一種新型空氣凈化器的研制

倪沈陽(yáng) 白莉陳琬玥 賀梓健

吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院

0 緒論

目前我國(guó)一些城市霧霾頻發(fā)，霧霾天氣出現(xiàn)時(shí)建筑室內(nèi)PM2.5濃度往往也是超標(biāo)的，人體長(zhǎng)時(shí)間處于這樣的環(huán)境下可能會(huì)引發(fā)整個(gè)身體范圍內(nèi)的疾病[1]。人們迫切的需要空氣凈化設(shè)備來凈化室內(nèi)的PM2.5，空氣凈化器已逐漸成為了城市家庭必備的家用電器。

通過對(duì)我國(guó)空氣凈化器市場(chǎng)調(diào)查和對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷售的空氣凈化器存在著以下幾點(diǎn)不足：

1）能效比低。空氣凈化器的能效比是凈化器的凈化效果與其所消耗的電能之比[2]。人們當(dāng)然是希望選擇能效比高的空氣凈化器，但在實(shí)驗(yàn)室對(duì)市場(chǎng)上銷售的七種知名品牌的空氣凈化器實(shí)測(cè)后發(fā)現(xiàn)，這些空氣凈化器實(shí)測(cè)后的能效比都較其銘牌上所標(biāo)識(shí)的低10%以上，甚至有的低20%左右。

2）沒有裝備PM2.5、VOCs等專業(yè)的檢測(cè)儀表以及自動(dòng)控制啟閉裝置。這就使得人們無(wú)法判斷室內(nèi)PM2.5、VOCs等參數(shù)是否超標(biāo)，只是憑感覺開啟空氣凈化器。這樣做的弊端有：①空氣凈化器一直處于運(yùn)行中，造成電量及設(shè)備本身的浪費(fèi)，這樣達(dá)不到國(guó)家提出的節(jié)能減排的要求。②空氣凈化器在未達(dá)到凈化效果情況下，關(guān)閉凈化器室內(nèi)的空氣質(zhì)量得不到良好的保障。

3）凈化效率不高。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上所銷售的空氣凈化器大多存在著濾網(wǎng)單薄、凈化效率低等問題，這樣的凈化器是不能滿足我國(guó)現(xiàn)有國(guó)情的需要。

鑒于此，筆者研發(fā)了一種新型的空氣凈化器，它能很好地解決上述的問題，同時(shí)由于其濾網(wǎng)特殊的結(jié)構(gòu)，具備對(duì)空氣中VOCs等有害氣體清除的功能。

1 新型空氣凈化器的結(jié)構(gòu)

新型空氣凈化器的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。這種新型空氣凈化器加裝了三個(gè)重要部件：激光粒子傳感器，自動(dòng)聲光報(bào)警器以及單片機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)報(bào)警并自動(dòng)控制啟閉的功能。該空氣凈化器用單片機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，使其隨著室內(nèi)PM2.5濃度的變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟閉。當(dāng)室內(nèi)PM2.5濃度超過規(guī)定值上限時(shí)，自動(dòng)報(bào)警器將發(fā)生報(bào)警并自動(dòng)開啟空氣凈化器。當(dāng)室內(nèi)濃度降至規(guī)定值下限時(shí)，將自動(dòng)關(guān)閉空氣凈化器。這樣在保證室內(nèi)空氣質(zhì)量的同時(shí)，避免空氣凈化器一直處于運(yùn)行狀態(tài)，能夠達(dá)到很好的節(jié)能效果。

圖1 新型空氣凈化器的結(jié)構(gòu)示意圖

2 新型空氣凈化器的主要部件

新型空氣凈化器的主要部件有三個(gè)：PM2.5自動(dòng)報(bào)警器、激光粒子傳感器、單片機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。圖2為該新型空氣凈化器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 新型空氣凈化器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1）PM2.5自動(dòng)報(bào)警器的作用是，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境中PM2.5濃度超過規(guī)定值上限時(shí)即發(fā)生報(bào)警，提醒使用者。新型空氣凈化器中的自動(dòng)報(bào)警器采用的是自動(dòng)聲光報(bào)警器，該報(bào)警器采用蜂鳴器和發(fā)光二極管作為聲光報(bào)警元器件，當(dāng)檢測(cè)到室內(nèi)PM2.5濃度超過設(shè)定值時(shí)蜂鳴器發(fā)聲，同時(shí)發(fā)光二極管發(fā)出特定顏色的光作為聲光報(bào)警信號(hào)[3]。該自動(dòng)報(bào)警器設(shè)置在空氣凈化器本體頂端見圖3，圖3為該新型空氣凈化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 新型空氣凈化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2）單片機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)是該新型空氣凈化器的核心部件，它采用是STC12C單片機(jī)[4]并內(nèi)嵌于空氣凈化器的本體之中，如圖1、3所示。由它控制空氣凈化器的自動(dòng)啟閉，在保證凈化效果的同時(shí)，最大限度的節(jié)能。當(dāng)室內(nèi)環(huán)境中PM2.5濃度超過規(guī)定值上限時(shí)，將自動(dòng)開啟空氣凈化器，當(dāng)濃度降低到規(guī)定值下限時(shí)，空氣凈化器將自動(dòng)關(guān)閉。

