王變芬，姚世京，徐金金，谷越陽(yáng)，王 鑫，黃 濤，鄧 飛

（1.河北科技大學(xué)理工學(xué)院，河北 石家莊 050018；2.河北瑞華醫(yī)療器械有限公司，河北 石家莊 050022）

隨著人們對(duì)健康問(wèn)題愈加重視，對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量改善的需求越來(lái)越高，室內(nèi)空氣環(huán)保行業(yè)得以快速發(fā)展。以室內(nèi)空氣質(zhì)量的改善為例，目前形成了新風(fēng)系統(tǒng)、空氣凈化器和凈化被動(dòng)治理服務(wù)3種凈化方案，相應(yīng)促進(jìn)了室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)儀器、凈化設(shè)備的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)及配套制造行業(yè)的快速發(fā)展。市場(chǎng)調(diào)研結(jié)果顯示，在室內(nèi)空氣的治理方面，以空氣凈化器為主的需求增長(zhǎng)速度很快，但我國(guó)空氣凈化器的人均擁有量還很少，不到發(fā)達(dá)國(guó)家的1/10，并且相比于人們對(duì)空氣質(zhì)量的重視程度，相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)升級(jí)力度還相對(duì)滯后，人們對(duì)產(chǎn)品的科技含量、性能質(zhì)量、便捷安裝維護(hù)等綜合應(yīng)用體驗(yàn)的滿意度較低[1]。以最常用的家用濾網(wǎng)式空氣凈化器為例，室內(nèi)使用時(shí)噪音很大，影響工作學(xué)習(xí)，尤其不適用于在學(xué)校教室、辦公場(chǎng)所和睡眠環(huán)境使用。因此，目前市場(chǎng)急需一種能耗低、凈化效率高、維護(hù)簡(jiǎn)單、安裝快捷，尤其是噪音小甚至靜音型新風(fēng)凈化設(shè)備，以提高使用人群的學(xué)習(xí)、辦公和居住舒適度，提高全民的健康指數(shù)。

1 目前室內(nèi)主流空氣凈化方案

目前最常用的室內(nèi)空氣清潔方法是在室內(nèi)安裝獨(dú)立單機(jī)型空氣凈化器，其原理是采用濾網(wǎng)進(jìn)行過(guò)濾，缺點(diǎn)是：為了保證空氣順暢通過(guò)濾網(wǎng)，傳統(tǒng)的濾網(wǎng)式凈化器內(nèi)部需要配備大風(fēng)量的換氣風(fēng)扇加速空氣流動(dòng)，其噪音往往在65 dB以上，使用舒適度較差，濾網(wǎng)需要手動(dòng)定期清洗，且清理起來(lái)比較麻煩，在嚴(yán)重的霧霾天氣環(huán)境下，如果濾網(wǎng)清理不及時(shí)，不但起不到凈化空氣的效果，還會(huì)形成二次污染[2]。在教室、會(huì)議室等場(chǎng)所，由于經(jīng)常開(kāi)關(guān)門，室內(nèi)外空氣交換頻繁，只能選用更大風(fēng)量的凈化器，但是大功率凈化器一旦在室內(nèi)開(kāi)啟噪音非常大，會(huì)嚴(yán)重破壞安靜的環(huán)境，且耗電量大，再加上濾網(wǎng)式空氣凈化屬于空氣內(nèi)循環(huán)，節(jié)能減排效果不佳。樓宇型中央新風(fēng)系統(tǒng)是通過(guò)中央主機(jī)對(duì)空氣凈化后讓潔凈的空氣輸送到室內(nèi)各輸出端，但是此次新型冠狀病毒肆虐暴露出中央新風(fēng)系統(tǒng)存在諸多弊端，例如在很多辦公樓或大型游輪上，中央空調(diào)的分布式輸送管道加快了病毒的傳播速度，擴(kuò)大了病毒的傳播范圍，造成很多人在隔離狀態(tài)下感染了新冠病毒。凈化被動(dòng)治理服務(wù)往往適用于新裝修房屋室內(nèi)的除甲醛，不適用于在正常辦公和學(xué)校教室環(huán)境內(nèi)長(zhǎng)期使用。

