儲(chǔ) 健，邵安晨

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，天津 300222）

近年來，大量人口向城市遷移，為了滿足密集人口的日常生活及工作需要，大型封閉式建筑逐漸代替了城市中的老式建筑。為了滿足醫(yī)院等公共場(chǎng)所人流量大、人員密集、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑的通風(fēng)、溫濕度調(diào)節(jié)的要求，安裝中央空調(diào)成為最佳的選擇[1]。然而，當(dāng)前被廣泛使用的中央空調(diào)由于其使用時(shí)間長(zhǎng)，不易徹底清理，導(dǎo)致內(nèi)部極易滋生細(xì)菌，積累污物，從而造成內(nèi)部污染，當(dāng)中央空調(diào)開啟時(shí)就會(huì)將已被污染的空氣帶到整個(gè)建筑中，危害人的健康。對(duì)于中央空調(diào)的污染問題，當(dāng)下普遍采用加裝過濾器或靜電除塵裝置的方法來應(yīng)對(duì)[2]。研究表明，空調(diào)機(jī)組加裝靜電除塵裝置后，在不影響機(jī)組運(yùn)行及送風(fēng)舒適度的情況下，有效提高了空調(diào)機(jī)組的凈化過濾效果[3]。改造后空調(diào)機(jī)組的空氣凈化裝置對(duì)PM2.5 和PM1.0 的凈化效果分別達(dá)到了51.3%和52.2%。然而，傳統(tǒng)的靜電除塵裝置存在耗能過大且凈化效率受風(fēng)速影響較大的問題[4]，無法滿足當(dāng)下人們對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的要求。本文針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)出一種節(jié)能型自動(dòng)控制中央空調(diào)除塵電路，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能和提高設(shè)備工作效率的目的。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)的污染現(xiàn)狀

中央空調(diào)以其作用范圍廣、使用方便、噪音小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于大中型建筑中，為人們的工作和學(xué)習(xí)生活提供了舒適的環(huán)境[5]。相較于柜式或壁掛式空調(diào)，中央空調(diào)雖然安裝空間小、故障率低、能效比高，但其帶來的衛(wèi)生污染問題也日益引起人們的關(guān)注。不同于單體空調(diào)，中央空調(diào)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大且很大一部分結(jié)構(gòu)密封于建筑之內(nèi)，這使其內(nèi)部很容易積累污物，滋生病菌。而受清理難度和清理成本的制約，很多中央空調(diào)系統(tǒng)并不能得到及時(shí)有效地清理和凈化。

據(jù)2016 年《中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》統(tǒng)計(jì)，我國(guó)338個(gè)城市中共發(fā)生重度污染2 464 天次，嚴(yán)重污染784 天次，以PM2.5 為首要污染物的天數(shù)占重度及以上污染天數(shù)的80.3%[6]。中央空調(diào)系統(tǒng)適用于面積大、房間集中的場(chǎng)所，然而由于大多數(shù)公共建筑室內(nèi)沒有安裝空氣凈化裝置，以致于中央空調(diào)在換風(fēng)時(shí)大量顆粒物進(jìn)入室內(nèi)。調(diào)查顯示，中央空調(diào)系統(tǒng)中通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的主要污染物（可懸浮顆粒物以及微生物）占室內(nèi)空氣污染物的42%～53%[7]。

2015 年，蘇州相城區(qū)疾控中心對(duì)該區(qū)的22 家賓館、5 家醫(yī)療機(jī)構(gòu)和7 家大型商場(chǎng)的中央空調(diào)冷卻水進(jìn)行了采樣調(diào)查，結(jié)果顯示，在冷卻塔的冷卻水中，其嗜肺軍團(tuán)菌的污染率為26.47%（9/34），分離出的軍團(tuán)菌共有11 株[8]。最終得出結(jié)論：蘇州相城區(qū)大型建筑中央空調(diào)系統(tǒng)中軍團(tuán)菌的檢出率遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重威脅市民健康。

