新型空氣凈化新風機的設計研究

李杰 呂宇 曹征

摘 要：近年來，我國大面地區不同程度受到霧霾天氣影響，空氣質量達到中度或重度污染等級，其主要污染物來自PM2.5。通過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PM2.5空氣凈化新風機，采用室內空氣外循環原理，離心風機+三級高效過濾技術凈化室內空氣。

關鍵詞：空氣凈化；新風機；離心風機；PM2.5

引言

近年來，我國大氣污染形勢十分嚴峻，華北，華東，西南等地多次遭遇嚴重霧霾天氣，空氣質量指數AQI達到中度或重度污染等級，其中主要污染物來源是PM2.5。PM2.5是指空氣中直徑小于或等于2.5微米的細顆粒物，它附著大量有毒、有害物質且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，可通過血液循環進入肺部，對人體健康危害極大。

室內環境污染狀況往往是人們比較忽視的。清華大學調研團隊今年發布了《全國首個室內PM2.5空氣污染調研報告》，該調研行動由清華大學電子工程系、清華大學建筑環境監測中心和南方周末綠色新聞部聯合發起。研究表明，由于人們不論是工作，居家，還是娛樂，有70%以上的時間是待在室內，人在室內PM2.5吸入量是室外的4倍；采樣期間有1/3時間，室內空氣處于“污染”等級。在同等外部條件下，樓層17層以上PM2.5室內等級最優，8層以下室內等級最差。

1 產品設計

1.1本產品工作原理

目前，市面上家用空氣凈化類產品很多，凈化原理各不相同，但是從室內空氣流動性來講，主要是采用室內空氣內循環的凈化方式，即在關閉門窗的條件下，將室內空氣通過離心風機壓入凈化器，再將凈化后的空氣釋放排除，通過長時間的反復過濾，達到凈化空氣去除PM2.5的作用。這樣在一定程度上雖然能夠解決室內空氣污染問題，但是人們長期處于這樣的密閉空間內，含氧空氣不能得到有效補充，二氧化碳等其他廢氣濃度逐漸升高，仍會對人體健康產生影響。其次，空氣凈化器的過濾范圍有限，主流產品在25-35m3，一般一臺設備只能放置在一間房間過濾，要凈化多個房間需要多臺設備。

新型空氣凈化新風機采用的是采用室內空氣外循環，新風機是室外富氧空氣的入口，在不開門窗的條件下，將室外富氧新風經高效濾凈后持續不斷輸入室內，保證了室內空氣的富氧、清新，從源頭上杜絕室外污濁空氣中的懸浮顆粒物，細顆粒物PM2.5等有害因子進入室內，實現室內空氣保持100%富氧、純凈，污染空氣通過門窗縫隙自然排出。

1.2 本設計產品結構與主要部件

本設計產品創新安裝方式，采用壁掛式安裝在外墻窗角上，在門窗關閉的條件下，作為室外空氣的進風口。安裝方便，可采用吸盤/磁吸安裝，不布室內管線，不穿墻打洞。（圖1）

本設計采用三級過濾方式。第一級為過濾紗網，能夠過濾空氣中懸浮的塵埃、微粒，屬于粗濾過程。第二級采用活性碳過濾網，活性炭的吸附作用強，能夠過濾空氣中的甲醛、二氧化硫等有毒有害氣體。第三級采用F7等級的HEPA高效濾網，是整個過濾系統的關鍵，在實際運用中，HEPA高效濾芯一直是醫療、化工、生化領域機械式過濾系統的核心，理論上能夠有效過濾PM2.5達99.7%。為使實際空氣凈化效率接近理論最大值，本設計創新將HEPA濾網設計成池型結構，離心風機放置在濾網中央，引入的新風能被扇葉強力壓入濾芯，達到最佳凈化效果。

風機是將室外空氣送入室內的關鍵，在風機的選擇上，應該選擇結構簡單，工藝性好；材料及附件選擇方便；有足夠的強度、剛度，工作安全可靠；運轉穩定，噪聲低；調節性能好，工作適應性強；尺寸盡可能小，重量輕的。

本設計采用的離心風機（表1）采用外轉子結構，12極馬達組，葉輪馬達殼固定磁場與交變磁場產生的排斥推力強大，使風機高速運用，電路部分采用AC轉高壓直流，鋁材底沖壓底座使工作熱快速傳散發走，降低馬達組內部升溫，大幅度提高離心風機工作壽命；葉輪采用國際標準后傾設計，風通過中心口進風，產生強大離心力。風量大、風壓強。離心風機采用多重保護電路功能，可靠性高、壽命長。

表1 離心風機主要技術指標

1.3 本設計與同類主流產品技術比較

本設計在空氣凈化類產品中具有原理上的創新，是空氣凈化領域的革命性產品（表2）。本設計產品采用空氣外循環原理，將室外富氧空氣經高效濾凈后輸入室內，從源頭上杜絕PM2.5等有害因子；送風量最大達240m3/h，風速三級遙控可調；噪音低至50dB；能效比高，最大功率只有30W。本產品送風量與其他室內空氣凈化類產品相比持平；與新風系統相比，安裝方便，可采用吸盤或磁吸安裝，不穿墻打洞。產品體積小，安裝在窗角美觀，大方；價格經濟實惠，與新風系統相比不足新風系統價格的十分之一。濾網展開面積大，達到4.2m2，濾網一次使用時間可達4-6個月，拆換濾芯簡單方便。

表2 主流家用空氣凈化產品技術比較

注：各類型空氣凈化產品型號，參數均來自產品說明書，價格來自京東商城2015年5月。

2 本設計效果測試

根據設計制造出樣機，在普通住宅5樓80m2三室一廳進行測試，測試樣機安裝在客廳飄窗右上角，PM2.5測試儀放置在客廳正中央。在室外PM2.5不同污染等級下進行去除PM2.5效果測試。測試時長均為1個小時，客廳面積25m2。測試期間各項參數如下表（表3）所示。測試前后，室內PM2.5濃度變化十分明顯，出風口PM2.5去除率達98.7%以上，室內PM2.5濃度在12-18μg/m3之間，PM2.5去除效率達90.9%以上，按照2012年，國家環境保護部發布的新修訂的《環境空氣質量標準》，PM2.5日均濃度在35μg/m3以下為一級；在35μg/m3至75μg/m3之間為二級；在75μg/m3以上為超標。開機一小時后室內空氣質量等級能達到國家一級水平。另據國家環保部發布的2014年全年空氣PM2.5濃度年均值排行榜，全國共有190座城市參評，全國PM2.5最小的城市是三亞，為18.7μg/m3。

3 結論與建議

本設計產品新型室內PM2.5空氣凈化新風機，采用室內空氣外循環原理，離心風機+三級高效過濾技術去除PM2.5，使室內凈空氣保持富氧純凈。該技術具有創新性，實用性，已經取得國家實用新型專利。通過樣機現場測試，證明該設計在凈化室內空氣，去除PM2.5細顆粒物上是有效的。

參考文獻

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作者簡介：李杰（1983-），男，漢族，碩士，講師，研究方向：電氣自動化技術。