一种新型空气净化器的研制

倪沈阳 白莉陈琬玥 贺梓健

吉林建筑大学市政与环境工程学院

0 绪论

目前我国一些城市雾霾频发，雾霾天气出现时建筑室内PM2.5浓度往往也是超标的，人体长时间处于这样的环境下可能会引发整个身体范围内的疾病[1]。人们迫切的需要空气净化设备来净化室内的PM2.5，空气净化器已逐渐成为了城市家庭必备的家用电器。

通过对我国空气净化器市场调查和对比分析后发现，目前国内市场销售的空气净化器存在着以下几点不足：

1）能效比低。空气净化器的能效比是净化器的净化效果与其所消耗的电能之比[2]。人们当然是希望选择能效比高的空气净化器，但在实验室对市场上销售的七种知名品牌的空气净化器实测后发现，这些空气净化器实测后的能效比都较其铭牌上所标识的低10%以上，甚至有的低20%左右。

2）没有装备PM2.5、VOCs等专业的检测仪表以及自动控制启闭装置。这就使得人们无法判断室内PM2.5、VOCs等参数是否超标，只是凭感觉开启空气净化器。这样做的弊端有：①空气净化器一直处于运行中，造成电量及设备本身的浪费，这样达不到国家提出的节能减排的要求。②空气净化器在未达到净化效果情况下，关闭净化器室内的空气质量得不到良好的保障。

3）净化效率不高。目前国内市场上所销售的空气净化器大多存在着滤网单薄、净化效率低等问题，这样的净化器是不能满足我国现有国情的需要。

鉴于此，笔者研发了一种新型的空气净化器，它能很好地解决上述的问题，同时由于其滤网特殊的结构，具备对空气中VOCs等有害气体清除的功能。

1 新型空气净化器的结构

新型空气净化器的结构示意如图1所示。这种新型空气净化器加装了三个重要部件：激光粒子传感器，自动声光报警器以及单片机自动控制系统。实现了自动检测、自动报警并自动控制启闭的功能。该空气净化器用单片机自动控制系统，使其随着室内PM2.5浓度的变化实现自动启闭。当室内PM2.5浓度超过规定值上限时，自动报警器将发生报警并自动开启空气净化器。当室内浓度降至规定值下限时，将自动关闭空气净化器。这样在保证室内空气质量的同时，避免空气净化器一直处于运行状态，能够达到很好的节能效果。

图1 新型空气净化器的结构示意图

2 新型空气净化器的主要部件

新型空气净化器的主要部件有三个：PM2.5自动报警器、激光粒子传感器、单片机自动控制系统。图2为该新型空气净化器控制系统结构框图。

图2 新型空气净化器控制系统结构框图

1）PM2.5自动报警器的作用是，当室内环境中PM2.5浓度超过规定值上限时即发生报警，提醒使用者。新型空气净化器中的自动报警器采用的是自动声光报警器，该报警器采用蜂鸣器和发光二极管作为声光报警元器件，当检测到室内PM2.5浓度超过设定值时蜂鸣器发声，同时发光二极管发出特定颜色的光作为声光报警信号[3]。该自动报警器设置在空气净化器本体顶端见图3，图3为该新型空气净化器内部结构示意图。

图3 新型空气净化器内部结构示意图

2）单片机自动控制系统是该新型空气净化器的核心部件，它采用是STC12C单片机[4]并内嵌于空气净化器的本体之中，如图1、3所示。由它控制空气净化器的自动启闭，在保证净化效果的同时，最大限度的节能。当室内环境中PM2.5浓度超过规定值上限时，将自动开启空气净化器，当浓度降低到规定值下限时，空气净化器将自动关闭。

3）加装了激光PM2.5粒子传感器以及液晶显示面板，实现PM2.5等参数的自动检测和显示。激光粒子传感器的工作原理是当激光照射到通过检测位置的颗粒物时会产生微弱的光散射，在特定方向上的光散射波形与颗粒物直径有关，通过不同粒径的波形分类统计及换算公式可以得到不同粒径的实时颗粒物的数量浓度，按照标定方法得到跟官方单位统一的质量浓度[5]。PM2.5传感器将检测到的室内空气的PM2.5浓度由电信号传输到自动报警器和空气净化器自动启闭控制系统中，并显示在液晶显示屏上。

4）该新型空气净化器采用了一种新型的组合结构滤网，滤网共由4层结构组合在一起，其结构如图3所示，以实现对室内不同污染物的清除。

①前置滤网：主要去除空气中的大颗粒物，对空气中的悬浮颗粒物如尘埃、毛发等进行初步过滤，它一般由玻璃棉等制成。

②初效滤网：一般由聚酯纤维材料制成[6]，能有效地过滤掉进入净化器的空气中的纤维、毛发等，其作用是进一步过滤进入净化器内部的悬浮颗粒物。

③高效滤网：由白色的具有高容尘量的滤纸褶皱组成[6]。容尘量是普通滤纸的几倍以上，可有效去除空气中0.3 μm以上的颗粒物，对PM2.5去除效率达到99.99%以上，且具有延展面积大使用寿命长等特点。

