基于高壓靜電吸附原理的外裝新風(fēng)設(shè)備開發(fā)*

王變芬，姚世京，徐金金，谷越陽，王 鑫，黃 濤，鄧 飛

（1.河北科技大學(xué)理工學(xué)院，河北 石家莊 050018；2.河北瑞華醫(yī)療器械有限公司，河北 石家莊 050022）

隨著人們對健康問題愈加重視，對環(huán)境空氣質(zhì)量改善的需求越來越高，室內(nèi)空氣環(huán)保行業(yè)得以快速發(fā)展。以室內(nèi)空氣質(zhì)量的改善為例，目前形成了新風(fēng)系統(tǒng)、空氣凈化器和凈化被動(dòng)治理服務(wù)3種凈化方案，相應(yīng)促進(jìn)了室內(nèi)環(huán)境檢測儀器、凈化設(shè)備的創(chuàng)新開發(fā)及配套制造行業(yè)的快速發(fā)展。市場調(diào)研結(jié)果顯示，在室內(nèi)空氣的治理方面，以空氣凈化器為主的需求增長速度很快，但我國空氣凈化器的人均擁有量還很少，不到發(fā)達(dá)國家的1/10，并且相比于人們對空氣質(zhì)量的重視程度，相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)升級力度還相對滯后，人們對產(chǎn)品的科技含量、性能質(zhì)量、便捷安裝維護(hù)等綜合應(yīng)用體驗(yàn)的滿意度較低[1]。以最常用的家用濾網(wǎng)式空氣凈化器為例，室內(nèi)使用時(shí)噪音很大，影響工作學(xué)習(xí)，尤其不適用于在學(xué)校教室、辦公場所和睡眠環(huán)境使用。因此，目前市場急需一種能耗低、凈化效率高、維護(hù)簡單、安裝快捷，尤其是噪音小甚至靜音型新風(fēng)凈化設(shè)備，以提高使用人群的學(xué)習(xí)、辦公和居住舒適度，提高全民的健康指數(shù)。

1 目前室內(nèi)主流空氣凈化方案

目前最常用的室內(nèi)空氣清潔方法是在室內(nèi)安裝獨(dú)立單機(jī)型空氣凈化器，其原理是采用濾網(wǎng)進(jìn)行過濾，缺點(diǎn)是：為了保證空氣順暢通過濾網(wǎng)，傳統(tǒng)的濾網(wǎng)式凈化器內(nèi)部需要配備大風(fēng)量的換氣風(fēng)扇加速空氣流動(dòng)，其噪音往往在65 dB以上，使用舒適度較差，濾網(wǎng)需要手動(dòng)定期清洗，且清理起來比較麻煩，在嚴(yán)重的霧霾天氣環(huán)境下，如果濾網(wǎng)清理不及時(shí)，不但起不到凈化空氣的效果，還會形成二次污染[2]。在教室、會議室等場所，由于經(jīng)常開關(guān)門，室內(nèi)外空氣交換頻繁，只能選用更大風(fēng)量的凈化器，但是大功率凈化器一旦在室內(nèi)開啟噪音非常大，會嚴(yán)重破壞安靜的環(huán)境，且耗電量大，再加上濾網(wǎng)式空氣凈化屬于空氣內(nèi)循環(huán)，節(jié)能減排效果不佳。樓宇型中央新風(fēng)系統(tǒng)是通過中央主機(jī)對空氣凈化后讓潔凈的空氣輸送到室內(nèi)各輸出端，但是此次新型冠狀病毒肆虐暴露出中央新風(fēng)系統(tǒng)存在諸多弊端，例如在很多辦公樓或大型游輪上，中央空調(diào)的分布式輸送管道加快了病毒的傳播速度，擴(kuò)大了病毒的傳播范圍，造成很多人在隔離狀態(tài)下感染了新冠病毒。凈化被動(dòng)治理服務(wù)往往適用于新裝修房屋室內(nèi)的除甲醛，不適用于在正常辦公和學(xué)校教室環(huán)境內(nèi)長期使用。

