无尘室内高效空气过滤器性能测试方法

2019-03-14 22:18:18 admin
国内对于一般通风过滤器的效率测试,过去一般仅要求测试过滤器的初始效率(2008年前按照GB 12218-1989 及其后调整为 JG/T 22-1999 的要求),但由于过滤器在容尘后效率会发生变化,EN779 要求效率测试需要进行发尘,以不同容尘阶段的平均效率对过滤器进行分级。目前欧洲标准在市场上的接受程度相对较高。根据过滤器生产企业将其产品样品送到某实验室进行性能试验的要求来看,2008年送检的32只过滤器中仅有5只要求按照EN779 的测试标准进行容尘实验,占比 16%;2009年送检的 70 只过滤器中有 24 只要求做容尘实验,占比 34%左右,而2011 年到2012年3月份送检的58 个过滤器中已有高达 30 只要求按 EN779 测试标准进行性能试验,比例超过50%。这从某种意义上可以表明 EN779 在国内的认可度越来越高。

不同标准的分级方法不同,如 EN779 以整个容尘阶段0.4 μm的平均效率作为过滤器效率等级划分的依据,中国 GB/T 14295-2008标准则以初始分组效率作为划分依据,美国标准 ANSI/ASHRAEStandard 52.2-2007以过滤不同粒径档的最低效率作为划分依据。另一方面,不同标准规定的测试方法包括采用的气溶胶、发生装置等也有所不同。有学者从气溶胶的物理特性,发生装置方面对上述三个标准进行了比较,认为固态气溶胶与液态气溶胶相比,其粒径范围广更适合过滤效率测试[1]。也有研究人员认为欧洲标准 EN779 测试方法相比GB/T14295-2008 和 ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2007 更精准、更“细”,因此更适合于对较高过滤效率过滤器的性能评价,而ANSI/ASHRAE Stan-dard 52.2-2007 更适合于效率较低的过滤器。中国GB/T14295-2008 标准相对于其它标准来说,分类方法比较粗糙,ASHRAE Standard 52.2标准分类最详细[2],但在中国市场应用较少,而试验气溶胶、试验尘源也因测试标准不同而存在一定差异[3]。

由于同一只过滤器按照不同的标准进行性能试验的结果(尤其是效率试验结果)是不同的,为了方便用户、制造商和设计师之间的交流,需要指定按照哪个标准作为买卖双方的协议依据。但遗憾的是,目前许多用户甚至暖通专业设计师对过滤器的相关标准、测试方法、分级方法等并不十分清楚。为避免混淆,本文从过滤器测试方法、效率等级划分方法等方面对上述三个标准进行分析,此外还将对欧洲通风协会所颁布的EUROVENT4/11中最新引入的过滤器能耗分级标准进行分析讨论。

2 标准的比较

过滤器效率、初阻力、容尘量是其最重要的三个性能参数,不同空气过滤器标准均是围绕这三个参数进行评价分级。但是不同国家、不同组织、协会根据本国国情采用的测试气溶胶和发尘尘源不同,其对应的测试方法和过滤效率性能评价体系也有所不同。表 1 对中国 GB/T14295-2008 标准、欧洲EN779-2011、美国标准ANSI/ASHRAE52.2-1999所采用的测试方法、尘源、效率评级方法等进行比较。

无尘室内高效空气过滤器性能测试方法

2.1 过滤器测试方法比较

中国 GB/T14295-2008 标准、欧洲 EN779标准和美国ANSI/ASHRAE52.2-2007标准规定的测试方法都采用气溶胶计径计数法,但是在气溶胶发生装置、气溶胶发生方法等方面有所不同,中国 GB/T14295-2008 标准与美国 ANSI/ASHRAE52.2-2007标准采用固体气溶胶KCl;欧洲EN779采用液态气溶胶DEHS。固态KCl气溶胶发生方法是将KCl溶液喷雾时通过大量的干燥压缩空气使得水分瞬间蒸发,从而与试验气流形成气固两相流,该方法和DEHS 液态气溶胶相比,KCl 固态气溶胶作为固体颗粒尘源更接近实际使用情况,而且固态粒子可以更好地反映电荷对纤维过滤器效率的影响,但是KCl 气溶胶作为一种“固态尘源”会造成过滤器阻力上升;DEHS 液态气溶胶粒径范围较窄,但是DEHS 发生器的响应时间更快,并且对 0.3 μm ~1.2 μm 范围内的液体颗粒,效率测试结果接近固体颗,另外由于DEHS为液态气溶胶,所以在测试中不影响过滤器的压降。