3）加裝了激光PM2.5粒子傳感器以及液晶顯示面板，實(shí)現(xiàn)PM2.5等參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)和顯示。激光粒子傳感器的工作原理是當(dāng)激光照射到通過檢測(cè)位置的顆粒物時(shí)會(huì)產(chǎn)生微弱的光散射，在特定方向上的光散射波形與顆粒物直徑有關(guān)，通過不同粒徑的波形分類統(tǒng)計(jì)及換算公式可以得到不同粒徑的實(shí)時(shí)顆粒物的數(shù)量濃度，按照標(biāo)定方法得到跟官方單位統(tǒng)一的質(zhì)量濃度[5]。PM2.5傳感器將檢測(cè)到的室內(nèi)空氣的PM2.5濃度由電信號(hào)傳輸?shù)阶詣?dòng)報(bào)警器和空氣凈化器自動(dòng)啟閉控制系統(tǒng)中，并顯示在液晶顯示屏上。

4）該新型空氣凈化器采用了一種新型的組合結(jié)構(gòu)濾網(wǎng)，濾網(wǎng)共由4層結(jié)構(gòu)組合在一起，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，以實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)不同污染物的清除。

①前置濾網(wǎng)：主要去除空氣中的大顆粒物，對(duì)空氣中的懸浮顆粒物如塵埃、毛發(fā)等進(jìn)行初步過濾，它一般由玻璃棉等制成。

②初效濾網(wǎng)：一般由聚酯纖維材料制成[6]，能有效地過濾掉進(jìn)入凈化器的空氣中的纖維、毛發(fā)等，其作用是進(jìn)一步過濾進(jìn)入凈化器內(nèi)部的懸浮顆粒物。

③高效濾網(wǎng)：由白色的具有高容塵量的濾紙褶皺組成[6]。容塵量是普通濾紙的幾倍以上，可有效去除空氣中0.3 μm以上的顆粒物，對(duì)PM2.5去除效率達(dá)到99.99%以上，且具有延展面積大使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

④VOCs消減濾網(wǎng)。目前的空氣凈化器也要兼顧去除甲醛等VOCs類有害物，一般是在空氣凈化器中加裝活性濾網(wǎng)。但活性炭當(dāng)吸附力飽時(shí)還會(huì)二次釋放，形成二次污染。故新型空氣凈化器在活性炭濾網(wǎng)上粘附VOCs分解氈，這種分解氈是蓬松棉纖維構(gòu)造，超微顆粒包覆于分解棉纖維上，增大有效作用面積，對(duì)甲醛等VOCs的去除量達(dá)98%以上，是普通活性炭材料的1000倍。這種分解氈不占地、不插電，僅僅是粘附在活性炭濾網(wǎng)上，將甲醛等VOCs徹底分解為H2O和CO2，杜絕了二次污染。

該新型空氣凈化器的濾網(wǎng)不局限于以上材料，像靜電吸附濾網(wǎng)、等離子集塵網(wǎng)以及光觸媒濾網(wǎng)等，都可以靈活的按空氣凈化的不同要求進(jìn)行組合使用。目前相關(guān)的研究正在進(jìn)行中，旨在尋求最佳的組合方式，以期實(shí)現(xiàn)良好的室內(nèi)空氣凈化效果。

3 新型空氣凈化器運(yùn)行控制原理

我國(guó)現(xiàn)行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定將環(huán)境中的PM2.5質(zhì)量濃度限值分為兩級(jí)：一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為 35 μg/m3，二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為 75 μg/m3，室內(nèi) TVOC 的標(biāo)準(zhǔn)為：優(yōu) 0～0.6 μg/m3，良 0.61～1.2 μg/m3[7]。目前我國(guó)室內(nèi)PM2.5濃度限值尚未有明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，由于人們?cè)谑覂?nèi)停留的時(shí)間較室外長(zhǎng)，室內(nèi)的PM2.5濃度不能比室外高，所以當(dāng)前我國(guó)引用環(huán)境空氣中PM2.5的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為室內(nèi)PM2.5的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，該新型空氣凈化器是依據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的濃度分級(jí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警和啟閉。

