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關(guān)于舒適性空調(diào)系統(tǒng)中空氣過(guò)濾器的研究

     隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)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(kāi)始認(rèn)識(shí)到改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要性與緊迫性。同時(shí)，以往舒適性空調(diào)設(shè)計(jì)偏重?zé)釢裉幚砗蜌饬鹘M織，對(duì)空氣潔凈度缺乏必要重視。不恰當(dāng)?shù)氖褂眠^(guò)濾器會(huì)對(duì)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(cè)量和控制元件失靈，全熱交換裝置失效等等。對(duì)室內(nèi)人員、設(shè)備及裝修帶來(lái)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(guò)濾器不僅可以改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，也會(huì)帶來(lái)長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)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(nèi)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(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(gè)纖維過(guò)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(guò)濾理論特別是空氣過(guò)濾理論的研究早在l9世紀(jì)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(xiàn)代過(guò)濾理論及微孔過(guò)濾理論。
    對(duì)微細(xì)顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的早認(rèn)識(shí)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(yùn)動(dòng)(即布朗運(yùn)動(dòng))；1922年，F(xiàn)reundlich發(fā)展了對(duì)氣溶膠過(guò)濾規(guī)律的認(rèn)識(shí)，提出在0 ～0．2 LLm半徑范圍內(nèi)氣溶膠顆粒存在大滲透率；1 93 1年，Albrecht率先對(duì)氣流通過(guò)單一圓柱纖維運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究，建立了
Albrecht理論，隨后Sell對(duì)其進(jìn)行了必要的改進(jìn)。1936年，Kaufmann首先把布朗運(yùn)動(dòng)和慣性沉淀的概念一同應(yīng)用到纖維過(guò)濾理論中，推導(dǎo)出過(guò)濾作用的數(shù)學(xué)公式；1942年，Langmuir繼續(xù)對(duì)過(guò)濾理論進(jìn)行研究，認(rèn)為過(guò)濾是截留和擴(kuò)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(kuò)散、截留和慣性3種機(jī)制結(jié)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(dú)立纖維理論，他們對(duì)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(guò)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(gè)纖維過(guò)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(guò)濾理論的新發(fā)展。
    現(xiàn)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(rèn)為過(guò)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(guò)濾過(guò)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(kù)侖吸引排斥、映像力、電泳力及沉淀(重力)?，F(xiàn)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(duì)經(jīng)典理論引入修正系數(shù)，使得理論與實(shí)驗(yàn)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(shù)枝狀結(jié)構(gòu)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(jì)算程序可預(yù)測(cè)顆粒的沉積。
    2001年，Thomas等對(duì)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(yàn)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(jì)算模型。近幾年來(lái)，國(guó)外許多學(xué)者對(duì)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(jī)理進(jìn)行了理論實(shí)驗(yàn)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(guó)內(nèi)有關(guān)過(guò)濾機(jī)理的研究文獻(xiàn)比較少，不同結(jié)構(gòu)過(guò)濾器的捕集效率和壓力損失的理論計(jì)算，過(guò)濾器的負(fù)荷特性對(duì)捕集效率及壓力損失的影響及濾料的結(jié)構(gòu)特性對(duì)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(duì)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(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)
    評(píng)價(jià)過(guò)濾器性能的特性指標(biāo)有：面速或?yàn)V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(cè)試方法不統(tǒng)一。對(duì)過(guò)濾器效率的解釋和表達(dá)就會(huì)大相徑庭。
    目前國(guó)際上的通用標(biāo)準(zhǔn)大致有如下幾個(gè)。早有美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局NBS的比色法和美國(guó)過(guò)濾器研究所AFI的人工塵計(jì)重法。后來(lái)美國(guó)ASHARE學(xué)會(huì)制定了以大氣塵源的比色法ASHARE52．76被許多認(rèn)同和采用。1992年美國(guó)ASHARE學(xué)會(huì)對(duì)比色法進(jìn)行了修正，以ASHARE52．1 1992頒布。我國(guó)針對(duì)比色法測(cè)試時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(jì)數(shù)法，于l990年頒布標(biāo)準(zhǔn)GB12218．89《一般通風(fēng)用空調(diào)過(guò)濾器性能測(cè)試方法》。歐洲空氣處理設(shè)備制造商協(xié)會(huì)也相應(yīng)地制定了大氣塵計(jì)數(shù)法EUROVENT 4／9，準(zhǔn)備替代EUROVENT 4／5 。國(guó)內(nèi)外主要幾種空氣過(guò)濾器標(biāo)準(zhǔn)和效率的比較請(qǐng)參見(jiàn)表1。
                    
