基于静电集尘器串联方式的净化新风机设计

赵芝康

（上海士诺净化科技有限公司，上海 201505）

由于现代室内装修等因素引起的城市建筑物综合症、室内空调病、CO2浓度超标，有机污染等会直接影响到人们的健康和生命安全；同时因中央空调系统不能经常性的清洗和消毒，其系统内部成为细菌滋生地而带来的环境污染，这些已引起人们对空气质量的重视，室内空气净化通风设备（新风机）逐渐成为了居家生活之必需品。新风机最主要的功能是空气交换，即将室外新鲜空气经过净化、消毒，热交换处理后送进室内，同时又将室内受污染的污染气体进行热交换处理后排出室外，而室内的温湿度基本不受影响的一种高效节能，环保型的高科技产品。

目前新风机安装方式主要采用吊顶式，将新风机吊装在屋顶上，不占用室内使用空间，便于消费者优先接受。但同时受制于室内吊顶高度空间的限制，在满足新风量的前提下，要求新风机机器的尺寸越小越好，尤其厚度不要超过300mm，机器越薄越便于安装。

结合新风机的性能要求，以及现有安装中机器尺寸要求，本文旨在提供一种高效节能，能量回收与净化效果好，消毒功效明显的的新风机。该新风机在满足于性能要求基础上，机器尺寸做到越薄越好，对内部核心零部件（风机、静电集尘器、全热交换芯和过滤网）也采用小尺寸的结构方式来设计。

1 整体结构及设计理念

本文设计的一种基于静电集尘器串联方式的净化新风机，机器的整体尺寸根据需要的新风量而定，其关键技术参数要求如下所述【新风量：500m3/h（机外静压100Pa），机器厚度：270mm，噪音：42 dB(A)，制冷焓效率：55%，制热焓效率：60%，整机新风PM2.5 净化效率：95%，静电集尘器新风PM2.5 净化效率：50%，白色葡萄球菌除菌率：99.9%，空气自然菌除菌率：90%】。

机器主要安装在吊顶内，由于后续风机与耗材（静电集尘器、全热交换芯和过滤网）的维护与更换，要求在不拆除机器的情况下，机器的内部主要部件必须做到方便拆卸与取出，所以整体结构采取侧面检修门打开的结构方式进行设计，只需吊顶留有检修口，从侧面抽出风机与耗材。从维护方式上考虑耗材长度不能太长，各零件分别采取2 个串联方式结构布局；从净化效率方式上考虑耗材的过滤面积和迎风面积需要大，迎面风速需要小，各零件同样分别需采取2 个串联方式结构布局；如图1 所示为基于静电集尘器串联方式的净化新风机结构爆炸示意图。

图1 基于静电集尘器串联方式的净化新风机结构爆炸示意图

所述新风机结构包括框体结构、风机及其风道结构、检修门结构、能量回收模块结构、消毒与净化模块结构、物理净化模块结构，以及吊耳和法兰安装结构。所述风机及其风道结构、能量回收模块结构、消毒与净化模块结构和物理净化模块结构采用紧固螺钉固定于框体内部；所述吊耳和法兰安装结构采用紧固螺钉固定于框体外部两侧；所述检修门结构利用铰链安装于框体前侧面；所述控制板、高压电源板和保护开关采用紧固螺钉安装于送风风机检修门上。

2 机械结构设计

2.1 框体结构设计。如图2 所示，框体结构由上盖、底座、左侧板、右侧板、后侧板、排风风机检修门、送风风机检修门、全热交换芯与过滤网检修门、电器盒盖构成。其中上盖、底座、左侧板、右侧板、后侧板、排风风机检修门和送风风机检修门采用紧固螺钉分别两两相接，电器盒盖采用紧固螺钉装在送风风机检修门上，全热交换芯与过滤网检修门通过铰链安装于排风风机检修门上，并用手拧螺丝固定在框体上。框体内部加贴橡塑保温棉，用于机器保温降噪，防止凝露。

