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 ^[1,2]。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 ^[3]。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。

　　 目前新风机购置价格在0.8万～1.2万元之间的销量占比最高,约为33%,购置成本在1.2万～1.6万元之间的销量占比约为24%;空气净化器价格大约为新风机的1/3～1/2,主流产品价格约2 000～6 000元 ^[3]。目前净化PM2.5的主要技术是过滤、静电,并且过滤技术使用率更高,过滤器是该类净化设备中的主要配件。净化设备的使用成本主要包括过滤器更换费用和由于安装了过滤器产生阻力导致的风机电耗费用。调研的一些空气过滤器的价格范围为450～850元,更换费用按照500元计算,风机电耗一般约1.2 kW·h/d(24 h连续运行,新风机大部分风机功率为100～150 W,净化器大部分功率为50～100 W,按照50 W计算),即0.72元/d(电价按照0.6元/(kW·h)计)。按照净化器使用5 a,每年使用3,6,9个月(每个月使用30 d)计算,使用电耗成本分别为324,648,972元;若过滤器按照目前3,6个月更换一次,如果购置成本为500元,5 a内过滤器更换成本分别为10 000,5 000元,即过滤器更换费用是使用成本最主要的构成部分。如果使用年限延长,其使用成本已经和购置成本相差不大或超出购置成本。

　　 国外对于过滤器的更换有相应规定,如美国联邦标准209和NASA标准NHB 5340-2规定气流通过过滤器的静压降超过通风机的静压能力时更换过滤器,美国空军技术条令T.O.00-25-203规定过滤器每2个月须更换或洗涤一次 ^①。GB/T 14295—2008《空气过滤器》规定过滤器的更换方法为:当过滤器在额定风量下运行,过滤器的终阻力等于初阻力的2倍时,认为过滤器不能再使用,其积尘量已达到标准容尘量(简称容尘量) ^[4]。GB/T 18801—2015《空气净化器》指出产品滤芯使用时间主要取决于过滤网能够吸附污染物的多少,以累计净化量(CCM)(单位:mg)作为指标,依此计算滤芯的实际使用时间,即更换时间。该标准规定:当净化器的洁净空气量(CADR)小于等于初始值时的50%时,认为滤芯需要更换。对于过滤类空气净化器,其洁净风量的下降实际反映的是阻力的增加。因此过滤类空气净化器与空气过滤器的测试更换规则基本相同 ^[5]。

　　 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 ^[6]。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。很多计算及传感器测试数据等基本都不公开,很难判断其更换规则。通常京津冀地区大约3个月更换一次,长三角地区约半年更换一次。

　　 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。然而传统过滤器主要考虑应用于大风量(几千、几万m³/h)场合,例如洁净室或集中通风系统,以空调箱使用过滤器为例(10 000 m³/h),单位风量过滤器价格为0.04元(以个别价格非常高的H11过滤器额定风量计算,如果是一般过滤器,单位风量价格会更低)。而目前家庭用新风净化设备、空气净化器的单位风量过滤器价格约为1元,这样传统平衡理论由于应用场合的改变是否适用需要进一步探讨。

　　 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。

　　 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。尘源发生装置由人工发尘装置构成,向风道内均匀地输送ASHRAE人工尘。每次发尘量经天平称量控制,利用天平对风道内剩余人工尘及末端过滤器增重进行称量,计算得到每次发尘后的过滤器积尘量及计重效率。被测试的过滤器前后安装压力传感器测量过滤器前后端的压差,即过滤器阻力。

　　 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560 mm×560 mm×60 mm,化纤V型密褶式,如图3所示。重复进行3组实验。实验期间环境空气温度维持在18～20 ℃,相对湿度为30%～40%。每次实验前,先对样品进行初阻力测试,并测试样品在不同风量下的初阻力,验证过滤器初始性能参数一致。

　　 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。

　　 分别在80,140,220,300,380,460,540,600,711,948 m³/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。由图4可以看出:风量在80～600 m³/h之间时,3个过滤器阻力实测值吻合较好且基本一致;风量大于600 m³/h时,3个过滤器的阻力曲线有所差异;风量达到948 m³/h时,阻力偏差最大。过滤器2,3与过滤器1的阻力偏差最大为10%和12%,说明不同样品之间差异较小,可以选用其中1个进行分析。

　　 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508 m³/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。

　　 由表1可知,9次测量得到的过滤器平均效率分别为90.9%,90.1%,90.8%,过滤器计重效率在90.0%左右波动,在实验测试范围内可以认为过滤器计重效率基本不变。

　　 每个过滤器进行9次发尘,控制前7次单次发尘量在15.0 g左右,后2次单次发尘量为30.0 g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。由图5可以看出:3个过滤器容尘阻力曲线基本重合;在额定风量下工作时,以过滤器1为例,积尘量达到154.8 g时,过滤器阻力为588.0 Pa,是初阻力的14倍。

　　 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 ^[4],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,对图5中508 m³/h风量下的容尘阻力曲线进行拟合,结果分别为

