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關于舒適性空調系統中空氣過濾器的研究

     隨著經濟的發展和社會的進步，人們對自己的生活環境日益關注。由于室內環境惡化所導致的病態建筑綜合癥(SBS，Sick Building Syndrome)，使得人們的身心健康與工作效率受到很大影響，室內空氣品質是衡量室內環境好壞的重要指標，人們已經開始認識到改善室內空氣品質的重要性與緊迫性。同時，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。不恰當的使用過濾器會對空調系統造成損害，如氣道堵塞、風機結垢，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、設備及裝修帶來危害，甚至使空調系統本身成為惡化室內空氣品質的污染源之一。所以合理配置系統中的過濾器不僅可以改善室內空氣品質，也會帶來長遠的經濟效益。

    1 纖維過濾器過濾理論的研究與發展
    空氣過濾器的過濾材料內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、慣性效應、擴散效應、重力效應和靜電效應等。在一個纖維過濾器內，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。
    過濾理論特別是空氣過濾理論的研究早在l9世紀已經開始，過濾理論由早期的經典過濾理論發展到現代過濾理論及微孔過濾理論。
    對微細顆粒運動規律的早認識是在l9世紀初期，植物學家Brown觀察了微細顆粒懸浮在液體中的運動(即布朗運動)；1922年，Freundlich發展了對氣溶膠過濾規律的認識，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率先對氣流通過單一圓柱纖維運動進行了研究，建立了
Albrecht理論，隨后Sell對其進行了必要的改進。1936年，Kaufmann首先把布朗運動和慣性沉淀的概念一同應用到纖維過濾理論中，推導出過濾作用的數學公式；1942年，Langmuir繼續對過濾理論進行研究，認為過濾是截留和擴散的集合，而慣性粒子在過濾纖維上的沉淀是可以忽略的。
    1952年，Davies把擴散、截留和慣性3種機制結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濾器阻塞現象進行了研究和總結；1967年，Pickaar和Clarenburg試圖提出一個纖維過濾器微孑L結構的數學理論；1987年Pich及1993年Brown在其專著中描述了過濾理論的新發展。
    現代過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；過濾過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)。現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，對經典理論引入修正系數，使得理論與實驗數據更好地吻合。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等對過濾器在產生阻塞的情況下進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理進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，國內有關過濾機理的研究文獻比較少，不同結構過濾器的捕集效率和壓力損失的理論計算，過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題，都有待研究解決。因此，過濾理論的進一步研究對空氣過濾技術的發展具有重大意義和實用價值。

    2 過濾器的性能指標與標準
    評價過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、各廠商使用的測試方法不統一。對過濾器效率的解釋和表達就會大相徑庭。
    目前國際上的通用標準大致有如下幾個。早有美國標準局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學會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學會對比色法進行了修正，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，在世界上早采用大氣塵分組計數法，于l990年頒布標準GB12218．89《一般通風用空調過濾器性能測試方法》。歐洲空氣處理設備制造商協會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濾器標準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。
    板式過濾器結構簡單，價格低廉，用于比較干凈場所的空調系統預過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紡布或玻璃纖維材料，
目前國內普遍使用的金屬和尼龍過濾網的大氣塵計重效率高不超過3O％ 。
    袋式過濾器是舒適性空調系統中常見的過濾器種類。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過濾器的傳統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，為了滿足國內用戶重復使用的要求，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。國際上絕大多數此類過濾器都采用濕法超細玻纖濾紙，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到所標效率，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高僅相當于F6t瑚。采用玻纖濾紙的一般通風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。
    化學過濾器使用活性炭作為主要過濾材料。活性炭材料絕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吸附。物理吸附主要靠的是范德華力。經化學處理而使材料與有害氣體產生化學反應的吸附稱為化學吸附。活性炭靠范德華力抓到氣體分子，材料上的化學成分與污染物反應，生成固體成分或無害的氣體。

    4 過濾器的選擇
    過濾器應根據不同場合性能要求的不同進行相應配置。評價過濾器主要有四項特性指標：過濾速度、過濾效率、阻力和容塵量，因此在進行過濾器的選擇時也應該參照這四個性能參數進行相應選擇。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。在特定過濾器結構條件下，反映濾速的是過濾器的額定風量。在相同截面積下，希望允許的額定風量越大越好，而在低于額定風量下運行，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有效的手段。經驗表明，對同種結構、同樣濾料的過濾器。當終阻力確定時，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構和現場條件。
    ②合理確定各級過濾器效率。空調設計時，應首先根據實際要求確定末一級過濾器的效率，然后選擇起保護作用的預過濾器。要妥善匹配各級過濾器的效率，善于利用和配置粗、中效過濾器各自的佳過濾粒徑范圍。而預過濾器的選擇應根據使用環境、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濾器對不同大小的灰塵顆粒的低計數過濾效率如圖1所示，它通常是指不帶靜電的新過濾器的效率。同時舒適性空調過濾器的配置應不同于凈化空調系統，并且對空氣過濾器的安裝、防漏等也應提出不同的要求。
                 

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