據(jù)調(diào)查，當(dāng)前市面上的中央空調(diào)系統(tǒng)都安裝有不同形式的過濾清潔裝置。其中，安裝除塵過濾網(wǎng)的中央空調(diào)系統(tǒng)占100%，安裝普通靜電除塵裝置的中央空調(diào)系統(tǒng)占30%左右。但這兩類除塵清潔裝置并不能很好地完成大型建筑內(nèi)中央空調(diào)的除塵凈化任務(wù)。當(dāng)下我國(guó)中央空調(diào)的清潔凈化很難達(dá)到指定標(biāo)準(zhǔn)，正確處理中央空調(diào)的污染問題迫在眉睫。

2 中央空調(diào)凈化消毒方法比較

為了實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)的有效除塵，廣泛采用的技術(shù)有高效過濾技術(shù)（high-efficiency particulate air，HEPA）和靜電除塵技術(shù)（eletrostatic precipitator，ESP），這2 種技術(shù)均可以有效地處理中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程中空氣中的微粒子。研究表明，細(xì)菌在中央空調(diào)系統(tǒng)中的遷移主要通過依附于塵埃粒子的方式進(jìn)行[9]。通過除塵使細(xì)菌失去傳播載體，可以從根本上抑制中央空調(diào)內(nèi)細(xì)菌的滋生，同時(shí)實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)的除塵和凈化。

2.1 高效過濾（HEPA）

HEPA 技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際上廣泛使用的一種用于中央空調(diào)除塵和消毒的技術(shù)。對(duì)于可吸入顆粒物（PM10）、氣溶膠、微生物均有很好的過濾作用。對(duì)于0.3 μm 及其以上的顆粒在濾速≤0.1 m/s 時(shí)，通過高效過濾技術(shù)一次可實(shí)現(xiàn)高達(dá)99.97%的凈化率。對(duì)空氣中細(xì)菌的一次通過凈化效率也可達(dá)到90%[10]，盡管凈化效果十分優(yōu)秀，但HEPA 技術(shù)在風(fēng)道中阻力過大的問題仍無法忽視。各級(jí)過濾設(shè)備在額定風(fēng)量下的過濾效果和所受阻力如表1 所示。

表1 各級(jí)過濾設(shè)備在額定風(fēng)量下的過濾效果和所受阻力

2.2 靜電除塵（ESP）

ESP 技術(shù)是利用高壓靜電場(chǎng)，在電場(chǎng)的作用下，讓帶負(fù)電荷的微粒朝正極移動(dòng)，最后通過機(jī)械裝置使收集的灰塵掉落到收集槽里，從而實(shí)現(xiàn)除塵功能。ESP技術(shù)誕生的100 多年來，其在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[11]。工業(yè)靜電除塵器具有很強(qiáng)的除塵功能，對(duì)于直徑大于0.01 μm 的粒子去除效果非常好。

用于中央空調(diào)除塵凈化的靜電除塵器通過使用窄間距靜電場(chǎng)結(jié)構(gòu)使帶電微?？焖俚竭_(dá)極板，不需要很長(zhǎng)的電場(chǎng)就可以充分去除空氣中的塵埃粒子，進(jìn)而減小了靜電除塵器的阻力損失，極大地降低了靜電除塵器的噪音，減小了體積并使其更加便于維護(hù)。

2.3 HEPA與ESP的比較

HEPA 和ESP 都是經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的可以有效應(yīng)對(duì)中央空調(diào)除塵任務(wù)的設(shè)備。這兩類設(shè)備在除塵性能上各有優(yōu)劣，二者具體性能差異如表2 所示。

表2 2 種除塵裝置的性能比較

衛(wèi)生部在關(guān)于空調(diào)通風(fēng)衛(wèi)生規(guī)范的相關(guān)文件中對(duì)中央空調(diào)包括過濾器、靜電除塵器等凈化設(shè)備的衛(wèi)生要求有明確規(guī)定：在通風(fēng)管道正常風(fēng)壓下，相關(guān)凈化設(shè)備的設(shè)備阻力不應(yīng)大于50 Pa，而HEPA 的阻力損失過高。由此可見，雖然高效過濾器在除塵效率和造價(jià)方面具有優(yōu)勢(shì)，但由于阻力和容塵量的限制，ESP 比HEPA 更適用于中央空調(diào)的除塵殺菌。

