基于靜電集塵器串聯(lián)方式的凈化新風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

趙芝康

（上海士諾凈化科技有限公司，上海 201505）

由于現(xiàn)代室內(nèi)裝修等因素引起的城市建筑物綜合癥、室內(nèi)空調(diào)病、CO2濃度超標(biāo)，有機(jī)污染等會(huì)直接影響到人們的健康和生命安全；同時(shí)因中央空調(diào)系統(tǒng)不能經(jīng)常性的清洗和消毒，其系統(tǒng)內(nèi)部成為細(xì)菌滋生地而帶來的環(huán)境污染，這些已引起人們對空氣質(zhì)量的重視，室內(nèi)空氣凈化通風(fēng)設(shè)備（新風(fēng)機(jī)）逐漸成為了居家生活之必需品。新風(fēng)機(jī)最主要的功能是空氣交換，即將室外新鮮空氣經(jīng)過凈化、消毒，熱交換處理后送進(jìn)室內(nèi)，同時(shí)又將室內(nèi)受污染的污染氣體進(jìn)行熱交換處理后排出室外，而室內(nèi)的溫濕度基本不受影響的一種高效節(jié)能，環(huán)保型的高科技產(chǎn)品。

目前新風(fēng)機(jī)安裝方式主要采用吊頂式，將新風(fēng)機(jī)吊裝在屋頂上，不占用室內(nèi)使用空間，便于消費(fèi)者優(yōu)先接受。但同時(shí)受制于室內(nèi)吊頂高度空間的限制，在滿足新風(fēng)量的前提下，要求新風(fēng)機(jī)機(jī)器的尺寸越小越好，尤其厚度不要超過300mm，機(jī)器越薄越便于安裝。

結(jié)合新風(fēng)機(jī)的性能要求，以及現(xiàn)有安裝中機(jī)器尺寸要求，本文旨在提供一種高效節(jié)能，能量回收與凈化效果好，消毒功效明顯的的新風(fēng)機(jī)。該新風(fēng)機(jī)在滿足于性能要求基礎(chǔ)上，機(jī)器尺寸做到越薄越好，對內(nèi)部核心零部件（風(fēng)機(jī)、靜電集塵器、全熱交換芯和過濾網(wǎng)）也采用小尺寸的結(jié)構(gòu)方式來設(shè)計(jì)。

1 整體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)理念

本文設(shè)計(jì)的一種基于靜電集塵器串聯(lián)方式的凈化新風(fēng)機(jī)，機(jī)器的整體尺寸根據(jù)需要的新風(fēng)量而定，其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)要求如下所述【新風(fēng)量：500m3/h（機(jī)外靜壓100Pa），機(jī)器厚度：270mm，噪音：42 dB(A)，制冷焓效率：55%，制熱焓效率：60%，整機(jī)新風(fēng)PM2.5 凈化效率：95%，靜電集塵器新風(fēng)PM2.5 凈化效率：50%，白色葡萄球菌除菌率：99.9%，空氣自然菌除菌率：90%】。

機(jī)器主要安裝在吊頂內(nèi)，由于后續(xù)風(fēng)機(jī)與耗材（靜電集塵器、全熱交換芯和過濾網(wǎng)）的維護(hù)與更換，要求在不拆除機(jī)器的情況下，機(jī)器的內(nèi)部主要部件必須做到方便拆卸與取出，所以整體結(jié)構(gòu)采取側(cè)面檢修門打開的結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，只需吊頂留有檢修口，從側(cè)面抽出風(fēng)機(jī)與耗材。從維護(hù)方式上考慮耗材長度不能太長，各零件分別采取2 個(gè)串聯(lián)方式結(jié)構(gòu)布局；從凈化效率方式上考慮耗材的過濾面積和迎風(fēng)面積需要大，迎面風(fēng)速需要小，各零件同樣分別需采取2 個(gè)串聯(lián)方式結(jié)構(gòu)布局；如圖1 所示為基于靜電集塵器串聯(lián)方式的凈化新風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)爆炸示意圖。

圖1 基于靜電集塵器串聯(lián)方式的凈化新風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)爆炸示意圖

