北京地区新风空调器的空气过滤与结构设计

李楠 李宜浩

摘 要：以北京地区某大型超市为研究对象，通过监测的室外PM2.5的计重浓度，以及各类过滤器的合理匹配，结合终阻力的合理范围，设计了串联式过滤器，使室内空气达到国家合格标准。通过分析得到了一些有价值的结论，为北京地区新风空调器的研制提供了参考依据。

关键词：PM2.5;新风空调器;过滤效率;阻力

1 引言

随着我国经济的快速发展以及人们生活水平的提高，健康的室内环境是人人向往的目标，室内空气品质与人们健康息息相关，一些常见疾病如肺心病、心血管病、癌症等均与颗粒物污染及其复合污染有关。近年来我国大气中PM2.5（空气动力学直径da<2.5μm）的污染问题日益嚴重，困扰我国北京地区的大范围雾霾污染时有发生，雾霾天气下，室外PM2.5浓度升高，严重危害人体健康。控制室内空气的有害PM2.5浓度水平，通过合理的配置过滤器，同时使已成了空气环境保障系统必须面对的问题[1]。在室外大气污染难以短期根治的情况下，本文从过滤器的过滤效率及终阻力应用角度阐述新风空调器对北京某商业综合体室外新风进行控处理的方法，合理比较后选出合适的过滤器，以期能为相关人员提供一些有益的参考。

2 室外污染源

室外大气PM2.5浓度的变化相当大，与时间、地点、环境条件、气象等诸多因素有着密切的关系。我国环境保护部行业标准HJ633—2012《环境控制质量指数（AQI）技术规定（试行）》给出了空气质量指数分级标准[2]，规定室外空气质量指数类别为优、良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染，对应的PM2.5的24h均值范围分别为：0～35μg /m3、35～75μg/m3、75～115μg/m3、115～150μg/m3、150～250μg/m3、250～500μg/m3。本工程商业综合体临街，PM2.5波动范围在0～720μg/m3。按我国PM2.5标准来衡量，该临街道路污染频率较高，其中约有47.4%时刻满足日均值二级标准（<75μg/m3），轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染所占比例为11.8%、7.2%、12.5%、21.1%。

3 室内PM2.5控制标准

我国是PM2.5污染严重的国家，近些年来整体呈PM2.5高污染态势，经济发达地区污染尤为显著。随着经济的不断发展城市汽车保有量的迅速增加，城市大气中小颗粒物所占比例不断增大，更应该关注PM2.5对人体健康的危害，所以我国应尽快制定PM2.5的室内控制标准。GB18883—2002《室内空气质量标准》给出的可吸入颗粒物（PM10）的日平均值150μg/m3，参考WHO标准中PM2.5和PM10的质量浓度比为0.5，估计今后出台的国家标准 PM2.5的日平均浓度可高达75μg/m3左右。国家环保部发布的GB3095—2012《环境空气质量标准》[2]规定“居民区的PM2.5的年平均浓度不得超过35μg/m3，PM2.5的24小时平均浓度不得超过75μg/m3。”

4 新风空调器的设计要求

为了降低室内PM2.5的浓度，达到提高室内空气品质的目的，需要在新风机组中配置空气过滤器。在对空气过滤器进行设计选型时，首先要确定室内外的设计浓度。对于新风机组来说，入口浓度即为PM2.5室外设计浓度，出口浓度为PM2.5室内设计浓度（假定室内无其他污染源）。

5 空气过滤器分级标准

不同国家、地区对于空气过滤器的评价标准不同，一般按效率进行分级，即根据其过滤效率进行等级区分。表1为我国空气过滤器分级标准。

6 空气过滤器的效率

根据含尘浓度计量方法的不同，过滤器的效率分为计重效率、计数效率以及比色效率或浊度效率。一般采用过滤器气流的进出口浓度来表示效率：

式中：η—除尘器的全效率（%）;—进入除尘器的粉尘量（μg/s）;—除尘器除下的粉尘量（μg/s）;—除尘器入口风量（m3/s）;—除尘器出口风量（m3/s）;—除尘器入口浓度（μg/m3）;—除尘器出口浓度（μg/m3）。

