时间：2025-01-14 点击量：
“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室建造环境(BERL)课题组在中科院一区（JCR Q1）期刊《Building and Environment》（影响因子IF：7.1）上发表了最新研究成果，分析新型筒式静电过滤器代替空气净化器中传统的纤维介质过滤器的潜力，从成本和碳排放角度具有一定的优势。
一、 题目：新型静电过滤器替代空气净化器中空气过滤器的潜力分析
Exploring the potential of a novel electrostatic precipitator as an alternative to air filters in air purifiers
二、 作者
Chenhua Wanga（王晨华）, Jiaru Jianga（蒋佳汝）, Pan Wangb（王攀）, Lingchang Kongb （孔令昌）, Junjie Liua（刘俊杰、通讯作者）
a“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室，天津大学环境科学与工程学院
b 上海理工大学环境与建筑学院
三、 研究亮点
•提出了一种用于空气净化器的新型筒式静电过滤器；
•在200 m3/h的额定风量下，新型筒式静电过滤器对0.3μm颗粒的过滤效率为94.6%，阻力为13.0 Pa。
• 与传统纤维介质空气过滤器相比，新型筒式静电过滤器的碳排放量减少了30.0%，年使用成本降低了23.2%。
四、 研究背景
近年来，室内颗粒物（PM）污染被认为是导致人类健康问题的主要因素之一。因此，降低室内PM浓度以保护人类健康至关重要。根据天津大学发表在《中国建筑节能年度发展研究报告2021》中的研究成果，维持室内空气质量最经济的方式是自然通风，并辅以空气净化器。在雾霾天气中，自然通风很难使室内PM浓度保持在可接受的水平，因此需要广泛普及空气净化器。研究表明空气净化器对健康有巨大的好处，而且价格实惠，大约10%的中国家庭拥有空气净化器。此外，由于对保持适当室内空气质量的需求不断增加，中国的空气净化器市场也在不断增长。2023年，中国空气净化器市场的销售额为6.1166亿美元，预计到2030年将超过7.7742亿美元。这可以归因于人们对室内空气质量的认识日益提高。美国是空气净化器最大的消费市场，每十个家庭中就有三个家庭拥有至少一种空气净化设备。在韩国，自2013年以来，空气净化器市场每年增长30%以上，用于车辆和小房间等小空间的小型空气净化器的需求也在增加。与2016年相比，2021年印度空气净化器的销量增长了七倍。总的来说，空气净化器是去除室内PM的有前景的设备。
目前，带纤维介质空气过滤器的空气净化器因其高PM过滤效率和不会释放有害副产品而被广泛使用。然而，随着空气净化器运行时间的增加，空气过滤器中的PM积聚会增加空气净化器的压力损失，造成较大的噪音和较高能耗，因此用户需要定期更换过滤器。这种过滤器对于家庭、学校、办公室等普通用户来说不仅更换成本很高，而且更换维护也很麻烦。相比之下，静电过滤器（ESP）具有较低的气流压降、可清洗性和重复使用性，这使其成为一种经济高效且维护成本低的选择。然而，传统ESP在室内空气净化中的应用面临着亚微米颗粒过滤效率低的问题。ESP的收集模块主要是金属板，通常无法保证足够平坦的表面。当PM在收集模块上积聚后，PM排斥和电击穿经常发生，进一步降低了PM过滤效率并产生安全问题。因此，当ESP应用于空气净化器时，需要提高PM过滤效率和解决静电击穿的安全问题。
为了提高颗粒物过滤效率和解决静电击穿的安全问题，研究人员将静电过滤器收集模块的金属板封装在介电材料中。不幸的是，这种设计导致PM过滤效率迅速下降，这是由于当带电PM在介电材料电极上积累后，带电PM的电荷不能像传统的金属收集电极那样快速地传输到地面，随后气流中的带电PM将被占据收集电极的带电颗粒排斥，这导致PM去除效率的降低。此外，使用介电材料封装金属极板会导致ESP的重量和成本增加，不太适合室内空气净化器用户。因此，降低静电过滤器的PM效率衰减率、重量和成本成为其在空气净化器中应用的关键。