2 外裝新風(fēng)設(shè)備開(kāi)發(fā)方案

2.1 開(kāi)發(fā)原理

高壓靜電吸附原理是指含有粉塵顆粒的氣體在流動(dòng)通過(guò)接有高壓直流電源的陰極板和接地的陽(yáng)極板之間所形成的高壓電場(chǎng)時(shí)，由于陰極板發(fā)生電暈放電效應(yīng)，通過(guò)的氣體被電離，而帶負(fù)電的氣體離子在電場(chǎng)力作用下向陽(yáng)極板運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中與粉塵顆粒相碰，從而使塵粒荷以負(fù)電，荷電后的塵粒在電場(chǎng)力的作用下亦向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，到達(dá)陽(yáng)極后放出所帶的電子，塵粒則沉積于陽(yáng)極板上，從而獲得凈化的氣體并排出防塵器外[3]。高壓吸塵凈化過(guò)程完全靜音，因此早期曾用于室內(nèi)空氣凈化，后來(lái)發(fā)現(xiàn)高壓放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生微量臭氧，使人產(chǎn)生不舒適感，且高壓靜電集塵板的清潔過(guò)程比較麻煩，因此該原理的室內(nèi)清潔機(jī)逐漸被濾網(wǎng)式清潔機(jī)取代[4]，靜電吸塵往往被用于工業(yè)生產(chǎn)室外場(chǎng)地的吸塵處理。

利用高壓靜電吸附原理的無(wú)噪音、功耗低、吸附率穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)一種外裝新風(fēng)設(shè)備，類似分體空調(diào)安裝原理，將獨(dú)立的工作主機(jī)（高壓靜電吸附模塊）安裝在室外，吸收室外空氣并在主機(jī)內(nèi)進(jìn)行凈化，清潔后的空氣通過(guò)連通室內(nèi)的管道送入室內(nèi)，并在輸送過(guò)程中將內(nèi)含的微量臭氧吸附或分解，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)封閉空間內(nèi)獲得穩(wěn)定的外循環(huán)新風(fēng)且無(wú)噪音影響[5]，既不需要中央新風(fēng)系統(tǒng)的龐大建設(shè)投資，又能避免整體式樓宇空氣循環(huán)過(guò)程中的病毒交叉?zhèn)鞑ァ?/p>

2.2 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

外裝新風(fēng)設(shè)備主要包括高壓靜電發(fā)生模塊、集塵模塊、祛臭氧模塊和新風(fēng)輸入模塊4個(gè)模塊，對(duì)于采光效果好的安裝位置還可以集成太陽(yáng)能模塊為主機(jī)供電，進(jìn)一步獲得節(jié)能減排效果。各模塊獨(dú)立工作，集成于一體化的主機(jī)之內(nèi)，壁掛安裝在室外墻壁上，僅需將新風(fēng)輸入模塊的出風(fēng)口引入室內(nèi)即可。外裝新風(fēng)設(shè)備的主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 外裝新風(fēng)設(shè)備主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

其中，機(jī)箱為封閉箱體，風(fēng)道將機(jī)箱隔離為上內(nèi)部和下外部，集塵板多組平行排列并連接高壓靜電發(fā)生器，設(shè)置在機(jī)箱上內(nèi)部并與風(fēng)道出氣口連通，集塵板的外表面上敷設(shè)電熱絲并安裝第一濕度傳感器，噴水嘴設(shè)置在集塵板上方且噴口正對(duì)集塵板的內(nèi)表面。吸風(fēng)扇設(shè)置在箱體下外部且與風(fēng)道的進(jìn)氣口連通，第二濕度傳感器和外部空氣傳感器設(shè)置在吸風(fēng)扇旁邊。顯示屏內(nèi)置控制器，可設(shè)置為手持式遙控器工作模式。出風(fēng)管和注水管通過(guò)墻孔引入室內(nèi)，祛臭氧模塊設(shè)置在機(jī)箱內(nèi)并連通吹風(fēng)扇。

2.3 工作過(guò)程

除塵過(guò)程：集塵板為導(dǎo)電平板結(jié)構(gòu)，多塊集塵板平行組合排列，連接高壓靜電發(fā)生器后形成陰極板和陽(yáng)極板結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生高壓靜電場(chǎng)。吸氣扇將室外的空氣通過(guò)風(fēng)道吸入，流動(dòng)并通過(guò)豎直排列的集塵板（導(dǎo)電平板），空氣中的污染物微粒在靜電場(chǎng)內(nèi)被吸附到集塵板表面，凈化的空氣流動(dòng)到機(jī)箱的上內(nèi)部，空氣通過(guò)高壓靜電場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生的微量臭氧通過(guò)祛臭氧模塊時(shí)或者被分解或者被吸附，剩余潔凈的空氣通過(guò)吹風(fēng)扇進(jìn)入出風(fēng)管流入室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)向室內(nèi)的持續(xù)吹入。第二濕度傳感器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)室外空氣濕度的作用，如果室外空氣濕度過(guò)大，超過(guò)了高壓靜電發(fā)生模塊的額定工作范圍，將信號(hào)傳遞給控制器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制整機(jī)停止工作以起到保護(hù)作用。外部空氣傳感器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)室外空氣質(zhì)量的作用，如果室外空氣質(zhì)量良好，自動(dòng)控制高壓靜電模塊不工作，直接將室外潔凈空氣送入室內(nèi)；如果室外空氣質(zhì)量嚴(yán)重污染（如沙塵暴）超過(guò)集塵板的額定工作范圍，主機(jī)停止工作。

