密闭空间自洁式空气过滤及消毒系统研发及示范应用 王茂宙

发表时间:2020/11/4   来源:《建筑模拟》2020年第11期   作者:王茂宙 唐朕
[导读] 基于自动清洁技术的研发,将具有自洁式紫外线预消毒、自洁式粗效空气过滤、自洁式中效空气过滤及消毒、臭氧捕捉吸收等功能的一体化自洁式空气过滤及消毒装置应用到项目现场,其性能指标达到国家空气过滤器的标准,处理效果满足室内空气质量标准的要求,促进通风空调行业空气过滤设备技术的发展。
        北京洁禹通环保科技有限公司  北京市  100089
        摘要:基于自动清洁技术的研发,将具有自洁式紫外线预消毒、自洁式粗效空气过滤、自洁式中效空气过滤及消毒、臭氧捕捉吸收等功能的一体化自洁式空气过滤及消毒装置应用到项目现场,其性能指标达到国家空气过滤器的标准,处理效果满足室内空气质量标准的要求,促进通风空调行业空气过滤设备技术的发展。
        关键词:空气过滤;消毒;自动清洗;过滤性能
        Research and development and demonstration application of self-cleaning air filtration and disinfection system in confined spaces
        Summary Based on the research and development of automatic cleaning technology,an integrated self-cleaning air filtration and disinfection device with self-cleaning ultraviolet pre-disinfection,self-cleaning coarse-effect air filtration,self-cleaning medium-efficiency air filtration and disinfection,and ozone capture and absorption functions Applied to the project site,its performance indicators meet the national air filter standards,and the treatment effect meets the requirements of indoor air quality standards,which promotes the development of air filtration equipment technology in the ventilation and air conditioning industry.
        Key words Air filtration;disinfect;Automatic cleaning;Filter performance
       
        1 前言
        公共建筑通风空调系统随使用需求及所处地域环境等不同特点有多种类型,常见的有全空气系统、新风+风机盘管(水+空气)系统、新风+房间冷暖空调多联机(工质+空气)等等。无论以上何种系统类型,其新风量、新风空气处理和分配系统等,都应依据室内空气卫生标准和保证空调通风系统持续正常运行来设计[1]。包括进风口在内的新风通路是此类供冷供热系统室内外空气交换与更新的主渠道,从改善室内空气品质、保护人体健康的角度,新风通路应设置适宜的空气过滤器,去除空气中的悬浮颗粒物等,使室内空气中悬浮颗粒物浓度控制在合理范围内。[2]目前大型公共场所的通风空调大多采用中央空调设备型式,原有通风空调系统追求高效通风,对空气净化功能重视远远不够。外界空气环境及运行工况较复杂,常规的过滤技术对机组(表冷器等)本身的保护尚存在很多问题,更无法保证末端的室内空间对空气质量的要求。因此针对大型公共场所密闭空间的新风、回风的空气过滤及消毒显得尤为重要。
