F 級中效過濾器對細(xì)顆粒物過濾及容塵性能研究

王亞男，王 宇

（1.天津城建大學(xué) 天津300384；2.天津大學(xué) 天津300072）

近年來霧霾天氣逐漸加重，人們對顆粒物的危害展開了大量研究. 空氣中的顆粒物可以對人們的身體健康產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[1-3]. 研究表明室內(nèi)顆粒物約55%～75%來源于室外[4]，空氣過濾器作為大氣環(huán)境與建筑室內(nèi)環(huán)境之間的一道“篩子”，是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié). 建筑室內(nèi)的顆粒物主要由空調(diào)系統(tǒng)中的空氣過濾器來控制[5]，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過系統(tǒng)過濾處理的空氣送入室內(nèi)可以有效改善室內(nèi)空氣品質(zhì)[6].

F 級中效過濾器是組合空調(diào)機(jī)組中最常用的過濾去除亞微米顆粒物、保障室內(nèi)空氣品質(zhì)的過濾器[7]，而過濾器最重要的特性指標(biāo)是阻力、效率、容塵量[8].過濾器的阻力與風(fēng)機(jī)能耗、建筑能耗有關(guān)，降低空氣過濾器的阻力，可以明顯降低通風(fēng)系統(tǒng)的建造和運行成本[9]，所以研究過濾器阻力是必要的[10-11].濾效率有計數(shù)效率和計重效率兩種表示方法，雖然學(xué)者對兩者之間的換算關(guān)系進(jìn)行了研究探討[12-13]，但是目前還沒有統(tǒng)一的換算公式，規(guī)范中制定的顆粒物標(biāo)準(zhǔn)值都是質(zhì)量濃度，室外設(shè)計濃度也是質(zhì)量濃度，因此本研究以計重效率來評價過濾器的過濾性能.容塵量是反映過濾器壽命的指標(biāo)，空氣過濾器在整個使用期內(nèi)大部分時間都處于積塵狀態(tài)[14]，研究積塵量對其阻力和效率影響是必要的.在《F 級中效過濾器對PM2.5的過濾效率及性能研究》一文中對F 級過濾器的阻力做了詳細(xì)的闡述，故本文主要對F 級中效過濾器的過濾效率、容塵量、以及積塵過程中過濾器阻力、效率的變化進(jìn)行分析，并以天津地區(qū)為例，對幾類過濾器進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析.

1 試驗部分

1.1 試件選取

通過市場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)使用最多的中效過濾器的結(jié)構(gòu)主要有袋式和板式，濾料有化纖和玻纖. 本文選取了幾類F 級中效過濾器進(jìn)行實驗，產(chǎn)品類型及具體參數(shù)見表1 所示.

1.2 測試儀器和測試方法

依據(jù)國內(nèi)外有關(guān)的過濾器性能檢測的標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14295—2008《空氣過濾器》[15]、EN779：2012[16]、ANSI/ASHRAE 52.2—2007[17]、ANSI/ASHRAE 52.1—1992[18]）設(shè)計建造了空氣過濾器檢測裝置，該實驗裝置可以對過濾器進(jìn)行阻力測試、效率測試、風(fēng)量風(fēng)壓功率測試及容塵量測試. 該檢測臺的原理為：環(huán)境空氣由風(fēng)機(jī)吸入口進(jìn)入噴嘴，經(jīng)過氣溶膠發(fā)生器、混合管、測試前段、待測試過濾器、最后經(jīng)過末端過濾器排出，如圖1所示.

表1 產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)

圖1 過濾器測試臺性能結(jié)構(gòu)

1.2.1 測試儀器

本實驗主要測量的是過濾器的分級效率、容塵量及容塵過程中過濾器阻力及效率的變化情況，主要的測試儀器如表2 所示.

表2 主要測試儀器

1.2.2 測試方法

（1）根據(jù)GB/T14295—2008《空氣過濾器》[15]，測試風(fēng)量覆蓋范圍50%、75%、100%、125%額定風(fēng)量下過濾器的分級效率.利用氣溶膠發(fā)生器發(fā)塵經(jīng)被測過濾器將其捕集，利用兩臺粉塵儀，同時測量上下游該粒子的計重濃度，從而得出該過濾器的計重效率，效率計算公式如下

式中：N1為測試前段小于或等于某粒徑質(zhì)量濃度的平均值；N2為測試后段小于或等于某粒徑質(zhì)量濃度的平均值.

（2）容塵量測試. 過濾器終阻力的確定是依據(jù)《JIS B9908：2001》[19]中規(guī)定的：終阻力一般為初阻力的2 倍，容塵量的計算方法是過濾器實驗前后的質(zhì)量差值.將清潔的過濾器進(jìn)行稱重，將稱過重的過濾器安裝在風(fēng)道系統(tǒng)中，并向風(fēng)道系統(tǒng)中送入一定重量的干燥的人工塵（發(fā)塵濃度為70 mg/m3，塵源為A2塵），當(dāng)過濾器阻力達(dá)到初阻力的1.25 倍、1.5 倍、1.75 倍、2 倍時停止發(fā)塵，測試過濾器的重量和分級效率.

