特倫布墻的空氣過濾性能研究

王成樂 房天宇

摘 要：民用建筑在開窗通風(fēng)的同時，空氣中大量顆粒物也隨氣流進(jìn)入室內(nèi)，因此如何防止戶外顆粒物和病毒飛入室內(nèi)尤為重要。一種具有空氣過濾功能的特倫布墻（Trombe）可在減少開窗通風(fēng)的同時為室內(nèi)供給新風(fēng)。該文驗證了采用經(jīng)典過濾理論預(yù)測特倫布墻空氣過濾性能的可行性，并進(jìn)一步分析了特倫布墻的空氣過濾性能。

關(guān)鍵詞：特倫布墻 空氣過濾 多孔介質(zhì)

中圖分類號：TS958 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（a）-0001-01

居住建筑常采用開窗自然通風(fēng)方式實現(xiàn)室內(nèi)換氣，空氣中大量顆粒物也隨氣流進(jìn)入室內(nèi)，因此如何在保證室內(nèi)新風(fēng)量的同時防止戶外顆粒物和病毒飛入室內(nèi)尤為重要。一種具有空氣過濾功能的“呼吸墻”——“特倫布墻（Trombe）”可在減少開窗通風(fēng)的同時為室內(nèi)供給新風(fēng)[1]。特倫布墻區(qū)別于傳統(tǒng)密閉墻體，一般由一個帶有玻璃板和太陽能吸熱板的彎曲流道，以及一個內(nèi)填充式多孔材料過濾器組成[2]。雖然特倫布墻已被證明具有較好的保溫性能和一定空氣過濾功能[3]，但是常用于分析空氣過濾器性能的經(jīng)典過濾理論是否適用于特倫布墻內(nèi)低面速多孔過濾單元過濾特性分析仍需要進(jìn)一步驗證，并且類似于特倫布墻內(nèi)低流速流道中顆粒沉積的特性也鮮有研究。

1 多孔介質(zhì)過濾機(jī)理

經(jīng)典過濾理論假設(shè)多孔材料由一層層顆粒收集器堆積而成，每個顆粒收集器具有相同的捕獲效率。單個顆粒收集器的結(jié)構(gòu)與多孔材料實際結(jié)構(gòu)不同，它是根據(jù)多孔材料內(nèi)流體的流動特性所假定的結(jié)構(gòu)。這些收集器的尺寸進(jìn)一步由多孔材料的孔隙率、阻力系數(shù)等參數(shù)所確定[4]。每個收集器內(nèi)流體的流動與同樣大小的多孔材料內(nèi)流體的流動特性相似，顆粒的捕獲效率也相似。在經(jīng)典過濾理論建立的多孔結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析顆粒沉積的因素即可得到單個顆粒收集器的捕獲效率。因此，多孔材料整體的捕獲效率可以進(jìn)一步表達(dá)為

（1）

其中，Ep是多孔材料過濾效率，α為多孔材料的孔隙率，L為過濾器的厚度，Db為被填充的顆粒球的粒徑，η為單層收集器的捕獲效率，kp是填充物料系數(shù)。對于玻璃纖維多孔材料，kp=4/π；對于顆粒球，kp=1.5。單層收集器的捕獲效率可以用下式計算，

（2）

其中，ER，EI，ED，EG分別表示顆粒受到攔截作用、慣性撞擊、布朗擴(kuò)散以及重力作用而被收集器捕獲的效率[4]。

特倫布墻主要依靠內(nèi)部的多孔過濾單元消除室外大氣塵顆粒。該研究以冬季工況特倫布墻為例，實測特倫布墻的過濾效率，并將實測結(jié)果與經(jīng)典過濾理論預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了對比。從對比結(jié)果可以看出，采用經(jīng)典過濾理論計算結(jié)果與實驗平均值的偏差不超過15%，該研究認(rèn)為可以采用經(jīng)典過濾理論預(yù)測特倫布墻多孔過濾單元內(nèi)0.3～10 μm顆粒的過濾效率。

2 特倫布墻過濾性能分析

研究利用經(jīng)典過濾理論填充料粒徑、過濾面速等因素對特倫布墻過濾性能的影響（如圖1）。當(dāng)面速、孔隙率等其他因素相同時，對于0.1 μm以下顆粒，其填充料粒徑越小，過濾單元的過濾效率越佳。并且，過濾單元對0.1～1 μm顆粒的過濾效率最差。為了分析多孔過濾單元不同過濾機(jī)理對過濾效率的影響，研究進(jìn)一步考察面速0.2 m/s多孔過濾單元中單層收集器的各種基本過濾效率，發(fā)現(xiàn)隨著顆粒粒徑增大，顆粒的慣性效應(yīng)逐漸降低，其他三種效應(yīng)將升高。對于相同粒徑顆粒，不同填充料粒徑的過濾器的攔截效率、慣性效率以及擴(kuò)散效率不同，隨著填充料粒徑的減小，各過濾效應(yīng)將逐漸增強。重力效應(yīng)與填充料粒徑無關(guān)。

通風(fēng)量是影響特倫布墻過濾性能的增大時，多孔過濾單元內(nèi)空氣面速也相應(yīng)增大。對于截面積相同的多孔過濾單元，其面速與特倫布墻通風(fēng)量程正比。利用多孔材料過濾計算模型模擬了填充料粒徑分別為0.8 mm和3 mm的多孔過濾單元，在不同通風(fēng)量下的過濾效率。分析通風(fēng)量對特倫布墻多孔過濾單元過濾效率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，填充料粒徑、孔隙率等其他因素相同時，面速越小，過濾單元的過濾效率越佳。

3 結(jié)論

研究引入經(jīng)典過濾理論，并用實驗驗證該理論同樣適用于特倫布墻多孔過濾單元過濾效率計算。首先，對于0.3～10 μm顆粒，經(jīng)典過濾理論對多孔過濾單元過濾效率的預(yù)測值與實測值偏差不超過15%。其次，經(jīng)典過濾理論能夠正確解釋特倫布墻多孔過濾單元過濾性能。根據(jù)經(jīng)典過濾理論預(yù)測結(jié)果，5 μm以上顆粒主要在慣性作用下被攔截；0.3 μm至5 μm間顆粒的單層收集器過濾效率較低，而實測結(jié)果也表明0.3～1 μm顆粒過濾效率較低；1 μm以上顆粒過濾效率高于10%。通過分析特倫布墻過濾單元填充料尺寸、通風(fēng)量等因素對過濾性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)其填充料粒徑越小，過濾單元的過濾效率越大；且面速越小，過濾單元的過濾效率越大。

鑒于特倫布墻低能耗、高過濾效率的性能，可以有效的應(yīng)用于民用建筑，優(yōu)化室內(nèi)通風(fēng)性能。此外，在顆粒從外部環(huán)境進(jìn)入到特倫布墻入口的過程中，部分大氣塵顆粒在氣流影響下無法進(jìn)入特倫布墻；特倫布墻入口樣式的不同，進(jìn)入特倫布墻的顆粒濃度也不同。研究將進(jìn)一步分析從外部環(huán)境及特倫布墻入口形式對其過濾性能的影響。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 張騰飛，趙越，王樹剛，彼得.一種節(jié)能環(huán)保型多功能呼吸墻：中國， 201010509699[P].2011-02-16.

[3] GB 50736-2012.民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 許鐘麟.空氣潔凈技術(shù)原理[M].3版.北京：科學(xué)出版社，2003.