        2 空气过滤系统的现存问题
        在中央空调通风系统中,现有的空气过滤采用过滤网(布)或板式静电除尘的常规技术。由于过滤网经常污堵,维护工作量大,难度高,实际运行中滤网由于污堵严重无法正常运行,往往直接拆除,因此而失去原来的过滤功能,有些系统虽然也配置了静电除尘,但在实际运行中,由于没有有效的粗效过滤,大颗粒灰尘在高压静电的电离下频繁放电,积尘后清理困难,且产生的臭氧量超标对金属通风管道腐蚀严重,影响系统寿命,因此该设备也大多停用。在过滤措施失效后,会产生如下问题:因换热装置气道堵塞和风机结垢,风量减少;表冷器、加热器换热效率降低;全热交换装置失效;温湿测量元件失灵;通风管道内壁积灰;空调系统内的积灰温湿度适中,大量微生物繁衍。[3]而且,目前所有通风空调系统的净化技术都以空气过滤为主要功能,空气消毒模块空白。
        3空气处理技术的基础原理
        3.1紫外消毒原理
        紫外线是一粒粒不连接的粒子流,每一粒波长253.7nm的紫外线光子具有4.9eV的能量。当紫外线照射到微生物时,便发生能量的传递和积累,积累结果造成微生物的灭活,从而达到消毒的目的。当细菌、病毒吸收超过3600~65000 uW/cm2剂量时,对细菌、病毒的去氧核醣核酸(DNA)及核醣核酸(RNA)具有强大破坏力,能使细菌、病毒丧失生存力及繁殖力进而消灭细菌、病毒,达到消毒灭菌成效。紫外线一方面可使核酸突变、阻碍其复制、转录封锁及蛋白质的合成;另一方面,产生自由基可引起光电离,从而导致细菌的死亡。
        3.2空气过滤器过滤机理
        空气过滤器的过滤机理主要有以下5种效应[4,5,6]:
        -拦截效应
        空气过滤器滤料中的纤维排列错综复杂,当空气中的尘埃粒子在运动中接触到滤料纤维表面时,在滤料和尘埃之间的范德华力作用下被滤料粘住。
        -惯性效应
        空气过滤器中滤料纤维排列复杂,空气通过滤料时气流流线遇障转折,空气中的尘埃微粒在惯性力的作用下脱离流线撞击到滤料纤维表面而沉积下 来。粒子越大,惯性力越大,被滤料纤维阻碍的可能性越大,过滤效率越好。
        -扩散效应
        小颗粒粉尘做无规则布朗运动,颗粒越小布朗运动越明显,常温下0.1微米的微粒每秒钟扩散距离达到17微米,这个距离比纤维间距大几倍到十几倍。这就使微粒有更大的机会沉积下来。
        小于0.1微米的颗粒,主要作布朗运动,越小越容易被除去;大于0.5微米的颗粒主要作惯性运动,越大越容易被除去;0.1-0.5微米之间的颗粒,扩散和惯性效果都不明显,较难除去。
        -重力效应
        微粒通过纤维层时,在重力作用下微粒脱离流线而沉积下来。一般来说对 0.5微米以下的微粒重力作用可以忽略不计。
        -静电效应
        静电主要有两方面影响:一是静电作用使粉尘改变流线轨迹而沉积下来;二是静电作用使粉尘更牢固地粘在滤料纤维表面上,静电作用在不增加过滤器阻力的情况下能有效地改善过滤器的过滤效率。
        3.3各种空气净化技术间的协同作用
        各种净化技术针对不同的污染物会起到净化的作用,但室内污染物繁多,单一的净化技术还不足以消除室内所有的污染物。利用净化技术间的协同效应能避免技术单纯组合弱点可能产生的不利影响[7]。当多种污染物存在时,单一的净化技术作用效果不明显,过滤技术与其他净化技术的组合通过协同效应能提高其净化性能[8]。
        3.4滤料的重复利用
        通过对常规滤料样品在反复清洗中的荷尘过程进行研究,根据对实验结果的分析,可以得出如下结论:使用适当的压力水流冲洗,对滤料结构没有太大的改变,水清洗对滤料的阻力没有明显影响;对非水溶性常规空气净化滤料而言,可以考虑采用水清洗方式进行滤料的离线清洗与复用,清洗时可以使用合适压力的水流进行冲洗[9]。
