一种新型节能自动控制中央空调除尘系统电路的设计

储 健，邵安晨

（天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院，天津 300222）

近年来，大量人口向城市迁移，为了满足密集人口的日常生活及工作需要，大型封闭式建筑逐渐代替了城市中的老式建筑。为了满足医院等公共场所人流量大、人员密集、结构复杂的建筑的通风、温湿度调节的要求，安装中央空调成为最佳的选择[1]。然而，当前被广泛使用的中央空调由于其使用时间长，不易彻底清理，导致内部极易滋生细菌，积累污物，从而造成内部污染，当中央空调开启时就会将已被污染的空气带到整个建筑中，危害人的健康。对于中央空调的污染问题，当下普遍采用加装过滤器或静电除尘装置的方法来应对[2]。研究表明，空调机组加装静电除尘装置后，在不影响机组运行及送风舒适度的情况下，有效提高了空调机组的净化过滤效果[3]。改造后空调机组的空气净化装置对PM2.5 和PM1.0 的净化效果分别达到了51.3%和52.2%。然而，传统的静电除尘装置存在耗能过大且净化效率受风速影响较大的问题[4]，无法满足当下人们对室内空气质量的要求。本文针对这一问题，设计出一种节能型自动控制中央空调除尘电路，以实现节能和提高设备工作效率的目的。

1 中央空调系统的污染现状

中央空调以其作用范围广、使用方便、噪音小等优点被广泛用于大中型建筑中，为人们的工作和学习生活提供了舒适的环境[5]。相较于柜式或壁挂式空调，中央空调虽然安装空间小、故障率低、能效比高，但其带来的卫生污染问题也日益引起人们的关注。不同于单体空调，中央空调结构复杂，体积庞大且很大一部分结构密封于建筑之内，这使其内部很容易积累污物，滋生病菌。而受清理难度和清理成本的制约，很多中央空调系统并不能得到及时有效地清理和净化。

据2016 年《中国环境状况公报》统计，我国338个城市中共发生重度污染2 464 天次，严重污染784 天次，以PM2.5 为首要污染物的天数占重度及以上污染天数的80.3%[6]。中央空调系统适用于面积大、房间集中的场所，然而由于大多数公共建筑室内没有安装空气净化装置，以致于中央空调在换风时大量颗粒物进入室内。调查显示，中央空调系统中通风系统产生的主要污染物（可悬浮颗粒物以及微生物）占室内空气污染物的42%～53%[7]。

2015 年，苏州相城区疾控中心对该区的22 家宾馆、5 家医疗机构和7 家大型商场的中央空调冷却水进行了采样调查，结果显示，在冷却塔的冷却水中，其嗜肺军团菌的污染率为26.47%（9/34），分离出的军团菌共有11 株[8]。最终得出结论：苏州相城区大型建筑中央空调系统中军团菌的检出率远高于国家标准，严重威胁市民健康。

据调查，当前市面上的中央空调系统都安装有不同形式的过滤清洁装置。其中，安装除尘过滤网的中央空调系统占100%，安装普通静电除尘装置的中央空调系统占30%左右。但这两类除尘清洁装置并不能很好地完成大型建筑内中央空调的除尘净化任务。当下我国中央空调的清洁净化很难达到指定标准，正确处理中央空调的污染问题迫在眉睫。

2 中央空调净化消毒方法比较

为了实现中央空调的有效除尘，广泛采用的技术有高效过滤技术（high-efficiency particulate air，HEPA）和静电除尘技术（eletrostatic precipitator，ESP），这2 种技术均可以有效地处理中央空调系统运行过程中空气中的微粒子。研究表明，细菌在中央空调系统中的迁移主要通过依附于尘埃粒子的方式进行[9]。通过除尘使细菌失去传播载体，可以从根本上抑制中央空调内细菌的滋生，同时实现中央空调的除尘和净化。

2.1 高效过滤（HEPA）

HEPA 技术是当前国际上广泛使用的一种用于中央空调除尘和消毒的技术。对于可吸入颗粒物（PM10）、气溶胶、微生物均有很好的过滤作用。对于0.3 μm 及其以上的颗粒在滤速≤0.1 m/s 时，通过高效过滤技术一次可实现高达99.97%的净化率。对空气中细菌的一次通过净化效率也可达到90%[10]，尽管净化效果十分优秀，但HEPA 技术在风道中阻力过大的问题仍无法忽视。各级过滤设备在额定风量下的过滤效果和所受阻力如表1 所示。

表1 各级过滤设备在额定风量下的过滤效果和所受阻力

2.2 静电除尘（ESP）

ESP 技术是利用高压静电场，在电场的作用下，让带负电荷的微粒朝正极移动，最后通过机械装置使收集的灰尘掉落到收集槽里，从而实现除尘功能。ESP技术诞生的100 多年来，其在工业领域得到了广泛的应用[11]。工业静电除尘器具有很强的除尘功能，对于直径大于0.01 μm 的粒子去除效果非常好。