　　 $\begin{array}{l}\text{Δ}p{}_1=-0.0001944m{}^3+0.051414m{}^2+0.21975m+42.36(1)\\ \text{Δ}p{}_2=-0.00018m{}^3+0.047m{}^2+0.45m+40(2)\\ \text{Δ}p{}_3=-0.00015366m{}^3+0.041938m{}^2+0.78948m+36.992(3)\end{array}$

　　 式(1)～(3)中 Δp₁,Δp₂,Δp₃分别为过滤器1,2,3的容尘阻力,Pa;m为积尘量,g。

　　 3个过滤器初阻力分别为42.1,42.0,40.7 Pa,由此计算当达到使用寿命时,即终阻力为2倍初阻力时,积尘量分别为27.9,27.5,25.3 g。

　　 实际使用中室外浓度总是在变动,同时因为浓度变化涉及到开机运行或关机,计算非常复杂,为了更好地反映其寿命问题,按照Eurovent 4/11 ^[8]规定采用ASHRAE负荷尘100.0 g模拟过滤器运行1 a的积尘情况,假设风机全年运行时间为6 000 h,在过滤器效率变化不大的前提条件下,假设积尘量(负荷尘)与运行时间t成正比,即

　　 $t=60m(4)$

　　 估算得到3个过滤器使用时长分别为1 674,1 650,1 518 h,折算下来过滤器使用寿命分别为3.4,3.3,3.1个月。

　　 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。将式(4)代入式(1),即可得额定风量下过滤器阻力随时间的变化关系式:

　　 $\text{Δ}p{}_1=-0.0001944(\begin{array}{l}\\ \end{array}\frac{t}{60}\begin{array}{l}\\ \end{array}){}^3+0.051414(\begin{array}{l}\\ \end{array}\frac{t}{60}\begin{array}{l}\\ \end{array}){}^2+0.21975\frac{t}{60}+42.36(5)$

　　 积分求得运行时间t内的过滤器平均阻力为

　　 $\overline{\text{Δ}p{}_1}=-0.0000485(\begin{array}{l}\\ \end{array}\frac{t}{60}\begin{array}{l}\\ \end{array}){}^3+0.017138(\begin{array}{l}\\ \end{array}\frac{t}{60}\begin{array}{l}\\ \end{array}){}^2+0.109875\frac{t}{60}+42.36(6)$

　　 假设风机平均效率为50%,额定风量为508 m³/h,依据Eurovent 4/11 ^[8]的能耗计算方法得到额定风量下过滤器能耗E随使用时长的变化关系式,即

　　 $E=5.1803\times 10{}^{-10}t{}^3+3.9844\times 10{}^{-6}t{}^2+0.0068545t(7)$

　　 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。

　　 由图6可以看出,额定工况下过滤器电费随运行时间逐渐增长,运行初始阶段由于过滤器阻力较小,产生的电耗也较小,因而在运行前半年内,产生的电费约合50元,随后由于过滤器阻力的迅速增大,产生的电费也相应增加很快,后半年产生的电费约合150元,因此,全年无更换成本的条件下过滤器使用成本约为200元。

　　 按照GB/T 14295—2008《空气过滤器》规定,过滤器阻力达到初阻力的2倍时的使用时长即为过滤器寿命,根据上文计算结果,过滤器使用102 d(3.4个月)后更换,过滤器使用102 d产生的电费为20元;按照一些厂家的要求,过滤器使用2个月后要更换,产生的电费只有10元。过滤器更换费用约为500元/个,因而过滤器使用成本中更换费用占极大的比例。

　　 以全年运行6个月的新风机为例,风机1 a电费为180元,过滤器更换1次500元,那么5 a内在不同的过滤器更换策略下产生的总费用为过滤器更换费用和风机电费的总和,按以下3种不同更换模式计算5 a内的总花费。

　　 模式1:厂家建议4个月更换1次,那么1 a更换3次过滤器,5 a总花费约8 400元。

　　 模式2:按照标准要求,终阻力达到初阻力的2倍时更换过滤器,基于Eurovent 4/11的模拟结果,使用时长为102 d,那么5 a内过滤器共更换9次,总花费约5 400元。

　　 模式3:按本次研究,保守2 a更换1次过滤器,5 a共更换3次过滤器。考虑过滤器阻力增加导致的能耗增加,风机电耗增加到每年约300元,那么5 a总花费约3 000元。

　　 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。目前市场上设备厂家把过滤器更换当作一项服务项目并能获得经济收入,为了获得用户使用的单一选择,过滤器设计中非标准模数是该类型设备的主要特征之一。当用户过滤器更换频率降低,从用户获得服务费用较低时,使用标准模数的过滤器将成为行业趋势,那么相对应的千变万化的设备类型也会逐渐回归为性能为主导、室内空气质量为目标。同时因为初阻力和终阻力的关系发生变化,这类系统的风机选型等也会发生相应的变化。

　　 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。