所述新風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)包括框體結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)及其風(fēng)道結(jié)構(gòu)、檢修門結(jié)構(gòu)、能量回收模塊結(jié)構(gòu)、消毒與凈化模塊結(jié)構(gòu)、物理凈化模塊結(jié)構(gòu)，以及吊耳和法蘭安裝結(jié)構(gòu)。所述風(fēng)機(jī)及其風(fēng)道結(jié)構(gòu)、能量回收模塊結(jié)構(gòu)、消毒與凈化模塊結(jié)構(gòu)和物理凈化模塊結(jié)構(gòu)采用緊固螺釘固定于框體內(nèi)部；所述吊耳和法蘭安裝結(jié)構(gòu)采用緊固螺釘固定于框體外部兩側(cè)；所述檢修門結(jié)構(gòu)利用鉸鏈安裝于框體前側(cè)面；所述控制板、高壓電源板和保護(hù)開關(guān)采用緊固螺釘安裝于送風(fēng)風(fēng)機(jī)檢修門上。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 框體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖2 所示，框體結(jié)構(gòu)由上蓋、底座、左側(cè)板、右側(cè)板、后側(cè)板、排風(fēng)風(fēng)機(jī)檢修門、送風(fēng)風(fēng)機(jī)檢修門、全熱交換芯與過濾網(wǎng)檢修門、電器盒蓋構(gòu)成。其中上蓋、底座、左側(cè)板、右側(cè)板、后側(cè)板、排風(fēng)風(fēng)機(jī)檢修門和送風(fēng)風(fēng)機(jī)檢修門采用緊固螺釘分別兩兩相接，電器盒蓋采用緊固螺釘裝在送風(fēng)風(fēng)機(jī)檢修門上，全熱交換芯與過濾網(wǎng)檢修門通過鉸鏈安裝于排風(fēng)風(fēng)機(jī)檢修門上，并用手?jǐn)Q螺絲固定在框體上。框體內(nèi)部加貼橡塑保溫棉，用于機(jī)器保溫降噪，防止凝露。

圖2 新風(fēng)機(jī)的框體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 風(fēng)機(jī)及風(fēng)道模塊設(shè)計(jì)。如圖3 所示，風(fēng)機(jī)及風(fēng)道模塊結(jié)構(gòu)由送風(fēng)風(fēng)機(jī)、送風(fēng)風(fēng)機(jī)固定板、排風(fēng)風(fēng)機(jī)、排風(fēng)風(fēng)機(jī)固定板、新風(fēng)風(fēng)道箱、回風(fēng)風(fēng)道箱、風(fēng)機(jī)卡槽1、風(fēng)機(jī)卡槽2構(gòu)成。其中新風(fēng)風(fēng)機(jī)固定板和排風(fēng)風(fēng)機(jī)固定板采用緊固螺釘固定于框體底座上，風(fēng)機(jī)卡槽1 和風(fēng)機(jī)卡槽2 采用緊固螺釘分別固定于框體左右側(cè)板上，送風(fēng)風(fēng)機(jī)和排風(fēng)風(fēng)機(jī)分別插在風(fēng)機(jī)卡槽1 和風(fēng)機(jī)卡槽2 中，打開風(fēng)機(jī)檢修門之后，只需要抽拉動(dòng)作即可完成安裝與更換，新風(fēng)風(fēng)道箱和回風(fēng)風(fēng)道箱采用緊固螺釘固定于框體左右側(cè)板及后側(cè)板上。

圖3 新風(fēng)機(jī)的風(fēng)機(jī)及風(fēng)道流向示意圖

風(fēng)道模塊包括相互獨(dú)立的新風(fēng)通道和排風(fēng)通道，所述新風(fēng)通道作用是室外新風(fēng)在送風(fēng)風(fēng)機(jī)的作用下自室外新風(fēng)進(jìn)口經(jīng)所述全熱交換芯和過濾網(wǎng)到達(dá)室內(nèi)送風(fēng)口送入，所述排風(fēng)通道作用是將室內(nèi)回風(fēng)在排風(fēng)風(fēng)機(jī)的作用下自室內(nèi)回風(fēng)口經(jīng)所述全熱交換芯到達(dá)室外排風(fēng)口排出。

2.3 能量回收模塊設(shè)計(jì)。如圖4 所示，能量回收模塊結(jié)構(gòu)由全熱交換芯下支座、全熱交換芯上蓋板、全熱交換芯左滑軌、全熱交換芯右滑軌、2 個(gè)全熱交換芯、2 個(gè)新風(fēng)通道粗效過濾網(wǎng)、2 個(gè)排風(fēng)通道粗效過濾網(wǎng)構(gòu)成，其中全熱交換芯下支座采用采用緊固螺釘固定于框體底座上，全熱交換芯上蓋板采用緊固螺釘固定于框體上蓋上，全熱交換芯左滑軌采用緊固螺釘固定于排風(fēng)風(fēng)機(jī)固定板上，全熱交換芯右滑軌采用緊固螺釘固定于過濾網(wǎng)下底座上，并和過濾網(wǎng)下底座連成一體結(jié)構(gòu)。2 個(gè)新風(fēng)通道粗效過濾網(wǎng)串聯(lián)，插在全熱交換芯右滑軌插槽中，2 個(gè)排風(fēng)通道粗效過濾網(wǎng)串聯(lián)，插在全熱交換芯左滑軌插槽中，2 個(gè)全熱交換芯串聯(lián)插設(shè)于模塊風(fēng)道（由全熱交換芯上蓋板和下支座，全熱交換芯左右滑軌共同形成的腔體）內(nèi)，打開檢修門之后，只需要抽拉即可完成安裝與更換。