    3 過(guò)濾器的常用類型
    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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，用于比較干凈場(chǎng)所的空調(diào)系統(tǒng)預(yù)過(guò)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(wú)紡布或玻璃纖維材料，
目前國(guó)內(nèi)普遍使用的金屬和尼龍過(guò)濾網(wǎng)的大氣塵計(jì)重效率高不超過(guò)3O％ 。
    袋式過(guò)濾器是舒適性空調(diào)系統(tǒng)中常見(jiàn)的過(guò)濾器種類。它的效率可以達(dá)到比色法40％ ～95％(F5～F8)，以及計(jì)重法8O％～9O％(G3~G4)。F5～F8過(guò)濾器的傳統(tǒng)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(tǒng)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，為了滿足國(guó)內(nèi)用戶重復(fù)使用的要求，有時(shí)人們?cè)跒V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)濾器由于性價(jià)比高，正逐漸替代有隔板過(guò)濾器。國(guó)際上絕大多數(shù)此類過(guò)濾器都采用濕法超細(xì)玻纖濾紙，而我國(guó)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(yàn)室測(cè)試初始效率或許能達(dá)到所標(biāo)效率，但在實(shí)際使用時(shí)隨著靜電的很快消失，效率也會(huì)驟然下降。在實(shí)際使用現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室中的多次測(cè)試表明，使用了兩周后的化纖濾紙過(guò)濾器的效率等級(jí)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(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(duì)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(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。活性炭靠范德華力抓到氣體分子，材料上的化學(xué)成分與污染物反應(yīng)，生成固體成分或無(wú)害的氣體。

    4 過(guò)濾器的選擇
    過(guò)濾器應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合性能要求的不同進(jìn)行相應(yīng)配置。評(píng)價(jià)過(guò)濾器主要有四項(xiàng)特性指標(biāo)：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(yīng)該參照這四個(gè)性能參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yùn)行，效率提高阻力降低。同時(shí)增加過(guò)濾面積是延長(zhǎng)過(guò)濾器使用壽命有效的手段。經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)同種結(jié)構(gòu)、同樣濾料的過(guò)濾器。當(dāng)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(zhǎng)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(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)條件。
    ②合理確定各級(jí)過(guò)濾器效率?？照{(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)實(shí)際要求確定末一級(jí)過(guò)濾器的效率，然后選擇起保護(hù)作用的預(yù)過(guò)濾器。要妥善匹配各級(jí)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(yù)過(guò)濾器的選擇應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境、備件費(fèi)用、運(yùn)行能耗、維護(hù)費(fèi)用等因素綜合考慮決定。不同效率等級(jí)的空氣過(guò)濾器對(duì)不同大小的灰塵顆粒的低計(jì)數(shù)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(diào)過(guò)濾器的配置應(yīng)不同于凈化空調(diào)系統(tǒng)，并且對(duì)空氣過(guò)濾器的安裝、防漏等也應(yīng)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(jié)構(gòu)阻力構(gòu)成，過(guò)濾器積灰阻力增加，當(dāng)阻力增加到某一規(guī)定值時(shí)過(guò)濾器報(bào)廢。終阻力直接關(guān)系到過(guò)濾器的使用壽命、系統(tǒng)風(fēng)量變化范