（3）無量綱過濾阻力[20]的計算.其公式如下

式中：Pon為無量綱過濾阻力，P0為過濾器初始阻力，P為運行時的過濾器阻力.

（4）過濾器使用時間[21]的計算.其公式如下

式中：GC為堆積粉塵量，kg；Q為額定風(fēng)量，m3/h；τ 為濾料連續(xù)使用時間，h；y為過濾器進(jìn)口處的含塵濃度，kg/m3.

（5）過濾器運行能耗[22]的計算.其公式如下

式中：Ec為風(fēng)機(jī)能耗，kW·h；Q為風(fēng)量，m3/h；ΔP為運行期間過濾器的平均阻力，pa；t為運行時間，h；η為風(fēng)機(jī)運行效率.

2 過濾器性能分析

2.1 過濾效率

對不同風(fēng)量下袋式化纖和袋式玻纖過濾器的分級效率進(jìn)行了測試，如圖2-5 所示，由圖可知：同一個過濾器在相同的風(fēng)量下，粒徑越小過濾效率越低；化纖過濾器的效率比玻纖過濾器的效率高，過濾等級較低時，各級效率相差的較大，過濾等級較高時，各級效率相差的較??；對于化纖濾料的過濾器，隨著風(fēng)量的增大，其各級粒徑過濾效率在降低；玻纖濾料的過濾器出現(xiàn)了相反的結(jié)果，隨著風(fēng)量的增大過濾效率在升高，當(dāng)過濾效率達(dá)到一定值時，增大風(fēng)量，過濾效率增長緩慢.

纖維空氣過濾器對顆粒物的過濾機(jī)理有：擴(kuò)散效應(yīng)，截留效應(yīng)，慣性效應(yīng)，重力效應(yīng)和靜電效應(yīng)等，在實際應(yīng)用中，過濾效果則是以上過濾機(jī)理綜合作用的結(jié)果. 玻纖濾料和化纖濾料的內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)不同，化纖濾料內(nèi)部纖維排列較整齊，而玻纖濾料內(nèi)部纖維排列雜亂無章，并且纖維較細(xì)，其過濾的機(jī)理也存在著不同，對于實驗測試的濾速，在1.27～3.17 m/s 的濾速內(nèi)，對于化纖濾料的過濾器，由于纖維密度大，在實驗中可能處于以擴(kuò)散作用為主的濾速范圍，故隨著風(fēng)量的增大，其捕集效率在降低；而玻纖濾料的過濾器處于以慣性碰撞為主的濾速范圍，所以隨著風(fēng)量的增大，其過濾器效率表現(xiàn)出了相反的趨勢.

圖2 F5 過濾器的分級效率

圖3 F6 過濾器的分級效率

圖4 F7 過濾器的分級效率

圖5 F8 過濾器的分級效率

2.2 容塵量

2.2.1 容塵量與阻力的關(guān)系

由于不同的過濾器初阻力和終阻力不同，無法對過濾器的阻力與容塵量進(jìn)行直接的比較，因此做了過濾器無量綱過濾阻力和容塵量的曲線圖（見圖6），即可以在相同的無量綱過濾阻力下比較各類過濾器的容塵量.

圖6 F7 過濾器容塵量與無量綱過濾器阻力Pon 的關(guān)系

通過圖6 可以看出：相同的濾料，相同的無量綱過濾阻力，袋式過濾器的容塵量大于板式過濾器的容塵量，在Pon=1.25 時，即開始容塵時，兩者的容塵量是相同的，隨著Pon的增大，容塵量相差較大，在最后達(dá)到終阻力時，袋式過濾器的容塵量是板式過濾器容塵量的1.71 倍；玻纖過濾器的容塵量要遠(yuǎn)大于化纖過濾器的容塵量，在Pon=1.25 時，玻纖袋式過濾器的容塵量是化纖袋式過濾器容塵量的6.8 倍，是化纖板式過濾器容塵量的6.7 倍，當(dāng)達(dá)到終阻力時（即Pon=2），玻纖袋式過濾器的容塵量是化纖袋式過濾器容塵量的4.3 倍，是化纖板式過濾器容塵量的7.3 倍.袋式過濾器比板式過濾器容塵量大主要是因為過濾面積導(dǎo)致的，袋式過濾器的過濾面積為5.32 m2，而板式過濾的過濾面積為0.51 m2；玻纖過濾器比化纖過濾器容塵量大主要是其內(nèi)部的纖維結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的.表3 是容塵前后玻纖濾料和化纖濾料的電鏡掃描圖片，化纖濾料主要以深層容塵為主，玻纖濾料主要以表層容塵為主，但是可以明顯看出玻纖濾料的容塵能力大于玻纖濾料的容塵能力.