圖4 新風(fēng)機(jī)的能量回收模塊示意圖

能量回收模塊是由全熱交換芯來實(shí)現(xiàn)，其芯體結(jié)構(gòu)采用abs 框架，六邊形逆流式結(jié)構(gòu)，具有兩個(gè)相互交叉的能量交換通道，通過芯體中的交換膜（石墨烯材質(zhì)）對新風(fēng)通道的新風(fēng)與排風(fēng)通道的排風(fēng)進(jìn)行溫度與濕度的交換，做到能量回收，確保室內(nèi)溫濕度維持不會(huì)，降低能量損耗。

2.4 消毒與凈化模塊設(shè)計(jì)。如圖5 所示，消毒與凈化模塊結(jié)構(gòu)由過濾網(wǎng)上蓋板、過濾網(wǎng)下底座、靜電集塵器1、靜電集塵器2、靜電集塵器檢修滑板、靜電集塵器把手、靜電集塵器彈性接觸板、彈性接觸板固定板構(gòu)成。其中過濾網(wǎng)上蓋板采用緊固螺釘固定于框體上蓋上，過濾網(wǎng)下底座采用緊固螺釘分別固定于框體后側(cè)板、右側(cè)板和送風(fēng)風(fēng)機(jī)固定板上，靜電集塵器彈性接觸板采用緊固螺釘固定于其固定板上，彈性接觸板固定板采用緊固螺釘固定于框體后側(cè)板上，靜電集塵器把手鉚接于靜電集塵器1 上，靜電集塵器1 與靜電集塵器2 串聯(lián)后安裝在靜電集塵器檢修滑板中，打開檢修門之后，通過抽動(dòng)檢修滑板即可完成安裝與更換。

圖5 新風(fēng)機(jī)的消毒與物理凈化模塊示意圖

消毒與凈化模塊是由靜電集塵器來實(shí)現(xiàn)，起到消毒和凈化的雙重作用。通過靜電集塵技術(shù)祛除固體顆粒物、主動(dòng)殺滅病菌；而高壓靜電產(chǎn)生的臭氧在起到殺菌作用后，通過催化耦合過濾網(wǎng)在催化劑表面快速分解，并產(chǎn)生羥基自由基，進(jìn)一步滅菌；與此同時(shí)促進(jìn)甲醛、甲苯等VOC在常溫下高效催化分解，從而實(shí)現(xiàn)全程臭氧零增加。

2.5 物理凈化模塊設(shè)計(jì)。如圖5 所示，物理凈化模塊結(jié)構(gòu)由過濾網(wǎng)上蓋板、過濾網(wǎng)下底座、催化耦合過濾網(wǎng)、高效過濾網(wǎng)構(gòu)成，其中催化耦合過濾網(wǎng)和高效過濾網(wǎng)各采用2個(gè)。其中2 個(gè)催化耦合過濾網(wǎng)及2 個(gè)高效過濾網(wǎng)各自獨(dú)立進(jìn)行串聯(lián)，分別插設(shè)于模塊插槽（由過濾網(wǎng)上蓋板和過濾網(wǎng)下底座形成的腔體）內(nèi)，打開檢修門之后，只需要抽拉過濾網(wǎng)即可完成安裝與更換。

物理凈化功能是由催化耦合過濾網(wǎng)和高效過濾網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)，催化耦合過濾網(wǎng)用于過濾靜電集塵器工作時(shí)高壓電場產(chǎn)生的臭氧，高效過濾網(wǎng)用于過濾空氣中的細(xì)顆粒物。所述新風(fēng)粗效過濾網(wǎng)（如圖4）、靜電過濾器、耦合催化過濾網(wǎng)和高效過濾網(wǎng)共同組成了新風(fēng)通道3 個(gè)級(jí)別（粗效、中效和高效）的物理凈化系統(tǒng)，具有4 個(gè)過濾功段（粗效過濾- 中效過濾- 消菌過濾- 高效過濾），將室外引進(jìn)的新風(fēng)，過濾凈化后送到室內(nèi)，確保獲得高質(zhì)量的新鮮空氣。

3 控制系統(tǒng)

