空气过滤的能源成本

在意大利,与空调设备相联系的能源账单的金额非常巨大,并逐年接近全球最大用户国家的份额,且在国家能源预算中的份额已从7%上升到了9%[按美国能源署(DOE)估计]。因大型综合商业中心和办公楼的强劲扩张所造成的电力消费连年增加,据预测2015年将达到电力消费总量的28%[据意大利国家电网管理局(GRTN)估计]。在这个份额中,有很大部分(约三分之一)可归咎于空气处理设备。此外,实际上显示出冬夏两季出现的能源消费高峰一般与偏离室外平均季节气温的最差气候天数相对应。至于工业领域,不可忽略的是食品业、化工制药业和电子业中空气处理需要使用能源,而在此过程中需要在温湿度受到控制的条件下提供大量洁净空气。

空气过滤和能源管理

由于上述理由,建筑物的能源管理成为争论的主题,而在这种辩论中,供暖、供冷和通风设备构成了特别关注的对象。尤其是,在通风系统中必须要用很多能源,通过空气处理机组和分配风道移除空气。这种能源的总量主要取决于过滤器和风道所带来的压力损失。倘若仅限于分析过滤作用,可以得出结论:就压力损失的大小而言,与所安装的过滤器的效率水平成正比,而终究取决于所需室内空气的质量水平和室外可供空气的质量水平(及过滤器本身的堵塞程度)。必须指出:室内空气的质量标准正朝着参数指标越来越高的趋势发展,然而,在意大利许多都市化地区和工业化地区内,室外空气质量却因粉尘和有害气体等维持在浓度较高的水平上。

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此外,出于安全考量,推动空气过滤水平向极高水平靠拢的必要性开始越加突出了。有些建筑物,特别是遭到恐怖分子袭击风险的建筑,其设备的设计必须经受得起化学药剂和生物制剂攻击的考验。因此,改进空气过滤质量的要求逐步高涨,同时尽力谋求降低设备的能源费用支出。乍看起来,这两项要求是不相容的。但正因为空气过滤器在能源领域中突出的发展,空气过滤技术的不断进步。以及过滤器行业长期以来对其新技术的研究,才能够在提供同等性能的同时减小压力损失。成功的案例就是引入了扩展滤面的纸质或合成材质的过滤器,这些过滤器采用一种褶皱系统,在等同于正面过滤表面的前提下,显示其有效过滤表面几乎是采用传统技术制造的过滤器的两倍。实际上,这些新型过滤器展示初始压力损失已降低了50%。

然而,不管怎样,这种方法仍不能充分响应市场的新需求。实际真正使用的一款过滤器的特点是初期压损很小,但却能在工作寿命期间保持较低的压损水平。 实际上,任何一款机械式空气过滤器, 其效率主要取决于输送中的粉尘颗粒与纤维过滤器之间的机械干涉现象,其压力损失随着粉尘在迎风横截面上的堆积而逐渐增大。譬如,按照UNI EN 779规定,F 级的中高效纸质过滤器的特点是其初始压力损失为100–150Pa,而在工作寿命结束时会增大到400–500Pa。在运行期间,压力损失的增加会造成风机耗电量的增加,以保证设计流量不变(若不能正确补偿,则逐渐降低设备能力)。

过滤器的理想特征

为了长时间地减少压力损失,过滤器应当尽可能地将粉尘颗粒过滤拦阻在气流通路之外,致使粉尘颗粒的淀积不发生在气流的横截面上。这是静电过滤器(静电除尘器)内部发生的过程,这类过滤器消除了气流中悬浮颗粒并把颗粒沉淀在收集盘上,而这些收集盘沿与气流横贯的方向设置。按照这种方式,以适当的间距放置收集盘,这样即便有大量的颗粒沉淀,也起不了多少阻碍空气通过的作用。因为这样的特性,所以静电过滤器的压力损失很小,在其正常工作的寿命期间几乎保持恒定,而当沉淀物的厚度开始干扰电场时寿命终止,于是,过滤器会反过来阻碍空气通过,就像在机械过滤器中所发生的那样。

为什么不能正常地将静电过滤器应用于空气处理系统呢?事实上,传统的静电过滤器除了一些受欢迎的特点外,如过滤很微小的颗粒时的效率也很高且压力损失又很低等特点,也正是由于这些特点才更应该使其应用于适合的地方。但在实际中,标准静电过滤器是比较复杂和昂贵的设备,无论从装置的价格还是从定期维护的观点来看。一般,静电过滤器是由金属板冲压件构成的一个总成,组装精度很高(故生产成本很高);虽然消耗的电流很小(相对于1000m3/h的过滤能力,消耗的电流约为0.5mA),却需要高压电源才能运行(这类过滤器需要的电源约为6–12 kV)。此外,在工作寿命终结时,机械过滤器可以简单地替换,而静电过滤器可以通过清洗修复再用;即使这意味着折旧时间较长(可以充分地补偿大部分初期成本),但是,实际上经此转化成了相当繁复的定期维护作业(停机,需要专业清洗人员和专用清洗设备,提供周转用的清洁过滤器)。虽然这些情况并不代表一个特殊的应用问题,但却限制了其在一般通风换气中的应用。