2 外裝新風(fēng)設(shè)備開發(fā)方案

2.1 開發(fā)原理

高壓靜電吸附原理是指含有粉塵顆粒的氣體在流動(dòng)通過接有高壓直流電源的陰極板和接地的陽極板之間所形成的高壓電場時(shí)，由于陰極板發(fā)生電暈放電效應(yīng)，通過的氣體被電離，而帶負(fù)電的氣體離子在電場力作用下向陽極板運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中與粉塵顆粒相碰，從而使塵粒荷以負(fù)電，荷電后的塵粒在電場力的作用下亦向陽極運(yùn)動(dòng)，到達(dá)陽極后放出所帶的電子，塵粒則沉積于陽極板上，從而獲得凈化的氣體并排出防塵器外[3]。高壓吸塵凈化過程完全靜音，因此早期曾用于室內(nèi)空氣凈化，后來發(fā)現(xiàn)高壓放電過程中會產(chǎn)生微量臭氧，使人產(chǎn)生不舒適感，且高壓靜電集塵板的清潔過程比較麻煩，因此該原理的室內(nèi)清潔機(jī)逐漸被濾網(wǎng)式清潔機(jī)取代[4]，靜電吸塵往往被用于工業(yè)生產(chǎn)室外場地的吸塵處理。

利用高壓靜電吸附原理的無噪音、功耗低、吸附率穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)一種外裝新風(fēng)設(shè)備，類似分體空調(diào)安裝原理，將獨(dú)立的工作主機(jī)（高壓靜電吸附模塊）安裝在室外，吸收室外空氣并在主機(jī)內(nèi)進(jìn)行凈化，清潔后的空氣通過連通室內(nèi)的管道送入室內(nèi)，并在輸送過程中將內(nèi)含的微量臭氧吸附或分解，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)封閉空間內(nèi)獲得穩(wěn)定的外循環(huán)新風(fēng)且無噪音影響[5]，既不需要中央新風(fēng)系統(tǒng)的龐大建設(shè)投資，又能避免整體式樓宇空氣循環(huán)過程中的病毒交叉?zhèn)鞑ァ?/p>

2.2 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

外裝新風(fēng)設(shè)備主要包括高壓靜電發(fā)生模塊、集塵模塊、祛臭氧模塊和新風(fēng)輸入模塊4個(gè)模塊，對于采光效果好的安裝位置還可以集成太陽能模塊為主機(jī)供電，進(jìn)一步獲得節(jié)能減排效果。各模塊獨(dú)立工作，集成于一體化的主機(jī)之內(nèi)，壁掛安裝在室外墻壁上，僅需將新風(fēng)輸入模塊的出風(fēng)口引入室內(nèi)即可。外裝新風(fēng)設(shè)備的主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 外裝新風(fēng)設(shè)備主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

其中，機(jī)箱為封閉箱體，風(fēng)道將機(jī)箱隔離為上內(nèi)部和下外部，集塵板多組平行排列并連接高壓靜電發(fā)生器，設(shè)置在機(jī)箱上內(nèi)部并與風(fēng)道出氣口連通，集塵板的外表面上敷設(shè)電熱絲并安裝第一濕度傳感器，噴水嘴設(shè)置在集塵板上方且噴口正對集塵板的內(nèi)表面。吸風(fēng)扇設(shè)置在箱體下外部且與風(fēng)道的進(jìn)氣口連通，第二濕度傳感器和外部空氣傳感器設(shè)置在吸風(fēng)扇旁邊。顯示屏內(nèi)置控制器，可設(shè)置為手持式遙控器工作模式。出風(fēng)管和注水管通過墻孔引入室內(nèi)，祛臭氧模塊設(shè)置在機(jī)箱內(nèi)并連通吹風(fēng)扇。

2.3 工作過程

除塵過程：集塵板為導(dǎo)電平板結(jié)構(gòu)，多塊集塵板平行組合排列，連接高壓靜電發(fā)生器后形成陰極板和陽極板結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生高壓靜電場。吸氣扇將室外的空氣通過風(fēng)道吸入，流動(dòng)并通過豎直排列的集塵板（導(dǎo)電平板），空氣中的污染物微粒在靜電場內(nèi)被吸附到集塵板表面，凈化的空氣流動(dòng)到機(jī)箱的上內(nèi)部，空氣通過高壓靜電場時(shí)產(chǎn)生的微量臭氧通過祛臭氧模塊時(shí)或者被分解或者被吸附，剩余潔凈的空氣通過吹風(fēng)扇進(jìn)入出風(fēng)管流入室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)向室內(nèi)的持續(xù)吹入。第二濕度傳感器實(shí)現(xiàn)檢測室外空氣濕度的作用，如果室外空氣濕度過大，超過了高壓靜電發(fā)生模塊的額定工作范圍，將信號傳遞給控制器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制整機(jī)停止工作以起到保護(hù)作用。外部空氣傳感器實(shí)現(xiàn)檢測室外空氣質(zhì)量的作用，如果室外空氣質(zhì)量良好，自動(dòng)控制高壓靜電模塊不工作，直接將室外潔凈空氣送入室內(nèi)；如果室外空氣質(zhì)量嚴(yán)重污染（如沙塵暴）超過集塵板的額定工作范圍，主機(jī)停止工作。

