特伦布墙的空气过滤性能研究

王成乐 房天宇

摘 要：民用建筑在开窗通风的同时，空气中大量颗粒物也随气流进入室内，因此如何防止户外颗粒物和病毒飞入室内尤为重要。一种具有空气过滤功能的特伦布墙（Trombe）可在减少开窗通风的同时为室内供给新风。该文验证了采用经典过滤理论预测特伦布墙空气过滤性能的可行性，并进一步分析了特伦布墙的空气过滤性能。

关键词：特伦布墙 空气过滤 多孔介质

中图分类号：TS958 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（a）-0001-01

居住建筑常采用开窗自然通风方式实现室内换气，空气中大量颗粒物也随气流进入室内，因此如何在保证室内新风量的同时防止户外颗粒物和病毒飞入室内尤为重要。一种具有空气过滤功能的“呼吸墙”——“特伦布墙（Trombe）”可在减少开窗通风的同时为室内供给新风[1]。特伦布墙区别于传统密闭墙体，一般由一个带有玻璃板和太阳能吸热板的弯曲流道，以及一个内填充式多孔材料过滤器组成[2]。虽然特伦布墙已被证明具有较好的保温性能和一定空气过滤功能[3]，但是常用于分析空气过滤器性能的经典过滤理论是否适用于特伦布墙内低面速多孔过滤单元过滤特性分析仍需要进一步验证，并且类似于特伦布墙内低流速流道中颗粒沉积的特性也鲜有研究。

1 多孔介质过滤机理

经典过滤理论假设多孔材料由一层层颗粒收集器堆积而成，每个颗粒收集器具有相同的捕获效率。单个颗粒收集器的结构与多孔材料实际结构不同，它是根据多孔材料内流体的流动特性所假定的结构。这些收集器的尺寸进一步由多孔材料的孔隙率、阻力系数等参数所确定[4]。每个收集器内流体的流动与同样大小的多孔材料内流体的流动特性相似，颗粒的捕获效率也相似。在经典过滤理论建立的多孔结构模型基础上，进一步分析颗粒沉积的因素即可得到单个颗粒收集器的捕获效率。因此，多孔材料整体的捕获效率可以进一步表达为

（1）

其中，Ep是多孔材料过滤效率，α为多孔材料的孔隙率，L为过滤器的厚度，Db为被填充的颗粒球的粒径，η为单层收集器的捕获效率，kp是填充物料系数。对于玻璃纤维多孔材料，kp=4/π；对于颗粒球，kp=1.5。单层收集器的捕获效率可以用下式计算，

（2）

其中，ER，EI，ED，EG分别表示颗粒受到拦截作用、惯性撞击、布朗扩散以及重力作用而被收集器捕获的效率[4]。

特伦布墙主要依靠内部的多孔过滤单元消除室外大气尘颗粒。该研究以冬季工况特伦布墙为例，实测特伦布墙的过滤效率，并将实测结果与经典过滤理论预测结果进行了对比。从对比结果可以看出，采用经典过滤理论计算结果与实验平均值的偏差不超过15%，该研究认为可以采用经典过滤理论预测特伦布墙多孔过滤单元内0.3～10 μm颗粒的过滤效率。

2 特伦布墙过滤性能分析

研究利用经典过滤理论填充料粒径、过滤面速等因素对特伦布墙过滤性能的影响（如图1）。当面速、孔隙率等其他因素相同时，对于0.1 μm以下颗粒，其填充料粒径越小，过滤单元的过滤效率越佳。并且，过滤单元对0.1～1 μm颗粒的过滤效率最差。为了分析多孔过滤单元不同过滤机理对过滤效率的影响，研究进一步考察面速0.2 m/s多孔过滤单元中单层收集器的各种基本过滤效率，发现随着颗粒粒径增大，颗粒的惯性效应逐渐降低，其他三种效应将升高。对于相同粒径颗粒，不同填充料粒径的过滤器的拦截效率、惯性效率以及扩散效率不同，随着填充料粒径的减小，各过滤效应将逐渐增强。重力效应与填充料粒径无关。

通风量是影响特伦布墙过滤性能的增大时，多孔过滤单元内空气面速也相应增大。对于截面积相同的多孔过滤单元，其面速与特伦布墙通风量程正比。利用多孔材料过滤计算模型模拟了填充料粒径分别为0.8 mm和3 mm的多孔过滤单元，在不同通风量下的过滤效率。分析通风量对特伦布墙多孔过滤单元过滤效率的影响。研究发现，填充料粒径、孔隙率等其他因素相同时，面速越小，过滤单元的过滤效率越佳。

3 结论

研究引入经典过滤理论，并用实验验证该理论同样适用于特伦布墙多孔过滤单元过滤效率计算。首先，对于0.3～10 μm颗粒，经典过滤理论对多孔过滤单元过滤效率的预测值与实测值偏差不超过15%。其次，经典过滤理论能够正确解释特伦布墙多孔过滤单元过滤性能。根据经典过滤理论预测结果，5 μm以上颗粒主要在惯性作用下被拦截；0.3 μm至5 μm间颗粒的单层收集器过滤效率较低，而实测结果也表明0.3～1 μm颗粒过滤效率较低；1 μm以上颗粒过滤效率高于10%。通过分析特伦布墙过滤单元填充料尺寸、通风量等因素对过滤性能的影响，研究发现其填充料粒径越小，过滤单元的过滤效率越大；且面速越小，过滤单元的过滤效率越大。

鉴于特伦布墙低能耗、高过滤效率的性能，可以有效的应用于民用建筑，优化室内通风性能。此外，在颗粒从外部环境进入到特伦布墙入口的过程中，部分大气尘颗粒在气流影响下无法进入特伦布墙；特伦布墙入口样式的不同，进入特伦布墙的颗粒浓度也不同。研究将进一步分析从外部环境及特伦布墙入口形式对其过滤性能的影响。

参考文献

[1] Immbabi M S.Modular breathing panels for energy efficient， healthy building construction [J]. Renewable Energy，2006，31（5）： 729-738.

[2] 张腾飞，赵越，王树刚，彼得.一种节能环保型多功能呼吸墙：中国， 201010509699[P].2011-02-16.

[3] GB 50736-2012.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].

[4] 许钟麟.空气洁净技术原理[M].3版.北京：科学出版社，2003.