用于中央空调除尘净化的静电除尘器通过使用窄间距静电场结构使带电微粒快速到达极板，不需要很长的电场就可以充分去除空气中的尘埃粒子，进而减小了静电除尘器的阻力损失，极大地降低了静电除尘器的噪音，减小了体积并使其更加便于维护。

2.3 HEPA与ESP的比较

HEPA 和ESP 都是经过实践检验的可以有效应对中央空调除尘任务的设备。这两类设备在除尘性能上各有优劣，二者具体性能差异如表2 所示。

表2 2 种除尘装置的性能比较

卫生部在关于空调通风卫生规范的相关文件中对中央空调包括过滤器、静电除尘器等净化设备的卫生要求有明确规定：在通风管道正常风压下，相关净化设备的设备阻力不应大于50 Pa，而HEPA 的阻力损失过高。由此可见，虽然高效过滤器在除尘效率和造价方面具有优势，但由于阻力和容尘量的限制，ESP 比HEPA 更适用于中央空调的除尘杀菌。

3 静电除尘器电源分析

静电除尘设备的电源是设备最重要的组成部分，电源的性能直接影响静电除尘器的空气净化效果和功耗。运行时的静电除尘器具有很强的非线性特点，因此静电除尘器的电源相较于普通电源更加复杂[12]。随着新技术的出现和应用，静电除尘器电源的性能和功能越发强大，其主要目的是达到更高效的节能以及使静电除尘器拥有更高的除尘效率。

3.1 静电除尘器电源提高除尘效率的关键因素

静电除尘电源能提高除尘效率的几个关键因素：①静电除尘器稳定运行时，静电除尘电压应接近闪络电压且尽量平稳；②当有闪络发生时，可以迅速反应，切断电源；③闪络后电源间歇时间短；④输出电压恢复快，能迅速恢复至静电除尘器的工作电压。

3.2 静电除尘器电源控制电路

随着单片机和计算机智能控制系统的推广和使用，静电除尘器得以实现精确工作，这也使静电除尘器的操作和维护变得更加简单方便。最初的静电除尘电源采用可控硅相控调压结构[13]，然而该结构的静电除尘电源现在已经很难满足高效率静电除尘的需要。为了满足对静电除尘器越来越高的性能要求，一种高频静电除尘电源被开发出来[14]。此类电源使用高频大功率器件（如IGBT），其高频静电除尘器电源电路原理如图1 所示。

由图1 可以看出，静电除尘器产生高压静电场所需要的高压直流电来自于被整流后的高压高频交流电。高频高压交流电是直流电经过PWM 控制的半桥式逆变器逆变后再升压产生的，而直流电则是日常220 V 交流电经过桥式整流器的整流得到的。由多伊奇捕集效率方程（1）可知，当比集尘面积不可改变时，粉尘驱进速度决定除尘效率[15]。而根据式（2）又可以看出，欲提高粉尘的驱进速度，需提高静电除尘器供电电压的峰值和平均值。

为达到电网频率的交流电转化成可调频率的交流电这一目的，可以采用交-交变频电路来实现。交-交变频电路触发延迟角计算公式为

式中：Uom为想要得到的正弦波输出电压的幅值；Ud0为α=0 时，整流电路的理想空载电压；ωo为想要得到的正弦波输出电压频率。

图1 高频静电除尘器电源电路原理

然而交-交变频电路因受电网频率和变流电路脉冲波数限制的情况，存在输出频率较低、输出功率因数较低、输入电流谐波含量大等缺点，这里不予采用。由IGBT 构成的逆变电路，可以把直流电转变成高频交变的方波，通过单片机产生的PWM 信号实现高频控制，系统的响应速度得到提高，对静电除尘器高压静电场强度可以实现实时调整，极大地提高了静电除尘器的工作效率和能源利用率[16]。除此之外，不同于早期的可控硅工频相控电源，高频静电除尘电源通过使用更加灵活的全控型器件IGBT，极大缩短了器件的开启与关断的时间。因此，如果有闪络现象发生时，高频静电除尘电源可以迅速切断电源[17]。

4 节能型自动控制中央空调除尘电路

4.1 系统结构

空调风机机组的运行过程大致为新风和经过循环的回风，被除尘设备处理后，再经过加热或制冷以及除湿，通过送风段进入房间，最后回到回风段，再经过排风和新风进入后重新开始循环。该节能型自动控制中央空调除尘系统使用传感器与单片机实现检测与控制功能，中央空调静电除尘系统I/O 点位如图2所示。

