一種新型空氣凈化器的研制

倪沈陽 白莉陳琬玥 賀梓健

吉林建筑大學市政與環境工程學院

0 緒論

目前我國一些城市霧霾頻發，霧霾天氣出現時建筑室內PM2.5濃度往往也是超標的，人體長時間處于這樣的環境下可能會引發整個身體范圍內的疾病[1]。人們迫切的需要空氣凈化設備來凈化室內的PM2.5，空氣凈化器已逐漸成為了城市家庭必備的家用電器。

通過對我國空氣凈化器市場調查和對比分析后發現，目前國內市場銷售的空氣凈化器存在著以下幾點不足：

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]。人們當然是希望選擇能效比高的空氣凈化器，但在實驗室對市場上銷售的七種知名品牌的空氣凈化器實測后發現，這些空氣凈化器實測后的能效比都較其銘牌上所標識的低10%以上，甚至有的低20%左右。

2）沒有裝備PM2.5、VOCs等專業的檢測儀表以及自動控制啟閉裝置。這就使得人們無法判斷室內PM2.5、VOCs等參數是否超標，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行中，造成電量及設備本身的浪費，這樣達不到國家提出的節能減排的要求。②空氣凈化器在未達到凈化效果情況下，關閉凈化器室內的空氣質量得不到良好的保障。

3）凈化效率不高。目前國內市場上所銷售的空氣凈化器大多存在著濾網單薄、凈化效率低等問題，這樣的凈化器是不能滿足我國現有國情的需要。

鑒于此，筆者研發了一種新型的空氣凈化器，它能很好地解決上述的問題，同時由于其濾網特殊的結構，具備對空氣中VOCs等有害氣體清除的功能。

1 新型空氣凈化器的結構

新型空氣凈化器的結構示意如圖1所示。這種新型空氣凈化器加裝了三個重要部件：激光粒子傳感器，自動聲光報警器以及單片機自動控制系統。實現了自動檢測、自動報警并自動控制啟閉的功能。該空氣凈化器用單片機自動控制系統，使其隨著室內PM2.5濃度的變化實現自動啟閉。當室內PM2.5濃度超過規定值上限時，自動報警器將發生報警并自動開啟空氣凈化器。當室內濃度降至規定值下限時，將自動關閉空氣凈化器。這樣在保證室內空氣質量的同時，避免空氣凈化器一直處于運行狀態，能夠達到很好的節能效果。

圖1 新型空氣凈化器的結構示意圖

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：PM2.5自動報警器、激光粒子傳感器、單片機自動控制系統。圖2為該新型空氣凈化器控制系統結構框圖。

圖2 新型空氣凈化器控制系統結構框圖

1）PM2.5自動報警器的作用是，當室內環境中PM2.5濃度超過規定值上限時即發生報警，提醒使用者。新型空氣凈化器中的自動報警器采用的是自動聲光報警器，該報警器采用蜂鳴器和發光二極管作為聲光報警元器件，當檢測到室內PM2.5濃度超過設定值時蜂鳴器發聲，同時發光二極管發出特定顏色的光作為聲光報警信號[3]。該自動報警器設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部結構示意圖。

圖3 新型空氣凈化器內部結構示意圖

2）單片機自動控制系統是該新型空氣凈化器的核心部件，它采用是STC12C單片機[4]并內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啟閉，在保證凈化效果的同時，最大限度的節能。當室內環境中PM2.5濃度超過規定值上限時，將自動開啟空氣凈化器，當濃度降低到規定值下限時，空氣凈化器將自動關閉。

3）加裝了激光PM2.5粒子傳感器以及液晶顯示面板，實現PM2.5等參數的自動檢測和顯示。激光粒子傳感器的工作原理是當激光照射到通過檢測位置的顆粒物時會產生微弱的光散射，在特定方向上的光散射波形與顆粒物直徑有關，通過不同粒徑的波形分類統計及換算公式可以得到不同粒徑的實時顆粒物的數量濃度，按照標定方法得到跟官方單位統一的質量濃度[5]。PM2.5傳感器將檢測到的室內空氣的PM2.5濃度由電信號傳輸到自動報警器和空氣凈化器自動啟閉控制系統中，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構濾網，濾網共由4層結構組合在一起，其結構如圖3所示，以實現對室內不同污染物的清除。

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

②初效濾網：一般由聚酯纖維材料制成[6]，能有效地過濾掉進入凈化器的空氣中的纖維、毛發等，其作用是進一步過濾進入凈化器內部的懸浮顆粒物。

③高效濾網：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PM2.5去除效率達到99.99%以上，且具有延展面積大使用壽命長等特點。