本工程新风机组进风浓度（除尘器入口浓度）按最不利情况选取，取500μg/m3;新风机组送风浓度（除尘器出口浓度）室内按75μg/m3来考虑。除尘器入口风量与除尘器出口风量均相等，所以新风机组的过滤器，过滤效率低的在前，过滤效率高的在后，并且串联。不同等级过滤器，其串联效率可由下式计算：

为了使过滤效率达到标准，确保过滤器满足室内使用工况要求，先经过粗效4过滤器、中效1过滤器，再经过高中效过滤器，并且假定系统漏风率为0，经过试算得到，满足过滤要求。

传统过滤器串联形式如图2所示：

7 空气过滤器的阻力

以上通过过滤效率的匹配，分析确定了过滤器串联的形式和种类。但这些传统的过滤器通过表2的终阻力数值可以看出，终阻力之和达到了460Pa，而常用的新风空调器过滤器阻力只有大约50Pa，这势必会导致风机的压头增大。所以选择阻力小的过滤器尤为重要，

根据除尘效率的大小将静电除尘器分为低效除尘器（50%-80%）、中效除尘器（80%-95%）和高效除尘器（95%以上）[3]。而目前正在使用的静电除尘器基本都属于高效除尘器，本文取95%。静电除尘器的阻力一般为100-200Pa，本文取100Pa。尼龙网过滤器一般用在新风机组、风口等与外界空气直接接触的场合，作为空调系统的初级过滤使用，计重效率达到65%，初阻力≤15Pa，终阻力取30Pa。尼龙网过滤器在前，静电过滤器在后，根据串联形式的过滤效率公式，满足过滤要求。

过滤器总阻力为30+100=130Pa，而传统的过滤器为粗效过滤器，阻力为50Pa。因此这种过滤器的阻力比传统的新风空调器过滤器阻力50Pa大了80Pa。由于过滤器总阻力是固定值，没法减少，而且新风空调器表冷器的阻力值100固定不变，所以只能从风管余压入手通过减少风管段的长度来抵消掉这一部分阻力损失。

8 设计算例

本工程新风空调机组风管总长度60m，总风量3000m3/h，风管在走廊布置，每隔8.3m分别为两个商铺房间送新风，商铺总数15间。送风支管与总管垂直，主管最大干管长边为a=650mm，短边b=200mm，支管道长边为a=120mm，短边为b=120mm。每个商铺面积25m2，选择06H型号的风机盘管，商铺新风量为200m3/h。新风管道平面图布置如图3所示：6H

通过软件的风管水力计算，得到风管的余压为346Pa。风系统水力计算表如表2所示，风系统局部阻力汇总表如表3所示。

单位管长比摩阻为=5.83Pa/m，再用=13.72m，所以新风空调机组风管总长度比原来节约13.72m。

9 结论

新风空调器把室外污染的大气处理能否处理到到合理的状态，在很大程度上取决于过滤器是否具有良好的设计，以及多余阻力是否能够通过减少管段长度合理消除。本文从通过对选择过滤器分析得到的结果来看，采用尼龙网过滤器+静电除尘器的方式，按照所给公式依次进行计算，最终计算结果表明过滤效率能够达到要求。通过所选择的过滤器阻力与传统的过滤器阻力比较，结合实际算例可以得出结论，将原管段减少13.72m来补偿多余的阻力满足要求。

参考文献

[1]曹国庆，谢慧等.公共建筑室内PM2.5污染控制策略研究[J].建筑科学，2015，31（4）：40-44

[2]中国环境监测总站.环境控制质量指数（AQI）技术规定（试行）HJ633—2012[S].北京：中国标准出版社，2012

[3]黎敏.生产车间SBS粉尘污染控制技术研究[D].长沙：中南大学，2007

作者简介：

李楠，1981年8月23日生，硕士研究生，设计员，中级工程师