图2 中央空调静电除尘系统I/O 点位图

4.2 控制原理分析

本研究设计的节能型自动控制中央空调除尘系统采用型号为stm32f103C8T6 的32 位单片机进行信号处理，产生PWM 信号，实现对静电除尘器的功率控制。单片机工作电压为3.3 V，由图2 可知本系统共使用了2 个粉尘传感器和1 个微压差传感器。粉尘传感器A 置于静电除尘器前用于前馈，粉尘传感器B 置于静电除尘器后用于收集反馈信号。粉尘传感器选用北京攀藤科技有限公司的PMS7003M 型号的数字式通用颗粒物浓度传感器，该型号传感器采用5.0 V 直流电源供电，实时响应并支持连续采集，性能满足中央空调对粉尘检测的要求。单片机每隔0.2 s 对2 个粉尘传感器采集的数据进行采样，当粉尘传感器A 与粉尘传感器B 检测到的粉尘浓度均小于最小给定值时，单片机控制静电除尘器，使之不输出高压。当粉尘传感器A 检测到的粉尘浓度大于3 倍的粉尘传感器B 检测到的粉尘浓度时，证明给定功率下静电除尘器对空气中颗粒物的去除效果良好；否则，单片机会根据预先设置好的标准适当调整输出的PWM 信号，增大静电除尘器的功率。本系统控制原理图如图3 所示。其中，粉尘传感器相关给定量可根据用户需求设置，可设置成3～5 倍，当除尘前粉尘浓度为除尘后粉尘浓度的3～5 倍时增大除尘功率。微压差传感器相关给定量可设置为10～20 Pa，当2 次采样平均值之差大于10～20 Pa 时，增大除尘功率（若2 次采样平均值之差大于30 Pa，则需要清洗过滤网）。

图3 控制原理图

为加强检测的灵敏性，减少检测误差，在使用粉尘传感器检测空气净度的同时，还可以通过微压差传感器检测过滤器两端压差来判定空气中的粉尘含量。当空气中粉尘含量增大时，过滤器产生的阻力就会增大，导致过滤器两端风压压差增大。一般情况下，中央空调系统内正常风压约220～270 Pa，因此在选择压差传感器时要考虑其量程能否检测到过滤器两端细微的压差变化。本文选用北京星仪传感器技术有限公司生产的CCY11-69-A1-B-D-G 型微压差传感器，该传感器可测量的压差范围是0～100 Pa，可承受的最大静压为10 kPa，输出信号为10～20 mA，采用12～36 V 直流电供电。为了能够对过滤器两端压差进行实时检测，并对静电除尘器进行及时调压，单片机每隔0.1 s对传感器信号进行采样，每采样3 次后取其平均值，比较相邻的平均值，若2 个平均值之差大于给定值，单片机将通过PWM 信号增大静电除尘器的直流电压，以增强静电除尘器的高压静电场，加大除尘效率。若2 个平均值之差小于给定最小值，则静电除尘器将停止输出高压。静电除尘电路控制程序流程如图4 所示。

图4 静电除尘电路控制程序流程

4.3 节能型自动控制中央空调除尘系统的优势

相较于传统的只能控制开关而不能实时调整功率的传统静电除尘系统，本文设计的节能型自动控制中央空调除尘系统可通过实时跟踪监测通风管道内灰尘含量，自动调节除尘功率，在最大限度实现空气清洁的同时，也极大地节约了除尘设备的耗电量。本文设计的节能型自动控制中央空调除尘系统与传统的静电除尘系统性能比较如表3 所示。

表3 2 种静电除尘系统的性能比较

相较于传统静电除尘器，本文设计的节能型自动控制中央空调除尘电路性能更强大，价格更合理。对于已安装传统静电除尘装置的中央空调系统，不需要完全更换其除尘系统，只需在其原有设备上升级改造即可实现高效率的除尘净化功能。升级改造过程的难度也较低，只需加装控制电路板和传感器，可在夜间中央空调停止运行期间快速升级，不影响中央空调系统的正常运转，且升级改造成本合理。

与传统的静电除尘器相比，节能型自动控制静电除尘器通过实时调压可以节省40%左右的能源。市场上的静电除尘器功率为90～300 W，电压为30～75 kV，电流为3～4 mA。若选用260 W 的静电除尘设备，每天的停开时间比为1 ∶2，一座大厦安装30～50 台该设备，则所有静电除尘设备每天耗能为124.8～208 kW·h。若将这些静电除尘设备全部换成节能型自动控制除尘设备，每天可节能49.6～83.2 kW·h。由此可见，此节能型自动控制除尘设备不仅操作、维护简单，除尘效果好，而且还更加节能环保，经济实用。

5 结语

本文设计的节能型自动控制中央空调静电除尘设备可以有效地解决当下中央空调面临的空气污染问题，在降低室内可吸入颗粒物的同时起到除菌的作用。本系统通过自动调压可以极大地减缓风管内灰尘的积累速度，大幅度降低系统风阻，减小风机负荷。除此之外，节能型自动控制中央空调静电除尘器操作、维护方便，不仅设备本身节能环保，而且还极大地降低了整个系统的运行维护成本。因此，节能型自动控制中央空调静电除尘系统可代替老式的空调净化装置，在经济节能的同时为用户提供更加舒适健康的室内环境，适合大规模推广。