为了克服PM过滤效率的快速下降，增加收集面积和容尘能力的新型静电过滤器结构设计显示出了巨大潜力。该机制涉及通过增加收集面积和容尘能力来延迟效率下降，从而在相同体积内积累更多的PM。与相同体积的板式静电过滤器相比，筒式静电过滤器具有更大的收集面积和更高的容尘能力。
因此，本研究开发了一种筒式静电过滤器（C-ESP，图1a），以确保较大的收集面积和较高的过滤效率。导电油墨被用来取代传统的金属电极，以进一步降低ESP的成本和重量。C-ESP收集电极包括三层：聚丙烯（PP）薄膜、导电油墨和PP薄膜。此外，我们将C-ESP的性能与中国市场空气净化器中使用的4种商用空气过滤器的性能进行了比较（图1b）。最后，通过理论模型预测了空气过滤器和C-ESP的碳排放和使用成本，并探讨了用C-ESP替代传统纤维介质空气过滤器的潜在好处。
图1（a） 筒式静电过滤器，（b）商用空气过滤器
五、 主要成果
1. C-ESP的初始性能
图2（a）显示了C-ESP在200 m3/h的风量下，PM过滤效率随着放电极电流的增加而提高。随着放电极电流从0.10增加到0.14 mA，PM0.3、PM0.5、PM1.0和PM3.0的过滤效率从75.8%、82.4%、87.3%和90.4%提高到92.1%、94.3%、95.8%和96.7%。这是因为高的放电极电流为PM荷电提供了更多的离子，从而获得了令人满意的PM过滤效率。图2（b）显示了PM过滤效率随着风量的增加而明显降低。原因是在低风速下，PM的惯性力相对较小，导致电场力的主导作用。当风量从200增加到400 m3/h时，PM0.3、PM0.5、PM1.0和PM3.0的过滤效率分别降低到86.9%、91.7%、93.2%和94.3%。
图2（a） 放电极电流对PM过滤效率的影响，（b）风量对PM过滤效果的影响。（c） 施加电压对PM过滤效率的影响，（d）C-ESP的压降和臭氧排放率。
图2（c）显示了PM过滤效率随着施加电压的增加而增加，原因是电场强度的增加可以增加PM向收集电极的迁移速度。当施加电压从8 kV增加到10 kV时，PM0.3、PM0.5、PM1.0和PM3.0的过滤效率分别从85.2%、89.6%、92.5%和94.5%提高到94.6%、95.8%、96.6%和97.4%。虽然PM过滤效率最初随着施加电压的增加而迅速提高，但随着施加电压进一步增加，效率的提高速度减慢。因此，当收集电极的电场强度增加到一定阈值以上时，进一步增加收集电极的场强并不能显著提高C-ESP的PM过滤效率。如图2（d）所示，当风量从200增加到500 m3/h时，C-ESP的压降从13增加到21 Pa。在气流速率为200 m3/h时C-ESP的品质因子为0.225。此外，如图2（d）所示， 在不同的风量下C-ESP的臭氧生成速率范围为1.1-1.3 mg/h。
2. 空气过滤器的初始性能
目前，空气净化器使用的传统纤维介质空气过滤器包含多个过滤层，并提供高纤维填充率以提高PM去除性能。然而，这些措施可能会导致空气过滤器的压降更大，并导致风扇能耗更高及更大的噪音。因此，实现过滤效率和压降之间的平衡对于空气过滤器至关重要。如图3（a）所示，随着风量从200增加到500 m3/h，空气过滤器的平均压降从34.4 Pa增加到93.1 Pa。与C-ESP相比，传统空气过滤器的压降是C-ESP的2.6-4.4倍。图3（b）显示了不同商用空气过滤器的PM过滤效率。PM过滤效率随着粒径的增加而提高。对于粒径为0.3μm的颗粒，空气过滤器的平均过滤效率为93.2%。随着颗粒直径从0.3μm增加到3.0μm，空气过滤器的平均PM过滤效率提高到96.6%。不同空气过滤器的品质因子分别为0.096（1号）、0.056（2号）、0.093（3号）和0.091（4号）。由于压降存在显著差异，C-ESP的品质因子比空气过滤器高2.3-4.0倍。