针对广泛应用于现代空调设备而能够响应最高效率要求和最低总成本(LCC–全寿命期成本)的理想过滤器应当具备以下特点:

-  初始效率高,特别是UNI EN 779 (F7–F9)规定的 F 级过滤器;

- 初始压力损失低,尽可能低于当前应用的过滤器的特征值,故小于100Pa,维持在50Pa左右;

-  在工作寿命期间达到最大的线性性能(效率,压力损失);

-  工作寿命能够最大程度地延长(就捕集污染物的重量而言,负荷能力大);

-  制造经济,材料通用,能源成本低,组装简单;

-  一次性使用,避免了维护作业复杂以致维护成本相对较高的问题;

- 可以焚烧,故采用可燃而不会产生有害气体排放的材料,以便在燃烧时回收制造时使用的大部分能源。

以这些特点为基底,还可补充以下期待的理想要点:

- 很宽的应用谱,即不仅可以滤过粒径范围很宽的颗粒,而且还能过滤气态或蒸汽状的污染物;该特点对于室内空气质量标准较严格的应用来讲非常重要。

- 高效的抗菌和抗真菌的能力,以求避免在通常的空气处理系统中常常遇到的细菌和霉菌菌落在某些有利的温湿度条件下的增殖。

目前市场上只有极少数的过滤器接近这些理想特点。该行业中的某些主要的品牌还提供了一些创新产品,尽管要求用户的初期投资较大,然而却可以长时间地显著节省管理成本,并同时保证空气达到很高的质量水准。

标准EN779: 2012 Eurovent认证

用于确定空气过滤器的2012年新版欧洲标准 EN799 经过了几次修订,旨在使过滤器市场合理化,以求定量判定很多产品的质量边界。若按照旧版标准,只因新型过滤器的合成纤维滤芯上一时会有静电荷存在,故试验结果可以接受,但使用几天后效率却差得很惨。现在引入了试验前有效清除静电荷的新方法,而且过滤器的等级标准也做了变更,将 F5 级和 F6 级从“高效级”变更为了“中效级”。F 等级为高效过滤器(F7-F8-F9)保留,对此还引入了最低效率(ME)指标,以应对所有试验条件,包括最大压力损失值(450Pa)的测试。

欧洲制冷空调和空气处理设备制造商协会(EUROVENT)支持欧盟委员会降低能耗的政策,现在为协会内相关行业投入市场的每一台过滤器提供认证服务和标识服务,允许空气过滤器携有从过滤效率和节能角度明晰反映性能水平的可识别标识。每一种过滤器必须按照标准EN779:2012进行试验,然后,除了指配与效率相关的等级(G1-F9)之外,还要基于一年运行的估计用电量,并从试验中测得的压力损失起计算(表1),从而确定节能等级(A-G)。

表1 – 按照标准 EN779:2012进行实验对空气过滤器的能效分类适用的整个范围:通过 EUROVENT 认证允许每个过滤单元,计划在通风系统的年用电量。

过滤器(EN779:2012) G4 M5 M6 F7 F8 F9
最低效率 (ME) - - - ME ≥ 35% ME ≥ 55% ME ≥ 70%
能源类 EUROVENT 单位过滤全年用电量(kWh)
A 0-600 0-650 0-800 0-1200 0-1600 0-2000
B 600 – 700 650 – 780 800 – 950 1200 – 1450 1600 – 1950 2000 – 2500
C 700 – 800 780 – 910 950 – 1100 1450 – 1700 1950 – 2300 2500 – 3000
D 800 – 900 910 – 1040 1100 – 1250 1700 – 1950 2300 – 2650 3000 – 3500
E 900 – 1000 1040 – 1170 1250 – 1400 1950 – 2200 2650 – 3000 3500 – 4000
F 1000 – 1100 1170 – 1300 1400 – 1550 2200 – 2450 3000 – 3350 4000 – 4500
G > 1100 > 1300 > 1550 > 2450 > 3350 > 4500

供试过滤器的能耗可采用以下公式估算:

式中:

- 空气过滤器的用电量,单位kWh;

- 空气过滤器的流量,单位m3/s(0.944);

- 实测平均压力损失,单位Pa;

- 预期工作寿命,单位小时(6,000小时);

- 风机机组的效率(0.5)。

因为有了 Eurovent 认证制度,就像电冰箱或电视机那样,最终有可能依照自觉节能意识选择空气过滤器。总之,为更好地选择定位,了解业内人士流行一个经验法则是有益的:“一帕等于一欧元”。就是说,压力损失每增加1帕,每年会增加1欧元的能耗。这样数据足以令人斟酌,从今往后应足够关注如何为空调系统选择过滤器。

 

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