三个标准都明确要求采用静电中和装置对气溶胶进行中和处理,使气溶胶的电荷降至波尔兹曼电荷分布,其中波尔兹曼电荷分布为大气环境中的电荷分布。这是因为如果不对气溶胶进行中和处理,静电效应将使得过滤器测试效率高于实际值。另一方面,某些纤维带静电的过滤器在实际使用过程中,其静电会因颗粒物的积累而中和(或屏蔽),从而使得过滤器效率逐渐降低,当静电完全消失后,过滤器过滤性能可能会降低好几个等级。因此,2011年新版的 EN779 对部分效率相对较高的过滤器(F7、F8 及 F9)增加了最低效率的要求,该最低效率为初始效率、过滤器消除静电后的效率以及容尘过程中的最小效率三者的最小值。显然,这对化纤过滤器的影响较大。

2.2 过滤器效率分级方法

中国 GB/T 14295-2008 采用大于或等于 0.5 ìm或 2 ìm 微粒的初始效率(或计重效率)将过滤器划分为不同的等级,该效率评级方法简洁单一,而且也没有考虑容尘对过滤效率的影响。欧洲标准EN779-2011则依据过滤器在容尘阶段对0.4 ìm微粒的平均效率(或平均计重效率)将过滤器划分为不同的等级。两者的主要评价思想明显不同,即中国GB/T 14295-2008标准测量的是清洁过滤器的分组效率,而欧洲标准关注的是过滤器整个“生命周期”的平均计径(0.4 ìm)效率。美国标准则要求测量不同粒径档在初始状态和发尘阶段的效率,取其最小值来评级。笔者实验发现过滤器效率(假设不考虑静电作用)基本随着单位面积容尘量的增加而增加,因此如果不考虑静电作用,美国标准也只是关注过滤器的初始状态下的计径分级效率。与中国标准 GB/T 14295-2008 相比,美国标准的评级方法是把过滤器对3个粒径档的粒子效率综合考虑来对产品进行评级,该方法综合考虑了过滤器对不同粒径的过滤效率,值得 GB/T 14295-2008 借鉴,因为不同过滤器对不同粒径的效率差别很大,单独依据某个粒径效率进行评级不能全面反映过滤器的效率。

上述3个标准对过滤器效率的分级方法存在一定差异,但是研究发现它们之间也存在着一定的对照或转换关系。蔡杰博士在其著作《过滤器 ABC》中最早提出了不同标准的分级的近似对照图[1],在此基础上,CRAA430 综合各种最新标准,更新了中国、日本、欧洲、美国空气过滤器分类、效率近似图[5]见图 1。天津大学李圆圆对几个级别进行了验证,发现该对照表和实测情况基本吻合[2]。笔者随机选择了10个不同过滤器按照GB/T 14295-2008和 EN779-2002 进行过滤器性能测试,并分别依据GB/T14295-2008 与 EN 779-2002(由实验室条件限制,没有按照美国标准测试)的相应分级标准对其进行分级,测试结果见表 2。

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通过对比试验发现,除了6号产品按照标准EN779-2002 和 GB/T 14295-2008 效率分级和对照图有微小差别外,其他9个产品和对照图基本一致。测试结果证明不同标准间的过滤器级别是可以大致转换的。因此没有必要强调某个标准效率分级方法一定优于其他标准,只是不同标准的效率评级方法着重点不同。GB/T14295-2008更关注过滤器清洁状态下的最低效率,而欧洲标准EN 779-2002则更关注过滤器整个使用“生命周期”效率。虽然用户可以自己决定采用何种标准进行分级与性能试验,但目前市场上普遍采用的是 EN779的过滤器分级方法。

2.3 过滤器阻力性能评价方法比较

过滤器阻力是过滤器的一个重要性能指标,其值大小直接反映过滤器所消耗的能耗,并对过滤器容尘量产生影响。统计表明空调机组中过滤器的能耗占总风机能耗的 10%~70%[1]。一个普通 F8 袋式过滤器一年能耗约为 500 kWh~1000 kWh,每降低 10 Pa 阻力过滤器能耗每年约减少50 kWh ~100k W h[ 2 ],因此降低过滤器阻力是非常重要的。GB/T14295对不同等级的过滤器在其额定风量下初阻力有明确上限要求,如高中效过滤器在其额定风量下初阻力不得大于100 Pa,其相应的终阻力为其初阻力的2倍。该方法结合效率和阻力对过滤器进行等级划分,一定程度上反映了标准制定者已经把节能这一理念用于过滤器,但是该方法将过滤器的初始阻力和效率同时作为划分过滤器等级的依据,会限制一些过滤效率较高但阻力偏大的过滤器等级的适当划分,因此会造成一定程度的资源浪费。如某公司送检的过滤器按照 GB/T 14295-2008测得其粒径≥0.5 ìm 的分组效率为68.6%,初阻力为 92Pa,按照效率分级方法该过滤器为中效1,但是按照初阻力要求,该过滤器不能评为中效 1,因此无法确定该过滤器的分级。