④VOCs消減濾網。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。但活性炭當吸附力飽時還會二次釋放，形成二次污染。故新型空氣凈化器在活性炭濾網上粘附VOCs分解氈，這種分解氈是蓬松棉纖維構造，超微顆粒包覆于分解棉纖維上，增大有效作用面積，對甲醛等VOCs的去除量達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不局限于以上材料，像靜電吸附濾網、等離子集塵網以及光觸媒濾網等，都可以靈活的按空氣凈化的不同要求進行組合使用。目前相關的研究正在進行中，旨在尋求最佳的組合方式，以期實現良好的室內空氣凈化效果。

3 新型空氣凈化器運行控制原理

我國現行環境標準GB/T 3095-2012《環境空氣質量標準》中規定將環境中的PM2.5質量濃度限值分為兩級：一級標準為 35 μg/m3，二級標準為 75 μg/m3，室內 TVOC 的標準為：優 0～0.6 μg/m3，良 0.61～1.2 μg/m3[7]。目前我國室內PM2.5濃度限值尚未有明確的標準規定，由于人們在室內停留的時間較室外長，室內的PM2.5濃度不能比室外高，所以當前我國引用環境空氣中PM2.5的分級標準作為室內PM2.5的分級標準，該新型空氣凈化器是依據這個標準的濃度分級實現自動報警和啟閉。

該新型空氣凈化器的控制流程圖如圖4所示，其功能實現的過程如下：

圖4 新型空氣凈化器控制流程圖

①當室內PM2.5濃度低于時35 μg/m3時，自動報警器不報警且空氣凈化器不啟動。

②當室內 PM2.5濃度高于 35 μg/m3但低于75 μg/m3時，自動報警器蜂鳴器響三聲同時綠燈閃爍，空氣凈化器仍不啟動。

③當室內PM2.5濃度高于75 μg/m3時，自動報警器蜂鳴器響六聲同時紅燈閃爍，同時空氣凈化器由自動控制系統實現自動開啟。空氣凈化器運行一段時間后，當室內PM2.5濃度降至75 μg/m3以下時空氣凈化器還將繼續開啟，直至PM2.5濃度將至35 μg/m3以下將自動關閉。在PM2.5質量濃度下降時自動報警器不進行報警。

④如果一開始室內PM2.5濃度超過75 μg/m3時，空氣凈化器直接開啟，但自動報警器不報警。空氣凈化器按照模式③運行。

⑤當濃度降低到35 μg/m3以下時，一段時間后如果室內PM2.5質量濃度又上升則將重復①②③進行運行。

該新型空氣凈化器對VOCs的清除原理與過程與PM2.5的一致。

4 結論

本文簡述了一種新型空氣凈化器，并對其的功能及運行過程與市場上銷售的空氣凈化器相比，發現該新型空氣凈化器具備自動檢測和自動報警與自動啟閉的功能，凈化效率高，能耗低。它的優點在于：

1）室內的空氣品質有保障。該新型空氣凈化器能根據室內PM2.5濃度的變化實現自動啟閉。當室內PM2.5質量濃度剛超過規定值上限時，空氣凈化器便開始工作，當PM2.5濃度下降到規定值下限時便停止工作，一段時間后若濃度繼續上升空氣凈化器又開啟。這樣可以較好地控制室內PM2.5濃度，實現良好的室內空氣品質。

2）節能。由于該新型空氣凈化器可以實現自動啟閉，在濃度值低于規定值下限時將自動關閉凈化器。與我國市場上銷售的空氣凈化器相比，由于不是一直處于運行的過程減少了電能的消耗，這樣就可以在保障空氣品質的同時起到節能的作用。

3）具有較好的預警機制。當室內PM2.5濃度超標時，自動報警器就自動報警，這樣可以提醒使用者采取積極有效的措施來降低室內PM2.5濃度。

4）空氣凈化效果好，且可以通過檢測儀器讀取數據。由于該新型空氣凈化器加裝了液晶顯示面板可以實時顯示室內PM2.5的濃度，高精度靈敏監測室內PM2.5污染指數，給人以直觀感受。

綜上所述該新型空氣凈化器是符合我國現階段國情的，并且能夠解決目前我國國產凈化器的不足之處。該新型空氣凈化器按需啟動關閉，在確保空氣質量的同時盡量節能，在去除PM2.5的同時關注VOCs的去除及細顆粒物的去除，使室內空氣品質得到良好的保障。