新型空氣凈化新風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)研究

李杰 呂宇 曹征

摘 要：近年來(lái)，我國(guó)大面地區(qū)不同程度受到霧霾天氣影響，空氣質(zhì)量達(dá)到中度或重度污染等級(jí)，其主要污染物來(lái)自PM2.5。通過(guò)研究分析目前市售主流空氣凈化裝置不足，研制出新型室內(nèi)PM2.5空氣凈化新風(fēng)機(jī)，采用室內(nèi)空氣外循環(huán)原理，離心風(fēng)機(jī)+三級(jí)高效過(guò)濾技術(shù)凈化室內(nèi)空氣。

關(guān)鍵詞：空氣凈化；新風(fēng)機(jī)；離心風(fēng)機(jī)；PM2.5

引言

近年來(lái)，我國(guó)大氣污染形勢(shì)十分嚴(yán)峻，華北，華東，西南等地多次遭遇嚴(yán)重霧霾天氣，空氣質(zhì)量指數(shù)AQI達(dá)到中度或重度污染等級(jí)，其中主要污染物來(lái)源是PM2.5。PM2.5是指空氣中直徑小于或等于2.5微米的細(xì)顆粒物，它附著大量有毒、有害物質(zhì)且在大氣中的停留時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)，可通過(guò)血液循環(huán)進(jìn)入肺部，對(duì)人體健康危害極大。

室內(nèi)環(huán)境污染狀況往往是人們比較忽視的。清華大學(xué)調(diào)研團(tuán)隊(duì)今年發(fā)布了《全國(guó)首個(gè)室內(nèi)PM2.5空氣污染調(diào)研報(bào)告》，該調(diào)研行動(dòng)由清華大學(xué)電子工程系、清華大學(xué)建筑環(huán)境監(jiān)測(cè)中心和南方周末綠色新聞部聯(lián)合發(fā)起。研究表明，由于人們不論是工作，居家，還是娛樂(lè)，有70%以上的時(shí)間是待在室內(nèi)，人在室內(nèi)PM2.5吸入量是室外的4倍；采樣期間有1/3時(shí)間，室內(nèi)空氣處于“污染”等級(jí)。在同等外部條件下，樓層17層以上PM2.5室內(nèi)等級(jí)最優(yōu)，8層以下室內(nèi)等級(jí)最差。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.1本產(chǎn)品工作原理

目前，市面上家用空氣凈化類產(chǎn)品很多，凈化原理各不相同，但是從室內(nèi)空氣流動(dòng)性來(lái)講，主要是采用室內(nèi)空氣內(nèi)循環(huán)的凈化方式，即在關(guān)閉門窗的條件下，將室內(nèi)空氣通過(guò)離心風(fēng)機(jī)壓入凈化器，再將凈化后的空氣釋放排除，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)過(guò)濾，達(dá)到凈化空氣去除PM2.5的作用。這樣在一定程度上雖然能夠解決室內(nèi)空氣污染問(wèn)題，但是人們長(zhǎng)期處于這樣的密閉空間內(nèi)，含氧空氣不能得到有效補(bǔ)充，二氧化碳等其他廢氣濃度逐漸升高，仍會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生影響。其次，空氣凈化器的過(guò)濾范圍有限，主流產(chǎn)品在25-35m3，一般一臺(tái)設(shè)備只能放置在一間房間過(guò)濾，要凈化多個(gè)房間需要多臺(tái)設(shè)備。

新型空氣凈化新風(fēng)機(jī)采用的是采用室內(nèi)空氣外循環(huán)，新風(fēng)機(jī)是室外富氧空氣的入口，在不開門窗的條件下，將室外富氧新風(fēng)經(jīng)高效濾凈后持續(xù)不斷輸入室內(nèi)，保證了室內(nèi)空氣的富氧、清新，從源頭上杜絕室外污濁空氣中的懸浮顆粒物，細(xì)顆粒物PM2.5等有害因子進(jìn)入室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣保持100%富氧、純凈，污染空氣通過(guò)門窗縫隙自然排出。

1.2 本設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與主要部件

本設(shè)計(jì)產(chǎn)品創(chuàng)新安裝方式，采用壁掛式安裝在外墻窗角上，在門窗關(guān)閉的條件下，作為室外空氣的進(jìn)風(fēng)口。安裝方便，可采用吸盤/磁吸安裝，不布室內(nèi)管線，不穿墻打洞。（圖1）

本設(shè)計(jì)采用三級(jí)過(guò)濾方式。第一級(jí)為過(guò)濾紗網(wǎng)，能夠過(guò)濾空氣中懸浮的塵埃、微粒，屬于粗濾過(guò)程。第二級(jí)采用活性碳過(guò)濾網(wǎng)，活性炭的吸附作用強(qiáng)，能夠過(guò)濾空氣中的甲醛、二氧化硫等有毒有害氣體。第三級(jí)采用F7等級(jí)的HEPA高效濾網(wǎng)，是整個(gè)過(guò)濾系統(tǒng)的關(guān)鍵，在實(shí)際運(yùn)用中，HEPA高效濾芯一直是醫(yī)療、化工、生化領(lǐng)域機(jī)械式過(guò)濾系統(tǒng)的核心，理論上能夠有效過(guò)濾PM2.5達(dá)99.7%。為使實(shí)際空氣凈化效率接近理論最大值，本設(shè)計(jì)創(chuàng)新將HEPA濾網(wǎng)設(shè)計(jì)成池型結(jié)構(gòu)，離心風(fēng)機(jī)放置在濾網(wǎng)中央，引入的新風(fēng)能被扇葉強(qiáng)力壓入濾芯，達(dá)到最佳凈化效果。