        4密闭空间自洁式空气过滤及消毒系统的研发基础
        4.1新型空气紫外线消毒装置
        该技术可实现自动化清洁紫外线灯管功能,当灯管外表面由于灰尘落积造成紫外线辐射强度降低时,可以驱动清洁装置进行表面除尘,恢复灯管的透光性,可持续杀菌灭病毒作业。使得紫外线消毒装置保持不间断的杀灭细菌能力,从而保证新风、回风的灭菌效果。
        4.2循环自洁式初效空气过滤装置
        该技术研发了一种新型粗效过滤自动往复式清洁技术,在系统不停机的情况下当G3级滤料因过滤产生污堵造成过滤设备两侧风压产生压差时,自动启动机械手对迎风面的滤料进行扫描式自动清洁,并收集清洁下来的灰尘。滤料在清洁后重新恢复过滤能力,过滤效率衰减率不大于2%,滤料可以往复多次清洁,重复利用,无需人工操作,实现全自动运行。该系统可以自动监测过滤前后的PM浓度值、压差值∆P、风速V、温湿度、CO2浓度等空气质量指标。过滤净化效率实现可视化,同时设备的过滤、自洁工序都在自动系统的控制下进行。
        4.3自清洗免维护型电子空气过滤装置
        该技术研发了一种新型中效空气过滤自动清洗技术,采用高压静电来电离空气,使得空气中的粒子带电,然后在集尘板上将带电的灰尘离子收集。该技术可以有效地净化空气中的PM2.5,且放电时可以有效杀灭空气中的病毒、细菌微生物等。当集尘板积尘较多时,系统检测到电信号达到设定值时,高压包自动断电,并启动自动清洗设备,对集尘板进行清洗,恢复其过滤及消毒能力。
        5.密闭空间自洁式空气过滤及消毒系统的示范应用
        基于自动清洁技术的研发,将具有自洁式紫外线预消毒、自洁式粗效空气过滤、自洁式中效空气过滤及消毒、臭氧捕捉吸收等功能的一体化自洁式空气过滤及消毒装置应用到新机场线新城站,并验证该设备的空气过滤能力。
        总体工艺路线如下:
         
                
        图2 一体化自洁式空气过滤及消毒装置示意图
        总体工艺路线的思路是分级过滤,分段消毒,将新风的灰尘颗粒、细菌、病毒等在不同的工艺段得到净化和去除,各工艺段起到的作用负荷递减,达到协调处理目的。分别说明如下:
        5.1自洁式紫外线预消毒单元
        安装在新机场线新城站南端的新风进风口处,当新风进入风管时对空气中的细菌、病毒等通过紫外线装置对新风进行预消毒,杀灭新风中部分细菌和病毒,对于后续粗效过滤单元被滤料阻挡的细菌和病毒具有持续的消毒和杀灭作用。为了保证紫外线灯具的持续光照强度,需定期对紫外线灯具进行除尘清洁,可以根据时间进行设置自动清洁程序。将2-4支UV紫外线灯管密封安装在透明的圆形无机玻璃管中,玻璃管外侧沿周长方向上装有固定海绵毛刷,当需要清洁时,驱动器驱动毛刷从一端向另一端移动,然后反向回位,这样达到除尘的目的。需要维护的只需要1-2个月定期更换或清洗海绵毛刷即可。
        5.2自洁式粗效过滤单元
        经过紫外线预消毒的新风进入后续的粗效过滤单元,该过滤单元采用G4级滤料,大部分PM10、部分PM2.5被粗效过滤单元拦截。在该单元的滤料前后都安装有在线PM监测仪和压差监测仪,用来监测过滤效率和风阻。随着过滤时间不断延长,滤料上灰尘颗粒不断累计,虽然过滤效率在提高,但风阻也在不断增加,风速降低。当风阻(压差∆P)达到系统设定阈值时,启动自动清洁程序。系统马达驱动机械手对滤料在X-Y方向上进行自动扫描除尘,除尘结束后滤料恢复其过滤能力(满足合适的运行压差和过滤通量)。在除尘过程中,机械手将除尘下来的灰尘进行集中收集,定期人工外运处置。
        5.3自洁式中效过滤消毒单元
        新风经紫外线预消毒及粗效过滤后,进入中效过滤消毒单元。中效过滤消毒采用高压静电电离吸附的原理。
        
        图3 高压静电电离吸附原理图
