基于靜電集塵器串聯(lián)方式的凈化新風機設(shè)計

趙芝康

（上海士諾凈化科技有限公司，上海 201505）

由于現(xiàn)代室內(nèi)裝修等因素引起的城市建筑物綜合癥、室內(nèi)空調(diào)病、CO2濃度超標，有機污染等會直接影響到人們的健康和生命安全；同時因中央空調(diào)系統(tǒng)不能經(jīng)常性的清洗和消毒，其系統(tǒng)內(nèi)部成為細菌滋生地而帶來的環(huán)境污染，這些已引起人們對空氣質(zhì)量的重視，室內(nèi)空氣凈化通風設(shè)備（新風機）逐漸成為了居家生活之必需品。新風機最主要的功能是空氣交換，即將室外新鮮空氣經(jīng)過凈化、消毒，熱交換處理后送進室內(nèi)，同時又將室內(nèi)受污染的污染氣體進行熱交換處理后排出室外，而室內(nèi)的溫濕度基本不受影響的一種高效節(jié)能，環(huán)保型的高科技產(chǎn)品。

目前新風機安裝方式主要采用吊頂式，將新風機吊裝在屋頂上，不占用室內(nèi)使用空間，便于消費者優(yōu)先接受。但同時受制于室內(nèi)吊頂高度空間的限制，在滿足新風量的前提下，要求新風機機器的尺寸越小越好，尤其厚度不要超過300mm，機器越薄越便于安裝。

結(jié)合新風機的性能要求，以及現(xiàn)有安裝中機器尺寸要求，本文旨在提供一種高效節(jié)能，能量回收與凈化效果好，消毒功效明顯的的新風機。該新風機在滿足于性能要求基礎(chǔ)上，機器尺寸做到越薄越好，對內(nèi)部核心零部件（風機、靜電集塵器、全熱交換芯和過濾網(wǎng)）也采用小尺寸的結(jié)構(gòu)方式來設(shè)計。

1 整體結(jié)構(gòu)及設(shè)計理念

本文設(shè)計的一種基于靜電集塵器串聯(lián)方式的凈化新風機，機器的整體尺寸根據(jù)需要的新風量而定，其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)要求如下所述【新風量：500m3/h（機外靜壓100Pa），機器厚度：270mm，噪音：42 dB(A)，制冷焓效率：55%，制熱焓效率：60%，整機新風PM2.5 凈化效率：95%，靜電集塵器新風PM2.5 凈化效率：50%，白色葡萄球菌除菌率：99.9%，空氣自然菌除菌率：90%】。

機器主要安裝在吊頂內(nèi)，由于后續(xù)風機與耗材（靜電集塵器、全熱交換芯和過濾網(wǎng)）的維護與更換，要求在不拆除機器的情況下，機器的內(nèi)部主要部件必須做到方便拆卸與取出，所以整體結(jié)構(gòu)采取側(cè)面檢修門打開的結(jié)構(gòu)方式進行設(shè)計，只需吊頂留有檢修口，從側(cè)面抽出風機與耗材。從維護方式上考慮耗材長度不能太長，各零件分別采取2 個串聯(lián)方式結(jié)構(gòu)布局；從凈化效率方式上考慮耗材的過濾面積和迎風面積需要大，迎面風速需要小，各零件同樣分別需采取2 個串聯(lián)方式結(jié)構(gòu)布局；如圖1 所示為基于靜電集塵器串聯(lián)方式的凈化新風機結(jié)構(gòu)爆炸示意圖。

