guò)濾器的4.3倍，袋式過(guò)濾器大于板式過(guò)濾器，袋式過(guò)濾器是板式過(guò)濾器的1.71 倍；在積塵的情況下，袋式玻纖和袋式化纖過(guò)濾器的過(guò)濾效率均在增大，而板式化纖過(guò)濾器的過(guò)濾效率降低了大約10%左右.

（3）以天津地區(qū)為例，對(duì)這三類(lèi)過(guò)濾器進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析.結(jié)果表明，袋式化纖過(guò)濾器的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，而袋式玻纖過(guò)濾器的經(jīng)濟(jì)性最差，袋式玻纖過(guò)濾器的總價(jià)比其他兩類(lèi)過(guò)濾器的總價(jià)高約30%，該結(jié)果可為相關(guān)的工程設(shè)計(jì)提供參考.