該新型空氣凈化器的控制流程圖如圖4所示，其功能實(shí)現(xiàn)的過程如下：

圖4 新型空氣凈化器控制流程圖

①當(dāng)室內(nèi)PM2.5濃度低于時(shí)35 μg/m3時(shí)，自動(dòng)報(bào)警器不報(bào)警且空氣凈化器不啟動(dòng)。

②當(dāng)室內(nèi) PM2.5濃度高于 35 μg/m3但低于75 μg/m3時(shí)，自動(dòng)報(bào)警器蜂鳴器響三聲同時(shí)綠燈閃爍，空氣凈化器仍不啟動(dòng)。

③當(dāng)室內(nèi)PM2.5濃度高于75 μg/m3時(shí)，自動(dòng)報(bào)警器蜂鳴器響六聲同時(shí)紅燈閃爍，同時(shí)空氣凈化器由自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟?？諝鈨艋鬟\(yùn)行一段時(shí)間后，當(dāng)室內(nèi)PM2.5濃度降至75 μg/m3以下時(shí)空氣凈化器還將繼續(xù)開啟，直至PM2.5濃度將至35 μg/m3以下將自動(dòng)關(guān)閉。在PM2.5質(zhì)量濃度下降時(shí)自動(dòng)報(bào)警器不進(jìn)行報(bào)警。

④如果一開始室內(nèi)PM2.5濃度超過75 μg/m3時(shí)，空氣凈化器直接開啟，但自動(dòng)報(bào)警器不報(bào)警?？諝鈨艋靼凑漳Ｊ舰圻\(yùn)行。

⑤當(dāng)濃度降低到35 μg/m3以下時(shí)，一段時(shí)間后如果室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度又上升則將重復(fù)①②③進(jìn)行運(yùn)行。

該新型空氣凈化器對(duì)VOCs的清除原理與過程與PM2.5的一致。

4 結(jié)論

本文簡(jiǎn)述了一種新型空氣凈化器，并對(duì)其的功能及運(yùn)行過程與市場(chǎng)上銷售的空氣凈化器相比，發(fā)現(xiàn)該新型空氣凈化器具備自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)報(bào)警與自動(dòng)啟閉的功能，凈化效率高，能耗低。它的優(yōu)點(diǎn)在于：

1）室內(nèi)的空氣品質(zhì)有保障。該新型空氣凈化器能根據(jù)室內(nèi)PM2.5濃度的變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟閉。當(dāng)室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度剛超過規(guī)定值上限時(shí)，空氣凈化器便開始工作，當(dāng)PM2.5濃度下降到規(guī)定值下限時(shí)便停止工作，一段時(shí)間后若濃度繼續(xù)上升空氣凈化器又開啟。這樣可以較好地控制室內(nèi)PM2.5濃度，實(shí)現(xiàn)良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)。

2）節(jié)能。由于該新型空氣凈化器可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟閉，在濃度值低于規(guī)定值下限時(shí)將自動(dòng)關(guān)閉凈化器。與我國(guó)市場(chǎng)上銷售的空氣凈化器相比，由于不是一直處于運(yùn)行的過程減少了電能的消耗，這樣就可以在保障空氣品質(zhì)的同時(shí)起到節(jié)能的作用。

3）具有較好的預(yù)警機(jī)制。當(dāng)室內(nèi)PM2.5濃度超標(biāo)時(shí)，自動(dòng)報(bào)警器就自動(dòng)報(bào)警，這樣可以提醒使用者采取積極有效的措施來降低室內(nèi)PM2.5濃度。

4）空氣凈化效果好，且可以通過檢測(cè)儀器讀取數(shù)據(jù)。由于該新型空氣凈化器加裝了液晶顯示面板可以實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)PM2.5的濃度，高精度靈敏監(jiān)測(cè)室內(nèi)PM2.5污染指數(shù)，給人以直觀感受。

綜上所述該新型空氣凈化器是符合我國(guó)現(xiàn)階段國(guó)情的，并且能夠解決目前我國(guó)國(guó)產(chǎn)凈化器的不足之處。該新型空氣凈化器按需啟動(dòng)關(guān)閉，在確?？諝赓|(zhì)量的同時(shí)盡量節(jié)能，在去除PM2.5的同時(shí)關(guān)注VOCs的去除及細(xì)顆粒物的去除，使室內(nèi)空氣品質(zhì)得到良好的保障。