2.2.2 容塵量與過濾效率之間的關(guān)系

過濾器容塵后效率如圖7 所示，過濾器在容塵的情況下，過濾效率會隨著容塵的增加發(fā)生變化.對于F7 玻纖袋式過濾器，隨著容塵量的增加效率在逐漸增大，當(dāng)增大到一定值時，效率就開始下降，在過濾器容塵為896 g 時，過濾效率達(dá)到了最高點，此時PM1.0的過濾效率增長的最多，為42.5%；對于F7 化纖袋式過濾器，各個粒徑的過濾效率是先升高再降低在升高，除了PM1.0，其它粒徑效率在80%～90%左后振蕩；對于F7 板式化纖過濾器，在容塵后過濾器的效率降低了，在容塵為100 g 時，各分級粒徑的效率均降低了10%，隨著容塵的增加，各級粒徑的過濾效率又在增加，在容塵為125 g 時，小顆粒物的過濾效率開始降低，大顆粒物的過濾效率繼續(xù)增加. 理論上，過濾器在剛開始積塵時，過濾效率會增加，因為當(dāng)濾料纖維表面形成粉塵層后，纖維表面及孔隙間沉積的顆粒物可被視為新的顆粒物捕集體，即塵濾塵的過程.理論上分析，板式過濾器效率的變化情況與袋式過濾器效率的變化情況應(yīng)該是一致的，即先增加再降低.本次試驗中第一個測試點是Pon=1.25，而板式過濾器效率先增后減的這一過程出現(xiàn)在Pon=1～Pon=1.25 之間，因為板式過濾器過濾面積小，容塵過程效率變化時間較短.

表3 容塵后纖維的表面形態(tài)

圖7 過濾器容塵后效率變化圖

3 過濾器經(jīng)濟(jì)性比較

對于空氣過濾器的經(jīng)濟(jì)性分析，主要考慮兩個方面，一是過濾器本身的成本，二是過濾器在壽命期內(nèi)的能耗.本節(jié)主要以天津地區(qū)的大氣環(huán)境為室外環(huán)境，對這幾類過濾器進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較，假設(shè)條件如下：

（1）天津地區(qū)不保證“5”d 的PM2.5室外設(shè)計濃度，即274 μg/m3[23]；

（2）新風(fēng)機(jī)組中PM2.5過濾器效率為72.63%，即可滿足室內(nèi)的空氣健康[24]，測試的F7 過濾器均符合要求；

（3）風(fēng)機(jī)的運行效率η=0.7[25]；

（4）天津一般的工商業(yè)及其他用電價格為0.67元/kW·h.

根據(jù)假設(shè)條件（1）～（4）以及公式（3），得到了三類過濾器的使用壽命，板式化纖過濾器是140 h，袋式化纖過濾器是239 h，袋式玻纖過濾器的使用壽命是1 026 h. 對于辦公建筑來說，一般每天空氣處理系統(tǒng)的開啟時間是8 h，則三類過濾器的更換周期分別是17.5，30，128 d，袋式玻纖過濾器的使用時間最長.以128 d 的使用時間為使用周期計算過濾器的成本和使用周期內(nèi)的電價，對這三類過濾器的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，計算所需參數(shù)如表4 所示，計算結(jié)果如表5 所示.結(jié)果表明F7 袋式化纖過濾器和板式化纖過濾器的經(jīng)濟(jì)性均大于玻纖袋式過濾器，雖然玻纖過濾器的容塵量較大，但是其阻力較大，運行能耗較大，電費也較高，在總價中電費占的比例較大.

表4 過濾器的參數(shù)

表5 三類過濾器的經(jīng)濟(jì)性比較

4 結(jié) 論

本文對F 級中效過濾器的過濾效率、容塵量進(jìn)行了實驗，并對過濾器的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，得出了以下結(jié)論.

（1）玻纖過濾器的分級效率要低于化纖過濾器的分級效率；濾速在1.27～3.17 m/s 范圍內(nèi)，隨著濾速的增大，玻纖過濾器的分級效率逐漸增大，化纖過濾器的分級效率逐漸減小.

（2）在容塵量方面：玻纖濾料過濾器大于化纖濾料過濾器，玻纖濾料過濾器是化纖濾料過濾器的4.3倍，袋式過濾器大于板式過濾器，袋式過濾器是板式過濾器的1.71 倍；在積塵的情況下，袋式玻纖和袋式化纖過濾器的過濾效率均在增大，而板式化纖過濾器的過濾效率降低了大約10%左右.

（3）以天津地區(qū)為例，對這三類過濾器進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析.結(jié)果表明，袋式化纖過濾器的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，而袋式玻纖過濾器的經(jīng)濟(jì)性最差，袋式玻纖過濾器的總價比其他兩類過濾器的總價高約30%，該結(jié)果可為相關(guān)的工程設(shè)計提供參考.