風(fēng)機(jī)是將室外空氣送入室內(nèi)的關(guān)鍵，在風(fēng)機(jī)的選擇上，應(yīng)該選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好；材料及附件選擇方便；有足夠的強(qiáng)度、剛度，工作安全可靠；運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，噪聲低；調(diào)節(jié)性能好，工作適應(yīng)性強(qiáng)；尺寸盡可能小，重量輕的。

本設(shè)計(jì)采用的離心風(fēng)機(jī)（表1）采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，12極馬達(dá)組，葉輪馬達(dá)殼固定磁場(chǎng)與交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的排斥推力強(qiáng)大，使風(fēng)機(jī)高速運(yùn)用，電路部分采用AC轉(zhuǎn)高壓直流，鋁材底沖壓底座使工作熱快速傳散發(fā)走，降低馬達(dá)組內(nèi)部升溫，大幅度提高離心風(fēng)機(jī)工作壽命；葉輪采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)后傾設(shè)計(jì)，風(fēng)通過(guò)中心口進(jìn)風(fēng)，產(chǎn)生強(qiáng)大離心力。風(fēng)量大、風(fēng)壓強(qiáng)。離心風(fēng)機(jī)采用多重保護(hù)電路功能，可靠性高、壽命長(zhǎng)。

表1 離心風(fēng)機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

1.3 本設(shè)計(jì)與同類主流產(chǎn)品技術(shù)比較

本設(shè)計(jì)在空氣凈化類產(chǎn)品中具有原理上的創(chuàng)新，是空氣凈化領(lǐng)域的革命性產(chǎn)品（表2）。本設(shè)計(jì)產(chǎn)品采用空氣外循環(huán)原理，將室外富氧空氣經(jīng)高效濾凈后輸入室內(nèi)，從源頭上杜絕PM2.5等有害因子；送風(fēng)量最大達(dá)240m3/h，風(fēng)速三級(jí)遙控可調(diào)；噪音低至50dB；能效比高，最大功率只有30W。本產(chǎn)品送風(fēng)量與其他室內(nèi)空氣凈化類產(chǎn)品相比持平；與新風(fēng)系統(tǒng)相比，安裝方便，可采用吸盤或磁吸安裝，不穿墻打洞。產(chǎn)品體積小，安裝在窗角美觀，大方；價(jià)格經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，與新風(fēng)系統(tǒng)相比不足新風(fēng)系統(tǒng)價(jià)格的十分之一。濾網(wǎng)展開面積大，達(dá)到4.2m2，濾網(wǎng)一次使用時(shí)間可達(dá)4-6個(gè)月，拆換濾芯簡(jiǎn)單方便。

表2 主流家用空氣凈化產(chǎn)品技術(shù)比較

注：各類型空氣凈化產(chǎn)品型號(hào)，參數(shù)均來(lái)自產(chǎn)品說(shuō)明書，價(jià)格來(lái)自京東商城2015年5月。

2 本設(shè)計(jì)效果測(cè)試

根據(jù)設(shè)計(jì)制造出樣機(jī)，在普通住宅5樓80m2三室一廳進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試樣機(jī)安裝在客廳飄窗右上角，PM2.5測(cè)試儀放置在客廳正中央。在室外PM2.5不同污染等級(jí)下進(jìn)行去除PM2.5效果測(cè)試。測(cè)試時(shí)長(zhǎng)均為1個(gè)小時(shí)，客廳面積25m2。測(cè)試期間各項(xiàng)參數(shù)如下表（表3）所示。測(cè)試前后，室內(nèi)PM2.5濃度變化十分明顯，出風(fēng)口PM2.5去除率達(dá)98.7%以上，室內(nèi)PM2.5濃度在12-18μg/m3之間，PM2.5去除效率達(dá)90.9%以上，按照2012年，國(guó)家環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，PM2.5日均濃度在35μg/m3以下為一級(jí)；在35μg/m3至75μg/m3之間為二級(jí)；在75μg/m3以上為超標(biāo)。開機(jī)一小時(shí)后室內(nèi)空氣質(zhì)量等級(jí)能達(dá)到國(guó)家一級(jí)水平。另?yè)?jù)國(guó)家環(huán)保部發(fā)布的2014年全年空氣PM2.5濃度年均值排行榜，全國(guó)共有190座城市參評(píng)，全國(guó)PM2.5最小的城市是三亞，為18.7μg/m3。

3 結(jié)論與建議

本設(shè)計(jì)產(chǎn)品新型室內(nèi)PM2.5空氣凈化新風(fēng)機(jī)，采用室內(nèi)空氣外循環(huán)原理，離心風(fēng)機(jī)+三級(jí)高效過(guò)濾技術(shù)去除PM2.5，使室內(nèi)凈空氣保持富氧純凈。該技術(shù)具有創(chuàng)新性，實(shí)用性，已經(jīng)取得國(guó)家實(shí)用新型專利。通過(guò)樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，證明該設(shè)計(jì)在凈化室內(nèi)空氣，去除PM2.5細(xì)顆粒物上是有效的。

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作者簡(jiǎn)介：李杰（1983-），男，漢族，碩士，講師，研究方向：電氣自動(dòng)化技術(shù)。