图3（a） 不同空气过滤器在不同风量下的压降，（b） 不同空气过滤器的PM过滤性能。
3. 纤维空气过滤器和C-ESP的长期性能
在实际应用中，过滤性能应保持连续几周的运行。因此，对传统纤维空气过滤器和C-ESP的长期性能进行了评估。本研究使用品质因子最高的1号过滤器用于长期性能实验，其中包括熔喷聚丙烯（PP），过滤器夹层含有颗粒活性炭。如图4（a）所示，空气过滤器的PM0.3过滤效率随时间略有下降，而压降迅速增加。运行600小时后，空气过滤器的过滤效率降至75.4%。运行1000小时后，过滤效率进一步降至48.5%。这一现象可归因于驻极体电荷随着PM积累的增加而中和，导致PM过滤效率降低。当空气净化器的使用寿命定义为洁净空气量(CADR)降至初始值的50%时，空气净化器在600小时后CADR达到50%。此外，在运行1000小时后，空气过滤器的压降从31.0 Pa增加到57.8 Pa。这是因为PM积聚引起的堵塞导致空气路径变窄。由于纤维结垢和堵塞，空气过滤器在运行过程中的压降迅速增加，导致显著的能耗和相当大的噪音。事实上，这种现象是空气过滤器在实际应用中的主要缺点。
图4（a） 空气过滤器的长期性能,（b） C-ESP的长期性能。
图4（b）显示了C-ESP的PM0.3过滤效率和压降随时间的变化。显然，与空气过滤器相比，C-ESP的过滤效率显著降低，而压降略有变化。运行300小时后，C-ESP的PM0.3过滤效率从94.6%至71.7%，压降从13.0 Pa增加到15.0 Pa。与空气过滤器不同，C-ESP的压降可能不会发生显著变化。然而，由于收集电极中残留的PM夹带，C-ESP的过滤效率受到了损害。
4.纤维空气过滤器和C-ESP在使用成本和碳排放方面的比较
除了初始和长期性能水平外，纤维空气过滤器和C-ESP的碳排放和使用成本也是其在空气净化器中应用的重要考虑因素。表1显示了空气过滤器和C-ESP的使用成本和碳排放量。根据上节研究可知，C-ESP和空气过滤器在运行过程中的压降分别为13.5和35.2 Pa。在长期性能实验中，空气过滤器在600小时的运行中保持了令人满意的过滤效率。假设空气净化器每天运行8小时，空气过滤器的使用寿命为75天，每年必须更换4次。
表1.纤维空气过滤器和C-ESP的使用成本和碳排放
如表1所示，由于压降的影响，应用C-ESP和空气过滤器时风扇的年能耗分别为2.12和9.46 kWh/年。考虑到放电极运行期间的能耗，C-ESP的年总能耗为6.62 kWh/年。因此，C-ESP在运行期间的碳排放量比空气过滤器低30.0%。此外，尽管ESP的购买价格（276.4美元）远高于空气过滤器（17.97美元），但C-ESP和空气过滤器的年使用成本分别为56.27美元和73.30美元。尽管C-ESP在成本效益和低碳运行方面为空气净化器的应用提供了优势，但在初始过滤性能和长期性能方面并没有提供显著的优势，为了确保可持续和健康的环境，需要进一步提高ESP的初始过滤性能和长期性能。
本文引用格式：C. H. Wang, J. R. Jiang, P. Wang, L. C. Kong, J. J. Liu, Exploring the potential of a novel electrostatic precipitator as an alternative to air filters in air purifiers, Building and Environment, 270 (2025) 112535.
阅读原文：https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2025.112535
稿件编辑：王晨华
审核人：刘俊杰
田媛
于欣宇