圖1 基于靜電集塵器串聯(lián)方式的凈化新風機結(jié)構(gòu)爆炸示意圖

所述新風機結(jié)構(gòu)包括框體結(jié)構(gòu)、風機及其風道結(jié)構(gòu)、檢修門結(jié)構(gòu)、能量回收模塊結(jié)構(gòu)、消毒與凈化模塊結(jié)構(gòu)、物理凈化模塊結(jié)構(gòu)，以及吊耳和法蘭安裝結(jié)構(gòu)。所述風機及其風道結(jié)構(gòu)、能量回收模塊結(jié)構(gòu)、消毒與凈化模塊結(jié)構(gòu)和物理凈化模塊結(jié)構(gòu)采用緊固螺釘固定于框體內(nèi)部；所述吊耳和法蘭安裝結(jié)構(gòu)采用緊固螺釘固定于框體外部兩側(cè)；所述檢修門結(jié)構(gòu)利用鉸鏈安裝于框體前側(cè)面；所述控制板、高壓電源板和保護開關(guān)采用緊固螺釘安裝于送風風機檢修門上。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 框體結(jié)構(gòu)設(shè)計。如圖2 所示，框體結(jié)構(gòu)由上蓋、底座、左側(cè)板、右側(cè)板、后側(cè)板、排風風機檢修門、送風風機檢修門、全熱交換芯與過濾網(wǎng)檢修門、電器盒蓋構(gòu)成。其中上蓋、底座、左側(cè)板、右側(cè)板、后側(cè)板、排風風機檢修門和送風風機檢修門采用緊固螺釘分別兩兩相接，電器盒蓋采用緊固螺釘裝在送風風機檢修門上，全熱交換芯與過濾網(wǎng)檢修門通過鉸鏈安裝于排風風機檢修門上，并用手擰螺絲固定在框體上?？蝮w內(nèi)部加貼橡塑保溫棉，用于機器保溫降噪，防止凝露。

圖2 新風機的框體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 風機及風道模塊設(shè)計。如圖3 所示，風機及風道模塊結(jié)構(gòu)由送風風機、送風風機固定板、排風風機、排風風機固定板、新風風道箱、回風風道箱、風機卡槽1、風機卡槽2構(gòu)成。其中新風風機固定板和排風風機固定板采用緊固螺釘固定于框體底座上，風機卡槽1 和風機卡槽2 采用緊固螺釘分別固定于框體左右側(cè)板上，送風風機和排風風機分別插在風機卡槽1 和風機卡槽2 中，打開風機檢修門之后，只需要抽拉動作即可完成安裝與更換，新風風道箱和回風風道箱采用緊固螺釘固定于框體左右側(cè)板及后側(cè)板上。

圖3 新風機的風機及風道流向示意圖

風道模塊包括相互獨立的新風通道和排風通道，所述新風通道作用是室外新風在送風風機的作用下自室外新風進口經(jīng)所述全熱交換芯和過濾網(wǎng)到達室內(nèi)送風口送入，所述排風通道作用是將室內(nèi)回風在排風風機的作用下自室內(nèi)回風口經(jīng)所述全熱交換芯到達室外排風口排出。

2.3 能量回收模塊設(shè)計。如圖4 所示，能量回收模塊結(jié)構(gòu)由全熱交換芯下支座、全熱交換芯上蓋板、全熱交換芯左滑軌、全熱交換芯右滑軌、2 個全熱交換芯、2 個新風通道粗效過濾網(wǎng)、2 個排風通道粗效過濾網(wǎng)構(gòu)成，其中全熱交換芯下支座采用采用緊固螺釘固定于框體底座上，全熱交換芯上蓋板采用緊固螺釘固定于框體上蓋上，全熱交換芯左滑軌采用緊固螺釘固定于排風風機固定板上，全熱交換芯右滑軌采用緊固螺釘固定于過濾網(wǎng)下底座上，并和過濾網(wǎng)下底座連成一體結(jié)構(gòu)。2 個新風通道粗效過濾網(wǎng)串聯(lián)，插在全熱交換芯右滑軌插槽中，2 個排風通道粗效過濾網(wǎng)串聯(lián)，插在全熱交換芯左滑軌插槽中，2 個全熱交換芯串聯(lián)插設(shè)于模塊風道（由全熱交換芯上蓋板和下支座，全熱交換芯左右滑軌共同形成的腔體）內(nèi)，打開檢修門之后，只需要抽拉即可完成安裝與更換。