3 靜電除塵器電源分析

靜電除塵設(shè)備的電源是設(shè)備最重要的組成部分，電源的性能直接影響靜電除塵器的空氣凈化效果和功耗。運(yùn)行時(shí)的靜電除塵器具有很強(qiáng)的非線性特點(diǎn)，因此靜電除塵器的電源相較于普通電源更加復(fù)雜[12]。隨著新技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，靜電除塵器電源的性能和功能越發(fā)強(qiáng)大，其主要目的是達(dá)到更高效的節(jié)能以及使靜電除塵器擁有更高的除塵效率。

3.1 靜電除塵器電源提高除塵效率的關(guān)鍵因素

靜電除塵電源能提高除塵效率的幾個(gè)關(guān)鍵因素：①靜電除塵器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，靜電除塵電壓應(yīng)接近閃絡(luò)電壓且盡量平穩(wěn)；②當(dāng)有閃絡(luò)發(fā)生時(shí)，可以迅速反應(yīng)，切斷電源；③閃絡(luò)后電源間歇時(shí)間短；④輸出電壓恢復(fù)快，能迅速恢復(fù)至靜電除塵器的工作電壓。

3.2 靜電除塵器電源控制電路

隨著單片機(jī)和計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)的推廣和使用，靜電除塵器得以實(shí)現(xiàn)精確工作，這也使靜電除塵器的操作和維護(hù)變得更加簡(jiǎn)單方便。最初的靜電除塵電源采用可控硅相控調(diào)壓結(jié)構(gòu)[13]，然而該結(jié)構(gòu)的靜電除塵電源現(xiàn)在已經(jīng)很難滿足高效率靜電除塵的需要。為了滿足對(duì)靜電除塵器越來越高的性能要求，一種高頻靜電除塵電源被開發(fā)出來[14]。此類電源使用高頻大功率器件（如IGBT），其高頻靜電除塵器電源電路原理如圖1 所示。

由圖1 可以看出，靜電除塵器產(chǎn)生高壓靜電場(chǎng)所需要的高壓直流電來自于被整流后的高壓高頻交流電。高頻高壓交流電是直流電經(jīng)過PWM 控制的半橋式逆變器逆變后再升壓產(chǎn)生的，而直流電則是日常220 V 交流電經(jīng)過橋式整流器的整流得到的。由多伊奇捕集效率方程（1）可知，當(dāng)比集塵面積不可改變時(shí)，粉塵驅(qū)進(jìn)速度決定除塵效率[15]。而根據(jù)式（2）又可以看出，欲提高粉塵的驅(qū)進(jìn)速度，需提高靜電除塵器供電電壓的峰值和平均值。

為達(dá)到電網(wǎng)頻率的交流電轉(zhuǎn)化成可調(diào)頻率的交流電這一目的，可以采用交-交變頻電路來實(shí)現(xiàn)。交-交變頻電路觸發(fā)延遲角計(jì)算公式為

式中：Uom為想要得到的正弦波輸出電壓的幅值；Ud0為α=0 時(shí)，整流電路的理想空載電壓；ωo為想要得到的正弦波輸出電壓頻率。

圖1 高頻靜電除塵器電源電路原理

然而交-交變頻電路因受電網(wǎng)頻率和變流電路脈沖波數(shù)限制的情況，存在輸出頻率較低、輸出功率因數(shù)較低、輸入電流諧波含量大等缺點(diǎn)，這里不予采用。由IGBT 構(gòu)成的逆變電路，可以把直流電轉(zhuǎn)變成高頻交變的方波，通過單片機(jī)產(chǎn)生的PWM 信號(hào)實(shí)現(xiàn)高頻控制，系統(tǒng)的響應(yīng)速度得到提高，對(duì)靜電除塵器高壓靜電場(chǎng)強(qiáng)度可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整，極大地提高了靜電除塵器的工作效率和能源利用率[16]。除此之外，不同于早期的可控硅工頻相控電源，高頻靜電除塵電源通過使用更加靈活的全控型器件IGBT，極大縮短了器件的開啟與關(guān)斷的時(shí)間。因此，如果有閃絡(luò)現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，高頻靜電除塵電源可以迅速切斷電源[17]。

