新風系統與空氣凈化的差異

2017年1月9日，是小青的生日,為了小青的誕生,很多事我都推掉了,包括一直想寫一篇科普文章，拖到現在。

——陳娉

一．空調，空氣凈化器和新風系統有什么區別？

空調和空氣凈化器都是室內空氣循環,新風系統是室內外空氣交換。

1.  空調

空調用于制冷和制熱，從空調出來的風，都是室內空氣。工作原理利用了(氟利昂)氣體液化釋放熱量,液體氣化吸收熱量。制冷時,氣體氟利昂通過壓縮機變為高溫高壓液態，通過冷凝器到毛細管到蒸發器，變成低溫低壓氣態。室內空氣從變冷的蒸發器中吹過,形成冷風。制熱時,氟利昂流動方向相反。

圖1.空調工作原理

2.空氣凈化器

空氣凈化器是在不開窗情況下將室內空氣進行過濾凈化，室內空氣內循環。

圖2.空氣凈化器使用場景效果圖

2.1風機加濾網過濾

空氣凈化最有效安全的方法是物理過濾，用風機將空氣抽進，再經過濾網將臟東西濾掉，這就好比放一塊破布攔在窗戶上，擋風遮塵一樣。由于需要在保持高風量的基礎上，風壓越大越好，因此渦輪風機是首選，最主流濾網為HEPA濾網，這是一次性的耗材。使用HEPA要有良好的氣密設計，否則空氣會繞過濾網而失去凈化效果。

圖3.物理過濾（風機+濾網）空氣凈化器原理示意圖

2.1靜電集塵凈化

https://en./wiki/Electrostatic_precipitator

該技術的使用已經有超過100年的歷史了。在幾千伏高壓（線狀電離器和板狀收集器之間），使空氣中的顆粒物（particle matter-PM）電離帶電，從而被電極（收集器）吸附。濾網可以清洗，不用更換。缺點是在高壓電離空氣，會產生負氧離子，負氧離子達到一定的濃度時，會轉化成臭氧和氮氧化物。其中臭氧是世界衛生組織四種典型的空氣污染物之一，它會對呼吸系統，神經和免疫系統造成影響。美國FDA(食品和藥物管理局)禁止臭氧用于醫用。這些綜合因素導致,靜電集塵凈化不是被所有國家采納為家庭除塵，多數用于工業環境除塵。

圖4.靜電集塵空氣凈化器原理示意圖

2.3負離子凈化器

https://en./wiki/Air_ioniser

利用電暈方法電離空氣生成負離子,繼而與空氣中顆粒結合并使其帶電，帶電顆粒物沉積到墻壁，天花板，地面等導體。比如（1）由于負離子的物理吸附，顆粒物帶負電，負負相斥，沉積到地面。（2）帶正電的顆粒物與負離子產生正負結合，變得更重，沉積到地面。（3）顆粒物和負離子產生化學分解。負離子凈化的缺點和靜電集塵類似，會產生衍生物負氧離子,達到一定濃度，會和空氣中氧氣結合產生臭氧。目前車載凈化器常用靜電集塵凈化或負離子凈化。

圖5.負離子空氣凈化器原理示意圖

3.新風系統是不開窗的情況下完成室內通風換氣，過濾PM2.5只是在我國特殊國情下給新風系統加一套過濾系統，不是其原有功能。在發達國家，新風系統為建筑物標配，我國部分商場、酒店、辦公樓都是大型公共建筑，備有新風系統，家庭新風是近幾年興起的。前裝型中央管道式新風通常有進風通道，也有排風，叫雙向流管道新風系統，在集成吊頂時安裝。

二．為什么需要使用新風系統？

空氣質量問題，顯見的是霧霾；隱性的是室內空氣污染，甲醛等TVOC（有機揮發物），二氧化碳，霉菌等。世界衛生組織, 多年關注室內空氣污染, 認為室內空氣污染很嚴重，污染源更復雜。

1.  去除室內TVOC等空氣污染包括甲醛最好的辦法就是通風換氣.

2.  簡單介紹一下其他市場上流行的除甲醛的方法.