圖4 新風機的能量回收模塊示意圖

能量回收模塊是由全熱交換芯來實現(xiàn)，其芯體結(jié)構(gòu)采用abs 框架，六邊形逆流式結(jié)構(gòu)，具有兩個相互交叉的能量交換通道，通過芯體中的交換膜（石墨烯材質(zhì)）對新風通道的新風與排風通道的排風進行溫度與濕度的交換，做到能量回收，確保室內(nèi)溫濕度維持不會，降低能量損耗。

2.4 消毒與凈化模塊設(shè)計。如圖5 所示，消毒與凈化模塊結(jié)構(gòu)由過濾網(wǎng)上蓋板、過濾網(wǎng)下底座、靜電集塵器1、靜電集塵器2、靜電集塵器檢修滑板、靜電集塵器把手、靜電集塵器彈性接觸板、彈性接觸板固定板構(gòu)成。其中過濾網(wǎng)上蓋板采用緊固螺釘固定于框體上蓋上，過濾網(wǎng)下底座采用緊固螺釘分別固定于框體后側(cè)板、右側(cè)板和送風風機固定板上，靜電集塵器彈性接觸板采用緊固螺釘固定于其固定板上，彈性接觸板固定板采用緊固螺釘固定于框體后側(cè)板上，靜電集塵器把手鉚接于靜電集塵器1 上，靜電集塵器1 與靜電集塵器2 串聯(lián)后安裝在靜電集塵器檢修滑板中，打開檢修門之后，通過抽動檢修滑板即可完成安裝與更換。

圖5 新風機的消毒與物理凈化模塊示意圖

消毒與凈化模塊是由靜電集塵器來實現(xiàn)，起到消毒和凈化的雙重作用。通過靜電集塵技術(shù)祛除固體顆粒物、主動殺滅病菌；而高壓靜電產(chǎn)生的臭氧在起到殺菌作用后，通過催化耦合過濾網(wǎng)在催化劑表面快速分解，并產(chǎn)生羥基自由基，進一步滅菌；與此同時促進甲醛、甲苯等VOC在常溫下高效催化分解，從而實現(xiàn)全程臭氧零增加。

2.5 物理凈化模塊設(shè)計。如圖5 所示，物理凈化模塊結(jié)構(gòu)由過濾網(wǎng)上蓋板、過濾網(wǎng)下底座、催化耦合過濾網(wǎng)、高效過濾網(wǎng)構(gòu)成，其中催化耦合過濾網(wǎng)和高效過濾網(wǎng)各采用2個。其中2 個催化耦合過濾網(wǎng)及2 個高效過濾網(wǎng)各自獨立進行串聯(lián)，分別插設(shè)于模塊插槽（由過濾網(wǎng)上蓋板和過濾網(wǎng)下底座形成的腔體）內(nèi)，打開檢修門之后，只需要抽拉過濾網(wǎng)即可完成安裝與更換。

物理凈化功能是由催化耦合過濾網(wǎng)和高效過濾網(wǎng)來實現(xiàn)，催化耦合過濾網(wǎng)用于過濾靜電集塵器工作時高壓電場產(chǎn)生的臭氧，高效過濾網(wǎng)用于過濾空氣中的細顆粒物。所述新風粗效過濾網(wǎng)（如圖4）、靜電過濾器、耦合催化過濾網(wǎng)和高效過濾網(wǎng)共同組成了新風通道3 個級別（粗效、中效和高效）的物理凈化系統(tǒng)，具有4 個過濾功段（粗效過濾- 中效過濾- 消菌過濾- 高效過濾），將室外引進的新風，過濾凈化后送到室內(nèi)，確保獲得高質(zhì)量的新鮮空氣。

3 控制系統(tǒng)