        该单元采用高压静电场(电压6000-12000V可调压)使得空气分子产生电离,空气中的颗粒物在经过电离场时带上电荷,带电颗粒在通过带静电的集尘模块时被正负极板吸附,从而进一步去除空气中的PM2.5等颗粒物。当细菌、病毒经过电离场时,由于产生放电而被击穿或烧毁,在集尘段被吸附,同时由于放电产生一定量的臭氧(本身具有强氧化作用)会进一步将细菌和病毒进行氧化,因此可以达到消毒除菌的目的。当工作一段时间后,在线PM表监测到中效过滤消毒单元的过滤效率下降到设定值时,即启动自动清洁模式。
        自动清洁采用清水+清洗药剂进行自动冲洗集尘板,清洗系统由清洗加压泵、加药泵、喷嘴等组成,执行程序:断电—清水湿润—喷洗涤剂—清水漂洗—吹干—上电工序,全自动运行。
        5.4臭氧捕捉单元
        前工艺段在电离空气的过程中会产生少量的臭氧,为了减少对系统的影响,在后端增加臭氧捕捉单元。该单元采用带催化剂的活性炭滤网对臭氧进行捕捉,当O3经过活性炭网时,在催化剂的作用,迅速与活性炭C产生化学反应,生成CO2,从而将多余的O3滤除。活性炭网同时对空气中的有机挥发物VOCS、细菌病毒等都具有一定的吸附作用。当吸附饱和失效后,进行定期更换。
        6.空气过滤能力的验证情况
        在新机场线新城站南端新风进风口处安装一台一体化自洁式空气过滤及消毒装置,对其七月份连续运行的数据进行记录。得到以下表格:
        表1 一体化自洁式空气过滤及消毒装置七月份运行记录
 
将七月份一体化自洁式空气过滤及消毒装置对PM10以及PM2.5的去除率绘制成折线图,如下所示:
         
                
        图5 一体化自洁式空气过滤及消毒装置PM2.5去除率折线图
        从表格以及折线图可以看出:除7月14日,在风速为2.03m/s的情况下,PM10的去除率为75.76%,PM2.5的去除率为68.18%;其余30天在风速小于1.5m/s的情况下,PM10的去除率均大于80%,PM2.5的去除率均大于75%。
        7.结论
        一体化空气过滤及消毒装置综合净化消毒指标可以达到:在风速V<1.5m/s工况下,PM10一次去除率>=80%,PM2.5一次去除率>=75%。该研发装置在过滤和消毒过程中全自动运行,自动清洁滤网和静电除尘电极,实现过滤和杀菌消毒双重功能,近零维护,减少大量维护工作量和成本。其性能指标可以达到国家空气过滤器的标准,处理效果满足室内空气质量标准的要求,从而保障人民群众的身体健康,具有良好的经济效益和社会效益。
        参考文献:
        [1]唐正,刘鑫,译;亢燕铭,蔡杰,校.按ISO16890分级的一般通风空气过滤器的选用[G]北京.中国制冷空调工业协会,2018.7.14.
        [2]涂有,涂光备,王晨.公共建筑空调通风系统应对雾霾天气的过滤措施探讨[J]暖通空调HV&AC,2020年第59卷第1期.
        [3]蔡杰.空气过滤常识[J]洁净与空调技术,1998.5.15.
        [4]付海明,沈恒根.空气过滤理论研究与进展[J]过滤与分离,2003,13(3):20-24.
        [5]王庚,张卫东,高坚.膜的微观结构对空气过滤的影响[J]环境保护,2003(11):46-48.
        [6]许钟麟.空气洁净技术原理(第3版)[J]北京,科学出版社,2003,82-88.
        [7]石芳芳,邱利民,于川,等.室内空气净化技术及产品综述[J]制冷学报,2014(5).
        [8]李耀东,勾昱君,刘江涛.空气净化技术探究[J]电器,2019.9.17.
        [9]刘晓培,卞思思,常德强,毛宁,柳静献,孙熙.水清洗对空气净化材料过滤性能的影响[J]过滤与分离,2012.12.15.
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