3.1 硬件配置。本文設(shè)計(jì)的新風(fēng)機(jī)整機(jī)電路總體布局設(shè)計(jì)如圖6 所示，組成控制電路的元器件主要有風(fēng)機(jī)、控制板、高壓電源板、靜電集塵器、保護(hù)開關(guān)、線控器、空氣質(zhì)量檢測模組、通過內(nèi)部連接導(dǎo)線連接。

圖6 基于靜電集塵器串聯(lián)方式的凈化新風(fēng)機(jī)電路布局示意圖

根據(jù)所述新風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能要求，硬件的配置主要取決于風(fēng)機(jī)、靜電集塵器和高壓電源板的選型。給新風(fēng)通道和排風(fēng)通道提供動(dòng)力的是風(fēng)機(jī)，該驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)分別采用相同的直流離心風(fēng)機(jī)（電壓：DC310V, 最大風(fēng)量：800m3/h，最大靜壓：400Pa，轉(zhuǎn)速：1500r/min，功率：100W）；給機(jī)器提供消毒和中級(jí)過濾功能的是靜電集塵器（尺寸：400x120x115mm，功率：4W,消毒高壓電場：8.6KV/4.3KV），為靜電集塵器提供電源的是高壓電源板（輸入電壓：85V-265VAC，輸出電壓：8.6KV/4.3KV，功率：8W）。

3.2 控制設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的新風(fēng)機(jī)是通過外接線控器來進(jìn)行人機(jī)操控，線控器常常安裝于室內(nèi)可操控位置，線控器內(nèi)部空間配置了空氣質(zhì)量檢測模組。所述空氣質(zhì)量檢測模組包括PM2.5 傳感器，CO2傳感器，TVOC 傳感器以及溫濕度傳感器；所述空氣質(zhì)量檢測模組將傳感器檢測到的顆粒物濃度或CO2濃度信號(hào)反饋給控制板，經(jīng)控制板單片機(jī)處理后，采用PWM方式進(jìn)行風(fēng)速自動(dòng)控制。所述新風(fēng)機(jī)也可以響應(yīng)用戶的指令直接進(jìn)行風(fēng)速手動(dòng)控制。

4 樣機(jī)制作及性能測試

為了檢查論證所述新風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，可靠性和結(jié)構(gòu)合理性，同時(shí)也檢驗(yàn)整機(jī)裝配過程中有無干涉，是否便于安裝和維修等潛在的問題，按照圖紙?jiān)囍屏藢?shí)物樣機(jī)，外協(xié)制作了控制系統(tǒng)，通過裝配后的新風(fēng)機(jī)如圖7 所示。

圖7 新風(fēng)機(jī)的實(shí)物樣機(jī)照片

結(jié)構(gòu)裝配驗(yàn)證完畢，我們也為這次的樣機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)的性能測試，主要是依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 34012-2017》和《GB/T 34012-2017》要求，以及《消毒技術(shù)規(guī)范》要求，對機(jī)器進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如下所述【新風(fēng)量：502m3/h（機(jī)外靜壓100Pa），機(jī)器厚度：265mm，噪音：40.3 dB(A)，制冷焓效率：59%，制熱焓效率：70%，整機(jī)新風(fēng)PM2.5 凈化效率：99%，靜電集塵器新風(fēng)PM2.5 凈化效率：75%，白色葡萄球菌除菌率：99.98%，空氣自然菌除菌率：93%】，通過與本文第1章節(jié)提出的設(shè)計(jì)理念性能技術(shù)參數(shù)對比，所設(shè)計(jì)的實(shí)物樣機(jī)完全符合功能和性能要求，同時(shí)符合吊頂空間狹小的安裝要求，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，后續(xù)結(jié)合生產(chǎn)制造，量產(chǎn)化。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于靜電集塵器串聯(lián)方式的凈化新風(fēng)機(jī)，各模塊搭配合理，配合良好，在控制系統(tǒng)的配合下能夠根據(jù)當(dāng)前的空氣質(zhì)量狀況自動(dòng)或手動(dòng)運(yùn)行機(jī)器，達(dá)到凈化滅菌，能量回收，通風(fēng)換氣功能，所述機(jī)器可用于公寓和公共場合安裝，具有廣闊的應(yīng)用前景。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，所述新風(fēng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：（1）機(jī)器結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，厚度薄，更加適合現(xiàn)代居室吊頂空間安裝。（2）各部分結(jié)構(gòu)分明，方便裝卸和更換，檢修維護(hù)方便，造價(jià)低。（3）針對靜電集塵器，過濾網(wǎng)以及全熱交換芯，提供了一種串聯(lián)方式的全新結(jié)構(gòu)布局。