活性炭吸附除甲醛，不是原理上行不通，而是實操層面不可行。活性炭的重量和吸附量成直接正比。甲醛的釋放和吸收是動態平衡的。如果活性炭量一定并且不通風時候，甲醛的量最終（t=∞）會穩定在一個值。只有在不斷有新的吸收源（補充活性炭）的情況下，濃度才會下降。 通常以TVOC為主要污染物的空氣環境，刨花板中甲醛含量E1標準為小于9mg/100g，假設其重量50kg, 甲醛含量為4.5g。這部分甲醛需要幾年才能完全釋放，全程需要至少17kg活性炭才能實現，以甲醛吸附量0.264mg/g計算。很多空氣凈化器只內置了活性炭層也稱其可以有效除甲醛是不嚴謹的。在實驗室環境下，人工甲醛污染源只是設定了一個初始值，之后就挪走。許多測試報告，只顯示去除效率99%或是99.9%，但是對初始甲醛濃度和凈化時間卻沒有標示，是1小時，2小時？如果時間很長，甲醛當然終歸可以去除。現實中，甲醛是不斷釋放的，空氣凈化器凈化速率要趕上釋放的速率，才能達到一個動態平衡。

（http://www./papers/320-C00038.pdf）

光觸媒也叫光催化劑,在紫外線光照下，發生光催化效應，釋放電子空穴，并與空氣中的水和氧氣結合，并降解甲醛等有機污染物，最終生成二氧化碳和水。光觸媒對于除甲醛是有效的,但是必須在滿足一定光照條件,空氣濕度,空氣流動的條件下. 比如,二氧化鈦需要在波長為387nm左右的紫外線（UVA）照射下才能激發催化活性。而日光中紫外線波段占不到5%，室內更少，因此光觸媒產品在正常室內光線下效果很有限。

(C.Plassalia,M E.M.Retamar,etc, Photocatalytic Degradation of Formaldehyde in Gas Phase on TiO2 Filmes: A Kinetic Study, International Journal of Chemical Reactor Engineering, Vol8.2010,Article A161)

四.新風凈化系統的通風量

國家對于通風量有兩種建議，

1.室內人均新風量：30m³/h˙人，則新風總量需求＝人均新風量×室內計算人數2.換氣次數：0.6-1次/h, 則新風總量需求＝換氣次數×室內有效容積

一個25m²的房間，按一個房間兩個人計算，每人每小時30m³，那需要的風量就是60m³/h; 如果按每個小時0.6-1次換氣，，則通風量為39-65 m³/h。考慮70-75%的風損耗量，風機風量為52-92 m³/h，即可滿足國家標準。

五.空氣凈化系統的風機和濾網

由于風機加濾網凈化原理,需要大風量,高風壓,大部分空氣凈化器采用了渦輪風機,少部分用了軸流風機(我不理解為什么).常見的軸流風扇氣體流向與轉軸平行,風量大,風壓低。家里的風扇屬于軸流風機.

渦輪風扇的氣體流向垂直于轉軸，由于離心力,把風推出去.在保持風量大的情況下,風壓相比離心風機高.

濾網材質直接影響著空氣凈化器的性能與使用壽命,通常包括三層：濾棉，活性炭濾網，和HEPA濾網。第一層為前置濾棉，它是由發絲大小的纖維構成，主要用于吸附空氣中大的顆粒，去除毛發及粉塵。第二層為活性炭濾網。它能有效吸附分解固體結晶，去除苯、異味等毒害物質，除去大量的臭氣及有害氣體。第三層為HEPA濾網。HEPA (High Efficiency Air Filter) 即高效率空氣過濾器的縮寫。

https://en./wiki/HEPA

   HEPA濾網的特點是空氣可以通過，但細小的微粒卻無法通過，主要用于去除煙霧、灰塵等微小顆粒。

HEPA的材料有很多種，可以分為PP(聚丙烯)高效濾紙，PET濾紙，PP和PET復合高效濾紙以及玻纖高效濾紙。其中PP是紙類，不能水洗。PET或PTFE材質，可以水洗，但效率很低。盡管玻纖高效濾紙的過濾效果很高，但是它的風阻高，需要力量非常強的電機才能推動。

與HEPA纖維尺寸可比擬(大于0.4微米)的顆粒物依靠interception（攔截）原理，吸附在纖維上，比HEPA纖維尺寸大的顆粒物依靠impact(碰撞)原理，吸附在纖維上，而遠小于纖維尺寸的顆粒物，尤其是尺寸小于0.1微米的顆粒物，依靠diffusion(擴散)原理被吸附。