4 節(jié)能型自動(dòng)控制中央空調(diào)除塵電路

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

空調(diào)風(fēng)機(jī)機(jī)組的運(yùn)行過程大致為新風(fēng)和經(jīng)過循環(huán)的回風(fēng)，被除塵設(shè)備處理后，再經(jīng)過加熱或制冷以及除濕，通過送風(fēng)段進(jìn)入房間，最后回到回風(fēng)段，再經(jīng)過排風(fēng)和新風(fēng)進(jìn)入后重新開始循環(huán)。該節(jié)能型自動(dòng)控制中央空調(diào)除塵系統(tǒng)使用傳感器與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)與控制功能，中央空調(diào)靜電除塵系統(tǒng)I/O 點(diǎn)位如圖2所示。

圖2 中央空調(diào)靜電除塵系統(tǒng)I/O 點(diǎn)位圖

4.2 控制原理分析

本研究設(shè)計(jì)的節(jié)能型自動(dòng)控制中央空調(diào)除塵系統(tǒng)采用型號(hào)為stm32f103C8T6 的32 位單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，產(chǎn)生PWM 信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)靜電除塵器的功率控制。單片機(jī)工作電壓為3.3 V，由圖2 可知本系統(tǒng)共使用了2 個(gè)粉塵傳感器和1 個(gè)微壓差傳感器。粉塵傳感器A 置于靜電除塵器前用于前饋，粉塵傳感器B 置于靜電除塵器后用于收集反饋信號(hào)。粉塵傳感器選用北京攀藤科技有限公司的PMS7003M 型號(hào)的數(shù)字式通用顆粒物濃度傳感器，該型號(hào)傳感器采用5.0 V 直流電源供電，實(shí)時(shí)響應(yīng)并支持連續(xù)采集，性能滿足中央空調(diào)對(duì)粉塵檢測(cè)的要求。單片機(jī)每隔0.2 s 對(duì)2 個(gè)粉塵傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，當(dāng)粉塵傳感器A 與粉塵傳感器B 檢測(cè)到的粉塵濃度均小于最小給定值時(shí)，單片機(jī)控制靜電除塵器，使之不輸出高壓。當(dāng)粉塵傳感器A 檢測(cè)到的粉塵濃度大于3 倍的粉塵傳感器B 檢測(cè)到的粉塵濃度時(shí)，證明給定功率下靜電除塵器對(duì)空氣中顆粒物的去除效果良好；否則，單片機(jī)會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)調(diào)整輸出的PWM 信號(hào)，增大靜電除塵器的功率。本系統(tǒng)控制原理圖如圖3 所示。其中，粉塵傳感器相關(guān)給定量可根據(jù)用戶需求設(shè)置，可設(shè)置成3～5 倍，當(dāng)除塵前粉塵濃度為除塵后粉塵濃度的3～5 倍時(shí)增大除塵功率。微壓差傳感器相關(guān)給定量可設(shè)置為10～20 Pa，當(dāng)2 次采樣平均值之差大于10～20 Pa 時(shí)，增大除塵功率（若2 次采樣平均值之差大于30 Pa，則需要清洗過濾網(wǎng)）。

圖3 控制原理圖

為加強(qiáng)檢測(cè)的靈敏性，減少檢測(cè)誤差，在使用粉塵傳感器檢測(cè)空氣凈度的同時(shí)，還可以通過微壓差傳感器檢測(cè)過濾器兩端壓差來判定空氣中的粉塵含量。當(dāng)空氣中粉塵含量增大時(shí)，過濾器產(chǎn)生的阻力就會(huì)增大，導(dǎo)致過濾器兩端風(fēng)壓壓差增大。一般情況下，中央空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)正常風(fēng)壓約220～270 Pa，因此在選擇壓差傳感器時(shí)要考慮其量程能否檢測(cè)到過濾器兩端細(xì)微的壓差變化。本文選用北京星儀傳感器技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CCY11-69-A1-B-D-G 型微壓差傳感器，該傳感器可測(cè)量的壓差范圍是0～100 Pa，可承受的最大靜壓為10 kPa，輸出信號(hào)為10～20 mA，采用12～36 V 直流電供電。為了能夠?qū)^濾器兩端壓差進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并對(duì)靜電除塵器進(jìn)行及時(shí)調(diào)壓，單片機(jī)每隔0.1 s對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采樣，每采樣3 次后取其平均值，比較相鄰的平均值，若2 個(gè)平均值之差大于給定值，單片機(jī)將通過PWM 信號(hào)增大靜電除塵器的直流電壓，以增強(qiáng)靜電除塵器的高壓靜電場(chǎng)，加大除塵效率。若2 個(gè)平均值之差小于給定最小值，則靜電除塵器將停止輸出高壓。靜電除塵電路控制程序流程如圖4 所示。