图2 新风机的框体结构示意图

2.2 风机及风道模块设计。如图3 所示，风机及风道模块结构由送风风机、送风风机固定板、排风风机、排风风机固定板、新风风道箱、回风风道箱、风机卡槽1、风机卡槽2构成。其中新风风机固定板和排风风机固定板采用紧固螺钉固定于框体底座上，风机卡槽1 和风机卡槽2 采用紧固螺钉分别固定于框体左右侧板上，送风风机和排风风机分别插在风机卡槽1 和风机卡槽2 中，打开风机检修门之后，只需要抽拉动作即可完成安装与更换，新风风道箱和回风风道箱采用紧固螺钉固定于框体左右侧板及后侧板上。

图3 新风机的风机及风道流向示意图

风道模块包括相互独立的新风通道和排风通道，所述新风通道作用是室外新风在送风风机的作用下自室外新风进口经所述全热交换芯和过滤网到达室内送风口送入，所述排风通道作用是将室内回风在排风风机的作用下自室内回风口经所述全热交换芯到达室外排风口排出。

2.3 能量回收模块设计。如图4 所示，能量回收模块结构由全热交换芯下支座、全热交换芯上盖板、全热交换芯左滑轨、全热交换芯右滑轨、2 个全热交换芯、2 个新风通道粗效过滤网、2 个排风通道粗效过滤网构成，其中全热交换芯下支座采用采用紧固螺钉固定于框体底座上，全热交换芯上盖板采用紧固螺钉固定于框体上盖上，全热交换芯左滑轨采用紧固螺钉固定于排风风机固定板上，全热交换芯右滑轨采用紧固螺钉固定于过滤网下底座上，并和过滤网下底座连成一体结构。2 个新风通道粗效过滤网串联，插在全热交换芯右滑轨插槽中，2 个排风通道粗效过滤网串联，插在全热交换芯左滑轨插槽中，2 个全热交换芯串联插设于模块风道（由全热交换芯上盖板和下支座，全热交换芯左右滑轨共同形成的腔体）内，打开检修门之后，只需要抽拉即可完成安装与更换。

图4 新风机的能量回收模块示意图

能量回收模块是由全热交换芯来实现，其芯体结构采用abs 框架，六边形逆流式结构，具有两个相互交叉的能量交换通道，通过芯体中的交换膜（石墨烯材质）对新风通道的新风与排风通道的排风进行温度与湿度的交换，做到能量回收，确保室内温湿度维持不会，降低能量损耗。

2.4 消毒与净化模块设计。如图5 所示，消毒与净化模块结构由过滤网上盖板、过滤网下底座、静电集尘器1、静电集尘器2、静电集尘器检修滑板、静电集尘器把手、静电集尘器弹性接触板、弹性接触板固定板构成。其中过滤网上盖板采用紧固螺钉固定于框体上盖上，过滤网下底座采用紧固螺钉分别固定于框体后侧板、右侧板和送风风机固定板上，静电集尘器弹性接触板采用紧固螺钉固定于其固定板上，弹性接触板固定板采用紧固螺钉固定于框体后侧板上，静电集尘器把手铆接于静电集尘器1 上，静电集尘器1 与静电集尘器2 串联后安装在静电集尘器检修滑板中，打开检修门之后，通过抽动检修滑板即可完成安装与更换。

图5 新风机的消毒与物理净化模块示意图

消毒与净化模块是由静电集尘器来实现，起到消毒和净化的双重作用。通过静电集尘技术祛除固体颗粒物、主动杀灭病菌；而高压静电产生的臭氧在起到杀菌作用后，通过催化耦合过滤网在催化剂表面快速分解，并产生羟基自由基，进一步灭菌；与此同时促进甲醛、甲苯等VOC在常温下高效催化分解，从而实现全程臭氧零增加。

2.5 物理净化模块设计。如图5 所示，物理净化模块结构由过滤网上盖板、过滤网下底座、催化耦合过滤网、高效过滤网构成，其中催化耦合过滤网和高效过滤网各采用2个。其中2 个催化耦合过滤网及2 个高效过滤网各自独立进行串联，分别插设于模块插槽（由过滤网上盖板和过滤网下底座形成的腔体）内，打开检修门之后，只需要抽拉过滤网即可完成安装与更换。