3.1 硬件配置。本文設(shè)計的新風機整機電路總體布局設(shè)計如圖6 所示，組成控制電路的元器件主要有風機、控制板、高壓電源板、靜電集塵器、保護開關(guān)、線控器、空氣質(zhì)量檢測模組、通過內(nèi)部連接導線連接。

圖6 基于靜電集塵器串聯(lián)方式的凈化新風機電路布局示意圖

根據(jù)所述新風機結(jié)構(gòu)特點和功能要求，硬件的配置主要取決于風機、靜電集塵器和高壓電源板的選型。給新風通道和排風通道提供動力的是風機，該驅(qū)動風機分別采用相同的直流離心風機（電壓：DC310V, 最大風量：800m3/h，最大靜壓：400Pa，轉(zhuǎn)速：1500r/min，功率：100W）；給機器提供消毒和中級過濾功能的是靜電集塵器（尺寸：400x120x115mm，功率：4W,消毒高壓電場：8.6KV/4.3KV），為靜電集塵器提供電源的是高壓電源板（輸入電壓：85V-265VAC，輸出電壓：8.6KV/4.3KV，功率：8W）。

3.2 控制設(shè)計。本文設(shè)計的新風機是通過外接線控器來進行人機操控，線控器常常安裝于室內(nèi)可操控位置，線控器內(nèi)部空間配置了空氣質(zhì)量檢測模組。所述空氣質(zhì)量檢測模組包括PM2.5 傳感器，CO2傳感器，TVOC 傳感器以及溫濕度傳感器；所述空氣質(zhì)量檢測模組將傳感器檢測到的顆粒物濃度或CO2濃度信號反饋給控制板，經(jīng)控制板單片機處理后，采用PWM方式進行風速自動控制。所述新風機也可以響應(yīng)用戶的指令直接進行風速手動控制。

4 樣機制作及性能測試

為了檢查論證所述新風機設(shè)計的準確性，可靠性和結(jié)構(gòu)合理性，同時也檢驗整機裝配過程中有無干涉，是否便于安裝和維修等潛在的問題，按照圖紙試制了實物樣機，外協(xié)制作了控制系統(tǒng)，通過裝配后的新風機如圖7 所示。

圖7 新風機的實物樣機照片

結(jié)構(gòu)裝配驗證完畢，我們也為這次的樣機進行了系統(tǒng)的性能測試，主要是依據(jù)國家標準《GB/T 34012-2017》和《GB/T 34012-2017》要求，以及《消毒技術(shù)規(guī)范》要求，對機器進行了測試，測試結(jié)果如下所述【新風量：502m3/h（機外靜壓100Pa），機器厚度：265mm，噪音：40.3 dB(A)，制冷焓效率：59%，制熱焓效率：70%，整機新風PM2.5 凈化效率：99%，靜電集塵器新風PM2.5 凈化效率：75%，白色葡萄球菌除菌率：99.98%，空氣自然菌除菌率：93%】，通過與本文第1章節(jié)提出的設(shè)計理念性能技術(shù)參數(shù)對比，所設(shè)計的實物樣機完全符合功能和性能要求，同時符合吊頂空間狹小的安裝要求，達到預期目標，后續(xù)結(jié)合生產(chǎn)制造，量產(chǎn)化。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于靜電集塵器串聯(lián)方式的凈化新風機，各模塊搭配合理，配合良好，在控制系統(tǒng)的配合下能夠根據(jù)當前的空氣質(zhì)量狀況自動或手動運行機器，達到凈化滅菌，能量回收，通風換氣功能，所述機器可用于公寓和公共場合安裝，具有廣闊的應(yīng)用前景。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，所述新風機具有以下特點：（1）機器結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，厚度薄，更加適合現(xiàn)代居室吊頂空間安裝。（2）各部分結(jié)構(gòu)分明，方便裝卸和更換，檢修維護方便，造價低。（3）針對靜電集塵器，過濾網(wǎng)以及全熱交換芯，提供了一種串聯(lián)方式的全新結(jié)構(gòu)布局。