圖4 靜電除塵電路控制程序流程

4.3 節(jié)能型自動(dòng)控制中央空調(diào)除塵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

相較于傳統(tǒng)的只能控制開關(guān)而不能實(shí)時(shí)調(diào)整功率的傳統(tǒng)靜電除塵系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的節(jié)能型自動(dòng)控制中央空調(diào)除塵系統(tǒng)可通過實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)通風(fēng)管道內(nèi)灰塵含量，自動(dòng)調(diào)節(jié)除塵功率，在最大限度實(shí)現(xiàn)空氣清潔的同時(shí)，也極大地節(jié)約了除塵設(shè)備的耗電量。本文設(shè)計(jì)的節(jié)能型自動(dòng)控制中央空調(diào)除塵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的靜電除塵系統(tǒng)性能比較如表3 所示。

表3 2 種靜電除塵系統(tǒng)的性能比較

相較于傳統(tǒng)靜電除塵器，本文設(shè)計(jì)的節(jié)能型自動(dòng)控制中央空調(diào)除塵電路性能更強(qiáng)大，價(jià)格更合理。對(duì)于已安裝傳統(tǒng)靜電除塵裝置的中央空調(diào)系統(tǒng)，不需要完全更換其除塵系統(tǒng)，只需在其原有設(shè)備上升級(jí)改造即可實(shí)現(xiàn)高效率的除塵凈化功能。升級(jí)改造過程的難度也較低，只需加裝控制電路板和傳感器，可在夜間中央空調(diào)停止運(yùn)行期間快速升級(jí)，不影響中央空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，且升級(jí)改造成本合理。

與傳統(tǒng)的靜電除塵器相比，節(jié)能型自動(dòng)控制靜電除塵器通過實(shí)時(shí)調(diào)壓可以節(jié)省40%左右的能源。市場(chǎng)上的靜電除塵器功率為90～300 W，電壓為30～75 kV，電流為3～4 mA。若選用260 W 的靜電除塵設(shè)備，每天的停開時(shí)間比為1 ∶2，一座大廈安裝30～50 臺(tái)該設(shè)備，則所有靜電除塵設(shè)備每天耗能為124.8～208 kW·h。若將這些靜電除塵設(shè)備全部換成節(jié)能型自動(dòng)控制除塵設(shè)備，每天可節(jié)能49.6～83.2 kW·h。由此可見，此節(jié)能型自動(dòng)控制除塵設(shè)備不僅操作、維護(hù)簡(jiǎn)單，除塵效果好，而且還更加節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的節(jié)能型自動(dòng)控制中央空調(diào)靜電除塵設(shè)備可以有效地解決當(dāng)下中央空調(diào)面臨的空氣污染問題，在降低室內(nèi)可吸入顆粒物的同時(shí)起到除菌的作用。本系統(tǒng)通過自動(dòng)調(diào)壓可以極大地減緩風(fēng)管內(nèi)灰塵的積累速度，大幅度降低系統(tǒng)風(fēng)阻，減小風(fēng)機(jī)負(fù)荷。除此之外，節(jié)能型自動(dòng)控制中央空調(diào)靜電除塵器操作、維護(hù)方便，不僅設(shè)備本身節(jié)能環(huán)保，而且還極大地降低了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本。因此，節(jié)能型自動(dòng)控制中央空調(diào)靜電除塵系統(tǒng)可代替老式的空調(diào)凈化裝置，在經(jīng)濟(jì)節(jié)能的同時(shí)為用戶提供更加舒適健康的室內(nèi)環(huán)境，適合大規(guī)模推廣。