欧洲标准EN779与美国ASHRAE标准对过滤器初阻力均没有明确要求,欧洲通风协会制定的Eurovent 4/11[3]则充分考虑了过滤器整个使用周期中的阻力变化,即过滤器整个生命周期使用能耗对过滤器进行能效分级。该评级方法“模拟”计算过滤器在整个生命周期内的能耗:

无尘室内高效空气过滤器性能测试方法

式 1 的前提条件是过滤器运行风量qv=0.944 m3/s,风机效率  = 0.50,风机运行时间 t = 6000 h。式中的平均阻力 可通过下式计算得:

无尘室内高效空气过滤器性能测试方法

 

其中:a、b、c、d 为过滤器阻力 - 容尘拟合曲线的四次多项式的系数;Mx是计算平均阻力的ASHRAE 负荷尘量,单位 g,Mx是下述3 个值之一,G 组过滤器 MG= 350g,M 组过滤器 MM=250g,F 组过滤器 MF=100 g,见表 2;  pi为空气过滤器的初阻力,单位Pa; p 为不同容尘阶段空气过滤器的阻力,单位 Pa;为过滤器平均阻力单位 Pa;W 为年能耗,单位 kWh。

根据(2)和(3)式可计算得到过滤器在整个“模拟周期”内的平均阻力,代入(1)式可求得过滤器在整个生命周期内的能耗W,从而根据不同过滤的能耗性能参数 W 将其分为 A、B、C、D 、E 、F 、G 等 7 个能效等级(如表 3 所示)。

无尘室内高效空气过滤器性能测试方法

 

该评级方法第一次将过滤器“运行周期”内的阻力变化纳入过滤器性能评价体系,能够评估过滤器整个生命周期中的能耗。(1)式中的风量 qv、运行时间 t、风机效率参数都为设定值,因此为了准确计算(1)式中能耗W,只需要确定过滤器整个“生命周期”的平均阻力。采用 ASHARE人工粉尘模拟过滤器实际使用过程中的各个不同阶段来计算过滤器平均阻力。由于尘源粒径大小、形状不同,相同质量容尘造成过滤器阻力上升幅度也会相差很大。欧洲经验表明,即使同样的ASHRAE人工尘,采用 Particle Technology 公司的ASHRAE粉尘试验时,过滤器的容尘量比用Blue Heaven公司的ASHRAE粉尘低很多。这势必影响到过滤器的能效分级,因此该标准建议用Particle Technology 生产的粉尘。笔者也通过对某过滤器进行不同尘源的容尘试验,图2所示的试验结果表明过滤器容尘试验采用不同的人工尘,过滤器阻力的变化过程也显著不同,相差幅度能高达100%。可见人工尘不同,过滤器容尘量会相差很大,而采用(1)式计算的能耗也会差异很大,而过滤器实际应用时过滤的大气尘和测试用的ASHRAE 人工尘相差很大,因此(1)式计算的 W 值只能用能效评级,并不能(1)式计算的 W 值只能用于能效评级,并不能代表实际应用过程中的能耗。

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3 结论

(1)中国 GB/T 14295-2008 标准、欧洲标准EN 779-2011,美国标准 ANSI/ASHRAE 52.2-2007过滤器测试方法、气溶胶发生装置、气溶胶都有各自优点和不足。EN779-2011要求对过滤器产品消除静电后对其进行效率测试是很有必要的。

(2)效率分级方面,欧洲标准更加关注过滤整个“生命周期”0.4 ìm 的平均效率,而美国标准强调整个生命周期不同粒径档的最低分级效率,中国标准则关注过滤器 0.5 ìm或 2 ìm 的初始分组效率,三个标准分级方法各不相同,但是三个标准的效率等级之间可以大致进行转换。

(3 )阻力性能方面,美国标准 A N S I /ASHRAE52.2-2007 对过滤器初祖力没有明要求,中国 GB/T 14295-2008标准把阻力和效率不合理联系,造成某些过滤器无法确定等级。欧洲标准单独对过滤器进行能效分级,将过滤器的过滤效率和阻力两个不同参数用不同指标对其评级,并且该分级方案还综合考虑了过滤器在使用过程中阻力的变化趋势,真正“模拟”了过滤器整个使用周期的能耗。  


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