空气过滤器寿命实验研究及经济性分析

摘要 对过滤器试样的阻力与计重效率进行了实验测试，探究了过滤器容尘阻力、容尘效率的变化规律，并依据Eurovent 4/11提出的能效计算方法对过滤器的能耗进行了计算。研究发现，过滤器产生的电费随使用时长的增加及阻力的增大而增大。基于过滤器更换费用、运行电费和综合费用的分析，提出了确定过滤器更换时间的方法，计算结果表明，过滤器的实际使用寿命高于GB/T 14295-2008中规定的使用寿命。对于一般民用建筑的空气过滤器，应当综合考虑单位风量的更换成本和运行电耗成本来确定过滤器的更换时间。

关键词：空气过滤器　寿命　容尘阻力　计重效率　电耗　更换成本

引言

空气质量对人体健康的影响成为社会普遍关注的重要问题之一。现阶段我国以细颗粒物PM2.5为代表的室外空气污染非常严重，因此空气净化行业发展较快，新风净化设备、空气净化器等已得到较广泛的使用。2017年我国新风机销量达到86万台左右，净化器销量达700万台。随着人们对PM2.5认知的提高，净化设备使用率会进一步增大，将成为家庭生活中的必备设备。由于该类设备购置成本和使用成本会直接影响其普及程度，因此研究其经济性具有较大意义。

过滤器的主要参数有压力降和颗粒收集量及收集效率和运行时间。目前新风净化器行业的过滤器更换时间一般采用３种判断方式：一是根据压力传感装置测量过滤器前后阻力变化；二是根据颗粒物传感装置测量出口颗粒物浓度；三是根据运行时间，即计量机器运行时间。

过滤器更换传统理论是在满足效率的基础上，平衡考虑购置成本和使用成本，如图1所示，也就是阻力提高导致能耗的增加与购置成本增加的平衡。

图1 过滤器阻力和费用关系曲线

本文目的是通过分析在小风量运行工况下过滤器阻力增加产生的运行能耗费用和更换过滤器产生的购置费用之间的平衡关系，从而探索未来住宅等小风量建筑中过滤器更换的频率及对于该类设备和系统设计的影响。

1、过滤器效率和阻力测试

1.1 实验装置

过滤器测试平台主要由以下部分构成：风道系统、人工尘发尘装置、测量设备等，如图2所示。利用实验室风道系统中的变频风机调节过滤器的工作风量，用来测试不同风量下过滤器的性能。

图2 实验装置

1.2 实验样品

为了增强实验的重复性，选用3个同一厂家生产的空气过滤器，由于市场应用较多的是H11，H12，H13过滤器，本次实验选用H11级过滤器，其尺寸为560mm×560mm×60mm，化纤V型密褶式，如图3所示。

图3 过滤器样品

1.3 实验要求

按照GB/T 14295-2008《空气过滤器》相关规定进行实验，除了测试标准中要求的试验条件外，还要保证满足以下几个条件：

1）所有样品的测试过程中，送入风道系统的洁净空气的温湿度相近；

2）所有样品的测试所用的尘源保持相同；

3）每一样品测试前，要用毛刷清理风道系统中沉积的尘埃粒子；

4）记录过滤器测试阶段的工作时长，包括发尘时刻和停止发尘时刻。

依据GB/T 14295-2008《空气过滤器》对每个受试样品发尘量（每个发尘9次）、末级过滤器、颗粒物沉积量及过滤器阻力进行记录，并依据规范要求计算任意发尘过程结束时的计重效率。实验结束后，计算平均计重效率和容尘量。

2、实验结果及分析

2.1 初阻力随风量的变化

分别在80，140，220，300，380，460，540，600，711，948m3/h风量下进行初阻力测试实验，初阻力随风量的变化如图4所示。

分别在80，140，220，300，380，460，540，600，711，948m3/h风量下进行初阻力测试实验，初阻力随风量的变化如图4所示。

图4 不同风量下过滤器初阻力的变化

2.2 计重效率随积尘量的变化

本文主要研究PM2.5过滤效率，根据过滤器厂家出厂测试标准要求，过滤器额定风量为508m3/h。3个过滤器不同积尘量下的计重效率测试值如表1所示。

表1 计重效率随积尘量的变化

2.3 阻力与积尘量之间的关系

每个过滤器进行9次发尘，控制前7次单次发尘量在15.0g左右，后2次单次发尘量为30.0g左右。图5显示了额定风量下3个过滤器容尘阻力随积尘量的变化。

图5 额定风量（508m3/h）下过滤器容尘阻力随积尘量的变化

3、过滤器使用经济性分析

3.1 额定使用寿命

GB/T 14295-2008《空气过滤器》规定，过滤器额定风量下运行，终阻力达到初阻力的２倍时即认为达到过滤器使用寿命，应当更换过滤器。计算本次实验中过滤器额定工况下的使用寿命，估算得到3个过滤器使用时长分别为1674，1650，1518h，折算下来过滤器使用寿命分别为3.4，3.3，1个月。

3.2 电耗分析

前文重复性试验表明３个过滤器性能具有一致性，因此以过滤器１为例进行能耗分析。

以上海为例，目前实行峰谷、阶梯电价，计算相对复杂，为了简化计算，假设电价为0.6元／（kW·h），可以计算得到过滤器1产生的电费随使用天数的变化关系曲线，如图6所示。

图6 过滤器电费与使用天数的关系（风量508m3/h）

由于单位风量的更换成本发生了较大变化，那么更换过滤器成本和由于使用过滤器导致的运行电耗成本之和发生了较大变化，更换时间也会发生较大变化，如图7所示，图中综合费用＝运行电费＋单位风量更换费用。

图7 基于经济性考虑的过滤器更换示意图

4、结论

1）一般小风量民用建筑中过滤器的实际使用寿命远高于GB/T 14295-2008《空气过滤器》规定的使用寿命和目前厂家推荐的使用寿命。实际使用中可以基于过滤器电耗费用变化规律及过滤器更换成本综合考量过滤器的实际使用寿命。

2）提出了基于经济性考虑的过滤器更换评价方法，即应综合考虑单位风量的更换成本和运行电耗成本来确定过滤器的更换时间。