物理净化功能是由催化耦合过滤网和高效过滤网来实现，催化耦合过滤网用于过滤静电集尘器工作时高压电场产生的臭氧，高效过滤网用于过滤空气中的细颗粒物。所述新风粗效过滤网（如图4）、静电过滤器、耦合催化过滤网和高效过滤网共同组成了新风通道3 个级别（粗效、中效和高效）的物理净化系统，具有4 个过滤功段（粗效过滤- 中效过滤- 消菌过滤- 高效过滤），将室外引进的新风，过滤净化后送到室内，确保获得高质量的新鲜空气。

3 控制系统

3.1 硬件配置。本文设计的新风机整机电路总体布局设计如图6 所示，组成控制电路的元器件主要有风机、控制板、高压电源板、静电集尘器、保护开关、线控器、空气质量检测模组、通过内部连接导线连接。

图6 基于静电集尘器串联方式的净化新风机电路布局示意图

根据所述新风机结构特点和功能要求，硬件的配置主要取决于风机、静电集尘器和高压电源板的选型。给新风通道和排风通道提供动力的是风机，该驱动风机分别采用相同的直流离心风机（电压：DC310V, 最大风量：800m3/h，最大静压：400Pa，转速：1500r/min，功率：100W）；给机器提供消毒和中级过滤功能的是静电集尘器（尺寸：400x120x115mm，功率：4W,消毒高压电场：8.6KV/4.3KV），为静电集尘器提供电源的是高压电源板（输入电压：85V-265VAC，输出电压：8.6KV/4.3KV，功率：8W）。

3.2 控制设计。本文设计的新风机是通过外接线控器来进行人机操控，线控器常常安装于室内可操控位置，线控器内部空间配置了空气质量检测模组。所述空气质量检测模组包括PM2.5 传感器，CO2传感器，TVOC 传感器以及温湿度传感器；所述空气质量检测模组将传感器检测到的颗粒物浓度或CO2浓度信号反馈给控制板，经控制板单片机处理后，采用PWM方式进行风速自动控制。所述新风机也可以响应用户的指令直接进行风速手动控制。

4 样机制作及性能测试

为了检查论证所述新风机设计的准确性，可靠性和结构合理性，同时也检验整机装配过程中有无干涉，是否便于安装和维修等潜在的问题，按照图纸试制了实物样机，外协制作了控制系统，通过装配后的新风机如图7 所示。

图7 新风机的实物样机照片

结构装配验证完毕，我们也为这次的样机进行了系统的性能测试，主要是依据国家标准《GB/T 34012-2017》和《GB/T 34012-2017》要求，以及《消毒技术规范》要求，对机器进行了测试，测试结果如下所述【新风量：502m3/h（机外静压100Pa），机器厚度：265mm，噪音：40.3 dB(A)，制冷焓效率：59%，制热焓效率：70%，整机新风PM2.5 净化效率：99%，静电集尘器新风PM2.5 净化效率：75%，白色葡萄球菌除菌率：99.98%，空气自然菌除菌率：93%】，通过与本文第1章节提出的设计理念性能技术参数对比，所设计的实物样机完全符合功能和性能要求，同时符合吊顶空间狭小的安装要求，达到预期目标，后续结合生产制造，量产化。

5 结论

本文设计了一种基于静电集尘器串联方式的净化新风机，各模块搭配合理，配合良好，在控制系统的配合下能够根据当前的空气质量状况自动或手动运行机器，达到净化灭菌，能量回收，通风换气功能，所述机器可用于公寓和公共场合安装，具有广阔的应用前景。

与现有技术相比，所述新风机具有以下特点：（1）机器结构简单，尺寸小，厚度薄，更加适合现代居室吊顶空间安装。（2）各部分结构分明，方便装卸和更换，检修维护方便，造价低。（3）针对静电集尘器，过滤网以及全热交换芯，提供了一种串联方式的全新结构布局。