集塵板的自動(dòng)清洗過程：從室內(nèi)通過注水管為水箱加滿水，新風(fēng)質(zhì)量傳感器實(shí)現(xiàn)檢測機(jī)箱上內(nèi)部空氣質(zhì)量的作用，如果內(nèi)部空氣質(zhì)量較長時(shí)間不達(dá)標(biāo)，自動(dòng)判定集塵板已經(jīng)吸塵過多嚴(yán)重臟污，吸附能力開始不足，此時(shí)集塵板斷電，然后控制水泵為噴水嘴供水，同時(shí)噴水嘴在伺服電機(jī)的帶動(dòng)下?lián)u擺沖水。由于靜電吸附的塵埃粒徑很小，水流很容易沖洗掉集塵板上吸附的塵埃，污水流到機(jī)箱的下底面上，并通過排水管流出，排水管可外接墻面的雨水管。擋水板的作用在于避免污水流到吸風(fēng)扇處流出。第一濕度傳感器實(shí)現(xiàn)對集塵板的濕度檢測，只有其內(nèi)、外表面濕度在額定工作范圍內(nèi)才能正常工作，如果集塵板的濕度超標(biāo)，控制電熱絲通電加熱，對集塵板進(jìn)行干燥。注水管的進(jìn)水口常態(tài)時(shí)置于室內(nèi)，只有水箱內(nèi)缺水時(shí)才從室內(nèi)通過注水管為水箱加水，并不需要每次清洗集塵板都必須為水箱注水。

3 主機(jī)吸塵凈化驗(yàn)證

主機(jī)吸塵凈化實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)驗(yàn)證見圖2，下端管子內(nèi)冒出的煙霧為舞臺造霧機(jī)對液態(tài)的煙油熱汽化后生成的油煙，該煙霧中的顆粒物大小和霧霾顆粒大小接近，經(jīng)測量煙霧被吸氣風(fēng)扇吸入時(shí)的空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）在2 000以上，遠(yuǎn)超目前最嚴(yán)重污染天氣的AQI數(shù)值，通過高壓靜電吸塵板后，出風(fēng)管處AQI數(shù)值范圍為20～80，說明空氣凈化效果良好。

圖2 主機(jī)吸塵凈化試驗(yàn)圖

4 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

外裝式新風(fēng)設(shè)備在工作過程中沒有大動(dòng)能的機(jī)械做功運(yùn)動(dòng)，只有換氣風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)，在沒有過濾網(wǎng)風(fēng)阻的情況下風(fēng)扇功率為5～20 W，高壓靜電裝置功率為10～30 W，傳感器及控制部分功率為3～10 W，集塵板清洗和加熱為不經(jīng)常工作模塊，它們工作時(shí)其他模塊是停止工作的，所以整機(jī)額定功率控制在20～50 W，相比濾網(wǎng)式空氣凈化器，該設(shè)備的功率降低了30%～50%。主機(jī)內(nèi)集成太陽能充電電池，目前常用鋰電池的規(guī)格為20～50 Ah，充滿電后，電池能夠維持單機(jī)運(yùn)行30～100 h。高壓靜電吸塵模塊安裝在室外，主機(jī)內(nèi)的吸氣風(fēng)扇噪音被隔絕在室外，新風(fēng)循環(huán)過程中空氣流動(dòng)為管道內(nèi)流動(dòng)，空氣流動(dòng)平緩無噪音。外裝式新風(fēng)凈化設(shè)備的工作過程既可手工操作進(jìn)行，也可設(shè)定檢測數(shù)值自動(dòng)進(jìn)行，可以在家庭、學(xué)校、醫(yī)院和辦公室等要求噪音小、能耗低的場所進(jìn)行廣泛推廣和應(yīng)用。