④VOCs消减滤网。目前的空气净化器也要兼顾去除甲醛等VOCs类有害物，一般是在空气净化器中加装活性滤网。但活性炭当吸附力饱时还会二次释放，形成二次污染。故新型空气净化器在活性炭滤网上粘附VOCs分解毡，这种分解毡是蓬松棉纤维构造，超微颗粒包覆于分解棉纤维上，增大有效作用面积，对甲醛等VOCs的去除量达98%以上，是普通活性炭材料的1000倍。这种分解毡不占地、不插电，仅仅是粘附在活性炭滤网上，将甲醛等VOCs彻底分解为H2O和CO2，杜绝了二次污染。

该新型空气净化器的滤网不局限于以上材料，像静电吸附滤网、等离子集尘网以及光触媒滤网等，都可以灵活的按空气净化的不同要求进行组合使用。目前相关的研究正在进行中，旨在寻求最佳的组合方式，以期实现良好的室内空气净化效果。

3 新型空气净化器运行控制原理

我国现行环境标准GB/T 3095-2012《环境空气质量标准》中规定将环境中的PM2.5质量浓度限值分为两级：一级标准为 35 μg/m3，二级标准为 75 μg/m3，室内 TVOC 的标准为：优 0～0.6 μg/m3，良 0.61～1.2 μg/m3[7]。目前我国室内PM2.5浓度限值尚未有明确的标准规定，由于人们在室内停留的时间较室外长，室内的PM2.5浓度不能比室外高，所以当前我国引用环境空气中PM2.5的分级标准作为室内PM2.5的分级标准，该新型空气净化器是依据这个标准的浓度分级实现自动报警和启闭。

该新型空气净化器的控制流程图如图4所示，其功能实现的过程如下：

图4 新型空气净化器控制流程图

①当室内PM2.5浓度低于时35 μg/m3时，自动报警器不报警且空气净化器不启动。

②当室内 PM2.5浓度高于 35 μg/m3但低于75 μg/m3时，自动报警器蜂鸣器响三声同时绿灯闪烁，空气净化器仍不启动。

③当室内PM2.5浓度高于75 μg/m3时，自动报警器蜂鸣器响六声同时红灯闪烁，同时空气净化器由自动控制系统实现自动开启。空气净化器运行一段时间后，当室内PM2.5浓度降至75 μg/m3以下时空气净化器还将继续开启，直至PM2.5浓度将至35 μg/m3以下将自动关闭。在PM2.5质量浓度下降时自动报警器不进行报警。

④如果一开始室内PM2.5浓度超过75 μg/m3时，空气净化器直接开启，但自动报警器不报警。空气净化器按照模式③运行。

⑤当浓度降低到35 μg/m3以下时，一段时间后如果室内PM2.5质量浓度又上升则将重复①②③进行运行。

该新型空气净化器对VOCs的清除原理与过程与PM2.5的一致。

4 结论

本文简述了一种新型空气净化器，并对其的功能及运行过程与市场上销售的空气净化器相比，发现该新型空气净化器具备自动检测和自动报警与自动启闭的功能，净化效率高，能耗低。它的优点在于：

1）室内的空气品质有保障。该新型空气净化器能根据室内PM2.5浓度的变化实现自动启闭。当室内PM2.5质量浓度刚超过规定值上限时，空气净化器便开始工作，当PM2.5浓度下降到规定值下限时便停止工作，一段时间后若浓度继续上升空气净化器又开启。这样可以较好地控制室内PM2.5浓度，实现良好的室内空气品质。

2）节能。由于该新型空气净化器可以实现自动启闭，在浓度值低于规定值下限时将自动关闭净化器。与我国市场上销售的空气净化器相比，由于不是一直处于运行的过程减少了电能的消耗，这样就可以在保障空气品质的同时起到节能的作用。

3）具有较好的预警机制。当室内PM2.5浓度超标时，自动报警器就自动报警，这样可以提醒使用者采取积极有效的措施来降低室内PM2.5浓度。

4）空气净化效果好，且可以通过检测仪器读取数据。由于该新型空气净化器加装了液晶显示面板可以实时显示室内PM2.5的浓度，高精度灵敏监测室内PM2.5污染指数，给人以直观感受。

综上所述该新型空气净化器是符合我国现阶段国情的，并且能够解决目前我国国产净化器的不足之处。该新型空气净化器按需启动关闭，在确保空气质量的同时尽量节能，在去除PM2.5的同时关注VOCs的去除及细颗粒物的去除，使室内空气品质得到良好的保障。