集塵板的自動(dòng)清洗過(guò)程：從室內(nèi)通過(guò)注水管為水箱加滿水，新風(fēng)質(zhì)量傳感器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)機(jī)箱上內(nèi)部空氣質(zhì)量的作用，如果內(nèi)部空氣質(zhì)量較長(zhǎng)時(shí)間不達(dá)標(biāo)，自動(dòng)判定集塵板已經(jīng)吸塵過(guò)多嚴(yán)重臟污，吸附能力開(kāi)始不足，此時(shí)集塵板斷電，然后控制水泵為噴水嘴供水，同時(shí)噴水嘴在伺服電機(jī)的帶動(dòng)下?lián)u擺沖水。由于靜電吸附的塵埃粒徑很小，水流很容易沖洗掉集塵板上吸附的塵埃，污水流到機(jī)箱的下底面上，并通過(guò)排水管流出，排水管可外接墻面的雨水管。擋水板的作用在于避免污水流到吸風(fēng)扇處流出。第一濕度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)集塵板的濕度檢測(cè)，只有其內(nèi)、外表面濕度在額定工作范圍內(nèi)才能正常工作，如果集塵板的濕度超標(biāo)，控制電熱絲通電加熱，對(duì)集塵板進(jìn)行干燥。注水管的進(jìn)水口常態(tài)時(shí)置于室內(nèi)，只有水箱內(nèi)缺水時(shí)才從室內(nèi)通過(guò)注水管為水箱加水，并不需要每次清洗集塵板都必須為水箱注水。

3 主機(jī)吸塵凈化驗(yàn)證

主機(jī)吸塵凈化實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)驗(yàn)證見(jiàn)圖2，下端管子內(nèi)冒出的煙霧為舞臺(tái)造霧機(jī)對(duì)液態(tài)的煙油熱汽化后生成的油煙，該煙霧中的顆粒物大小和霧霾顆粒大小接近，經(jīng)測(cè)量煙霧被吸氣風(fēng)扇吸入時(shí)的空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）在2 000以上，遠(yuǎn)超目前最嚴(yán)重污染天氣的AQI數(shù)值，通過(guò)高壓靜電吸塵板后，出風(fēng)管處AQI數(shù)值范圍為20～80，說(shuō)明空氣凈化效果良好。

圖2 主機(jī)吸塵凈化試驗(yàn)圖

4 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

外裝式新風(fēng)設(shè)備在工作過(guò)程中沒(méi)有大動(dòng)能的機(jī)械做功運(yùn)動(dòng)，只有換氣風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)，在沒(méi)有過(guò)濾網(wǎng)風(fēng)阻的情況下風(fēng)扇功率為5～20 W，高壓靜電裝置功率為10～30 W，傳感器及控制部分功率為3～10 W，集塵板清洗和加熱為不經(jīng)常工作模塊，它們工作時(shí)其他模塊是停止工作的，所以整機(jī)額定功率控制在20～50 W，相比濾網(wǎng)式空氣凈化器，該設(shè)備的功率降低了30%～50%。主機(jī)內(nèi)集成太陽(yáng)能充電電池，目前常用鋰電池的規(guī)格為20～50 Ah，充滿電后，電池能夠維持單機(jī)運(yùn)行30～100 h。高壓靜電吸塵模塊安裝在室外，主機(jī)內(nèi)的吸氣風(fēng)扇噪音被隔絕在室外，新風(fēng)循環(huán)過(guò)程中空氣流動(dòng)為管道內(nèi)流動(dòng)，空氣流動(dòng)平緩無(wú)噪音。外裝式新風(fēng)凈化設(shè)備的工作過(guò)程既可手工操作進(jìn)行，也可設(shè)定檢測(cè)數(shù)值自動(dòng)進(jìn)行，可以在家庭、學(xué)校、醫(yī)院和辦公室等要求噪音小、能耗低的場(chǎng)所進(jìn)行廣泛推廣和應(yīng)用。