總之，大顆粒容易被過濾，小顆粒容易被過濾，介于0.1微米-0.3微米的顆粒物是最不容易過濾的。按照單次過濾效率，即單位時間內被濾紙捕捉的顆粒物與通過某處濾紙投影面全部顆粒物的比值。

HEPA級別及其單次過濾的效率

一般而言，H11是用于家用凈化器的底線，H13擁有了比較大的容塵量,但往往風阻會更大，會帶來潛在噪音問題。HEPA效率越高，阻力越大，凈化器的實際通風量也會減小,CADR值降低。

六.已經裝修了是否可以安裝新風？

廣告總歸要的。在表白青空之前，先推薦一下競品。

在墻體打洞安裝的壁掛式新風系統，單風道的壁掛式新風就是進氣扇再加上一個濾網，在室內形成正壓，室內污濁空氣從窗戶和門縫里排出去。壁掛式新風也有雙向風道，但是室內外的出風口和進風口離得太近，會使得部分剛進來的潔凈空氣又被排出去了。以上兩種形態的新風機都靠譜,通常單屋壁掛式新風系統對于除PM系列比全屋管道式新風普遍更有效.

但是，如果通過排風扇將室內空氣排出，在室內形成負壓，室外新鮮空氣進入室內，叫負壓新風，這在我國不適用，因為室外有霧霾。

還有DIY精神的和小米空氣凈化器配合使用的米皮,即通過一根管道一端和窗戶相連,另一端和小米空氣凈化器的進風口相連,把室外空氣引入小米空氣凈化器,過濾凈化后帶入室內.淘寶上有不少,便宜,其實我是比較尊重實用主義,至少它科學上也是站得住腳的,嘻嘻.

小青的自白

青空二代（昵稱小青）采用正壓新風原理。

它的安裝，使用，維護，實用方便。

七.用了新風凈化器還要用空氣凈化器嗎？

     通常單屋（壁掛或者窗式）新風凈化器風量為70-150m3/h，空氣凈化器的風量為300-400m3/h。新風凈化器僅過濾PM2.5一次，而空氣凈化器反復過濾。

     在我的辦公室，合肥不是霧霾重災地，我時不時趁霧霾天做實驗。實測，在90分鐘通常達到穩態值，最近的一組是1月3日，PM2.5從270ug/m3，經過90分鐘進入優質空氣50ug/m3，最后穩定在30左右。通過有限元仿真，我們把100m3/h的進風量，以及房間體積60 m3，以及門、窗出風口（沒有假設進風口），以及一次過濾效果假定為8ug/m3（出風口測量）。實測和仿真很吻合匹配。這是一個有趣的比較，如果實測和仿真的吻合度表示，房間的密閉性是理想的（現實這是不可能的），在新風運行過程中產生的微正壓，約1Pa，能有效阻止室外空氣進入。

結論：在PM2.5 300ug/m3以下，新風凈化器可以保障良好IAQ（室內空氣質量），而在PM2.5 更高時，新風凈化器的貢獻是將1000變成300，然后保證室內微正壓，室外的霧霾不容易滲入，然后使用大風量的空氣凈化器把PM2.5指標進一步降低到50。

新風不僅僅保證了通風換氣，排除室內空氣污染，并且形成的微正壓，等于給房間一個罩子，室外霧霾不容易進入，給在重度霧霾下創造的良好條件，有效使用空氣凈化器。

后記：

對于新風和空氣凈化，我算不是有經驗的資深人士，青空剛啟動時核心技術成員盡管每個人都有10年以上專業經驗，結構工程師，工業設計師，電路工程師，物理電子專家(空氣動力學分析),無線傳感網工程師，數據挖掘專家。他們和我一樣,沒有直接的空凈行業經驗。想做這件事，我們有充分的理由，能做這件事，我“自以為是”，我是物理電子出身，我們這撥人開發了各類儀器，我有7年超凈間工作經驗，10年儀器開發經驗，其中4年是儀器檢測。

但是正是跨界的“冒失”，才使得我們不斷挑戰被習慣認為不可能的任務，這就是我們的小青：普通客戶可以安裝，對建筑物完全無損的新風凈化系統。

小青很自信很靈氣，它并非完美，但它有膽氣創新，有毅力堅持，有良知務實，它一次次不完美中永恒地追求完美。

從今天起一個月內，我的工作時間的50%以上將做客服。有事致電，18919611074，微信同手機號。認識我的朋友知道，我只有一個電話號碼。青空歡迎來自一線用戶的聲音。